CC BY
13
УДК 631.6.02:556 DOI 10.34736^ЫС.2019.107.4.001
РОЛЬ ПРОГНОЗА ВЕСЕННЕГО СТОКА В БАССЕЙНЕ ВОЛГИ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЛГО-АХТУБИНСКОЙ ПОЙМЫ
А.Т. Барабанов, д.с.-х.н., заведующий лабораторией защиты почв от эрозии , a.barabanov2011@yandex.ru -
ФНЦ агроэкологии РАН, г. Волгоград, Россия
Перспективу экологического состояния Волго-Ахтубинской поймы можно сравнить с современным состоянием Аральского моря. Если сейчас не принять срочные меры по ее спасению, то она может превратиться в пустыню. Ее состояние зависит от притока талой воды с водосборного бассейна Волги и оптимального регулирования весеннего попуска в Волжско-Камском каскаде водохранилищ. Для оптимизации весеннего паводка Волги необходим прогноз поверхностного стока высокой точности. При наличии каскада водохранилищ на Волге и Каме и имея методику надежного прогноза стока можно идеально отрегулировать весенний паводок в любую по водности весну.
Анализ используемых в настоящее время ме-
Волго-Ахтубинская пойма терпит экологическое бедствие. Эта проблема не решается не потому, что она труднорешаемая и требует больших затрат, а потому, что те, кто должен ее решать не знают истинных причин создавшегося положения. Высказывается много причин маловодья Волго-Ах-тубинской поймы, и все они имеют место в разной степени. Некоторые считают, что виноват каскад гидростанций, зарегулировавший сток Волги, что изменило его режим. Другие думают, что причина в энергетиках, которые зимой используют много воды для выработки электроэнергии, а весной ее не хватает для обводнения поймы. Третьи считают, что нужно очищать водные тракты Каширский и Краснослободский, чтобы через них поступало больше воды. Четвертые считают, что ниже плотины Волжской ГЭС дно углубилось, поэтому и воды в пойму поступает меньше. А те, кто регулирует режимы паводка Волги, считают, что сейчас идет маловодный период и ничего нельзя предпринять.
Причин много, но главная из них - это неправильный режим весеннего попуска воды из-за ошибочных прогнозов притока воды с водосборного бассейна и особенно поверхностного стока. На это указывают многие. Средняя ошибка прогноза сейчас составляет 35%. Это средняя ошибка, а часто она бывает значительно больше, иногда до 100%. При такой ошибке прогноза невозможно оптимизировать режим весеннего паводка.
Материалы и методика исследований. Наши исследования заключались в разработке теоретических основ управления взаимодействием природных и антропогенных факторов в агроле-соландшафтах, обусловливающих эрозионно-ги-дрологический процесс; выявлении закономерности формирования поверхностного стока талых вод; изучении особенностей формирования элементов весеннего водного баланса; разработке методики высокоточного прогноза стока и оценке роли его в решении проблемы экологического состояния Волго-Ахтубинской поймы. Новизна исследований подтверждается наличием патентов.
Теоретические исследования базировались на анализе и обобщении многолетних материалов исследований, а прикладные - на основе полевых
тодов расчета стока показал, что сток в основном зависит от снегозапасов, хотя в них и учитывается водопоглотительная способность почвы и некоторые другие факторы, но, судя по коэффициентам уравнений, эти показатели либо играют незначительную роль, либо очень большую. Точность этих прогнозов очень низкая.
Нами открыт закон лимитирующих факторов стока, который позволил по-новому оценить роль факторов в его формировании и разработать методику высокоточного прогноза.
Ключевые слова: Волго-Ахтубинская пойма, природные факторы стока, глубина промерзания почвы, снегозапасы, прогноз стока, закон лимитирующих факторов стока.
