Научная статья на тему 'Пространственный анализ факторов трансформации речного стока в трансграничном бассейне реки Урал'

Пространственный анализ факторов трансформации речного стока в трансграничном бассейне реки Урал Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
673
168
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРАНСФОРМАЦИЯ РЕЧНОГО СТОКА / ТРАНСГРАНИЧНЫЙ БАССЕЙН / РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА / TRANSFORMATION OF A RIVER DRAIN / CROSS-BORDER POOL / REGULATION OF A DRAIN

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Сивохип Жанна Тарасовна, Павлейчик Владимир Михайлович

Общемировое обострение проблем водопотребления обусловливает необходимость их решения в контексте геополитической, социально-экономической и экологической безопасностирегионов.Значительную актуальность проблемы водопользования приобретают в водно-дефицитных условиях и в регионах с развитым промышленным и сельскохозяйственным производством. В пределах Российской Федерации подобное сочетание является характерным для бассейна трансграничной реки Урал. В статье проанализированы природные условия и антропогенные факторы формирования речного стока в бассейне р.Уралв аспекте разработки концепции интегрированного управления водными ресурсами. Систематизированы данные о пространственной неоднородности условий формирования стока, обусловленная сложным и взаимоусловленным сочетанием зонально-климатических условий, разнообразного рельефа и ландшафтной структуры. Исследованиями выявлены тенденции в водном режиме рек, выраженные в перераспределении водности по гидрологическим сезонам, проявляющемся в снижении доли весеннего и увеличение меженного стока, особенно в зимний период. Приведены сведения о наиболее существенных видах антропогенной трансформации поверхностного стока, обобщены данные о параметрах крупнейших водохранилищ. Указывается, что большинство опасных гидрологических ситуаций, наблюдаемых в бассейне Урала, спровоцированы хозяйственной деятельностью человека без учета сезонной и многолетней динамики русловых процессов. В качестве примера рассмотрены геоэкологические последствия сооружения мостовых переходов и дорожных дамб. В статье констатируется, что вопрос об оценке влияния регулирования стока на многолетнюю и годовую трансформацию гидрологического режима водотоков бассейна р.Урал остается дискуссионным, а выводы различных исследователей неоднозначными. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, трансформация гидрологического режима определяется как географическими контрастами между различными частями бассейна р. Урал, так и антропогенными факторами. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости составления долгосрочных прогнозов в развитии водно-экологической ситуации с детальной оценкой социально-экономических и ландшафтно-гидрологических последствий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Сивохип Жанна Тарасовна, Павлейчик Владимир Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE SPATIAL ANALYSIS OF FACTORS OF TRANSFORMATION OF THE RIVER DRAIN IN THE CROSS-BORDER BASIN OF THE RIVER URAL

The worldwide growing problems of water consumption makes it necessary to address them in the context of geo-political, socio-economic and environmental security of the regions. A considerable relevance of the problem priobre-melt water in water-scarce conditions and in regions with developed industrial and agricultural production. Within the Russian Federation, this combination is a characteristic of transboundary Ural River. The paper analyzes the natural conditions and human factors forming the river flow in the basin of the Ural River in terms of the development of the concept of integrated water resources management. Data on the spatial heterogeneity of the formation conditions of runoff caused by a combination of complex and vzaimouslovlennym zonal-climatic conditions, varied topography and landscape structure. Studies have revealed trends in the water regime of the rivers, expressed in the redistribution of water content on hydrological seasons, manifested in the reduction of the spring and increase the share of low flow, especially in the winter. The information about the most significant types of anthropogenic transformation of surface runoff, summarizes the parameters of the largest reservoirs. It is pointed out that the majority of dangerous hydrological situations observed in the basin of the Urals, provoked by human activities without regard to seasonal and long-term dynamics of channel processes. As an example, consider geo-ecological consequences of the construction of bridges and road embankments. The article states that the question of assessing the impact of flow regulation on a multi-year and annual transformation of the hydrological regime of watercourses Ural River basin remains controversial, and the findings of various researchers is not identical. Studies suggest that the transformation of the hydro-logical mode is defined as a geographical contrasts between the different parts of the river basin. Ural and anthropogenic factors. The results indicate the need for drawing up long-term forecasts in the development of water-ecological situation, but with a detailed assessment of the socio-economic and landscape-hydrological effects.

Текст научной работы на тему «Пространственный анализ факторов трансформации речного стока в трансграничном бассейне реки Урал»

УДК 556.51:502.5

Сивохип Ж.Т., Павлейчик В.М.

