Оценка влияния возможного водоотбора из озер на элементы их водного режима (на примере озер различных ландшафтов Зауралья)

Интенсивное развитие народного хозяйства в нашей стране и неравномерное распределение водных ресуроов по территории приводит к тому, что в ряде районов резко ощущается нехватка чистой воды. Все большее значение приобретают вопросы рационального использования водных ресурсов и охраны их от загрязнения. Проблемы эти находятся в центре внимания государства с первых лет существования Советской власти и находят свое выражение в документах партийных и советских органов.

В декабре 1970 года были утверждены «Основы водного законодательства Союза ССР и союзных республик», направленные на обеспечение рационального использования и охрану вод в СССР 1Ъ/. На основе этого документа в 1972 году был принят «Водный кодекс РСФСР», большое внимание в котором уделялось мероприятиям по очистке и обезвреживанию сточных вод.

Большое значение в деле природоохранного законодательства имели постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов» (1972) и «О дополнительных мерах по усилению охраны природы и улучшению использования природных ресурсов» (1978), предусматривающие, в частности, мероприятия по наблюдению и контролю за уровнем загрязнения водных объектов /40, 487• Принципы охраны водных ресурсов, наряду с другими природными богатствами, сформулированы в Конституции СССР. Решением ХХУ1 съезда КПСС впервые в основные направления развития СССР на очередное пятилетие введен самостоятельный раздел «Охрана природы» /^53/* •.

Все эти постановления указывают на пристальное внимание в нашей стране к вопросам рационального использования и охраны водных ресурсов, которые требуют ориентации научных исследований в направлении изучения качественных и количественных изменений водных ресурсов в результате хозяйственной деятельности*.

Вопросы водообеспеченности территории Урала, занимающего одно из ведущих мест в промышленном комплексе страны, привлекали внимание гидрологов еще задолго до возникновения этой проблемы в глобальном масштабе. Так, Д. Л. Соколовским [ЪЪ] были оценены ресурсы рек промышленного Урала и дана методика их расчета, а В. Д. Быковым [23] рассмотрены закономерности изменения водных ресурсов рек по территории Урала.

Проблема чистой воды для Уральского региона стоит в настоящее время довольно остро: это относится, в первую очередь, к территории Зауралья, которая в силу своих климатических особенностей находится в менее выгодном положении с точки зрения водообеспеченности, нежели территория Предура-лья.

Зауралье характеризуется неравномерным распределением водных ресурсов по территории. Большее их количество сосредоточено в малообжитых районах бассейнов рек 1^ра и Тавда на севере Свердловской области. На густонаселенные промышленные районы бассейнов рек Пышма и Исеть Свердловской области приходится лишь 5% поверхностного стока [55]. В Челябинской области потребности в воде на 2 км³ в год превышают имеющиеся водные ресурсы /30,537. Кроме того, водораздельное положение района Зауралья обусловило нахождение в его пределах, как правило, верховьев рек, расходы которых в большинстве случаев не превышают 1−3 м3/сек [II]. Все это приводит к тому, что обеспеченность поверхностными водами терри-^ тории низкая и составляет в год на одного жителя 2,2 тыс. м3, тогда как в РСФСР этот показатель равен 33,8 тыс. м3, а в целом по СССР — 20,8 тыс. м3 [и] .

Большая концентрация населения в городах Урала и высокий уровень развития промышленности в них требуют значительно большее количество воды. Целый ряд промышленных районов рассматриваемой территории характеризуется дефицитом водохозяйственного баланса. Это ведет к изъятию для удовлетворения в воде запросов народного хозяйства лимитирующих величин стока рек, вследствие чего санитарное состояние водоемов ухудшается [и] • Количество городов, испытывающих недостаток в водных ресурсах с учетом требований на разбавление сточных вод, достигает в Свердловской области 25. Промышленные «узлы, расположенные в районах Челябинска, Магнитогорска, Юж-но-Уральска, Троицка и других городов Челябинской области также испытывают дефицит водохозяйственного баланса^/зр/7. На западном склоне Урала и в Предуралье густота речной сети несколько выше, однако рост промышленности ведет и здесь к нехватке водных ресурсов и ухудшению санитарного состояния водоемов [12.] .

В создавшихся условиях, для повышения водообеспеченности района необходимо регулирование поверхностного стока путем создания водохранилищ на реках района, а для предотвращения загрязнения поверхностных вод стоками промышленности и коммунального бытового хозяйства — использование замкнутых систем водоснабжения с безотходной технологией /II, 55] •.

