МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОДОСБОРОВ БАССЕЙНА РЕКИ ШУ ПРИ ИХ КОМПЛЕКСНОМ ОБУСТРОЙСТВЕ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология №2 2014

УДК 631.6

Доктор техн. наук Ж.С. Мустафаев *

Доктор техн. наук А.Т. Козыкеева Канд. экон. наук К.Ж. Мустафаев

С.Д. Даулетбай

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОДОСБОРОВ БАССЕЙНА РЕКИ ШУ ПРИ ИХ КОМПЛЕКСНОМ ОБУСТРОЙСТВЕ

ПРИРОДА, ЭКОЛОГИЯ, МЕЛИОРАЦИЯ, ОБУСТРОЙСТВО, РЕЧНОЙ БАССЕЙН, КРИТЕРИЙ, ПРОЦЕСС, ОЦЕНКА, ВОДОСБОР

Для экологического обоснования обустройства речных бассейнов разработан и осуществлен выбор интегральных критериев оценки природных процессов и на их основе определена степень взаимодействия с бассейном реки Шу (Чу).

Введение. Главная природная функция речного бассейна - стокооб-разующая, и в этом принципиальная важность такого членения территории. Помимо этого, речные бассейны - это особым образом объединенные геосистемы (принцип объединения здесь - единство гидрогеохимических потоков, имеющих один объект для своей разгрузки). Наконец, речные бассейны - это пространственный базис для природопользования (размещения земель разного назначения) и природообустройства. При этом сравнение системы образования водотоков на ландшафтную систему речных бассейнов показывает, что границы ландшафтов и их совокупностей пересекают трассы водотоков, что свидетельствует о несовпадении границ ландшафтов и речных бассейнов.

Уникальность речных бассейнов как природных объектов определяется тем, что они формируются в условиях высокой динамичности не только русловых и аллювиальных процессов, но и гидротермического режима, и периодически находятся, то в аэральных, то в аквальных условиях. Двойственность гидротермического режима, обусловленная разнообразием и богатством природных ресурсов бассейна р. Шу, дает основание рассматривать ее, как особую природную систему, включающую две взаимосвязанные экосистемы - наземную и водную.

* Таразский ГУ им. М.Х. Дулати, г. Тараз

111

Для решения экологических проблем бассейна трансграничной реки Шу важно: рассматривать и изучать водосборы в виде геосистем определенного ранга, включающих взаимообусловленный набор компонентов и развивающихся как единое целое; разрабатывать модели, описывающие основные процессы функционирования водосборов с возможно большим набором параметров, учитывающих изменения компонентов геосистем водосборов в условиях антропогенной деятельности человека.

В связи с этим А.И. Голованов предлагает расширение предметной области исследования мелиорации [2]: рассмотрение мелиорации, как базисного элемента комплексного обустройства; применение мелиоративных мероприятий для повышения экологической устойчивости водосборов; учет при промываемости почв; разработку способов расчета водообмена и обоснование мелиорации в бассейнах рек в связи с развертыванием природно-производственного комплекса для обеспечения продовольственных и производственных потребностей человека.

Целостность геосистемного подхода требует четкого определения объекта исследования, т.е. объектом исследования выбран водосбор, являющийся интегральным выражением устойчивых взаимосвязей между компонентами геосистемы и земной поверхностью. Водосбор рассматривается как геосистема, объединенная по принципу единства гидрохимических потоков и выполняющая средообразующие или экологические функции [2].

Цель и методика исследования. Изучение современного состояния водосборов бассейна р. Шу с целью выявления природно-экологических проблем и перспектив комплексного обустройства их территорий.

Методика предусматривает составление природно-техногенных характеристик, учитывающих природно-экологические ресурсы водосборов и на их основе совершенствование экологической инфраструктуры водосборов бассейна р. Шу.

