СОДЕРЖАНИЕ
|
|
стр |
|
|
|
|
ОТ АВТОРА ......................................................................................... |
1 |
|
ПРОЛОГ.............................................................................................. |
2 |
|
ТАКАЯ РАЗНАЯ ВОДА........................................................................... |
7 |
|
Трудная вода.................................................................................. |
7 |
|
Мутная вода.................................................................................. |
15 |
|
Злая вода....................................................................................... |
20 |
|
БОЛОТНЫЕ СЮЖЕТЫ.......................................................................... |
25 |
|
Болотное меню............................................................................... |
25 |
|
Замороженное болото ........................................................... |
36 |
|
Орошаемое болото.......................................................................... |
42 |
|
В ПОИСКАХ РЕКИ ДЕТСТВА.................................................................... |
50 |
|
Покоренная Сибирь... ................................................................ |
50 |
|
Суд земли.................. .................................................................... |
58 |
|
Биогенная революция...................................................................... |
64 |
|
РАССЕЯННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ........................................................... |
73 |
|
Когда смоется нефть?................................................................................... |
73 |
|
Дыхание недр................................................................................. |
81 |
|
КЛИМАТИЧЕСКИЕ СТРАСТИ................................................................ |
87 |
|
Глобальная угроза.......................................................................... |
87 |
|
Региональная и локальная угрозы..................................................... |
96 |
|
ВМЕСТО ЭПИЛОГА ....................................................................... |
100 |
|
|
|
|
|
|
ОТ АВТОРА
В словосочетании гидролого-экологические сюжеты определяющее значение принадлежит первому элементу. Гидрология, услышав это слово, большинство читателей непременно скажут, что оно связанно с водой. Все же учили в школе географию. И не ошибутся. В широком смысле слова, гидрология - это наука о движении и фазовых превращениях природных вод. В узком - наука о движении и фазовых превращениях поверхностных вод суши (рек, озер, болот). Фазовые превращения - это переход воды из жидкого в твердое (лед, снег) и газообразное (пар) состояния и наоборот. Общая гидрология, или гидрология в широком смысле включает кроме гидрологии поверхностных вод суши, гидрологию моря, или океанологию и гидрологию подземных вод - гидрогеологию. В свою очередь каждая из этих наук делиться на ряд отраслей и разделов, которые также считаются науками. В последнее время, например, появилась экологическая гидрология. И это не случайно. Масштабы влияния хозяйственной деятельности на поверхностные воды стали настолько заметны, что не учитывать их в гидрологических процессах стало просто невозможно. Нефтегазовый комплекс в этом плане является наиболее агрессивным, особенно в отношении загрязнения вод.
Автор почти сорок лет своей научной деятельности посвятил исследованию особенностей гидрологических явлений в условиях мощного антропогенного прессинга на гидросферу Тюменского региона. Многочисленные поездки и научные экспедиции по всей территории от Ямала до южных границ региона были связаны, в основном, с исследованиями болот, малых рек, воздействием нефтегазового комплекса на водные объекты. Результаты были обобщены в монографиях: "Водный баланс и режим осушаемых низинных торфяников Западной Сибири", "Малые реки в условиях антропогенного воздействия", "Вода и нефть" и других публикациях.
Указанные издания носят профессиональный характер и недоступны для широкого читателя в силу сложности изложения, требующего специальной подготовки и, как правило, отсутствию интереса к сугубо профессиональным проблемам у нормального обывателя. В то же время описание сложных гидрологических процессов в специфических условиях функционирования нефтегазодобывающего комплекса в популярной форме наверняка вызовет интерес у любознательного читателя. Итак, вперед в дебри переплетения идей, научных фактов, теоретических построений и творческих решений гидрологических и экологических проблем нефтяного края.
ПРОЛОГ
В конце октября 1971 года самолет, выполнявший рейс 240 Москва - Тюмень заходил на посадку. Прильнув к иллюминатору, я жадно всматривался в проплывающие под крылом самолета ландшафты. Меня, привыкшего к бескрайним воронежским просторам пшеничных полей, поразило обилие водных объектов. Озеро, второе озеро, затем сразу несколько озер, потом широкая река и снова озера. День был мглистый, моросил дождик, все кругом промокло, было сыро и холодно. Подумал: "Занесло меня в какое-то водяное царство-государство."
Получив диплом инженера-гидролога после окончания Воронежского государственного университета, я летел работать в Тюмень. Говорят, что первое впечатление самое верное. Как я убедился впоследствии, воды в Тюменском регионе, действительно, очень много.
Здесь насчитывается 75280 рек и более 700 тысяч озер. В количественном отношении преобладают, конечно, малые реки, длиной менее 10 километров (89%). Больших рек (длиной 501-1000 километров) в регионе имеется 18 и очень больших (длиной более 1000 километров) - 10. К последним относятся реки Обь Иртыш, которые, кроме того, относят еще к категории великих рек наряду с Амазонкой, Нилом, Дунаем, Енисеем и др.
Общие водные ресурсы территории определяются величиной стока р. Оби в устье (403 кубических километров в год) и стоком рек, впадающих непосредственно в Карское море (Пур, Таз, Надым, реки Ямала и Гыдана) - 163 кубических километров в год. Итого 566 кубокилометров в год, что составляет порядка 13 % водных ресурсов России. На одного жителя области приходится 180 тысяч кубометров речной воды. Для сравнения - в Томской области 172, Новосибирской 22, Кемеровской 13 тысяч кубометров. А что за рубежом? В благополучной Европе в среднем на одного европейца приходится 8,5 тысяч кубометров. А вот в Западной Азии (Ирак, Сирия, Израиль, Иордания и др.) каждый житель обеспечен объемом водных ресурсов менее 1 тысяч кубометров в год. По международным нормам водообеспеченность одного жителя менее 1,7 тысяч кубометров воды в год считается "водным стрессом". Примерно такая же ситуация наблюдается в некоторых районах центральноазиатских республик и Казахстане..
Да, воды много, очень много. Поэтому Тюменский регион вызывает живейший интерес у южных соседей. Снова заговорили о переброске стока Оби и Иртыша на юг. Нас убеждают в выгодности данного предприятия для России. При этом совершенно не обсуждаются проекты рационального водопользования. Тем более, что в мире наметилась четкая тенденция рационального природопользования. Говорят о том, что рекам надо вернуть их естественное состояние, освободив их от роли источников энергии и транспортных путей. Долой плотины и каналы! Не сразу, конечно, а постепенно по мере развития ресурсосберегающих технологий.
А пока....., пока по водной глади Оби вниз по течению движется караван барж с буровым оборудованием. Конечная цель этого путешествия - поселок Березово, расположенный вблизи впадения реки Северная Сосьва в Обь. Здесь отбывал ссылку опальный сподвижник Петра I светлейший князь Александр Меньшиков. Теперь в Березово предполагалось начать бурение разведочной скважины для поиска нефти и газа, как сейчас говорят - углеводородного сырья.
Ученые давно предполагали, что на территории Западно-Сибирской равнины имеются большие запасы нефти и газа. В 1932 году об этом конкретно писал академик Иван Губкин, который настоятельно рекомендовал начать разведочное бурение за Уралом. Начали только в 1948 году. Однако, скважины, пробуренные в Тюмени и на юге области, давали лишь сильно соленую на подобие морской теплую или даже горячую воду с большим содержанием йода и брома.
Решили попробовать бурить на Севере. Согласно плану опорного бурения, составленному в Новосибирском геологоразведочном тресте, начинать предстояло с поселка Березово. Точку бурения назначили на западной окраине поселка между районной больницей и стеклозаводом. Начальником партии в Березово был назначен опытный геолог, фронтовик Александр Быстрицкий. При обсуждении состава работ с районной администрацией выяснилось, что расположение точки бурения рядом с больницей не приемлемо. Круглосуточный грохот буровых механизмов навряд ли будет способствовать выздоровлению больных. Точку бурения перенесли на полтора километра к западу на берег речки Вогулки, притока Северной Сосьвы.
29 сентября 1952 года началось бурение скважины в выбранной точке. Скважина получила название Р-1, что означает разведочная N 1. Информация о самовольном переносе места бурения дошла до новосибирского начальства. Последовал приказ об отстранении Быстритцкого от должности, отзыве его из Березово и назначении начальником покровской партии. Так Быстрицкий из одного исторического места попал в другое. Известно, что Покровка родное село Григория Распутина.
Скважина Р-1 была признана не перспективной. Бурение приказано было прекратить, оборудование демонтировать, скважину законсервировать. 28 июля 1953 года работы по бурению были остановлены, березовская партия расформирована. Часть сотрудников была переведена в другие партии, а небольшая группа осталась в Березово для проведения ликвидационных работ. Процесс консервации скважины шел успешно. Бурильщики извлекали из недр 5-ти дюймовые трубы и складировали их для дальнейшего использования. Работали энергично, стремились поскорее закончить. Кто собирался к новому месту назначения, а кто в отпуск. Все было привычно, обыденно, никто не ждал сюрпризов.
21 сентября 1953 года в 21 час 30 бурильщики ощутили мощный подземный толчок, и трубы сами полезли вверх. Люди в панике бежали. Из земли с оглушительным ревом вырвался мощный фонтан воды и газа. Вверх полетели обсадные трубы и сам бурильный инструмент. Это был успех. Сбылось предсказание академика Ивана Губкина. Открыто месторождение газа. Но это была авария. На буровой не было средств ее ликвидации. В поселке из-за рева не возможно было разговаривать на улице. Наступила зима, сама буровая вышка и ближайшая территория покрылись льдом. Только через 9 месяцев березовский фонтан был укрощен. Так, в известной мере, случайно и трагически, началась эра нефтегазового освоения Тюменского региона.
В настоящее время 68% нефти и 95% природного газа России добывается на тюменских промыслах. Значительная часть этого сырья идет на экспорт, обеспечивая тем самым основную долю валютных поступлений страны. С полным правом Тюменский регион можно назвать валютной житницей России.
Развитие добычи углеводородного сырья послужило толчком к росту других отраслей экономики, в том числе сельского хозяйства. Надо было снабжать продовольствием растущие города и поселки Севера Тюменского региона. Самый быстрый и простой путь наращивания объемов сельскохозяйственного производства - это расширение посевных площадей и поголовья скота. Этот пожарный прием громогласно использовался в это время путем освоения целинных и залежных земель. Да, таковые в Тюменской области тоже были. Но, кроме того, регион обладает еще и колоссальными площадями болот. Это ведь тоже целинные земли. Средняя заболоченность территории Тюменского региона составляет 50%. Однако, отдельные речные водосборы, такие как Пим, Лямин, Аган, Тромъеган и др. имеют заболоченность 70-90%. Здесь водоразделы сплошь покрыты плащом торфяных отложений. Имеется огромное количество внутриболотных озер, соединенных протоками. Все это образует единый озерно-болотный комплекс. Площадь болот в пределах зоны интенсивного сельскохозяйственного производства (юг Тюменской области) составляет 10,1 миллиона гектаров. Это болота низинного типа, обладающие наибольшим потенциальным плодо-родием.
Возникла идея вовлечения в сельскохозяйственный оборот болот путем осушения. Опыт освоения переувлажненных земель в Сибири был. Правда, он касался Барабинской низменности (территория современной Новосибирской области). В конце XIX века строители транссибирской железнодорожной магистрали столкнулись с неожиданным препятствием. Это были обширные непроходимые болота. Для успешного строительства магистрали было решено провести осушительные работы. Организовалась Восточная экспедиция, руководителем которой был назначен генерал Иосиф Жилинский. Это был известный мелиоратор, под руководством которого были выполнено осушение болот Белорусского Полесья. С 1895 по 1915 год. в Барабе было осушено свыше 400 тысяч гектаров земель, проложено 4500 километров каналов, расчищено 200 километров заиленных русел рек, построено 350 мостов. Осушительные работы, выполненные Восточной экспедицией, не преследовали цели систематического осушения болот. Главной задачей экспедиции было создание путей, обеспечивающих доступ крестьянам к естественным кормовым угодьям и пашням на возвышенных местах. Богатое разнотравье Барабинской степи придавало неповторимый вкус сливочному маслу, изготовленному из молока местных коров. Говорят, барабинское масло поставлялось к столу английской королевы.
Осушительные работы в Барабинской низменности продолжались и в советское время. С целью научного обоснования методов и способов осушения в 1930 году создается Убинская болотная станция. В 1960 году на землях станции впервые в Сибири закладывают опытный участок закрытого гончарного дренажа. Это по сравнению с открытыми каналами более прогрессивный способ осушения. Осушительная сеть находится под землей и представляет собой короткие длиной по 25-30 сантиметров керамические трубки диаметром 5-10 сантиметров, уложенные впритык друг к другу. Грунтовая вода по щелям между трубками поступает в их полость и стекает по уклону в выводной канал. Такая осушительная сеть работает более эффективно, так как она уложена более часто, чем каналы, не мешает работе сельскохозяйственной техники, за счет более широких межканальных пространств.
Однако, опыт применения гончарного дренажа в Барабинской низменности оказался не удачным. В зимний период дрены забивались льдом. Весной, когда особенно необходимо сбрасывать с осушаемого болота воду, дренаж не работал. В мелиоративных кругах возобладало мнение, что в Сибири закрытый дренаж не работает. Кстати, с подобной ситуацией столкнулись американские мелиораторы на Аляске.
В Тюменском регионе опыта осушения болот не было. Дренаж должен работать, если его правильно уложить. Такое мнение высказывал Иван Русинов - директор Западно-Сибирского филиала Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации (ВНИИГиМ). Филиал был создан в 1968 году для научного обоснования методов мелиорации в Тюменском регионе. Уроженец Омской области, Русинов, как говорят, кожей чувствовал местные условия. Поэтому знал, что говорил. Под его руководством на юге Тюменской области были заложены два опытных участка закрытого дренажа, который прекрасно работал. Этот опыт был внедрен затем на сотнях и тысячах гектаров.
Резкое увеличение интенсивности хозяйственной деятельности на территории региона, где по выражению классика царили "патриархальщина, полудикость и самая настоящая дикость" вызвало определенные изменения элементов гидрологического режима. Последнее представляет собой динамику во времени различных гидрологических показателей. Сюда можно отнести изменение уровней воды рек, озер, болот; скоростей течения и расходов воды рек; сроки начала замерзания и вскрытия рек, озер и так далее. Также к режимным характеристикам относятся показатели влагооборота: годовой и суточный ход осадков (дождь, снег, роса, иней); динамику испарения с водной поверхности и почвы; изменение запасов влаги в почве, озерах, болотах, подземных горизонтах.
За многие годы полевых и теоретических научных исследований мне удалось выявить и количественно описать ряд гидрологических явлений и процессов, иногда ранее не понятных, а иногда просто требующих регионального уточнения. В книге на популярном уровне сделана попытка донести до читателя, установленные автором, особенности и тайны гидрологии нефтяного края
ТАКАЯ РАЗНАЯ ВОДА
Трудная вода
"Все перекаты, да перекаты. Послать бы их по адресу! На это место уже нет карты и мы идем по абрису". - поется в известной песне Александра Городницкого. Абрисом геодезисты называют схематический план местности, сделанный от руки. Нет, мы идем не по абрису, а по карте, хорошей качественной карте крупного масштаба - в 1 сантиметре 250 метров. И идем мы вверх по реке Сабеттаяха на моторной лодке "Казанка". Эта река протекает с запада на восток в центральной части полуострова Ямал. И опять вспоминаются строчки из песни: "Куда Вас сударь к черту занесло, неужто Вам покой не по карману?" А занесло нас на этот край света по прихоти научно-исследовательского и проектного института крупноблочного строительства (НИПИКБС). Есть такой в Тюмени. Руководство этого учреждения обратилось в Тюменский университет с предложением провести исследование условий проводки суперблоков по реке Сабеттаяха к газовым месторождениям. Суперблоки - это целые готовые фрагменты зданий, из которых, как в детском конструкторе, можно быстро сложить жилые и производственные корпуса. Процесс обустройства нефтяных и газовых месторождений при такой технологии строительства ускоряется в разы.
Провести работы по обследованию этой полярной реки поручили мне. Вот так я с группой студентов в 5 человек оказался на Ямале. Женская часть нашей экспедиции была оставлена в устье Сабеттаяхи и на 24-ом километре от устья для ведения наблюдений за уровнем воды в реке. Так я хотел установить роль приливов в уровенном режиме реки. Надо сказать, что приливы в устье приличные, вода при максимуме прилива поднимается почти на метр. Причем, как показал последующий анализ данных "женских" наблюдений приливная волна распространяется вверх по реке вплоть до 30-ого километра. Периодичность колебания уровня довольно стабильна и составляет 12 часов 30-35 минут между временем наступления высших (низших) уровней.
Мужская часть нашей группы - это я и два студента Анатолий и Александр отправились вверх по реке для промеров глубин. Технология работ была проста. На левом берегу реки высаживали Анатолия с рейкой. Затем на веслах двигались поперек реки к противоположному берегу. Александр греб, а я делал промеры глубин. На правом берегу выходили на сушу, устанавливали прибор, наводили на рейку, которую держал Анатолий, и измеряли ширину реки. Затем забирали Анатолия, и, включив мотор, двигались дальше. Такие поперечники делали через каждый километр длины реки. Приведу примеры результатов нашей работы. Первый километр от устья: ширина реки 105 метров максимальная глубина 7,2 метра,.......... 10 километр: ширина 120 метров, наибольшая глубина 2,5 метра и так далее. С 10-ого километра начались перекаты. Между 10 и 17 километрами их было три. Глубина на перекатах менее 50 сантиметров. Длина перекатов 600-700 метров.
Преодолевали мы их или пешком или на веслах в зависимости от глубины переката. "Казанка" сама по себе может плавать по самому мелкому мелководью. Она ведь плоскодонная. Мешает мотор, его винт опущен ниже днища лодки сантиметров на 15, а это существенная величина при плавании по мелководью. Достигнув переката, поднимали мотор и гребли веслами. Когда весла оказывались бессильны, лодка прочно сидела на грунте, выходили из нашего судна и держа его за борт толкали вперед. Эта процедура утомляла и раздражала, особенно когда при не осторожном выходе из лодки иногда заливались сапоги.
Достигнув тридцать второго километра, решили заночевать. Ширина реки здесь оказалась 65 метров, максимальная глубина 0,7 метра. В этих местах в начале июля ночи практически нет, 71-я параллель все-таки. Поставили палатки, развернули спальные мешки. Спалось плохо: по близости гоготали гуси, плескалась река, было холодно. Встали рано, вскипятили на примусе чай и снова вперед.
И снова перекаты. Река мелела на глазах, чем выше, тем все мельче и мельче. Студенты начали роптать. Какие тут суперблоки при такой глубине? Надо возвращаться. Зачем делать бесполезную работу. Но мне интересно было продвинуться как можно дальше. Напряжение в нашем маленьком коллективе нарастало.
45-й километр. Как обычно оставили Анатолия на левом берегу. Плывем к правому. Вот нос лодки ткнулся в песок. Обычный светложелтый песок, небольшой такой пляж. На нем хорошо загорать. С носа лодки прыгаю на этот песок. От толчка лодка отошла назад, а я обнаружил, что стою не на песке, а погрузившись в него выше колен. Пытаюсь выбраться на поверхность в сторону участка берега, покрытого чахлой травой, и погружаюсь все глубже. Кричу: "Саша! Давай лодку!" А Сашу разобрал смех. Он смотрит, как я барахтаюсь в этом зыбучем песке, и самозабвенно хохочет. Кричу снова и, потеряв контроль над собой, употребляю всякие экспрессивные слова и выражения. Это подействовало. Когда я смог руками дотянутся до носа лодки, мое тело уже почти до пояса погрузилось в песок. Активные усилия вытащить себя из песка при мощной поддержке Александра долго не приводили к успеху. Решили меня раскачивать: вверх, вниз. Это помогло, правда, чуть не потеряли сапоги.
Было холодно, но пришлось раздеться и выжать мокрые штаны, носки и так далее. Сушить было негде. Костра не развести. Голая тундра, ни деревца, ни кустика. Так и пришлось одежду сушить теплом своего тела. Этот случай решил мой конфликт со студентами. Повернули домой, вниз по Сабеттаяхе. Двигались быстро и перекаты как-то не досаждали.
Через четыре часа были уже в устье Сабеттаяхи. Здесь находилось несколько комфортабельных вагончиков, в которых жили члены экспедиции института НИИГИПРОГАЗ. Они искали жидкую подземную воду. Но, как рассказали нам геологи экспедиции, пресная подземная вода найдена здесь только в твердом состоянии. Кстати, поведали им и о моем приключении на 45 километре. Да, действительно, сообщили ученые экспедиции, здесь на Ямале есть участки с зыбучими песками, в том числе и на берегах Сабеттаяхи.
Жаль, конечно, что сотрудники НИИГИПРГАЗа не нашли пресной подземной воды. Ведь ее надо много в свете масштабных работ на Ямале. Станциям железной дороги Обская-Бованенково, будущему городу Бованенково, морскому порту в устье Сабеттаяхи, заводу по производству сжиженного газа в поселке Сабетта и другим объектам требуется устойчивое хозяйственно-питьевое и промышленное водоснабжение. Оно может быть осуществлено только за счет водных ресурсов территории. Слово ресурсы происходит от французского ressourse и переводится как запасы, ценность
К водным ресурсам Тюменского региона относятся все виды естественных и преобразованных человеком природных вод: реки, озера, водохранилища и другие поверхностные водоемы, подземные воды, ледники и моря. Водные ресурсы относятся к возобновляемым природным запасам. По скорости возобновления природные воды подразделяются на медленно возобновляемые (вековые или статические запасы) и ежегодно возобновляемые. Озерные, глубинные подземные, ледниковые воды возобновляются чрезвычайно медленно, в течение сотен и тысяч лет. Наиболее динамичными в смысле возобновления являются речные воды. При относительно небольшом их объеме они в естественных условиях возобновляются каждые 20 суток, а с учетом их регулирования путем создания водохранилищ, как правило, в течение одного года. На втором месте по интенсивности возобновления стоят подземные воды верхних гидрогеологических этажей, которые к тому же отличаются хорошим качеством и высокой защищенностью от загрязнений.
Водные ресурсы той или иной территории оцениваются объемом среднегодового стока рек. Использование водных ресурсов может осуществляться как с изъятием их из природного источника (промышленное, ирригационное, хозяйственно питьевое и другие виды водопотребления) так и без изъятия (сброс сточных вод, водный транспорт, отдых и другое). В первом случае эксплуатационными являются только часть водных ресурсов. Это объем воды сверх так называемого экологического расхода. Иначе говоря, при использовании воды из реки можно брать не всю воду, а надо оставлять некоторую часть, чтобы сохранились водные растения и животные. Вот эту оставляемую часть назовем минимальными водными ресурсами. Во втором случае эксплуатационными являются все водные ресурсы. Ресурсы речного стока Тюменского региона огромны. Но, это, в общем. А как по отдельным локальным территориям? Здесь не все так лучезарно.
Начнем с Ямало-Ненецкого автономного округа. Здесь росположены полуостров Ямал и рядом с ним полуостров Гыданский. В северной половине этих территорий на каждого жителя приходится в год в среднем от 7 до 4 миллионов кубических метров общих ресурсов речной воды. Надо сказать, что это хороший показатель. Как указывалось выше, в Европе эта величина составляет 8 тысяч или 0,008 миллиона кубометров, то есть в 500-900 раз меньше, чем на севере Ямала и Гыдана. Правда, жителей в этих районах на много порядков меньше, чем в той же Европе. Однако, в зимний период минимальные ресурсы речного стока здесь равны нулю. Реки на перекатах перемерзают до дна и сток полностью отсутствует.
Самым обводненным в Ямало-Ненецком автономном округе является Приуральский район, где расположен город Салехард. Здесь на одного жителя приходится 10 миллионов кубометров в год общих водных ресурсов и 2 миллиона минимальных.
Наименьшее количество общих водных ресурсов в округе имеет место в верховьях рек, стекающих с Сибирских Увалов (район города Ноябрьск). Это водораздел, на северных склонах которого начинаются реки, впадающие в заливы Карского моря, а с южного склона стекают правобережные притоки Оби. Речки на этом водоразделе небольшие, маловодные и, естественно, бедные водными ресурсами. Это потом, по мере удаления от этого водораздела, сливаясь вместе, они превращаются в мощные речные потоки Надым, Пур, Таз, Аган, Тромъеган, Пим, Лямин.
По территории Ханты-Мансийского автономного округа протекают великие сибирские реки Обь и Иртыш. Они приносят в округ порядка 200 миллиардов кубических метров речной воды в год. Поэтому, например, в Сургутском районе на одного жителя в год приходится 500 тысяч кубометров общих водных ресурсов. В то же время в верховьях реки Конда (Советский район) эта величина в 12 раз меньше и составляет 40 тысяч кубометров.
Южная часть Тюменского региона обеспечена водными ресурсами, конечно, значительно меньше, чем северные округа. Наиболее благополучными в этом отношении являются районы, прилегающие к крупным рекам: Иртышу, Тоболу, Тавде, Ишиму, Туре, Исети. Здесь в год на одного жителя приходится от 1,5 миллиона (Вагайский район) до 10 тысяч кубометров речной воды (Тюменский район).
Наряду с этим междуречные пространства, особенно на крайнем юге региона страдают от маловодья. В Армизонском и Бердюжском районах на одного человека в год приходится 1700 кубометров воды. По международным нормам это грань стрессовой ситуации. Еще в более тяжелом положении находится Сладковский район, прилегающий с запада к Омской области. Здесь вообще нет рек, поэтому ресурсы речного стока равны нулю. Немногочисленное население использует для хозяйственно-питьевых нужд озерную воду, часто низкого качества.
Вода нужна всем, везде и всегда. Она нужна населению, она нужна промышленности. Например, для выплавки одной тонны стали надо 150 кубометров воды, а для производства тонны синтетического волокна требуется до 5 тысяч кубометров воды.
В целом Тюменский регион поглощает в год два миллиарда кубометров воды. Кто же главный поглотитель? Примерно 58% потребляемой воды приходится на нужды тепловых электростанций. Это Сургутские ГРЭС-1 и ГРЭС-2, Нижневартовская ГРЭС, Тюменские ТЭЦ-1 и 2, Тобольская ТЭЦ, Няганьская ГРЭС. Намечается строительство Полярной ТЭЦ для снабжения энергией и теплом Бованенковского промышленного узла. Для закачки воды в подземные пласты при добыче нефти расходуется 22% общего водопотребления региона, 12% идет на бытовые нужды (жилищно-коммунальное хозяйство) и остальные 8% на снабжение различных отраслей промышленности (топливная, химическая, лесная, агропромышленный комплекс и другие).
