Структура и закономерности формирования локальной гидротехнической системы степной зоны Лоцман, Павел Игоревич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Методы исследования 9

Глава 2. История изучения гидротехнических систем и зон их влияния, современное состояние проблемы 17

Глава 3. Краснопавловское водохранилище как локальная гидротехническая система (ЛГТС) .24

3.1. Общая характеристика ЛГТС 24

3.2. Особенности ландшафтной организации природного блока ЛГТС 30

3.3. Режим уровня водохранилища 56

Глава 4. Влияние Краснопавловскои гидротехнической системы на климатические, геодинамические, гидро и биогенные процессы и на ПТК в целом 63

4.1. Изучение гидрогеологического влияния водохранилища 63

4.2. Формирование берегов. 71

4.3. Влияние на местный климат 91

4.4. Изменения в ПТК береговой зоны и в нижнем бьефе .97

Глава 5. Критерии подобия и аналоги Краснопавловскои гидротехнической системы 113

Заключение и выводы 135

Библиографический список использованной литературы 137

• История изучения гидротехнических систем и зон их влияния, современное состояние проблемы
• Режим уровня водохранилища
• Влияние на местный климат
• Критерии подобия и аналоги Краснопавловскои гидротехнической системы

Введение к работе

Актуальность темы. Сформировавшиеся в результате взаимодействия природных территориальных комплексов и водохозяйственных объектов ландшафтно-гидротехнические системы, являются одним из классов природно-антропогенных ландшафтов. Эти специфические и относительно слабо изученные системы отличаются высокой теснотой вертикальных и горизонтальных связей. В то же время природно-антропогенные ландшафты выступают объектом регионального геоэкологического анализа, содержание которого находится еще в стадии формирования и противоречивого поиска (И.А.Авессаломова, Г.Н.Голубев, С.П.Горшков, А.В.Дончева, А.В.Евсеев, А.Г.Емельянов, Н.С.Касимов, Б.И.Кочуров и др.).

Изучение процессов развития и взаимодействия природных и гидротехнических систем - актуальная междисциплинарная проблема. Особую роль в ее решении играет ландшафтоведение с мощным теоретическим и методологическим потенциалом. Эта задача имеет большое практическое значение особенно в связи с проблемами водообеспечения, охраны и оптимизации среды жизнедеятельности человека, организации отдыха населения. Исследования природных и техногенных блоков ландшафтно-гидротехнической системы (ЛГТС), их потоков-связей, направления и взаимодействия являются научной основой контроля, управление и регулирования этими процессами, фундаментом развития ландшафтно-гидрологических, инженерно-ландшафтных исследований.

Генетической, природио-исторической основой, первичным коренным системообразующим "фундаментом" формирования и функционирования локальной ЛГТС служат 111К определенного уровней структурной организации долинно-речных систем. Изучение причин их формирования, системообразующих качеств, функциональной и

территориальной структуры, направлений влияния на гидротехішческую систему, имеет первоочередное основополагающее значение.

Цель и задачи исследования. Цель работы - изучение факторов и механизмов формирования пространственной структуры и функционирования гидротехнической системы локального уровня степной зоны. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проведение сопряженного анализа режима уровня водохранилища, грунтовых вод, водного режима почв и их свойств, выявить изменения в видовом составе растительности и ее продуктивности.

2. Выявление механизма трансформации структуры гидротехнической системы при воздействии внешних факторов.

3. Установление стадийности развития процессов влияния водохранилища на ПТК, во времени и пространстве, определение горизонтальных границы зон и поясов влияния.

4. Изучение основные направления влияния водохранилищ на ПТК исследуемой территории.

Научная новизна данной работы состоит в том, что:

5. Изучены факторы формирования пространственной структуры гидротехнической системы.

6. Проведены крупномасштабные ландшафтные исследования, заложено 5 ландшафтных профилей, составлена на весь регион ландшафтная карта 1:50000, на ключевые области - карты масштаба 1:25000.

7. Выполнена классификация ПТК, обозначены ранги и виды ландшафтов, местностей, урочищ, их системообразующие свойства.

8. Выявлены ведущие закономерности территориально-структурной организации природного блока ЛГТС.

5. Определены основные направления влияния ПТК на структуру и режим функционирования гидросистемы.

6. Впервые для степного водохранилища произведен детальный анализ структуры и динамики процессов в сфере его влияния.

7. Намечены тенденции новой парагенетической интеграционной ландшафтно-гидротехнической системы.

Фактический материал и методы исследований. В основу работы
положены материалы крупномасштабных (1:100000 и 1:25000)
ландшафтных полевых экспедиционных и полустационарных
исследований на Краснопавловском водохранилище. В ходе
экспедиционных работ было пройдено более 120 погонных километров с
высотной привязкой точек наблюдения, выполнено более 100 замеров
температуры и влажности воздуха, проведен ряд сопутствующих
наблюдений. Кроме того, в диссертации использованы: ландшафтная карта
Харьковской области масштаба 1:1000000 (Полищук, Карпов, 1993)
фондовые материалы Управления эксплуатации Краснопавловского
водохранилища, литературные источники, материалы архивов контрольно-
измерительной питьевой и водной лаборатории трестов
Харьковкоммунводхоз, Донецкоммунводхоз.