Результаты исследований. Р. Шу, длиной 1067 км, протекает по территории Кыргызской Республики и Республики Казахстан, где площадь водосбора бассейна составляет 71,6 тыс. км2. Шу образуется слиянием рек Кочкор и Джуванарык в Тянь-Шане; течет по Иссык-Кульской котловине, Чуйской долине, пересекает пустыню Муюнкум; теряется во впадине Ащиколь. Средний расход воды около 70 м3/с, который используется в основном для орошения. На реке построены водохранилища Ортотокойское (Киргизия) и Тасоткельское (Казахстан), и другие ирригационные сооружения. Основные притоки: справа -Чон-Кемин, Ыргайты, Какпатас; слева - Аламедин, Аксу, Курагаты. 112

Бассейн реки занимает площадь 200,36 тыс. км2, из них 164,56 тыс. км2 - на территории Казахстана [2].

Численность населения в бассейне р. Шу составляет 1,4 млн. человек, из них в сельской местности проживает- 883,0 тыс. человек, а в городской - 542,1 тыс. человек.

В бассейне р. Шу под сельскохозяйственными угодьями занято порядка 78 %, под пашней - 13 % площади.

Общая площадь орошаемых земель составляет 473,4 тыс. га. Основные орошаемые земли сосредоточены в средней части Шуйской долины - 435,1 тыс. га. В верховьях р. Шу сосредоточено 33,1 тыс. га и только 5,2 тыс. га в ее низовьях.

Количественная оценка стока р. Шу обобщена на основе материалов наблюдений Кыргызгидромета за период 1980... 2002 годы и метода аналогии для рек, на которых отсутствуют данные наблюдений (табл. 1).

Таблица 1

Обобщенная количественная оценка эксплуатационных водных ресурсов

бассейна реки Шу

Водные ресурсы (км3'

Республика в зоне источник типа возвратные эксплуатационные

формирования «Карасу» воды ресурсы

Кыргызстан 3,20 1,29 0,81 5,30

Казахстан 0,38 - - 0,38

Всего 3,58 1,29 0,81 5,68

Располагаемые водные ресурсы р. Шу составляют Ж = 4,87 км3, а с учетом возвратных вод Ж = 5,68 км3.

Формирование климата бассейна р. Шу осуществляется во взаимодействии с общепланетарной циркуляцией, радиационными условиями и особенностью подстилающей поверхности [1].

Горные зоны бассейна обладают относительно низкой теплообес-печенностью (^/ = 514.834 оС), невысокими теплоэнергетическими ресурсами (Я = 88,2.100,5 кДж/см2) и высокой влагообеспеченностью (О = 362.698 мм).

Предгорные зоны бассейна обладают относительно средней тепло-обеспеченностью (^ / = 1513.2015 оС), невысокими теплоэнергетическими ресурсами ( Я = 127.146 кДж/см2) и высокой влагообеспеченно-стью (О = 378.513 мм).

113

Предгорные равнинные зоны бассейна обладают относительно высокой теплообеспеченностью (^ г = 2060...3300 оС), достаточными теплоэнергетическими ресурсами (Я = 148.200 кДж/см2) и низкой влаго-обеспеченностью (Ос = 200.426 мм).

Равнинные зоны бассейна обладают достаточно высокой тепло-обеспеченностью (^ г = 3500.3900 оС), высокими теплоэнергетическими ресурсами (Я = 200.219 кДж/см2) и очень низкой влагообеспеченно-стью (О = 100.139 мм).

Систематизация водосборов бассейна реки Шу выполнена на основе методологии географического подхода в мелиорации, т.е. рассмотрение необходимости мелиорации больших территорий с учетом географических показателей. С этой целью проведен анализ и разработаны классификации водосборов по природно-климатическим и физико-географическим показателям.

В зависимости от географического положения территории бассейна реки Шу ярко проявляется определяющая роль природно-территориаль-ного комплекса или факторов функционирования природных систем. Это положение хорошо прослеживается в ландшафтах бассейна реки Шу [2].

Пустыни широко распространены в низовье р. Шу, где растут полыни, солянки и ксерофильные кустарники с глубокими корневыми системами. Соответствующие этой растительности серо-бурые почвы имеют преимущественно легкий механический состав.