Почему так много потребляет электроэнергетика? Куда идет вода? Она нужна в больших количествах для охлаждения агрегатов. Вода из реки (водохранилища) поступает в котлоагрегат, где сжигается топливо и вода превращается в пар. Этот пар направляется на лопатки паровых турбогенераторов. На одной оси насажены лопатки турбины и якорь электрического генератора. При вращении якоря под действием струи пара в магнитном поле, в нем вырабатывается электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор, где снова превращается в воду. Эта вода идет в котлоагрегат и все повторяется снова. Образуется замкнутый цикл водоснабжения. Свежей воды почти не надо. Требуется небольшое количество свежей воды для подпитки системы с целью компенсации различных ее потерь.
Однако надо много воды для охлаждения конденсатора. Чтобы отработанный пар быстрее конденсировался и превращался в воду, температура в конденсаторе должна быть как можно ниже. С этой целью создается второй круг замкнутого цикла водоснабжения. Вода из пруда (водохранилища) поступает в конденсатор, отбирает тепло отработанного пара и снова поступает в пруд-охладитель. Вместо пруда-охладителя гораздо чаще используют градирни, высокие конусообразные башни. В них теплая вода из конденсатора насосом подается наверх башни, затем, опускаясь вниз, за счет решеток, которые внутри башни установлены на ее пути, дробится на капли и охлаждается.
На втором месте по количеству потребляемой воды находится нефтегазодобывающий комплекс. На севере региона расположены уникальные газоконденсатные месторождения: Медвежье, Уренгойское, Ямбургское, Заполярное и ряд менее значительных. Большие запасы газа и нефти разведаны на полуострове Ямал (Бованенковское, Харавсавейское, Арктическое и другие месторождения), активная эксплуатация части из них уже началась. Источниками водоснабжения добывающего комплекса и сопутствующих элементов инфраструктуры выступают озерные, речные и подземные воды. Для водозабора здесь пригодны только средние и большие реки, так как малые реки в зимний период перемерзают.
Промышленное и хозяйственноо-питьевое водоснабжение осуществляется за счет межмерзлотных и глубоко залежных подземных вод. Территория расположена в зоне сплошного и островного развития многолетне-мерзлотных пород (ММП). Водоносные горизонты приурочены к талым грунтам, залегающим под долинами рек и озерами. Талые породы, содержащие жидкую пресную воду, перемежаются здесь мерзлыми грунтами с твердой водой (льдом).
Многолетнемерзлые породы содержат твердую воду в виде отдельных ледяных кристаллов, прожилок, прослоев, гнезд, линз и клиньев, а также пластовые льды, мощностью в десятки метров и большой площадью распространения. В связи с этим некоторые ученее говорят о подземном оледенении Ямала. Ниже ММП на глубине 400 и возможно более метров расположены горизонты жидкой, как правило, соленой воды, не пригодной для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
В качестве примера можно рассмотреть структуру водоснабжения предприятий Уренгойского газопромыслового управления. Имеется 12 водозаборов: 11 - из подземных источников и один водозабор из реки Хадуттэ. Добытая пресная вода направляется на хозяйственно-питьевые (30%) и производственные нужды (70%). Использование воды в производственном процессе включают ее расход на приготовление пара, охлаждение насосов, подпитку системы оборотного производственного водоснабжения, нужды станции обезжелезивания.
Южнее указанных нефтегазовых и газоконденсатных месторождений находится мощный комплекс, главным образом, нефтяных промыслов. Наибольшее развитие добывающий комплекс получил в бассейне Пура. Функционируют крупные нефтедобывающие предприятия объем добычи, которых составляет порядка 10 миллионов тонн нефти в год. Условия водообеспечения добывающей отрасли здесь примерно такие же, как и на севере с поправкой на смягчение климата и уменьшения сплошной многолетней мерзлоты по мере движения к югу в верховья Пура.
Источниками свежей воды, направляемой на хозяйственно-питьевые и производственные нужды, являются река Пур и ее притоки, а также озера. Кроме того, используются подземные воды межмерзлотных горизонтов, ресурсы которых довольно значительны. Так, серьезные запасы открыты в долине реки Табъяха, что позволило построить водозабор из 10 скважин для снабжения промыслов Ень-Яхинского месторождения.
Основным поставщиком нефти в Тюменском регионе и России выступает Ханты-Мансийский автономный округ - Югра. Здесь добывается 57 % нефти России. Основное количество промыслов сосредоточено в районе широтного течения Оби, где находятся такие известные месторождения как Самотлорское, Приобское, Федоровское, Мамонтовское, Лянторское. Второй крупный очаг нефтедобычи относится к верховьям реки Конда (Урайская группа месторождений) и левобережье Оби (бассейн реки Ендырь).
Нефтегазовый добывающий комплекс Югры поглощает огромное количество воды. При этом основную долю составляют подземные воды (85 %), идущие главным образом на на поддержания пластового давления (ППД).
Формируется новый район нефтедобычи на юге Тюменской области. Здесь уже открыто 27 месторождений углеводородного сырья. В географическом плане территория приурочена к бассейну реки Демьянка и верховьям реки Большой Юган. Система водоснабжения на разрабатываемых и планируемых к освоению месторождений связана с забором подземных вод. В частности по проекту обустройства Урненского и Усть-Тегусского месторождений для хозяйственно-питьевого, производственного и противопожарного водоснабжения проектируется использование артезианской воды.
На третьем месте по объему потребляемой воды находится хозяйственно-питьевой комплекс. Он обеспечивает нам нормальную деятельность и саму жизнь. Эту общеизвестную истину афористически выразил швейцарский ученый Дюбуа: "вода - это жизнь, а жизнь - это вода". Вообще-то человеку надо не так уж много воды. Физиологическая потребность его в сутки составляет всего 2-3 литра, включая борщ и компот, и чай, и прочие продукты. Кроме того, надо ежедневно умываться и чистить зубы (7 литров), мыть посуду (8,7 литра), принимать душ или ванну (20,7литра), стирать, пользоваться туалетом, убирать квартиру - итого набегает 70,6 литра воды в сутки на одного человека.
Таким образом, получается все-таки приличный объем. Надо также помнить, что человек живет не один, а имеет привычку собираться в большие коллективы. Они, эти коллективы формируют населенные пункты: города, поселки, деревни. А когда люди собираются вместе, то возникают общие интересы и общие потребности.
Это положение как нельзя лучше применимо к проблеме водопользования. Необходимо обеспечивать работу системы централизованного водоснабжения населения города, предприятий бытового обслуживания и общественного питания, спортивных объектов, также поливку улиц и зеленых насаждений, противопожарную охрану и многое другое. Все перечисленное относится к коммунальному хозяйству. Если теперь сложить все коммунальные расходы воды с объемом ее индивидуального потребления и разделить на число жителей города (поселка, деревни), то мы получим так называемое удельное водопотребление.
Значения удельного водопотребления изменяются в широких пределах: от 200 - 600 литров в сутки на 1 человека в городах до 100 - 200 литров в сельской местности. При отсутствии водопровода удельное водопотребление не превышает 30 - 50 литров в сутки на 1 человека.
Для Тюменского региона характерны следующие величины удельного водопотребления: в Ямало-Ненецком автономном округе в среднем на человека приходится 303 литров в сутки питьевой воды, в Ханты-Мансийском автономном округе - 200 и в южной зоне - до 270 литров в сутки. Естественно этот показатель сильно варьирует по отдельным территориям Тюменского региона. А что, интересно в мировых мегаполисах? Больше всех потребляет воды Нью-Йорк - 570 литров на человека в сутки, далее Москва - 435 литров, затем Париж и Санкт-Петербург - по 400 литров, Лондон - всего 160 литров и, наконец, областная столица Тюмень - 300 литров. Англичане очень гордятся своей культурой водопотребления и всеми силами стремятся сохранить достигнутый уровень. Америка, глядя на них, разрабатывает свои программы снижения удельного водопотребления.
Подача воды населению и коммунальным объектам осуществляется с помощью системы водоснабжения. Источниками водоснабжения служат как поверхностные, так и подземные водные объекты. Следует сказать, что Тюменскому региону в этом отношении сильно не повезло. Природные воды здесь повсеместно обладают низким качеством. Они содержат повышенную концентрацию железа, марганца, меди, органических веществ. Кроме того почти все реки, озера, а местами даже подземные воды загрязнены продуктами антропогенной деятельности: нефтепродуктами, фенолами, хлоридами, пестицидами
Получается, что для питьевых целей эту воду использовать нельзя. В Тюменском регионе воды как будто много, а пить нечего. Это называется качественным истощением водных ресурсов.
Что же делать? Как говорится, безвыходных положений не бывает. Прежде, чем подать воду потребителю, из нее надо удалить все эти вредные ингредиенты, то есть очистить. Попутно, конечно, и обезвредить, то есть очистить от вредных микроорганизмов. Надо также вернуть воде нормальный цвет, так как в Тюменском регионе природная вода часто имеет коричневый оттенок, похожий на цвет свежезаваренного чая. Иногда природная вода бывает жесткой, то есть содержит большое количество ионов кальция и магния, что приводит к плохой растворимости моющих средств (мыла, стиральных порошков, шампуней и так далее). Такой водой неприятно умываться и плохо стирать. Снижение жесткости воды называют умягчением. Процесс очистки, обеззараживания, осветления и умягчения воды называется водоподготовкой, которая осуществляется с помощью комплекса очистных сооружений.
Основная задача водоподготовки - довести качество воды до нормативных показателей. Согласно санитарным правилам и нормам от 2001 года в хозяйственно-питьевой воде не должно содержаться более 1 грамма солей на литр воды, 0,3 миллиграмма железа, 0,1 миллиграмма нефтепродуктов и так далее. Перечень веществ очень большой, он включает около полутора тысяч названий. Почему около? Потому что он постоянно пополняется, появляются новые показатели, техника идет вперед, химическая промышленность тоже не отстает. Они нам дарят дополнительный комфорт и новые вредные вещества.
Постоянно контролируются не все полторы тысячи веществ, только наиболее распространенные. Их порядка 30. Еще определяют 15 других показателей: мутность, цвет, запах, наличие болезнетворных бактерий, радиоактивность и так далее. Однако, в некоторых городах и регионах в соответствии со спецификой производства и природных условий в список определяемых ингредиентов включают вещества из указанного подробного полуторотысячного перечня.
На нефтегазовых промыслах для водоснабжения вахтовых поселков широко используются локальные станции водоподготовки типа "Водопад" Станции "Водопад" полностью автоматизированы и работают в автономном режиме. Высокое качество очистки с сохранением полезной минерализации, нулевая токсичность и хорошие вкусовые качества питьевой воды, полученной по технологии "Водопад" позволяет использовать её в системах питьевого водоснабжения отдельных домов и поселков.
Таким образом, чистая вода для человека достается с большими затратами труда, сил и средств. Поистине, свежая, прохладная, чистая, вкусная вода - это трудная вода.
Мутная вода
"Ловить рыбку в мутной воде" - это крылатое выражение часто применяю для характеристики ловких, непорядочных людей без чести и совести, которые прокручивают свои делишки, пользуясь обстоятельствами общественной неустроенности. Это в переносном смысле. А если взять по сути, то в мутной грязной воде рыбы угнетены, у них снижена реакция и чувствительность, что облегчает рыбакам их работу. Очень часто условия жизни рыб ухудшает хозяйственная деятельность человека, приводящая к загрязнению рек и озер.
После комплекса работ по водоподготовке к потребителю поступает вода стандартного качества без цвета, вкуса и запаха. Так обычно пишут в общих требованиях к качеству питьевой воды. Хотя, на мой взгляд, вода для человека все-таки имеет вкус. Читатель наверняка пил воду из родника или деревенского колодца. Она вкуснее, чем из крана в городской квартире. Некоторые считают бутилированную воду, продающуюся в магазинах, наиболее вкусной. Так или иначе, эта качественная вода после использования в быту или промышленности полностью теряет свои полезные свойства и ее надо удалять с места использования. Так образуются сточные воды.
Куда их удалить? Есть несколько способов, которые связаны с видом сточных вод. Последние бывают бытовыми, промышленными и дождевыми. Бытовые сточные воды содержат не только органические и минеральные примеси, но и биологические, состоящие из бактерий, в том числе и болезнетворных, что делает их потенциально опасными.
Производственные сточные воды - те, которые использованы в технологическом процессе и не отвечают более требованиям, предъявляемым этим процессом к их качеству. Они подлежат удалению с территории предприятия. Производственные сточные воды бывают загрязнены в основном отходами и отбросами производства. Количественный и качественный состав минеральных, органических и биологических примесей таких вод разнообразен и зависит от отрасли промышленности и технологического процесса. В сточных водах некоторых отраслей промышленности могут содержаться ядовитые вещества (синильная кислота, фенол, мышьяк, соли тяжелых металлов - меди, свинца, ртути, хрома), а также радиоактивные элементы.
Дождевые воды при выпадении насыщаются растворенными газами, атмосферной пылью, аэрозолями, а при стекании смывают с поверхностей крыш, улиц и других городских территорий и проездов пыль, мусор, бензин, масла, другие загрязнения. Но, тем не менее, эти воды, содержащие преимущественно минеральные загрязнения, менее опасны в санитарном отношении, чем бытовые и загрязненные производственные сточные воды.
Наиболее распространенный способ утилизации сточных вод - это сброс их в реки. Такой процесс называют водоотведением. Как ни странно водоотведение относят к одному из видов водопользования наряду с судоходством, рыбным хозяйством, отдыхом на воде, водоснабжением населения и другими отраслями водного хозяйства.
Возможность водоотведения основана на способности рек к самоочищению. Ученые проводили специальные опыты со сточными водами. Они выпускали в реку загрязнитель заданной концентрации. Затем определяли его содержание ниже по течению на различных расстояниях от места выпуска. Как и следовало ожидать, чем дальше от пускового створа, тем ниже концентрация. Уменьшение концентрации вниз по течению происходило тем быстрее, чем больше скорость течения и выше температура воды. Скорость течения способствует перемешиванию загрязнителя с водами реки. Очень важно, чтобы это перемешивание происходило как можно полнее и быстрее. В противном случае сточные воды отдельной хорошо различимой струей двигаются по реке на протяжении нескольких километров. Представим себе рыбу, которая резвится в не загрязненной речной воде, попадает в эту инородную, не дай бог, токсичную струю и гибнет в совершенно чистой реке.
Надо сказать, что водоотведение является очень водоемким видом водопользования. Установлено, что для приведения качества воды в реке, используемой как приемник сточных вод, к исходному состоянию сбрасываемые воды даже после очистки требуют разбавления в 10-50, а без очистки до 100-1000 раз. Иначе говоря, на очистку одной тонны грязной воды требуется от 10 до 1000 тонн воды чистой.
Сбрасывать сточные воды в реки кому и как вздумается нельзя. Здесь все регламентировано различными нормативными документами. Чтобы получить разрешение на водоотведение надо представить соответствующие обоснование и расчеты. В них учитываются объем сбрасываемых вод, расход реки, коэффициент смешения сточных вод с водами реки и другие показатели.
Приемником сточных вод, кроме рек, могут выступать также озера и даже болота. Самоочищающая способность этих водных объектов, особенно болот, значительно ниже, чем рек. Вследствие этого они используются тогда, когда возникает крайняя необходимость водоотведения, а рек или нет, или они маловодны, либо перемерзают и пересыхают. Довольно широко в такой ситуации применяют так называемые накопители сточных вод и жидких производственных отходов. В качестве накопителей могут выступать естественные ложбины, котловины и другие пониженные формы рельефа. Так же делают искусственные приемники стоков в виде котлованов или обвалованных территорий.
Приведу пример. В советское время в Львовской области на Украине в городе Стебник работал мощный горнодобываюший комбинат по производству калийных удобрений. Производственные жидкие отходы этого комбината направлялись в накопитель, расположенный в долине реки Днестр. Осенью 1983 года в результате проливных дождей произошло переполнение этого водоема и прорыв ограждающей дамбы. В результате в реку Днестр хлынул поток объемом 4,5 миллиона кубометров загрязняющих веществ с концентрацией солей 250 грамм на литр. Напоминаю, соленость воды в Мировом океане составляет 35, а в Мертвом море 300 грамм на литр. В результате аварии была загрязнена практически вся река вплоть до устья. Сильно пострадали многие питьевые водозаборы. Минерализация речной воды в Днестре только через три года достигла своего до аварийного уровня. Это, конечно, не единичный случай. Многие предприятия имеют такие накопители, которые профессионалы называют "хвостами" или "хвостохранилмщами". Название указывает на отходы, являющиеся концом технологического цикла. Накопители промышленных сточных вод и жидких отходов являются потенциально опасными объектами для рек и озер, своего рода экологическими бомбами замедленного действия.
Чтобы уменьшить риск загрязнения водных объектов сточными водами их подвергают очистке. Методы очистки чрезвычайно разнообразны и зависят от состава сточных вод. Если рассматривать наиболее распространенный случай водоотведения - коммунальные стоки, то здесь технология очистки такова.
Сначала загрязненные воды направляют в специальные водоемы - радиальные отстойники. Здесь грубые крупнозернистые примеси выпадают на дно. На валу вращаются специальные скребки, которые сдвигают осадок со дна в специальный осадкоприемник. Осветленная вода направляется в следующую емкость, где она подвергается обеззараживанию, то есть освобождению от болезнетворных микробов. Для этой цели применяют жидкий хлор или хлорную известь.
Затем наступает очередь биологической очистки. Применяют биофильтры, биологические пруды и аэротенки. Последние представляют собой огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий. Эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, подаваемого в сооружение. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, которые превращают органические вещества в минеральные. Хлопья быстро оседают на дно, отделяясь от очищенной воды. Данная технология применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.
Существенной особенностью водоотведения на севере является фактор перемерзания рек. Вследствие этого в зимний период они не могут разбавлять и транспортировать сточные воды. В ряде случаев малые перемерзающие реки все-таки используются для сброса сточных вод. В результате образуются большие грязные наледи, которые тают весь теплый период, выступая в качестве вторичного источника загрязнения рек. Практикуется так же сброс сточных вод в накопители, расположенные во впадинах рельефа. В проектах обустройства нефтегазовых месторождений бытует жаргонное выражение "сброс сточных вод на рельеф".
Сложность водоотведения на севере Тюменского региона побуждает к поиску методов, которые решали бы проблему без нанесения ущерба природе. К таким методам можно отнести сжигание сточных вод в факельных установках, закачку их в продуктивные нефтесодержащие горизонты для поддержания пластового давления и захоронение высокоминерализованных стоков в глубоких геологических структурах.
Само понятие сжигание воды, даже, если она относится к категории сточных вод, кажется странным. Однако рассмотрим подробнее. В процессе добычи на поверхность, как правило, поступает не чистая нефть, а смесь очень соленой воды, нефти и газа. Чтобы нефть закачать в трубопровод и транспортировать ее потребителю необходимо эту смесь очистить от воды и газа.
Отделенная от нефти и газа вода образует производственные сточные воды, которые содержат нефтепродукты, метанол, диэтиленгликоль, ингибиторы коррозии, фенолы. Эти загрязняющие вещества являются высокотоксичными и экологически опасными. Очистка таких стоков дело дорогое и хлопотное. Поэтому наши доморощенные рационализаторы придумали эту схему сжигания воды. Отделенный от добытой жидкости газ сжигают в факельной установке. Это так называемый попутный газ. В эту установку подают производственную загрязненную воду. Она в условиях высокой температуры горящего факела испаряется, а вместе с ней испаряются, сгорают, распадаются и токсичные составляющие. Да, очень хорошо, что эти загрязнители не попадают в воду рек и озер, но они загрязняют атмосферный воздух и, в конце концов, выпадают на землю в те же водные объекты. Поэтому такая практика утилизации сточных вод встречает все большее сопротивление экологов.
Более продуктивной является идея закачки сточных вод в нефтесодержащие горизонты для поддержания пластового давления (ППД). Нефтяники здесь, как говорится, убивают сразу двух зайцев. Во-первых, решается проблема утилизации сточных вод без ущерба для водных объектов; во-вторых, отпадает необходимость поиска источников водоснабжения для системы ППД.
Но, оказывается, не все так просто. Закачиваемая в пласт вода не должна снижать его нефтеотдачу. Это может случиться, если вода окажется слишком холодной, или будет содержать твердые примеси, а также вещества, которые, вступая в химические реакции с пластовой водой, могут образовывать не растворимые соединения. Все это способствует загустению нефти и закупориванию пор пласта. Поэтому, сточные воды перед закачкой в пласт требуют специальной подготовки.
Помимо использования сточных вод в системе ППД, в промысловых районах получает распространение практика захоронения жидких отходов в глубокие гидравлически изолированные геологические горизонты. Такие отходы образуются, например, на заводах по переработке газового конденсата, который называют еще "белой нефтью". Это высококачественное углеводородное сырье имеет такой же состав, что и нефть, но без смол и асфальтенов. Из конденсата изготовляют высококачественные бензины и различные пластмассы. Промысловики шутят, что конденсат можно сразу из добывающей скважины заливать в бензобак автомобиля. Конечно, это не совсем так.
Конденсат обрабатывают на специальных заводах, где его очищают от газа и воды. Образующиеся производственные сточные воды подвергают очистке и закачивают в глубокие геологические пласты. При этом должны быть выполнены ряд условий. Перечислим некоторые из них: поглощающие горизонты должны обладать проницаемостью и толщиной, достаточной для приема поступающих стоков; быть надежно перекрыты водоупорами, обеспечивающими изоляцию стоков, иметь удовлетворительную совместимость с пластовыми водами и ряд других требований.
Например, Пуровский завод по переработке газового конденсата ежедневно закачивает 300 кубических метров сточных вод в поглощающий горизонт, расположенный на глубине1270-1500 метров. Эти стоки не попали в реку Пур и тем самым не способствовали ухудшению ее экологического состояния.
Злая вода
Вода дарит нам жизнь. Но она может и отнять ее, когда в период половодий и паводков огромные массы воды обрушиваются на города и села, сметают все на своем пути и затопляют большие территории. Еще не зажили душевные и физические раны у жителей города Крымска. В ночь с 6 на 7 июля 2012 года по долине реки Адагум, протекающей через город, прокатился вал воды высотой 7 метров. Мощным потоком смыло много домов, вода разлилась по всему городу, достигнув уровня третьего этажа. Стихия бушевала всего два часа, но за это короткое время успела лишить жизни 152 человека и нанести огромный материальный ущерб.
Адагум горная река. Особенностью горных рек является их коварство. Паводок приходит внезапно и стремительно. Человек часто не успевает осознать того, что прошедшие в горах ливни через несколько часов обрушатся в долину разрушительной волной. Пока люди думают, будет паводок, не будет, какое принять решение вода уже в городе.
На равнинной территории Тюменского региона подобный сценарий развития катастрофических событий исключается. Главной причиной формирования наводнений являются не дожди, а снеговые воды весеннего половодья. Это явление ожидаемое, совершенно четко известно: наступит весна придет большая вода. Можно принять необходимые меры по защите населения.
Исключительная равнинность территории предопределяет формирование широких речных пойм. Великие реки региона Обь и Иртыш имеют поймы в среднем и нижнем течении, достигающих ширины 35-40 километров. Не менее обширные поймы характерны и для больших рек (длиной более 1000 километров). Это Тобол, Ишим, Тура, Тавда, Конда, Северная Сосьва, Пур, Таз, Большой Юган. В период весеннего половодья все пойменное пространство залито водой и это производит впечатление грандиозного явления, когда с одного берега потока не видно другого.
Равнинность территории также предопределяет малые уклоны рек (Обь в нижнем течении имеет падение 1 сантиметр на километр, а Иртыш 2,8 сантиметра на километр), что обуславливает сильную извилистость русел и как следствие затрудненный сброс паводковых вод. Вода стоит на пойме долго.
Наводнения при заторах льда на реках возникают в результате стеснения русла массами надводного и внутриводного льда. Особенно характерны наводнения от заторов льда для рек, текущих с юга на север. Большие массы льда поступают к нижним участкам, где еще сохраняется неподвижный ледостав, выступающий в роли препятствия для дальнейшего движения льда. Льдины, плывущие с юга, достигнув кромки ледостава, останавливаются, к ним подплывают другие. Под напором воды льдины наползают друг на друга, подныривают по ледовый покров, образуется навал льда - ледяная плотина.
Особенно памятен затор на Иртыше у города Тобольска 26-27 мая 1950 года, когда уровень воды поднялся на 4,6 метра. Не менее мощным был затор на Иртыше у села Уват 19-23 мая 1951 года (подъем уровня 7,1 метра), у села Демьянское (1962 год) и у города Ханты-Мансийск (1961 год), когда заторные уровни превышали отметку 5 метров.
В устьевых участках рек наблюдаются наводнения за счет ветровых нагонов воды. Особенно известны наводнения от нагонных ветров в городе Санкт-Петербурге. Здесь, обычно осенью дуют штормовые западные ветры, они гонят массы воды Финского залива в устье Невы. Образуется как бы противоположное течение. Вода в Неве останавливается и не может стекать в Финский залив. Ей ничего не остается делать, как выходить из берегов и разливаться по окрестности.
Самое большое такое наводнение 1824 года описано в поэме Александра Сергеевича Пушкина "Медный всадник". Вспомним с детства знакомые строки.
Нева всю ночь
рвалася к морю против бури....
.............
Но силой ветров от залива
Перегражденная Нева
Обратно шла, гневна, бурлива,
И затопляла острова,
Погода пуще свирепела,
Нева вздувалась и ревела,
Котлом клокоча и клубясь,
И вдруг, как зверь остервенясь,
На город кинулась.....
Осада! приступ! злые волны,
Как воры, лезут в окна. Челны
С разбега стекла бьют кормой.
..............
Гроба с размытого кладбища
Плывут по улицам!