Институт степи Уральского отделения Российской академии наук E-mail: sivohip@mail.ru

ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ТРАНСФОРМАЦИИ РЕЧНОГО СТОКА В ТРАНСГРАНИЧНОМ БАССЕЙНЕ РЕКИ УРАЛ

Общемировое обострение проблем водопотребления обусловливает необходимость их решения в контексте геополитической, социально-экономической и экологической безопасностирегио-нов.Значительную актуальность проблемы водопользования приобретают в водно-дефицитных условиях и в регионах с развитым промышленным и сельскохозяйственным производством. В пределах Российской Федерации подобное сочетание является характерным для бассейна трансграничной реки Урал.

В статье проанализированы природные условия и антропогенные факторы формирования речного стока в бассейне р.Уралв аспекте разработки концепции интегрированного управления водными ресурсами. Систематизированы данные о пространственной неоднородности условий формирования стока, обусловленная сложным и взаимоусловленным сочетанием зонально-климатических условий, разнообразного рельефа и ландшафтной структуры. Исследованиями выявлены тенденции в водном режиме рек, выраженные в перераспределении водности по гидрологическим сезонам, проявляющемся в снижении доли весеннего и увеличение меженного стока, особенно в зимний период.

Приведены сведения о наиболее существенных видах антропогенной трансформации поверхностного стока, обобщены данные о параметрах крупнейших водохранилищ. Указывается, что большинство опасных гидрологических ситуаций, наблюдаемых в бассейне Урала, спровоцированы хозяйственной деятельностью человека без учета сезонной и многолетней динамики русловых процессов. В качестве примера рассмотрены геоэкологические последствия сооружения мостовых переходов и дорожных дамб. В статье констатируется, что вопрос об оценке влияния регулирования стока на многолетнюю и годовую трансформацию гидрологического режима водотоков бассейна р.Урал остается дискуссионным, а выводы различных исследователей - неоднозначными.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, трансформация гидрологического режима определяется как географическими контрастами между различными частями бассейна р. Урал, так и антропогенными факторами. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости составления долгосрочных прогнозов в развитии водно-экологической ситуации с детальной оценкой социально-экономических и ландшафтно-гидрологических последствий.

Ключевые слова: трансформация речного стока, трансграничный бассейн, регулирование стока

Концепция интегрированного управления водными ресурсами в трансграничном бассейне кроме социально-экономических и водохозяйственных аспектов, должна учитывать природную специфику исследуемой территории. В последние годы, как показывает практика (в т. ч. и в пределах бассейна р. Урал), многие проблемы управления водопользованием усугубляются климатообусловленными изменениями водного режима рек. В связи с этим, необходимо провести агрегированный учет гидротермических показателей и их пространственных закономерностей (в комплексе с азональными факторами), определяющих природную гидрологическую изменчивость водных ресурсов в речном бассейне.

Из климатических факторов, определяющих величину и изменчивость речного стока бассейна р. Урал, основным являются снего-запасы, которые к началу таяния значительно изменяются по территории в соответствии с

зональным убыванием количества зимних осадков с севера на юг и с запада на восток, а также под влиянием рельефа и залесенности местности. В верхнем течении р. Урал величина сне-гозапасов за многолетний период составляет 70-120 мм, на юге - 30-50 мм. Наибольшая величина запасов воды в снеге - 200 мм отмечается в горной залесенной части бассейна р. Сакмары - главного притока р. Урал. В связи с тем, что в районах с низкогорным рельефом, составляющих большую часть зоны формирования стока р. Урал, изменчивость гидроклиматических факторов, обуславливающих водный баланс территории, более значима, чем на равнинных участках, для первых необходим более детальный учет водно-ресурсных компонентов ландшафта.

Степень густоты является косвенным показателем, определяющим нормы речного стока (в совокупности с рельефом и почвенно-геологическими условиями). Густота речной

сети на правобережье бассейна р.Урал составляет 0,28 км/км2, на левобережье - 0,19 км/км2, а среднее значение по бассейну - 0,25 км/км2. При прочих равных условиях коэффициент стока во много раз выше на расчлененных участках, чем при безтальвежной форме стекания. В связи с этим правые притоки, стекающие с более возвышенных и расчлененных участков бассейна, в питании р. Урал играют большую роль. Также следует отметить, что степень густоты речной сети находится в прямом соотношении со степенью водной эрозии.

