CC BY
196
УДК: 556.552
О.Н. Урбанова
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань
ВОДНЫЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ ОЗЕР КАБАН КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ИХ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА
В статье рассмотрены составляющие и рассчитан современный водный баланс озер Кабан, расположенных в г. Казани. Проведен анализ и сравнение элементов водного баланса разных лет. Выявлена изменчивость гидрологического режима озер.
Ключевые слова: водный баланс, гидрологический режим, система озер Кабан.
Гидрологический режим системы озер Кабан соответствует характерному для водных объектов данной географической зоны. Три крупных озера (Верхний, Средний и Нижний Кабан с протоками Ботаническая и Булак), составляющие данную систему, имеют смешанное происхождение, так как образованы вследствие воздействия на земную поверхность различных факторов. О речном типе водоемов свидетельствует расположение озер цепочкой вдоль берегового уступа высокой террасы Волги; вытянутая в плане форма, напоминающая собой единое русло реки; направление фарватера всех озер с более или менее выраженной покатостью дна к западному берегу. Отсутствие признаков интенсивного заиления озер, наличие в озерах резких перепадов в глубинах (большие котловины) указывают на участие в их образовании карстовых процессов.
Расположенные в черте большого города, озера, как природные водные объекты, всегда привлекали к себе внимание исследователей в плане изучения процессов формирования их гидрологического режима. В начале XX века Н. Масленников впервые рассчитал водный баланс озер Нижний и Средний Кабан, анализ которого показал, что основную роль в питании озер играет весеннее половодье, приносящее большое количество талых вод с водосбора, после спада которого происходит постепенное понижение уровня воды в водоемах. Но основная роль подземного питания в период межени не была выделена (Масленников, 1929).
Изучая рельеф территории республики, процессы его развития и изменения под воздействием разрушительной работы текущей воды, В.Н. Сементовский (1940) дал подробную характеристику гидрологического режима озер Кабан, разделив период весеннего половодья на две стадии. Первая стадия, когда таяние снега на водосборах (апрель-май) вызывало поступление больших объемов талых вод в озера, излишки которых выходили через протоку Булак в р. Казанку до уровня установленной когда-то плотины между Нижним Кабаном и протокой Булак. А чуть позже (вторая стадия), когда начиналось половодье на самой р. Волге, сопровождавшееся значительным повышением уровней, отмечался вход волжской воды через протоку Булак в озера Кабан (по данным Камстроя приток воды через Булак в озера в 1934 году составил 1,1 млн.м3). Озера становились проточными и вода, продолжавшая поступать в них, уходила двумя ложбинами на юг в пойму
р. Волги, подтапливая поселки Победилово, Отары, Борис-ково. В высокие половодья все три озера соединялись между собой и уровень воды в них иногда был на 4 метра выше, чем зимой, что давало прибыль воды почти в 7 млн. м3 воды (Сементовский, 1940). При спаде половодья вода по Булаку вновь уходила в р. Казанку. Во время такой циркуляции воды происходило очищение озер от скопившихся наносов. В рассчитанном В.Н. Сементовским водном балансе отмечено, что основное пополнение водной массы озер осуществлялось в период весеннего половодья. Роль летних осадков в увеличении водной массы озер была незначительна, что выражалось в постепенном незначительном понижении уровня воды в озерах от летнего периода к зимнему.
После строительства Куйбышевского водохранилища (1955-1957 гг.) и создания дамб инженерной защиты г. Казани от подтопления озера Кабан стали непроточными, отделенными от р.р. Волга и Казанка, и в них поддерживается нормальный проектный горизонт воды на уровне 52 м БС (минимальный 49,9 м БС, максимальный 54,2 м БС). В результате этих гидротехнических мероприятий видоизменился и гидрологический режим оз. Средний Кабан, для которого весеннее половодье уже не играет основной роли в питании. Приток талых вод с водосбора озера составляет всего 21,6 % от общего природного поступления воды в водоем, а доля осадков достигает 2,9 %. Основное питание (75,5 %), поддерживающее объем водной массы в озере, составляют подземные воды (Шигапов и др., 2010).
Целью данной работы является развитие подхода и оценка составляющих современного водного баланса озер Кабан в черте г. Казани в сравнении с элементами водного баланса разных лет, а также выявление изменчивости гидрологического режима озер.
