научная статья по теме ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СТОКА Р. СЫРДАРЬИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ Геология

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СТОКА Р. СЫРДАРЬИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ»

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.

Показать целиком