Народ
Зрит божий гнев и казни ждет
Ровно через 100 лет в 1924 году Санкт-Петербург подвергся еще одному большому наводнению с уровнем всего лишь на 40 сантиметров ниже события 1824 года. За время существования Петербурга произошло 309 наводнений различной интенсивности. В 2011году было завершено строительство первой очереди защитной дамбы, которая должна перекрывать доступ морской воды в устье Невы во время западных штормов. Таким образом, город впервые за 300 лет получил возможность спать спокойно при разгуле атлантических циклонов.
В Тюменском регионе в устьевых участках рек Надым, Ныда, Пур, Таз и других наблюдаются значительные ветровые нагоны воды из Обской и Тазовской губ. На реке Пур нагон воды отмечен на расстоянии свыше 100 километров от устья, на реке Надым -- свыше 50 километров. Максимальная высота подъема уровня при нагоне изменяется от 135 сантиметров (река Пур) до 210 сантиметров (река Ныда). В результате ветровых нагонов воды затопляются поселки Ныда, Яр-Сале и Тазовское, расположенные на берегах Обской губы.
Человек издавна селился у водных объектов, так как это давало ему гарантированное обеспечение продовольствием и водой. В реке (озере) ловилась рыба, добывалась водоплавающая дичь, на пойменных лугах пасся скот, заготавливалось сено и так далее. При этом, чем ближе к воде было жилище, тем удобней. Однако данное стремление селиться как можно ближе к воде имело и отрицательную сторону, связанную с периодическим затоплением местообитания при высоких уровнях воды в реке.
В целом по Тюменскому региону при уровнях воды в реках, который случается раз в 100 лет может быть затоплено 741 тысячи гектаров сельхозугодий, в том числе 275.3 тысячи гектаров пашни, 930 километров автодорог, 180 цехов и промышленных предприятий, 6868 жилых домов.
В Ямало-Ненецком автономном округе в зоне затопления и подтопления находятся город Салехард, город Новый Уренгой, поселки: Горки, Мужи, Ахсарка, Товопогол, Салемал, Яр-Сале, Тарко-Сале, Пуровск, Пурпе, Самбург, Ханымей, Ст.Уренгой, Старый Надым, Тазовский, Ныда, Овгорт, Находка и другие (всего 43 населенных пункта).
В Ханты-Мансийском автономном округе при указанном уровне воды могут частично или полностью затапливаться 24 населенных пункта, в том числе города Ханты-Мансийск, Сургут, Когалым, Нижневартовск и другие.
Такой прогноз подтверждается материалами сто и двухсотлетней давности. Из литературных источников известно об очень высоких наводнениях 1784, 1794, 1859 годов. Сибирский ученый и краевед XIX века Петр Словцов описывает два катастрофических наводнения, происшедших в городе Тобольске в конце XVIII столетия. "...Первое случилось в 1784 году, за четыре года до последнего пожара, в то время вода имела возвышение на самом берегу Иртыша 11 аршин и 7,5 вершков (816 сантиметров). Наводнение 1784 года было так велико, что покрыло весь город..."
Другое наводнение было в 1794 году "...Наводнение 1794 года было еще больше наводнения 1784 года. Есть в Тобольской губернской канцелярии чертежной план города Тобольска, составленный с плана 1784 года, на котором изображена глубина воды, покрывавшая город, в том виде, как это было 31 (10 июня) мая 1794 года, когда вода достигла последней точки своего возвышения...".
В краеведческой литературе и архивных материалах имеются описания наводнений, происшедших в XIX столетии в городе Омске (1818, 1845, 1877 и 1892 годах), в городах Таре и Ишиме (1854, 1856, 1859 годах) и других.
В "Тобольских губернских ведомостях" (N 20) за 1859 год сообщается "...Из Тобольского округа сведения не утешительные, все деревни и селения волостей Куларовской, Бегишевской и Карагайской, расположенные вверх по течению Иртыша, затопило, кроме только тех деревень, которые находятся на самых высоких местах; при этом затопило все сенокосные луга, хлебопашные поля и снесло все загородки, у некоторых же крестьян унесло дома со всеми постройками...".
В летописях Бронниковской церкви за 1859 год отмечено: "Вода была очень большая... много смыло домов и жилых построек. Сена не было, скот кормили тальником... Крестьянам выдавали хлеб из запасных магазинов. Из прихожан многие, оставив дома и престарелых родственников на произвол судьбы односельцев, уезжали в хлебородные места...".
За 1888 год в летописях указывается: "...Вследствие наводнения все посевы и озимые хлеба погибли. Несчастье великое для жителей, в прошлом году все поля с посевами были затоплены и не было для пропитания хлеба...".
В летописях села Юровского (ныне Уватский район) за 1887 и 1888 годы также указывается на бедственное положение крестьян из-за затопления пашни, лугов и населенных пунктов.
В XX столетии большие наводнения в бассейне Иртыша отмечены в 1908, 1912, 1914, 1923, 1941, 1947, 1957, 1970, 1979 годах (города Ишим, Тобольск, Ханты-Мансийск и другие).
В 1984 году наблюдалось экстремально высокое половодье на реках Надым, Пяку-Пур и Таз. Талыми водами были затоплены огромные пространства тундры, поселок "107 километр", пристань в городе Надыме, разрушена насыпь моста в поселке Старый Надым, размыт мост в поселке Пангоды, затоплены сельскохозяйственные объекты в Надымском районе. Общий ущерб составил 2,78 миллиона долларов. В Тюмени порядка 40 тысяч граждан, живут в зоне возможного затопления, их покой охраняют многочисленные дамбы, общая протяженность которых составляет более 45 километров. За ними ведется постоянное наблюдение специалистов, укрепляются слабые места. Отметим, что дамбы выдерживают напор воды в 9 метров. В 1979 году уровень воды достигал 916 сантиметров (исторический максимум). Сильно пострадал деревообрабатывающий комбинат (ДОК) "Красный Октябрь". Комбинат и прилегающий поселок расположены на правобережной пойме Туры. Территория ограждена дамбой. Во время половодья 1979 года дамба была прорвана, вода хлынула в проран и поднялась до уровня второго этажа. Дело было в 9 часов вечера, люди еще не спали и поэтому во время перебрались в безопасное место. Погиб один человек.
В результате антропогенной деятельности во многих городах перекрываются пути естественного стекания вод и вследствие отсутствия или неэффективной работы ливневой канализации отмечается подтопление территорий. Этому способствуют утечки из водопроводов и канализации, высокие уровни воды в реке во время половодий, ослабляющих дренаж грунтовых вод. Подтоплены города Тюмень, Тобольск, Ишим, Ялуторовск и другие. Подтопление отрицательно влияет на прочность зданий, работу канализационных сетей и теплотрасс, способствует порче продукции в подвалах и погребах.
На нефтегазовых промыслах отмечается подтопление и затопление территории вследствие развития сети дорог, кустовых площадок, нефтепроводов и других коммуникаций, которые пересекают постоянные и временные водотоки местам без соответствующего обустройства путей стока мостами и трубчатыми переездами.
Согласно хронологическим графикам хода максимальных уровней весеннего половодья отмечается их рост в отдельных бассейнах. Так, на реках, стекающих с восточных склонов Урала, максимальные весенние уровни возросли с конца XIX века на 128 сантиметров (Тура у города Тюмени), 94 сантиметра (Пышма у села Богондинское), 45 сантиметров (Тавда - село Нижняя Тавда).
В то же время на реке Тобол, водосбор которой находится в степной зоне, наблюдается несколько меньший рост паводочных уровней: на 10 сантиметров в створе горрода Ялуторовска и на 26 сантиметров в створе села Липовское. На Иртыше у Тобольска вообще отмечается снижение на 14 сантиметров.
Такая динамика наивысших уровней напрямую связана с современным потеплением климата. Как показывают многочисленные исследования, повышение температуры больше всего касается северных территорий планеты. При этом, рост среднегодовой температуры не означает автоматическое потепление лета и зимы. Этот процесс скорее ведет к снижению континентальности климата, что обеспечивает теплые, зимы и прохладные дождливые летние сезоны. Исследования ученых показывают, что повышение среднегодовой температуры, какое наблюдается сейчас, отмечалось и в прошедшие геологические эпохи. Например, при переходе от ледникового периода к современным межледниковым условиям. Эти исследования свидетельствуют только об одном, что современное потепление не обязательно результат антропогенной деятельности. Следовательно, никакие усилия по снижению эмиссии СО2, никакой Киотский протокол тут не помогут. Надо выбросы, конечно, снижать (это поможет очистить воздух), но в то же время готовиться к усилению климатической и гидрологической нестабильности.
БОЛОТНЫЕ СЮЖЕТЫ
Болотное меню
Общеизвестно, что болото - это неприятное место: грязь, протухшая вода, топко, вязко и тучи комаров. Вероятно, это так. Но все-таки. По роду своей деятельности как-то пришлось жить при гидромелиоративном стационаре в 100 километрах от Тюмени в сторону Тобольска. В окрестностях стационара находилось некое болото, которое местное население называло "согра". Это болото было моховое, не было никакой грязи и топей, зато было много ягод. В конце июня поспевала морошка. Это бледнорозовая, очень нежная и исключительно вкусная ягода, по структуре похожая на ежевику или малину, только более крупная. Она не выносит транспортировки. Есть ее надо прямо на месте. В июле собирали чернику, а немного позднее бруснику. И, наконец, с середины сентября можно было начинать заготовку клюквы.
В нашей группе была техник-наблюдатель Маша. Молодая, веселая, энергичная девушка. Она просто умирала от зависти, глядя на местных, которые ведрами таскали бруснику с этой "согры". Наконец решилась и предложила мне сходить за ягодой. Пошли. По узкой, едва заметной тропинке, отмахиваясь от комаров и преодолевая залитые водой понижения, под веселую болтовню Маши как-то незаметно дошли до цели. Нашли хорошее место и начали собирать.
Было тихо. Только где-то неподалеку щебетала какая-то птица, да негромко шумел ветер в верхушках чахлых сосен, в изобилии растущих между моховых кочек. С какого-то момента в эту первобытную тишину начал вплетаться посторонний звук. Это было что-то похожее на пыхтение или сопение. Звук становился все громче. Я оторвал свой взор от кустиков брусники и поднял голову, чтобы определить источник звука.
Он стоял шагах в 15 на всех четырех лапах и, видимо, тоже только что поднял голову. Взгляды встретились. В глазах этого огромного медведя не было ни любопытства, ни страха.
- Маша, медведь! - прохрипел я.
Она взвизгнула и бросилась бежать. Мы неслись по лесу, как два торпедных катера во время атаки на вражеский флот. Только за кормой вместо белых бурунов вихрились струи разорванного воздуха. Остановились мы только тогда, когда увидели домики деревни, где базировался наш стационар. Много говорят и пишут о взаимосвязи природных явлений, что в природе нет ничего лишнего, все ее компоненты необходимы и полезны, в том числе и болота. По этому поводу можно говорить и спорить. Но случай с медведем как-то очень наглядно показал, что болота все-таки полезны и не только людям.
Почему в Тюменском регионе так много болот? Откуда они взялись? Строго говоря, болота здесь существовали во все геологические эпохи. Ссовременный болотообразовательный процесс ученые связывают с окончанием последнего, так называемого сартанского оледенения. Начало сартанской эпохи относится к периоду 23-25, середина к 20-18, окончание 10 тысяч лет тому назад.
Считается, что континентальный ледник занимал Север региона. Над ледником стоял постоянно действующий антициклон (область высокого атмосферного давления), который усиливался по мере роста ледника и, в конце концов, лишил его "питания" - осадков. Таким образом, климат окружающих ледник территорий постепенно становился холодным и сухим
Антициклон - это атмосферный вихрь, в котором воздух вращается по часовой стрелке. Поэтому южнее центра антициклона дули восточные ветры. В этой связи вспоминается зима 1968-69 годов. Тогда сибирский антициклон распространился от Монголии до Украины. Сильные восточные ветры подняли в воздух тучи распаханного чернозема. На Кубани и Ставрополье в лесополосах образовались черные барханы, закрывающих деревья до самих вершин. Стояли сильные морозы, В январе столбик термометра в Тюмени опускался до отметки минус 55 градусов.
В специфических климатических условиях сартанского оледенения сформировались особые ландшафты, которые ученые называют тундростепью. Травяной ярус тундростепи создавали, в основном, не мхи (как в тундре), а злаки. Здесь складывался холодностойкий вариант травяного сообщества с высокой биомассой. Настоящие тундровые участки были приурочены к водным объектам. Сейчас ландшафты, сходные с ледниковыми, сохранились в виде так называемых реликтовых степей - островков среди таежного и лесотундрового ландшафта, приуроченных к южным склонам гор Якутии и Аляски, а также в холодных засушливых высокогорьях Центральной Азии
Представим себе картину эпохи максимума сартанского оледенения. Бескрайние белые просторы, жестокие морозы, сильные ветры, пыльные бури - совершенно не пригодные для жизни условия. Тем не менее, жизнь здесь кипела. Весной, после таяния снега, появлялась зеленая трава, на которой паслись многочисленные стада мамонтов, шерстистых носорогов, лошадей, бизонов, овцебыков, северных оленей и других животных так называемой мамонтовой фауны. Зимой травоядные питались сухой травой, добывая ее из под неглубокого снега.
Давно это было. Так давно, что никто и не помнит. А так ли все действительно было? По мнению новосибирского геолога из института нефтегазовой геологии и геофизики Сибирского отделения Российской академии наук Игоря Волкова, примерно так, а точнее: совсем не так. Дело в том, что Западно-Сибирская равнина представляет собой амфитеатр. Широкие ступени-террасы поднимаются от урезов рек к внутренним и внешним водоразделам. Считалось, что высокие террасы образовались в периоды, когда реки были более многоводны. Позднее, водность рек уменьшилась и, они образовали более низкие террасы.
Анализируя геологические слои террас, Волков обратил внимание на то, что они представляли собой не речные наносы, а озерные отложения. Они встречались везде на территории Западно-Сибирской равнины. Создавалось впечатление, что всю равнину покрывало огромное озеро. А что, если виноват ледник? В голову приходит смелая идея: ледник на севере перегораживал сток Оби, что привело к образованию такого большого озера. Волков назвал его Мансийским озером-морем. Возможно, на эту идею Волкова натолкнул факт существования на западе США в штате Монтана преледникового озера Миссоула, открытого американскими геологами еще в конце XIX века. Здесь в период висконсинского оледенения (аналога сартанского) ледник, сползающий с горного массива Кордильеры, перегораживал сток реки Кларк Форк Ривер. Сейчас здесь установлен плакат, напоминающий о существовании в этих местах древнего подпрудного озера. На плакате нанесены белая черта на красном фоне и слова Highest Level, означающие "наивысший уровень".
В 1964 году Волков публикует статью, в которой излагает основные положения своей гипотезы, которая в дальнейшем была поддержена другими учеными, в частности Михаилом Гросвальдом, уточнялась и совершенствовалась. Сейчас она выглядит следующим образом. В сартанскую эпоху весь север Сибири -- от Уральских гор до Чукотки представлял собой единый континентальный ледник, которым были перегорожены низовья долин сибирских рек -- Оби, Енисея, Лены и других. Южнее, в преледниковой области сформировались огромные подпрудные бассейны.
Мансийское озеро-море было одним из них. В период своего максимального развития 16 тыс. лет тому назад оно стало проточным. С востока в него вливались воды Енисейского бассейна по широкой ложбине стока, по которой сейчас протекает река Кеть, впадающая в Обь справа и река Кас, впадающая в Енисей слева. В конце XIX века по трассе этой ложбины был построен канал с 13 шлюзами. Однако, он не выдержал конкуренции с транссибирской железнодорожной магистралью и был заброшен. Остатки шлюзов до сих пор видны в оплывшем русле этого канала. Уровень Мансийского озера-моря поднялся до отметки 130 метров над уровнем современного океана. Этого оказалось достаточным, чтобы воды этого преледникового водоема перелились через южный водораздел и по Тургайской ложбине потекли в Аральское море.
Как следует из карты, составленной Михаилом Гросвальдом, из Аральской котловины по Сарыкамышской впадине фрмировался сток в Каспийское море. Площадь Каспия была в то время значительно больше современной. Однако, акватория Мансийского озера-моря превосходила этот укрупненный Каспий. В свою очередь Каспийское море соединялась с Черным по Маныческой впадине. Таким образом сибирские воды попадали в Черное море, а оттуда в Средиземное. Такая трансконтинентальная система стока, несомненно, является гидрологическим феноменом сартанской эпохи.
Обильные тундростепные пастбища Западной Сибири оказались на дне Мансийского озера-моря. Животные мамонтовой фауны были оттеснены на юг в засушливые степи. Но, не все так просто. В науке часто новые открытия не проясняют ситуацию, а лишь усложняют ее. Археологи обнаружили стоянку древнего человека и кости мамонта на террасе Оби на высоте всего 14 метров над современным уровнем реки. Возраст стоянки 18 тыс. лет тому назад. Останки мамонтов примерно того же времени найдены на высоком берегу реки Томь на высоте 40 метров от уреза воды. На дне Тургайской ложбины также обнаружены кости мамонта в составе находок стойбища древнего человека. Вспомним, что уровень Мансийского озера-моря достигал 130 метров над современным уровнем океана. Отсюда следует, что все эти древние люди и мамонты должны были вести подводный образ жизни. Данные находки ставят под сомнение факт существования Мансийского озера-моря в сартанскую эпоху. Ряд ученых считают, что континентального оледенения на севере Тюменского региона не было. Было только горно-долинное оледенение на северном Урале.
Так или иначе, но все ученые единодушны в том, что климат Западной Сибири, особенно в конце сартанской эпохи, был холодным и очень сухим. Как считает Игорь Волков, Мансийское озеро-море в это время высохло. Это значит, что Обь пересохла и сток ее в это озеро прекратился. Поверить в это совершенно не возможно. Однако, данное явление, если оно имело место, также можно отнести к очередному гидрологическому феномену сартанской эпохи. Переход от климата последнего оледенения к климату современного межледниковья совершался не путем постепенного потепления, а несколькими короткими периодами резкого повышения температуры. Это установила группа российских и голландских исследователей на основании анализа кернов льда из ледников Гренландии и Антарктиды. Так, всего за 60 лет с 14760 до 14700 лет тому назад, среднегодовая температура повысилась на 7-8 градусов, затем происходило медленное похолодание. Далее снова потепление, когда аналогичное повышение температуры произошло уже в течение 30-50 лет. С повышением температуры увеличивалось увлажнение. Примерно 12-9 тысяч лет тому назад началось образование болот. В этот период в понижениях рельефа на водоразделах и в долинах рек появились множественные очаги первичного торфонакопления.
Здесь уместно привести научное определение болота. Это переувлажненный участок местности с мощностью торфа более 30 сантиметров в неосушенном состоянии. Перефразируя стихи Владимира Маяковского можно сказать:
Торф и болото - близнецы братья.
Кто больше природе-матери ценен?
Мы говорим болото- подразумеваем торф,
Мы говорим торф - подразумеваем болото.
Торф образуется в результате разложения растительных остат-ков. Интенсивность торфонакопления зависит от соотношения разложения отмерших органов растений и скорости прироста растительной массы. Если скорость разложения растительных остатков превышает скорость их прироста, торф не образуется, и наоборот, если скорость разложения растительных остатков меньше скорости их прироста, идет интенсивное накопление торфа. Предшествующий геологический период и современная эпоха на территории Западной Сибири способствовали преобладанию второго процесса над первым. Вследствие этого на территории Западно-Сибирской низменности образовалось много болот, площадь которых в пределах только зоны интенсивного сельскохозяйственного производства составляет 10,1 миллионов гектаров.
Как и все в природе болота, конечно, бывают разные. Обычно выделяют три типа болот: низинные, переходные и верховые. Низинные, естественно, находятся в низу, то есть занимают самые низкие места рельефа: поймы и террасы рек. Верховые же находятся на верху, на водоразделах. Болото, где нам с Машей встретился медведь, как раз относится к таковым. Ну, а переходные болота располагаются между этими двумя типами. Как отмечалось, заболачивание здесь началось 12 -9 тысяч лет назад. Однако, установлено, что возраст торфяников. по мере продвижения на юг, уменьшается. Если в центральной части Западной Сибири возраст торфяников составляет 10--12 тысяч лет, то на юге Барабинской низменности -- 6--7 тысяч лет.
Определение возраста торфяника осуществляется с помощью радиоуглеродного метода, суть которого состоит в следующем. Одним из основных химических элементов, обеспечивающих функционирование живых организмов, является углерод. Он присутствует в тканях животных и растений в виде трех изотопов: с атомными весами 12, 13 и 14 (С12, С13, С14). Первые два изотопа являются стабильными, а С14 - это радиоактивный изотоп. В живых организмах преобладает углерод С12 (почти 99%). На долю же радиоактивного углерода приходится миллиардная доля процента, то есть очень мало. Однако, соотношение стабильных изотопов и радиоактивного углерода сохраняется постоянным. После гибели организма количество стабильного углерода не меняется, а радиоактивного уменьшается за счет так называемого бета-распада. Период полураспада С14 составляет 5730 лет. Иначе говоря, почти через 6 тыс. лет количество радиоактивного углерода уменьшается вдвое.
Торф образуется из отмерших растений. Представим себе, что мы взяли на болоте образец торфа с глубины 2 метра. Согласно исследованиям болотоведов средняя скорость нарастания торфяных отложений составляет около 1 миллиметра в год. В одном метре 1000 миллиметров. Значит наш образец имеет возраст 2 тысячи лет. Но это очень не точно, так как реальная скорость торфонакопления в разных условиях отличается от средней в 3-5 раз. С другой стороны в этом же образце лабораторным путем получено количество стабильного углерода равное 100 граммам. С учетом приведенного выше соотношения стабильного и радиоактивного углерода найдем исходное (то есть до гибели растений торфообразователей) количество С14 в нашем образце. Для этого 100 грамм разделим на 100, а затем на один миллиард. Получим одну миллиардную долю грамма или 1 нанограмм. Допустим, опять-таки лабораторным путем определили современное количество С14, которое оказалось равным 0,5 нанограмма. Выходит, что половина исходного количества радиоактивного углерода распалось. Для этого потребовалось 5730 лет. Таким образом, мы уточнили возраст отобранного образца торфа, который оказался равным не 2000, а 5730 лет.
Беспрецедентная заболоченность Западно-Сибирской равнины является гидрологическим феноменом мирового уровня. Естественно ученых волновал вопрос о причинах появления столь масштабного природного явления. Среди различных предложений, пожалуй, следует обратить внимание на гипотезу о питании западно-сибирских болот подземными водами, поступающими с возвышенного обрамления равнины. Действительно, Западно-Сибирская равнина представляет собой огромную чашу с приподнятыми краями. С запада он ограничена Уралом, с востока горными массивами Восточной Сиьири, с юга Алтай-Саянской горной страной и Казахским мелкосопочником. Однако, эта гипотеза не имела никакого фактического научного обоснования. К тому же сама чаша имела далеко не ровное дно. Здесь имеются свои возвышенности и низменности.
На севере равнины от Уральских гор до Енисея протянулась возвышенная гряда, называется она Сибирские Увалы. Эти Увалы, в свою очередь, делят равнину на две части - замкнутую южную и открытую к Северному Ледовитому океану - северную. К югу от Увалов располагается несколько возвышенностей, которые в Сибири называют материками. Это Белогорский материк на правобережье Оби близь Ханты-Мансийска, Аганский Увал в бассейне реки Аган, Тобольский материк на правобережье Иртыша к северо-востоку от города Тобольска, Васюганское плато восточнее Тобольского материка и другие. Возвышенности разделяются низменностями. Наиболее обширные из них: Среднеобская занимает широтное течение Оби, (здесь расположены города Сургут, Нижневартовск, Ханты-Мансийск), Кондинская в бассейне реки Конда, левого притока Иртыша и ряд других менее обширных.
Практически на поверхности всех этих форм рельефа развиты болота. Что же служит их источником водного питания? Ведь они располагаются в совершенно разных условиях. Абсолютно понятно, что для всех болот есть один общий источник - это атмосферные осадки: дождь, талые снеговые воды. Но осадки выпадают на пашню, лес, луг и так далее, но болот эти ландшафты не образуют. Все дело в стекании излишней воды. Если поставить условие полного отсутствия стока, что может иметь место при котловинно-западинных формах рельефа, то возникает интересный вопрос, на какой же части территории болота могут образовываться лишь за счет атмосферных осадков. Мысленная модель развития процесса заболачивания в этом случае, вероятно, следующая.
Довольно большая ровная поверхность обнесена невысоким валом. Грунтовые воды залегают на значительной глубине и почвы достаточно проницаемы. Если этот участок находится в зоне превышения осадков над испарением, то в первые годы будет иметь место пополнение грунтовых вод, их подъем вплоть до поверхности и образование неглубокого озера. Затем произойдет его переполнение, прорыв вала, образуется сток. Процесс стабилизируется при глубине грунтовых вод на уровне дневной поверхности, начнется болотообразование. Таким образом, чтобы найти южную границу существования болот только за счет осадков, необходимо рассчитать разницу между осадками и испарением с целинных болот. Я проделал такую работу для территории юга Тюменской области.
Оказалось, что эта разница, назовем ее баланс, равна нулю для широты города Тюмени. Отсюда следует, что на территории севернее нулевого баланса в западинах могут образовываться и существовать болота исключительно за счет атмосферного питания. Однако для ровных поверхностей этого недостаточно. Часть выпавших осадков будет расходоваться на сток. Севернее Тюмени баланс становится положительным и по мере движения к северу все время нарастает. Этот избыток атмосферных осадков, остающийся после их испарения, и будет формировать поверхностный сток. Следует найти территорию, где положительная величина баланса (осадки минус испарение) равна стоку. Это район города Тобольска и выше. Здесь следует допустить возможность образования и существования болот на ровных (горизонтальных) поверхностях. На указанной площади действительно широко развиты верховые болота, питающиеся исключительно за счет атмосферных осадков.
Как известно, атмосферные осадки содержат мало солей. Недаром во времена моего послевоенного детства, когда не было ни каких шампуней и даже мыла, женщины собирали дождевую воду и мыли ей голову. Волосы от этого становились мягкими и пышными. На болоте же недостаток солей в воде создает условия для произрастания специфической растительности. Это сфагновые мхи, осоки (пушица, шейхцерия), кустарнички (багульник, клюква, брусника, кассандра), угнетенная сосна и др.
