Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

EVALUATION OF ECOLOGICALLY ACCEPTABLE RUNOFF WITHDRAWALS IN SMALL AND MEDIUM-SIZE RIVERS FOR IRRIGATION

Orlova I.V. 1
1 Institute for Water and Environmental Problems (IWEP SB RAS)
В статье представлены методические подходы к оценке экологически допустимых изъятий стока малых и средних равнинных рек для целей орошения. Приведены результаты оценки экологического стока рек Кулундинской провинции (Алтайский край) на основе использования двух методов: способа пропорциональных расходов и способа сезонных ограничений. Оценка экологически допустимых изъятий стока рек на орошение для каждого водохозяйственного створа определялась как разность между естественным и экологическим стоком реки. Результаты проведенной оценки показывают, что способ сезонных ограничений может быть использован только для условий острозасушливых лет. Наибольшую практическую значимость при проведении данной оценки имеет использование способа пропорциональных расходов. Учет результатов оценки экологически допустимых изъятий стока рек на орошение позволит сохранить экологическое равновесие в бассейнах малых и средних рек Кулундинской провинции.
The paper presents the methodical approaches to the assessment of ecologically acceptable runoff withdrawals in small and medium-size lowland rivers for irrigation purposes. The assessment results of the environmental flow of the rivers of the Kulunda region (Altai territory) based on the use of two methods: the proportional method and expenditure method seasonal restrictions. Evaluation of environmentally acceptable withdrawals of river flows for irrigation water for each target was determined as the difference between the natural and ecological flow of the river. The results of the evaluation show that the method of seasonal restrictions can be used only for conditions of high-draught years. The greatest practical importance in carrying out this evaluation is using the method of proportional costs. The evaluation results of ecologically valid withdrawals of river flows for irrigation will help to maintain the ecological balance in the basins of small and medium rivers Kulunda province.
water resources
environmental flow
irrigation
flow diversion
Kulunda province

Оценка экологически допустимых изъятий стока рек для различных хозяйственных целей представляет собой сложную методологическую проблему, обусловленную как дефицитом гидрометеорологической информации для многих рек, так и сложностью прогнозирования колебаний их водности в зависимости от влияния климатических и антропогенных факторов. Поэтому анализ, уточнение и адаптация к различным целям в области водопользования существующих методических подходов такой оценки является весьма актуальной задачей.

Цель исследования – оценка экологически допустимых изъятий стока малых и средних равнинных рек для орошения. Анализ результатов данной оценки позволит оценить перспективы возможного водозабора из поверхностных водотоков на орошение для конкретного региона.

В Алтайском крае развитие орошения наиболее актуально на территории самой его засушливой части – ­Кулундинской провинции, которая рассматривается нами в границах, обоснованных в схеме физико-географического районирования, разработанной в ИВЭП СО РАН [2], и характеризуется очень разреженной речной сетью и низкими значениями коэффициента увлажнения в сухие периоды (0,12–0,33) [4].

Современные тенденции наличия значительного положительного линейного тренда годовой температуры и заметного отрицательного тренда годовых осадков в степной зоне Алтайского края, наблюдаемые в течение периода 1966–2011 гг. [10], негативно сказываются на урожайности многих сельхозкультур из-за недостатка влаги. Для планирования же расширения площадей орошаемых сельхозугодий требуется учет геоэкологических ограничений использования потенциала имеющихся водных ресурсов.

В Кулундинской провинции эксплуатируются преимущественно подземные воды [8], однако на некоторых участках их запасы недостаточны и возникает необходимость использования поверхностных водотоков, среди которых для орошения, согласно химическому анализу речных вод [3], пригодны реки Бурла, Кулунда, Кучук и Суетка. Реки Чуман, Бакланиха и притоки р. Кулунды летом пересыхают, а р. Солоновка представляет собой левый рукав дельты р. Кулунды и по ионному составу ее воды не пригодны для орошения, т.к. относятся к сульфатно-хлоридной и хлоридно-сульфатной группе натрия [3].

