Оценка состояния и комплексное обустройство водосбора р. таналык республики башкортостан

На правах рукописи

КУТЛИЯРОВ ДАМИР НАИЛЕВИЧ

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И КОМПЛЕКСНОЕ

ОБУСТРОЙСТВО ВОДОСБОРА Р. ТАНАЛЫК

РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре природообустройства, строительства и
гидравлики ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Хафизов Айрат Райсович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Исаева София Давидовна

кандидат технических наук, доцент

Корнеев Илья Викторович

Ведущая организация: ГУП Управление «Башмелиоводхоз»

Защита состоится «21» апреля 2009 г. в 15 часов в ауд. 201/1 на заседании совета Д 220.045.01 при Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, тел./факс:
8 (495) 976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан и размещен на сайте МГУП «20» марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н. Т.И. Сурикова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время развитие народного хозяйства характеризуется прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала природных ландшафтов, современные темпы использования которого в значительной степени усиливают антропогенное воздействие на природную среду. Существенное влияние на формирование экологической среды природных ландшафтов оказывают сельское хозяйство, водохозяйственное и мелиоративное строительство, добыча полезных ископаемых.

Наряду с достижением определенного положительного эффекта хозяйственная деятельность человека сопровождается неизбежным комплексом негативных экологических последствий и приводит к осложнению экологической ситуации различных природных систем. Наиболее ярким примером такой сложной системы является водосбор реки.

Недостаточность знаний о закономерностях взаимодействия природных и антропогенных факторов, о процессах, развивающихся в природной среде при комплексном обустройстве водосборов, является одним из препятствий на пути к созданию экологически устойчивых и экономически эффективных систем функционирования водосборов.

Научный интерес к оценке экологического состояния водосборов рек и проблеме их комплексного обустройства возник сравнительно недавно. Это объясняется повышением в современных условиях антропогенной нагрузки на водосборы, необходимостью оценки степени воздействия таких нагрузок на экологическую устойчивость водосборов и возникновением проблемы обеспечения устойчивого функционирования водосборов.

В основе научных исследований и решений поставленной проблемы лежат труды Л.С. Берга, В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, А.Н. Костякова, А.В. Ковды, Б.Б. Полынова, И.Р. Пригожина, а также И.П. Айдарова, А.И. Голованова, С.Д. Исаевой, Л.В. Кирейчевой, В.Н. Краснощекова, Д.А. Манукьяна, Б.С. Маслова, Н.И. Парфеновой, В.В. Пчелкина, Л.М. Рекса, Н.Ф. Реймерса, Н.М. Решеткиной, В.И. Сметанина, В.В. Шабанова и др.

Вопросам обустройства водосборов рек и мелиорации земель Республики Башкортостан посвящены труды Р.Ф. Абдрахманова, Б.Н. Батанова, И.М. Габбасовой, А.М. Гареева, А.В. Комиссарова, Х.М. Сафина, А.Р. Хафизова и др.

Однако, труды отечественных и зарубежных учёных свидетельствуют о необходимости дальнейшего развития научного обоснования мероприятий комплексного обустройства водосборов. Расширение предметной области исследований обеспечивает повышение надежности научного обоснования комплексного обустройства интенсивно освоенных водосборов и обеспечение их устойчивого функционирования.

Одним из интенсивно осваиваемых водосборов Республики Башкортостан (РБ) является водосбор р. Таналык, расположенный в степной зоне Башкирского Зауралья. По ландшафтным признакам водосбор относится к ландшафтной стране Б (уральские горы и плоскогорья с высотными - поясными и зональными ландшафтами умеренного климата); горно-степной области; Зауральской типично степной мелкосопочно-плоскогорной провинции. Природные ландшафты водосбора испытывают воздействие человека уже на протяжении длительного времени. Особенно сильные изменения произошли за последние 50 лет: продолжается интенсивное сельскохозяйственное освоение территории, увеличиваются объемы добычи полезных ископаемых и их переработки. Ситуация, сложившаяся в результате такого интенсивного антропогенного вмешательства, вызывает ответную реакцию со стороны естественных ландшафтов водосбора.

Актуальность проведенных исследований обусловлена необходимостью обоснования мелиоративных мероприятий и развития научных представлений в этой области.

Комплексный подход к обоснованию необходимости обустройства и мелиорации водосбора р. Таналык в настоящей работе является логическим развитием адаптивно-ландшафтного подхода к созданию высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов.

Основным методом изучения таких природно-техногенных систем, как водосборы является моделирование. Взаимосвязанные природно-техногенные объекты представляют собой многоуровневую систему подобъектов, имеющих свои собственные атрибуты. Набор средств для решения задач, связанных с изучением местности водосбора и представлением набора информации, наиболее полно реализован в рамках геоинформационных систем (ГИС).

Цель и задачи исследований.

Цель исследований – оценить экологическое состояние, разработать модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык и дать рекомендации для комплексного обустройства водосбора.

Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1) дать оценку современного состояния природной среды водосбора р. Таналык и обосновать необходимость его комплексного обустройства;

2) разработать модель устойчивого функционирования водосбора и выделить основные критерии экологической устойчивости его территории;

3) разработать расчетную методику прогноза химического состава воды водохранилищ изучаемого водосбора;

4) на основе теоретических и экспериментальных исследований оценить опасность и риск развития аварийных ситуаций на ГТС водохранилищ водосбора р. Таналык;

5) разработать информационную модель водосбора, используя геоинформационные системы (ГИС);

6) разработать практические рекомендации по комплексному обустройству водосбора р. Таналык.

Объектом исследования является водосбор р. Таналык.

Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются геосистемный и статистический подходы, базирующиеся на методах моделирования, статистики, регрессионного анализа и теории вероятности. Для статистической обработки данных натурных исследований использованы пакет анализа данных Excel и система обработки данных STATISTICA.

Научная новизна:

• впервые проведена комплексная оценка современного состояния водосбора р. Таналык и разработана методика комплексного обустройства с учетом оценки устойчивости водосбора;
• разработана модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык и обоснованы пути обустройства водосбора;
• предложена расчетная методика прогноза химического состава воды водохранилищ для условий степной зоны Башкирского Зауралья;
• проведены экспериментальные исследования фильтрационного состояния грунтовых плотин водохранилищ водосбора р. Таналык и предложена зависимость для расчета фильтрации плотин для степной зоны, на основе комплексного подхода оценены опасность и риск возникновения аварий на ГТС водохранилищ;
• разработана информационная модель водосбора с использованием
  ГИС - технологий;
• разработаны рекомендации по комплексному обустройству водосбора р. Таналык.

Практическая значимость.

Полученные результаты дают достоверное представление о структуре и современном состоянии ландшафтов водосбора р. Таналык, позволяют обеспечить устойчивое функционирование водосбора и могут быть учтены при оптимизации технологии использования природных ресурсов территории. Модель «ГИС – водосбор р. Таналык», интегрирующая большой объем данных о водосборе, является составной частью информационного обеспечения управления и охраны природных ресурсов, а также служит для оперативного и качественного представления информации при обустройстве водосбора р. Таналык.

Основные результаты исследования использованы:

• для разработки рекомендаций при прогнозе качества воды Акъярского Бузавлыкского водохранилищ, при гидрогеолого-мелиоративной оценке состояния лиманов Маканской оросительной системы;
• при разработке проектов и деклараций безопасности водохранилищ степной зоны Башкирского Зауралья;
• в учебном процессе ФГОУ ВПО «БГАУ» при проведении автором занятий по дисциплинам «Природоохранные сооружения», «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», «Природно-техногенные комплексы», «Основы комплексного природопользования».

Полученные в процессе исследования результаты приняты к внедрению в ОАО ПИИ «Башгипроводхоз» и ГУП Управление «Башмелиоводхоз».

Материалы ГИС могут быть использованы для дальнейшей планировки и обустройства региона.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003 г.), «Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005 г.), «Природоресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2006 г.), «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» (Москва, 2006 г.), «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008 г.), на Всероссийской конференции молодых ученых «Экономические, правовые, технические и экологические аспекты землеустройства и земельного кадастра»» (Москва, 2004 г.), на Всероссийском научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы - 2005» (Уфа-Москва, 2005 г.), на Республиканской научно-практической конференции «90 лет мелиорации земель в Республике Башкортостан» (Уфа, 2004 г.), на Межрегиональной научно-практической конференции «Чистая вода Башкортостана-2008» (Уфа, 2008 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Башкирского государственного аграрного университета в 2003-2008 гг.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 31 печатная работа общим объемом 7 п.л., в т.ч. 4 в журналах, включенных в список ВАК («Мелиорация и водное хозяйство», «Достижения науки и техники АПК», «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель»).

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений, списка литературы. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 35 рисунков. Библиографический список включает 245 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены выносимые на защиту основные положения, их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе «Анализ современного состояния водосбора р. Таналык Республики Башкортостан» проведен анализ изученности комплексного обустройства водосборов рек, анализ современного состояния природных условий исследуемого объекта.

Основные цели и функции обустройства речных водосборов разработаны А.И. Головановым, В.В. Шабановым и др. Согласно их концепции, водосборы рассматриваются как особым образом объединенные по принципу единства гидрогеохимических потоков геосистемы, выполняющие важные средообразующие или экологические функции и являющиеся пространственным базисом для природопользования.

Окружающая среда водосбора р. Таналык является весьма сложной с экологической точки зрения, легко ранимой для антропогенного воздействия системой, изучение которой требует соответствующего комплексного подхода как направления совершенствования научного познания.