Методика оценки водного баланса
Исследование закономерностей, существующих между приходом и расходом влаги в пределах рассматриваемой территории, представляет собой балансовый метод или метод водного баланса. Это один из основных методов, позволяющий сопоставлять отдельные источники поступления влаги и устанавливать степень их влияния на общий ход формирования гидрологического режима изучаемого объекта. Техническим средством анализа водо-балансовых отношений является уравнение водного баланса, отражающее общий закон сохранения материи и
научно-технический журнал
7 (49) 2012 I еоресурсы
базирующееся на физическом понятии того, что бассейн реки или водоема представляет собой саморегулирующуюся систему, преобразующую входящие и выходящие водные потоки. Этот вывод лежит в основе всех водобалансо-вых исследований, развитие которых определяется необходимостью учета возрастающего антропогенного влияния на физико-географические условия водосборов. Особенно это касается тех водных объектов, в бассейнах которых никогда не проводились систематические наблюдения за гидрологическим режимом.
В работе расчет водобалансовых отношений системы озер Кабан проведен с использованием предложенного уравнения:
X +У +У + К = У +У. + Ъ + а + ДW
п гр ст ф 1
где X - сумма осадков, выпадающих на поверхность озера, Уп - приток поверхностных вод, У^ - приток грунтовых вод, К - конденсация водяных паров атмосферы на поверхность озера, Ъ - испарение с поверхности водоема, У -русловой сток, Уф - фильтрация, AW - изменение объема воды в озере за время Т, д - безвозвратный расход воды из озера на хозяйственные нужды.
Вклад составляющих данного уравнения определяются климатическими условиями водосбора, морфологическими особенностями водоема, его проточностью, соотношением площадей зеркала и водосбора, уровнем хозяйственной деятельности на водоеме и в бассейне.
Основными элементами приходной части водного баланса озера являются осадки, выпадающие на его поверхность, а также приток поверхностных и грунтовых вод. Величины осадков, полученные по данным наблюдений метеорологических станций, не всегда отражают полный объем поступающей на водосбор влаги (недоучет как приборами, так и за счет поступления влаги при туманах, росах, всасывании растениями непосредственно из воздуха и др.). Поэтому при гидрологических расчетах используются показания осадкомеров с введенными поправками (на смачивание, выдувание и переход от показаний дождемера к осадкомеру). Слой осадков, выпадающих на водоем, вычисляется как среднее арифметическое (при условии равномерного размещение по территории пунктов наблюдений и незначительного изменения величины осадков) или как средневзвешенное значение (при условии неравномерного размещение пунктов наблюдений и изменения количества осадков в больших пределах). Приток поверхностных вод определяется по данным наблюдений за стоком всех рек, впадающих в озеро. Если нет данных наблюдений, то величина притока определяется либо путем непосредственных неоднократных измерений, либо по значениям стока (модули, слой стока) рек-аналогов, от репрезентативности которых зависит точность расчетов. Непосредственная величина притока грунтовых вод (подземный приток) через борта и ложе водоема, характеризующая многолетний процесс и обусловленная климатическими и гидрогеологическими условиями бассейна, может быть определена только в результате проведения дорогостоящих гидрогеологических исследований и организации сети наблюдений за подземными водами. Поэтому в настоящее время применяются приближенные способы расчетов подземного притока, основанные на сведениях, полученных путем рекогносцировочного об-
следования бассейнов или по имеющимся гидрогеологическим картам. Кроме того, применение находят и расчетные методы, основанные на взаимосвязи речных и подземных вод, зависимости которых устанавливаются по данным различных характеристик речного стока в период межени, служащих косвенными показателями подземного притока. Конденсация водяных паров атмосферы на поверхность озера, которая происходит, как правило, в осенний и весенний периоды, при резком отличии температуры воздуха от температуры воды водоема, не учитывается в силу ее относительно небольших величин по сравнению с общим объемом воды в водоеме.