Если густота речной сети является носителем эрозионной энергии территории, то лесистость выступает как сдерживающий фактор. Территория бассейна р. Урал характеризуется крайне неравномерной облесен-ностью. В верховьях, в условиях сложного рельефа и значительного количества осадков, сформировалась древняя гидрографическая сеть, сопровождающаяся интенсивным развитием лесной растительности, в нижнем течении - при плоском рельефе и незначи-

тельном увлажнении, облесенность бассейна крайне низкая. В верховьях, на правобережьях р. Урал до устья рр. Таналык и Сакмара до р. Б. Ик, облесенность превышает 20%, а в верховьях Сакмары и ее притоках составляет 40-80%. Средняя часть бассейна в пределах степной зоны имеет облесенность от 1 до 10%, в низовьях бассейна, в пределах Западно-Казахстанской и Атырауской областей залесены только долины р. Урал. В целом, при нарастании водосборной площади реки от истока к устью отмечается резкое сокращение лесистости. Основное влияние лесистости на показатели стока, прежде всего, выражается в воздействии на водно-физические свойства лесных типов почв, увеличивая их водопроницаемость и уменьшая влагоёмкость. Благодаря этому почвы переводят значительную часть талого стока в грунтовый, и увеличивают меженные расходы воды. Количественный эффект регулирующего влияния леса зависит от характера почв, типа леса, формы и размера водосбора, глубины вреза русла.

Рис. 1. Трансграничный бассейн реки Урал

Существенное изменение в зональное распределение стоковых характеристик вносит рельеф, благодаря которому в горных районах наблюдаются более высокие значения стока. В верховьях р. Урал, а также правых притоков, берущих начало на восточных и юго-восточных склонах Уральских гор - Мал.и Бол. Кизил, Сак-мара с притоками Зилаир и Бол. Ик - значения водности могут достигать 3,0 л/с км2 . По мере продвижения на восток и юг с возрастанием засушливости климата модули годового стока резко сокращаются: р. Бол. Кумак - 1,1-1,2 л/с км2, р. Жарлы - 1,5 л/с км2, р. Орь - 0,8-0,9 л/с км2, р. Илек - 0,96 л/с км2 (таблица 1).

Как уже было отмечено, взаимодействие гидротермических и ландшафтно-геоморфо-логических факторов определяет специфику водного режима рек трансграничного бассейна р.Урал. По характеру водного режима водотоки исследуемого бассейна относятся к рекам с весенним половодьем казахстанского типа, для которых характерна резкая и высокая волна половодья, а остальную часть года сток бывает очень мал, вплоть до полного пересыхания рек [3]. Кроме этого, реки бассейна характеризуются значительной межгодовой амплитудой показателей стока- в многоводный год, об- * щий сток р. Урал может быть 413 в десятки раз больше, чем в маловодный, например, в 1957 г. годовой расход реки составил 24 км3, а в 1967 г. -лишь 2,6 км3 [5].

Согласно рис. 2, в настоящее время в бассейне р.Урал наблюдаются опреде-

ленные изменения в распределении водности по гидрологическим сезонам и прежде всего, необходимо обратить внимание на снижение доли весеннего и увеличение меженного стока, особенно в зимний период.

По данным ученых Гидрологического Института, годовой сток р. Урал (российская часть) на период 2010-2039 гг. увеличится на 10%, но в тоже время изменится и внутригодовое распределение стока [7]. Уменьшение доли весеннего стока р. Урал отражает современную эколого-гидрологическую обстановку рек Европейской России на фоне климатических изменений и интенсивной антропогенной деятельности в пределах водосборных территорий. Следует отметить, что значительные коррективы в увеличение доли меженного стока вносят зимние оттепели, повторяющиеся в исследуемом регионе в последнее время с регулярной частотой. В результате, основная часть сформировавшейся во время оттепелей воды расходуется на увеличение влажности деятельного слоя почвы, что создает благоприятные условия для инфильтрационного

Рисунок 2. Сезонное распределение речного стока в бассейне р. Урал

Таблица 1. Параметры среднегодового стока в створах крупных рек трансграничного бассейна р. Урал

Река - створ Площадь водосбора, км2 Средн. значение стока, м3/с Модуль стока, л/с км2 Регион

р. Урал - с. Кизильское 17200 27,5 1,6 Челябинская область

р. Урал - г. Орск 46100 27,9 1,29 Оренбургская область

р. Урал - г. Оренбург 82300 97,5 1,13 Оренбургская область

р. Урал - с. Кушум 190000 320,0 - Западно-Казахстанская область

р. Сакмара - п. Акъюлово 5640 12,3 2,79 Республика Башкортостан

р. Сакмара -с. Тат. Каргала 29600 110,0 3,71 Оренбургская область

р. Илек - пос. Веселый 17200 22,1 1,28 Оренбургская область

р. Орь - п. Богетсай 7480 4,32 0,56 Актюбинская область

питания подземных вод и закономерному увеличению меженного стока многих рек.