Водосбор р. Таналык характеризуется следующими данными:

• водосбор р. Таналык относится к засушливой зоне, где среднемесячные расходы в реках в меженные периоды – менее 1 м3/сек, при густоте речной сети 0,24 км/км2;
• более 55% площади сельхозугодий водосбора подвержены эрозионным процессам, а 25% являются потенциально эрозионно-опасными;
• 542,43 км2 пашни подвержены интенсивной ветровой и относительно слабой водной эрозии;
• почвы в основном представлены маломощными разновидностями малогумусных черноземов;
• имеющиеся черноземные почвы чрезмерно распаханы и подвергаются интенсивной обработке, являющейся причиной иссушения степных ландшафтов;
• на территории водосбора практически отсутствует лес (
• основными загрязнителями окружающей среды водосбора являются предприятия аграрного производства, стоки коммунально-бытовых, добывающих и перерабатывающих предприятий.

В процессе исследования изучен опыт зарубежных стран. За рубежом проекты по обустройству водосборов представлены в виде землеустроительной и природоохранной документации, разрабатываемой на определенную эколого-ландшафтную структуру. Задачами таких мероприятий в Германии, Австрии, Венгрии и др. странах является выбор оптимальных видов землепользований, рационального состава угодий и посевов на основе требований агроэкологии с размещением экологических коридоров, микрозаповедников и других элементов экологической инфраструктуры.

Во второй главе «Теоретические предпосылки комплексного обустройства (мелиорации) водосбора р. Таналык» определена необходимость комплексного обустройства (мелиорации) водосбора р. Таналык, разработана и исследована модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык.

Суть моделирования состоит во всестороннем анализе, обосновании и достоверном использовании принятых решений в отношении техногенных объектов с учетом стабильного состояния природных объектов водосбора.

Водосбор р. Таналык (рис.1) рассматривается как единая геоэкологическая система.

Суть комплексного обустройства водосбора состоит в целостном восприятии его природных комплексов как сложной саморегулирующей системы.

Водосбор р. Таналык представляет собой относительно замкнутое природное образование со своими естественными границами. Площадь водосбора составляет 4160 км2. Природный ландшафт водосбора является производной геоэкологического взаимодействия отдельных его составляющих. Обозначив интегральную характеристику элементарного природного ландшафта через еp, а комплексные характеристики локального состояния сред через еi, механизм структурного образования ландшафта (водосбора) можно выразить полным
дифференциалом функции v(t):

. (1)

Как в любой открытой системе, внутри водосбора идет единый интегральный, взаимосвязанный процесс обмена потоков вещества, энергии и информации, который обусловливает эволюцию природных систем и функционирование техно - природных систем.

Рис. 1. Схема водосбора р. Таналык

Анализ литературных данных и материалов собственных исследований позволил сформулировать и разработать обобщенную модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык (рис. 2). Модель позволяет обосновать комплекс мероприятий по снижению негативных последствий антропогенной деятельности.

Основной целью разработки модели является выявление элементов мелиоративных систем, с помощью которых представляется возможным повысить экологическую устойчивость (стабильность) функционирования водосбора.

Модель состоит из трёх основных и взаимосвязанных подсистем:

• природная подсистема, состоящая из биотических и абиотических компонентов системы;
• антропогенная подсистема, состоящая из мелиоративной и техногенной подсистемы.
• управленческая подсистема, которая состоит из блока информации и лица, принимающего решения в системе управления; принятие решений
  
  

Рис. 2. Обобщенная модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык

поддерживается использованием экспертных систем, баз данных, систем мониторинга, которые позволяют реализовывать принцип адекватности воздействий и предсказуемости.

Для обеспечения устойчивого функционирования водосбора управленческая подсистема ставит и оперативно решает задачи: анализ состояния водосбора, проведение прогнозных исследований, оценка риска аварий (сценарные исследования), разработка модели «ГИС-водосбор р. Таналык».

Экологическая устойчивость водосбора оценивается коэффициентом экологической устойчивости техноприродных систем на водосборах (А.И. Голованов).

. (2)

где F – площадь водосбора; fi – площадь i-го угодья; – коэффициент стабильности; - коэффициент, учитывающий геолого-морфологическую устойчивость рельефа.

Расчеты показали, что для водосбора р. Таналык коэффициент составляет 0,23 и по принятой классификации оценивается как «очень низкий», что соответствует неудовлетворительному экологическому состоянию.

Учитывая сложные экологические условия водосбора р. Таналык, критерий устойчивого функционирования водосбора Кс принят равным 0,34, т.е. ставится задача повысить коэффициент экологической устойчивости до уровня «низкой степени» экологической устойчивости.

Модель «ГИС- водосбор р. Таналык» обеспечивает сбор, обработку, отображение пространственно-координированных данных, интеграцию данных о территории водосбора для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением состоянием водосбора р. Таналык.

Управление моделью осуществляется через мелиоративную подсистему. Мелиоративные мероприятия на водосборе в первую очередь оптимизируют тепло- и влагообеспеченность, устраняют кислотность, засоленность, осолонцованность, загрязненность почв, смягчают антропогенные техногенные воздействия на агроландшафт водосбора, повышают его экологическую устойчивость, улучшают экологические показатели биотических и абиотических компонентов водосбора, создают на сельхозугодиях требуемый мелиоративный режим, обеспечивающий оптимальные урожаи.