Основными элементами расходной части водного баланса являются суммарное испарение с поверхности водоема, русловой сток, фильтрация, изменение объема воды в озере за определенное время и безвозвратный расход воды из озера на хозяйственные нужды. Для оценки суммарного испарения используются различные расчетные методы, к основным из которых относится широко известный метод М.И. Будыко (1956) и его модификация -тепловодобалансовый метод, предложенный С.И. Харчен-ко (1975). Суммарное испарение складывается из испарения с поверхности воды, снега и льда, почвы и транспира-ции (физическое испарение) растений. Измерение величины расхода влаги по указанным направлениям крайне трудно, так как для учета испарения с поверхности воды и особенно с поверхности почвы для настоящего времени не имеется вполне рациональной конструкции испарителя, а величину же транспирации растений учесть непосредственно еще труднее. Поэтому для определения величины испарения с поверхности озер Кабан использованы существующие методики расчета испарения с водной поверхности стандартных водоемов (Методика..., 2007; Ресурсы..., 1973). Сток воды из водоема определяется по данным измерений на вытекающих реках, при этом гидроствор располагается вблизи истока реки. Фильтрация (подземный сток) из водоема за пределы водосбора - явление чрезвычайно редкое. В настоящее время не существует каких-либо универсальных методов ее определения. Обычно она не учитывается ввиду, во-первых, своей незначительной величины по сравнению с остальными членами уравнения водного баланса, а во-вторых, ввиду чрезвычайной сложности и громоздкости ее учета. Изменение объема воды в озере за какой-либо промежуток времени в чаше водоема определяется как разность объемов озера на начальный и конечный моменты расчетного периода. Определяется и безвозвратный расход воды из озера на хозяйственные нужды при наличии такового.
Водный баланс системы озер Кабан
Одним из результатов комплексного обследования системы озер Кабан, выполненного нами в 2011 г., явился расчет водного баланса за гидрологический год по предложенной выше формуле.
Сумма осадков. Годовое количество атмосферных осадков, определяемое как среднее арифметическое по данным ближайших метеорологических станций («Казань-опорная» и «Казань-Университет»), принято равным 570 мм или 0,57 м. На водную поверхность озер за год выпадает следующее количество осадков: Верхний Кабан - 0,14 млн. м3 (площадь водного зеркала 241300 м2), Сред-
•— научно-технический журнал
к I еоресурсы 7 (49) 2012
ний, Нижний Кабан и Ботаническую протоку (суммарная площадь водного зеркала 1832850 м2) - 1,04 млн. м3.
Поверхностный приток. Водосборная площадь озер Нижний (9680000 м2) и Средний Кабан (38630000 м2) представляет собой нарушенный природный ландшафт с большим количеством административно-производственных зданий и сооружений, жилых многоэтажных кварталов с территорией, покрытой асфальтом. Вокруг озера Верхний Кабан 55 % водосборной площади (15520000 м2) близко к естественной (заболоченная низина, овраги, поля, лес), а 45 % (12460000 м2) представляет собой нарушенный ландшафт.
Поверхностный приток в озеро Верхний Кабан равен 8,57 млн. м3, из которого 6,04 млн. м3 стекает с нарушенного водосбора и 2,53 млн. м3 с естественного (аналогом является р.Казанка). Суммарный поверхностный приток в озера Средний и Нижний Кабан с учетом Ботанической протоки равен 23,43 млн. м3. Кроме этого, в озеро Средний Кабан впадает незамерзающий ручей с Танкового оврага, годовой объем стока которого равен 0,65 млн. м3, что создает суммарный годовой поверхностный приток в озера 24,08 млн. м3.
Подземный приток. Вопрос о колебании запасов подземных вод, скорости и направления их движения является довольно сложным и точной количественной оценки не поддается. Для более детального выделения подземной составляющей в питании озер необходимо выполнять специальные гидрометрические наблюдений в зимнюю межень. Но своеобразие гидрогеологических условий водосбора озер системы Кабан таково, что многослойная толща различных по своим водно-физическим свойствам пород сформировала ряд связанных между собой водоносных комплексов, находящихся под дренирующим влиянием Куйбышевского водохранилища. Пополнение подземных вод на водоразделах и склонах осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и последующего перетекания сверху вниз. Озера Кабан, вытянутые вдоль тылового шва террасы по фронту потока грунтовых вод, служат своеобразной дреной на пути подземного потока, который формируется на левобережном борту долины Волги и направлен с уклоном на юго-запад фронтально к озерам (Поляков, 2009). Это обусловливает возможность определения величины подземного притока в озера как с бортов долины (Королев, 1999; Чеботарев, 1963), так и за счет восходящей разгрузки подземных вод (по нашим данным модуль подземного питания в рассматриваемом районе составляет 10 л/сек-км2).
В озеро Верхний Кабан с бортов долины поступает 0,05 млн. м3 и за счет восходящей разгрузки подземных вод из нижележащих водоносных горизонтов, слагающих территорию водосбора озер, еще 8,8 млн.м3 (в сумме 8,85 млн. м3). Эти же подземные источники питают озера Нижний и Средний Кабан, в которые поступает 15,63 млн.м3 (0,43 млн. м3 через борта долины и 15,2 млн. м3 за счет восходящей разгрузки подземных вод).
