Содержание вопроса. В своей практической деятельности человек преобразует природную среду, воздействует на все элементы ландшафта, в том числе и на водные объекты. Влияние на водные ресурсы и режим рек сказывается в двух направлениях: а) изменения условий влагонакопления и расходования влаги в бассейне и б) непосредственного изменения режима стока в руслах.
В первом случае изменения происходят в результате агротехнических, лесомелиоративных и гидромелиоративных мероприятий, включающих обработку земли, посадку или вырубку лесов, орошение и обводнение в зонах неустойчивого и недостаточного увлажнения, осушения болот. Эти мероприятия изменяют гидрологический режим сравнительно медленно и как бы стихийно. Во втором случае мероприятия включают создание плотин и водохранилищ, изъятие воды из русел на орошение, питьевые и хозяйственные нужды или, наоборот, добавление воды из других водныхсистем. Изменения водного режима при этом сказываются резко и могут заранее планироваться.
Непрерывный рост экономики нашей страны, развитие промышленного и сельско-хозяйственного производства требуют пристального внимания к проблеме учета изменений водных ресурсов под влиянием хозяйственных мероприятий. Острота проблемы усугубляется ограниченностью водных ресурсов. Уже в ближайшие десятилетия в густонаселенных районах может ощущаться нехватка пресной воды.
Центральный Комитет КПСС и Совет Министров СССР приняли в 1972 г. постановление о разработке долгосрочного перспективного плана развития народного хозяйства Советского Союза на 1976-1990 гг. В перспективе ближайших десятилетий на европейской части страны, в Сибири и на Дальнем Востоке будут увеличивать площади освоения целинных земель. К 1985-1990 гг. предполагается довести площадь орошаемых земель до 21 млн. га, а площадь осушения до 27 млн. га. Мелиоративные мероприятия будут все больше распространяться на северные районы. В Нечерноземной зоне к 1990 г. намечается осушить земли на площади 9-10 млн. га, в том числе закрытым дренажем 7-8 млн. га, оросить 2-2,5 млн. га полей, огородных угодий и пастбищ.
Для восполнения недостающих водных ресурсов намечается переброска воды из северных рек (Северной Двины, Печоры, Онеги, Оби) в реки южных районов европейской части страны, Казахстана и Средней Азии. Все эти мероприятия окажут большое влияние на водный баланс территории и режим рек. Поэтому уже сейчас требуется научно обоснованный долгосрочный прогноз изменения водных ресурсов по бассейнам рек и целым речным системам.
Агротехнические и лесомелиоративные мероприятия. Распашка земель влечет за собой замедление склонового стекания талой снеговой воды, возрастание инфильтрации и испарения. Особенно сильно сказывается влияние зяблевой вспашки поперек склона. Борозды в этом случае играют роль малых запруд, задерживающих воду. По наблюдениям в Каменной степи, на поперечной зяби весной задерживается слой воды на 8-10 мм больше, чем при распашке вдоль склона.
В результате обработки материалов наблюдений над стеканием талой воды на воднобалансовых площадках и малых водосборах, выполненной ГГИ за ряд лет, обнаружено, что обычная зяблевая пахота (до глубины 25 см) уменьшает весенний склоновый сток в лесной зоне на 10-35%, в лесостепной - на 25-40% и в степной - на 30-60%. Большой диапазон для каждой зоны объясняется различиями в уклонах и характере почв.
При более глубокой вспашке (до 40 см) склоновый сток уменьшается еще на 50%, а при уклонах менее 10% в годы низкой и средней водности практически прекращается. Соответственно увеличивается содержание влаги в почве. По данным Волгоградской лесомелиоративной станции, с возрастанием глубины борозд от 25 до 50 см. влажность почвы возрастает на 20-30%.
С целью большего накопления влаги в почве на полях в зоне недостаточного ув-лажнения проводится снегозадержание путем перепахивания снежного покрова поперек склона, мульчирования и образования кулис из стеблей подсолнуха и кукурузы, шириной 8-10 м. Благодаря кулисам запас снега на полях увеличивается в 2-3 раза, уменьшается глубина промерзания почвы и повышается инфильтрация. Для задержания талой воды на зяби иногда устраиваются также валики высотой 20-30 см.