Южнее города Тюмени только одних атмосферных осадков для образования болот недостаточно. Необходимы дополнительные источники в виде притока грунтовых или поверхностных вод. Прежде всего, следует разобраться с притоком поверхностных вод. Так или иначе, болото располагается в низине, в которую с прилегающих склонов стекают талые и дождевые воды. Величина притока этих вод зависит от площади прилегающего к болоту водосбора и от зонального слоя стока. По данным Тюменгипроводхоза о площадях болот и их водосборов, выбранным мною из проектов осушительных систем, и картам стока были рас-считаны значения притока склоновых вод на болота. Всего к расчету было привлечено 28 водосборов. Результаты были обобщены в виде карты изолиний. Наименьшее значение притока склоновых вод наблюдается на аллювиальных террасовых равнинах вдоль Тобола, Вагая и Ишима. Здесь располагаются так называемые долинные болота. На равнинах междуречий Тобола -- Вагая - Ишима, Зауральском плато значения поверхностного притока по сравнению с долинными болотами возрастают в три раза.
Таким образом, долинные болота могут существовать только при наличии дополнительного источника питания, ибо осадков и поверхностных вод для их жизни и развития не хватает. Таким источником дополнительного питания могут служить подземные воды. Указанное обстоятельство подтверждается характером уровенного режима болот.
Я проанализировал данные наблюдений за уровнями грунтовых вод осушаемых болот, взятыми из научных отчетов Западно-Сибирского филиала ВНИИГиМ. Эти болота занимают различные формы рельефа. Объекты "Кавдык" и "Усалка" занимают часть низкой надпойменной террасы Тобола и относятся к долинному типу болот. Осушаемые болота "Ернякуль" и "Карапузское" находятся на высокой террасе. Первое располагается на левобережье реки Вагай в Тюменской области, второе в Барабинской низменности. Объект "Широглазово" приурочен с к Тоьол-Ишимской водораздельной равнине.
Наиболее низкое падение грунтовых вод зимой наблюдается на болотах приподнятых водораздельных равнин (объект, "Шмроглазово"). Питание этих болот связано, в основном, с притоками вод с внешнего водосбора и атмосферными осадками. В зимний период эти приходные статьи водного баланса отсутствуют, поэтому уровень грунтовых вод падает за счет расхода их на подпитывание мерзлой зоны и питание нижележащих слоев. Более низкий геоморфологический уровень характеризуется более высоким залеганием грунтовых вод (болота Ернякуль и Карапузское). Самое близкое залегание грунтовых вод наблюдается на низких террасах, (болота Кавдык, Усальское). По-видимому, здесь играет роль поступление дополнительного питания за счет притока подземных вод. В период вегетации (май-сентябрь) ситуация в принципе остается прежней, только на всех объектах уровни болотных вод располагаются ближе к земной поверхности, чем зимой.
Получается, что самое богатое меню у болот долинного типа. Оно включает питание атмосферными осадками, поверхностными склоновыми водами, подземными водами. В этом случае болота получают значительный приток вод с более высоким содержанием солей, чем в атмосферных осадках. Отсюда, такие болота имеют более разнообразную растительность. Это, конечно, зеленые гипновые мхи, разнообразные осоки, тростник, стелющаяся береза, ива и другое. Торф здесь имеет более высокую степень разложения. Если на верховом болоте торф сложен почти не перегнившей растительностью, то на низинном растительные остатки перегнивают настолько, что иногда напоминают черноземную почву. Поэтому такие болота обладают высоким потенциальным плодородием и в первую очередь подлежат осушению и сельскохозяйственному освоению. При этом важно учитывать источники водного питания, так как от этого зависит способ осушения. Если болото питается поверхностными водами, надо построить каналы для перехвата склонового стока. А если в питании болота велика доля грунтовых или артезианских вод необходимо создать систему по понижению их уровня. Обычно это достигается путем закладки закрытого дренажа.
Тюменская комплексная геологоразведочная экспедиция, режимная партия, главный гидрогеолог партии Владимир Стульников. Это исключительно грамотный специалист, энтузиаст своего дела, знаток всех подземных водоносных слоев и горизонтов. Вот кто поможет мне инструментально подтвердить мои изыскания в области питания болот. В то время я работал заведующим лабораторией мелиоративной гидрологии Западно-Сибирского филиала ВНИИГиМ. Несколько раз я обращался к руководству экспедиции и партии с предложением заложить наблюдательные скважины за режимом подземных вод на объекте "Усалка". Мне отвечали, что такие скважины есть на болоте "Кавдык", которое так же, как и Усальское болото залегает на низкой террасе реки Тобол. Зачем же повторяться. Однако меня поддержал Владимир Стульников и бурение скважин включили в производственный план партии.
Здесь надо дать хотя бы краткую схематическую характеристику гидрогеолгических условий территории. Около 30 миллионов лет тому назад Западно-Сибирскую равнину занимало море. Миллионы и десятки миллионов лет морские организмы отмирали и падали на дно моря. Формировались морские отложения в виде темнозеленых плотных глин. Эти глины настолько плотные, что практически не пропускают воду. Геологическая история продолжалась и после того, как море отступило. На морские глины наслаивались уже континентальные осадки, мощность которых сейчас составляет 80-100 метров. Таким образом, получилось два гидрогеологических этажа. Подземные воды выше морских глин образуют первый гидрогеологический этаж. Эти воды пресные и часто применяются для питьевого водоснабжения. Воды ниже слоя морских глин соленые, теплые и даже горячие. Гидрологической связи между этажами, можно считать, нет. Поэтому, если говорить об участии подземных вод в питании болот, то надо иметь в виду воды первого гидрогеологического этажа.
Бурение скважин и ввод в строй наблюдательной сети за режимом подземных вод на объекте "Усалка" произошло уже после моего перехода на работу в Тюменский университет. Анализ данных наблюдений затем выполнял Василий Новохатин, в последующем доктор технических наук, профессор. Он установил, что приток артезианских вод на Усальское осушаемое болото носит. переменный характер. При этом величина поступления дополнительного питания изменяется, превышая в отдельные периоды среднесуточную сумму осадков в 4-8 раз. Уровень артезианских вод в среднем оказался выше уровня болотных вод на полметра. Таким образом, мои теоретические положения о подземном питании долинных болот полностью подтвердились, как говорится, независимым автором. Я сам лично приезжал на Усальское болото и видел, что в кондукторе одной из скважин вода стояла сантиметров на 30 выше уровня земли. Кондуктором геологи называют надземную часть обсадной трубы скважины. Выполненные исследования позволили мне составить карту районирования болот по типу водного питания и составу мелиоративных мероприятий. Всего на территории юга Тюменской области выделено пять характерных районов.
Первый район занимает правобережье Иртыша. В географическом отношении представляет собой западный отрог Васюганского плато. Район сильно заболочен. В южной части района распространены сосново-сфагновые верховые торфяники, в северной -- верховые болота грядово-мочажинного комплекса. Превышение осадков над испарением с болот достигает одной трети годовой суммы осадков. Питание торфяников атмосферное. Осушать и осваивать эти торфяники нет смысла. Это все равно, что пытаться вырастить пшеницу на прессованной соломе.
Второй район расположен на левобережье Иртыша до широты города Тобольска. Район в основном занят аллювиальными террасовыми равнинами. Это наиболее заболоченная часть рассматриваемой территории. Торфяники грядово-мочажинного комплекса образуют огромные слившиеся между собой болотные массивы. Район изобилует большим количеством внутриболотных озер. Питание болот на современном этапе их развития атмосферное. Осушать и осваивать эти болота не рекомендуется.
Третий район занимает северную часть Зауральского плато и северную часть междуречья Тобол -- Вагай, Вагай -- Ишим. Это переходный район от преобладания гипновых торфяников к осоково-тростниковым. В районе наблюдается равенство осадков и испарения с болот. Приток склоновых вод на болота достигает одной четверти годовой величины атмосферных осадковю Питание смешанное: атмосферное и намывное.
Основные мелиоративные мероприятия в районе должны быть направлены на перехват склонового и ускорение поверхностного стоков путем устройства нагорной сети каналов и открытых собирателей (каналов, ложбин).
Четвертый район занимает южную часть Зауральского плато и южную часть междуречий Тобол -- Вагай, Вагай -- Ишим. В районе в основном распространены травяные болота с очаговым засолением, приуроченные к древним элементам гидрографической сети. Приток склоновых вод составляет одну треть годовой суммы осадков. Питание торфяников смешанное: атмосферное и намывное с боль-шей, чем в предыдущем районе долей склонового питания. Водный режим осушаемых и неосушенных болот характеризуется значительной нестабильностью. Одним из ярких подтверждений это-му является режим бессточных озер, достаточно хорошо изученный ленинградскеим профессором Арсением Шнитниковым. Как показывают исследования этого автора, озера территории, получающие питание за счет склоновых вод, могут совершенно исчезать и превращаться в луга и пашни, а через 20--50 лет здесь вновь образуются озера и в них появляется рыба.
С учетом изложенного освоение болот в районе должно предусматривать перехват склоновых и ускорение стока поверхностных вод путем устройства нагорных каналов и открытых собирателей (кана-лов, ложбин). Для выравнивания режима грунтовых вод и влагозапасов в почве в маловодные и сухие годы должны быть предусмотре-ны мероприятия по увлажнению (предварительное шлюзование, лиманное орошение).
Пятый район приурочен к аллювиальным террасовым равнинам вдоль рек Иртыш, Тавда, Тобол, Тура, Вагай и Ишим. Район сильно заболочен. Преобладают осоково-гипновые и гипново-осоковые торфяники, залегающие на аллювиальных опесчаненных отложениях. По-верхность равнин представлена террасами ледникового происхождения, вдоль уступов которых часто располагаются цепочки озер. Склоны террас, непосредственно примыкающие к береговому валу, в многоводные годы затапливаются паводковыми водами рек.
Питание болот смешанное: атмосферное, грунтовое и склоновое. Осушение болот района должно предусматривать понижение уровней грунтовых вод путем устройства закрытого дренажа, перехват склоновых вод нагорными каналами, ограждение осушительных систем от затопления паводковыми водами с помощью дамб.
Замороженное болото
Вечная мерзлота под Тюменью. Разве это возможно? В соответствии с географией граница вечной или, по современной терминологии, многолетней мерзлоты проходит севернее Тюмени и даже севернее города Ханты-Мансийска, где-то ближе к Салехарду. Не спешите с выводами. Давайте разберемся.
Вдоль левого берега реки Туры на протяжении 136 километров тянется Тарманское болото шириной от 7 до 40 километров. Это типичное долинное болото низинного типа. Залегает оно на низкой террасе реки Туры. Совершенно отчетливо видно, что эта поверхность когда-то была поймой Туры.
В послевоенные годы двадцатого века пришло понимание того, что болота, эти никому не нужные земли, от которых один вред, играют в природе немаловажную роль водных, углекислотных, биологических, вообще экологических регуляторов и поэтому их надо изучать. В стране начали открывать болотные станции. Было принято решение о создании таких стационаров и в Тюменской области. Для начала в 1960 году приступили к организации станции на Тарманском болоте. Встал кадровый вопрос. Кого назначить начальником? Выбор пал на Ирину Романову, молодого энергичного гидролога, два года назад окончившую Воронежский государственный университет и прибывшую на работу в Тюмень.
И навалились на Ирину Михайловну заботы. Надо было выбирать место для экспериментальных площадок, оборудовать створы и скважины, размещать оборудование и приборы, нанимать и обучать наблюдателей и так далее и тому подобное. Работы, как говорится, хватало. Постепенно дело наладилось, объем наблюдений вышел на проектный уровень, появились первые данные. Наблюдали за уровнем болотных вод, испарением с торфяной залежи, влажностью торфа, температурой воздуха и почвы, промерзанием, оттаиванием торфяника и так далее на целинной и осушаемой под торфодобычу части болота.
Вот тут-то и обнаружилось, что промерзшая за зиму торфяная залежь на осушаемой части болота не успевала оттаивать за лето. Формировалась антропогенная многолетняя мерзлота. В чем причина? Почему? Ответ был всем очевиден. На осушаемой части уровни грунтовых вод стояли значительно глубже, чем на целинном болоте. Ирина Романова публиковала по этому и другим поводам статьи в научных журналах. В 1979 году она по материалам наблюдений Тарманской болотной станции защитила кандидатскую диссертацию в Ленинградском университете. Так в научных кругах утвердилось мнение, что в Сибири осушение болот ведет к образованию вечной мерзлоты.
Смелое утверждение с далеко идущими последствиями. Представим себе, что слой многолетней мерзлоты нарастает и, год от году становится все мощнее. Мерзлый слой торфа, как показывают данные опытов и наблюдений на болотах не только Сибири, но и других регионов, практически не проницаем для воды. Это как говорят гидрогеологи, абсолютный водоупор. Дождевые и талые воды не будут просачиваться вниз, а останутся на этом мерзлотном водоупоре. Сформируется новый водоносный горизонт или верховодка по терминологии тех же гидрогеологов.
Данное явление, касающееся осушаемых болот Барабы, подробно описано в научной литературе. В формировании верховодки здесь, кроме талых, принимают участие паводковые воды реки Карапуз, в которую впадает Карапузский канал, сооруженный еще экспедицией Жилинского. У реки Карапуз есть левый приток под названием Карапузенок. Не правда ли забавные и милые названия рек? Только эти речные имена не имеют никакого отношения к детям.
В этом районе параллельно реки Карапуз с северо-востока на юго-запад протекают реки Карагат, Карасу, Каракан. Как видим, все названия включают элемент кара. Слово это в татарском языке имеет много значений. Среди них: черный, темный, грязный и тому подобное. Указанные реки вытекают из обширных болот, расположенных на Обь-Иртышском водоразделе. Вода в них имеет коричневый цвет из-за большого содержания органических веществ и окислов железа. Скорее всего, элемент кара указывает на болотное происхождение этих рек. Со второй частью названий дело обстоит сложнее. Начнем с Карасу. Здесь элемент су в тюркских языках означает река, вода. Далее Каракан - вторая часть названия кан, по-видимому, связана с индо-европейским термином река, современное значение канал. Когда-то в сибирских степях резвились различные иранские племена: арии, скифы, саки и другие. Возможно они оставили этот элемент в названии реки. Вспомним реки: Абакан, Кан, Канас. Русский Канас в Красноярском крае и на Алтае.
Теперь о Карапузе. Первый элемент понятен. Со вторым большие проблемы. Элемента пуз со значением река, вода как будто нет. Зато есть реки с окончанием на туз, в татарском языке соль. Это четыре реки Каратуз в Красноярском крае, две реки Туз в Башкирии и Челябинской области. Возможно, название нашей реки изначально звучало как Каратуз, а затем русским населением был переделан в более привычное и понятное для русского уха Карапуз.
Но, вернемся к промерзанию торфа и водоупорам. Если не придумать способа отвода верховодки, то начнется новый процесс болотообразования. Получается, осушай не осушай, все равно будет болото. Возникло непреодолимое желание проверить эту ситуацию с вечной мерзлотой. Для этого надо было создать условия осушения при разных уровнях грунтовых вод.
Франция, 1642 год. Только что скончался знаменитый кардинал Решелье, с гвардейцами которого сражались доблестные мушкетеры. А двумя годами раньше родился Филипп де ля Гир, будущий известный физик, математик, астроном, профессор королевского колледжа. За свою по тем временам долгую жизнь, а прожил он 78 лет, Филипп де ля Гир много сделал во славу науки Франции. Это был очень разносторонний ученый. Он интересовался всем: от математики и физики до метеорологии.
Откуда в родниках, ключах и подземных источниках берется вода? Для современников Филиппа де ля Гира это было не очевидно. Он считал, что источником питания родников служат дождевые воды. Чтобы доказать это профессор Гир придумал и испытал прибор, который назвал лизиметром ( от греческого лизи - растворение, просачивание). Устройство прибора и технология измерений, как все гениальное, просты. В земле выкапывалась яма, в вертикальной стенке которой делалась ниша. В "потолок" ниши вдавливался открытый сосуд со сливным краном в нижней части. Дождевые осадки просачивались через слой почвы и накапливались в сосуде. Спустя некоторое время кран в нижней части сосуда открывали и воду сливали в мерный стакан. Сравнивая количество выпавших на поверхность земли осадков и объем просочившейся воды, получали долю осадков, участвующих в питании подземных вод.
Со времен Филиппа де ля Гира многое что изменилось. Изменились и лизиметры. Сейчас, это, как правило, сосуд, заполненный почвой и, чаще всего почвой не насыпной, а имеющей не нарушенную структуру. Лизиметры с такой почвой засевают различными сельскохозяйственными культурами и даже сажают деревья. Ведь площадь некоторых лизиметров может достигать 5 квадратных метров, а высота 2-3 метров. Применяют лизиметры для измерения просачивания через почву влаги (как делал еще Филипп де ля Гир), измерения испарения с почвы, миграции влаги вверх от грунтовых вод, движения питательных веществ в почве и других целей. В некоторых случаях лизиметры периодически взвешивают, чтобы определить убыль и приход влаги. В общем, это целая методология, которая называется лизиметрическим методом.
В нашем случае нужно было определить влияние положения грунтовых вод на процессы промерзания и оттаивания торфяника. Так же предполагалось решать некоторые другие задачи. С этой целью автором были сконструированы лизиметры с двойным корпусом. Воздушная прослойка толщиной 5 см, отделяющая один корпус от другого, должна служить теплоизолятором, и гидротермический режим лизиметра, особенно в зимний период, в большей степени должен определяться положением грунтовых вод лизиметра, а не окружающего поля.
Местом расположения лизиметров выбрали осушаемый под сельскохозяйственные посевы участок Тарманского болота, не вдалеке от приборов и установок болотной станции Росгидромета. Начали строить лизиметрический комплекс в конце марта, когда уровень грунтовых вод был самым низким, и они не препятствовали земляным работам. Перед этим летом была проведена соответствующая подготовка. В частности были отрыты несколько почвенных разрезов, а проще говоря, ям для оценки состава и мощности торфа.
Разрезы копала Маша. Кто-нибудь скажет, зачем такую тяжелую работу поручили девушке. Дело в том, что торф как грунт рыхлый и легкий. Лопата без труда входит в его, затем этот не тяжелый кусок легко выбрасывается из ямы наверх. Дело было летом, погода стояла прекрасная, и я решил пойти посмотреть, как идут дела у Маши. Выйдя из арендованного для нашего стационара деревенского дома, я увидел идущую по деревенской улице Машу. На ней был только купальник. На улице в сибирской деревне девушка в купальнике - это уж слишком. Что подумают жители о нашей группе? Увидев меня, Маша заревела.
- Что случилось? - спросил я.
- Платье украли!
И снова рев на всю деревню.
- Иди в дом, одень что-нибудь и пойдем искать платье.
Пошли искать, хотя я не представлял, где искать и кто мог украсть платье, когда вокруг будущей лизиметрической площадки и людей-то нет. Пока шли, я пытался выяснить обстоятельства дела. Да, копала, стало жарко, сняла платье, опять копала. Собралась идти домой, а платья нет. Еще издали я увидел кучу выброшенного из ямы торфа. Подошли ближе и вдруг вижу на самом краю кучи, у ее основания, пестрый цветастый лоскут. Все стало ясно.
- Я знаю, кто украл платье, - сказал я.
- Кто? - удивленно спросила Маша.
- Это она, - и показал на кучу.
Лицо Маши стремительно менялось. Сначала выражение было вопросительное, потом на нем отразилась работа мысли, ну а потом Маша захохотала. Она смеялась долго и безудержно, видимо сказалось нервное напряжение, связанное с походом в купальнике. Я тем временем тащил платье из кучи, призывал Машу успокоиться и не засыпать больше свое платье грунтом из ямы. Машины разрезы помогли определиться с местом расположения лизиметров и местом их зарядки, то есть заполнения не нарушенным монолитом почвы. Строили лизиметрическую площадку совместно с Александром Моториным, в последующем доктором сельскохозяйственных наук, профессором Тюменской сельскохозяйственной академии. Он выполнял всю агрономическую часть: посев сельскохозяйственных культур, их удобрение, уборку, а так же связанные со всем этим наблюдения: влияние положения грунтовых вод на урожай, миграцию питательных веществ, разложение органического вещества и так далее. Всего было построено, как говорят, заложено 24 лизиметра площадью 1,1 кв. метр с постоянно поддерживаемым в течение всего года уровнем грунтовых вод 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 метра. Сначала лизиметры засевались овсом на зеленый корм, затем -- многолетними травами.
Конструктивно каждый лизиметр выполнен в виде вложенных друг в друга цилиндров диаметром 1,2 и 1,3 метра. Внешний цилиндр не доходит до верхнего края внутреннего на 30 сантиметров. На этом же уровне к корпусу внутреннего цилиндра по всей окружности приварен швелер. Если лизиметр установлен в рабочее положение, то внутренний цилиндр оказывается подвешенным. В этом случае отпадает необходимость в дополнительных устройствах для поддержания внутреннего цилиндра, исключается попадание воды сверху в лизиметр и снимается нагрузка с гравийного фильтра. В нижней части монолит удерживается сеткой, которая в свою очередь поддерживается двумя металлическими стержнями пропущенными в отверстия нижнего края внутреннего цилиндра. Сетка, внутренний и внешний цилиндры выполнены из стали толщиной 6-8 миллиметров.
Лизиметры группами по 6 штук установлены на расстоянии 1 метра вокруг металлического колодца. Колодец представляет собой емкость, выполненную из стали толщиной 6 мм размерами 2 х 2 метра и высотой 1,7 метра. Лизиметры и колодец имеют патрубки для соединения их с целью обеспечения поступления воды из пита-тельного бачка в водорегулирующий и затем в поддон лизиметра. В колодце имеются металлические полки для установки водорегулирующих устройств.
На поверхности почвы к каждому лизиметру установлены пита-тельные бачки емкостью 25 л с водомерным стеклом. Вода поступает из питательного бачка в регулирующий и оттуда по стальной трубке в поддон лизиметра. При переувлажнении монолита и появлении инфильтрации поплавковое устройство водорегулирующего бачка перекрывает доступ воды из питательного бачка, и профильтровавшаяся вода сливается через отверстие водорегулирующего бачка в мерный сосуд, установленный под каждым таким бачком.
В зимний период верхний питательный бачок отключается и водорегулирующее устройство работает только на слив излишней воды. Пополнение грунтовых вод в случае их падения при миграции влаги в мерзлый спой осуществляется через скважину путем долива воды.
Шесть лет лизиметры исправно работали, но потом наступила "перестройка" и связанные с ней последствия. Тем не менее, за этот срок были получены любопытные данные. Да, уровень грунтовых вод влияет на глубину промерзания, скорость и сроки оттаивания торфяной залежи. При этом основным фактором влияния выступает величина влагонакопления в мерзлом слое. Точнее льдистость почвы. Дело в том, что к фронту промерзания подтягивается влага из нижележащих слоев почвы. Эта влага превращается в лед, который заполняет свободные поры почвы. Движущим фактором для почвенной влаги является перепад температур и влажности. Влага движется от теплого к холодному, от влажного к сухому.
В результате в мерзлом слое может накопиться столько льда, что сводных пор в почве не останется. Фактический мерзлый слой торфа превращается в органический лед. Величина влагонакопления в мерзлом слое оказалась наибольшей при уровне грунтовых вод 0,5 метра. Не очень сильно отставал этот показатель при уровне 1,0 метр. Вода самое теплоемкое природное вещество. Поэтому растопить этот органический лед можно только при больших затратах тепла. Как показали наблюдения, полное оттаивание торфяника на лизиметрах с уровнем грунтовых вод 0,5 метра происходит на месяц позже по сравнению с лизиметрами с глубиной грунтовых вод 1,5 и 2,0 метра и приходится на 1 июля. Ни о каких перелетках, то есть перехода мерзлоты на следующий год речи нет.
Что касается "вечной мерзлоты", обнаруженной Ириной Романовой, то необходимо обратить внимание на глубину грунтовых вод при осушении под торфодобычу. Она невелика и лежит в пределах 0,8-1,0 метра. Это, как следует из лизиметрических данных, ведет к образованию высокой льдистости торфяной залежи, что способствует позднему оттаиванию. Это с одной стороны. С другой торф добывали фрезерным способом, то есть, измельчали в пыль верхний тонкий слой, а когда он подсыхал, засасывали его как пылесосом специальной машиной. Поэтому торфополя были лишены всякой растительности. Естественно, зимой снег с этих поверхностей сдувался ветром в каналы и ближайшие кусты. Малая высота снега способствовала более глубокому промерзанию торфяника. Торфяную пыль поездом увозили на Тюменскую ТЭЦ. В результате такой технологии добычи промерзшая за зиму торфяная залежь, экранированная сверху торфяной мульчой, не успевала оттаивать за лето.
После окончания добычи торфа, выработанные поля передаются под сельскохозяйственное использование. Они зарастают сорняками деревьями, если не используются или культурными растениями. Восстанавливается нормальное снегонакопление зимой и обычный приток тепла к почвенному покрову летом (отсутствует мулчированный слой). Все это приводит к ликвидации "вечной мерзлоты", даже если она местами образовалась.
Орошаемое болото
Высоко в горах Турции и Армении берут свое начало знаменитые реки Передней Азии Тигр и Евфрат. Пересекая территорию Турции, Сирии и Ирака, они устремляются к морю, все теснее и теснее прижимаясь друг к другу, пока наконец, перед самым впадением в Персидский залив не сольются в один поток Шатт-эль-Араб. В нижнем течении реки текут по бесплодной жаркой пустыне, где на 200 километров к западу и востоку нет ничего, кроме раскаленного песка. В таких условиях долины Тигра и Евфрата выступают как живительные оазисы, протянувшиеся зеленой полосой по желтой равнине.
В древности поймы этих рек изобиловали озерами и болотами. На отдельных суходольных возвышенностях росли финиковые пальмы и кусты тамариска. Все остальное пространство было занято зарослями тростника. В переходной зоне между пустыней и болотами паслись газели, на них охотились львы, в зарослях тростника шипели змеи, которых здесь водилось более 50 видов, вились тучи комаров и москитов. В реках и озерах в изобилии водилась рыба.