Существенное влияние на трансформацию речного стока оказывают различные виды хозяйственной деятельности.Современная водохозяйственная обстановка региона складывалась соответственно возникавшим потребностям регионального хозяйства. В 1932 г. Гипроводом-была начата разработка схемы комплексного использования водных ресурсов бассейна р. Урал, предусматривающей вопросы регулирования стока для водообеспечения формировавшихся промышленных центров на базе рудных месторождений Южного Урала [1].

Отличительной чертой строительства гидроузлов в бассейне р. Урал является расположение крупнейших водохранилищ в пределах верхнего течения главной реки (Верхнеуральское, Магнитогорское и Ириклинское водохранилища). Полные объемы данных гидротехнических сооружений, расположенных в лесостепной и степной зоне, составляют 0,60, 0,19 и 3,26 км3 соответственно, что равно 96% общего объема водоемов всего бассейна р. Урал [2]. Для сравнения - в смежном бассейне р. Белой наиболее крупные водохранилища размещены на притоках (Павловское - на р. Уфа, объем - 1410,0 м3, Нугушское - на р. Нугуш, объем - 400,0 м3 и др.), и только в 2008 году крупным водохранилищем (Юмагузинское, объемом 300,0 м3) был зарегулирован сток р. Белой [2].

Кромесозданных позднее водохранилищ, планировалось строительство следующих гидроузлов: Губерлинского (объемом 535 млн. м3) на р. Урал, Мало-Чураевского (Кувандыкско-го) (640 млн. м3) и Нижне-Сакмарского (2520 млн. м3; у г. Оренбурга) на р. Сакмара. Для создания водного пути от Каспийского моря до г. Орска на всем протяжении планировалось создание системы сплошного шлюзования низконапорными плотинами для обеспечения глубин 1,8-2,0 м. Позднее, в 1950-1960-е годы, в связи с освоением целинных земель возникла потребность обеспечения водой сельскохозяйственного производства. Поставленные задачи по гарантированному водообеспечению были решены частично - к настоящему времени в бассейне Урала насчитывается 18 крупных и средних водохранилищ (рис. 1). Отдельно следует отметить реализацию проектов регулирования стока на территории Республики Башкортостан, которая существенно повлияет на гидрологический режим р. Сакмара и приведет к катастрофически низким расходам реки Урал в маловодные годы [4].

Достаточно дискуссионным остается вопрос, связанный с влиянием регулирования стока на многолетнюю и годовую трансформацию гидрологического режима водотоков. По данным И.А. Шикломанова[6], в маловодные годы абсолютная величина уменьшения стока за счет антропогенных факторов (в т.ч. регулирование стока) может увеличиться до 2,1-2,2 км3/год, а в

Рисунок 3.График хода максимальных уровней р. Урал (гидропост г. Уральск, Республика Казахстан)

многоводные - уменьшаться до 1,2—1,3 км3/год. Сооружение крупных водохранилищ в бассейне реки Урал (Верхнеуральское, Магнитогорское и Ириклинское) привело к определенному выравниванию внутригодовых колебаний речного стока, прежде всего к снижению максимальных экстремумов в период весеннего половодья (рис.3).

Как отмечает ряд авторов [2], [6], влияние малых водохранилищ на речной сток имеет зональный характер и увеличивается по мере увеличения внутригодовой изменчивости стока, снижения общей водности рек и возрастающей степени их хозяйственного использования. В бассейне р. Урал достаточно четко прослеживается данная закономерность по мере продвижения из лесостепных водосборов к степным. Если для бассейнов рек с водосборной территорией в лесостепной зоне (рр.Миндяк, Сакмара, Зилаир, Б. Ик, Б. Кизил и др.) снижение стока составляет около 1—2 %, то для бассейна р. Таналык, протекающего в степной зоне, оно доходит до 7—22 % [2].Кроме этого, важно учитывать площадь водосборной территории регулируемого водотока — чем меньше река, тем значительнее зависимость между величиной уменьшения стока под влиянием регулирования стока и водностью реки [6].

Сооружение хозяйственных объектов в пойме и на речных террасах, а также на при-

легающих к ним участкам, является существенным фактором трансформации стока. При недостаточно полном учете гидродинамических характеристик водно-речных геосистем возведение этих объектов представляет собой угрозудля их целостности и может иметь негативные эколого-гидрологические последствия.

