Водный режим пойменных нерестилищ на малых и средних реках бассейна реки Дон Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 627.81:556.1

В. Н. Шкура, А. В. Демьяненко

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЙМЕННЫХ НЕРЕСТИЛИЩ НА МАЛЫХ И СРЕДНИХ РЕКАХ БАССЕЙНА РЕКИ ДОН

Целью исследований являлось гидрологическое обоснование пойменных нерестилищ на малых и средних реках степной зоны России. Исследования гидрологического режима пойменных нерестилищ выполнены для малых рек Крепкая, Большой Несве-тай и средней реки Тузлов бассейна Дона. Результатом исследований стало определение расчетного рыбохозяйственного расхода рек, при котором гидрологический режим нерестилищ удовлетворял бы требованиям воспроизводства фитофильных рыб по глубине затопления, продолжительности и температурному режиму. Расчетный рыбохо-зяйственный расход определялся на основе натурных исследований, для конкретных участков рек, включающих русло реки и затапливаемую пойму. Установлено, что в зависимости от площади водосбора благоприятный гидрологический и температурный режим на естественных пойменных нерестилищах в год с обеспеченностью по стоку Р = 25 % может быть сформирован при организации специальных рыбохозяйственных попусков в объеме от 31,6 до 42,9 % годового стока. В условиях всеобъемлющего освоения водосборов и наблюдаемого в последнее время дефицита водных ресурсов это практически невозможно. Для решения проблемы авторами разработана конструкция искусственного нерестилища для фитофильных и литофильных видов рыб с управляемым режимом затопления поймы. Формируя подпор уровня воды в реке продольными стесняющими дамбами, сооружение создает искусственно затапливаемое на требуемый период времени нерестилище, которое может работать в год с обеспеченностью по стоку Р = 25 % без организации специальных попусков.

Ключевые слова: пойменное нерестилище, гидрологический режим, воспроизводство фитофильных рыб, малые и средние реки, рыбохозяйственный расход.

V. N. Chkura, A. V. Demyanenko

Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation

WATER REGIME OF FLOODPLAIN SPAWNING AT SMALL AND MEDIUM RIVERS IN THE BASIN OF THE DON RIVER

The aim of the research was to substantiate floodplain spawning at small and medium rivers of the steppe zone of Russia. The hydrological regime of floodplain spawning was studied for small rivers Krepkaya and Bolshoy Nesvetay and medium river Tuzlov in the basin of the Don River. The research resulted in determination of calculated fishery discharge of the rivers which can provide hydrological regime of floodplain spawning satisfying the requirements for reproduction of phytophilous fish by the depth of flooding, duration, and temperature regime. Calculated fishery discharge was determined on the base of field study for particular sites of the rivers including stream canal and flooding floodplain. It is established that, depending on watershed area, favorable hydrological and temperature regime at natural floodplain spawning in the year with runoff probability of 25 % can be formed by organizing special fishery discharge by the volume of 31.6 to 42.9 % from yearly runoff. In the condi-

tions of comprehensive use of watershed and observed recently water scarcity, this is almost impossible. To solve the problem the authors of the article have developed the construction of artificial spawning for phytophilous and lithophilic fish species with controlled flooding regime of the floodplain. Forming backwater of the water level in the river by longitudinal restricted dams, the construction creates spawning, artificially flooding for required period, which can operate in the year of runoff probability 25 % without special discharges.

Keywords: floodplain spawning, hydrological regime, reproduction of phytophilous fish, small and medium rivers, fishery discharge.

Введение. В бассейне р. Дон насчитывается 1737 водотоков длиной более 10 км. Из этих водотоков 4 являются крупными (большими) реками (Дон, Северский Донец, Хопер и Медведица), 30 - средними и 1703 - малыми реками общей протяженностью более 46 тыс. км.