Важность оценки экологически допустимого изъятия стока рек изучаемой территории в значительной степени обусловлена тем, что все они располагаются в бессточных бассейнах озер (Кулундинское, Кучукское, Б. Топольное и др.), которые имеют огромное природоохранное [1], рекреационное, рыбохозяйственное либо промышленное значение и являются источниками их водного питания.

Материалы и методы исследования. Данные наблюдений за расходами воды для рек приведены по гидрологическим постам, расположенным в границах изучаемой территории: р. Бурла – с. Хабары (площадь водосбора 4750 км2), р. Кулунда – с. Шимолино (12300 км2), р. Кучук – с. Нижний Кучук (992 км2), р. Суетка – с. Н. Суетка (692 км2).

Для расчетов по всем рекам, кроме Суетки, использованы неопубликованные данные из фонда ФГБУ «Западно-Сибирское УГМС» за период наблюдений 1986–2012 гг.

Оценка экологического (природоохранного) стока рек проводилась на основе способа пропорциональных расходов и способа сезонных ограничений [6]. Оценка экологически допустимых изъятий стока рек на орошение для каждого водохозяйственного створа определялась как разность между естественным и экологическим стоком реки.

Результаты исследования. Специфика оценки экологически допустимого изъятия стока рек на орошения требует учета как изменчивости стока по месяцам теплого периода года (апрель – сентябрь), так и его минимальных значений в засушливые и острозасушливые годы. Анализ существующих методов такой оценки показал, что для целей данного исследования в наибольшей степени подходят два метода: способ пропорциональных расходов и способ сезонных ограничений [6].

1. Для оценки способом пропорциональных расходов были определены годы заданной обеспеченностью 50 %, 75 % и 95 %. Расчетные параметры распределения определялись подбором наилучшего соответствия эмпирического распределения и теоретических кривых распределения Пирсона 3 типа и распределения Крицкого – Менкеля, с подбором параметров методом наименьших квадратов и методом наибольшего правдоподобия. По рассчитанным значениям 50 %, 75 % и 95 % среднегодовых расходов определялся фиктивный фактический год заданной обеспеченности, путем определения переходного коэффициента от фактического года с обеспеченностью среднегодового значения стока близкой к значению заданной обеспеченности, или как осредненное значение нескольких лет близких по обеспеченности к заданной величине обеспеченности с учетом переходного коэффициента. Далее по каждому из определенных фактических лет заданной обеспеченности было определено внутригодовое распределение характеристики стока [7].

В год расчетной обеспеченности (Р) величина экологически допустимого стока определяется как доля от природного речного стока в год данной обеспеченности (Qpp):

где К – эмпирический постоянный для всех лет коэффициент, принимаемый в пределах (0,9–0,5) – в зависимости от конкретных условий.

По предложению В.В. Шабанова, величина экологического стока определяется по схеме [6]:

2. Для расчетов экологического стока по методу сезонных ограничений из имеющихся рядов наблюдений в отдельную группировку лет были выделены маловодные годы с обеспеченностью выше 75 %. Каждый год был разделен на условно фазово-однородные сезоны: весна, как многоводный период, связанный с весенним половодьем, которое формируется на рассматриваемых объектах Кулундинской провинции в апреле–мае; и маловодный период, который объединяет в себе 10 месяцев с июня по март. Параметры распределения были рассчитаны по сформированным рядам из сезонов, выделенных внутри маловодных лет [7]. Экологический сток рассчитывался по формулам [6]:

где – природный расход воды в реке в i-й месяц конкретного сезона, в год обеспеченностью Р%; – среднемноголетний расход воды в реке в природных условиях в конкретный период года; – среднеквадратическое отклонение сезонных расходов.