Русловой сток, осуществляемый через дрену из озера Средний Кабан, составляет 0,77 м3/с или 24,35 млн.м3/год. Из озер Нижний и Верхний Кабан поверхностного стока нет.
Испарение с поверхности водоема. Средняя многолетняя величина испарения с водной поверхности озер Кабан рассчитана согласно существующим методикам, в которых дан подробный расчет испарения со стандартных водоемов, под параметры которых подходят исследуемые озера (Методика расчета водохозяйственных балансов..., 2007; Ресурсы., 1973). Величина испарения с поверхности озера Верхний Кабан в летний период составляет 0,17 млн. м3, а с озер Средний и Нижний Кабан 1,36 млн. м3. Принимая во внимание испарение за зимний период (3 % от суммы испарения за безледоставный период), получаем сумму испарения с поверхности озер, равную для Верхнего Кабана 0,18 млн. м3, Среднего Кабана и Нижнего Кабана 1,4 млн.м3.
Безвозвратный забор воды на хозяйственные нужды для оз. Верхний Кабан ввиду отсутствия на его берегах промышленных предприятий в расчет водного баланса не вводился. При обследовании береговой полосы выявлено 14 водозаборных сооружений для обеспечения водой садоводческих обществ, расположенных вокруг озера. Величина забора воды пренебрежимо мала по сравнению с объема водной массы озера, это позволяет не учитывать ее в расчетах. Водные ресурсы озер Средний и Нижний Кабан используются 7 промышленными предприятиями. По данным статистической отчетности 2тп-водхоз, все они осуществляют сброс ливневых (дождевых и талых) вод с территории, величина которого учтена в пункте «поверхностный приток». Забор воды из озера осуществляет Казанская ТЭЦ-1, используя ее для охлаждения работающих агрегатов станции и в таком же объеме сбрасывая ее обратно в водоем через циркуляционный канал с пропускной способностью 3,3 м3/с. Это позволяет считать забор воды предприятием Казанская ТЭЦ-1 не безвозвратным, а используемым.
Изменение объема воды в озере. В гидрологическом режиме озер системы Кабан наблюдается период межени, во время которого происходит уменьшение водной массы озер. Так, за расчетный период объем водной массы озер уменьшился в Верхнем Кабане на 0,012 млн. м3, а в Нижнем и Среднем - на 0,164 млн. м3.
Оцененные элементы водного баланса озер системы озер Кабан представлены в таблице.
Приходную часть водного баланса озера Верхний Кабан почти в равных долях составляет поверхностный и подземный притоки (48,8 % и 50,4 %, соответственно). В расходной части основную долю составляет испарение с
Приходная часть Расходная часть
млн.м3 % млн.м3 %
Верхний Кабан
Осадки 0.14 0.8 Испарение 0.18 93.8
Подземный приток 8.85 50.4 Поверхностный сток 0 0
Поверхностный приток 8.57 48.8 Изменение объема 0.012 6.2
Всего 17.56 100 Всего 0.192 100
Средний Кабан и Нижний Кабан с учетом Ботанической протоки
Осадки 1.04 2.6 Испарение 1.4 5.4
Подземный приток 15.63 38.4 Поверхностный сток 24.35 94.0
Поверхностный приток 24.08 59.0 Изменение объема 0.164 0.6
Всего 40.75 100 Всего 25.91 100
Табл. Водный баланс озер системы Кабан.
научно-техническим журнал
7 (49) 2012 I еоресурсь
водной поверхности озера (93,8 %), но существенного влияния на объем водной массы озера эта величина не оказывает, так как практически равна величине осадков, поступающих по поверхность водоема. Соизмеримость поверхностного и подземного притока говорит о том, что весеннее половодье, во время которого осуществляется основной поверхностный приток в озеро, теперь не является основным поставщиком воды в водоем. Объем водной массы в озере поддерживается во время летней и зимней межени за счет большого подземного притока, чему способствуют гидрогеологические условия водосборного бассейна.
В суммарном водном балансе озер Средний и Нижний Кабан основную долю приходной части составляет поверхностный приток (59 %), который на 97 % обеспечивается стоком с водосборной площади озера в период весеннего половодья и 3 % поступает за счет впадающей в озеро небольшой незамерзающей реки. Немаловажную роль играет и подземный приток в озера (38,4 %), который в период межени поддерживает основной объем водной массы озер. В расходной части баланса озер Средний и Нижний Кабан главным элементом является поверхностный сток из водоема (94 %). Осуществляется он самотеком через ручей (дрену) длиной около 2,5 км, выходящий из южной части озера Средний Кабан. Сток из озера обеспечивается перепадом высот уровня воды в озере (52 м) и местности в районе пос. Отары (49 м), отделенного от города дамбой инженерной защиты города. Поступающая из озера Средний Кабан вода станциями перекачки №№ 1-3 подается двумя большими трубами через дамбу в Борисковский канал и далее в Куйбышевское водохранилище, поддерживая уровень воды у дамбы на отметке 49,5 м. Насосной станцией №4 осуществляется сброс излишков воды и из протоки Булак для поддержания ее оптимального уровня.