До регулирования стока Цимлянским водохранилищем общая площадь периодически заливаемых займищ на Нижнем Дону и в его притоках составляла 200 тыс. га, а длительность затопления займищ достигала 90 сут и более. Благодаря периодической повторяемости благоприятных для воспроизводства рыб многоводных лет бассейн обеспечивал ежегодное воспроизводство проходных и полупроходных рыб, промысловый возврат которых достигал 167,0 тыс. т/год [1]. При этом эффективность естественного воспроизводства проходных и полупроходных рыб оставалась высокой во всех звеньях гидрографической сети бассейна (крупная река - средняя река - малая река).

За период с 1952 г. в результате регулирования стока, сельскохозяйственного освоения поймы, строительства дорожных сооружений, обвалования земель, расширения поселений, а главное, за счет снижения максимальных расходов половодья на Нижнем Дону площади заливаемых займищ сократились до 30-35 тыс. га, а продолжительность затопления стала отличаться от оптимальной [2]. В связи с сокращением продолжительности половодий периодические затопления нерестилищ стали происходить в сроки, не совпадающие с основными фазами размножения фитофильных рыб. В результате эффективность воспроизводства на полойно-пойменных нерестилищах в бассейне Дона к концу 1970-х гг. снизилась на 79 %,

а в настоящее время, в связи с наступлением длительного маловодного периода, находится на критическом для некоторых видов рыб уровне.

Для сохранения воспроизводства полупроходных судака, леща, сазана, тарани и проходной сельди в маловодные годы необходимо осуществлять попуски из Цимлянского водохранилища в следующем режиме [3]:

- с 1 января по 31 марта санитарный расход до 170 м /с;

- с 1 апреля 200 м/с с постепенным увеличением расхода к 20 апреля до 1000 м3/с;

- с 20 апреля до 5 июня постоянный расход 1000 м /с;

- с 6 июня постепенный переход на навигационный попуск.

Такой попуск потребовал бы потратить на рыбохозяйственные цели 1,7 км донской воды, что в условиях дефицита водных ресурсов в Цимлянском водохранилище практически никогда не выполнялось.

В этой ситуации одним из путей решения проблемы могло бы стать эффективное воспроизводство ценных полупроходных рыб в средних и малых реках бассейна, в протоках, старицах и реках дельты. Для обводнения полойно-пойменных нерестилищ на этих реках потребовалось бы значительно меньше водных ресурсов. Однако до настоящего времени этому аспекту проблемы не было уделено должного внимания, в результате чего вопросы естественного воспроизводства полупроходных рыб на нерестилищах малых и средних рек недостаточно изучены.

К числу малых и средних рек, сохранивших потенциал восстановления естественного воспроизводства полупроходных фитофильных рыб, относятся равнинные реки или их устьевые участки с уклонами значительно меньшими, чем 0,1 %о. Такие реки или участки характеризуются спокойным течением и наличием хорошо развитой поймы. Нерестилищами для фитофильных рыб на таких реках являются заливаемые участки поймы (займища), заросшие луговой и кустарниковой растительностью, и прибрежные мелководные русловые участки. Благоприятный гидрологический

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(18), 2015 г., [163-176] режим в нерестилищах таких рек будет создаваться при условии:

^^гд ^ Ох ^^р ^ а , (1)

3

где О х - расчетный рыбохозяйственный расход, м /с;

Ор - расход в русле реки, при котором начинается выход воды на пойму, м3/с;

Оп - расход воды на пойме при требуемом слое ее затопления, м/с.

К числу малых и средних рек бассейна Дона, в которых возможно воспроизводство рыб на таких нерестилищах, относятся практически все притоки: реки Маныч, Подпольная, Тузлов и его притоки, Сал и его притоки, реки, впадающие в Цимлянское водохранилище (Чир и Цимла).

Создание благоприятных условий для воспроизводства фитофиль-ных рыб в бассейнах этих рек произойдет при стоке с расходом, достаточным для затопления поймы слоем в 40-50 см на период не менее чем 30-40 сут. В течение этого периода происходят откладывание икры, выклевывание личинок, нагул и скат молоди в русло реки [4]. Для нереста фитофильных рыб в пойменных нерестилищах температура воды в них должна быть не ниже 18 °С.