Диссертация базируется на теоретических и методических ландшафтоведческих разработках СВ. Викторова, А.А.Видиной, К.Н. Дьяконова, А.Г. Исаченко, И.И.Мамай, А.М.Маринича, В.А. Николаева, Н.А.Солнцева, В.Н.Пащенко, В.С.Преображенского, Г.И.Швебса. При изучении сферы влияния водохранилища в работе концептуально ассимилировались выводы и идеи: С.Л. Вендрова, К.Н. Дьяконова, А.Г. Емельянова, НИ.Коронкевича, В.И. Кружалина, Л.К. Малик, Ю.М. Матарзина, А.Ю. Ретеюма, В.П. Салтанкина, Б.М. Стародубцева, В.М. Широкова, П.Г. Шищенко, К.К. Эдельштейна.

Для проведения ландшафтных исследований и анализа были использованы общенаучные и конкретно-научные методы и системно-структурный подход.

Практическое значение и апробация работы. Результаты исследований использованы институтом "ГИПРОВОДХОЗ" при составлении методических указаний по обоснованию строительства прудов и водохранилищ. Методика ландшафтного исследования, текстовые и картографические материалы переданы институту "УКРЗЕМПРОЕКТ".

Картографические материалы и выводы работы могут быть использованы при проведении в регионе различных отраслевых и комплексных исследований природы, при разработке программ рационального природопользования и оптимизации среды жизнедеятельности человека, организации системы мониторинга и охраны природы.

Основные положения диссертации докладывались на научно-теоретической конференции "Природопользование степной зоны" (Харьков, 1994), семинаре молодых ученых "природно-антропогенные ландшафты степи" (Харьков, 1995), на заседаниях научного семинара кафедры социально-экономической географии, геоинформатики, природоохранного менеджмента ХГУ, по теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, в списке литературы 121 наименование. Общий объем работы страниц машинописного текста, таблиц, рисунков.

Диссертант выражает благодарность руководителю, профессору, К.Н.Дьяконову, за предоставленную методическую помощь при написании работы, профессору А.Ю.Ретеюму и всем сотрудникам кафедры. Советы и помощь в проведении исследований оказывали проф. ХГУ И.Г.Черванев,

доцент ХГУ Ю.Ф.Кобчеико, доцент ХГУ В.И. Редин, за что автор выражает искреннюю признательность.

Отдельно хочется поблагодарить сотрудников Управления эксплуатации Краснопавловского водохранилища, которые сделали все возможное для проведения экспедиционных работ.

История изучения гидротехнических систем и зон их влияния, современное состояние проблемы

Изучение гидротехнических систем, специально созданных для изменения свойств природной среды и оптимизации взаимодействия общества и природы несомненно имеет большой научный интерес.

Основные теоретические положения о связях гидротехнических систем с окружающей средой начали разрабатываться с конца Х1Х-начала XX века А.И. Воейковым и В.В.Докучаевым. В представлении А.И.Воейкова земельное улучшение - понятие широкое, включающее в себя не только оптимизацию лесорастительных, почвенных, климатических условий, но и водного хозяйства. Путём упорядочения в каждом регионе водных и растительных ресурсов можно достичь, по мнению учёного, земельного улучшения. В таком случае будут сохранены естественные природные взаимосвязи, рационально использоваться земельные богатства.

В.В.Докучаев, осуществляя на практике разработанный им принцип комплексного полевого исследования конкретных территорий, во время работы своих экспедиций (1888-1898) поставил "прямую задачу" физико-географического обоснования при создании гидросооружений. Главная цель его исследований - научная разработка методов борьбы с засухой и другими неблагоприятными природными условиями степной зоны и в целом создание научных основ для рационального ведения сельского хозяйства. Для каждой природной зоны европейской части России учёный наметил схему мелиоративных и агротехнических мероприятий. В частности, одним из способов борьбы с засухой в степях он считал устройство водоёмов и прудов. Таким образом, благодаря теоретическим и практическим исследованиям уже в то время начала разрабатываться база для проведения мелиоративных работ, в которых просматривалась линия на комплексный физико-географический аспект. В дальнейшем исследования этого направления были частично прерваны. И лишь при строительстве по плану ГОЭЛРО Волховской ГЭС имени В.И.Ленина в 1921-1927 г.г. возникла проблема зон влияния водохранилища. Задача, которая стояла перед учёными во главе с Л.И.Прасоловым, сводилась к определению оптимальной высоты плотины, при которой не произошло бы резкого падения продуктивности лугов. Составленный прогноз влияния Волховского гидроэнергоузла на режим р.Волхов и оз.Ильмень и на изменение природы прилегающей местности в общем оправдался. В 1925 г. Л.И.Прасолов, В.М.Родевич, Н.Н.Соколов заложили первый почвенно-ботанический профиль, на котором в течение двух лет велись стационарные наблюдения.

Спустя некоторое время аналогичные исследования осуществлялись и в других районах СССР. Полученные в связи с этим результаты явились предметом обсуждения специального совещания, состоявшегося в ВОДГЕО 15-17 апреля 1934 г. Среди отчётов были особенно интересны работы А.И. Березина (по водохранилищам Донбасса), Д.О.Свиренко (по Днепровскому водохранилищу), Д.А.Ласточкина (по Волжским водохранилищам). На совещании были чётко поставлены задачи изучения водохранилищ как новых географических объектов (С.Д.Муравейским), в которых было указано на целесообразность комплексных исследований в районах их создания. Стали появляться работы по правилам управления водохранилищами и выбору стратегических параметров при их проектировании. Серьезные исследования по этому направлению были проведены И.В.Егиозаровым, инженером И.А.Лифановым. В частности, последний констатировал, что при выявлении подтопления целесообразно проводить почвенно-ботанические работы. В целом можно отметить, что все исследования с начала 20-х до конца 40-х годов были узкоспециальные. В основном изучалось влияние водохранилищ на сток, переформирование берегов, режим грунтовых вод. Очень мало работ было по изучению изменений почвенно-растительного покрова.