Около 6 тысяч лет тому назад в устье Шатт-эль-Араба появились шумеры. Что их побудило переселиться в эти гиблые места, неизвестно. Может быть притеснение соседей, или преследование злейших врагов, а может быть недостаток жизненных ресурсов на месте прежнего проживания. Двигаясь вверх по реке, они безуспешно пытались найти земли, пригодные к земледелию. Наконец, устав от поисков, остановились на обширном острове, который возвышался среди болот. Стали осваивать эту небольшую территорию. Оказалось, что выращивать пшеницу и ячмень можно только на узкой полосе, прилегающей к болоту. Здесь влаги хватало, и посевы не выгорали в лютую летнюю жару. Но такой земли было мало. Жили скудно. Тут то и догадались расширить посевные площади за счет болот. Прокопали канаву и отвели воду в реку. Так, впервые в истории началось осушение болот. Однако в отдельные годы уровень грунтовых вод на осушаемых землях опускался очень низко и растения страдали от засухи. Тогда стали весной накапливать воду в специальных водоемах, а в засушливый период подавать на поля. Так родилось орошение.
Такой способ ведения земледелия оказался очень эффективным. Экономика, основанная на сельском хозяйстве, процветала. Шумерская цивилизация добилась больших успехов. Считается, что шумеры создали современный календарь, разделили круг на триста шестьдесят градусов, создали первую систему письма, судебную систему, школьное образование и другое. Орошать осушаемые земли в жарких странах с целью получения высокого урожая выгодно. А надо ли орошать их в нашем климате? Как это можно проверить? Есть несколько способов. Один из них, например, моделирование водного режима осушаемого болота. Здесь под водным режимом понимается изменение во времени уровня грунтовых вод и влажности почвы. Следует указать, что модели бываю трех видов. Прежде всего, это натурные модели, когда сооружение или процесс создаются в уменьшенном виде, но полностью соответствует оригиналу. Например, вы хотите построить на реке гидроэлектростанцию. Сооружение сложное, с большим набором факторов влияния на окружающую среду. Рассчитать все эти факторы невозможно. Строят натурную модель. Допустим, длина участка реки, где будет возводиться плотина и располагаться водохранилище, составляет двадцать километров. Принимаем масштаб модели одна сотая. Тогда длина реки-модели будет двести метров. Соответственно в сто раз уменьшаем глубину и ширину участка реки. Создаем соответствующий натуре рельеф в виде террас, долины, поймы, сложенных соответствующими грунтами. Строим плотину с гидрогенераторами и другими необходимыми устройствами. Автору этих строк пришлось видеть подобную модель в институте "Гидропроект" в Москве. Модель работала и давала электрический ток.
Второй вид - аналоговые модели. Еще в 30-х годах XX века было замечено, что математические уравнения, описывающие процесс движения электрического тока и движения воды в руслах и грунтах, имеют одинаковый вид. Возникла идея моделировать различные гидрологические явления путем манипуляций с электрическими цепями. Создали специальные электрические установки, на которых можно было моделировать движение воды. Особенно успешно эти установки применялись для определения параметров грунтовых потоков.
Третий вид - математические модели, получившие в последнее время очень большое развитие. В значительной степени взрыв интереса к математическим моделям связан с появлением во второй половине XX века компьютеров. Применяются такие модели во всех отраслях знаний - от физики до экологии и социальных процессов. Свою математическую модель автор разработал на основе натурных наблюдений за элементами водного режима и баланса на лизиметрах, осушительных системах и с использованием данных экспедиционных обследований. Основу модели составляют четыре уравнения. Первое уравнение - это зависимость влажности почвы от уровня грунтовых вод. Анализ материалов наших лизиметрических наблюдений с привлечением аналогичных данных других территорий позволил установить, что влажность почвы по мере опускания грунтовых вод снижается. Это снижение продолжается до некоторого значения, при котором дальнейшее падение грунтовых вод не приводит к уменьшению влажности почвы, величина которой определяется уже только атмосферным увлажнением. В качестве показателей атмосферного увлажнения обычно принимают атмосферные осадки и испаряющую способность атмосферы. Последний показатель называют также максимально возможным испарением, которое можно определить, зная температуру и влажность воздуха. Таким образом, наше первое уравнение включает такие аргументы, как уровень грунтовых вод и влажность почвы при отсутствии их влияния, то есть, зависящая только от атмосферного увлажнения.
Моим учителем, выдающимся ученым профессором Варфоломеем Мезенцевым была разработана замечательная методология определения влажности почвы при отсутствии влияния грунтовых вод, иначе говоря, влажность почвы суходола. Это знаменитый метод гидролого-климатических расчетов или сокращенно метод ГКР. Метод применяется не только для расчетов влажности почвы, но и других показателей, таких как, испарение с территории речных водосборов и орошаемых полей, речного стока, оросительных норм, дефицита увлажнения, гидролого-климатического районирования территорий и другого. Итак, рассчитав по методу ГКР влажность почвы суходола, и зная уровень грунтовых вод, по первому уравнению получаем влажность почвы на осушаемом болоте.
Переходим ко второму уравнению. Оно позволяет по значению максимально возможного испарения и влажности почвы, полученной по первому уравнению, рассчитать испарение с осушаемого болота. Здесь надо отметить, что это второе уравнение целиком заимствовано из метода ГКР. Однако, большой массив данных теплобалансовых наблюдений за испарением с осушаемых и орошаемых земель, выполненных под моим руководством, показал, что для коротких интервалов времени типа декады метод ГКР нуждается в уточнении.
Теплобалансовый метод включает измерение непосредственно на осушаемом болоте, потоков тепла, за счет которых формируется испарение. Это прямое солнечное излучение и рассеянное излучение от облаков и неба. При этом надо учитывать тот факт, что часть солнечной энергии отражается от земной поверхности и уходит в космическое пространство. Кроме того, солнечное тепло нагревает землю, и она как печка в доме начинает сама излучать тепло, которое идет на нагревание воздуха и далее опять в космос. В результате сложения всех этих потоков энергии получается интегральный показатель, который называется радиационным балансом. Но это не вся энергия, которая идет на испарение. Сюда надо еще добавить приток тепла из атмосферы. Имеется в виду ситуация, когда на данную территорию поступает теплый воздух, допустим из южных районов. Так же надо учитывать поступление тепла из почвенных слоев к испаряющей поверхности. Таким образом, расход тепла на испарение складывается из радиационного баланса, поступления тепла из атмосферы и почвы. Наблюдения ведутся на специальной теплобалансовой площадке. Здесь расположены актинометрическая стойка с приборами для измерения солнечной радиации, две градиентные мачты с приборами для измерения температуры, влажности воздуха и скорости ветра на высотах полметра, метр, полтора и два метра и почвенные термометры.
Анализ данных теплобалансовых наблюдений совершенно отчетливо показал роль фазы развития растений в формировании динамики испарения. В методе ГКР роль фазы развития растений не предусматривалась. Поэтому пришлось ввести в расчетную формулу биологический коэффициент для повышения точности определения испарения, особенно за декадные промежутки времени.
Третье уравнение модели представляет собой зависимость стока от уровня грунтовых вод и параметров дренажа: глубины дрен и расстояния между ними. Существует достаточно большое количество формул для расчета параметров регулирующей сети, которые можно использовать для заявленной цели. Я остановился на формуле профессора Сергея Аверьянова. Она широко распространена в инженерной практике и, по отзывам специалистов адекватно отражает гидравлические процессы осушаемой территории.
Наконец, четвертое уравнение является уравнением водного баланса. Оно позволяет получить уровень грунтовых вод на конец расчетного периода по разнице приходных и расходных составляющих балансового уравнения.
Порядок работ по моделированию водного режима участка осушаемого болота состоит в следующем. Первым делом необходимо подготовить и принять исходные данные. Нужно назначить параметры осушительной сети: глубину дрен и расстояние между ними. Назначить начальные данные для первой расчетной декады (уровень грунтовых вод и влажность почвы). Выбрать реальные расчетные годы. Это обычно влажный год с обильными осадками, средний год и сухой год с малым количеством осадков. Собрать за выбранные годы декадные значения осадков, температуры и влажности воздуха. Собрать данные по водно-физическим свойствам торфяной почвы. Рассчитать за каждую декаду периода май-сентябрь по методу ГКР влажность почвы суходола. Подготовившись таким образом, начинаем расчет элементов водного режима и баланса.
В начале, для первой декады расчетного периода определяется влажность почвы. Для этого необходимо подставить в первое уравнение модели уровень грунтовых вод. Его назначают, исходя из следующих соображений. Принимаем диапазон колебаний уровня грунтовых вод на осушаемом болоте от нуля до трех метров. Находим среднее значение этого диапазона: ноль плюс три, деленное пополам дает величину полтора метра. Подставляем в первое уравнение эти полтора метра и получаем влажность почвы. Определив влажность почвы по первому уравнению, подставляют ее величину во второе уравнение и расчитывают таким образом испарение. Далее подставляя уровень грунтовых вод в третье уравнение, находят сток. Наконец, значение атмосферных осадков за декаду и полученные величины испарения и стока подставляют в четвертое уравнение и получают изменение уровня грунтовых вод за декаду.
Имеем значение уровня грунтовых вод на начало декады и его изменение за декаду. Это дает возможность получить уровень на конец декады, и, следовательно, среднее значение уровня. Совпадение принятого в начале значения уровня (в данном случае 1,5 м), с полученным по четвертому уравнению, позволяет нам прекратить расчет по первой декаде. В противном случае подбор продолжается. Значение уровня, определенное по четвертому уравнению, указывает на интервал следующего деления пополам. Если оно окажется меньше 1,5 м, деление проводится в диапазоне ноль - полтора метра, то есть принимается равным 0,75 метра. С этим значением выполняется новая цепочка расчетов. Подбор величины уровня грунтовых вод продолжается до тех пор, пока эти величины не совпадут с точностью 1 сантиметр. Затем переходят к аналогичным расчетам для второй декады. При этом конечный уровень грунтовых вод первой декады становится начальным для второй декады и так далее.
Расчеты выполняются на компьютере по специально разработанной программе. На экран монитора выводится таблица с декадными значениями уровня грунтовых вод, влажности почвы, испарения и стока. Такой расчет выполняют для всех трех выбранных для анализа лет. Сопоставляя полученные данные с нормативными значениями, судят об эффективности назначенных параметров осушительной сети. Если окажется, допустим, что влажность почвы выше оптимальной, а уровень грунтовых вод находиться слишком близко к земной поверхности, назначают новые параметры дренажа и весь комплекс расчетов выполняется снова. Вот так производится математическое моделирование водного режима. Работа, скажем прямо, не простая и трудоемкая. Причем, я здесь порядок расчета изложил довольно схематично, опустив для ясности многие детали и подробности.
Нормативные показатели - это хорошо, но все-таки главным критерием эффективности мелиоративной сети является урожай. Конечно, урожай зависит от влажности почвы. На лизиметрах это хорошо и четко видно. С увеличением влажности почвы урожай растет, достигает некоторого максимума, а затем снижается. То есть, дальнейшее повышение влагозапасов приводит не к повышению, а к уменьшению урожая. Если изобразить графически зависимость урожая от влажности почвы, то это будет некоторая колоколообразная кривая. Вершина этого колокола отвечает наибольшей величине урожая. Влажность почвы при максимальном урожае является оптимальной величиной, которая в идеале должна поддерживаться на мелиорируемых полях.
Во всех учебниках по мелиорации, монографиях, статьях и нормативных документах приводятся значения оптимального интервала почвенной влажности. Она несколько разнится в зависимости от возделываемой культуры, но в среднем лежит в пределах 0,8-0,9 наименьшей влагоемкости. Данный термин совершенно не означает самую маленькую влажность почвы. Он соответствует величине влажности после удаления гравитационной влаги. Упрощенно это можно представить так. Берем кусок почвы и помещаем его в воду. Держим его в воде некоторое время. Затем вынимаем и ждем, пока стечет из него вода. После этого определяем влажность этого почвенного монолита, которая и будет являться наименьшей влагоемкостью.
Оказалось, что по данным наших лизиметрических наблюдений, оптимальная влажность почвы не остается постоянной, а меняется в зависимости от температуры воздуха вегетационного периода. Зависимость прямая: чем выше температура, тем больше оптимальная влажность и наоборот. Очень любопытное явление, описания которого не приходилось встречать в специальной литературе. Толку, конечно, от этого "открытия" мало, так как все равно приходиться ориентироваться на средние температурные показатели. Сложно предвидеть в данном году будущую температуру воздуха и настраивать работу мелиоративной системы каждый год на новые нормативы.
Итак, максимальный урожай зависит от оптимальной влажности почвы, которая в свою очередь зависит от температуры воздуха. Получается, урожай вообще связан с влажностью почвы и температурой. Используя данные наблюдений, я получил математическую зависимость, которая позволяет рассчитывать урожай овса на сено, двух укосов многолетних трав и товарных кочанов капусты. Теперь можно моделировать водный режим на осушаемом болоте и подбирать параметры осушительной сети, ориентируясь на максимальный урожай.
Такая работа была проделана. Рассматривались различные варианты осушения: при грунтовом питании - это закрытый дренаж с глубиной от 1,2 метра до 2,о метров и разными расстояниями между дренами, для болот атмосферно намывного питания - это открытые каналы с расстоянием 100, 200 и 400 метров. Чтобы не утомлять читателя разбором результатов по всем этим вариантам, остановимся на участке Тарманского болота.
Расчеты показали, что наибольший урожай однолетних и многолетних трав на сено в средний год 70,4 центнеров с гектара отмечался при осушении болота закрытым дренажем с глубиной закладки дрен 2,0 метра и расстоянием 20 метров. Однако в сухой год имеет место переосушение и потери урожая. Переосушение для торфяников вещь очень вредная. Эта вредность связана не только с уменьшением урожая, но рпядом других факторов. Переосушенный торф может не восстановить свои водно-физические свойства. Он становится гидрофобным, проще говоря, водоотталкивающим. Он не смачивается и не впитывает воду. С другой стороны переосушение увеличивает вероятность торфяных пожаров, которые очень сложно потушить. В жаркую погоду переосушенный торф может самовозгораться.
На вариантах, где переосушения нет (глубина закладки дрен 1,4 , 1,6 метра), снижение урожайности по сравнению с нредыдущим вариантом в средний год не велико и составляет всего 4-6%. Учитывая значительный ущерб от переосушения и рост капитальных затрат при углублении дренажа, можно принять в качестве оптимального вариант с глубиной дрен полтора метра и расстоянием 20 метров. Однако для этого варианта в самые влажные годы потери урожая могут достигать 30%.
Теперь о капусте. Наибольший урожай товарных кочанов в средний год получается на варианте дренажа с глубиной 1,6 метра и расстоянием 20 метров. Так же как и для трав в сухой год отмечается недобор урожая.
Чтобы получать устойчивый урожай в годы любой увлажненности необходимо оценить интенсивное осушение с применением орошения дождеванием в сухие годы. Путем расчетов с применением модели водного режима и формул урожайности был подобран оптимальный вариант параметров осушительно-увлажнительной системы. Это позволило увеличить в среднем урожай трав на 4%, капусты на 17%. В то же время в сухие годы прибавка урожая капусты достигает 50%, трав - 20%. Получается, что этот вариант интенсивного осушения с увлажнением дождеванием в среднем дает незначительный эффект. В то же время, стоимость такой системы будет в 2-3 раза выше. Здесь надо строить водохранилище, приобретать дождевальную технику, адаптировать осушительные коллекторы под оросительные каналы и так далее. Кроме того, значительно возрастают эксплуатационные расходы. Все это позволяет сомневаться в выгодности такого варианта.
Наконец третий подход - это поддержание на осушительной системе оптимального уровня грунтовых вод в течение всего года. Однако надо помнить, что мы имеем дело с длительно сезонно мерзлотными торфяниками. Мерзлота в торфе сохраняется до середины июня. В этот период нарушена взаимосвязь между уровнем грунтовых вод и влагозапасами в почве. Казалось бы совершенно не важно на какой глубине находятся в это время грунтовые воды. Однако в определенных условиях в случае обильных дождей грунтовые воды могут подниматься и подтоплять верхний корнеобитаемый слой почвы. Это отрицательно скажется на величине урожая. Были проанализированы значения осадков по нескольким метеостанциям региона за период с 1 мая по 20 июня. Выяснилось, что сумма осадков за этот период повторяемостью один раз в 5-10 лет может вызвать подьем грунтовых вод на величину 40-60 сантиметров. Следовательно, чтобы не затопило верхний корнеобитаемый слой, который имеет толщину 30 сантиметров, нужно держать грунтовые воды на глубине 70-90 сантиметров.
После исчезновения мерзлоты восстанавливается связь грунтовых вод с влажностью почвы. Задав оптимальное значение влажности почвы обратным ходом по первому уравнению модели можно рассчитать оптимальное значение уровня грунтовых вод или, как говорят мелиораторы, норму осушения. Такие расчеты были выполнены. Получилось, что на территории юга Тюменской области норма осушения составила для овса на сено 90-110 сантиметров, капусты 80-90 и многолетних трав 60-70 сантиметров.
Основной задачей осенне-зимнего периода, когда уже убран урожай, является защита зоны промерзания торфа от чрезмерного накопления внутрипочвенного льда. Если грунтовые воды будут залегать близко к поверхности, то в мерзлом слое все свободные поры почвы окажутся забитыми льдом, который невозможно удалить никакими мелиоративными приемами. Когда торф начинает оттаивать, то его влажность вследствие этого окажется очень высокой, близкой к полной влагоемкости. Иначе говоря, воды в почве много, а воздуха мало. Растениям такая ситуация очень не нравиться. К тому же высокая влажность способствует снижению температуры почвы. В результате образуется переувлажнение и снижение урожая. Как показали наблюдения на лизиметрах, чтобы не допустить чрезмерного влагонакопления в корнеобитаемой зоне зимой необходимо в течение осенне-зимнего периода поддерживать грунтовые воды на уровне 160-200 сантиметров. С этой целью после уборки урожая начинается сброс воды для понижения уровня грунтовых вод с таким расчетом, чтобы к концу зимы он находился на глубине 200 сантиметров.
С началом снеготаяния уровень грунтовых начинает подниматься до глубины 70 сантиметров к концу апреля. Рассмотренная схема регулирования водного режима осушаемого болота признана изобретением и защищена авторским свидетельством. Теперь необходимо отметить особенности работы осушительной системы по поддержанию такого водного режима. Весной обычная осушительная сеть работает на сброс паводковых вод, на это она и рассчитана. Здесь же весной вся талая вода направляется на подъем грунтовых вод до проектного уровня. Таким образом, режим работы мелиоративной сети в сезонном разрезе выглядит буквально наоборот. Перестроить работу обычной дренажной осушительной сети для реализации предлагаемого режима возможно, даже без значительных капитальных затрат. Однако есть ряд других трудностей. Потребуется создание водохранилища, ибо талой весенней воды для подъема уровня грунтовых вод к началу вегетационного периода не всегда хватает. Во влажные годы в период осенних дождей каналы могут быть переполнены и сброс воды с осушаемой площади до уровня грунтовых вод 160-200 сантиметров окажется невозможным. Потребуется насосное оборудование для принудительной откачки воды. Все это значительно повышает стоимость строительства и эксплуатации подобной осушительно-увлажнительной системы. Таким образом, из трех рассмотренных моделей к реализации может быть принят вариант, предусматривающий осушение закрытым дренажем с соответствующими параметрами для торфяников грунтового питания и открытые каналы для болот атмосферно-намывного питания без применения дополнительного увлажнения. В данных условиях это наиболее выгодный и эффективный вариант.
В ПОИСКАХ РЕКИ ДЕТСТВА
Покоренная Сибирь
Первого сентября 1581 года из Чусовского городка 540 казаков и около 300 человек "охочих людей" под руководством атамана Ермака, отслужив молебен и погрузившись в струги, двинулись на Кашлык - столицу Сибирского ханства. Казакам предстояло из района нижнего течения реки Чусовая, где она впадает в Каму, подняться вверх до устья реки Серебрянка. Этот участок пути, не смотря на сильное встречное течение интенсивно работая веслами, преодолели быстро. Уже 5 сентября струги входили в Серебрянку. Необходимо помнить, что по новому стилю это было уже 18 сентября. Значит, осень вступила в свои права. Настало время осенних дождей и стремительных горных паводков. Согласно современным справочным данным высота подъема уровня в период дождевых паводков на реке Серебрянка может достигать полутора метров. Ширина реки составляет 20-40 метров и глубина на порогах и перекатах 0,1-0,5, на плесах 1-3 метра. Вот эти гидрографические показатели с учетом осеннего подъема уровня позволяют утверждать, что ермаковы струги без труда продвинулись вверх по реке почти на 100 километров до устья реки Кокуй, впадающей в Серебрянку слева.
При этом надо учитывать еще два благоприятных обстоятельства. Первое - была холодная климатическая эпоха, так называемый "малый ледниковый период". В умеренных широтах он характеризовался сильными морозами зимой и холодной дождливой погодой летом. Летописи постоянно сообщают о летних холодах, вымокании посевов и гибели урожая. Второе - водосбор Серебрянки был покрыт девственной тайгой. Как известно, лес - хранитель влаги. Это потом, в XVIII веке, на Урал придет металлургическая промышленность, и леса будут вырубать в огромных количествах. Вследствие указанных обстоятельств, водность Серебрянки могла быть выше современной, что, несомненно, способствовало успеху экспедиции Ермака.
Казачьи струги успешно плавали как по большим, так и по малым рекам. Струг представлял собой беспалубное килевое деревянное судно длиной 10-15 и шириной 2,5-3,5 метра. При этом, его осадка не превышала 30 сантиметров. Так что перекаты и мели можно было успешно преодолевать, при необходимости, освободив струг от экипажа и груза. Достигнув устья реки Кокуй, ермаковцы подошли к Тагильскому волоку. Предстояло пройти волоком 25 верст до истоков реки Баранча, впадающей в реку Тагил. Река Баранча также относится к категории малых. Ее длина составляет 70 километров. Можно представить себе радость казаков, когда, наконец, они увидели эту Баранчу. Уж очень был труден и тяжел труд по перетаскиванию судов.
Дальше дело пошло веселее. Вниз по течению до Тагила, потом опять по течению до Туры. Первый бой с воинами хана Кучума ермаковцы приняли в верховьях Туры вблизи татарского городка Епанчины (современный Туринск). Одержав победу, казаки отправились дальше вниз по Туре. Попадавшиеся на пути татарские селения сопротивления не оказывали. Лишь достигнув прежней столицы Тюменского ханства под названием Чинги-Тура, казаки снова вступили в бой. И здесь вновь была одержена победа. Более того, дружина Ермака осталась зимовать в Чинги-Туре, дожидаясь вскрытия рек, чтобы продолжить поход. Чинги-Тура, где возможно зимовал Ермак, находится в черте современного города Тюмень совсем недалеко от его главной улицы Республики. Столица Тюменского ханства располагалась на высоком крутом берегу речки (точнее ручья) под названием Тюменка примерно в 500 метрах от ее устья.
Зимовал или нет Ермак в Чинги-Туре? Ученые спорят до сих пор. Тем не менее, поход продолжался и в октябре следующего 1582 года Ермак одержал решающую победу над войском хана Кучума в битве на пойме Иртыша вблизи современного города Тобольска. Власть Кучума в Сибири была окончательно подорвана и впоследствии ликвидирована.
Поход Ермака прорубил окно в Сибирь, точнее не окно, а широкие ворота, в которые хлынули русские землепроходцы, а затем многочисленные крестьяне. Началось хозяйственное освоение огромных сибирских просторов. Местное татарское население было невелико. По данным историков в начале XVII века число ясачных людей в семи уез-дах за Уралом не превышало и трех тысяч человек. Основным занятием этого малочисленного населения было кочевое скотоводство и в весьма незначительных размерах очаговое примитивное земледелие.
Первые русские деревни возникали вдоль крупных рек вокруг крепостей-городов. Сначала осваивались территории южной тайги и подтайги по рекам Туре, Тавде, Тоболу, Вагаю и Ишиму. Современному человеку невозможно представить себе кокой колоссальный труд затрачивался переселенцами на вырубку и раскорчевку лесов. Потом эту целину надо было еще вспахать, что тоже далеко не так просто. Тракторов то не было, все на бедных лошадках.
Затем зона сельскохозяйственного освоения сместилась к югу после постройки линии укреплений для защиты от кочевников в 30-40-е годы XVIII век. Эта линия проходила через Емуртлу, Усть-Ламенское, Ишим, Абатск и далее на Омск. Началось освоение лесостепных пространств, сначала около крупных рек, а затем цепочки деревень протягиваются вдоль их притоков - малых рек. В 1752-1755 годах строится линия крепостей еще южнее за пределами современных границ территории Тюменской области (Зверинголовское - Петропавловск и далее к Иртышу). Это позволило существенно обезопасить земледельцев от набегов кочевников, и освоение междуречных пространств в бас-сейнах малых рек пошло еще более быстрыми темпами.
Как указывает краевед Александр Иваненко в своей замечательной книге "4 века Тюменского поля" к 70-м годам XVIII столетия посевные площади в границах современной Тюменской области достигали 110 тысяч десятин (1 десятина равна 1,092 гектара) После отмены крепостного права массы переселенцев хлынули из Европейской части страны на просторы Сибири. И если с 1770 по 1860 год (почти 100 лет) площадь пашни удвоилась, то следующее удвоение произошло уже за 50 лет. В 1913 году площадь пашни в современных границах территории составляла 402,4 тысяч гектаров. Новая пашня давала хорошие урожаи. Возник избыток зерна. Часть его вывозилась, а часть перерабатывалась на месте. Строились ветряные и водяные мельницы. Много зерна перерабатывалось на спирт. Из семян масличных культур получали масло.
После революции и гражданской войны нарастание распаханных площадей приобретает лавинообразный характер: 1928 год - 782 тысячи гектаров, 1940 год. - 1 миллион 30 тысяч, 1969 - 1миллион 614 тысяч, 1992 - 1миллион 833 тысячи, 2010 год - 1 миллион 350 тысяч гектаров. Максимальная площадь пашни приходится на 1992 год, затем наступает спад и последующая стабилизация.
Основная доля пашни в общем зерновом клине очень молода. Если обратиться к приведенным выше цифрам, то можно отметить, что только 8,1 % пашни имеет возраст 200 и более лет, 30 % - это дореволюционная пашня. Приняв во внимание площадь пашни 1913 года 402 тыс. гектар (30% от современного уровня) можно констатировать, что коренное антропогенное преобразование водосборов - явление на 70 % последних 100 лет. На карте территориального распределения пашни хорошо видно, что в северной части сохранилась начальная (наиболее древняя) структура распределения пашни. Распаханные земли располагаются небольшими участками вдоль Иртыша (в пределах юга области) от устья до впадения Туры. Отчетливо видны пятна пашни вдоль Ашлыка, Нижнего Вагая, Агитки. Южнее пашня выходит на водоразделы и имеет мозаичное распространение. Однако и здесь в отдельных случаях она четко привязана к малым рекам (Емуртла, Солоновка, Вагай до впадения реки Емец).