В полупустынях Шуйской долины, где наблюдается весенний максимум увлажнения почвы, формируется богатая весенняя растительность из пустынной осоки, мятлика луковичного, тюльпанов, луков и многочисленных однолетников весенней вегетации, а также полыни. Образующиеся под этой растительностью почвы - сероземы - представляют зональный почвенный тип.

В предгорных равнинах широкое распространение получили луго-во-сероземные и сероземно-луговые почвы, которые сформировались в условиях повышенного залегания грунтовых вод. Для них характерны зла-ково-полынные разреженные травостои.

Для предгорных равнин и шлейфов Шуйской долины характерны злаково-полынные разреженные травостои с проективным покрытием почвы 25.30 %. По фону предгорных травостоев широкое распространение получили каштановые почвы. 114

В среднегорьях, где широко распространены дерновинные злаки -типчаки, ковыли, ячмень, овёс, создается достаточно прочное задернение поверхности почвы. Почвы среднегорья - темно-каштановые и горные черноземы. Горно-луговые почвы распространены на высотных уровнях от 1600.1800 до 3500 м над уровнем моря.

Горно-луговые альпийские почвы, сформировались под низкотравными осоково-кобрезивыми, разнотравно-осоковыми, разнотравными и разнотравно-злаковыми травостоями на абсолютных высотах более 3000 м с высоким содержанием грубого гумуса.

Почвенный покров бассейна р. Шу отличается большим разнообразием, обусловленным климатической неоднородностью территории и горно-равнинным рельефом.

Природно-климатические показатели водосборов характеризуются: гидротермическим коэффициентом (ГТК = 10 • Ос / ^г), показателем увлажнения (Ма = О / ^ &), коэффициентом увлажнения (Ку = Ос / Е0), оценкой увлажнения (Ко = Ос / 0,18^ г), индексом сухости (Я = Я / ЬОс), биолого-климатической продуктивностью (БКП = К г /1000) ) (табл. 2).

Таблица 2

Гидролого-климатическая оценка тепло- и влагообеспеченности бассейна

реки Шу [2]

Метеостанция Н, м Среднегодовые за многолетний пе риод

Я ГТК БКП КУ Мй К 0

Горный класс ландшафтов

Тюя-Ашу 3090 0,52 13,6 1,79 3,49 1,34 75,5

Каракуджар 2800 1,16 4,34 0,73 0,88 0,36 24,1

Предгорный подкласс ландшафтов

Байтык 1579 1,03 3,39 1,30 0,86 0,32 18,8

Кордай 1145 3,30 0,89 0,87 0,30 0,12 4,9

Предгорный равнинный подкласс ландшафтов

Бишкек 756 2,10 1,16 1,36 0,40 0,17 6,4

Мерке 730 3,40 0,84 1,32 0,29 0,11 4,7

Равнинный класс ландшафтов

Толе би 456 7,10 0,36 0,48 0,13 0,04 2,0

Мойынкум 351 7,70 0,39 0,44 0,13 0,05 2,2

Камкалы-кол 207 11,0 0,36 0,47 0,12 0,04 2,0

115

Для территории бассейна р. Шу вычислены значения и построены соответствующие изолинии. Полученные изолинии наложены на карту водосборов бассейна, определены значения соответствующих параметров тепловлагообеспеченности применительно к ландшафтным зонам исследуемых водосборов и составлена классификация водосборов по природно-климатическим показателям (табл. 3).

Таблица 3

Классификация водосборов бассейна р. Шу по природно-климатическим

показателям

Подгруппа по коэффициенту увлажнения

возвышенной фации увлажненные

(Я = 0,52...1,16)

неувлажненные

(Я = 1,26...3,30)

Группа по индексу сухости (Я = Я / ЬОс)

Горный класс ландшафтов

Предгорный подкласс ландшафтов

Предгорный равнинный подкласс ландшафтов

Равнинный класс ландшафтов_

засушливые

(Я = 2,10...4,80) сухие (Я = 7,10... 12,6)

Водосбор

Кочкор, Джуванарык

Чон-Кемин, Ыргайты, Какпатас, Аламедин, Аксу, Курагаты

Параметры тепловлагообеспеченности не учитывают местный сток, приток и отток влаги в пониженные фации катен водосборов и, соответственно, показывают степень увлажнения территорий водосборов, относительно их возвышенных фаций.