Результаты оценки экологического стока (Qэк) рек Кулундинской провинции на основе двух методических подходов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Экологический сток (Qэк, м3/с) рек Кулундинской провинции в годы с различной обеспеченностью

Месяц

Способ пропорциональных расходов

Способ сезонных ограничений

Qэк 95%

Qэк75 %

Qэк 50 %

Qэк 95 %

Qэк 75 %

Qэк50 %

р. Бурла – с. Хабары

апрель

0,468

3,330

7,217

0,479

1,880

1,880

май

0,069

2,400

6,888

0,479

1,880

1,880

июнь

0,024

0,952

2,649

0,014

0,121

0,121

июль

0,023

0,256

0,871

0,014

0,121

0,121

август

0,017

0,098

0,255

0,014

0,121

0,121

сентябрь

0,011

0,046

0,272

0,014

0,066

0,121

р. Кулунда – с. Шимолино

апрель

0,009

3,866

7,727

0,431

3,490

3,490

май

1,305

5,125

15,190

0,431

3,490

3,490

июнь

0,234

2,176

4,088

0,098

0,098

0,098

июль

0

0,602

1,694

0

0,098

0,098

август

0

0,224

0,546

0

0,098

0,098

сентябрь

0

0,016

0,259

0

0,018

0,098

р. Кучук – с. Нижний Кучук

апрель

0,702

1,862

3,188

0,587

1,010

1,01

май

0,378

0,594

0,633

0,587

0,852

1,09

июнь

0,270

0,408

0,427

0,275

0,275

0,275

июль

0,243

0,384

0,322

0,200

0,275

0,275

август

0,189

0,376

0,385

0,200

0,275

0,275

сентябрь

0,234

0,344

0,318

0,200

0,275

0,275

Расчетные объемы экологически допустимого изъятия стока рек (Wэк) определялись для теплого периода года как разность между естественным и экологическим стоком реки (табл. 2).

Таблица 2

Экологически допустимые объемы изъятия стока (Wэк, м3/с) рек Кулундинской провинции в годы с различной обеспеченностью

Месяц

Способ пропорциональных расходов

Способ сезонных ограничений

Wэк 95%

Wэк 75 %

Wэк 50 %

Wэк 95 %

Wэк 75 %

Wэк 50 %

р. Бурла – с. Хабары

апрель

0,052

0,833

3,093

0,041

2,283

8,430

май

0,008

0,600

2,952

–0,402

1,120

7,960

июнь

0,003

0,238

1,136

0,013

1,069

3,664

июль

0,003

0,064

0,374

0,012

0,199

1,121

август

0,002

0,024

0,110

0,005

0,001

0,244

сентябрь

0,001

0,012

0,116

–0,002

–0,008

0,267

р. Кулунда – с. Шимолино

апрель

0,001

0,967

3,311

–0,421

1,343

7,548

май

0,145

1,281

6,510

1,019

2,916

18,210

июнь

0,026

0,544

1,752

0,162

2,622

5,742

июль

0

0,151

0,726

0

0,655

2,322

август

0

0,056

0,234

0

0,182

0,682

сентябрь

0

0,004

0,111

0

0,002

0,272

р. Кучук – с. Нижний Кучук

апрель

0,078

0,465

1,367

0,193

1,317

3,545

май

0,042

0,149

0,272

–0,167

–0,109

–0,185

июнь

0,030

0,102

0,183

0,025

0,235

0,335

июль

0,027

0,096

0,138

0,070

0,205

0,185

август

0,021

0,094

0,165

0,010

0,195

0,275

сентябрь

0,019

0,086

0,137

0,060

0,155

0,180

Анализ таблицы 2 показывает, что среди результатов оценки экологически допустимых объемов изъятия стока на орошение более корректны результаты, полученные на основе способа пропорциональных расходов, которые были затем пересчитаны в м3 в месяц для удобства использования этих результатов в практических целях (табл. 3).