экспериментов с применением водно-балансовых методов: стоковых площадок и репрезентативных водосборов. Экспериментальные исследования проводились на эрозионно-гидрологических стационарах ФНЦ агроэкологии РАН: в лесостепи (Орловская обл.), в степи (Самарская обл.), в сухой степи (Волгоградская обл.) в многофакторных опытах.
Оценка состояния прогнозирования стока. Примеров принятия ошибочных управленческих решений много. Например, экологическая катастрофа 2006 года создана еще в 2005 году. По прогнозу в этом году ожидалось поступление в Волгу 172 ку-бокилометра воды. График попуска паводка предусматривал сброс 144 кубокилометра. Так была сброшена вода из водохранилищ, а туда ее столько не поступило. Поэтому уже летом и осенью был жесточайший режим экономии, и в Волге ниже Волжской ГЭС уровень упал на 2-2,5 м. 2006 год был также маловодный. Но в связи с тем, что воды в водохранилищах было мало, сброс был запланирован небольшой, и поэтому пойма не была обводнена. Мало того, при таком дефиците воды в водохранилищах, около месяца выдерживали «рыбную полку», сбрасывая воду с расходом воды 16-17 тыс. м3/ сек. Кому нужна такая полка, если рыба пришла на нерест, а в пойму зайти не может?
Весенний паводок в 2007 году был также небольшой, а воды в водохранилищах опять мало. Поэтому было принято решение на 3-4 дня дать высокий расход 26-27 тыс. м3/сек, а потом опять месяц держали расход на уровне 16-17 тыс. м3/сек. Спрашивается, для чего?
Подробнее рассмотрим режим стока на примере весеннего паводка 2013 года. Ожидая высокий паводок, зимой осуществлялся большой сброс воды. Повышенный расход воды (6400-7500 м3/сек) начался в ноябре 2012 года и продолжался до 31 марта. Затем расходы резко увеличили до 26000 м3/ сек. К середине апреля уровень воды в водохранилищах был сильно снижен: на Камском на 7,21 м ниже НПУ (нормальный подпорный уровень), на Воткинском - на 3,73 м, на Рыбинском на - 2,17 м и на Куйбышевском - на 2,13 м. Сделано это было с целью освобождения емкостей водохранилищ для приема вод поверхностного стока, так как по про-
гнозу Гидрометцентра ожидался очень большой приток воды 156-186 км3 при норме 161 км3, поэтому было запланировано сбросить 129,1 км3 воды. Максимальный расход воды 26000 м3/сек планировали поддерживать 23 дня.
Однако поверхностный (склоновый) сток с бассейна Волги был очень небольшой, появилась опасность, что водохранилища не заполнятся, и расход воды был резко уменьшен до 17000 м3/сек. Пойма была обводнена не полностью, рыба, которая не успела отнереститься, вернулась в Волгу, а которая отнерестилась, оставила икру на кустах и траве. Этим был нанесен большой вред рыбе, огромный ущерб природе и многим водопользователям.
Подобная ситуация сложилась и в 2014 году. Повышенный сброс воды осуществляли в феврале-апреле (7200-8500 м3/сек), а с 23 апреля начали повышение сброса до 26000 м3/сек к 5 мая. Этот расход держали всего 5дней.
Спрашивается, для чего 2 месяца осуществляли повышенный сброс?
Чтобы оставить без воды пойму?
Примерно то же произошло и в этом 2019 году. В бассейне Волги снега было много, и Гидрометцентр ожидал большой приток воды в водохранилища. Поэтому повышенный расход воды (6000-7000 м3/ сек) начался в ноябре 2018 года (рисунок) и продолжался почти до конца апреля 2019 года.
