ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 4, с. 389-402
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.18
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СТОКА
____V 1
Р. СЫРДАРЬИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ1
© 2007 г. Г. X. Исмайылов*, В. М. Федоров*, С. Д. Садати Нежад**
*Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 **Московский государственный университет природообустройства 127550 Москва, ул. Прянишникова, 19 Поступила в редакцию 01.06.2005 г.
Рассмотрено построение имитационной модели водно-солевого баланса для бассейнов рек с преимущественным развитием орошаемого земледелия. Приводятся результаты имитационного эксперимента по оценке возможных антропогенных изменений стока р. Сырдарьи для некоторых сценариев реализации комплекса ресурсосберегающих и средозащитных мероприятий.
ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В конце XX столетия в наиболее обжитых районах Земли существенно обострились водные проблемы в связи со значительным ростом масштабов антропогенного влияния на условия формирования, режим и качество водных ресурсов и, прежде всего, речного стока.
В настоящее время большинство речных бассейнов в той или иной степени подвержено влиянию хозяйственной деятельности человека. При этом изменения стока происходят как из-за непосредственного воздействия на него, так и вследствие изменения условий его формирования в результате воздействия на физико-географические условия речного бассейна (рельеф, почвы, растительность и др.).
Оценка антропогенного воздействия на водные ресурсы наиболее актуальна для регионов и речных бассейнов с развитым орошаемым земледелием, где уже сейчас имеет место дефицит водных ресурсов. Многочисленные исследования [4-6, 13—16], проведенные с целью анализа влияния хозяйственной деятельности и орошаемого земледелия на водные ресурсы и водный баланс основных речных бассейнов аридной зоны показали, что орошение приводит к коренному изменению соотношения составляющих теплового, водного и солевого балансов как в пределах орошаемых массивов и на прилегающих к ним землях, так и водных объектов (рек, озер, водохранилищ).
Эти изменения прежде всего связаны с усилением влагообмена между почвой и грунтовыми водами при поступлении значительных объемов
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 04-05-64048).
воды на орошаемые земли и фильтрационных потерь из каналов оросительной сети. В результате этого дополнительное инфильтрационное питание грунтовых вод в сотни раз превышает его естественный уровень. В приходной части водного баланса (ВБ) орошаемой территории основной составляющей становится поливная вода (60-70% суммарного поступления воды в балансовый контур), в расходной части (при отсутствии дренажа) -испарение (70-90%). Такая структура ВБ недостаточно дренированных орошаемых земель предопределяет, с одной стороны, неизбежность подъема уровня грунтовых вод, а с другой - аккумуляцию солей в верхних слоях почвы. Это приводит к полной деградации орошаемых земель в результате их переувлажнения и засоления, которая наблюдается во всех районах древнего орошения - бассейнах рек Тигра и Ефрата, Нила, Ганга, Хуанхе, Сырдарьи, Амударьи и др. Подъем уровня грунтовых вод и вторичное засоление почв, заиление магистральных и особенно распределительных каналов, эрозия на поливных землях - это спутники орошаемого земледелия, которые и вызывают катастрофические последствия при примитивной технике и технологии орошения, низких коэффициентах полезного действия (КПД) оросительных каналов различного порядка, отсутствии дренажа [9, 12, 14].
Водный и солевой баланс орошаемых земель при наличии систематического дренажа, служащего для отвода излишка воды и солей, претерпевает изменения в связи с появлением в его расходной части дренажного стока и снижением (до 40-70%) доли испарения. При этом роль дренажа (горизонтального и вертикального) заключается в поддержании уровня грунтовых вод в пределах орошаемых массивов на отметках не менее 2.5-3.0 м от поверхности земли. Но и наличие дренажа не по-
могает ликвидировать в целом неблагоприятное эколого-мелиоративное состояние значительной части орошаемых земель аридной зоны. Этому способствует, с одной стороны, резкое увеличение геохимических потоков за счет растворения и включения в общий круговорот воды огромной массы водно-растворимых солей, накопленных веками в отложениях зоны аэрации, а с другой -создание гидроморфного режима на орошаемых землях. Одновременно основная масса солей (65-80%) выносится за пределы орошаемых земель с дренажным стоком, загрязняя водотоки.
Все эти проблемы должны быть проанализированы при оценке влияния орошаемого земледелия на окружающую среду. Набор информационных технологий и методик такого рода анализа в настоящее время ограничен, поэтому крайне необходимо создание соответствующего инструментария оценки и прогноза прежде всего влияния орошения на речной сток. Создание такого инструментария на основе объединения традиционных методов гидрологии орошаемых земель и возможностей современных вычислительных средств и составляет суть данной работы.
