Автор: С. М. Новиков
Болота и заболоченные земли в нашей стране занимают около 10% территории. По приближенной оценке, площадь осушенных земель в стране к 1976 г. составляла около 13 млн. га. Наиболее развиты осушительные мелиорации в Белоруссии, Украине, в республиках Советской Прибалтики и в Нечерноземной зоне РСФСР.
Распределение осушаемых земель по речным водосборам крайне неравномерно: наибольшая доля осушенных болот, заболоченных и переувлажненных земель приходится на реки бассейна Балтийского и Черного морей, наименьшая — на реки бассейнов северных морей. Так, площадь осушенных земель в настоящее время в бассейнах рек Днепра (до г. Киева), Немана (до г. Смалининкай), Западной Двины (до хут. Липши) составляет соответственно 7,3, 22 и 28% от площади водосборов, в то время как в бассейнах рек Северной Двины (до с. Усть-Пинега), Печоры (до с. Усть-Цильма), Енисея (до г. Игарка) она значительно меньше и равна соответственно 0,6, 0,13 и 0,22%. Следует иметь в виду, что процент мелиорированных земель на речных водосборах повышается с уменьшением площади бассейна. На средних и особенно малых водосборах на долю осушенных земель может приходиться до 40—50% площади речного бассейна.
До недавнего времени при проведении мелиоративных работ на болотах, заболоченных и переувлажненных землях строились преимущественно осушительные системы одностороннего действия, обеспечивающие сброс избыточных вод с переувлажненных территорий. Однако, как показал опыт ведения сельского хозяйства на осушенных землях, даже в нормальные по увлажнению годы в зоне избыточного увлажнения бывают периоды, когда сельскохозяйственные культуры испытывают недостаток в воде. Поэтому для получения высоких и устойчивых урожаев даже в этой зоне необходимо орошение полей. В последние годы в практику мелиоративного строительства широко внедряются осушительно-увлажнительные системы, способные обеспечить оптимальный водный режим для сельскохозяйственных растений в течение всего вегетационного периода в разные по увлажнению годы.
С каждым годом темпы развития мелиоративных работ на заболоченных и переувлажненных землях возрастают. Наибольшее развитие осушительные мелиорации получат в РСФСР, БССР, УССР, несколько меньшее — в республиках Советской Прибалтики, где большая часть нуждающихся в осушении земель к настоящему времени уже мелиорирована. Наряду с осушением новых земель будут вестись большие работы по реконструкции старых осушительных систем.
Значительные площади осушения не могут не сказаться на водном режиме и водных ресурсах мелиорируемых территорий.
Водный режим осушаемых земель, используемых в сельском хозяйстве, значительно улучшается, поскольку при осуществлении мелиоративных мероприятий ставятся задачи создания оптимального водного режима для сельскохозяйственных культур. При проектировании мелиоративных мероприятий, как правило, не принимается во внимание и не учитывается возможное изменение водного режима прилегающих территорий, которое обычно связано с понижением уровня грунтовых вод. Последнее в большинстве случаев ведет к ухудшению условий водного режима в верхнем корнеобитаемом слое почво-грунтов, что отрицательна сказывается на прилегающих к мелиорируемым землям территориях. Поэтому основная задача при проведении мелиоративных работ должна состоять в улучшении водного режима не только осушаемых земель, но и прилегающих к ним территорий.
Комплексные исследования естественных и осушенных болот в частности их водного режима и водно-теплового баланса водно-физических свойств торфяной залежи и др., выполненные за последние 15—20 лет, показывают, что влияние осушения болот на сток рек и составляющие водного баланса речных водосборов не однозначно (положительное или отрицательное). Степень и направление этого влияния зависят от результирующего воздействия ряда факторов, обусловливающих формирование рассматриваемых элементов и действующих нередко в противоположных направлениях. Так, прокладка сети осушителей на болотах создает благоприятные условия для стока болотных вод с этих территорий. В то же время понижение уровня грунтовых вод при осушении и связанное с ним уменьшение влагозапасов торфяной залежи ведут к увеличению аккумулирующей емкости зоны аэрации, что способствует замедлению и частичному снижению стока. И еще одна особенность. Снижение уровня воды на болоте в результате осушения уменьшает испарение с них, использование же осушенных болот под интенсивное сельскохозяйственное производство и лесное хозяйства способствует повышению испарения. В результате изменения стока и испарения с болот под влиянием их осушения и освоения в каждом случае будет определяться результирующим влиянием основных факторов, преобразующих эти характеристики (густота осушительной сети, норма осушения, характер и качество использования осушенных земель и т. д.). Для малых рек, помимо перечисленных факторов, большое значение имеют гидрогеологические условия района, т. к. изменение стока на таких реках при мелиорации может быть вызвано существенным изменением механизма стекания и поступления талых и дождевых вод в речную сеть после создания осушительной сети.