ео м « « со <ч ос
п о с*
1Л 1Л Л
5
5 3
Рисунок - Динамика планируемого, фактического и оптимального режима стока на Волжской ГЭС
за зимне-весенний период 2018-2019 года
За зимний период было сброшено много воды, а приток был небольшой, так как почва была местами талая или промерзла на небольшую глубину (меньше 50 см). Поэтому почти вся талая вода на сельскохозяйственных и лесных угодьях впиталась в почву, водохранилища оказались незаполненными, уровень воды настолько понизился, что реки, впадающие в них, оказались без воды, а в Волге местами даже было приостановлено судоходство. Если бы зимой расход воды был 5000 кубометров в секунду, то весной вполне хватило бы воды для оптимального режима паводка. Вот такая цена прогноза низкой точности. Примеров можно приводить много. Но главное в этой проблеме - правильный прогноз поверхностного стока, поскольку от него зависит установление оптимального режима весеннего паводка. Часто прогнозируют поверхностный сток так. Снега в бассейне много, значит будет большой сток. При таком прогнозе начинают зимой освобождать водохранилища для приема весенней воды. Воду сбросили, а она не пришла. Часто бывает, что снега много, а стока нет, или он незначительный. А бывает, что снега мало, а сток бывает значительный.
Результаты и их обсуждение. В Волго-Ахтубин-ской пойме часто случаются рукотворные экологические бедствия. Ущерб от них несут энергетики
(недополучение электроэнергии), рыбное хозяйство (гибель рыбы, мальков и икры, а иногда рыба не нерестится, так как пойма не затопляется), сельское хозяйство (не хватает воды для орошения), коммунальное хозяйство (водозаборные оголовки «хлебают» воздух), судоходство (суда садятся на мель).
Имея такой каскад водохранилищ и высокоточный прогноз поверхностного стока, можно идеально отрегулировать режим стока Волги, при котором хватит воды всем потребителям, и можно будет ежегодно заполнять пойму водой на длительное время.
Итак, если не будет решена проблема прогноза стока, а в связи с ней и оптимизирован режим весеннего паводка на Волжско-Камском каскаде, то и не будет решена экологическая проблема Волго-Ахтубинской поймы. Тогда все затраты на сохранение водно-болотных растений, расчистку ериков и трактов, доуглубление фарватера для судов и многие другие работы будут бесполезны. Пустая трата огромных средств.
Мы разработали методику прогнозирования поверхностного стока талых вод с сельскохозяйственных угодий, которая позволяет без дополнительных затрат предотвратить этот ущерб. Высокая точность ее подтверждена на практике.
Во ВНИАЛМИ (сейчас ФНЦ агроэкологии РАН)
в 1958 году были развернуты большие работы по изучению гидрологических процессов для разработки противоэрозионных мероприятий. Они проводилась в нашей опытной сети в разных природных зонах бассейна Волги: лесостепь, степь, сухая степь. Исследования проводились и проводятся до настоящего времени в Орловской, Ульяновской, Самарской и Волгоградской областях. В результате исследований получен очень большой экспериментальный материал. Мы сейчас обладаем таким экспериментальным материалом по этому вопросу, которого нет ни у одного научного учреждения. Анализ и обобщение его, а также материалов других научных учреждений позволили осуществить важные теоретические и практические разработки.
Мы проанализировали существующие методы прогноза стока, изучили принципы, параметры и критерии, заложенные в основу прогноза и дали оценку точности и надежности прогнозов. Анализ уравнений расчета стока показал [4-10], что сток в основном зависит от снегозапасов, хотя в них и учитываются и другие факторы, но, судя по коэффициентам, эти показатели либо играют незначительную роль, либо очень большую.
Наши исследования и обобщение литературных данных показали, что прямой связи стока с одними снегозапасами нет [2, 3]. Например, в лесостепи в многоснежные годы (снегозапасы свыше 100 мм) сток может отсутствовать полностью и быть очень большим до 146 мм на зяби и до 186 мм на уплотненной пашне. В малоснежные зимы сток также может не сформироваться, а может быть относительно большим. В степной зоне проявляется такая же закономерность, только абсолютные показатели ниже. Однако это не значит, что от снегозапасов величина стока не зависит. Средняя величина стока в многоснежные и малоснежные годы сильно различается, т. е. снегозапасы влияют на сток в значительной степени, но во взаимодействии с другими факторами - влажностью почвы и глубиной ее промерзания.