Анализ исследований по проблеме изменения стока, его режима и минерализации под влиянием хозяйственной деятельности человека [4, 5, 13, 15, 16] позволяет выделить три группы методов, используемых для оценки влияния хозяйственной деятельности на водные объекты и ресурсы: статистические методы анализа временных рядов речного стока и хозяйственных факторов, его определяющих (площадь орошения, водозабор, водоотведение и др.); воднобалансовые методы, основанные на оценке изменения составляющих ВБ под влиянием антропогенных факторов; физико-математическое моделирование с использованием уравнений влаго-солепереноса.
Статистические методы позволяют оценивать изменение стока под влиянием всего комплекса антропогенных факторов (или одного из них, если он является ведущим) по имеющимся многолетним данным по стоку в различных створах основной реки и ее главных притоков. При этом, по возможности, в первую очередь необходимо иметь их для створов, замыкающих зону формирования и зону использования (рассеивания) стока. Наряду с данными по стоку привлекаются и многолетние данные по хозяйственному использованию поверхностных и подземных вод (площадь орошаемых земель, суммарный водозабор из русел рек, водоотведение и др.) Таким образом, в качестве исходных при статистическом анализе выступают временные ряды годового (сезонного, месячного) стока реки в характерных створах и сопряженные с ними данные по хозяйственному использованию стока рек.
На разных этапах развития орошаемого земледелия меняется соотношение орошаемых и дренируемых площадей, степень их водообеспе-ченности и дренированности, КПД оросительных систем и земельного использования, приемы агротехники и др. на фоне изменения условий естественного увлажнения территории (атмосферные осадки, влажность, температура воздуха и др.). Учесть это многообразие факторов возможно методом множественной регрессии. Полученные уравнения регрессии можно использовать как для оценки изменений стока, уже произошедших под влиянием хозяйственной деятельности, так и для их перспективной оценки. В большинстве случаев систематические сведения об антропогенных факторах стока ограничиваются данными о водозаборе и размерах орошаемой площади. Влияние этих факторов на сток неоднозначно, так как затраты стока, связанные с увеличением испарения с орошаемой площади, в некоторые периоды полностью компенсируются возвратными водами с орошаемых массивов и сток в замыкающем створе не уменьшается. Поэтому коэффициенты полученных уравнений регрессии со временем могут измениться. Перспективная оценка изменения стока и минерализации речных вод в этом случае становится недостоверной.
В этих условиях более строгими являются методы, в основе которых лежит анализ уравнения ВБ речного бассейна, позволяющий вскрыть генетическую сущность процессов, происходящих в бассейне под влиянием комплекса хозяйственных мероприятий, связанных с использованием водных ресурсов. По изменению составляющих ВБ территории можно судить о величине и структуре затрат стока и его изменении как в современных условиях, так и в перспективе. Водный и солевой балансы территории (русла реки) будучи в целом простыми, в деталях чрезвычайно сложны. Это связано с тем, что пути перемещения потоков воды многочисленны и не постоянны, а их временной масштаб меняется от секунд до нескольких лет. Кроме того, для больших территорий из-за неравномерного распределения по площади и во времени составляющих ВБ и определяющих их природно-хозяйственных факторов возникает проблема замены переменных по площади величин их осредненными по пространству и времени значениями. Балансовые методы оценки антропогенного воздействия на водные ресурсы основаны на совместном рассмотрении уравнений водного и солевого балансов территории (русла реки ) в двух состояниях - естественном и антропогенно измененном. Применительно к оценке влияния орошения на водные ресурсы рассматриваются уравнения ВБ территории до и при орошении [3, 10, 16].
Проведенный применительно к бассейну р. Сыр-дарьи анализ [5, 6] закономерностей динамики со-
ставляющих его ВБ показывает, что существующие методы оценки влияния хозяйственной деятельности в целом и орошения в частности на сток позволяют сделать это вполне объективно. Однако простая экстраполяция выявленных тенденций в их динамике на перспективу может привести к существенным просчетам, поскольку условия использования водных ресурсов могут отличаться от условий предшествующего периода. В этом случае большое значение приобретают воднобалансовые методы и, в частности, разработка имитационных моделей формирования ВБ орошаемой территории.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Воднобалансовые расчеты могут выполняться разными способами, выбор которых зависит от поставленной цели. Но во всех случаях требуется учет естественных и антропогенных условий формирования приходных и расходных элементов баланса территории и русла реки в ее пределах и их взаимосвязи. Хозяйственная деятельность в основном касается
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.