Материалы и методы. Для определения гидрологического режима стока, при котором гидравлические параметры стока будут соответствовать заявленным требованиям пойменных нерестилищ, авторами были обследованы характерные участки в устьях малых рек Крепкая, Большой Не-светай и средней реки Тузлов в районе водпоста Несветай. Все исследуемые участки имеют хорошо развитую пойму и покрыты обильно произрастающей степной травянистой и кустарниковой растительностью.

Река Тузлов на участке выше водпоста Несветай имеет обширную, занятую луговой и мелкой кустарниковой растительностью пойму общей шириной от 430 до 660 м. Площадь водосбора реки в расчетном створе -1860 км . До зарегулирования р. Дон Цимлянским водохранилищем этот

участок в период весеннего половодья часто заливался водой и служил нерестилищем для леща, тарани, синца, сазана и других фитофильных рыб.

Устьевой участок р. Большой Несветай (площадь водосбора -966 км ) также имеет хорошо развитую пойму шириной до 340 м.

Устьевой участок р. Крепкой (выше сл. Большекрепинской, площадь водосбора - 586 км ) имеет ассиметричную форму поймы, в пределах которой русло сильно меандрирует то к правобережной, то к левобережной террасе. Общая ширина поймы - в пределах 160-210 м, при этом ее распределение по берегам попеременно колеблется от 20-50 м по одному берегу до 140-160 м по противоположному.

Для выбранных водохозяйственных створов были построены кривые 0рх = f (к), где к - слой затопления поймы. Расчетный рыбохозяйственный

расход реки 0рх определялся по уравнению (1). С учетом принятых параметров русел и поймы для исследуемых участков были определены годовой сток для лет с обеспеченностью от 1 до 25 % и его внутригодовое распределение. Для установления сроков начала нереста по гидрологическим ежегодникам были построены графики среднесуточных температур воды. Для увязки расходов с требуемой глубиной затопления поймы и температурным режимом воды в единой координатной сетке были построены соответствующие номограммы.

Результаты и обсуждение. Для участка реки Крепкой благоприятный гидрологический режим и требуемый слой затопления поймы по зависимости (1) сформируются при расходе в реке 0рх = 7,23 м/с. При анализе

гидрографа реки установлено, что для исследуемого участка реки расчетный рыбохозяйственный расход не сформируется даже при годовом стоке с обеспеченностью Р = 5 %. С учетом характерного для региона внутриго-дового распределения стока в год с обеспеченностью Р = 5 % для создания оптимальных условий на нерестилище потребуется дополнительный рыбохозяйственный попуск в объеме 15,60 млн м , что составит 22,0 %

от годового стока (рисунок 1). Для года с обеспеченностью по стоку Р = 25 % потребуется попуск в течение всех 40 суток в объеме 18,66 млн м , что при годовом стоке в 45,13 млн м составит 41,3 % от его объема, это фактически невыполнимо (рисунок 2).

Исследования, выполненные для участка реки Большой Несветай, показали, что благоприятный гидрологический режим и требуемый слой затопления полойно-пойменного нерестилища на рассмотренном участке сформируются при расходе в реке, равном Орх = 8,68 м /с. Для создания

требуемых условий в год с обеспеченностью по стоку Р = 25 % потребуется попуск воды в течение всех 40 сут в объеме 21,43 млн м , что составит 42,9 % объема годового стока реки. Так как суммарная полезная емкость имеющихся в бассейне реки прудов составляет около 5,6 млн м3, то это фактически невыполнимо.

На исследованном участке р. Тузлов в соответствии с параметрами русла и поймы по зависимости (1) благоприятный гидрологический режим и требуемый слой затопления пойменных нерестилищ сформируются при расходе в реке, равном Орх = 12,33 м3/с. При расчетном распределении

стока года с обеспеченностью Р = 5 % для создания требуемых условий на нерестилище потребуется дополнительный рыбохозяйственный попуск 18,3 млн м , что составит 10,1 % от объема годового стока реки Тузлов. Для обеспечения эффективного воспроизводства в год с обеспеченностью по стоку Р = 25 % в бассейне р. Тузлов потребуется специальный рыбохо-

зяйственный попуск в течение всех 40 сут в объеме 32,14 млн м, что

3

при объеме годового стока 101,62 млн м составит 31,6 %.

