Функционирование геосистем с максимально возможным эффективным самовосстановлением в условиях сочетания техногенных факторов на фоне воздействия естественных, воспроизводство природных ресурсов в условиях изменения водного баланса как важнейшего связующего звена зависит как от условий хозяйствования в современных изменившихся формах собственности, а следовательно, и управления ресурсопользованием, так и от изменения наметившейся региональной динамики климатических условий в результате глобального изменения климата [1, 2]. Перспективным направлением исследований изменений гидроклиматических характеристик на разных уровнях организации геосистем является осуществление балансового подхода с выявлением принципиально новой характеристики – депонированной части водного баланса в пределах геосистем с учетом приходно-расчетной части.
Исследование геосистем глобального, регионального и локального уровней подразумевает ретроспективный анализ факторов формирования стоковых процессов как в течение годичного цикла, так и в разные промежутки времени, причем особый интерес с точки зрения интенсивности процессов формирования геосистем представляет исследование депонированной части в структуре водного баланса в пределах геосистем с учетом приходно-расчетной части.
Материалы и методы исследования
Подобные исследование невозможны без проведения начального этапа – выявления типологии речных геосистем на базе классификации интенсивности водосборных территорий. В то же время исследование стоковых процессов позволяет проследить динамику формирования рельефа геосистемы, а выявление депонированной части в водном балансе позволяет выявить функциональные особенности формирования подавляющего большинства компонентов внутри геосистемы, в частности почвенных характеристик, состава и продуктивности биоценозов, определить предельные границы хозяйственного использования компонентов геосистемы [3, 4].
Геоэкологический подход с использованием экономических категорий формирования баланса в исследовании гидрологических характеристик, предлагаемый нами, а также использование расчетной базы для определения стока, методов статистического и картографического анализа позволяет использовать полученные результаты по следующим направлениям:
– определение критериев оценки структуры и функционирования гидрологического комплекса факторов геосистемы под влиянием комплекса антропогенных и естественных условий на основе разделения приходной, расходной и депозитарной частей водного баланса;
– выявление диапазона колебания стока, особенно в ранневесенний период, позволяет определить количественную составляющую депозитарной части, определяющий потенциал функционирования геосистемы в последующие периоды с уменьшением количества приходной части водного баланса в летне-осенний период года;
– на локальном уровне водосбора в первичной гидрологической сети выявить ключевые процессы формирования регионального водного баланса;
– усовершенствование схемы мониторинга на основе функциональной системы районирования геосистем выявленных на основе бассейнового подхода и местоположения в структуре водного баланса с учетом хозяйственной деятельности для планирования рациональных гидротехнических мероприятий для создания оптимальных путей стока и депонирования водных ресурсов территории для максимизации биологической продуктивности геосистем;
– анализ проводимой хозяйственной деятельности с перспективным планированием в условиях региональных гидрологических изменений глобального теплового и водного балансов.
Результаты исследования и их обсуждение
На наш взгляд, надо не только усовершенствовать существующие методики, а кардинально пересмотреть структуру водного баланса территорий в зависимости от морфолого-генетических уровней геогидросистем. Предлагаемый нами подход в оценке не только приходно-расходной части, но и депонированной части, особенно на уровне локальных речных геосистем, позволит конкретизировать задачу определения обводненности территории в меженный период для нужд как природопользования, так и в функционировании естественных геосистем в целом.
В приходную часть нами отнесены все виды осадков, поступающие в пределы локальной речной геосистемы извне в жидком агрегатном и твердом агрегатном состоянии, а также объем поступающих грунтовых вод.
Расходная часть, безусловно, складывается не только из стока, но и возвратных и безвозвратных потерь. Безвозвратные потери вод – это важный элемент водного баланса, на наш взгляд, незаслуженно оставшийся за пределами внимания исследователей, состоит из объема воды, расходуемой на фотолиз в процессе фотосинтеза, и объема воды, выносимой в составе биомассы и в составе воздушных масс за пределы локальных речных геосистем.
Возвратные потери складываются из возвращаемых обратно в аэрозольно-капельном виде, а в зимний период в твердой фазе (туман, роса, ожеледь, наледь и т.п.), отражая динамическое равновесие в системе подстилающая поверхность и приземный слой воздуха. К их числу нами отнесен объем воды, испарившейся в жидкой фазе и с твердофазной поверхности, объем воды, испарившейся непосредственно с поверхности растений и потерянный в результате транспирации, гуттации и потоотделения животными. На первый взгляд, можно игнорировать эту, казалось бы, незначительную величину. Однако, вспоминая о влиянии транспирации влажных тропических лесов на характеристику воздушных масс, и учитывая взаимоотношение в локальных речных геосистемах других природных зонах с низким коэффициентом увлажнения, где растительность многократно увеличивает площадь испаряющей подстилающей поверхности, следует признать необходимым исследование вклада этой статьи баланса в общий водный баланс территории. Сток неравномерен по времени и складывается из плоскостного, склонового поверхностного и вертикального подземного стока первичной гидрографической сети постоянных водотоков и временных водотоков.