Увеличение объема растениеводческой продукции возможно не только за счет наращивания площади пашни, но и путем применения более интенсивных технологий производства. С середины XX века в мире произошла "зеленая революция". Так образно был назван период повсеместного применения минеральных удобрений и средств защиты растений от сорняков и вредителей. Наряду с другими технологическими приемами это привело к существенному увеличению урожайности. Не обошла стороной эта тенденция и Тюменский регион.
Использование минеральных удобрений в регионе началось в конце 60-х годов XX века, постепенно нарастало и достигло максимума в 1989 году. Надо сказать, что даже в этом году доза вносимых удобрений не достигла и половины, той величины, которую рекомендует аграрная наука. В начале перестройки количество вносимых минеральных удобрений упало практически до нуля, но затем стало очень медленно увеличиваться, достигнув в 2010 году 25% рекомендуемой дозы. Однако и этот объем удобрений способен оказать определенное влияние на качество воды рек и озер.
Кроме выноса удобрений в водные объекты с полей происходит поступление загрязнений с территорий животноводческих ферм, навозохранилищ, пастбищ, площадок для откорма и выгула ско-та. Наиболее массовыми видами скота, которые содержатся в коллективных, личных и частных хозяйствах, являются крупнорогатый скот и свиньи. Определенная доля в общем поголовье принадлежит лошадям, овцам и козам. Максимум поголовья крупнорогатого скота (обычно применяют сокращение КРС) и свиней приходится на период 1986-88 годов. К 2012 году количество КРС уменьшилось в три раза, а свиней почти в два раза.
Скот содержится, в основном, на небольших фермах, которые, как правило, находятся на берегах малых рек. Наибольшая концентрация поголовья скота отмечается в Ишимском, Заводоуковском и Исетском районах. В этих районах расположены крупные свиноводческие комплексы промышленного типа, которые стоят на реке Карасуль в Ишимском районе, реке Ук - в Заводоуковском и реке Бешкиль - в Исетском. Повсеместно в деревнях в районе ферм сооружаются временные и стационарные пруды, которые используются для водопоя скота, разведения водоплавающей птицы и отдыха населения. В настоящее время малые реки не служат источниками энергии для мельниц, маслобоен и других промышленных объектов.
Перерабатывающие сельскохозяйственную продукцию предприятия сосредоточены в основном в районных центрах. Большинство из них стоит на средних реках, таких как Тавда, Тура, Тобол и других. Лишь некоторые райцентры расположены на малых реках. Это Юргинское на Юрге, Голышманово на Катышке, Заводоуковск на Уке, Большое Сорокино на Ике. Эти населенные пункты и сосредоточенные в них промышленные предприятия также оказывают влияние на качество воды малых рек. Кроме райцентров имеется некоторое количество перерабатывающих предприятий в сельских населенных пунктах, например, молочный завод в деревне Ситниково на реке Солоновка, спиртзавод в поселке Падун на реке Ук, стеклозавод в Заводоперовском на реке Бочанка и другие.
Влияют на качество воды в малых реках и многочисленные деревни, которые тянутся цепочкой практически вдоль каждой малой реки в районах сосредоточения распаханных территорий. Смыв с территорий сельских населенных пунктов хозяйственных и бытовых отходов, нефтепродуктов, поступление моющих средств и так далее загрязняет реки многочисленными вредными веществами. Это положение в определенной мере усугубляется тем, что сельские населенные пункты в последние десятилетия имели тенденцию к внедрению элементов городской цивилизации в быт без применения методов очистки коммунальных стоков.
Таким образом, покорение Сибири, предпринятое Ермаком, не закончилось. Оно продолжается уже более 400 лет со все возрастающей интенсивностью. За эти столетия облик сибирских ландшафтов коренным образом изменился. На огромных пространствах леса сменились пашней и лугами, обмелели реки, исчезают болота. Все это существенным образом оказало влияние на количество и качество водных ресурсов Тюменского региона. Если бы сейчас дружина Ермака, следуя на своих стругах вниз по Туре, остановилась на ночлег где-нибудь в районе села Покровка, то кошеварам навряд удалось бы сварить казацкий кулеш. Вода в Туре для этой цели сейчас совершенно не пригодна, ввиду своей чудовищной загрязненности.
Влияние хозяйственной деятельности человека на гидрологические процессы проявлялось не только на вновь осваемых землях Сибири, но и на старых обжитых территориях. Поэтому эта проблема уже давно привлекала внимание ученых. В 30-х годах XIX века сильное обмеление многих европейских рек начали объяснять вырубкой лесов в их бассейнах. В 40-х годах XIX века в Петербургской академии наук была создана комиссия, в которую вошли такие знаменитые тогда академики как Карл Бэр. и Петр Кеппен. В задачу комиссии входило изучение последствий вырубки лесов в бассейне Волги. Особенно широкую дискуссию в научной печати европейских стран и России вызвало выступление австрийского инженера Г. Векса в 1873 году "Об убыли воды в родниках, малых и больших реках культурных стран при одновременном усилении половодий". Наблюдавшееся в те годы снижение уровня воды в реках он объяснял истреблением лесов и осушением болот. Работа Г. Векса изучалась Венской, Копенгагенской и Петербургской академиями наук.
В дальнейшем становилось все очевидней, что рост хозяйственной деятельности на водосборах рек, который выражается в распашке все новых земель, вырубке лесов, осушении болот, интенсификации сельскохозяйственного производства неизбежно приведет к существенному преобразованию гидрологических процессов. Начали появляться обширные и глубокие исследования по влиянию различных сторон антропогенной деятельности на водность рек.
Остановимся сначала на конкретных фактах влияния хозяйственной деятельности на круговорот воды. Обратимся к проблеме рубки лесов, которая так занимала умы ученых XIX века.
Понятно, что главным источником питания водных объектов суши являются атмосферные осадки. Именно за их счет существуют реки. И в этой связи оказывается, что лес увеличивает количество осадков. Особенно это заметно в лесостепной зоне, где массивы леса чередуются с безлесыми пространствами. Ученые установили, что над лесом жидкие осадки за теплый период возрастают на 8-14 % по сравнению с безлесыми (полевыми) участками. Почему это происходит?
Объясняется данный феномен следующим образом. В своем движении воздушные влагонасыщенные массы встречают препятствие в виде лесного массива. Стремясь обойти его, они поднимаются вверх, в зону более низких температур воздуха. Это приводит к усилению конденсации водяных паров и увеличению таким образом выпадающих осадков. Объем твердых осадков (снега) в лесной зоне на территориях, покрытых лесом, всегда выше, чем в поле на 6-36 % в зависимости от породного состава и возраста леса. В лесостепной и степной зонах в лесу снегозапасы больше в 1,3-2,5 раза по сравнению с полем.
Часть атмосферных осадков идет на формирование поверхностного и подземного стока воды, за счет чего существуют реки. Но все-таки, львиную долю осадков съедает испарение. Выпавшая в виде осадков влага испаряется непосредственно с поверхности почвы. Однако большая часть ее проникает внутрь почвы, откуда она извлекается корнями растений и испаряется уже с поверхности листьев или хвои. Процесс испарения влаги растениями называется транспирацией, а общее испарение и с почвы и с растений называется суммарным испарением.
Согласно современным представлениям, испарение с леса может быть и больше и меньше по сравнению с полем в зависимости от породы и возраста леса. Наибольшее испарение с леса отмечается при возрасте деревьев 40--80 лет. В этом возрасте лес может испарять на 15% влаги больше, чем полевые культуры. В возрасте от 2 до 20 лет и более 120 лет лес испаряет меньше, чем поле. Спелый лес (100-120 лет) испаряет в среднем столько же. сколько и поле. Резкое снижение испарения происходит в результате рубок леса. После рубок испарение снижается на 40 % по сравнению с бывшим здесь спелым лесом. Полностью испарение восстанавливается через 20-25 лет после рубок.
Не меньшее влияние оказывают рубки леса на сток. После удаления деревьев сток резко увеличивается. Затем по мере восстановления и роста леса значения стока уменьшаются и через 100-120 лет достигают исходных значений. При этом лес выступает регулятором речного стока. Он снижает весенний сток и увеличивает его в летний период.
Вырубка лесов на территории региона сопровождалась распашкой не только освобожденных от леса земель, но и степных участков. Хотя доля распаханных земель по отношению ко всей площади Тюменской области и не достигает 2%, в лесостепной зоне она составляет 30-40%, а на отдельных водосборах 70%. Превращение нетронутых земель в сельскохозяйственные поля в значительной мере способствуют удержанию влаги в почве, особенно талого стока. Это и вспашка (рыхление почвы), снегозадержание, лесные полосы и другое. Вследствие этого, как показывают исследования ученых, сток с распаханных территорий снижается. Особенно страдают малые реки с высокой долей распашки на водосборе. Некоторые из них исчезают полностью. Данный эффект характерен в большей степени для степной зоны. При обследовании малых рек юга Тюменской области мне приходилось в самых южных районах видеть реки, сток в которых в летний период отсутствовал полностью.
Итак, рассмотренные факты показывают, что влияние антропогенной деятельности на элементы влагооборота достаточно велико и носит разнонаправленный характер. Последнее положение приводит к идее планирования использования земель на водосборе таким образом, чтобы в результате режим и величина стока рек отвечали бы своему естественному состоянию. Для такого планирования необходимо уметь прогнозировать гидрологические процессы при различных сценариях землепользования.
В качестве инструмента такого прогнозирования я использовал метод математического моделирования. В основу метода был положен гиографо-гидрологический подход.
1933 год. В Советском Союзе в разгаре коллективизация и индустриализация. В деревню пришел трактор. Ученые прекрасно понимали, что наступает эпоха интенсивного воздействия на природный комплекс, что повлечет за собой существенные изменения гидрологических явлений Профессор Виктор Глушков публикует статью, где выдвигает идею зависимости речного стока от географических условий водосбора. До этого в науке безраздельно господствовал афоризм великого русского климатолога Александра Воейкова "Реки - продукт климата". Географо-гидрологический подход позволял в принципе учитывать изменения на водосборе при расчетах стока рек для целей "социалистического строительства". Однако Виктор Глушков не успел реализовать свою идею на практике. В декабре 1936 году он был арестован, а в мае 1937 года расстрелян.
Идея, однако, не умерла. Она развивалась и усилиями многих географов и гидрологов приобретала конкретные черты. Определенный вклад в процесс внес и автор этих строк. В современном виде географо-гидрологический или как сейчас принято говорить ландшафтно-гидролгический подход выглядит следующим образом.
В пределах речного водосбора выделяют географически однородные по условиям формирования стока участки, которые называют стокоформирущими комплексами, сокращенно СФК. Предполагается, что территория данного СФК имеет примерно одинаковый уклон местности, примерно однородный механический состав почв (глина, суглинки, супеси, песок), одинаковую растительность (лес, луг, болото целинное, оболото осушенное, пашня). Если мы умеем рассчитывать сток с каждого СФК, то меняя их содержание, в итоге можем установить изменение стока со всего водосбора. Например, лесной СФК заменяем на распаханный, болото целинное на болото осушенное и так далее. Комбинируя различным способом СФК на речном водосборе можно установить изменение стока при том или ином антропогенном воздействии.
Такой подход, в общем, понятен. Другое дело, как рассчитать сток с каждого СФК? Для этого мною разработана математическая модель, включающая порядка двух десятков уравнений. Основными аргументами при расчетах по этим уравнениям выступают осадки, температура и влажность воздуха, площадь СФК, механический состав и глубина промерзания почвы, уклон, характер растительности и другие показатели. Для вывода уравнений, составляющих модель, использовались данные наблюдений за гидрометеорологическими характеристиками не только в пределах Тюменского региона, но и других территорий (Европейская часть России, Белоруссия, Казахстан).
Процесс моделирования достаточно трудоемок и включает ряд этапов. Первый этап предполагает составление карты СФК выбранного для анализа водосбора. С этой целью проводится работа по поиску в производственных, проектных и научных организациях соответствующих тематических карт: топографических, почвенных и карт землепользования, как правило, в масштабе 1:100 000, то есть в 1 сантиметре 1 километр. Так же собираются данные по месячным значениям осадков, температуры и влажности воздуха, глубине промерзания почв, запасам воды в снеге по ближайшей к выбранному водосбору метеостанции.
Второй этап - верификация модели, то есть приспособление ее к условиям данного водосбора. По специально разработанной программе с использованием подготовленных при выполнении первого этапа данных производится компьютерный расчет стока с каждого СФК и водосбора в целом. Сравнивают рассчитанный сток с водосбора с величиной, снятой с карты стока. Такие карты существуют. Они позволяют определять значение стока для любой точки местности. Для некоторых рек, на которых организациями Рсгидромета ведутся наблюдения за стоком воды, можно использовать эти фактические данные. Но, в основном, конечно, приходится использовать карты стока. Это связано с тем, что в России наблюдениями охвачено всего лишь 0,1% рек. Если рассчитанный и снятый с карты сток не совпадут, то по специальным правилам изменяют коэффициенты фильтрации почв каждого СФК и снова выполняют расчет. Так поступают несколько раз, пока не произойдет совпадение рассчитанных и картографических величин.
Верефикация модели выполнена и можно приступать к выполнению третьего этапа - оценке влияния различных сценариев землепользования на величину стока с данного водосбора. Такая работа была проделана студентами и аспирантами эколого-географического факультета Тюменского государственного университета в рамках подготовки курсовых, дипломных и диссертационных работ для более, чем 30 водосборов Тюменского региона. Результаты достаточно любопытны и будут рассмотрены в следующем разделе.
Суд земли
До районного центра Ярково, что на Тоболе, доехали, как долетели на самолете, по новенькому асфальту. За разговорами время прошло незаметно. Паромная переправа через Тобол. Дождь. А на реку Ашлык дорога грунтовая. Сначала ехали бойко, любовались лесами. Сосны, березы, а то вдруг кедры, ели. А потом дорога превратилась в мокрое и скользкое яйцо, того и гляди, машина сползет в канаву, потом не выберешься. Едем крадучись, медленно и осторожно. Когда приехали в деревню Лайма, что не далеко от истоков Ашлыка, бензин почти кончился. До райцентра Вагай не доехать. Заправляемся в деревне Шестаково. Слава богу, есть добрые люди.
Мы - экспедиция Тюменского государственного университета проводим обследование малых рек юга Тюменской области. В составе нашего отряда: автор - руководитель экспедиции, три студента и шофер.
В устье Ашлыка не далеко от того места, где на реке Вагай погиб Ермак, берем пробы воды, измеряем расход и сток твердых веществ. Перебираемся на Апггку. Эта река мало населена. В среднем течении стоит татарская деревня Тукуз, а выше одни болота. Летом не проехать ни на каком транспорте. Не молодая женщина набирает в ведро воду из реки. Говорит, для питья, для чего же еще? Значит, река чистая. Весь Тукуз пьет воду из Агитки. Пока пьет...
От истока Балахлея едем к его устью. Все деревни стоят на реке, и в каждой - плотина. И обязательно в районе фермы или ниже ее. Очень удобно. Есть вода для скота и для всей деревни. Разводи гусей, лови рыбу, купайся. Все плотины временные, самодельные, сооруженные без проекта местными умельцами. Технология строительства проста: Бульдозером срывают окрестные берега и грунт толкают в русло. В тело плотины кладут трубу. Наступает весна. Труба не может в отдельные годы пропустить весеннего расхода, плотина размывается и обваливается. Огромные массы воды из прорванного водохранилища обрушиваются на ниже лежащее русло и уродуют пойменное пространство. Страшные эрозионные образования тянутся на сотни метров
Чем южнее, тем интенсивнее землепользование, больше асфальтовых дорог и инженерных плотин. Все время идет дождь, словно стоит не июль, а конец сентября. Но мы уже в от-носительной безопасности - на Вагае. Здесь кругом асфальт. Нужно объехать истоки Вагая: реки Каш, Краснояр, Окуневку, Солоновку. На них - всюду плотины. Везде относительно развитое хозяйствование. Пашут землю под урез воды, если река позволяет. Река часто "защищается" неудобьями, крутоярами, поймой.
Испокон веков земли вокруг деревень в Сибири принадлежали сельской общине. Пастбища, сенокосы и естественно, река, протекающая в границах землепользования деревни, были общими. Что народ захочет на сходе делать с рекой и земельными угодьями, так и будет. Из истории известно, что царские власти в дела общины не вмешивались. Эта психология естественна, и она доминирует. Несмотря на то, что у нас реки по-прежнему принадлежат государству и что на водопользова-ние (строительство пруда, водозабор и так далее) надо получать разрешение, считается вполне естественным делом для крестьянина эксплуатировать и воды, и земли по своему усмотрению. И это нормальная психология. Только она была изуродована десятилетиями отчуждения человека от земли и продуктов своего труда. Например, какой-то хулиган отобрал у вас рубашку, а потом сказал, мол, возьми и носи, пока я добрый, а потом опять отберу. Ясно, что вы к этой рубашке бережно относиться не будете, так как она фактически не ваша. Существует мнение, что когда крестьянин получает землю в собственность, он относится к ней бережно. К земле, наверное, да. А вот к общим угодьям, к реке?
И вот, наконец, последняя река. Приезжаем в Бердюжский район к истокам реки Емец. Красивые и цивилизованные здесь места. Пологая волнистая равнина с лесополосами, озерами и ухоженными полями. Деревни - крепкие, развивающиеся - расположены густо, в 3-4 километрах друг от друга. Сеть асфальтовых дорог. Но отношение к реке Емец то же самое. Здесь у реки довольно обширная пойма. А то, наверное, тоже бы пахали до уреза воды.
Вот возьмите Тюмень, которую пересекает Тура. В городе сеть оврагов, многие постройки и предприятия выходят к воде. В оврагах устроили кооперативные гаражи. Ну какая же здесь водоохранная зона? А ведь можно овраги превратить в террасированные парки, между урезом воды и постройками расположить скверы и пляжи. Но куда там. Как же может быть река чистая, если на притоках (точнее, в притоках) стоят гаражи? Это бензин, масло и прочая грязь - прямиком в реку. Что же можно спросить с деревенской глубинки, если областной центр с его могучими экологическими и контролирующими организациями подает пример самого варварского отношения к водопользованию?
И час, и два едем вдоль реки Емец, а живого тока воды не видели. Одна плотина подпирает другую, и все временные, и все размываются. Это довольно типичная картина водопользования на Емце. Есть, конечно, и настоящие инженерные плотины (деревни Средние Чирки, Малоемецк, Ражево и другие), но их мало. Вот и устье Емца. Работа закончена. Наконец выглянуло солнышко. После непрерывных дождей и непроезжих дорог радостно видеть чистое небо.
Итак, закончился очередной второй полевой сезон. А таких сезонов по обследованию малых рек юга Тюменской области было четыре. За это время удалось изучить состояние порядка полусотни рек и их водосборов. В программу полевых работ входили: гидрографическое описание реки, описание ландшафтов водосбора и характера хозяйственной деятельности, измерение гидрологических показателей и отбор проб воды на химический анализ. Полученная в результате обследования информация была использована при оценке влияния хозяйственной деятельности на сток воды путем математического моделирования. Посмотрим на конкретном примере результаты: как характер землепользования влияет на величину речного стока. Как наше насилие над землей отражается на реке. Выслушаем суд земли.
Для этого в качестве примера возьмем реку Китерня. Это самая обыкновенная, типичная малая река длиной 101 километр. Как определяет наука гидрология, если в качестве признака классификации рек брать их длину, то к малым относятся реки длиной менее 200 километров, к средним - менее 500 километров и к большим реки длиной более 500 километров.
Река Китерня, как Волга и многие другие реки, берет начало из болота. Осоковое закочкаренное болото, из которого вытекает Китерня, расположенно на Тобол-Вагайском водоразделе севернее города Ишима. Затем Китерня течет на восток и впадает в реку Ишим слева. Имеет 26 притоков общей длиной 34 километра.
Водосбор Китерни - это плоско-волнистая с западинами и лощинами равнина. Характерной особенностью территории является наличие широких пологих грив и межгривных ложбин между ними. Своеобразие местности придают котловины просадочного происхождения. Они имеют, как правило, плоское днище, поросшее лугово-болотной растительностью. Наиболее крупные из них заняты обычно озерами. По водосбору там и сям разбросаны березовые колки, которые местами смыкаются и образуют небольшие лесные массивы.
Почвы территории бассейна Китерни обладают большим потенциальным плодородием. Это, в основном, различные типы черноземов, занимающие 67% площади водосбора. Если сюда добавить еще 15% серых лесных почв, которые тоже очень плодородны, то получается, что 82% территории бассейна пригодны для эффективного сельскохозяйственного освоения Реально используется только порядка 62% этих земель. При этом пашня занимает 38% от общего массива плодородных почв. Она располагается как на водораздельных поверхностях, так и в пределах надпойменных террас. В большинстве случаев пашня вплотную примыкает к долине реке Китерня. Сенокосы и пастбища занимают нераспаханную часть черноземных и серых лесных почв. Они существуют на месте разнотравно-злаковых луговых степей, занимающих относительно дренированные участки. Доля остальных типов почв невелика. К их числу относятся засоленные и торфяные почвы.
Теперь о результатах математического моделирования. Рассматривались 5 вариантов землепользования. Первый вариант - это существующий сценарий использования земельных угодий. Очень интересным в этом случае получилось внутрибассейновое распределение стока. Так, сток с луга пойменного оказался в 2,4 раза больше суммарного стока с водосбора, а с лесных стокоформирующих комплексов наоборот ниже почти в 6 раз В то же время величина стока с пашни была практически равна суммарному стоку со всего водосбора. При этом надо иметь в виду, что сравнивается не сам объем воды, стекающей с той или иной территории, а его значение, деленное на площадь этой самой территории.
Далее рассматривались самые фантастические сценарии землепользования. Так, второй вариант предусматривал полную возможную распашку. Распахивается все, кроме поймы, болота и леса осинового. Площадь пашни при этом составит 76 % площади водосбора. Вариант 3 предлагает другую крайность. Пашни нет совсем. Современная пашня занята лугом суходольным. Далее, в 4 варианте лугом суходольным, кроме поймы и болот, занят весь водосбор. И, наконец, 5 вариант предполагает полную залесенность водосбора, кроме поймы и болота.
Сравнение различных вариантов землепользования показывает, что наибольший сток 160% современного значения отмечается в том случае, если основная часть водосбора (92 %) занята лугами, лес отсутствует. И наоборот, наименьший сток 53% современной величины наблюдается при наибольшей залесенности водосбора. Разница в величинах стока при подобном диаметрально противоположном землепользовании составляет 195 % по отношению к стоку с залесенного водосбора. При наибольшей возможной распаханности водосбора величина стока в 2 раза больше по сравнению со стоком залесенного водосбора.
Теперь от частного примера перейдем к рассмотрению общей ситуации. Анализ материалов моделирования стока с водосборов малых рек юга Тюменской области показывает, чем ниже сток, тем более чутко реагирует река на изменение землепользования в ее бассейне. Так, сток малых рек. Ик, Малый Ик, Китерня, Емуртла и других при кардинальном изменении землепользования в бассейне меняется от 36 % (Малый Ик) до 195 % (Китерня). В то же время сток малых рек, расположенных севернее, где его величина в силу условий увлажнения довольно высока, меняется мало при изменении землепользования от 6 до 16%. Поэтому реки с низким стоком (это южные наиболее освоенные в хозяйственном отношении районы) требуют более бережного и аккуратного отношения.
При этом разделение рек на две категории - северную и южную прослеживается и при анализе влияния на сток доли распашки водосборов. Сток рек северных территорий с увеличением площади пашни уменьшается, в то время как рек южной группы возрастает. Это территория небольшая, расположена на самом юге области и примыкает к районам, где рек вообще нет. Остальная же территория юга Тюменской области находится в зоне, где с увеличением распашки водосборов сток уменьшается. Это уменьшение даже при 100 % распашке в сравнении с естественным стоком не велико и лежит в пределах 10-16 %. Таким образом, получается, что распашка водосборов рек не может нанести существенного ущерба для водных ресурсов и вообще жизни рек. В одних случаях снижение стока не велико, а в других - сток только возрастает.
Другое дело русловое регулирование стока, а проще говоря, сооружение водохранилищ. Вообще, водохранилищами считаются искусственно созданные в долине реки озерные водоемы с замедленным водообменом, уровенный режим которых регулируется гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов воды. Водохранилища бывают крупными, средними, не большими и малыми.
В Тюменском регионе имеется всего одно небольшое русловое водохранилище на реке Черная, предназначенное для охлаждения отработавшего пара Сургутской электростанции. Остальные относятся к категории малых и очень малых. Последние, если они имеют объем менее 1 миллиона кубометров, называются прудами. В количественном отношении пруды преобладают. Распространены они в пределах севера лесостепной и подтаежной зоны, в полосе шириной 120-150 километров, которая про-тянулась от Тюмени до восточных границ области.
Сооружение прудов и водохранилищ в Тюменском регионе началось, по-видимому, достаточно давно. Скорее всего это время надо относить к началу земледельческого освоения русским крестьянством данной территории. Определенный подъем в сооружении водохранилищ наблюдался в конце XIX начале XX веков, когда получила развитие перерабатывающая промышленность (водяные мельницы, маслобойни и др.). Во время экспедиционных обследований малых рек не раз приходилось сталкиваться с остатками гидротехнических сооружений (остатки водяных мельниц, деревянных водосбросных сооружений, земляных плотин и так далее). Неоднократные свидетельства местных жителей указывают на то, что с давних пор на той или иной реке существовали плотины, которые всегда поддерживались в исправном состоянии.
В советское время можно выделить, как минимум, два периода в строительстве плотин на малых реках. Это 50-е годы, когда проводилась компания по сооружению малых гидроэлектро-станций, и конец 60-х - 80-е годы, когда в деревне в массовом количестве появилась землеройная техника, в основном бульдозеры. Начался период строительства временных, или, как еще говорят, "диких" плотин. Одновременно в значительно меньшем количестве, но планомерно возводились инженерные плотины за счет государственных средств по линии Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР.