С начала 50-х годов возрос интерес к проблеме взаимодействия водохранилищ с прибрежными территориями. Резко возросло количество публикаций в виде статей, тезисов и т.д. посвященных изучению различных проблем, связанных с этим вопросом. Но работы этого времени не имели комплексный характер и круг вопросом, рассматриваемый в них, был относительно узок. Очень хорошо охарактеризовал эту ситуацию С.Л.Вендров в статье, вышедшей в 1959 году "О масштабах преобразования природы крупными водохранилищами", он справедливо отметил, что комплексность реализовывалась путем суммирования отраслевых исследований. Не учитывался ландшафтный подход к рассмотрению процессов взаимодействия акватории и территории, возможность управления природными процессами и режимом ПТК в зонах влияния и т.д. Именно в этот период детально был исследован механизм трансформации волн на мелководьях, рассчитаны параметры ветровых волн, изучены процессы переработки берегов, изменение инженерно-геологических условий побережий. Эти проблемы были изучены А.П.Браславским, А.М.Козаковым, П.Ф.Чигиринским, Г.С.Золотаревым, Б.А.Пышкиным, Е.Г.Качугиным, Н.Е.Кондратьевым и др.

С 1954 года на р.Каме начали проводиться комплексные географо-гидрологические работы по изучению особенностей формирования водохранилищ и их влияние на природу и хозяйство прилегающих районов на основе специальных многолетних наблюдений. Результаты этих исследований отражены в работах Ю.М.Матарзина, Б.Б.Богословского, И.К.Мацкевича. Три книги этих ученых, вышедшие в 1977-1978 годах до сих пор не потеряли свою научную значимость и- служат учебным пособием для студентов. В них хорошо показаны особенности водных масс, гидрологические процессы в нижних и верхних бьефах, отражены количественные характеристики форм и структур изучаемых географических объектов. В дальнейшем работ по исследованию нижних бьефов стало появляться все больше и больше.

С 1961 года широко осуществляются комплексные исследования по прогнозу воздействия гидротехнических сооружений на окружающую среду. Руководителем этих работ был С.Л.Вендров, долгое время возглавлявший отдел инженерно-географических проблем в Институте географии АН СССР. Комплексными прогнозами последствий создания водохранилищ занимались ученики и последователи этого крупного ученого - А.Б.Авакян, В.М.Широков, А.Ю.Ретеюм, К.Н.Дьяконов, А.Г.Емельянов и другие. Результаты этих исследований учитывались при проектировании водохранилищ и сыграли существенную роль в отказе от их создания в некоторых природных зонах СССР.

В связи с большими объемами гидротехнического строительства в Сибири большой размах получили прогнозные исследования, проводимые в Сибирском отделении АН СССР в лаборатории гидрологии водохранилищ, которой руководили в разное время Д.И.Абрамович, С.Г.Бейром, В.М.Широков, А.М.Савкин. В 1965 г. сотрудниками лаборатории до начала заполнения Красноярского водохранилища были заложены шесть опорных участков, составлены прогнозы переработки берегов, определены основные направления их развития. Однако участки закладывались специалистами по переработке берегов, гидрологические створы для установления зон распространения подпора создавались гидрогеологами. Мало было наблюдений за режимом метеоэлементов, практически не были выявлены тенденции в изменениях ПТК после образования водохранилища. Несколько позже эти пробелы были частично ликвидированы.

Фундаментальные исследования по влиянию водохранилищ проводились в Калининском, Московском университетах. Весомый вклад в освещение этого вопроса был сделан сотрудниками Дарвинского заповедника на берегу Рыбинского водохранилища. Предмет и объект исследования значительно расширился. В работах К.АКудинова (1969, 1970, 1971) освещено влияние Рыбинского водохранилища на уровень грунтовых вод. Очень серьезные исследования были проведены Н.Г.Котовой (1968,1971) о состоянии подтопленных земель. В то же время большое внимание стало уделяться динамике ПТК, как пространственно-временных образований в зонах влияния водохранилищ. Огромная работа проделана А.Г.Емельяновым по прогнозам подтопления берегов. Динамика природных комплексов в сфере влияния водохранилищ детально изучено А.Ю.Ретеюмом. В этот период начал использоваться методологический прием концепции геотехнических систем, что позволило разработать подходы к физико-географическому прогнозированию по аналогиям.

В 70-80-е годы появилось много обобщающих работ. Наряду с этим появляются исследования по крупно- и мелкомасштабному физико-географическому прогнозированию. Исследования подобного рода проводились А.Г.Емельяновым, Б.А.Поповым, И.Е.Тимашевым и др. Подтопление сельскохозяйственных земель на Каховском водохранилище изучено А.М.Мариничем, В.М.Пащенко (1982). Большая работа проделана А.И.Русаленко по малым водохранилищам Белоруссии. Характерным для этого периода является то, что число учитываемых факторов в научных разработках увеличилось, углубленно изучаются взаимосвязи между отдельными процессами. некоторые исследования по переформированию берегов включали морфологические характеристики склонов. Очень интересны результаты полученные В.И.Кружалиным (1989). Ученый показывает необходимость комплексного изучения речного бассейна. При этом самый надежный источник информации о свойствах ПТК и их возможных изменениях при строительстве водохранилиц и прудов - ландшафтная карта. Очень глубоко раскрыт вопрос о роли рельефа при проектировании гидротехнических сооружений.