В результате многолетних исследований гидрологического режима рек, в бассейнах которых проводились и проводятся осушительные мелиорации на болотах, заболоченных и переувлажненных землях, накоплен определенный опыт при изучении влияния осушения на водные ресурсы и режим. На основе этих исследований выявлены общие закономерности и характер влияния осушительных мелиораций на элементы водного режима и составляющие водного баланса болотных массивов и речных водосборов.
Исследование влияния осушения на атмосферные осадки, выполненные в ГГИ, показывают, что при современных масштабах мелиоративных работ в зоне избыточного увлажнения заметных изменений в величинах осадков ожидать не следует. Изменения осадков находятся в пределах точности их измерений. Возможно, что при осушении заболоченных и переувлажненных площадей, занимающих огромные территории (сотни тысяч квадратных километров), может измениться эта составляющая, хотя некоторые исследователи считают данные изменения маловероятными. В связи с этим в настоящее время при оценке влияния осушительных мелиораций на элементы гидрологического режима, например годового стока, с использованием метода водного баланса величина осадков принимается независимой от осушения.
Влияние осушения на характеристики гидрологического режима и составляющие водного и теплового балансов проявляется непосредственно на мелиорируемой площади и несколько меньше — на прилегающих территориях. Степень влияния осушения на водный режим речных водосборов при прочих равных условиях в значительной мере зависит от величины относительной площади осушенных земель на водосборе.
Изменение составляющих водного баланса болот и заболоченных земель (испарения и стока) под влиянием осушения обусловливает изменение водных ресурсов и гидрологических характеристик речных водосборов, которое необходимо учитывать при планировании развития народного хозяйства на перспективу. При этом следует иметь в виду, что влияние осушенья на режим малых и крупных рек из-за различий в их дренирующей способности может существенно отличаться и даже проявляться в различных направлениях. Если малые реки, в бассейнах которых проводятся осушительные мелиорации, по величине вреза русла часто сопоставимы с глубиной осушительной сети, то в результате осушительных мероприятий водность их может резко снижаться или возрастать при весьма малом изменении или даже неизменности стока крупных речных бассейнов, в состав которых они входят. Однако и при одинаковых площадях водосборов осушение болот и заболоченных земель по-разному сказывается на водном режиме рек в зависимости от климатических, гидрогеологических я почвенных условий водосбора, степени его заболоченности, типа болот и характера их мелиорации и освоения; в одних случаях это влияние незначительно, в других проявляется вполне отчетливо.
При исследовании влияния осушительных мелиораций на характеристики речного стока обычно применяются либо метод аналогов, или контрольных водосборов, либо метод водного баланса, либо, наконец, метод, основанный на использовании связей стока с определяющими его метеорологическими факторами. Сложность использования перечисленных методов заключается в основном в недостатке исходной информации по гидрологическому режиму и гидрографическим характеристикам мелиорируемых и контрольных водосборов, а также надежных сведений о хозяйственной деятельности на водосборах. Это обстоятельство — иногда одна из причин разноречивых выводов о характере влияния осушительных мелиораций на гидрологические характеристики речных водосборов.
Влияние осушения на годовой сток. Этот вопрос, которому посвящено наибольшее количество исследований, все еще нельзя считать окончательно решенным. Большинство исследователей приходят к выводу, что осушительные мелиорации способствуют увеличению годового стока особенно в первые годы после завершения строительства осушительных систем. Как показывает анализ, это происходит за счет сработки так называемых «вековых запасов» болотных и грунтовых вод и уменьшения суммарного испарения, обусловленного более низкими уровнями воды на болоте и сокращением длительности затопления пойм. По данным К. А. Клюевой и Ю. М. Покумейко (1975), полученным для 50 мелиорируемых водосборов Белоруссии, годовой сток на 26 из них после проведения осушительных работ увеличился, на остальных водосборах заметно не изменился. Наибольшее повышение годового стока (от 32 до 44%) произошло на водосборах Белорусского Полесья. Выводы об увеличении годового стока рек под влиянием осушительных мелиораций получены и некоторыми другими исследователями как для рек Белоруссии, так и для рек Украины, Прибалтики и центральных районов РСФСР. Наряду с выводами об увеличении годового стока рек под влиянием осушительных мелиораций имеются данные, свидетельствующие о том, что годовой сток на некоторых мелиорированных водосборах не меняется, а на некоторых — даже уменьшается. Последнее можно объяснить либо увеличением испарения после осушения и освоения болот, либо переводом части поверхностных вод в грунтовые потоки, дренируемые более крупными реками.