Кроме этого, важнейшим направлением является выделение в структуре водного баланса депонентной части, исследование которой позволяет существенно уточнить распределение объема вод не только в пространстве, но и во временном диапазоне. Именно эта статья водного баланса определяет эмерджентное свойство водных геосистем, позволяющее сохранять динамическое равновесие в засушливые периоды и определяющее характер стоковых процессов в целом. В пределах локальной речной геосистемы воды депонируются на поверхности в осенне-зимний период объем в виде запасов снега, наледи и почвенного льда. В составе почвы объем почвенной воды складывается из химически связанной с комплексом гуминовых кислот воды и объемом пленочной, газофазной, капиллярной и гравитационной, перемещающейся под действием силы тяжести воды.
Депонирование почвенной влаги в момент весеннего снеготаяния складывается из следующих источников – воды осенних осадков, из снежной растаявшей во время оттепелей влаги и оставшейся к началу осеннего периода воды. Объемы депонирования почвенной воды в осенний и в зимней период составляют соотношение примерно 2:1, но большое значение играет территориальное распределение с учетом условий природных зон – так влажность почвы на западе Центрально-Черноземного района составляет 180 мм, а на восток на Тамбовской равнине снижается до 100 мм.
С юга на север объем депонированной воды уменьшается со 100 мм в почвенном слое мощностью в 1 м до 140 мм за счет водопотерь в период зимних оттепелей, хотя показатель объема депонированной воды очень неустойчивый показатель, коэффициент вариации, меняющийся по годам, уменьшается в северном (от 0,5 до 0,6) и западном направлении (до 0,35). При этом за счет большого количества бессточных углублений разного происхождения отмечается отклонение от зональных закономерностей с юг на север с 55 до 20 мм на сток талых вод, а поверхностное депонирование составляет 6 мм. В период снеготаяния часть талых вод пополняют расходную часть баланса за счет увеличения испаряемости, средняя величина которой по многолетним данным равна 8 мм с интенсивностью 0,35 мм за сутки при однородных метеоусловиях на обширной территории района. Расчет расходной части баланса талых вод, уменьшающийся с 70 до 50 мм на севере, будет составлять разницу между объемом просочившихся депонированных в почву талых вод и талых вод, задержанных на поверхности, с потерями на испарение за период половодья. На пространственное распределение будет оказывать существенное влияние фактор рельефа, механический состав почвы и материнских пород, наличие гуминовых кислот, которые коагулируют воду, увеличивая объем депонированной воды. Рельеф будет определять скорость подземного стока и, следовательно, время для процесса депонирования с почвогрунт. На подветренных западных склонах Среднерусской возвышенности суммарные значения стока талых вод составляют до 45 мм в среднем, а на востоке достигают больших значений – до 70 мм. Механический состав определяет соотношение между гравитационной и капиллярной формами влаги. Однако расчеты депонирования талых вод в почве будут варьировать в зависимости от глубины промерзания грунта и его влажности, а также продолжительности самого периода снеготаяния.
В контактном слое в системе «почва – атмосфера» воды депонируются в газообразном виде, ритмически переходя в капельножидкую фазу и обратно в соответствии с суточным ритмом колебания температур. На поверхности депонирование происходит в отрицательных формах микрорельефа, образуя «депрессионные» воды. К их числу следует отнести не только водоемы различного происхождения – озера, болота и искусственные водохранилища, но и многочисленные микродепрессии, образующие колоссальные площади испарения. К числу депонированных вод следует отнести объем воды в составе надземной и подземной фитомассы, а также наземной и почвенной зоомассы. Учитывая тот факт, что организм состоит из воды более чем на 70 %, следует вести расчет депонированной воды из биомассы геосистемы.