Анализ и классификация водосборов по физико-географическим показателям осуществлены по особенностям их рельефа, почв, климатическим условиям, гидрологическим условиям и типам растительности (табл. 4).

Приведенные классификации в целом совпадают, т.е. первая классификация опирается на относительные значения (например: степень увлажнения), а вторая - на абсолютные значения (например: влажность воздуха). В силу этого наблюдаются небольшие несоответствия между классификациями, и необходимо определиться с основной классификацией.

Для комплексного обустройства больше подходит классификация по природно-климатическим показателям, объединяющая водосборы и их катены в однотипные ландшафтные группы по наиболее значимым показателям по тепловлагообеспеченности. Согласно этой классификации

116

можно обосновать водные мелиорации и оптимизацию инфраструктуры водосборов при их комплексном обустройстве.

Таблица 4

Классификация водосборов по физико-географическим показателям

Физико-географическое районирование Водосбор

зона республика область

Горный класс Кыргызстан Шуйская Кочкор, Джуванарык

ландшафтов

Предгорный под- Кыргызстан, Шуйская Чон-Кемин, Ыр-

класс ландшафтов Казахстан гайты, Какпатас,

Аламедин, Аксу,

Курагаты

Предгорный рав- Казахстан Жамбылская

нинный подкласс

ландшафтов

Равнинный класс Казахстан Жамбылская,

ландшафтов Южно-Казахстанская

Классификация по физико-географическим показателям применена для схематизации природных условий водосборов при разработке моделей их функционирования. С учетом этой классификации можно разработать структуру водосбора, где границы катен, как простейших и неделимых частей водосбора, совмещаются с границами физико-географических районов в пределах соответствующих водосборов.

Катенарный подход предполагает геоморфологическую схематизацию ландшафтных катен водосборов. При геоморфологической схематизации ландшафтных катен водосборов, с целью обоснования мелиораций, каждый водосбор в пределах одного физико-географического района представлен катеной, состоящей из четырех фаций с разным высотным взаиморасположением, определяемых глубиной расчленения рельефа: элювиальной, транзитной и супераквальной [6]. Супераквальная фация примыкает к водотоку - субаквальной фации. При наличии у водосборов протяженных склонов транзитная фация делится на трансэлювиальную и трансаккумулятивную фации (рис.).

Такая схематизация ландшафтной катены позволяет обосновать мелиорацию с учетом:

- типов водного питания в фациях катены (например, по А.Д. Брудастову: атмосферный тип питания - элювиальной, делювиальный или грунтовый для супераквальной фаций);

117

- размеров и форм рельефа, геологического сложения современных четвертичных отложений фаций катены применимо к различным физико-географическим (ландшафтным) районам.

В этом случае, катена с фациями представляется как элементарный водосбор со многими характерными его особенностями. В первую очередь с региональными особенностями, влияющими на дифференциацию свойств фации по их местоположению.

Рис. Геоморфологическая схематизация ландшафтной катены водосбора.

Оптимальные мелиоративные режимы определяются для каждой фации катены, т.е. для элювиальной фации это могут быть оросительные, а для супераквальной наоборот - осушительные мелиорации.

Сконструировать геоморфологическую схему ландшафтных катен можно используя эколого-мелиоративный потенциал ландшафта, характеризующего работу, совершаемую жидкостью в процессе выпадения атмосферных осадков к отношению концентрации почвенного раствора, т.е. их можно рассматривать как способность системы «почва - грунтовые воды» и верхнего слоя почвы освобождаться от легкорастворимых солей:

М = Ап / С *,

где M - эколого-мелиоративный потенциал или мелиоративный показатель ландшафта; An - работа, совершаемая в элементарном объеме потоком инфильтрационных вод в почвенном слое; С - средняя концентрация солей в системе «поверхностная вода - почва - грунтовая вода» [3]:

118

Ап = 0„

Я

¿-(1 -г) Я (1 -А)

С =

ж. -\с„

0„

С +(1 - г)- (1 -А)

С

где С0 - начальная концентрация почвенного раствора в почвенном слое; Сдоп - допустимая концентрация солей в почвенном растворе, которая соответствует параметру незасоленных почв; Сг - концентрация солей в грунтовых водах;

(1 - г) - время действия инфильтрации (г = Т /365), Т - продолжительность

вегетационного периода; А - глубина уровня грунтовых вод.