В результате исследований мы выявили важнейшие природные факторы и установили их уровни, влияющие на сток. Это глубина промерзания почвы, запасы воды в снеге, и почве [2]. Причем все они влияют на сток во взаимодействии. Снегозапа-сы и характер снегоотложения влияют на промерзание почвы. Промерзание и увлажнение почвы также взаимосвязаны. Наибольшее влияние на сток оказывает характер промерзания почвы.
Связь стока с глубиной промерзания следующая. Если почва талая или она промерзла не глубже 50 см, то сток не формируется. При промерзании почвы свыше 50 см формируется сток разной величины, т. е. дальнейшее увеличение глубины промерзания не приводит к увеличению стока. Он зависит от снегозапасов и увлажнения почвы.
На основе анализа и обобщения многолетних данных открыт закон лимитирующих факторов стока талых вод. Суть его состоит в том, что при некотором минимальном значении одного из трех лимитирующих факторов (снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы) поверхностный сток не формируется независимо от уровня двух других.
На основе всех этих материалов разработана методика прогнозирования поверхностного стока при разных уровнях важнейших лимитирующих его природных факторов с учетом типов почв, видов угодий и пашни [1].
На основе этого закона можно давать прогноз стока с большой заблаговременностью (1-2 месяца) с довольно высокой точностью (80-100%). Если складываются условия, при которых почва не замерзает или она промерзает не глубже 50 см, то сток на сельскохозяйственных и лесных угодьях не сформируется (точность близка к 100%).
Если уровни природных факторов выше лимитирующих, то можно рассчитывать (прогнозировать) величину стока с водосборного бассейна, используя выявленные нами закономерности и связи с точностью 80-90% по уравнению:
у=£ (У ^) /1 Si-Упэм 1 1
где У - величина поверхностного стока с водосбора, мм;
У - сток с ьтого агрофона, мм (рассчитывают по урав нению Уi= a+b1Wп+b2Wc, в котором Wп - запасы воды в почве, мм; Wc - запасы воды в снеге, мм [2]; a, Ц и Ь2 - коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от вида пашни и типа почв
Б. - площадь ьтого агрофона, га;
Упэм - стокорегулирующий эффект от применения системы противоэрозионных мероприятий: проти-воэрозионная организация территории, лесомелиоративные, агротехнические и гидротехнические приемы, мм (этот параметр применяется только в том случае, если на водосборе осуществлена полная система мероприятий).
Заключение. Теоретический анализ влияния природных факторов на формирование стока на основе богатейшего экспериментального материала, полученного в течение 50-68 лет на трех стационарах в европейской части РФ, позволил выявить закономерности его формирования на различных видах пашни, определить показатели среднего и разной вероятности превышения стока и открыть закон лимитирующих факторов стока талых вод. Приведенные материалы исследований дают представление о закономерностях и особенностях его формирования в разных географических зонах. На основании этого закона разработана методика высокоточного (80100%) прогноза поверхностного стока талых вод при разных уровнях важнейших лимитирующих его природных факторов с учетом типов почв, видов угодий и пашни. Это позволит оптимизировать весенний паводок на Волге, что обусловит нормальное обводнение Волго-Ахтубинской поймы в любые по водности годы, создание благоприятных условий для нереста рыбы и удовлетворение потребностей всех водопользователей.
Настоящая методика может применяться проектными, сельско- и водохозяйственными организациями для составления прогноза величины поверхностного стока талых вод с целью установления оптимального режима весеннего паводка и предотвращения чрезвычайных ситуаций. Прогнозы, которые мы получали на основе этого закона, подтверждаются много лет.