Вследствие неудовлетворительного состояния в водообес-печенности района возникает необходимость изыскания дополнительных мер по удовлетворению нужд народного хозяйства в чистой воде. Одним из возможных вариантов покрытия дефицитов в водопотреблении может быть изъятие необходимого количества воды из озер, на что в последнее время обращается значительное внимание Д1, 37/. По данным Л. Е. Черняевой и др. в Среднем и Южном Зауралье насчитывается около 14,5 тыс. озер, имеющих площадь водного зеркала больше р

0,05 км. Использование озер в народном хозяйстве ограничивается их малыми размерами (99 $ озер относится к категории малых и средних, размеры водного зеркала которых не превы-р шают 10 км), а также неудовлетворительным во многих случаях качеством воды в озерах, возникающем вследствие их бес-сточности на территории зоны недостаточного увлажнения и загрязненности вод в озерах, расположенных вблизи развитых промышленных районов (Первое, Смолино, Шелюгино, Б. Нанога, Тайги, Амбаш и др.) /7/.

Вследствие этого озерам может быть отведена лишь у вспомогательная роль в повышении водообеспеченности района. Принципиальная возможность использования водных ресурсов озер основана на различной зарегулированности рек и озер. Так, если коэффициент естественной зарегулированности рек не превышает 0,60 в малонаселенных районах предгорий и 0,45 на равнинной территории Зауралья, где уровень использования водных ресурсов очень высок, то найденный по аналогии с реками коэффициент естественной зарегулированности озер, определенный как отношение доли объема воды в озере ниже среднемноголет-него уровня к общему среднемноголетнему объему, не опускается ниже 0,60 на территории засушливого Южного Зауралья и 0,75−0,80 на восточном склоне Урала.

Таким образом, существуют теоретические предпосылки к использованию водных ресурсов некоторых озер Урала для удовлетворения местных нужд народного хозяйства в воде.

Учитывая тот факт, что озера являются неотъемлемой частью природной среды, а следовательно, нуждаются в охране, изъятие воды из озер для улучшения водоснабжения населения необходимо осуществлять с учетом возможных изменений в экологической структуре водоема, и на основе изучения закономерностей изменения наиболее важных ее компонентов установить критерии предельного водоотбора из озер без нанесения существенного ущерба их экосистемам.

Под экосистемами понимается взаимодействующее функцио-V нирование биотических и абиотических сообществ, способное осуществлять круговорот веществ /62, 71, 92, 97/.

Каждое озеро представляет собой экосистему с абиотическим компонентом — водой и биотическим — населяющими водоем организмами. Взаимодействие этих компонентов определяется взаимным влиянием свойств воды (температура, прозрачность, содержание химических элементов и растворенных газов и т. д.) и находящихся в воде живых организмов (планктон, нектон, бентос, макрофиты). В свою очередь, перечисленные выше свойства воды зависят от внешних факторов, определяемых как гидрологические условия водосбора и водоема.

Основными компонентами озерной экосистемы следует назвать /62/:

1) биологические сообщества: планктон, бентос, макрофиты, нектон;

2) гидрохимические компоненты: газовый режим и режим растворенных элементов, органические вещества, реакция рН и др.;

3) физико-географические элементы: строение и форма котловины водоема, гидрологический режим, сток и т. д.

Так как озеро является частью окружающего ландшафта, формирование его экосистемы происходит под влиянием процессов, происходящих на его водосборе. Климатические факторы, геологическое строение оказывают влияние на формирование озерной экосистемы как непосредственно, так и через влияние на водный баланс и водообмен. Происходящие на водосборе антропогенные изменения могут нарушать ход естественного развития экологической системы озера /62/.

Изъятие воды из озера следует рассматривать как антро.

V, погенный фактор, нарушающий экологическое равновесие в нем. Наиболее существенные изменения произойдут в гидрологическом режиме озера, в минерализации воды и ее химическом сос-•> таве, в строении экологических сообществ.

Следствием нарушений экологической системы может стать подрыв рыбопродуктивности, рекреационной ценности водного объекта, уменьшение его самоочищающей способности и т. п.

Применительно к различным видам использования воды рассматривается ее качество, которое в каждом конкретном случае должно отвечать определенным требованиям.