На гидрологически замкнутых речных водосборах, которыми обычно являются бассейны крупных, реже — средних рек, изменение годового стока под влиянием осушения, как уже отмечалось, может быть обусловлено сработкой «вековых запасов» болотных и грунтовых вод и изменением испарения. Принимая во внимание эти два фактора, в работе Новикова и Гончаровой (1978) сделана попытка прогнозирования изменения годового стока крупных рек под влиянием осушительных мелиораций.
Из-за небольшого ежегодного прироста площади осушенных земель на речных водосборах (1—3%, реже — 4—5%) увеличение годового стока за счет сработки вековых запасов может составить 12—20 мм, т. е. величину порядка 10—15% от нормы годового стока. Необходимо иметь в виду, что сработка запасов болотных и грунтовых вод является временным процессом и поэтому прибавку к годовому стоку, обусловленную этим процессом, следует рассматривать как одноразовую.
Таким образом, в результате осушения болот и переувлажненных земель годовой сток на мелиорируемых водосборах за счет рассмотренного фактора должен увеличиваться. Однако, как уже было отмечено, годовой сток после мелиорации увеличивается лишь на части осушаемых бассейнов, на остальных водосборах он либо не изменяется, либо даже уменьшается. Нарушение закономерности в изменении годового стока после осушения, о которой уже говорилось ранее, обусловлено сложным характером проведения мелиоративных работ на речных водосборах (повторное осушение болот, реконструкция осушительных систем, малый процент ежегодного осушения и др.).
Вторым фактором, который учитывался при составлении прогноза изменения годового стока после осушения, было испарение.
Исходя из условий необходимости внедрения в практику мелиоративного строительства осушительно-увлажнительных систем для получения высоких и устойчивых урожаев, в расчетной схеме было принято, что испарение с осушенных и эффективно осваиваемых земель будет равно испаряемости.
Ввиду отсутствия данных о перспективах осушения болот и переувлажненных земель, обобщенных для речных бассейнов, объемы мелиоративных работ на речных водосборах, необходимые для составления прогноза, определены приближенно по сведениям о перспективах осушительных мелиораций отдельных областей, союзных республик и экономических районов.
Данные, заимствованные из работы Новикова и Гончаровой (1978), показывают, что под влиянием осушительных мелиораций (без учета потерь воды на заполнение и испарение с водохранилищ — регуляторов стока, создаваемых для увлажнения осушенных земель) годовой сток крупных рек изменяется незначительно. Наибольшее снижение (8%) среднего годового стока в недалеком будущем можно ожидать на реках Неман и Припять, на которых площадь осушенных земель к этому времени будет довольно значительной. Несколько меньшее изменение этой величины (от 2,4 до 4,1%) ожидается на Западной Двине, Березине и Днепре и совсем малое (менее 1%) — на Волге, Каме, Северной Двине, Оби, Енисее, Печоре. Заметнее снизится годовой сток большей обеспеченности. Так, годовой сток 95%-ной обеспеченности на р. Припять у г. Мозыря уменьшится на 12%, р. Неман у г. Смалининкай — на 10%, р. Днепр у г. Киева — 7%. На реках северо-запада ЕТС — Северной Двине, Печоре и Неве, а также на реках Сибири — Оби и Енисее заметных изменений даже годового стока,95%-ной обеспеченности под влиянием осушительных мелиораций не произойдет в течение ближайших 25—30 лет.
Влияние осушения на максимальный сток. Исследования процесса стока с болот при их осушении, выполненные К. Е. Ивановым (Гидрологические расчеты…, 1963), показали, что величина изменения максимального модуля стока под влиянием осушения зависит от соотношения различных параметров естественных и осушенных болот, густоты осушительной сети, коэффициента фильтрации и водоотдачи торфяной залежи, уклонов поверхности болотных вод, морфологических характеристик. При этом установлено, что в зависимости от соотношения указанных физических параметров максимальный весенний сток с болот под влиянием осушения может как увеличиваться, так и уменьшаться. При обычных средних значениях этих параметров и применяемой в мелиоративной практике густоте осушительной сети низкие весенние максимумы (большой обеспеченности) под влиянием осушения возрастают, а высокие (малой обеспеченности) — снижаются. В результате осушение в целом уменьшает амплитуду колебания весенних максимумов.