Стали углубленно исследоваться вдольбереговые перемещения наносов, сопоставляется режим уровней водохранилищ с хозяйственной деятельностью. Область исследования водохранилищ распространилась на дельты рек и приустьевые участки морей. Практически все рассматривают водохранилища как природно-технические объекты. Проектирование их - это уже не просто вписывание данного географического объекта в природу, а проектирование пространственно-временной геотехнической системы.

Режим уровня водохранилища

Начальным звеном причинно-следственных связей определяющих изменение условий жизни в водоеме и вблизи него, формирование подпора подземных вод, подтопление и заболачивание прилегающих территорий, изменение почвенно-растительных и инженерно-геологических условий, явление колебания уровневого режима, который отражает изменение объемов водной массы в результате меняющихся во времени соотношений приходно-расходных компонентов. Наполнение водохранилищ в значительной степени происходит за счет аккумуляции стока весеннего половодья. По наблюдениям Е.С.Светицкой (1992) весенний речной сток ежегодно уменьшается, что вызывает уменьшение величины годового стока.

Роль боковых притоков в аккумуляции воды в водохранилищах невелика и составляет от 3-8% общего притока (В.В.Поляков). Связано это со значительным изменением естественных условий бассейнов рек. Повсеместно распространены лесные полосы, задерживающие весенний сток. После принятия в 1948 году соответствующих решений, в Лозовском и Красноградском районах создано 24 пруда, из них 11 водоемов в бассейне р.Попельня . За счет прудов тоже происходит снижение стока. Объем их в районе Краснопавловского водохранилища 17519000 мЗ. Это несомненно влияют на уровень воды в изучаемом водоеме.

Анализ уровневого режима был проведен с учетом естественных факторов (осадки, испарение, фильтрация) и хозяйственной деятельности человека. При наблюдении не принималось во внимание испарение с зеркала. В связи с относительно не большими размерами, роль атмосферных процессов при колебании атмосферных процессов при колебании уровня практически не учитывалось. Створ плотины Краснопавловского водохранилища находится на расстоянии 25км от истока. Водосборная площадь 168км. На долю левобережных притоков приходится 68%, правобережных - 32% общей площади.

В данной главе мы не даем данные по аккумуляции воды в группах вблизи водохранилища. При изучении режима уровня мы выделели две фазы: наполнение и срабатывание. Наблюдаемые уровни (рис.5, рис.6) никогда не совпадают с проектными отметками.

Сорокин Н.Б. и Ю.М.Матарзин (1973) в качестве характерных уровней принимают:

1) уровень наибольшей земной сработки

2) уровень начала интенсивного наполнения весной

3) уровень начала весеннего ледохода

4) уровень конца интенсивного подъема при наполнении весной

5) максимальный навигационный уровень

6) минимальный уровень навигационной сработки

7) уровень начала осенних ледовых явлений

8) уровень перового дня ледостава

9) уровень начала интенсивной земной сработки.

Столь подробное выделение уровней (которые были определены для крупных водохранилищ) в наших условиях нецелесообразно. Приведенные на рисунке кривые уровней дают все необходимые данные. Краснопавловсое водохранилище - водоем сезонного регулирования. Эксплуатация водохранилища (1988-1997) производилась с отклонением от водохозяйственных правил регулирования, поэтому наполнение до нормальной проектной отметки затянулось и закончилось только летом 1984г., когда уровень впервые достиг отметки НПУ. Данные получены с начала наполнения водохранилища. Качество данных сомнений не вызывает, т.к. высотные привязки постов были проверены водными нивелировками по методу, рекомендованному ГГН. Расхождений при этом в высотных привязках обнаружено не было. В связи с отклонениями от нормальных условий эксплуатации уровень водохранилища в 1982г. и 1983г был ниже НПУ и не мог характеризовать многолетний уровневый режим. НПУ достигнуто в 1984г. Режим уровня можно разделить на три периода:

1) весеннее наполнение

2) летне-осеннее стояние

3) зимняя сработка

Самый низкий уровень водохранилища мы наблюдаем к концу зимы, в период весеннего половодья уровень резко повышается (величина повышается от объема половодья и от глубины зимней сработай, а также от сбросов воды в нижний бьеф во время половодья). Для четкого выявления закономерности влияния дадим характеристику уровней. Весеннее наполнение обычно совпадает с датой, когда в результате поступления в водохранилище талых вод, уровень его повышается. Дата начала поступления паводочных вод и дата повышения уровня могут не совпадать. Когда ожидается большой весенний паводок в последние дни зимнего периода происходит сработка уровня водохранилища. Весеннее наполнение в среднем начинается 28 марта. Наиболее раннее - 20 марта, позднее - 3 апреля. Бывают годы, когда начало наполнения запаздывают на 2-3 дня с началом половодья. В сумме интенсивность повышения уровня составляет в этот период до 5 см в первые 2-3 дня повышение уровня до 10см. В отдельные годы 1990, 1995 - 150см. Обычно с каждым днем интенсивность повышается, уровень возрастает, интенсивность достигает к середине апреля до ЗОсм/сутки. К концу весеннего периода темпы повышения уровня до 2см/сутки. Средняя дата конца 15 мая. Раннее - 30 апреля, позднее - 20 мая. В среднем наполнение проходит в течение 1,5-2 месяцев.