В настоящее время в странах — членах СЭВ сформулированы основные положения для создания единой системы критериев оценки качественного состояния водных объектов, в которой эти критерии подразделяются на три класса: экологические, экономические и социально-политические. При оценке экологического благополучия водных объектов воды разделены на 5 классов качества: очень чистые, чистые, незначительно загрязненные, загрязненные, сильно загрязненные, грязные. Каждый класс качества воды характеризуется своими показателями состояния воды /53/.

Действующие в СССР с 1975 года «Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» /78/ нормируют показатели качества вод, используемых для хозяйственно питьево-У го водоснабжения и в рыбохозяйственных целях.

В естественном состоянии в водоемах образуется экологическое равновесие и качество их вод, как правило, хорошее /27/. Происходит это за счет способности водоема очищаться от V попадающих в него загрязнений — самоочищения. Самоочищение представляет собой комплекс гидродинамических, биохимических, химических и физических процессов, приводящих к снижению количества загрязняющих веществ в воде за счет разбавления, утилизации биологическими сообществами веществ, поступающих извне /30, 41/.

Для решения вопроса о максимально возможном отборе воды из озер, необходимо выработать критерии, которые учитывали бы те изменения, которые произойдут в водоеме при уменьшении объема воды в нем. Для этого необходимо найти конкретное выражение для оценочных критериев, которые учитывали бы условия Уральского региона. В общей структуре эколого-экономических критериев, выработанных во ШИИВО /727″ выделяются экологические критерии, учитывающие благополучие водного объекта как системы (функционирование ее, исключающее евтрофирование, способность системы сохранять во времени механизм формирования качественного состояния вод) и критерии качества воды как природного ресурса, учитывающие пригодность воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, рыбного хозяйства, рекреационного использования водного объекта и другие.

Выбор критериев должен основываться на установленных зависимостях между объемом отбираемой воды и различными элементами водного режима озера: уровнем его зеркала, минерализацией ь и гидрохимическим составом, общим поступлением биогенных элементов в озеро и уровнем его трофности.

Целью работы является исследование возможных изменений в режиме озер при водоотборах из них. Для реализации ее в работе решены следующие задачи:

1. Выявлены закономерности изменения морфометрических, режимных характеристик и водного баланса озер по территории и во времени в естественных условиях и определены связи элементов режима с морфометрическими особенностями озер;

2. Выявлены закономерности изменения морфометрических.

V характеристик озер, их гидрохимического режима и трофического типа при заданных величинах водоотбора из них;

3. По характеру воздействия водоотбора из озер на их ре-^жим выделены озерные районы и проведена увязка их с существующими схемами лимнологического районирования;

4. Ориентировочно оценены возможности использования допустимых объемов водоотбора из озер для сельскохозяйственного водоснабжения.

Для проведения исследований использованы материалы наблюдений на озерах Зауралья, опубликованные в гидрологичесv ких справочниках, а также фондовые материалы Уральского УГКС. Вычисление гидрологических характеристик проводилось по общепринятым методикамслучаи применения оригинальной методики специально оговорены в соответст^гющих разделах работы.

Выводы по главе 1У.

I. Водоотбор из озер, уменьшая площадь их водного зеркала и потери на испарение, приводит к некоторому уменьшению минерализации озерной воды. Для озер восточного склона Урала изменение минерализации озерной воды в большинстве случаев несущественно и не превышает 10 $ от ее среднемноголетней величины. Только у озер с удельным водосбором больше 25 (оз.Тайги — 27,5- оз.Б.Акуля — 31,6) изменения минерализации воды составляют 1540 $.

Уменьшение минерализации воды озер Южного Зауралья составляет 20−35 $ от ее среднемноголетнего значения.

2. Связь содержания отдельных ионов в воде озер от ее минерализации выражается уравнением регрессии вида и = #Х + осноЕании этого уравнения построены соответствующие графические зависимости.

3. Смена гидрохимического состава озер при водоотборе может произойти у озер Южного Зауралья, имеющих минерализацию воды не более 1,5 г/л и озер восточного склона Урала с удельным водосбором более 25 и минерализацией воды, не превышающей 300 мг/л. При минерализации воды выше 1,5 г/л воды являются хлоридными, ниже — гидрокарбонатнымивыше 300 мг/л — гидро-карбонатно-натриевыми, ниже — гидрокарбонатно-кальциевыми.