Эта способность природной системы характеризуется эколого-мелиоративными показателями ландшафта речных бассейнов, которые имеют чрезвычайно важное значение в почвенно-мелиоративном районировании ландшафтно-географических зон и обосновании комплексного обустройства водосборов (табл. 5).

Таблица 5

Эколого-мелиоративный показатель ландшафтной системы бассейна р. Шу

Метеостанция Н, м С0, г/дм3 Сг, г/дм3 А, м А С * М

Горный класс ландшафтов

Тюя-Ашу 3090 0,30 1,00 10,0 1,67 0,60 -

Каракуджар 2800 0,30 1,00 10,0 0,76 0,60 -

Предгорный подкласс ландшафтов

Байтык 1579 0,40 1,20 10,0 0,86 0,80 -

Кордай 1145 0,40 1,30 10,0 0,30 0,80 0,38

Предгорный равнинный подкласс ландшафтов

Бишкек 756 0,50 1,50 6,0 0,41 1,00 0,41

Мерке 703 0,50 1,50 6,0 0,29 1,00 0,29

Равнинный класс ландшафтов

Толе би 456 0,60 3,30 3,0 0,13 1,70 0,08

Мойынкум 351 0,90 3,50 3,0 0,14 2,00 0,07

Камкалы-кол 207 1,50 6,00 3,0 0,12 2,50 0,05

При этом работа, совершаемая в элементарном объеме почвенного слоя потоком инфильтрационных вод от горных к равнинным зонам постепенно уменьшается, а средняя концентрация солей в системе «поверхностная вода - почва - грунтовая вода», наоборот увеличивается. Следовательно, эколого-мелиоративный потенциал или мелиоративный показатель

ландшафта (М), подчиняясь закону вертикальной зональности, уменьша-

119

ется. Эта закономерность показывает формирование процесса засоления почвы в равнинных частях бассейна р. Шу, в результате чего наблюдается ухудшение почвенно-мелиоративного состояния ландшафтов [2].

Важнейшим условием обоснования комплексного обустройства (мелиорации) речных бассейнов является возможность прогнозирования изменения их отдельных элементов и системы в целом в результате хозяйственной деятельности, поскольку без прогноза нет управления природными процессами. При этом нецелесообразно рассматривать внутригодовую динамику состояния природной среды, так как ритмы или амплитуды изменения основных характеристик в пределах одного года значительно превышают многолетние, т.е. оптимальным сроком рассмотрения стратегии управления является 25, 50, 75 и 100 летние циклы.

Кроме того, поскольку природные ресурсы речных бассейнов используются не только в сельском хозяйстве, но и в гидроэнергетике, коммунально-бытовых хозяйствах, промышленности и рыбном хозяйстве, а требования этих отраслей к природным ресурсам не согласуются друг с другом, необходимо наряду с традиционными агротехническими, агрохимическими и гидротехническими мелиорациями рассматривать водохозяйственные и рыбохо-зяйственные. При таком многоцелевом использовании потенциальных ресурсов речных бассейнов получение экономических результатов должно достигаться при минимальном нарушении природной среды [3].

В последние годы в сфере природопользования произошли значительные изменения, причиной которых стало резкое ухудшение качества окружающей среды речных бассейнов, особенно в нижнем течении. Поэтому при разработке комплексного обустройства водосборов речных бассейнов наряду с экономическими показателями, стали применять и другие целевые показатели - качество природной среды и требования Sustanaible development. Решение проблемы комплексного обустройства водосборов речных бассейнов можно достигать на основе построения достаточно простых моделей, включающих единый критерий эффективности и учитывающий не только экономические, но и экологические последствия [5].