Внесение удобрений способствует улучшению структуры почвы, что также повышает ее водопоглотительную способность.
Лес благодаря более равномерному залеганию снега, чем в поле, меньшей глубины промерзания и большей скважности почв способствует переводу поверхностного стока в подземный. Выращивание полезащитных лесных полос в степной зоне, как показали исследования, благоприятно сказывается на водном балансе не только самих облесенных участков, но и межполосных полей. Снега здесь накапливается больше, а тает он медленнее, чем в открытой степи. В результате почва запасает больше влаги. По данным 15-летних наблюдений в Каменной степи (1944-1958 гг.), запас воды в метровом слое почвы весной на облесенном поле был на 11,5% больше, чем в степи. Поверхностный сток по склонам в лесных полосах на 50-80% меньше, чем на открытых полях, а при расположении полос поперек склона и 70% залесенности он вообще прекращается.
Уменьшение склонового стока под влиянием агролесомелиоративных мероприятий сказывается на величине годового стока и его внутригодовом распределении. Сток уменьшается, а распределение в году выравнивается за счет большего поступления подземных вод. При этом, чем больше река и глубже врез русла, тем меньше снижение стока, так как возрастает подземное питание. Большое значение имеет глубина залегания грунтовых вод. При более глубоком залегании регулирующая роль подземных вод ослабевает и снижение стока будет больше. В разных физико-географических зонах влияние агроме-лиоративных мероприятий будет неодинаковым. Наиболее значительно оно в более засушливых степной и полупустынных зонах.
По данным А. П. Бочкова, к 1960 г. в Заволжье, на Украине и в Молдавии годовой сток малых рек уменьшился на 5-25% (при наличии орошения и регулирования местного стока прудами). Для крупных рек лесостепной и степной зон уменьшение составило 0-4%. Исследователи по-иному оценивают дальнейшее снижение стока крупных рек под влиянием агротехники и мелиорации. По данным А. П. Бочкова, к 1980 г. оно не превысит 4-8%. М. И. Львович дает большие величины: уменьшение стока в бассейнах Днепра и Дона, по его расчетам, составит в ближайшие десятилетия 10-30%.
Важным следствием распашки земель и лесопосадок в степной зоне является уменьшение максимальных расходов половодья и паводков, увеличение продолжительности половодья и повышение водности межени. В связи с этим уменьшается опасность наводнений, эрозии и смыва почв.
Орошение и осушение. Изъятие воды из рек на орошение производится в вегета-ционный период - с апреля по октябрь, и в меньшем количестве - на предвесеннюю влагозарядку. Наибольший расход воды падает на самые жаркие летние месяцы - июнь-август. Основные массивы орошения в нашей стране, где из рек забирается наибольшее количество воды, находятся в аридной зоне - в Казахстане, Средней Азии, на Кавказе. Но в последние годы орошаемое земледелие развивается в степной зоне - в низовьях Дона, Днепра, в Заволжье - и продвигается далее на север, где орошаются огородные угодья и обводняются пастбища.
Влияние ирригационных мероприятий сказывается как на величине годового стока, так и на его внутригодовом режиме. Вода, подаваемая на поля, расходуется на транспирацию сельскохозяйственными культурами и непродуктивное испарение с поверхности почвы, а также каналов и водохранилищ, находящихся в ирригационных системах. Значительное количество идет на инфильтрацию в каналах и на полях. В степных районах ирригационное питание грунтовых вод равно 50-60% суммарной величины их питания, включающей также осадки, в полупустынных - 70-80%, а в пустынных - 90-95%. Инфильтрация оросительной воды сопровождается повышением уровня грунтовых вод и усилением обратного подземного оттока в реки. Вместе с тем растут непродуктивные потери на испарение из зоны аэрации.
Вода, расходующаяся на испарение, насыщение зоны аэрации, аккумуляцию в бессточных углублениях, в сумме составляет безвозвратные потери стока. Согласно данным ГГИ, для основных орошаемых массивов в бассейне Сырдарьи средняя величина безвозвратных потерь за 1967-1970 гг. была равна 65% величины водозабора. Количество возвратных вод изменялось от нуля на хлопково-люцерновом севообороте до 56-70% (от величины водоподачи) на рисовых полях.