Исследования многих авторов, выполненные на основе анализа гидрометрических данных мелиорируемых и контрольных водосборов, подтверждают выводы К. Е. Иванова. Действительно, полученные результаты свидетельствуют о том, что изменения весенних максимумов под влиянием осушения на речных водосборах различаются не только по величине, но, и по знаку. Причем разноречивые выводы о характере влияния осушения на максимальные расходы получены не только разными исследователями, но и одними и теми же авторами по разным водосборам. Так, у К. А. Клюевой и Ю. М. Покумейко (1975), выполнившим глубокий анализ используемых материалов и полученных результатов, на одних водосборах максимальные расходы увеличились, на других — практически не шменились, на третьих — уменьшились. Уменьшение весенних максимальных расходов, по данным К. А. Клюевой и Ю. М. Покумейко (1975), составляет 12—56%, по данным Б. В Фащевского и др. (1973) — 18—25%, по данным А. Г. Булавко (1971) — 9%, по результатам проработок Г. П. Кубышкина (1973) — на 20—40 и 40—60% соответственно для Полесья и лесостепи УССР. Весенние максимумы после осушения, по исследованиям К. А. Клюевой и Ю. М. Покумейко (1975), увеличились на 31—118%, по данным В. Ф. Шебеко (1970) — на 25%. Из результатов исследований, выполненных на ряде малых водосборов Эстонии, следует, что под влиянием мелиорации болот уменьшились максимальные расходы весеннего половодья на этих водотоках. Снижение максимумов в данном случае можно объяснить повышением аккумулирующей емкости зоны аэрации осушенных болот и ростом древесной растительности, снижающей интенсивность снеготаяния на мелиорированных под лес болотах. Можно полагать, что по мере роста леса влияние мелиорации на понижение максимальных расходов будет постепенно возрастать.
По данным исследований, выполненных на мелиорированных водосборах северо-запада ЕТС, максимальные расходы весеннего половодья для рек этого района не претерпевают изменений, что, по-видимому, объясняется весьма малой степенью мелиорации водосборов (в большинстве случаев до 3-5%).
Большое разнообразие оценок изменения максимальных расходов под влиянием осушительных мелиораций можно объяснить разными климатическими и физико-географическими условиями исследуемых водосборов, различной степенью мелиорации и использования осушенных земель, разным положением мелиорированных площадей на водосборе. Однако ввиду недостатка исходной информации и большого разнообразия природных условий мелиорируемых водосборов четких закономерностей в изменении максимального весеннего стока от степени осушения водосборов и других факторов пока не выявлено. Поэтому единственный путь использования результатов этих исследований в практике проектирования заключается в распространении полученной информации о количественных изменениях характеристик стока мелиорированных рек на неизученные водосборы на основе применения метода аналогии.
Влияние осушения на минимальный сток. Величина минимального стока и влияние на него осушения зависят от условий грунтового питания массива, типа болот, характера геоморфологического залегания и, следовательно, наиболее тесно связаны с гидрогеологическими особенностями осушаемых территорий. По данным К. Е. Иванова (Гидрологические расчеты…, 1963), минимальный сток после осушения болот возрастает, причем при редкой осушительной сети он увеличивается приблизительно в 1,7 раза, а при густой сети на верховых торфяных залежах — в 2,2—3,8 раза. К выводу об увеличении минимального стока в результате осушения пришли большинство исследователей, занимающихся проблемой оценки влияния осушительных мелиораций на водный режим. Так, по исследованиям К. А. Клюевой (1974), проанализировавшей материалы наблюдений по 25 мелиорированным водосборам, наибольшее увеличение нормы летнего суточного минимального стока оказалось близким к 200%, наименьшее — к 40%. По данным Ю. М. Покумейко (1976), средние многолетние значения минимального суточного и месячного летнего стока увеличились на 32 из 50 исследуемых водосборов, причем наибольшее увеличение составило 193%, наименьшее — 25%. Минимальный суточный сток за зимний период, по исследованиям К. А. Клюевой (1973), также в большинстве случаев после осушения болот увеличивается.
Влияние осушения на летний меженный сток. При оценке влияния осушения на летний меженный сток большинство исследователей приходят к выводу о том, что осушение ведет к увеличению среднего меженного стока, особенно при осушении массивов с обильным грунтовым питанием. Так, по исследованиям А. Г. Булавко (1971), меженный сток рек Оресса и Ведричь после осушения увеличился в 1,8—2,5 раза, по данным К. А. Клюевой (1973) — на 20—60%. Однако В. Ф. Шебеко (1970) считает, что увеличение минимального и меженного стока в результате осушения характерно лишь для болотных массивов с обильным грунтовым питанием.