Таблица 3

Экологически допустимые объемы изъятия стока (Wэк, м3/мес) рек Кулундинской провинции для орошения на основе способа пропорциональных расходов

Месяц

Р. Бурла – с. Хабары

Р. Кулунда – с. Шимолино

Р. Кучук – с. Н. Кучук

Wэк 95%

Wэк 75%

Wэк 50%

Wэк 95%

Wэк 75%

Wэк 50%

Wэк 95%

Wэк 75 %

Wэк 50%

апрель

134,8

2159,1

8017,1

2,6

2506,5

8582,1

202,2

1205,3

3543,3

май

21,4

1607,0

7906,6

388,4

3431,0

17436,4

112,5

399,1

728,5

июнь

7,8

616,9

2944,5

67,4

1410,0

4541,2

77,8

264,4

474,3

июль

8,0

171,4

1001,7

0

404,4

1944,5

72,3

257,1

369,6

август

5,4

64,3

294,6

0

150,0

626,7

56,2

251,8

441,9

сентябрь

2,6

31,1

300,7

0

10,4

287,7

49,2

222,9

355,1

Данные наблюдений за стоком р. Суетки имеются только за период с 1951–1964 гг., что недостаточно для расчетов, поэтому экологический сток для р. Суетки определен по предварительным результатам в целом за год и составляет: 0,099 м3/с в год 95 % обеспеченности; 0,224 м3/с в год 75 % обеспеченности и 0,322 м3/с в год 50 % обеспеченности.

Выводы. Анализ полученных результатов показывает, что при оценке экологического стока для малых и средних равнинных рек более целесообразно использование метода пропорциональных расходов, так как объемы стока, полученные на основе использования метода сезонных ограничений, слишком завышены для лет ниже 85–95 % обеспеченности, к тому же имеют отрицательные значения. Способ сезонных ограничений можно использовать только для очень сухих лет (выше 85 % обеспеченности).

Результаты оценки, основанные на способе пропорциональных расходов, показали, что в наиболее засушливые годы (95 % обеспеченности) в р. Бурла наблюдаются очень низкие значения объемов допустимого изъятия стока на орошение. До тех пор, пока не начнет стабильно функционировать Бурлинский магистральный канал, эти объемы целесообразно оставлять в реке для поддержания водного баланса ценных рыбохозяйственных озер, лежащих в ее нижнем течении. В р. Кулунда изъятие стока на орошение возможно только в мае-июне; в июле-сентябре река пересыхает. В р. Кучук наблюдаются, хотя и невысокие, но стабильные значения объемов допустимого изъятия стока, что обусловлено постоянным грунтовым питанием реки.

В засушливые и средние по влажности годы наибольшие объемы допустимого изъятия стока в самые важные для орошения сельхозкультур месяцы (май-июль) наблюдаются в р. Кулунде, а наименьшие – в р. Кучук. В р. Бурле даже в средние годы большую часть стока целесообразно оставлять для пополнения нижележащих рыбохозяйственных озер.

Дополнительно следует обратить внимание на ряд проблем, которые пока осложняют более широкое применение используемых в работе методов: недостаточное количество гидропостов на многих реках, что приводит к невозможности оценки изъятия стока на участках рек, не охваченных гидрологическими наблюдениями; зарегулированность многих рек плотинами; недостаточная точность средне- и долгосрочных метеорологических прогнозов на планируемый оросительный сезон. Тем не менее проведенная нами оценка допустимых изъятий стока рек позволяет оценивать перспективы и целесообразность использования водных ресурсов рек на орошение с учетом колебаний их водности, как по месяцам оросительного периода, так и в зависимости от увлажненности года, что помогает при планировании оросительных мелиораций и способствует сохранению экологического баланса на речных водосборах. Результаты оценки также могут быть использованы для рек-аналогов, на которых нет гидрологических постов.

В дальнейших исследованиях возможно использование методических подходов, создающих основу для оценки условий формирования стока, характеристики пространственного распределения потоков воды и наносов в отдельных звеньях речной сети [9], результатов имитационного моделирования водного баланса озерно-речных систем, научно обоснованных экологических требований к параметрам стока рек и др. Это, в свою очередь, предопределяет необходимость подготовки и повышения квалификации специалистов, владеющими ГИС-технологиями [5], с целью формирования у них необходимых навыков для применения на практике современных методов эколого-гидрологических оценок.

Рецензенты:

Парамонов Е.Г., д.с.-х.н., профессор, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт водных и экологических проблем СО РАН», г. Барнаул;

Кирста Ю.Б., д.б.н., профессор, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт водных и экологических проблем СО РАН», г. Барнаул.