В результате исследований гидрологического режима участков трех рек установлено, что благоприятный режим на пойменных нерестилищах в год с обеспеченностью Р = 25 % может быть сформирован при организации рыбохозяйственных попусков в объемах от 31,6 до 42,9 % их годового стока.

Рисунок 1 - Номограмма расчета режима пойменного нерестилища на р. Крепкой для года с обеспеченностью по стоку Р = 5 %

о\

I

7

0\

00

Рисунок 2 - Номограмма расчета режима пойменного нерестилища на р. Крепкой для года с обеспеченностью по стоку Р = 25 %

о\

I

Организация таких попусков практически невозможна, так как потребует накопления в прудах и водохранилищах значительных объемов воды. Сложившаяся ситуация позволяет сделать вывод о невозможности эффективного использования малых и средних рек в качестве заливаемых пойменных нерестилищ. Решить проблему можно с помощью применения разработанной авторами конструкции искусственного нерестилища с управляемым режимом затопления поймы. В предлагаемой конструкции для создания пойменного нерестилища с требуемыми гидравлическим и температурным режимами понадобится гораздо меньше водных ресурсов. Конструкция такого нерестилища включает следующие элементы: русло малой реки с поймой 1; пойму любой конфигурации 2; поперечные дамбы 3, стесняющие пойму; продольные дамбы обвалования русла 4; участок стеснения русла реки в голове продольных дамб 5; искусственное нерестилище для фитофильных рыб 6; искусственное нерестилище для литофиль-ных рыб 10; донные водоспуски 7; канавы для подвода молоди рыб к донным водоспускам 9; углубленный приямок перед входным оголовком водоспуска 8 (рисунок 3).

Разработанная конструкция позволяет обеспечить регулируемое затопление поймы как нерестилища для фитофильных рыб и одновременно создать условия для нереста литофильных рыб на галечном субстрате в русловой части. Сооружение работает следующим образом. Во время весеннего половодья за счет стеснения потока поперечными и продольными дамбами обвалования произойдет подпор уровня воды в реке в створе вершин продольных дамб. Вместе с потоком на затапливаемую пойму-нерестилище будут заходить производители фитофильных рыб. Одновременно в русле реки, обвалованном продольными дамбами, будет формироваться бурный поток, а каменно-галечный субстрат 10 обеспечит условия для нереста литофильных рыб. После спада половодья вода постепенно уйдет в русло реки, при этом часть ее вместе с производителями рыб ока-

жется в замкнутом контуре искусственного нерестилища 6. Именно залитый участок искусственного нерестилища в условиях оптимального температурного режима позволит обеспечить воспроизводство анадромных видов рыб в течение требуемых для этого 30-40 сут.

Рисунок 3 - Искусственное пойменное нерестилище на малой реке

После завершения нереста производится опорожнение нерестилища путем сброса воды в русло реки через донные водоспуски 7. Для поступления воды и молоди рыб в водоспуски перед их входными оголовками устраивают углубленные приямки 8. Подвод воды и молоди рыб к углубленным приямкам осуществляется по донным канавам 9, в которые молодь рыб попадает вместе с водой.

Размеры и слой воды на затапливаемом нерестилище будут зависеть от уклона реки, характера поймы, высоты и длины дамб обвалования, при этом наиболее важной для образования нерестилища является степень стеснения русла реки в голове продольных дамб. Степень стеснения русла должна быть обоснована с учетом величины расчетного расхода в год с обеспеченностью по стоку Р = 25 % (рисунок 4).

