2.2 Интегральная оценка оптимального функционирования малых рек в бассейне реки Урал 

Малые реки, являясь первичными звеньями крупных гидрографических сетей, выполняют в пределах степных ландшафтов важную системообразующую функцию, объединяя смежные природные геосистемы. В результате, формируются ландшафтно-гидрологические комплексы, которые характеризуются практически однородными условиями формирования речного стока, что позволяет усреднять их количественные характеристики в ходе различных интегральных оценок. Также необходимо отметить, что малые реки, формируя гидрологическую основу территории, регулируют водный режим степного ландшафта [150] и соответственно, трансформация естественных условий на водосборах малых рек приведет к структурно-функциональным изменениям в окружающем ландшафте.

В итоге, становится очевидным, что геосистемы малых рек могут служить универсальными природными единицами для интегральной оценки оптимального состояния степных ландшафтов в условиях современного природопользования. Кроме того, с учетом структурно-функциональной и динамической специфики, природные комплексы малых рек могут стать своеобразными индикаторами геоэкологического состояния степных геосистем. Как отмечалось, выше индикаторное значение данных природных объектов определяется их высокой чувствительностью к изменениям местных физико-географических условий.

Для интегральной оценки оптимального функционирования малых рек в пределах бассейна р. Урал были выбраны ключевые водотоки с различными эколого-гидрологическими и пространственными характеристиками, а также с наличием многолетних рядов гидрологических наблюдений (табл. 2.2.1, рис. 2.2.1).

Согласно существующим представлениям об особенностях функционирования рек местного стока, ключевым условием для их оптимального функционирования является обеспечение стабильного водного режима. В связи с незначительной долей подземного питания в суммарном стоке малых рек степной зоны, основными критериями для интегральной оценки оптимального функционального состояния будут физико-географические условия, определяющие пространственно-временную специфику поверхностного стока.

Из многообразия гидрографических характеристик, определяющихся как совокупность морфометрических и морфологических показателей, нами для интегральной оценки были выбраны – площадь и средняя высота водосбора, модуль стока, средний уклон, густота речной сети. Также, кроме физико-географических характеристик, в условиях значительной антропогенной трансформации условий стокоформирования в степной зоне, целесообразно учитывать и социально-экономические характеристики, в частности показатели распаханности и плотности сельского населения в пределах водосборных территорий малых рек.

Площадь (действующая) водосбора относится к группе показателей, определяющих иерархический статус речной системы и показатели водности (рис. 2.2.2). Именно размеры водосборной площади определяют однородность условий формирования речного стока, что для малых рек является одним из ключевых аспектов оптимального функционирования. Согласно большинству классификаций, к категории малых рек в пределах равнинных ландшафтов относят водотоки, с площадью водосбора менее 2000 км2.

Рисунок 2.2.1. Схема расположения бассейнов малых рек в бассейне р. Урал:

1 – Миндяк; 2 – Малый Кизил; 3 – Худолаз; 4 – Гумбейка; 5 – Джуса; 6 – Урман-Зилаир; 7 – Касмарка; 8 – Губерля; 9 – Бердянка; 10 – Черная; 11 – Кинделя.

Таблица 2.2.1 Основные гидрографические характеристики ключевых водотоков бассейна р. Урал

В тоже время, понятие «малые реки» часто применяется ко всем рекам местного значения, т.е. отражающих влияние местных физико-географических факторов в пределах крупного региона [151]. Ряд авторов относят размер водосборной площади к наиболее значимым факторам подстилающей поверхности, определяющим показатели модуля стока и соответственно гидрологический потенциал территории. Так, например, с уменьшением площади водосбора возрастает расчлененность рельефа и густота гидрографической сети, увеличивается снегонакопление и количество жидких осадков [152].

Модуль стока – данный показатель характеризует среднее количество воды, стекающее с единицы водосборной площади. Для интегральной оценки оптимального состояния водосборов малых рек использование осредненного показателя водности соответствует целям исследования, поскольку он является индикатором пространственно-временных изменений условий формирования стока. В пределах средних и крупных речных бассейнов (более 3000 км2) модуль стока изменяется согласно зональному принципу, для рек местного стока данная закономерность также характерна, но со значительным увеличением доли азональных факторов (площадь бассейна, уклон, механический состав почвогрунтов, степень распаханности, геологическое строение). В целом, данный показатель относится к числу универсальных категорий, характеризующих пространственно-временную динамику водности реки.