Продолжительность летне-осеннего периода оті 52 до 200 дней. В большей части водохранилища изменение уровня плавное. В некоторых районах колебания резкие, которые по нашему мнению связаны с сгонно-наклонными процессами. Ход уровня в этот период зависит от водности года. В большие по водности годы величина притока равна расходу плюс потеря на испарение. В такие годы уровень изменяется мало и стоит на отметке весеннего наполнения (до 7 месяцев 1990г). В годы средние по водности и маловодные срабатывание уровня происходит постепенно в течение лета и осени. Но в конце сентября - в октябре за счет дождевых паводков мы наблюдаем подъем уровня (рис.6). Максимальный уровень водохранилища наблюдается в конце мая - в начале июня. Сработка уровня в этот период в среднем до 2 метров, в отдельные годы -до 3 метров. Колебания уровня от 0,5 до 2,5 м.

Очень большие трудности с определением уровня в зимний период. Как правило в начале замерзают речные участки, потом открытая часть водохранилища. После ледостава приток падает, расход повышается. Продолжительность этого процесса 4-5 месяцев. Максимальная глубина сработки 4м. Данные характеристики не отличаются и на Карловском водохранилище.

По проекту (Краснопавловское водохранилище) предусмотрено ежегодно наполнять водохранилище до НПУ (120м). С постоянной сработкой до 1 Юм. За рассматриваемы период наблюдались наполнения до НПУ и выше. После наполнения до НПУ идет главная сработка (годы 1989,1991,1997). Когда в летне-осенний период много осадков уровень водохранилища устойчив длительное время. В отдельные годы (1988, 1993, 1995) много осадков весной и осенью, поэтому в ходе уровня 2 пика. В 1994 наблюдалось длительное пополнение водохранилища до сентября. В 1997 положение ниже НПУ.

Формирование водных масс водохранилища связано с колебанием уровня. Так собственно водохранилищные водные массы по мнению К.К. Эдельштейна (1983) формирующиеся во время весенний и осенних подъемов уровней. В это время (период дождевых паводков в сентябре - октябре и таяние снега в марте - апреле) интенсивно смешиваются речные, водохранилищные, придонные массы. Фронтальные зоны служат очагами формирования новых масс, динамика вод которых определяется плотностными различиями. В летний и зимний период верховья водохранилища заняты речной водой, а в придонных слоях в средней части благодаря смешению выклинивающихся в ложе подземных вод и водохранилищных, формируется придонный слой воды, подтягивающейся к плотине. Вода обладает негативными химическими свойствами. Водопотребление ее, очень опасно.

Уровенный режим в какой-то степени является индикатором внешних условий. Данные уровней воды Краснопавловского водохранилища сходны с колебаниями уровня в Карловском, Орельском, Шишакском и др. водохранилищами степной зоны.

Годовая амплитуда колебания уровня воды в них близка к половине средней глубины, максимальная нередко превышает ее в 1.5-2 раза. Проточносте водохранилищ сильно отличается по сезонам. Весной она колеблется от 0.76 до 2.62 , летом 0.19 - 0.78 , зимой 0.46 - 0.71 . Объем холостых сбросов в водохранилищах составляет 17 - 64 % от объема притока. Коэффициент водообмена колеблется от 1.19 до 2.37. Несмотря на значительные амплитуды колебаний, режим уровня рассматриваемых водохранилищ создает определенные "конструктивные" условия (Муравейский, 1934, с. 19) формирования ландшафтно- гидротехнической системы и ее составляющих. Продолжительность этого процесса расплывчато определена для крупных водохранилищ. Для водохранилищ рассматриваемых параметров в степной зоне Украины также цифры отсутствуют, несмотря на их хорошую изученность. Формирование данных условий начинается с изучением гидрогеологической обстановкой характеристика, которой дается в следующем разделе.

Влияние на местный климат

Наблюдение метеостанций в зоне влияния показывают, что местный климат получил ряд новых свойств. Специфические черты изменения климата прибрежных зон проявляется на фоне общих особенностей и колебаний климата данного региона. Для установления роли водохранилища в формировании местного климата в ПТК прибрежной полосы, целесообразно использовать метод анализа пространственных разностей осадков, температуры и влажности воздуха на двух станциях, одна из которых размещена в зоне влияния водохранилища, а другая - за ее границами. Применение этого метода позволяет исключить влияние общих изменений климата, не связанных с образованием водохранилища. Этот метод впервые был применен для определения интенсивности и границ влияния Куйбышевского и Рыбинского водохранилищ Л.С.Вендровым (1966) и получил многочисленные подтверждения. Для выявления пространственных различий метеоэлементов в регионе исследований нами были использованы данные метеостанций Краснопавлов-ской (в зоне влияния водохранилища), в 0,6 км от берега и Лозовской (вне зоны влияния), в 22 км от берега. Анализ данных показывает, что температура воздуха в летние месяцы на Краснопавловской станции на 0,1-0,5С ниже, в осенние - на 0,3-0,6 С выше, чем на Лозовской станции. Влажность воздуха в зоне влияния водохранилища на 4-8% выше, чем за ее границами. Используя данные температуры поверхности воды, температуры воздуха прибрежной зоны, мы установили продолжительность охлаждающего влияния водохранилища (табл.3)

