Моделирование эрозионных процессов на территории малого водосборного бассейна

В монографии представлены результаты комплексных исследований процессов эрозии почв в бассейнах рек, выполненных авторским коллективом в рамках Российско-германского сотрудничества по проекту "Волга-Рейн" (1997-2004 гг.). Эрозионные процессы рассматриваются как рассредоточенные (диффузные) источники загрязнения водных объектов, от которых не могут защитить очистные сооружения. Книга написана на основе многолетних полевых исследований на экспериментальных полигонах и математического моделирования процессов водной эрозии почв в периоды летних ливней и весеннего снеготаяния. В качестве исходной модели по условиям проекта была принята американская модель эрозионного стока AGNPS, которая в процессе работы по проекту адаптирована к условиям бассейна Волги.
Для специалистов в области почвоведения, экологии, охраны окружающей среды.
Введение
В книге изложены результаты многолетней работы сводного коллектива германских и российских специалистов, которые в течение нескольких лет тесно сотрудничали в области защиты водных ресурсов от загрязнения продуктами эрозионного стока с водосборной территории. Работа выполнялась в рамках двухстороннего российско-германского проекта "Волга-Рейн" и представляет собой пример международной кооперации ученых по изучению важной экологической проблемы сдерживания эрозионных процессов для обеспечения экологической безопасности на территории водосборного бассейна. В работе приняли активное участие российские и германские специалисты. С германской стороны в работе участвовали специалисты Центра исследований окружающей среды Лейпциг-Галле под руководством профессора Ральфа Майснера - директора лизиметрической станции Фалькенберг. С российской стороны участвовал большой коллектив специалистов разных научных учреждений: Институт фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино), факультет почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ВНИИГиМ) РАСХН (Москва), Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии РАСХН (Курск). Общее руководство работами российских специалистов осуществлял профессор А.С. Керженцев - зав. лабораторией функциональной экологии ИФПБ РАН (Пущино). Координатором проекта с российской стороны по поручению Минпромнауки РФ был назначен заместитель директора ВНИИГиМ канд. геол.-мин. наук Н.В. Коломийцев.
Проект "Волга-Рейн" стал логическим продолжением завершенных проектов "Ока-чистая река" и "Ока-Эльба" российско-германского сотрудничества под эгидой федеральных министерств науки России и Германии по проблеме исследования водоемов и экологически безопасных технологий. На основе результатов экологического мониторинга в бассейне р. Оки был разработан комплекс специальных технологий и типовые проекты очистных сооружений для различных промстоков, сбрасываемых промышленными предприятиями в воды окского бассейна. За реализацию первых двух проектов в 1996 г. группе из 15 специалистов, в том числе 4 германских, была присуждена премия Правительства РФ.
Успешное завершение первого этапа российско-германского сотрудничества вдохновило специалистов и руководителей министерств науки обеих стран на продолжение и расширение фронта работ по защите водоемов от антропогенного загрязнения. Так, сформировался новый проект двухстороннего сотрудничества "Волга-Рейн", который завершается летом 2006 г. В мае 2005 г. был проведен двухдневный международный курс по обучению российских специалистов навыкам использования математической модели эрозионного стока для решения практических задач экологического характера в местных условиях. Курс обучения прошли 30 российских специалистов южного Подмосковья (практических работников и научных сотрудников).
В настоящее время страны европейского содружества уже приступили к реализации "Рамочной Директивы ЕС в области водной политики". Главной целью этой международной программы является улучшение качества природных вод на территории Европы до 2015 г. Для достижения этой важной и прогрессивной цели Директива рекомендует применять бассейновый принцип управления качеством вод, который позволит существенно снизить сток в водоемы загрязняющих веществ с поверхности сельскохозяйственных угодий. Дело в том, что контролировать и управлять этим внемасштабным рассредоточенным (диффузным) источником загрязнения вод очень трудно вследствие его высокой изменчивости как в пространстве, так и во времени. Никакие очистные сооружения не смогут задержать сток загрязняющих веществ со всей водосборной территории. Поэтому единственным способом избавления от этого мощного источника загрязнения природных вод можно считать противоэрозионную защиту почвенного покрова на всей водосборной территории.
Эффективность бассейнового принципа для изучения и охраны природной среды мы оценили в процессе разработки методологии глобального и регионального экологического мониторинга (Ковда, Керженцев, 1982). Экосистема водосборного бассейна отличается от других территориальных единиц несколькими преимуществами: 1) четкость и однозначность пространственных границ; 2) однонаправленность потоков вещества к базису эрозии; 3) аналогичное строение водосборных бассейнов всех уровней. Экосистема водосборного бассейна подчиняется законам развития природы и находится под их защитой от негативных воздействий факторов среды. Изучив эти законы, можно найти эффективные способы защиты почв от эрозии для каждого конкретного водосборного бассейна в зависимости от его размеров и особенностей, сочетания факторов среды как естественных, так и антропогенных. Попытки борьбы с эрозией в границах одного хозяйства или административного района имеют малую эффективность уже потому, что административные границы рассекают целостный природный объект на произвольные участки поверхности, которые не связаны и не защищены внутренним единством функционирования экосистемы.
Поэтому часто возникают ситуации, когда решение проблемы на одном участке (административном районе, хозяйстве) создает новые, иногда более существенные, проблемы на других участках. Диагностировать экологические нарушения и выбирать способы рационального, экологически безопасного землепользования гораздо эффективнее для целостной территории водосборного бассейна. Так поступают врачи: они исследуют и лечат весь организм человека, а не только отдельный орган.
Материал книги структурирован на отдельные главы в соответствии со спецификой работ групп специалистов-исполнителей. Основное внимание уделено проблеме математического моделирования эрозионных процессов на территории водосборного бассейна под влиянием летних дождей и весеннего снеготаяния. Описание экспериментальных полигонов дано в сокращенном варианте, а отдельные иллюстрации помещены в Приложении. В тексте книги рассматриваются только те результаты натурных наблюдений, которые непосредственно использованы в модельных расчетах. Это относится в равной мере как к российским полигонам "Любожиха" и "Малютка", так и к полигону "Шеферталь" (Германия).
Для обеспечения сопоставимости результатов натурных измерений параметров стока германская сторона передала нам безвозмездно комплект полевого оборудования: автоматическую метеостанцию и гидрометрическую станцию с автоматическим пробоотборником. Обе системы в июне 2004 г. установлены в экспериментальном бассейне р. Любожихи, впадающей в р. Оку вблизи г. Пущино Московской области. Результаты наблюдений за один год работы оборудования приведены в Приложении. В тексте главы, посвященной натурным наблюдениям, приведен перечень измеряемых параметров и режим их измерения. До этого момента в работе по моделированию эрозионных процессов использовались метеоданные Приокско-Террасного заповедника и г. Серпухова и данные самописца уровня воды "Валдай" в том же створе р. Любожихи.
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям Российской Федерации.
Руководители проекта "Эрозия" российско-германского сотрудничества "Волга-Рейн":
профессор Анатолий Керженцев, профессор Ральф Майснер