Средняя высота водосбора относится к числу важнейших количественных показателей речного бассейна, характеризующих морфометрические особенности исследуемой территории (рис. 2.2.3). Кроме того, данный показатель определят целый ряд других морфометрических характеристик – уклон, степень расчлененности рельефа и густоту овражно-балочной сети и др.

Одним из универсальных морфометрических показателей является среднийуклон водосбора, величина которого определяет суммарные потери поверхностного стока [153]. Установлено, что в бассейнах с расчлененным рельефом потери талых вод на аккумуляционные процессы примерно в 2 раза меньше, чем в бассейнах со слаборасчленённым рельефом.

Кроме того, уклон связан с высотой бассейна и во многом данный показатель определяет степень эрозионной расчлененности водосборной территории и густоты речной сети (рис. 2.2.4). Следует отметить, что для рек степной зоны с малым уклоном (с увеличением пахотной нагрузки) характерна активизация процессов аккумуляции тонкодисперсных наносов, что обуславливает заиление русловых и пойменных участков.

Густота речной сети – является показателем развития поверхностного стока в пределах водосборной территории [154] и соответственно данный показатель характеризует степень развитости гидрографической сети. В тоже время, данный показатель напрямую зависит от физико-географических условий водосборной территории – зональных (количество осадков, почвенный и растительный покров) и азональных (геологическое строение, рельеф).

Распаханность водосборной территории относится к числу важнейших показателей, характеризующих уровень косвенного воздействия на гидрологический режим малых водотоков степной зоны. Распашка почвы даже на 20% площади водосбора может заметно повлиять на водный режим реки с площадью водосбора <2000 км2. Прежде всего, с распаханных склонов, не защищенных травянистых покровом, может увеличиться ветровой снос снега в овражно-балочную сеть, что приведет к снижению склонового стока талых вод [155]. Так, в частности значения коэффициентов среднего многолетнего весеннего склонового стока в степной зоне составляют 0,13 с залежных земель и 0,07 – с пашни (угол склона – 10 промилей), или соответственно – 0,41 и 0,26 при угле склона в 40 промилей [156]. С позиции того факта, что на малых реках весной проходит до 80% годового стока, учет данного показателя является необходимым при оценке факторов антропогенной трансформации водосборов. Кроме того, интенсивная распашка склонов, затрагивающих бровки русел и тальвеги временных водотоков, приводит к усилению эрозии и заилению гидрографической сети [157].

Рисунок 2.2.2. Водосборная структура р. Урал: распределение по площади, км2.

Плотность сельского населения – один из социально-экономических показателей, характеризующий интенсивность развития фоновых типов (сельское хозяйство) природопользования в степной зоне и их специализацию (преобладание растениеводства или животноводства). Расчет данного показателя крайне важен при оценке степени антропогенной трансформации речных водосборов, в том числе и рек местного стока, так как уровень интенсивности аграрного освоения является существенным средоформирующим фактором условий формирования стока. Кроме того, следует обращать внимание не только на количественные характеристики данного показателя, но и на особенности размещения сельского населения (очаговое, дисперсное и др.). Также необходимо добавить, что в густонаселенных сельскохозяйственных районах увеличиваются объемы регулирования местного стока прудами и малыми водохранилищами.

Рисунок 2.2.3. Водосборная структура р. Урал: распределение по амплитудам высот, м.

Рисунок 2.2.4. Водосборная структура р. Урал: распределение по среднему уклону склонов, %.

Интегральная оценка функционального состояния природных объектов является одним из универсальных подходов в современной географической науке [158], [159], [160], [161] но вместе с тем, для расчета суммарного индекса часто включаются разнородные показатели с несоизмеримостью частных оценок. Для решения данной проблемы большое значение приобретают непараметрические методы исследования, которые позволяют работать с разнородными данными и нивелировать ошибки при статистической обработке. В частности, для получения интегральной оценки оптимального функционирования малых рек, нами был использован непараметрический метод многомерного анализа – метод «Паттерн» (PATTERN), который был разработан еще в конце 60-х годов в США и представляет собой разновидность методик системного анализа [162]. Алгоритм интегральной оценки оптимального функционирования малых рек с использованием методики «Паттерн» включает следующие этапы:

  1. Выбор таксономических единиц бассейнового районирования (ключевых бассейнов) и определение ключевых показателей.
  2. Составление базы данных по отобранным природным и социально-экономическим характеристикам ключевых водосборов (табл. 2.2.2).
  3. Установление максимальных значений по каждому показателю ключевых водосборов, с последующим приведением остальных показателей к этому значению (табл. 2.2.2):

Xti – значение показателей для ключевых водосборов;

t=1,…,n – номера показателей; i=1,…, n – номера водосборов.