Рисунок 4 - Номограмма расчета рыбохозяйственного расхода искусственного нерестилища

Методика расчета параметров стеснения русла основана на том, что в результате устройства продольных дамб обвалования вход в сооружение будет работать как затопленный водослив. При известном расчетном рас-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(18), 2015 г., [163-176] ходе ширина русла реки в сжатом сечении определяется по формуле:

где Ьсж - ширина русла нерестилища в сжатом сечении, м;

Qрх - рыбохозяйственный расход реки обеспеченности Р = 25 %;

т - коэффициент заложения откоса русловых дамб;

оп - коэффициент подтопления водослива, определяемый по рекомендациям П. Г. Киселёва, А. Д. Альтшуля и др. [5];

Н - глубина воды перед входом в стесненный участок русла, м.

Задавшись требуемой глубиной воды в нерестилище Н и зная по гидрографу расчетный расход, из зависимости (2) можно определить ширину сжатого сечения на входе в нерестилище.

Конструкция нерестилища позволяет без строительства перегораживающих русло реки сооружений, нарушения условий нерестовой миграции рыб сформировать участок залитой поймы для нереста фитофильных рыб, а на русловом участке создать нерестилище для литофильных рыб.

При определении параметров искусственного нерестилища выполняют проверку его водного баланса, включая определение слоя испарения с водной поверхности, объема фильтрации воды через его ложе, транспи-рации воды растениями, с учетом прогноза осадков, выпадающих на водное зеркало. В случае превышения расходных статей баланса над приходными при проектировании искусственного нерестилища необходимо предусмотреть планировку поверхности поймы путем устройства обширных углубленных участков, соединенных с водоспусками нерестилища донными канавами.

1 В современных условиях затопление пойменных нерестилищ для естественного воспроизводства фитофильных рыб в течение 30-40 суток на малых и средних реках бассейна Дона может происходить только при

Ь

сж

Выводы.

организации рыбохозяйственных попусков, величина которых достигает от 31,6 до 42,9 % их годового стока.

2 С целью затопления пойменных нерестилищ для фитофильных рыб и создания русловых нерестилищ для литофильных рыб без организации рыбохозяйственных попусков рекомендуется использование искусственного нерестилища с управляемым затоплением поймы.

Список литературы

1 Воловик, Г. С. Водные и биологические ресурсы Нижнего Дона: состояние и проблемы управления: моногр. / Г. С. Воловик, С. П. Воловик, А. Е. Косолапов. - Новочеркасск: СевКавНИИВХ, 2009. - 301 с.

2 Белик, В. П. Формирование авиафауны, ее антропогенная трансформация и вопросы охраны птиц в степной части бассейна реки Дон: автореф. дис. ... д-ра биол. наук: 11.00.11 / Белик Виктор Павлович. - М., 1998. - 80 с.

3 Дубинина, В. Г. Методические основы экологического нормирования безвозвратного изъятия речного стока и установления экологического стока (попуска) / В. Г. Дубинина. - М.: Экономика и информатика, 2001. - 120 с.

4 Козлов, В. И. Справочник рыбовода / В. И. Козлов, Л. С. Абрамович. - М.: Росагропромиздат, 1991. - 238 с.

5 Справочник по гидравлическим расчетам / П. Г. Киселёв, А. Д. Альтшуль [и др.]; под ред. П. Г. Киселёва. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1972. - 312 с.

Шкура Владимир Николаевич

Ученая степень: кандидат технических наук Ученое звание: профессор

Должность: профессор кафедры «Использование водных ресурсов, гидравлика и математика»

Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кор-тунова федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет»

Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346428 E-mail: proektgts@rambler.ru

Chkura Vladimir Nikolaevich

Degree: Candidate of Technical Sciences Title: Professor

Position: Professor of the Chair of Full use of water resources, hydraulics, mathematics Affiliation: Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University

Affiliation address: ave. Puchkinskay 111, Novocherkassk, Rostov reg., Russian Federation, 346428

E-mail: proektgts@rambler.ru

Демьяненко Алексей Владимирович

Должность: аспирант

Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кор-тунова федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет»

Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346428 E-mail: proektgts@rambler.ru

Demyanenko Alekseu Vladimirovich

Position: post graduate student

Affiliation: Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University

Affiliation address: ave. Puchkinskay 111, Novocherkassk, Rostov reg., Russian Federation, 346428

E-mail: proektgts@rambler.ru