Существенные изменения в зоне водохранилища испытывает ветровой режим. Для Верхнеорелья характерно преобладание северо-западных и западных ветров. Их направление совпадает с общим направлением долины р.Попельной и ее русла. Существенное влияние на скорость ветров (в качестве барьера) имели меандровые узлы. На них происходило затухание ветров. До образования водохранилища на прямых участках долины р.Попельной среднегодовая скорость ветра составляла 3,6 м/сек, а на участках меандровых узлов она понижалась до 2,9 м/сек. Образование водохранилища привело к увеличению скорости ветра и появления новых направлений перемещения воздушных масс - летних бризовых ветров. Это обусловлено рядом причин: с поднятием уровня воды в водохранилище уменьшилась глубина каньона и образовалась ровная поверхность. Возникли определенные градиенты температуры между водной поверхностью и сушей. Среднегодовая скорость ветра на прямых участках водохранилища теперь составляет 4,0 м/сек, а на участках меандровых узлов 3,4 м/сек, что влияет на размер плотины.

В разные времена года водохранилище по разному влияет на микроклимат прилегающих к нему ПТК: охлаждающее и обогревающее влияние. Весной и на протяжении всего лета, независимо от глубины и ширины водохранилища температура воздуха в ПТК прибрежной полосы ниже, чем в "континентальных" ПТК. Осенью и даже в первый месяц зимы водохранилище повышает температуру воздуха в ПТК прибрежной полосы. Таким образом, ПТК прибрежной полосы попадают в зону значительного климатического влияния, которую К.Н.Дьяконов (1984) называет подзоной непрямого влияния рхс ,/ Для установления ширины зоны влияния, влияния силы и направления влияния водохранилища на микроклимат прибрежных ПТК, нами на полиго-нах-трансектах на расстоянии 5, 50 и 100м были синхронно на протяжении 5 лет (1991-1996) проведены наблюдения за температурой воздуха и поверхности грунта, скоростью и направлением ветра.

Установлено, что водохранилище имеет существенное влияние на микроклимат ПТК прибрежной полосы только после его освобождения ото льда. Влияние проявляется на расстоянии, которая зависит от ряда местных факторов: рельефа территории (высота и степень расчлененности поверхности, экспозиции и крутизны склонов); характера растительного покрова; степени хозяйственного освоения территории.

Анализ профилей, построенных по данным наблюдений, (рис.4, которые отражают изменение температуры поверхности, показал, что в ПТК пологих склонов затухание влияния водохранилища происходит медленнее и более равномерно. В ПТК крутых склонов затухание происходит интенсивно на первых сотнях метров. Стойкой границы зоны влияния не наблюдается. Ширина зоны влияния колеблется в пределах 0,3-5 км. Она зависит от времени года, силы и направления ветра, а также типа берега и характера растительного покрова. Подобная картина наблюдается и на других водохранилищах степной зоны.

Четко прослеживаются временные (сезонные и суточные) изменения влияния водохранилища. Сезонные изменения связаны с охлаждающим и обогревающим влиянием водохранилища. Начиная с середины марта (время освобождения водохранилища от льда) до середины сентября акватория имеет охлаждающее влияние на ПТК прибрежной полосы. Ширина зоны влияния колеблется от 0,3 до 2,0 км, а разница температуры воздуха в ПТК этой зоны и "континентальных" ПТК составляет 0,2-0,9 С.

Со второй половины сентября до середины декабря акватория водохранилища имеет отепляющее влияние. Подветренные берега получают больше тепла, чем наветренные, а зона влияния значительно расширяется (до 5 км). Температура воздуха в ПТК этой зоны на 0,3-1,2 С выше, чем в "континентальных" ПТК. Даже образование снежного покрова в этой зоне происходит на 2-3 дня позже.

Охлаждение воды в водохранилище при отрицательной температуре воздуха гіроисходит в условиях осеннего гомотермии. К моменту перехода темнературы через ноль четко выражена термическая неоднородность по акватории водохранилища, которая является следствием различных запасов тепла из-за большой изменчивости морфологических характеристик, а также гидравлических особенностей отдельных участков. Кроме того, интенсивность теплообмена по акватории водохранилища большей частью различна вследствие метеоусловий. Последовательность процессов охлаждения водных масс и замерзания акватории водохранилища определяет интенсивность перемешивания масс воды на отдельных участках акватории, которая увеличивается в два-три раза и более. К моменту перехода температуры воздуха через ноль различия в температуре воды по акватории составляет 2-5 С (данные 1997 года), в Кунцевском водохранилище 3-6 С (1997г.), Шишакском 3-7С (1997г.). При этом температура воды у плотины ниже чем на участке расположенном выше по течению. На Краснопавловском водохранилище в 1994 году после перехода температуры воздуха через ноль колебания температуры воды по акватории достигли 3-9С, на Кунцевском 4-0С, Шишакском 3-9С.