  1. Расчет итоговых рангов – Кп и Ксэ (расчет среднеарифметического значения) (табл. 2.2.3).
  2. Для каждого ключевого бассейна с использованием полученных данных рассчитывается индекс оптимального функционирования (ИОФ) (табл. 2.2.3), который представляет собой соотношение итоговых рангов по двум группам основных оценочных критериев.
  3. Группировка ключевых бассейнов с применением разработанного индекса ИОФ.

В итоге, использование методики «Паттерн» в рамках эколого-гидрологических исследований позволяет получить достаточно достоверную оценку функционального состояния малых рек степной зоны с учетом значительной антропогенной трансформации условий стокоформирования. Результаты группировки малых рек по степени оптимальности функционирования представлены на рисунке 2.2.5.

Рисунок 2.2.5. Группировка малых рек на основе ИОФ

(I – устойчиво оптимальное функционирование; II – оптимальное функционирование; III – неустойчивое функционирование).

Таблица 2.2.2 Результаты ранжирования малых рек бассейна р. Урал на основе метода «Паттерн»

Таблица 2.2.3 Индекс оптимального функционирования малых рек бассейна р. Урал

Согласно результатам проведенной оценки, максимальные значения индекса оптимального функционирования характерны для правых верховых притоков бассейна р. Урал (рр. Урман-Зилаир, Касмарка, Миндяк).

Водосборная территория данного гидрографического участка отличается неоднородной пространственной структурой и относительно благоприятными климатическими условиями, что позволяет поддерживать достаточно устойчивую гидрологическую функцию ландшафтов. Вместе с тем, следует обратить внимание, на возрастающую антропогенную нагрузку в пределах водосборов данных рек, преимущественно в низовых участках. Минимальные значения наблюдаются в пределах бассейнов малых рек степных ландшафтов равнин Зауралья (р. Джуса) и Урало-Илекского междуречья (рр. Бердянка, Черная). На ухудшение функционального состояния исследуемых водотоков влияют не только низкие ранги природных характеристик, но и значительная антропогенная нагрузка в пределах водосборных территорий.

[150] Ткачёв Б.П., Булатов В.И. Малые реки: современное состояние и экологические проблемы: аналитический обзор. – Новосибирск, 2002. – 114 с.

[151] Водогрецкий В.Е. Антропогенные изменения стока малых рек. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 175 с.

[152] Ткачёв Б.П., Булатов В.И. Малые реки: современное состояние и экологические проблемы: аналитический обзор. – Новосибирск, 2002. – 114 с.

[153] Ткачёв Б.П., Булатов В.И. Малые реки: современное состояние и экологические проблемы: аналитический обзор. – Новосибирск, 2002. – 114 с.

[154] Чеботарёв А.И. Гидрологический словарь. – Л.: Гидромет. изд-во, 1970. – 306 с.

[155] Шикломанов И.А. Антропогенные изменения водности рек. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 302 с.

[156] Водогрецкий В.Е. Антропогенные изменения стока малых рек. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 175 с.

[157] Там же.

[158] Арманд Д.Л. Наука о ландшафте (основы теории и логико-математические методы). – М.: Мысль, 1975. – 287 с.

[159] Ясинский С.В. Геоэкологический анализ антропогенных воздействий на водосборы малых рек // Изв. АН. Сер. Геогр. – 2000. – № 4. – С. 74-82.

[160] Щербинина С.В. Интегральные показатели в оценке комплекса природно-хозяйственных условий на речных водосборах // Вестн. Воронеж. гос. ун-та. Сер. География, геоэкология. – 2008. – № 2. – С. 39-46.

[161] Чернышёв А.В. Индекс благополучия водосборных бассейнов рек как интегральный показатель условий формирования гидрологического режима территории // Изв. Самар. науч. центра РАН. –2011. – Т.13, № 5(2). – С. 244-249.

[162] Гладкевич Г.И., Терский П.Н., Фролова Н.Л. Комплексная многофакторная оценка опасности наводнений в России // Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление. – М., 2011. – С. 21-36.


Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!