Литература:
1. Барабанов А.Т., Гаршинев Е.А., Кулик К.Н. Способ прогнозирования поверхностного стока талых вод: пат. № 2347222 РФ МКИ. Заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИАЛМИ. - 2009126879/12; заявл. 24 июля 2006 г., опубл. 20.02. 2009 г. - Бюл. № 5. - 3 с.
2. Барабанов, А.Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие [Текст] / А.Т. Барабанов.
- Волгоград: ФНЦ агроэкологии РАН, 2017. - 188 с.
3. Барабанов, А.Т. Прогнозирование поверхностного стока талых вод с сельскохозяйственных угодий в лесостепной части бассейна Волги [Текст] / А.Т. Барабанов,
A.И. Петелько // Известия Нижневолжского агроунивер-ситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2018. - №4(52). - С. 43-49.
4. Гаршинев, Е.А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация: экспериментальная оценка, расчет, проектирование [Текст] / Е.А. Гаршинев. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2002. - 220 с.
5. Комиссаров, М.А. Эрозия почв при снеготаянии на пологих склонах в южном Предуралье [Текст] / М.А. Комиссаров, И.М. Габбасова // Почвоведение. - 2014. - №6.
- С. 734-744.
6. Коронкевич, Н.И. Гидрологические последствия изменения землепользования в бассейне реки Москвы [Текст] / Н.И. Коронкевич, К.С. Мельник // Изв. РАН. Сер.: География. - 2015. - № 5. - С. 38-45.
7. Мухин В.М. Методы прогнозирования притока воды в водохранилища за период весеннего половодья [Текст] /
B.М. Мухин // Труды Гидрометцентра России. Гидрометеорологические прогнозы. - 2014. - Вып. 351. - С. 108-140.
8. Панфилов, А.В. Моделирование процессов противоэ-розионного земледелия и агролесомелиорации [Текст] / А.В. Панфилов, П.Н. Проездов, А.В. Розанов, А.В. Карпуш-кин // Аграрный научный журнал. - 2017. - №9. - С. 19-23.
9. Сурмач Г.П. Прогнозирование стока талых вод [Текст] / Г.П. Сурмач, М.М Ломакин, Л.П. Шестакова // Земледелие. - 1989. - № 4. - С. 29-31.
10. Сухановский, Ю.П. Вероятностный подход к расчету эрозионных потерь почвы [Текст] / Ю.П. Сухановский // Почвоведение. - 2013. - № 4, - С. 474.
A ROLE OF THE SPRING RUNOFF PREDICTION WITHIN THE AREA OF VOLGA BASIN FOR SOLUTION OF THE VOLGA-AKHTUBA FLOODPLAIN ECOLOGICAL SAFETY PROBLEM
A.T. Barabanov, D.S-Kh.N., a.barabanov2011@yandex.ru - FSC of Agroecology RAS
The perspective ofthe ecological state ofthe Volga-Akhtuba floodplain can be compared with the current state of the Aral sea. If urgent measures are not taken in order to save it now, it could turn into a desert. Its condition depends on the inflow of melt water from the Volga watershed basin and the optimal regulation of spring release in the Volga-Kama cascade of reservoirs. To optimize the spring flood of the Volga river, a high-precision surface runoff forecast is needed.
It is possible to adjust perfectly the spring flood according to any spring water content having a reliable method of forecasting the flow in the presence of a cascade of reservoirs within the Volga and Kama.
Analysis of the current methods of runoff calculating showed that runoff is mainly dependent on snow reserves, although they take into account the water absorption capacity of the soil and some other factors, but these indicators either play a minor role or a very large one, according to evaluation the coefficients of the equations. The accuracy of these predictions is very low.
We discovered the law of limiting factors of runoff, which allowed us to re-evaluate the role of factors in its formation and develop a method of high-precision prediction.
Key words: Volga-Akhtuba floodplain, natural runoff factors, depth of soil freezing, snow reserves, runoff forecast, law of limiting runoff factors
Обмелевшая Ахтуба, лето 2005 года