Водохранилища являются полезным произведением человеческих рук при решении хозяйственных задач, облагораживании ландшафта, организации отдыха и спортивных занятий населения. Но, это только в том случае, если водохранилище правильно спроектировано, добротно построено и грамотно эксплуатируется. В противном случае появление водохранилища на той или иной реке приводит к локальной экологической катастрофе. Гибнут не только речные живые организмы, водная растительность, жители донных отложений, гибнет вся река, как взаимосвязанная и взаимозависимая экологическая система. Гибнет река детства, где можно было купаться, загорать и ловить рыбу, гибнут дорогие воспоминания. Все негативные явления этого плана, конечно, связаны с "дикими" плотинами. Можно много написать на эту тему, но я лишь приведу два наглядных примера.
Деревня Крашенина. Долина Емуртлы имеет здесь красивые склоны, поросшие березовым и со-сновым лесом. Но деятельность человека превратила этот живописный вид в крайне неприглядную картину. Дело в том, что при наличии широкой долины (500-700 метров) соорудить самодельную плотину очень сложно. Здесь и инженерные решения должны быть соответствующими. Но реализуется антиэкологический проект. Через всю пойму строят плотину, которая начинается у правого борта долины и идет к левому. Не доходя 100-200 метров до левого борта, плотина поворачивает и идет вдоль левого склона долины метров 100 и затем обрывается. При этом плотина перегораживает старое русло. Формируется новое русло с большими эрозионными образования-ми. Удержать в весенний период всю массу весеннего половодья этой плотиной невозможно, тем более без грамотно построенного водослива. Вода весной сбрасывается в проход между плотиной и левым бортом долины, но сбрасывается медленно, за плотиной остается много воды, которая считается акку-мулированной в водохранилище. Летом это пространство в верхнем бьефе осушается. Оно все заросло тростником, много сухостоя, фактически здесь болото. Вот так река детства превратилась в болото.
Река Бегила, деревня Першино. Русло Бегилы здесь имеет глубину 4-5 метров и ширину 20 метров. В русле временная плотина. Сброс через трубу диаметром 1 метр. Ниже в 100 метрах еще одна временная плотина. И первая и вторая плотины ежегодно насыпаются или подсыпаются. Кругом на склонах долины земля снята метра на 2-3. Это видно по телеграфным столбам, вокруг которых грунт оставался нетронутым. Теперь столбы стоят на высоких холмах с крутыми склонами. Прямо горный рельеф какой-то.
Биогенная революция
По шоссе Тюмень-Курган, не останавливаясь, проехали до самой южной границы Тюменской области. Так началась четвертая и последняя экспедиция по обследованию малых рек. Предполагалось изучить малые реки левобережья Тобола, двигаясь к северу последовательно от одной реки к другой. Начали с реки под названием Юзя, берущей начало из Боровлянского бора и впадающей в реку Исеть слева. Следующей рекой была Ингала. Это очень интересная река. Она протекает по пойме Исети. Берет начало из пойменных озерков и болот, течет параллельно Исети, то прижимаясь к правому коренному склону долины Исети, то удаляясь от него. Впадает Ингала в Исеть вблизи ее устья при слиянии Тоьола и Исети. Здесь и несколько выше образовалось обширное пойменное пространство, изобилующее старицами, протоками, озерами и болотами. Райское место для водоплавающих птиц, нереста и нагула рыб. Недаром на этой территории тюменскими археологами открыто большое количество археологических памятников. В научной литературе за этой местностью закрепилось название - Ингальская долина. Древний человек, селясь на возвышенных участках поймы, находил здесь не только богатые источники пищи, но защиту от врагов, ввиду трудной доступности местности.
Едем вдоль правого борта долины Исети. Слева течет Ингала, справа возвышается гряда, поросшая хорошим сосновым лесом. Место красивое, решаем сделать остановку на обед. За время таких экспедиций уже сложился определенный порядок работы, отдыха и приема пищи. Варим простую кашу с тушенкой и чай на походной печке. Эта печка - просто чудо. Она сборно - разборная. Можно в рюкзаке носить. Требует очень мало дров, буквально несколько щепочек. К печке прилагаются два сосуда для варки и жарки.
Дежурный собрал печку и пошел в сторону леса за дровишками. Вдруг кричит: "Ягоды, ягоды!" Все побежали на зов. Действительно на травянистом склоне, полого спускавшемся от леса к реке, там и сям краснела земляника. Ягод было очень много. Крупные, спелые, они радовали глаз и голодную душу. Шесть членов экспедиции паслись на склоне как коровы на лугу. Сплошное удовольствие! Но что-то мешало насладиться минутами счастья. Ощущался какой-то дискомфорт. Кажется, я первый произнес слово "запах". Да, это был острый запах свежего навоза, который исходил от реки Ингала. Но что самое удивительное, вода в реке была чистая, прозрачная, даже не имела коричневого оттенка, какой часто бывает у западно-сибирских рек из-за обилия окислов железа и болотной органики. Не понятен был источник загрязнения. Не было видно поблизости ни ферм, ни пастбищ, ближайшие деревни в 5 километров вверх по течению и в 3 километрах вниз. Обедать расхотелось. Взяли пробы воды на химический анализ и двинулись дальше.
Факты загрязнения малых рек навозными стоками во время обследования встречались не раз. Результатом является повышенное содержание в речной воде ионов азота и фосфора. Кроме объектов животноводства источником биогенных элементов выступают распаханные территории, города и другие населенные пункты. Под биогенными элементами понимают вещества, необходимые для роста и развития растений. К ним относят такие химические элементы как азот, фосфор, калий, железо, кремний м другие. Для повышения урожая в почву вносят как органические (как правило, навоз), так и минеральные удобрения, содержащие калий, азот, фосфор.
Обычно экологи большое внимание уделяют двум последним элементам, так как они не только обеспечивают высокий урожай культурных растений, но и бурный рост водорослей в прудах, реках и озерах. Этому явлению даже придумали особое название - эвтрофирование, от греческого слова эвтрофия - хорошее питание. Биогенное загрязнение приводит к усиленному развитию фитопланктона, прибрежных зарослей, водорослей, "цветению воды". В глубинной зоне образуется сероводород, аммиак, метан, нарушаются окислительно-восстановительные реакции, возникает дефицит кислорода. Эвтрофирование водоемов способствует гибели ценных пород рыб и растений. Вода становится не пригодной не только для питья, но и купания. Такой водоем утрачивает свое хозяйственное, культурное и оздоровительное значение.
"Зеленая революция" для водных объектов превратилась в биогенную революцию. Если первая призвана увеличивать урожаи сельскохозяйственных культур и способствовать росту продовольствия, то вторая ведет к деградации водных экосистем. В свете сказанного прогноз выноса биогенных веществ в водоемы при различных сценариях землепользования на водосборе представляет собой актуальную проблему.
Решать ее будем на основе данных моделирования стока с угодий речного водосбора при различных вариантах хозяйственной деятельности. В результате моделирования получаем объем стока с территории того или иного СФК. Чтобы узнать величину выноса и поступления в водный объект количества биогенных веществ, достаточно умножить объем стока на концентрацию этих веществ. Таки образом, задача сводится к установлению содержания азота и фосфора в склоновом стоке.
В начале, на территории юга Тюменской области было выбрано два опорных водосбора. Это бассейн реки Ашлык в подзоне южной тайги и реки Карасуль в лесостепи. Рассматривались три сценария хозяйственной деятельности в пределах выбранных водосборов.
Первый - это естественный вариант, когда на землях водосбора нет ни какой хозяйственной деятельности: нет пашни, отсутствуют населенные пункты, нет домашнего скота.
Второй вариант предполагает интенсивную хозяйственную деятельность. В этом случае предусматривается полная возможная распашка земель, зональные дозы минеральных и органических удобрений, наличие населенных пунктов и поголовья скота на современном уровне, промышленный способ ведения животноводства.
При третьем варианте хозяйствования подбираются такие дозы удобрений и такое поголовье скота и такая площадь пашни, при которых будут обеспечены нормативные значения концентрации биогенных элементов в воде малых рек.
Рассмотрим первый вариант для реки Карасуль. В естественном состоянии более 40% водосбора реки занимают степные участки. Это луг суходольный. Совсем мало, примерно 2%, занимает луг пойменный. Остальные 58% примерно поровну распределены между болотными и лесными ландшафтами. Указанные природные комплексы, хотя и не подверженные воздействию человека, все равно являются источниками биогенных веществ. Они образуются в результате гниения растительных остатков: травы, мха, опавшей листвы, сучьев и другого.
Многочисленными исследованиями, которые приводятся в специальной литературе, установлены величины концентраций азота и фосфора в склоновом стоке с леса, луга и болот. Например, в стоке с луга суходольного концентрация азота составляет 1,5 миллиграмма на литр воды (мг/л), а с леса 0,4 мг/л. Это, конечно, обобщенные данные. Ясно, что этот показатель существенно меняется в зависимости от вида лесной и луговой растительности, рельефа местности, времени года, погодных условий и других факторов. При этом, надо иметь в виду, что речь идет не о химическом элементе азот, а об азоте в составе различных солей, растворенных в воде.
При разложении растительных остатков выделяется аммиак, молекула которого состоит из одного атома азота и трех атомов водорода. Это - газ, который растворяясь в воде, а точнее вступая с ней в химическую реакцию, образует аммоний (один атом азота и четыре атома водорода). Под действием специальных бактерий ионы аммония переходят в нитриты (один атом азота и два атома кислорода) и нитраты (один атом азота и три атома кислорода). Нитриты - это переходная форма, она не устойчива и под действием тех же бактерий преобразуется в нитраты. Водные растения, и крупные (макрофиты) и мельчайшие (фитопланктон) активно поглощают нитраты, что способствует их росту и развитию. Собственно процесс эвтрофирования водных объектов связан с нитратами, так как аммоний растениям недоступен, а нитротов в воде всегда значительно меньше, чем нитратов.
Примерно такая же ситуация и с фосфором. В склоновом стоке с луга содержится 0,16 мг/л растворенного фосфора, с болота - 0,4, а с леса - 0,015. Ясно, что здесь так же речь идет не об элементарном фосфоре, который ядовит, а о солях фосфорной кислоты - фосфатах. При разложении растительных остатков, содержащиеся в них органические фосфаты, с помощью специальных бактерий переходят в минеральные, более доступные для растений как сухопутных, так и водных.
Итак, располагаем данными о величине стока с нетронутых угодий водосбора: луга суходольного, луга пойменного, леса и болота. О том, как были получены эти значения, рассказано в предыдущем разделе. Умножаем концентрации азота и фосфора на объем стока и получаем объем смытых с указанных угодий биогенных веществ. Оказалось, что в целом со всех ландшафтных комплексов водосбора в реку Карасуль поступает 119 тонн азота общего (аммоний плюс нитраты и плюс нитриты) и 8 тонн растворенного фосфора в год. При этом наибольшее поступление биогенных веществ дает луг суходольный.
Чтобы оценить как эти тонны повлияли на качество воды в реке, необходимо еще учесть эффект самоочищения. Дело в том, что поступившие в реку химические вещества подвергаются разбавлению, распаду, они выпадают на дно, поглощаются водной растительностью. Процесс самоочищения сложный, многосторонний и поэтому его трудно моделировать. Ограничиваются простой формулой, разработанной еще в конце 20-х годов XX века американскими учеными.
Исходными аргументами при расчетах концентрации вещества в данном створе по этой формуле являются: начальная концентрация вещества в створе поступления его в реку, коэффициент самоочищения, время добегания воды от створа поступления до данного створа. При использовании формулы американских авторов важно знать коэффициент самоочищения. Его надежно можно получить по данным наблюдений в начальном и конечном створах реки, решая задачу обратным ходом.
Прежде всего - о времени добегания. Имеется река, на которой расположены два гидрологических поста наблюдений за уровнем воды. Один пост в верхнем течении, а другой пост ниже первого на значительном расстоянии, не менее 100 километров. Допустим, на реке наблюдается паводок. Максимальный уровень или как говорят гидрологи, пик паводка, в некий момент времени наблюдается на верхнем посту. Спустя некоторое время, обычно более суток, этот пик паводка достигает нижнего поста. Вот этот отрезок времени, за который пик паводка проходит от верхнего до нижнего поста и есть время добегания. Обозначают его греческой буквой (тау).
Для того, чтобы выполнить определение коэффициента самоочищения, необходимо было на территории Тюменского региона подобрать реки, на которых в двух створах (верхнем и нижнем) подразделениями Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды одновременно велись бы наблюдения за уровнями воды и концентрациями химических веществ. Кроме того, между этими створами не должно быть крупных притоков. Условия довольно жесткие, поэтому удалось подобрать только 6 рек, отвечающих данным требованиям. Расчеты показали, что коэффициент самоочищения меняется по территории в значительных пределах, увеличиваясь по мере движения с севера на юг. Так, в подзоне северной тайги для ионов аммония коэффициент самоочищения в 14 раз ниже, чем в лесостепи. Для нитратов и нитритов самоочищающая способность рек в лесостепи выше примерно в 6-10 раз, чем на севере, что, конечно, связано с с различием температурных условий. Чем выше температура воды, тем лучше самоочищение реки.
Итак, как было установлено, в реку Карасуль с естественных ландшафтов водосбора поступило 119 тонн азота общего и 8 тонн фосфора. С учетом самоочищающей способности реки, это, как показывают расчеты, привело к формированию концентраций в замыкающем створе на уровне 0,35 мг/л азота и 0,01 мг/л фосфора. Много это или мало? Чтобы ответить на этот вопрос необходимо эти величины сравнить с предельно допустимыми концентрациями, сокращенно ПДК.
Понятие о ПДК базируется на идее порогового действия вредных веществ на человека в районе водопользования или на рыбу в месте её обитания. Иными словами, это такая концентрация, которая при более или менее длительном воздействии на организм человека или рыбы не приводит к патологическим изменениям и не вызывает болезней. В отношении рыбохозяйственных водных объектов данное толкование может быть расширено. За ПДК принимается такая концентрация, которая не нарушает какого-либо звена пищевой цепи водоема.
Азот присутствует в водных объектах в трех формах: аммоний, нитриты и нитраты. В процентном отношении преобладают, конечно, ионы аммония. Их содержание на основании экспедиционных данных по 40 створам юга Тюменской области в среднем ровно 86 %. Для ионов аммония ПДК составляет 0,5 мг/л как для водохозяйственного, так и рыбохозяйственного пользования. Азот нитратный имеет ПДК еще больше - 40 мг/л. А вот нитриты более опасны, особенно для рыбы. Здесь ПДК имеет значение 0,08 мг/л. Однако, эта форма не устойчива и в процентном отношении незначительна. Таким образом, ориентируясь на содержание азота аммонийного и сопоставляя данные азота общего 0,35 мг/л с ПДК 0,5 мг/л, можно сказать, что в естественном состоянии воды реки Карасуль, как и следовало ожидать, безопасны для жизни и развития рыб, водопользования человека.
Для фосфатов ПДК в среднем равно 0,15 мг/л. При естественном состоянии водосбора, как показано выше, концентрация фосфора в воде реки Карасуль в 15 раз ниже ПДК и составляет 0,01 мг/л. То есть, и по этому показателю речная вода благоприятна для жизни рыбы и водопользования человека.
Аналогичные оценки были выполнены для реки Ашлык. Напоминаю, эта река расположена в подзоне южной тайги. Это лесная зона, поэтому водосбор реки занят лесами (38,8%) и болотами (60%), и только малая часть, всего 1,2% приходится на луг пойменный. На основании расчетов можно констатировать: содержание азота в замыкающем створе реки при естественном состоянии водосбора составляет 0,53 мг/л (чуть больше ПДК), а фосфора 0,035 мг/л, что более, чем в 4 раза ниже ПДК. То есть, смтуация примерно та же, что и для реки Карасуль. Тем не менее, надо указать на более высокие концентрации биогенных веществ в воде реки Ашлык. По азоту примерно в полтора раз, по фосфору в три с половиной. Это связано с очень высокой заболоченностью водосбора реки Ашлык.
Переходим к рассмотрению второго варианта хозяйственной деятельности. Начнем опять с водосбора реки Карасуль. Вариант предполагает интенсивное использование природного потенциала водосбора: полную возможную распашку и промышленное животноводство. Прежде всего, надо определить объемы поступления азота и фосфора в воды реки Карасуль за счет смыва этих веществ с сельскохозяйсивенных полей. Использовались специальные формулы, аргументами которых являлись: дозы удобрений, начальное (исходное содержание в почвах питательных веществ), способ внесения удобрений, вид возделываемых культур. В качестве основной культуры при расчетах приняты яровые зерновые, дозы и состав удобрений принимались на основании зональных рекомендаций.
Для оценки величины привноса в воды реки Карасуль биогенных веществ от животноводства применялись расчетные схемы, основанные на удельных значениях азота и фосфора, приходящихся на одну голову скота. Например, содержание азота в отходах животноводства на одну корову в сутки составляет 160 грамм, а свинью - 34 грамма. При этом допускалось, что выполняется полная очистка животноводческих стоков, а твердая фракция вывозится на поля. Теперь необходимо определить поступление в реку биогенных веществ с территорий деревень. Согласно материалам специальной литературы с сельских населенных пунктов (отходы жизнедеятельности людей и смыв с территорий самих населенных пунктов) поступает азота общего 4,8 грамм на человека в сутки, а фосфора 0,7 г/чел в сутки. Как следует из материалов моделирования. предлагаемый сценарий хозяйствования на водосборе ведет к формированию следующей структуры источников биогенного загрязнения. Больше всего биогенных веществ поступает с сельскохозяйственных полей (60,2 % по азоту и 70 % по фосфору). Второе место за животноводством (30,7 % и 17,8 % соответственно). Вклад остальных источники (все деревни на водосборе и часть города Ишима) на порядок меньше. При этом концентрация азота и фосфора в замыкающем створе с учетом самоочищающей способности реки составляет: 3,47 мг/л азота и 0,29 мг/л фосфора. Полученные данные превышают ПДК примерно в 7 по азоту и в 2 раза по фосфору.
Расчеты по второму опорному водосбору реки Ашлык дали примерно тот же порядок результатов: превышение ПДК в 4 раза по азоту и 2,5 раза по фосфору. Ясно, что выполненные расчеты носят характер оценочных и не отличаются высокой точно-стью. Кроме того, они учитывают вынос биогенных веществ с полей, ферм и населенных пунктов при современной, далекой от совершенства технологии. Следует полагать, что внедрение более прогрессивных способов производства позволит уменьшить вынос биогенных веществ, а следовательно, увеличить объемы продукции без нарушения экологической безопасности.
Рассмотрим третий вариант хозяйственной деятельности на водосборе реки Карасуль. Сколько скота можно содержать, какова должна быть доза удобрений на полях, чтобы биогенное загрязнение речной воды было минимальным? При этом будем исходить из современных реалий и не впадать в экологический экстремизм. Примем концентрацию азота в замыкающем створе реки 1 мг/л, а фосфора 0,1 мг/л. При этих условиях вырисовывается вполне реальная картина хозяйственной деятельности. Можно содержать в пределах территории водосбора 27 тысяч коров и 15 тысяч свиней. Данные показатели в пересчете на одного жителя соответствуют среднеобластным значениям советского времени. При этом, доза удобрений на пашне должна составлять не более 90 килограмм на гектар.
И, наконец, экологически безопасный вариант для реки Ашлык, соответствующий высокому уровню культуры производства, как в растениеводстве, так и животноводстве. Он предусматривает сохранение на современном уровне площади пашни (3% территории водосбора) и поголовья скота (три тысячи коров и полторы тысячи свиней). Необходима полная очистка животноводческих стоков и зональные нормы удобрений. Концентрация азота в замыкающем створе в этом варианте равна 0,89 мг/л, а фосфора 0,075 мг/л, что близко к нормативным условиям.
Рассмотренные расчеты были сделаны еще для 10 малых рек юга Тюменской области. При этом Ашлык служил аналогом для рек лесной зоны, а Карасуль для рек лесостепи. Для каждого из трех расчетных вариантов принимались количественные характеристики по условиям содержания скота, коэффициентам самоочищения, дозам удобрений, соответствующих указанным аналогам.
Интенсивная хозяйственная деятельность при современной технологии растениеводства, современной численности сельского населения и поголовья скота с полной очисткой животноводческих стоков поддерживает уровень биогенного загрязнения от 0,75 ПДК по фосфору (реки с хорошей очищающей способностью) до 8 ПДК по азоту (реки со слабой очищающей спо-собностью). Интенсификация сельскохозяйственного производства должна сопровождаться интенсификацией его экологизации. При отсутствии антропогенной деятельности на водосборе содержание азота в воде малых рек составляет 0,8-2,0, а фосфора 0,04-0,8 ПДК
Концентрация биогенных элементов при современной технологии растениеводства с внесением зональной нормы удобрений и очистке животноводческих стоков будет близка к ПДК, если для рек с площадями водосборов более 300-500 километров квадратных доля пашни не будет превышать 10--20 %. Для остальных рек сохранение чистоты их вод требует сокращения поголовья скота до 0--50 % от современного уровня и отказа от применения минеральных удобрений. Последнее не реально. Поэтому необходимо совершенствование технологий и проведение водоохранных мероприятий.
Как видим, хозяйственная деятельность приводит к биогенному загрязнению поверхностных вод. А что с подземными водами? Они защищены толщей почвогрунтов и по идее биогенные вещества не должны достигать их зеркала. Недаром ведь считается, что водоснабжение населения будет более надежным и безопасным из подземных горизонтов, чем поверхностных источников. Попробуем разобраться в этой проблеме, используя конкретный пример.
В 25 километрах к западу от Тюмени расположена деревня, или как сейчас принято говорить, сельское поселение Ушакова. Почти полвека назад, в 1967 году здесь была построена оросительная система на площади 184 гектара, а в 1981, 1982 годах она была реконструирована с расширением площади до 611 гектаров. Возделывались однолетние и многолетние травы, а также овощные культуры - капуста, морковь, огурцы, помидоры. Участок орошения располагался на Зауральском плато в пределах склона долины реки Пышмы.
Для Тюменской области орошение сельхозкультур было делом новым, неизвестным. Как дополнительное увлажнение повлияет на элементы природного комплекса: почвы, уровень и качество подземных вод, микроклимат - было не ясно. Поэтому в 1971 году Тюменской комплексной геологоразведочной экспедицией для наблюдения за состоянием подземных вод были заложены скважины. Глубина скважин находилась в пределах 10-100 метров. Мелкие скважины предназначались для наблюдений за грунтовыми водами, а глубокие - за артезианскими. Сначала по всем скважинам велись наблюдения только за уровнем подземных вод. Начиная с 1986 года стали определять химический состав этих вод. Так как наблюдения за химическим составом начали проводить, когда оросительная система функционировала уже более 20 лет, то оценить влияние орошения на биогенное загрязнение не представлялось возможным. Отсутствовали данные наблюдений за качеством подземных вод до начала орошения. Но тут случилась перестройка. Интенсивность производственной деятельности на орошаемом поле сначала снизилась, а потом упала до нуля. Это сразу же отразилось на качестве подземных вод.
Так, в 1986-88 годах содержание нитратов в грунтовых водах максимальное. В эти годы оно составляет 100-204 мг/л (2,5-5,0 ПДК), что связано с внесением высоких доз минеральных удобрений. При этом не следует забывать того, что, в конце концов, эти нитраты окажутся в реках и деревенских колодцах. С 1989 по 1993 год происходит резкое падение количества нитратных ионов до 30-52 мг/л. Удобрений вносится значительно меньше, поле орошается, но с перебоями, нерегулярно. В 1995 году поливы прекращаются совсем, удобрения не вносятся, концентрация нитратов в грунтовых водах снижается до 15-30 мг/л. При этом, содержание нитратов в артезианских водах очень мало. Это связано с тем, что растворы солей, представляющие собой азотные удобрения, в глубокие водоносные горизонты не проникают. Следовательно, в грунтовых водах они появляются только за счет хозяйственной деятельности.
Таким образом, применение высоких доз минеральных удобрений на фоне орошения приводит к загрязнению подземных вод нитратами и существенно повышает их минерализацию. К сожалению, не велись наблюдения за концентрацией фосфатов в подземных водах. Проведение таких наблюдений позволило бы оценить загрязнение грунтовых вод фосфором.
В сезонном ходе имеет место уменьшение концентрации нитрат-ионов летом в 2 раза по сравнению с весенним периодом и в 3 раза с осенним. Это объясняется активным усвоением нитратов в процессе фотосинтеза растениями. Летом уменьшается минерализация за счет атмосферных осадков и уменьшения концентрации нитрат-ионов.
Таким образом, перестройка и связанные с ней социально-экономические изменения, пагубные для производства, тем не менее, позволила четко выявить роль антропогенного фактора в формировании качественного состава подземных вод, а, следовательно, и водных объектов. Интенсивная эксплуатация мелиорируемых земель в условиях Западной Сибири вызывает загрязнение подземных вод, что указывает на необходимости поиска экологически чистых технологических решений.
РАССЕЯННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Когда смоется нефть?
Прогноз академика Ивана Губкина о больших запасах нефти и газа за Уралом, высказанный им в 1932 году, блестяще оправдался открытием газового месторождения в Беоезово. А где же нефть? Её искали ещё долгих 6 лет. Открытие состоялось не так внезапно и, в известной степени, не так трагически, как это было в Березово, а более обстоятельно и планомерно. Сначала в сентябре 1959 года пробуренная на Шаимской площади в среднем течении реки Конда скважина дала нефть производительностью 100 литров в сутки. Это, конечно, не серьезный показатель. Но, нефтяники не успокаивались, понимая, что они на верном пути. Пробурили ещё ряд скважин. Наконец, в июне 1960 года из скважины N6 ударил фонтан легкой нефти объемом 300 тонн в сутки. Радости буровиков не было предела. Говорят, что они, подставляли, ладони под нефтяную струю, и мазали свои лица бурой пахучей жидкостью.