4. Большая часть озер восточного склона Урала относится к мезотрофному и олиготрофному типу, что является следствием значительных их глубин и малых величин удельного водосбора. При водоотборе вероятно евтрофирование озер Б. Кисегач, Б. Акуля, Тайги и Чебаркуль, которые отличаются большими по сравнению с другими озерами величинами удельного водосбора и малыми коэффициентами условного водообмена, в результате чего увеличение фосфорной нагрузки на озеро в результате уменьшения площади водного зеркала и средней глубины озера при водоотборе не компенсируется увеличением внешнего водообмена.

5. Количество воды, которое можно отбирать из озер, не подвергая их опасности евтрофирования, составляет от 0,9 млн. м3 (оз.Тайги) до 12 млн. м3 (оз.Б.Акуля). Этого количества воды достаточно, например, для хозяйственно-питьевого водоснабжения 8, где X — суммарная рассчитываемого иона, # и да ¿-у = & X + содержание регрессии. На от II до 136 тыс. человек сельского населения или для орошения от 376 до 4840 тыс. га зерновых культур, производства от 38 до 484 т мяса и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время Зауралье испытывает недостаток в чистой воде вследствие малой водообеспеченности территории. Основными мерами исправления этого положения является регулирование поверхностного стока и создание замкнутых систем водоснабжения в промышленности.

Дополнительными мерами повышения водообеспеченности народного хозяйства и населения Зауралья может стать использование водных ресурсов озер, которых насчитывается здесь около 14,5 тысяч.

Изъятие определенного количества воды из озера повлечет за собой ряд изменений в его режиме, касающихся различных сторон функционирования его экосистемы.

Для оценки возможного изъятия воды из озер без нанесения ущерба их экосистемам необходимо выявить основные направления изменений режима озер в связи с водоотбором из них.

Для решения этой задачи первоначально определялись закономерности формирования водного режима озер в естественных условиях. В ходе проведенных исследований выявлено, что:

I. Водный режим озер Зауралья формируется под влиянием совокупного действия климатических факторов и морфометрических особенностей озер. Изменение климатических факторов происходит под влиянием широтной зональности и вертикальной поясности, в результате чего количество осадков возрастает с юга на север рассматриваемой территории и от ее равнинной части к горной в среднем на 200 мм, среднегодовая температура воздуха изменяется в этих направлениях на 2,0 и 0,5°С соответственно.

Особенности морфометрии озерных котловин отражаются в изменении их формы от параболоидной (? = = 0,4т0,6) в rYHt* горных районах к эллипсоидным (Ся 0, 7*0,3) на равнине, в Южном Зауралье. Выявленная связь*морфометрических показателей: площади водного зеркала () и объема водной массы (Л>з), выражающаяся уравнением меняется по территории: показатель степени п возрастает при переходе от равнинных озер к горным от I, Ю до 2,0.

2. Термический и ледовый режимы озер зависят от их средней глубины и положения в горной или равнинной частях Зауралья.

Разница ежемесячных температур поверхности воды за без-ледный период озер со средними глубинами I м и 19 м составляет 2−6°С, а средних за периоды нагревания и охлаждения — 3 * 3,5°С.

Вид зависимости между температурой воды и температурой воздуха меняется при переходе от горной к равнинной частям Зауралья.

Сроки установления ледостава на озерах зависят от их глубины и положения. При увеличении средней глубины равнинных озер от I до 3,5 м, сроки установления ледостава на них отодвигаются от 22 октября до 9 ноябряу озер восточного склона Урала увеличение средней глубины от 3 до 19 м отодвигает сроки установления ледостава от 3 до 6 ноября.

3. Изменение среднемноголетних величин минерализации воды в озерах в связи с колебаниями уровня воды в них четко выражено у озер Южного Зауралья: повышение уровня в этих озерах на 0,7−1,0 м приводит к уменьшению минерализации воды на 6 001 200 мг/л. У озер восточного склона Урала зависимость эта выражается не четко.

4. Формирование структуры водного баланса озер происходит под влиянием зональных (климатические особенности территории) и азональных (высота озера над уровнем моря, удельный водосбор озера) факторов. Соотношение элементов водного баланса озер меняется в направлении с севера на юг и от горных районов к равнинным: доля стока в расходной части баланса озер в этих направлениях меняется от 54 до 0 $ соответственно, доля осадков в приходной части баланса увеличивается от 52 до 90 $. Выявленные зависимости доли осадков и испарения в водном балансе озер от их удельного водосбора имеют разный характер для глубоких горных озер, для озер восточного склона Урала и для озер Южного Зауралья, что выражается в наличии трех ветвей при их графическом изображении. Озера Южного Зауралья становятся бессточными при величине удельного водосбора, меньшей 20, озера восточного склона Урала — при удельном водосборе, меньшем 4.

