Методы учета антропогенного воздействия на речной сток

Надежная количественная оценка и прогноз влияния хозяйственной деятельности на сток рек представляет собой очень сложную задачу. Это связано с тем, что на водосборах одновременно действует множество факторов хозяйственной деятельности, нередко изменяющих сток в противоположных направлениях. Кроме того, антропогенные изменения, имеющие однонаправленный характер, накладываются на естественные колебания стока, амплитуда которых нередко превышает искусственные изменения. Далеко не всегда ведется учет водозаборов на различные хозяйственные нужды и сбросов использованных вод, а сведения, характеризующие время, масштабы и интенсивность проведения в пределах водосборов хозяйственных мероприятий, либо недостаточно полны, либо отсутствуют.

Для количественной оценки и прогноза антропогенных изменений речного стока применяются различные расчетные методы. При этом в первую очередь оцениваются происшедшие изменения стока, а затем прогнозируются будущие изменения с учетом планов и тенденций развития хозяйственной деятельности при разных климатических ситуациях.

Методы, применяемые для исследовательских целей и в гидрологической практике для оценки и прогноза антропогенных изменений речного стока, могут быть объединены в следующие группы:

• • статистические методы, основанные на исследованиях многолетних колебаний изучаемых характеристик стока с учетом развития различных видов хозяйственной деятельности;
• • воднобалансовые методы, предусматривающие раздельный учет водозаборов и сбросов и оценки изменений испарения, притока подземных и поверхностных вод на участках бассейна или русла, где непосредственно происходят эти изменения;
• • методы математического моделирования;
• • методы физического моделирования;
• • методы активного эксперимента.

Перечисленные методы подробно изложены в работах И. А. Шикломанова [28−30, 33] и в соответствующих методических указаниях по оценке влияния хозяйственной деятельности на сток рек [20].

Статистические методы оценки антропогенного воздействия базируются на использовании материалов стандартных гидрометеорологических наблюдений за многолетний период, в течение которого можно выделить промежутки времени естественного и нарушенного режима стока. Основная идея метода состоит в восстановлении естественных характеристик гидрологического режима и в сравнении их с наблюденными (бытовыми) значениями. Это позволяет выделить суммарное изменение стока в целом для всего водосбора. При наличии достаточной исходной информации с помощью статистических методов обычно осуществляется восстановление годового и сезонного стока и дается оценка его изменений под влиянием целого комплекса факторов хозяйственной деятельности на водосборе. Оценка антропогенного воздействия производится в следующей последовательности: определяется зависимость стока от основных стокоформирующих факторов за естественный (условно-естественный) период; восстанавливается по найденной зависимости величина естественного стока за период нарушенного водного режима; оценивается его изменение под влиянием хозяйственной деятельности по разности наблюденного и восстановленного стока; оценивается степень надежности и достоверности оценок полученных антропогенных изменений стока.

В случае наличия одного исходного ряда наблюдений за стоком собираются и анализируются данные о сроках и масштабах проведения в бассейне мероприятий, которые могли сказаться на режиме стока реки (ввод в действие водохранилищ и крупных водозаборов, расширение орошаемых массивов и т. д.). В ряде случаев такой анализ позволяет установить начало возможных антропогенных изменений характеристик гидрологического режима. Иногда начало антропогенных изменений приближенно оценивают графическим способом — путем построения интегральной кривой вида.

где  — нарастающая сумма величин стока от начала наблюдений. Резкое изменение угла наклона графика зависимости (1.1) характеризует начало возможных антропогенных изменений. На рис. 1.1 приведен график фактических и условно-естественных расходов воды р. Кубани у хутора Тиховского (устьевая область реки), зависимость вида (1.1) для годового стока р. Кубани за период наблюдений 1911;2000 гг. (исходные данные любезно предоставлены Д. В. Магрицким). Начиная с 50-х годов двадцатого столетия, в низовьях реки были введены в действие крупные оросительные каналы и коллекторы с целью обводнения лиманов. На графике (рис. 1.1) хорошо заметен момент начала антропогенного воздействия на сток рек. Среднее изменение стока за период нарушенного режима составляет.

где U_x — объем суммарного уменьшения стока в результате хозяйственной деятельности, N — число лет с нарушенным режимом.

Момент нарушения может быть также определен по интегральному графику связи.

где  — последовательная сумма годового (сезонного) стока в замыкающем створе за п лет реки, режим которой с некоторого момента искажен влиянием хозяйственной деятельности;  — последовательная сумма годового (сезонного) стока реки-аналога, режим которой не искажен влиянием хозяйственной деятельности за весь период наблюдений. В качестве может быть взят один из стокообразующих факторов (например, годовые осадки).

Рис. 1.1. Изменение среднегодовых расходов воды р. Кубань у хутора Тиховского (а): 1 — фактические (измеренные) среднегодовые расходы воды О• • 2 — условно-естественные расходы воды Qecm • 3 «величина суммарного изменения стока воды Кубани у хутора Тиховского вследствие хозяйственной деятельности (Qecm-Q.

Годы сооружения: А — Невинномысского канала, Б — Большого Ставропольского канала; В — Краснодарского водохранилища. Зависимость = f (t) для р. Кубань у хутора Ти

ховского за 1911;2000 гг. (б)

С целью обнаружения влияния хозяйственной деятельности можно использовать метод линейного тренда, метод гидрологической аналогии, статистические зависимости стока от метеорологических факторов. Нарушение гидрологического режима по графикам связи или по различным зависимостям подтверждается статистическими приемами анализа с использованием критериев однородности гидрологических рядов. Они подробно изложены в работах А. В. Христофорова [26] и В. М. Евстигнеева [13].

Воднобалансовые методы основаны на учете непосредственных водозаборов и сбросов и на изучении процессов, которые происходят на участках водосборов или русел рек (на орошаемых и осушаемых землях, урбанизированных территориях и т. п.). Они дают возможность выявить физическую сущность процессов, происходящих на водосборе, оценить роль каждого вида хозяйственной деятельности. При этом, однако, необходимо иметь данные наблюдений за стоком, осадками и испарением и надежные материалы учета водопотребления и водоотведения. Трудности возникают и при переносе данных и результатов, полученных на стоковых площадках, орошаемых и осушенных массивах, на крупные речные водосборы.

Применение методов математического моделирования к оценке влияния хозяйственной деятельности на гидрологический режим предполагает детальное изучение процесса формирования стока, составление уравнений, описывающих изменение во времени и пространстве элементов водного баланса и гидрологического режима; подбор коэффициентов и параметров модели (калибровка); проведение численных экспериментов. Методы математического моделирования дают возможность рассчитывать и прогнозировать гидрологический режим и водный баланс в будущем при осуществлении тех или иных вариантов хозяйственного освоения территории. Возможность использования математических моделей зависит от надежности исходных данных, правильности определения необходимых параметров.

Методы физического моделирования применимы при наличии специальных гидравлических или русловых лабораторий. Создание физической модели водного объекта требует тщательного изучения исследуемого процесса, всесторонних измерений, правильного выбора масштабных коэффициентов, дорогостоящего оборудования. Методы физического моделирования могут быть использованы, например, при изучении последствий выправления русла, карьерных работ, строительства дамб, мостов, водозаборов и сбросов.

Основная идея метода активного эксперимента состоит в том, что на водосборе, имеющем длинный и надежный ряд наблюдений за гидрологическим режимом, производится, например, вырубка леса, влияние которой на режим и водный баланс предполагается выяснить. После вырубки леса в течение ряда лет на этом водосборе проводят наблюдения за всеми элементами водного баланса.