В зависимости от охлаждения водных масс определяются сроки проявления ледовых явлений на отдельных участках. Процесс замерзания, как правило, носит неустойчивый характер. В течение осенне-зимнего периода наблюдается повторное образование ледяного покрова. По данным наблюдений в 1989, 1991, 1993 годах на Краснопавловском водохранилище ледостав наблюдался дважды - в конце ноября и в конце декабря.

Во влиянии водохранилища четко просматриваются и суточные изменения. В ночное время, начиная с апреля по май, акватория имеет обогревающее влияние на ПТК прибрежной полосы. Это связано с разной скоростью охлаждения воды и суши. Ночное обогревающее влияние водохранилища уменьшает вероятность весенних заморозков в этих ПТК. Четко просматриваются изменения суточной циркуляции воздушных масс. В первой половине дня фиксируется дневной бриз. В марте-сентябре он понижает температуру воздуха и повышает значения абсолютной и относительной, влажности воздуха в ПТК прибрежной полосы. Осенью фиксируется ночной бриз. Изменение метеоэлементов в зоне влияния водохранилища нарушает внутрисистемные связи в ПТК и существенно влияет на их динамику. 4.4 Изменение в ПТК береговой зоны и в нижнем бьефе. По мнению С.Л.Вендрова и К.Н.Дьяконова (1976), трансформация происходит в несколько этапов: исходный, глубинных изменений свойств почвенного и растительного мира связанных с интенсивным обводнением (3-5 лет), формирование нового режима, стабилизация процессов. Сфера влияния водохранилища имеет свою специфическую структуру. По мнению А.Ю.Ретеюма, она делится на подзону прямого влияния (глубина залегания грунтовых вод связана с уровнем воды в водохранилище) и подзона косвенного влияния. К.Н.Дьяконов (1975) в подзоне прямого влияния выделил четыре пояса: пояс периодического затопления, пояс сильного подтопления, переходный пояс, пояс умеренного и слабого подтопления.

Образование и функционирование Краснопавловского водохранилища определило затопление и уничтожение почвенного и растительного покрова на площади около 30 км2. То же самое произошло и частью фаунистических комплексов, некоторые из них мигрировали в другие места проживания.

Экосистемы испытывают прямое и косвенное влияние. Интенсивность влияния в подзоне прямого влияния водохранилища определяется главным образом величиной поднятия уровня грунтовых вод. В подзоне косвенного влияния на биосистемы передаются изменения элементов местного климата, соотношения тепла и влаги.

Территория, на которой после образования водохранилища произошло поднятие уровня грунтовых вод, а суточные, декадные, месячные и годовые колебания тесно связаны с уровнем воды в водохранилище, относится к подзоне прямого влияния.

Критерии подобия и аналоги Краснопавловскои гидротехнической системы

Закономерности развития Краснопавловской гидротехнической системы мы с определенными поправками перенесли на другие подобные, но менее изученные водохранилища. Строгого подобия между водохранилищами северостепной подзоны и Краснопавловским ожидать трудно, т.к. неизбежно будет некоторый диапазон определенных отклонений. Для решения этой задачи мы не ограничивались констатацией сходства изученного объекта с другими водохранилищами, а провели следующие операции:

1) физиономическое изучение и поиски аналогов,

2) нахождение доказательств подобия,

3) возможность экстраполяции выявленных качеств Краснопавловской гидротехнической системы на другие объекты.

Исходной информацией служили топокарты различного масштаба, литературные, фондовые источники. В условиях рассматриваемой подзоны водохранилища используются комплексно (для водоснабжения, орошения, рыборазведения). Аналоги водохранилища подбирались исходя из общности природы головного процесса изменяющего природные условия с сходными качественными и количественными критериями. Рассмотренное водохранилище относится к классу средних, по классификации А.Б.Авакяна (1987).

Подобных объектов большое количество в Донецкой области (18), Кировоградской (8), Луганской (12), Запорожской (6), Одесской (13), Полтавской (9), Харьковской (3), Черкасской (5). Большинство из них находятся в стадии стабилизации. Преобладающие в сфере влияния процессы - явление многофакторное и разностороннее, действующее длительное время. В течении этого времени силы действующие на гидротехническую систему периодически меняются. Для оценки возможного подобия мы сопоставляли, обобщали, генерализировали качества водохранилищ и сравнивали их отдельные характеристики. Аналогии устанавливались также путем конкретных наблюдений доступных теоретической и практической проверки. В связи с тем, что рассмотренные водохранилища существенно-не отличаются по амплитуде колебаний уровня, высоте волн, размером, объемом, их можно отнести к одной группе (так называемый групповой аналог). Данный уровень аналогии уже позволяет провести некоторую экстраполяцию с большими погрешностями. Чтобы их избежать мы попытались выйти на изоморфный уровень. Вполне естественно, будут исключаться водохранилища находящиеся на территории Украинского кристаллического щита. Здесь в долинах рек отложения палеогена и неогена размыты и докем-брийские породы образуют скальные отложения. Формирование берегов, зоны гидрогеологического влияния здесь будут иметь свои специфические черты, которые являются целью отдельного исследования. Сходные условия будут в районе степной области южных отрогов Подольской возвышенности, где коренные породы перекрыты лессами и лессовидными суглинками, которые являются почвообразующими породами и играют большую роль в формировании ландшафтов. Речные долины здесь имеют также как и в нашем районе большую ширину и корытообразную форму. Большая мощность лессовых пород и похожее строение речных долин наблюдается в Левобережно-Днепровской северо-степной провинции. Находящиеся здесь гидротехнические объекты в целом могут иметь такие же законы развития. Николаевское, Шевченковское, Приволчанское, Вязовское, Карловское и др. водохранилища имеют примерно такие же объемы воды как и Краснопавловское. Почвенный покров характеризуется однообразием зональных типов почв. Коренную основу современных ландшафтов образуют палеогеновые и неогеновые отложения. Водохранилища, находящиеся в районе северо-степной области северовосточного Приазовья, нельзя принимать в качестве аналога. Кристалические породы (граниты, магматиты, нефелиновые сиениты) в долинах рек обнажаются, встречаются скальные гряды и «могилы». Абсолютные отметки высот значительно выше и достигают 200-300 м. Мощность лессовых пород невелика. Физико-географическая обстановка Старобельского района имеет черты сходства с Левобережно-Днепровским. Антропогеновые отложения мощные (до 20м) и представлены лессовыми породами. Распространена овражно-балочная местность. Почвы черноземные.