Для определения структуры водного баланса необходим учет в геосистемах бассейнов рек связей и дифференцировки компонентов вертикальной стратификации наземного, подземного и надземного ярусов. Надземный ярус, являясь контактной зоной надземного с подземным ярусом, депонирует воды с разной степенью длительности с последующим водосбором в водотоки и водохранилища различного типа с преобладанием относительно горизонтального перемещения. В подземном ярусе при относительной однородности движение идет как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, образуя подземный сток. Вертикально перемещающиеся вода будут составлять депонированные, а горизонтально перемещающиеся будут увеличивать расходную часть водного баланса территории. В атмосферном ярусе вода перемещается в вертикально-горизонтальном направлении и будет увеличивать приходную статью водного баланса остальных структурных компонентов геоситемы. Иерархия водных геосистем тесно связана с процессами, происходящими в них, которые могут быть представлены в иерархической системе водного баланса: глобальный круговорот воды – региональное перераспределение водного баланса – формирование стока на уровне локальных речных геосистем. Исходя из этого, учет процессов первичной гидрографической сети в пределах локальных речных геосистем принципиально важен для расчета не только регионального перераспределения водного баланса, но и для расчета глобальных процессов формирования гидросферы. В частности, учитывая статью безвозвратных потерь в биологических процессах локальных речных геосистем, рассчитываемую исходя из образования объема биомассы, можно предположительно рассчитать объем ювенальных вод, образуемых в процессе поддержания гомеостаза гидросферы на глобальном уровне. Следует оговориться, что при расчете глобального водного баланса следует учитывать влияние антропогенного фактора в диссоциации вод и безвозвратные потери воды в составе шлейфа атмосферы в околоземном пространстве при движении планеты.
Главной задачей в процессе антропогенного водохозяйственного природопользования является расчет необходимого объема потенциального забора воды по определенному размеру водопотребления, который может быть отнесен в расходную часть водного баланса и может быть рассчитан по формуле
Vпр = Nбр s,
где Vпр – объем проектируемого потенциального забора воды (м3); Nбр – норма для орошения (м3/га); s – площадь земель для орошения (га).
Исходя из проведенных нами оценок норм водозабора в зависимости от природно-климатических условий различных природных зон и соотнесенных с ранее проведенными исследованиями [5, 6] для зоны широколиственных и смешанных лесов для орошения 100 га вполне достаточен водосбор с площади 2 км2, тогда как в лесостепной зоне его площадь водосбора увеличивается в диапазоне 2,5–6 км2, а южные районы степной зоны должны иметь водосбор до 30 км2. Специфика орографических факторов территории исследования определила детерминирование сравнительно малых водотоков, водосборная площадь которых составляет десять и менее км2 (их объем от общей площади равен 82 %). Зональная принадлежность территории будет определять вариабельность водного баланса: лесостепная зона имеет средний показатель густоты речной сети для малых рек (10 и менее км) равный 0,25 км/км2 (максимум 0,6–1,0 км/км2 в пределах Среднерусской возвышенности), степная же зона по этому показателю отстает вдвое (менее 0,12 км/км2) [7, 8]. Депонированная в водохранилищах вода с малых первичных водосборов необходима для водного баланса, хотя они и расположенных весьма неравномерно по территории [9, 10].
Поэтому нами предполагается соотносить пруды пропорционально их отнесению к рангу гидрологической сети, в зависимости от местоположения, размера и площади водосбора – чем выше ранг звена в гидрологической сети, тем больше объема воды в пруду (площадь зеркала пруда становится больше в среднем на 6–7 га на 1 м его глубины). Наши расчеты показывают, что между площадью зеркала пруда и его объемом в лесостепной и степной природных зонах существует тесная зависимость с высоким коэффициентом корреляции (r > 0,8).
Заключение
Таким образом, исходя из проведенного нами анализа эффективности природопользования для использования местного стока для оптимального водозабора и решения проблем орошения в сельском хозяйстве исследуемого региона можно сделать вывод о том, что выполняемые нормативные гидрологические расчеты по СНиПу зачастую не отвечают требованиям актуальным потребностям водохозяйственного природопользования, с одной стороны, и охранной и рациональным использованием ресурсов в вододефицитных районах с неустойчивым типом выпадения осадков. При этом создание антропогенных водохранилищ для депонирования воды при динамическом сохранении приходной и расходной ее частей повышает устойчивость системы и позволяет наращивать объем производства первичной биологической продуктивности с заметным объемом роста продуктивности сельскохозяйственных растений.
Изложенные обстоятельства наглядно демонстрируют актуальность и практическую значимость перспективных исследований механизма формирования водного баланса с учетом режима стока, и его депонирование в целях экономически эффективного использования в сельском хозяйстве и осуществлении мероприятий по охране природы. Проведенные нами исследования на уровне локальных речных геосистем на примере бассейна Верхнего и Среднего Дона, позволяют уточнить методологический подход в расчете водного баланса территории различного уровня с учетом многочисленных разнообразных физико-химических и биологических процессов, что является возможным только с позиций системного подхода исследования разноуровневых систем.
Статья подготовлена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-010-00203 «Эффективное импортозамещение и рациональное природопользование как основа экономико-экологической безопасности».