5. Внешний водообмен озер зависит от их удельного водосбора, средней глубины и положения озера в горной или равнинной частях Зауралья. У равнинных озер увеличение водообмена при возрастании удельного водосбора озер (а ]) происходит менее интенсивно, чем у горных. Так, при увеличении удельного водосбора от 5 до 20, у озер Южного Зауралья водообмен возрастает на 45−60 $, у озер верхнего течения рек Миасс и Теча.

— на 60−100 $, У глубоких горных озер — на 100−130 $.

Вследствие того, что средняя глубина во многом определяет режим озер и меняется по территории Зауралья закономерно: уменьшается от горных районов к равнинным от 15−19 м до.

1−2 м, она была использована для увязывания величины водоот-бора из озера и уровня его сработки.

6. Уменьшение средней глубины озер при водоотборе из них происходит в соответствии с распределением по территории величины видимого испарения (в- - X)> меняющегося от 0−50 мм на восточном склоне Урала до 300 мм в Южном Зауралье, и характером связей и /<?з =? (Н), зависящих от формы озерной котловины. Б связи с этим, по закономерности уменьшения средней глубины в озерах при увеличении водоот-бора из них на рассматриваемой территории было выделено четыре района, два из которых находятся на восточном склоне Урала, два — в Южном Зауралье. Наиболее интенсивное уменьшение средних глубин при водоотборе из озер наблюдается у глубоких горных озерпо мере увеличения сухости климата и перехода озерной котловины к эллипсоидной форме, кривые ^ (д/^т /У*} °/о) становятся все более пологими. Это обусловлено бо’лыпим превышением слоя испарения над осадками на территории Южного Зауралья, чем на еосточном склоне Урала. Величина предельного ежегодного водоотбора (л), найденная из условия полного высыхания озера, составляет от 1,6 $ среднего многолетнего объема воды озера для озер верхнего течения рек Миасс и Теча до 16,3 $ у озер левобережья реки Уй.

Абсолютная величина водоотбора (ДУ^т + У<�±т) больше у озер восточного склона Урала.

Для каждого района, за исключением глубоких горных озер, построены осредненные кривые уменьшения средней глубины озер и объема воды в них при увеличении водоотбора.

7. Изменения в гидрохимическом режиме озер при водоотборе будут состоять в уменьшении минерализации воды вследствие большего сокращения потерь на испарение при уменьшении площади водного зеркала, чем осадков. В Южном Зауралье, где превышение испарения над осадками составляет 270−300 мм, минерализация озерных вод уменьшается на 20−35 $ по сравнению с ее среднемноголетней величинойу большинства озер восточного склона Урала уменьшение минерализации воды не превысит лишь при удельном водосборе, большем 25, изменения ее составят 15−4096 от среднемноголетней величины.

8. В соответствии с выявленными зависимостями содержания отдельных ионов в озерных водах от их минерализации, у озер восточного склона Урала с удельными водосборами больше 25 и минерализацией вод, не превышающей 300 мг/л, воды могут перейти от гидрокарбонатно-натриевых к гидрокарбонатно-кальциевым, а у озер Южного Зауралья с минерализацией воды не более 1,5 г/л — от хло-ридного класса к гидрокарбонатному.

9. Большая часть озер восточного склона Урала в естественном состоянии являются олиготрофными и мезотрофными и при водо-отборе сохраняют свой трофический тип. Озера с удельным водосбором больше 25 и внешним водообменом меньше 0,040 при водоотборе могут стать евтрофными.

10. Количество воды, которое можно ежегодно отбирать из озер, подверженных опасности евтрофирования, при условии сохранения их трофического типа составляет от 0,8 /оз.Аргаяш/ до.

12 /оз.Б.Акуля/ млн м3. Этого количества достаточно, например, для хозяйственно-питьевого водоснабжения от 4 до 136 тыс. человек сельского населения, для орошения от 336 до 4840 тыс. га зерновых культур.

Дальнейшие исследования следует проводить на основании привлечения большего количества материалов наблюдений на озерах, расположенных в различных частях Зауралья, в направлении выявления закономерностей изменения элементов морфологии и режима озер по территории Урала в связи с географической зональностью и высотным положением, азональными факторами и хозяйственной деятельностью. При определении возможного водоотбора из озер следует учитывать изменение элементов их водного баланса в соответствии с многолетними колебаниями увлажненности.