Согласно методике разработанной Л.Б.Розовским (1969) и др. для перехода к изоморфному уровню подобия необходимо сопоставить следующие критерии: форма водохранилища; направление вытянутости; объем, глубина, протяженность береговой линии; режим уровня; динамика изменения площади водохранилища в течении года; мера ландшафтной неоднородности района.

Водохранилище по форме (согласно классификации И.А.Лифанова (1946)) является разветвленным. Мы считаем, что, если условно не учитывать заливы водоема (напомним, что именно в этих местах особенно широка зона мелководий происходит прогрессивное увеличение аккумулятивных форм подводного рельефа), подобные водохранилища напоминают острый конус. Таких водоемов в Левобережно-Днепровской и Старобельской провинции мало. Это Новопсковское, Карловское, Луганское и др. Следующей чертой подобных водоемов является полярность заключающаяся в выраженном различии между основанием (у плотины) и верхушкой Это Старобешевское, Новоай-дарское, Карловское, Луганское, Булавинское, Остапьевское, Сухорабовское, Клебон-Быкское, Кураховское, Новопсковское, Вязовское. Нами учитывалось также характер распределения притоков. На Краснопавловском водохранилище притоки имеют очередное расположение. Подобный характер притоков наблюдается на реках Волчья, Самара, Терновка и др.

Данные в таблицах также показывают сходство между Краснопавлоским Карловским, Остапьевским, Кураховским и др. водохранилищами.

Для того чтобы описать математически приведенные в таблице соотношения площадей водохранилищ, нами был применен регрессионный анализ. Основным способом отыскания уравнения служил метод основанный на принципе наименьших квадратов. Это значит, что уравнение ищется в заданном классе функций и выборочные числовые данные используются лишь для определения неизвестных коэффициентов. Задача сводилась к тому, чтобы найти набор коэффициентов. Полученные нами уравнения для разных водохранилищ можно назвать статистическими, математическими моделями, которые отличаются тем, что в принципе они не требуют знания механизмов процессов. На данном этапе исследования эти модели позволили отыскать наиболее точные аналоги Краснопавловского водохранилища. Для более полного раскрытия вопроса по поиску аналогов Краснопавлов-ского водохранилища, мы рассчитали коэффициент ландшафтной неоднородности в изучаемом районе и районе Кардовского водохранилища, которое было также охвачено полевыми исследованиями.

Ландшафтное исследование любой территории связано с характеристикой структурных частей геосистем. При этом понятие "геосистема" охватывает весь иерархический ряд природных географических объектов, от географической оболочки до её элементарных структурных подразделений. Сложность строения геосистемы находится в прямом соответствии с ее положением в иерархическом ряду.

Структурными частями географической или ландшафтной оболочки служат геосистемы регионального и топологического уровня. Узловая региональная система - это ландшафт, для обособления которого по Н.А. Солнцеву необходимы следующие условия: территория с однородным геологическим фундаментом, одинаковая история развития, одинаковый климат, и при любых климатических условиях он остается однообразным. При таких условиях на территории каждого ландшафта создается строго ограниченный набор природных территориальных комплексов - местностей, урочищ, фаций, создающих его характерный внутренний узор или морфологию. Природные территориальные комплексы - результат действия геосистемы.

Таким образом, ландшафт как особое природное тело обладает относительной автономностью, независимостью от окружающей среды. Это свойство было замечено еще Г.Ф. Морозовым, который полагал, что ландшафты - "естественные единицы, на которые распадается природа любого места на земном шаре, - представляют собой как бы фокусы или узлы, в которых скрещиваются взаимные влияния общего и местного климата, с одной стороны, рельефа и геологических условий - с другой, растительности и животного мира - с третьей" (Морозов Г.Ф. 1916, стр.7).

Исследуемые нами Краснопавловское и аналог Карловское водохранилища находятся на равнинных ландшафтах северной степной подзоны Украины. Именно для данной территории И.М.Крашенинников (1951) доказал, что пространственно-временное единство природных комплексов обусловлено общим по своей направленности "географическим циклом" гидрогеоморфологических и связанных с ними почвенно-фитоценотических процессов с определенной последовательностью смены фаз. Данные процессы образуют в пределах подзоны определенный спектр ландшафтов, обладающих Типичными структурными характеристиками. Главные черты морфоструктуры ландшафтов двух изучаемых районов сформировались в неогене. В плейстоцене оформились основные элементы морфоскульптуры.