Большие безвозвратные потери обусловливают уменьшение годового стока рек. Однако фактическое уменьшение речного стока много ниже величины указанных потерь. Так, годовой сток р. Сырдарьи в нижнем течении за последние 10-12 лет (до 1972 г.) уменьшился всего на 6-7 км3/г, тогда как безвозвратные потери составляли в среднем 21 км3/г. Это объясняется тем, что с развитием орошения сокращаются площади, занятые дикой влаголюбивой растительностью, болотами и бессточными западинами, на которых имели место непроизводительные траты воды на испарение.
В то же время на отдельных реках годовой сток в нижнем течении заметно понизился. Например, на Тереке за последние 10-20 лет сток под влиянием орошения уменьшился на 15-20%. Особенно значительна относительная убыль в маловодные годы. На очень малых горных реках в самые жаркие месяцы нижние участки часто остаются совсем без воды.
В будущем, в связи с дальнейшим расширением орошения, следует ожидать значительного уменьшения стока рек - источников орошения.
В результате изъятия большого количества воды в весенне-летний период и поступления возвратных вод в последующие маловодные месяцы внутригодовой режим стока выравнивается: сток летних месяцев уменьшается, а зимних возрастает. Внутригодовое регулирование значительно возрастает при наличии в системе водохранилищ и перераспределительных каналов.
Влияние осушительных мелиорации на водный режим рек проявляется различно в зависимости от климатических, гидрогеологических и морфологических условий залегания болот, характера их питания, размера рек и глубины вреза их русел, а также от системы осушения. Все же можно сделать некоторые общие выводы.
В первые годы после осушения, когда резко уменьшается испарение (примерно на 15-20%) и срабатываются многолетние запасы воды, обычно наблюдается некоторое увеличение стока половодья и годового стока в целом. В Белорусском Полесье, например, это увеличение составляло для разных рек от 2 до 35%.
В последующие годы, при использовании осушенных земель под сельскохозяйственные угодья и лесопосадки, сток снижается и приближается к первоначальной величине или даже немного ниже ее. Интенсивное освоение пойменных болот на притоках Днепра повлекло уменьшение годового стока на 20-30%.
Максимальные расходы половодья и дождевых паводков в результате осушения изменяются сравнительно мало. В некоторых случаях, как, например, наблюдалось при освоении пойменных болот в лесостепной зоне Украины, они уменьшаются на 20-40%.Меженный летний и зимний сток, вследствие снижения испарения и лучшего дрени-рования грунтовых вод подстилающего болота минерального грунта, существенно возрастает. Минимальные модули увеличиваются в 1,5-3 раза.
Таким образом, осушительные мелиорации в общем благоприятно сказываются на режиме речного стока, который заметно выравнивается за счет повышения расходов воды маловодных сезонов.
Регулирование стока водохранилищами. Создание водохранилищ или их каскадов преследует цель накопления воды на определенных участках реки с последующим планомерным расходованием ее на нужды сельского хозяйства (орошение, обводнение), водоснабжения, а также в интересах энергетики, речного транспорта, рыбного хозяйства и других отраслей.
В зависимости от назначения, величины речного стока и орографических условий емкость водохранилищ может быть различной. Наиболее крупные водохранилища в СССР имеют полезную емкость в десятки кубических километров, а площадь зеркала при нормальном подпорном горизонте - до 5-6 тыс. км2. Например, полезный объем Куйбышевского водохранилища на Волге равен 34,6 км3, а площадь зеркала - 6,5 тыс. км2. Крупные водохранилища сезонного и многолетнего регулирования коренным образом изменяют водный режим рек на участках ниже плотины (водный режим водохранилищ рассматри-вается в курсе озероведения).
При сезонном регулировании большая часть стока половодья может быть задержана в водохранилище и ниже плотины расход воды остается близким к предвесеннему. В межень (летом и зимой) он, наоборот, повышается за счет попусков иногда в два-три раза. Влияние сезонного регулирования сказывается на режиме уровня в нижнем бьефе на расстоянии сотен, а иногда, тысяч и более километров. Характерным для нижнего бьефа являются резкие суточные колебания уровня, прослеживающиеся до 100 км от плотины. Ниже плотины Волгоградской ГЭС, например, эти колебания достигают в вегетационный период 2,5, а зимой - 3,0 м.