Анализ результатов исследований влияния осушительных мелиораций на минимальный сток приводит к выводу о том, что увеличение минимального стока малых и средних рек обусловлено в основном повышением дренирующей способности их русел и отчасти снижением испарения при использовании систем одностороннего действия. Создание глубоких осушителей и особенно выпрямление и углубление рек-водоприемников ведут к дренированию более глубоких горизонтов подземных вод, что и обусловливает повышение минимального стока. Наибольшее увеличение минимальных расходов характерно для водосборов с напорными грунтовыми водами, вскрытие которых при проведении мелиоративных мероприятий и способствует значительному повышению водности этих рек в меженные периоды.
Влияние осушения на внутригодовое распределение стока даже без последующего искусственного регулирования водного режима на осушенных территориях проявляется в некотором выравнивании и более равномерном распределении его по сезонам. Последнее выражается в увеличении стока меженных периодов и уменьшении его на ряде водосборов в весенний период.
Несмотря на большое разнообразие и определенную противоречивость полученных количественных оценок изменений стока, можно сделать ряд общих выводов о влиянии осушения на характеристики стока рек зоны избыточного и достаточного увлажнения.
1. В результате мелиорации болот на водосборах осушительными системами одностороннего действия в большинстве случаев происходит увеличение годового стока, обусловленное уменьшением суммарного испарения и сработкой запасов болотных и грунтовых вод. При интенсивном сельскохозяйственном освоении мелиорируемых земель и особенно в условиях применения осушительно-увлажнительных систем испарение увеличивается и годовой сток приближается к первоначальной величине и может даже несколько снизиться. В целом осушение болот в зоне избыточного увлажнения в практически заметных размерах не изменяет величину среднемноголетнего стока крупных рек. В зоне недостаточного увлажнения и на гидрологически незамкнутых водосборах зоны избыточного увлажнения влияние осушительных мелиораций на среднемноголетнюю величину стока в значительной мере зависит от конкретных гидрогеологических и морфологических условий залегания осушаемых болотных массивов. Приближенная оценка возможных изменений годового стока крупных рек страны под влиянием осушительных мелиораций на 20—25-летнюю перспективу приводит к следующим результатам: наибольшие изменения среднего годового стока (до 8%) можно ожидать к 2000 г. на реках Припять (г. Мозырь) и Неман (г. Смалининкай), несколько меньшие изменения (до 4%) — на реках Днепр (г. Киев) и Березина (г. Бобруйск); на реках Волге, Оби и Енисее уменьшение годового стока к 2000 г. не превысит 1%.
2. Осушение болот существенно преобразует отдельные фазы стока и изменяет внутригодовое его распределение. Осушение способствует выравниванию внутригодового распределения — увеличению минимальных расходов воды и стока за меженный период, а на некоторых водосборах и уменьшению стока за весенний период.
3. Максимальные расходы и объем стока весеннего половодья под влиянием осушения и освоения болот в зависимости от конкретных физико-географических характеристик водосбора, метеорологических условий формирования половодья, типа осушения и характера освоения осушаемой территории могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Четких закономерностей изменения весенних максимумов от степени и характера осушения и других факторов пока не установлено.
4. Минимальный сток после проведения осушительных мелиораций на водосборах в большинстве случаев увеличивается, что связано в основном с повышением дренирующей способности рек, затронутых мелиоративными мероприятиями.
5. Выводы об изменении водных ресурсов и характеристик речного стока под влиянием осушительных мелиораций полностью не отражают влияния осушения на общую увлажненность территории и особенно на природные ландшафты прилегающих территорий.
6. Мелиорация болот должна осуществляться на основании глубокого и всестороннего изучения не только самих болот, но и прилегающих к ним территорий. В связи с этим проектные проработки мелиоративных систем должны охватывать и площади суходолов, непосредственно прилегающих к мелиорируемым землям с целью сохранения, а при необходимости и улучшения условий влагообеспеченности ландшафтов этих территорий.
Вопрос оценки влияния осушения на водный режим территории требует дальнейших исследований для более глубокого познания процессов преобразования влагообмена на осушаемых площадях и разработки практических рекомендаций по учету влияния осушительных мелиораций при водохозяйственных расчетах на характеристики стока.