За последние десятилетия целая серия непредвиденных катастрофических затоплений населенных пунктов была спровоцирована строительством новых мостовых переходов с малой пропускной способностью. В результате паводков речные воды вышли за пределы высокой поймы и стихийно подтопили населенные пункты, расположенные на надпойменной террасе и приречных склонах. Кроме этого, в условиях значительного меандрирования реки в ее среднем течении и наличия террас с рыхлыми отложениями, высокая волна весеннего половодья становится причиной катастрофического разрушения берегов, на которых расположены селитебные территории, промышленные сооружения, коммуникации, нефтяные и газовые скважины.

Мостовые сооружения часто являются препятствием для прохождения ледовых масс, в некоторых местах (особенно на р. Сакмара) выше них образуются завалы деревьев, вызывающие подпор воды. Всего через реку Урал возведено около 47 автомобильных и 7 железнодорож-

А. Изображение на космоснимке Б. Ситуационная схема

Рисунок 4. Подпор весенне-паводковой воды р. Урал дамбой дороги Беляевка-Алабайтал 1 - дамба; 2 - площади подтопления и направления площадного стока; 3 - направления линейного стока

ных мостов, через Сакмару - 36 автомобильных и 2 железнодорожных мостов.Отсутствие достаточного количества проточных колец в основании дамбы (насыпи) приводит к подпору весенне-паводковых вод, возникают случаи подтопления населенных пунктов, частичного разрушения насыпей. Подобные ситуации с некоторой периодичностью наблюдаются на реках Урал (г.Орск, с. Алабайтал и др.), Бол.Кумак (пос. Новоорск), Сакмара (с. Биктимирово) (рис. 4). Затруднение стока приводит к снижению сезонной промывной способности реки, накоплению аллювиальных отложений, повышенному испарению с поверхности воды.

Еще однимфактором антропогенной трансформации речного стока является добыча песчано-гравийных смесей в руслах и поймах рек.

Таким образом, трансформация гидрологического режима определяется как географическими контрастами между различными частями бассейна р. Урал, так и антропогенными факторами. Проведенные выше исследования, свидетельствуют о необходимости составления долгосрочных прогнозов в развитии водно-экологической ситуации с детальной оценкой социально-экономических и ландшафтно-гидрологических последствий. Учитывая специфику речных экосистем, степень использования водных ресурсов и их социально-экономическую значимость, отметим необходимость детальной оценки факторов трансформации гидрологического режима для дальнейшей разработки мер по снижению вероятности возникновения и возможного ущерба от опасных гидрологических ситуаций.

11.10.2015

Статья подготовлена в рамках гранта РФФИ «Разработка принципов интегрированного управления водными ресурсами трансграничного бассейна р.Урал» (№ 13-05-97028)

Список литературы:

1. Боскис С.Г., Троцкий М.Н. Перспективы комплексного использования водно-земельных ресурсов бассейна реки Урал. М., Ташкент: Изд-во «Сазгипровод», 1934. 271 с.

2. Гареев А.М. Реки и озера Башкортостана. Уфа: Китап, 2001. 260 с.

3. Закономерности гидрологических процессов. Под редакцией Н.И. Алексеевского. М.: ГЕОС, 2012. 736 с.

4. ПавлейчикВ.М., СивохипЖ.Т. Дифференциация бассейна р.Урал по степени антропогенной трансформации условий поверхностного стока // Известия Самарского научного центра / Том 16, № 1 (4), 2014. С. 1013-1016.

5. ЧибилёвА.А. Бассейн Урала: история, география, экология / Отв. ред. Ж.Т. Сивохип, О.А. Грошева. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008.- 312 с.

6. Шикломанов И.А. Антропогенные изменения водности рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 302 с.

7. Шикломанов И.А., Георгиевский В.Ю. Влияние изменений климата на гидрологический режим и водные ресурсы рек России // Гидрологические последствия изменений климата : Труды Британ.-Росс. конф. - Барнаул: Изд-во ООО «Пять плюс», 2009. - С. 143-151.

Сведения об авторах:

Сивохип Жанна Тарасовна, старший научный сотрудник Института степи УрО РАН,

кандидат географических наук 460000, г. Оренбург, ул. Пионерская, 11, e-mail: sivohip@mail.ru

Павлейчик Владимир Михайлович, заведующий лабораторией Института степи УрО РАН,

кандидат географических наук 460000, г. Оренбург, ул. Пионерская, 11

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.