Таким образом, природные составляющие водного баланса озер системы Кабан обеспечивают положительный водный баланс, создающий запасы воды в оз. Верхний Кабан в 17,4 млн. м3 и в озерах Средний и Нижний Кабан 14,8 млн. м3. Расчет водного баланса показал, что поверхностный приток в озера Средний и Нижний Кабан практически равен поверхностному стоку из них, а озера «живут», в основном, за счет большого подземного притока. С учетом этого имеется потенциальная возможность использования ресурсов озерных вод. Предпочтительно использование озер как рекреационных объектов, расположенных в центре мегаполиса, с соответствующими мерами охраны их от загрязнения.
Заключение
До создания Куйбышевского водохранилища гидрологический режим системы озер Кабан был характерен режиму водных объектов данной географической зоны -короткий период весеннего половодья с резким повышением (на 2-4 м) уровня воды и длинный период межени с постепенным уменьшением объемов водной массы от лета к зиме. Создание водохранилища несколько видоизменило гидрологический режим озер, уменьшив объем весеннего половодья, в результате чего повышение уровня воды в озерах составляет менее 2 м.
Расчет водного баланса оз. Верхний Кабан показал, что
основу приходной части составляет как поверхностный, так и подземный приток (48,8 % и 50,4 %, соответственно), указывая на равное участие в питании озера периодов весеннего половодья и межени. Водный баланс озер Средний и Нижний Кабан показал, что весеннее половодье продолжает оставаться основным в их питании (59 % составляет поверхностный приток), но немаловажную роль играет и период межени (38,4 % поступления подземных вод).
Положительному водному балансу (превышение приходной части над расходной) способствует удачное географическое расположение озер Кабан на надпойменной волжской террасе с гидрогеологическими условиями, способствующими поддержанию большого объема воды в озерах в течение всего года.
Литература
Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л.: Гидро-метеоиздат. 1956. 348.
Давыдов Л.К., Дмитриева A.A., Конкина Н.Г. Общая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат. 1973. 462.
Королев М.Е. Общая гидрогеология. Казань: Изд-во Казанского университета. 1999. 310.
Масленников Н.И. Некоторые данные по режиму озера Кабан. Ученые записки Казанского университета. 1929. Кн.5-6. 876880.
Методика расчета водохозяйственных балансов водных объектов. М. 2007. 50.
Методика расчета гидрологических характеристик техноген-но-нагруженных территорий. СТП ВНИИГ 210.01.НТ-05. СПб, 2005. 117.
Поляков С.И. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод на участках недр, эксплуатируемых водозаборами МУП «Водоканал» г. Казань. Казань. 2009.
Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 10. Верхне-Волжский район. Кн. 1. М.: Гидрометеоиздат. 1973. 475.
Сементовский В.Н. Материалы для геоморфологии и гидрографии территории Большой Казани. Ученыге записки Казанского университета. 1940. Т.100. Кн.3. 3-150.
Чеботарев А.И. Гидрологический словарь. Л.: Гидрометеоиз-дат. 1978. 308.
Шигапов И.С., Мингазова Н.М., Деревенская О.Ю. К изучению водного баланса озера Средний Кабан г.Казани. Сборник материалов конгресса «Чистая вода. Казань». Казань. 2010. 330-334.
O.N. Urbanova. Water balance system of the Kaban lakes (Kazan, Russia) as the method of studying their hydrological conditions.
The article deals with modern components and calculation of water balance of the Kaban lakes located in Kazan. The analysis and comparison of the water balance elements in different years was carried out. The variability of the lakes hydrological condition was revealed.
Key words: water balance, hydrological condition, Kaban lakes system.
Ольга Николаевна Урбанова Старший научный сотрудник лаборатории гидрологии Института проблем экологии и недропользования АН РТ. Научные интересы: изучение условий формирования поверхностного стока, гидрологические расчеты.
420087, Казань, Даурская, д.28. Тел.: (843) 298-56-10.
•— научно-технический журнал
^^ Георесурсы 7 (49) 2012