Анализ современного экологического кризиса в системе природопользования речных бассейнов позволяет выделить три основных аспекта в области управления природными ресурсами:

- эколого-экономический, связанный с истощением и деградацией возобновляемых природных ресурсов;

120

- эколого-биологический, обусловленный дестабилизацией биологического вида Homo-Sapience в результате роста антропогенного воздействия и изменения состояния природной среды;

- социально-политический, причиной которого является противоречия между глобальным (региональным) проявлением загрязнения и деградаций природной среды и частным подходом к их решению [4].

Таким образом, комплексное обустройство речных бассейнов должно учитывать экономические, социальные и политические факторы, из которых только экономические и частично экологические могут быть выражены в денежном исчислении, а социальные и политические факторы, как правило, не поддаются количественной оценке, но должны учитываться при принятии окончательного решения.

Выводы и рекомендации. Анализ методологических подходов и приемов моделирования в мелиорации показал, что исследования по комплексному обустройству водосборов необходимо проводить с использованием всей совокупности существующих методологических подходов в мелиорации, отдавая приоритет геосистемному и катенарному подходам. Необходимо использовать математические модели для описания природных процессов, происходящих в таких сложно организованных системах, как водосборы.

Комплексное обустройство водосборов бассейна р. Шу должно быть многоцелевым, поскольку в хозяйственную деятельность прямо и косвенно оказываются вовлеченными все виды природных ресурсов. Многоцелевой подход в наибольшей степени отвечает требованиям устойчивого развития. При этом приоритетным направлением мелиорации сельскохозяйственных земель бассейна р. Шу является улучшение качества природной среды и экологической устойчивости и стабильности агроландшафтных систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ибатуллин С.Р., Мустафаев Ж.С., Койбагарова К.Б. Сбалансированное использование водных ресурсов трансграничных рек. - Тараз, 2005. -111 с.

2. Мустафаев Ж.С. Адильбектеги Г.А., Сейдуалиев М.А. Экологическая оценка продуктивности ландшафтов бассейна реки Шу (Аналитический обзор). - Тараз, 2004. - 81 с.

3. Мустафаев Ж.С. Методологические и экологические принципы мелиорации сельскохозяйственных земель. - Тараз, 2004. - 306 с.

121

4. Мустафаев Ж.С., Мустафаев К.Ж., Ешмаханов М.К. Проблемы гидроэкологии: количественная оценка состояния и устойчивости ландшафта. - Тараз: 2010. - 135 с.

5. Савельев А.В. Обоснование комплексных мелиораций пойменных систем (на примере Волго-Ахтубинской поймы) // Мелиорация и гидротехника. - 2005. - №5. - С. 47-52.

6. Хафизов А.Р., Хазипова А.Ф., Шакиров А.В. Геоморфологический анализ равнинных водосборов Западного Башкортостана при их комплексном обустройстве // Проблемы региональной экологии. - М.: 2009. - №5. - С.125-129

Поступила 23.01.2014

Техн. гылымд. докторы Ж.С. Мустафаев Техн. гылымд. докторы Э.Т. ^озыкеева Экон. гылымд. канд. ^.Ж. Мустафаев

С.Д. Даулетбай

КЕШЕНД1 ЦАЙТА Ц¥РУ КЕЗ1НДЕГ1 ШУ 0ЗЕНШЩ СУ ЖИЫЙНАЦТАЙТЫН АЛАБЫНЬЩ ЦЫЗМЕТ1Н БЕЙНЕЛЕУ

Шу езентщ су жиыйнацтайтын алабыныц табиги-цорлыц элеуеттт багалау жэне талдаудъщ нег1зтде, оны цайта цуру кезтдег1 табиги цорларды басцару уш1н уш нег1зг1, ягни экологиялыц-экономикалыц, экологиялдыц-биологиялыц жэне элеуметтгк-саясаттыцмэселелерд1 царастыру цажет екендШ аныцталган.

122