Потом были еще открытия и, еще фонтаны, которые заливали тюменскую землю нефтью все больше и больше, расширяя территорию нефтезагрязненных земель (НЗЗ). В результате к 2005 году площадь покрытых нефтью земель только на территории Ханты-Мансийского автономного округа (Югры) по разным оценкам достигла 50-80 тысяч гектаров. В то же время по данным экспертов голландской независимой консалтинговой компании IWACO площадь НЗЗ в Западной Сибири составляет 700-840 тысяч гектаров, то есть, в 10 раз больше отечественных оценок. Но не только фонтаны, хотя и они тоже, повинны в формировании НЗЗ. Объективный анализ показывает, что происхождение нефтепокрытых пятен связано с тремя основными источниками.
Первый источник - это нефтепромысловые кусты скважин. Обычно они располагаются на четырехугольной насыпи размером порядка 1 гектара (100х100 метров). Насыпь по периферии имеет вал высотой около 1-2 метра, который по замыслу его создателей должен перекрывать пути нефти на окружающую территорию в случае открытого фонтанирования и поступления нефти на площадку куста. На отдельных кустах можно обнаружить прорывы ограждающего вала и следы потоков нефти вниз по течению ближайшей балки, впадающего затем в ближайшую речку. Нефть потоками воды сносится вниз по течению в период весеннего половодья и образуется полоса НЗЗ с погибшими деревьями и другой растительностью шириной от десятков до нескольких сотен метров.
Второй источник - это внутрипромысловые нефтепроводы, которые доставляют нефть в коллектор (собирающий трубопровод). Эти нефтепроводы с промысловых кустов идут к коллектору вдоль дорог, соединяющих кусты с основными транспортными магистралями. Внутрипромысловые трубопроводы часто рвутся и нефть поступает на поверхность. Поэтому вдоль всех дорог и асфальтированных, и грунтовых тянутся полосы НЗЗ. Особенно много залитых нефтью площадей отмечается в долинах рек, ручьев, балок и других ложбин стока. Именно при пересечении водотоков бывают наиболее частые прорывы нефтепроводов и тогда нефть непосредственно поступает в воду.
На этот случай предусмотрены так называемые водяные затворы (ловушки нефти), суть работы которых заключается в следующем. При наличии трубчатого переезда (наиболее распространенный тип переходов через водотоки) сооружается гидрозатвор таким образом, чтобы выход из ловушки осуществлялся под поверхностью воды. Тогда нефть не попадает в трубу, а остается на поверхности. Таким образом ограждается от нефтяного загрязнения расположенный ниже трубчатого переезда водоток. Поэтому концентрация нефти ниже такого сооружения намного меньше, чем в верхней части.
Третий источник нефтяного загрязнения территорий водосборов - это магистральные трубопроводы. Здесь нефть транспортируется по трубам диаметром около одного метра. При порыве такого трубопровода образуются наиболее обширные поля загрязнений, которые распространяются затем вниз по течению водотока водами весенних половодий.
Доля НЗЗ в среднем составляет около полутора процентов площади месторождений. На отдельных месторождениях она может достигать два, два с половиной процента (Саматлорское месторождение, месторождения нефтегазодобывающего управления "Приобьнефть и другие). Эти нефтепокрытые пятна образуют так называемые диффузные (рассеянные) источники загрязнений. Еще их называют рассредоточенными или неточечными, в противоположность точечным, к которым относят трубы сброса сточных вод. К диффузным источникам загрязнений относятся также промышленные площадки, дороги, территории городов и поселков, шламовые амбары и другие рассредоточенные по речному водосбору массовые объекты.
В период снеготаяния и обильных дождей нефть с территорий НЗЗ смывается и со склоновым стоком попадает в реки и озера. Наносится большой экологический ущерб водным объектам. Традиционно реки Тюменской области использовались в транспортных и рыбохозяйственных целях. В первом случае это была крайняя необходимость, так как других видов транспорта, кроме водного, просто не существовало. Во втором - обильные запасы рыбы в реках и озерах обеспечивали население ценным пищевым продуктом и интенсивно эксплуатировались. В лучшие годы в послевоенный период водные объекты области давали до 60 тысяч тонн рыбы. В 2006 году общий улов всех видов рыб составил всего 15 тысяч тонн. Данные показатели достаточно объективно демонстрируют экологические последствия функционирования нефтегазового комплекса (НГК).
Стокгольм, 1971 год. В шведской столице идет интенсивная работа по подготовке первой международной конференции по окружающей среде. Эксперты в комитетах и комиссиях разрабатывают проекты основных итоговых документов. В процессе работы научного комитета вдруг со всей отчетливостью выяснилось, что существующий термин "контроль" за состоянием окружающей природной среды страдает явным недостатком. Он по контексту предполагает не только слежение за качественным состоянием среды обитания человека, но и управление этим состоянием. Тот, кто управляет каким либо процессом склонен приукрашивать результаты своего управления. Применительно к состоянию природной среды это вполне может выливаться в сокрытие негативных явлений: загрязнение природных вод и атмосферного воздуха, гибель растений и животных, заболевание людей и так далее. Поэтому члены научного комитета пришли к единодушному мнению: термин "контроль" надо заменить. Так появился новый термин "мониторинг", который в переводе с английского означает "слежение". Получается, что система мониторинга имеет своей целью только наблюдения за состоянием окружающей природной среды, оценку этого состояния (хорошее, плохое, ужасное и другое) и прогноз будущего состояния. Ни в коем случае - управление. Управлять качеством окружающей среды должны административные власти, получив от системы мониторинга, информацию. Система мониторинга должна обладать независимым статусом и не подчиняться органам власти, управляющих качеством среды. В такой интерпретации понятие "мониторинг" уверенно вписалось в итоговые документы стокгольмской конференции, которая состоялась в 1972 году.
В самом конце того же 1972 года вышло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об усилении охраны природы и улучшении охраны природных ресурсов". Одним из разделов этого постановления предусматривалось создание Общегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением объектов природной среды. Данное решение правительства явилось органическим воплощением идей стокгольмской конференции. Так было положено начало системе государственного экологического мониторинга. Большую роль в становлении и развитии экологического мониторинга в СССР и России сыграл академик Юрий Израэль. Он был не только вдохновителем и организатором работ по созданию структуры и методических основ системы мониторинга, но и крупным теоретиком Им написан и издан капитальный труд "Экология и контроль состояния природной среды". Эта книга сейчас считается классическим произведение в области мониторинга.
После ряда реорганизаций в России сформировались три ветви экологического мониторинга: государственный, муниципальный, производственный. Следует сказать, что постепенно термин "мониторинг" из природоохранной сферы перекочевал в другие отрасли человеческой деятельности. Стали говорить о социально-экономическом мониторинге, парламентском мониторинге, журналистском мониторинге и других. Появился в русском языке и новый глагол - мониторить и новое существительное - мониторирование. Встречаются тавтологии типа "мониторинговые наблюдения", хотя понятие "мониторинг" по сути и есть наблюдение.
В рамках производственного мониторинга добывающие кампании ведут наблюдения за состоянием вод, атмосферного воздуха и почв в пределах нефтяных и газовых месторождений. Основной упор делается на исследование химического состава поверхностных и отчасти подземных вод. Один раз в месяц отбираются пробы воды, в которых определяют наличие порядка 20-25 химических веществ, включая нефтепродукты. По этим данным невозможно определить источник загрязнений. Например, концентрация нефтяных углеводородов в речной воде зависит не только от количества поступившей в реку нефти, но и от водности реки (расхода воды). В гидрологии под термином расход воды понимают ее объем, протекающий через поперечное сечение потока в течение одной секунды. Расходы воды водотоков, как правило, не измеряют. Поэтому не всегда понятно, кто и что "виноваты" в высоком содержании нефтепродуктов в воде. Тем более, совершенно не известен вклад диффузных источников в нефтяное загрязнение рек. По умолчанию считается, что основным источником загрязнений являются порывы нефтепроводов.
Так ли это? Служба производственного экологического мониторинга однозначного ответа не дает. При рассмотрении диффузного загрязнения необходимо обратить внимание не только на техногенные углеводороды. Кроме них в водные объекты поступают также естественные соединения данного класса химических веществ. В процессе разложения растительных остатков без доступа воздуха в болотных отложениях, в илах рек и озер происходят процессы формирования естественных нефтяных углеводородов. Отличить техногенные углеводороды, которые поступают на поверхность земли в процессе нефтедобычи, от естественных стандартными химическими методами не возможно Нужны специальные довольно дорогостоящие лабораторные анализы. Правда, и они не всегда гарантируют успех.
Как же решить проблему? Ответ напрашивается сам собой. Нужно создать опытную систему мониторинга диффузного нефтяного загрязнения, непосредственно в поле, непосредственно на месторождении. Затем провести в течение нескольких лет наблюдения, на основании которых попытаться ответить на следующие вопросы:
-- каков вклад диффузных источников в загрязнение рек нефтепродуктами;
-- каково соотношение естественных и техногенных углеводородов в склоновом стоке;
-- как скоро нефтезагрязненные земли очистятся от нефти за счет естественного смыва под влиянием дождей и талых вод.
Полевые работы по мониторингу диффузного загрязнения нефтяными углеводородами малых рек были организованы и проводились под руководством автора на территориях Мамонтовского, Южно-Балыкского и Средне-Балыкского нефтяных месторождений Данная территория расположена на левобережье Оби в пределах нижнего течения реки Большой Балык в окрестностях города Пыть-Ях. Местность здесь производит прямо-таки сказочное впечатление. Широкие увалы чередуются с понижениями, занятыми долинами рек и болотами. На увалах растет настоящий "берендеевский" лес. Могучие пихты и ели, все в свисающих лишайниках. Вот, вот из-за ближайшего дерева появится Лель в белых одеждах и выйдет красавица Купава с венком из свежих цветов на голове.
В начале экспедиционных работ в июле-августе было произведено обследование территории и оборудовано семь гидрологических постов на шести реках, в пределах водосборов которых ведется добыча нефти. Так же был взят один водоток без следов антропогенной деятельности для определения фоновых характеристик содержания углеводородов в водах исследуемого района.
Обследование включало в себя съемку нефтепокрытых территорий. Для этого на карту каждого водосбора путем пешего обхода, объезда на автомобиле и облета на вертолете наносились нефтезагрязненные земли, выполнялось описание особенностей ландшафтных условий, расположение, возраст нефтяного пятна и другие характеристики углеводородного загрязнения водосборов.
Для каждого выбранного участка расположения гидроствора составлялся план, на котором обозначались очертания меженного русла, коренных берегов, основных элементов рельефа поймы и характера растительности на ней, установленные урезы воды при наивысшем уровне.
Гидрологические и гидрохимические наблюдения в выбранных створах проводились в основные фазы водного режима. Первый цикл наблюдений относился к пику половодья (15-20 апреля), второй к периоду летней межени (июль-август) и третий к предзимнему периоду (15-20 октября). В указанные сроки на каждом посту мониторинга измеряли уровень и расход воды, отмечались необычные явления (изменение цвета воды, наличие пены, погибшей рыбы и другое). Также отбирались пробы воды для определения содержания в ней нефтяных углеводородов.
Что же показали данные наблюдений? Оказалось, что наиболее интенсивный смыв нефтепродуктов с поверхностей экспериментальных водосборов происходит в период весеннего половодья, когда сток формируется на всех элементах рельефа - плоских водоразделах, склонах, террасах, пойменных ландшафтах. Летом во время выпадения длительных и интенсивных дождей сток может формироваться, как правило, только на переувлажненных поверхностях: болотах, днищах долин, балок, оврагов, поймах. Такой процесс поступления воды в речную сеть оказывает влияние на характер и интенсивность смыва нефти с поверхности водосбора. Повышенный склоновый сток способствует увеличению смыва нефтепродуктов. С другой стороны увеличение водности вызывает снижение концентрации нефтяных углеводородов в речной воде. То есть, происходит два противоположных процесса как по повышению концентрации нефти в речной воде, так и по ее понижению. Данные полевых наблюдений на экспериментальных водосборах показывают, что процесс разбавления здесь не может перекрыть процесс увеличения концентрации за счет смыва.
Наибольшая концентрация нефтепродуктов в речных водах изучаемых створов имеет место именно в периоды повышенно стока. Это период весеннего половодья и время летне-осенних дождей. Наблюдается тенденция выравнивания по всем изучаемым рекам содержания нефтепродуктов в речной воде в многоводные периоды и возрастание изменчивости в маловодные.
Отмечается четкая зависимость модуля смыва нефти миллиграмм в секунду с квадратного километра (мг/с км2) от площади НЗЗ на водосборе. Модуль смыва получается путем умножения концентрации нефтепродуктов в реке на модуль стока литр в секунду с квадратного километра (л/с км2). При этом, наиболее тесная зависимость модуля смыва нефти от площади НЗЗ наблюдается в маловодные фазы. При высокой водности рек связь ослабевает. Такое положение, по-видимому, связано с тем, что в период низкого стока вынос нефти происходит только с нефтезагрязненных частей водосбора, в основном, прилегающих к руслу. И здесь, действительно должен отмечаться рост выноса в зависимости от площади НЗЗ. В многоводный период смыв фоновых концентраций идет по всей территории водосбора. Сюда так же попадают неучтенные площади НЗЗ, расположенные вдали от русла реки. Выявленные закономерности выноса нефтепродуктов с нефтепокрытых территорий в речную сеть позволили построить расчетную формулу модуля смыва нефти в зависимости от площади нефтезагрязнения.
Кроме площади НЗЗ аргументами полученной расчетной зависимости выступают модуль стока с территорий НЗЗ, модуль стока с незагрязненной площади и исходная начальная (фоновоя) концентрация нефтяных углеводородов в склоновом стоке с не загрязненных земель. Выше я уже указывал, что формирование фоновых концентраций нефтяных углеводородов связано с процессами разложения органических остатков (биогенные углеводороды). Кроме того, из недр имеет место восходящмй поток легких углеводородов, который особенно заметен при наличии в недрах запасов нефти и газа. Эти углеводороды накапливаются в снежном покрове, органогенных породах (ил, торф), а затем поверхностными и подземными водами вымываются из них и поступают в речную сеть.
Мои аспиранты Виталий Хорошавин и Наталья Добежина на основании полученной расчетной формулы, широко применяя ландшафтно-гидрологический анализ, сделали оценку диффузного нефтяного загрязнения водных объектов территорий Среднего Приобъя и бассейна реки Пур. Для этого они определили местоположение всех нефтяных месторождений указанных территорий, их площади и ландшафтное строение. Рассчитали значения модулей стока с различных ландшафтов, и, приняв долю НЗЗ всех месторождений 1%, получили объемы смыва нефти с территорий водосборов. Оказалось, в частности, для территории Среднего Прибья в средний по водности год в водные объекты поступает 1234 тонны углеводородов. Если бы не было НЗЗ, то вынос бы составил 714 тонн. Для сравнения укажу, что со сточными водами всех предприятий Югры в водные объекты поступает всего лишь 23 тонны нефтепродуктов. Это порядка 2% от объема диффузного загрязнения. Получается, что главным загрязнителем водных объектов Приобья выступают неточечные источники. При этом 43% объема диффузного углеводородного загрязнения приходится на нефтезагрязненные земли.
Модельное моделирование на специальной установке позволило Виталию Хорошавину оценить сроки вымывания нефти из торфяной почвы, как преобладающего покрытия нефтяных месторождений. Оказалось, что в климатических условиях Пуровского района Ямало-Ненецкого автономного округа через 10 лет после разлива нефти в почве остается порядка 50% ее первоначального содержания. Ориентировочно можно оценить срок, когда в торфе останется 10% нефтяных углеводородов, в 30-50 лет. При этом надо учитывать изменение качества самих углеводородов. С экологической точки зрения наиболее опасной считается свежая более легкая нефть. С течением времени она трансформируется в свои тяжелые аналоги вплоть до асфальтенов, которые значительно менее токсичны. Выполненные оценки вклада рассеянных источников в нефтяное загрязнение водных объектов не учитывают объемов нефти, поступающих непосредственно в реки и озера при аварийных ситуациях.
Помимо НЗЗ в качестве диффузных источников углеводородного загрязнения водных объектов могут выступать автомобили, количество которых в России за последнее время многократно увеличилось. Содержащиеся в выхлопных газах нефтепродукты поглощаются снежным покровом и в период его таяния вместе с талыми водами поступают в реи и озера. Особенно подобная ситуация характерна для территорий городов, где концентрация автомобильного транспорта особенно велика.
Оценка количества и состава поллютантов в снежном покрове выполнена на примере города Тюмени. Весной 2007 года. под моим руководством были проведены работы по отбору проб снега и их анализу на территории города Тюмени и его окрестностей. Отбирались пробы снега в 10 точках на территории города и в четырех точках за городом.
Результаты лабораторного анализа показали, что наибольшая концентрация нефтепродуктов наблюдается в свалках снега. Здесь она достигает 66 ПДК. При этом надо иметь в виду, что представление данных в долях ПДК является удобным методическим приемом для демонстрации уровня загрязнения снега, а не для определения его пригодности в рыбохозяйственных целях. Высокое содержание нефтнпродуктов в местах складирования снега объясняется его большой плотностью. Уплотнение снега по сравнению со свободным его залеганием связано с процессом его уборки, погрузки в самосвалы и последующим сбросом на землю. По территории города содержание нефтяных углеводородов в снежном покрове отличается незначительно, изменяясь от 2 до 4 ПДК. За городом концентрация ниже примерно в два раза.
Кроме нефтепродуктов в снежном покрове города обнаружено повышенное содержание ряда других ингредиентов. С целью установления источников поступления поллютантов на поверхность снега я произвел статистическую оценку связи содержания нефтепродуктов с остальными веществами. Оказалось, что наиболее тесная связь отмечаются у нефтепродуктов с железом, никелем, цинком, кобальтом и марганцем.
Высокие коэффициенты связи имеют место так же между указанными веществами. Такой характер взаимозависимости поллютантов указывает на один источник их происхождения. В качестве источника нефтепродуктов не может быть ничего другого в городе Тюмени, кроме автотранспорта. Следовательно, остальные ингредиенты: железо, никель, цинк, кобальт и марганец так же связаны с выбросами двигателей внутреннего сгорания.
Каким образом эти вещества могли оказаться в отходящих газах автомобилей? Все дело в топливе. В средствах массовой информации Москвы и Петербурга, а так же других городов (интернет-сайты: www.gruzoviki.ru, www.autonews.ru, www.newspaper.kz и др.) активно обсуждается вопрос вредных присадок к бензину. Можно в одно мгновение превратить бензин, допустим А-80 в АИ-93, добавляя соответствующие вещества. Бензин АИ-93, естественно, стоит дороже.
Таким образом, встает вопрос проверки качества бензина на заправках. В ряде городов это делается. При этом отмечается, что наиболее часто нарушителями закона выступают мелкие заправочные пункты.
Обращает на себя внимание по сравнению с другими тяжелыми металлами более низкий коэффициент связи нефтепродуктов и свинца. Это говорит о том, что в городе мало используется запрещенный этилированный бензин, в котором в качестве присадки, повышающей октановое число, используется тетраэтилсвинец.
Таким образом, не смотря на то, что город Тюмень находится далеко от эксплуатируемых нефтяных месторождений, определяющую роль в загрязнении снежного покрова играют нефтепродукты. Они поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей и поглощаются снежным покровом. Вместе с нефтепродуктами поступают тяжелые металлы: железо, никель, цинк, кобальт, марганец. В результате снежный покров выступает как источник диффузного загрязнения поверхностных вод не только нефтяными углеводородами, но и тяжелыми металлами
Дыхание недр
Дождь. Он идет целый день, то ослабевая, то усиливаясь. Когда дождь немного стихает, возникает слабая надежда: наконец перестал. Нет, не перестал. Сижу в одном из домиков научного стационара природного парка "Кондинские озера". Кругом тайга. Ближайший населенный пункт находится в сотне километров к северу. Это город Советский Ханты-Мансийского автономного округа. Там железнодорожная станция, контора природного парка, цивилизация. А здесь только сосны, да живописные озера с звучными названиями: Арантур, Понтур, Рангетур, тянущиеся цепочкой по левобережью реки Конда. От реки и название этой группы озер. Территория, прилегающая к ним, образует природный парк "Кондинские озера". Статус природного парка предусматривает, наряду с природоохранной функцией, ограниченную строго контролируемую хозяйственную деятельность. К ней относится также добыча углеводродного сырья. Северо-западную часть Парка занимает Тальниковое месторождение нефти. Не знаю, откуда такое название. То ли первую скважину нефтяники бурили в зарослях тальника, то ли фамилия бурового мастера была Тальников. Так, или иначе, но это месторождение активно разрабатывается. Поэтому потребовалась система экологического мониторинга, которая осуществляла бы слежение за состоянием природной среды Парка в условиях функционирования нефтегазового комплекса. Такая система под моим руководством была создана и успешно работала.
Вот и сейчас в очередной раз с группой сотрудников и студентов я приехал в Парк проводить полевые работы. Но работать нельзя, дождь. Сижу, уныло смотрю в окно на мокрые сосны. Шорох дождя перекрывает шум мотора и скрип тормозов. Приехал директор Парка Леонид Сташкевич. Спрашивает про дела и настроение. Жалуюсь на дождь и пропадающее бесполезно время. Для поддержания разговора задаю риторический вопрос о том, будет ли завтра дождь?
- Да, будет, - следует уверенный ответ.
- А послезавтра?
- Тоже будет, но часов в пять перестанет ненадолго, а потом опять пойдет.
Это становилось интересным. Как говориться ври, да знай меру. Вхожу в азарт и задаю новый вопрос:
- Ну а послепослезавтра?
- Тоже будет, но часа в три перестанет, тучи разойдутся, выглянет солнце.
- А на следующий день?
- Дождя не будет, только утром часов в десять небольшой пройдет, и все.
Я, конечно, не поверил такому ничем не обоснованному прогнозу. Однако все случилось абсолютно так, как предсказывал Леонид Сташкевич. Позднее я спросил его, каким образом он узнает так точно будущую погоду. А ее чувствую, последовал ответ.
И тут я ему поверил, наверное, потому, что вспомнил биографию Леонида Федоровича. Всю жизнь на природе. В молодости он профессиональный охотник. В скитаниях по тайге приходилось ночевать в зимовьях, а часто просто под деревом на земле. Был директором заповедника на острове Врангеля, директором заповедника на Курильских островах. По-видимому, тесное общение с природой, зависимость благополучия, здоровья и самой жизни от капризов погоды выработали у нашего героя вот такое обостренное чутье.
Кстати, о чутье. Наверное, этим замечательным свойством был в полной мере наделен и знаменитый Анатолий Дьяков. Его долгосрочные прогнозы погоды были чрезвычайно популярны в 70-е годы прошлого века. Он давал их на сезон и рассылал по обкомам КПСС, а из обкомов они расходились по организациям и предприятиям той или иной области. Особенно ценили эти прогнозы работники сельского хозяйства за их поразительную точность и подробность. Очень хотели их иметь моряки и летчики геологи и лесорубы, в общем, все те, чья деятельность зависела от погоды. Я видел и читал эти прогнозы. Выглядело это примерно так: 1-6 марта ясно, без осадков. Температура ночью 10-15 градусов мороза, днем минус три-пять градусов. 7-10 марта пасмурно, переменная облачность, в начале периода снег, метель, ветер юго-западный 8-10 метров в секунду, температура ночью 4-6 градусов мороза, днем минус 3 плюс 3 градуса. И так на весь весенний сезон с марта по май включительно. Еще давалась сумма осадков по месяцам и краткая характеристика погоды.
По сравнению с прогнозами Гидрометеоцентра это была, просто, сказка. В то время Гидрометеоцентр долгосрочные прогнозы давал в такой примерно форме: на Урале температура ниже нормы, осадки в норме; в Среднем Поволжье ожидается температура в норме, осадки ниже нормы и так по всем регионам Советского Союза. Совершенно очевидно, что сравнение этих двух примеров явно не в пользу Гидрометеоцентра. Это вызывало раздражение у руководства этой почтенной организации. Как же, вся деятельность такой солидной структуры с докторами и кандидатами наук, с научно-исследовательскими институтами и филиалами оказывается не состоятельной. А Дьяков не унимался. Все слал и слал свои прогнозы. Предсказал тропический ураган на Кубе, о чем уведомил посольство этой страны, предсказал заморозки во Франции (в совершенстве владел французским), заранее предсказал сильнейшую засуху и жару 1972 года, обрушившуюся на европейскую часть Советского Союза. Горели торфяники, от едкого дыма задыхалась Москва. Гидрометеоцентр эту засуху проморгал. Точно также, как и абсолютно подобную, случившуюся в 2010 году. Тот случай 1972 года обратил на себя внимание правительства, Дьяков был награжден орденом Трудового Красного Знамени. Гидрометеоцентр обязали изучить опыт Дьякова. Изучили, создали две спецпализированные лаборатории. Потом, правда вся эта деятельность заглохла и дело кончилось ничем.
В чем же, все-таки, заключается феномен Анатолия Дьякова? С раннего детства он проявлял жгучий интерес к астрономии и метеорологии. Благодаря матери в совершенстве овладел французским языком. Будучи школьником, стал видным членом Русского общества любителей мироведения. Окончив Одесский университет, поступил на четвертый курс Физико-механического факультета Московского университета. Впереди рисовалась блестящая карьера ученого. Его заметили и оценили профессора еще в Одесском университете, предлагали остаться в аспирантуре. Но он уехал в Москву с одним желанием получить больше знаний о космосе, солнце и метеорологии. Но мечтам не суждено было сбыться. Судьба сломалась на пятом курсе. Молодой студент попал под каток сталинских репрессий, Арест, Бутырская тюрьма, Мариинский централ, лагерь. Заключенные строили железную дорогу от Кузнецкого металлургического комбината к рудникам в Горной Шории. Но не долго заключенный Дьяков работал строителем. Вскоре, учитывая образование и способности, начальство определило его на должность метеоролога стройки. В поселке Темиртау, где был рудник, находилась метеостанция. Здесь Анатолию Дьякову предстояло работать и жить до конца дней своих.
Жизненные невзгоды не погасили стремления к науке. В Кузбасской ссылке Дьяков не терял времени даром, а настойчиво пытался понять главные причины, определяющие погоду и климат. Он разработал теорию влияния активности солнца на атмосферные процессы. Создал астрономическую обсерваторию, где вел наблюдения за солнечными пятнами. Выступал перед корифеями метеорологической науки в Ленинграде в Главной геофизической обсерватрории имени А.И. Воейкова, в Центральном институте прогнозов (ныне Гидрометеоцентр), на Всесоюзной конференции по солнечно-земным связям 1972 года, но понимания коллег не встретил. Видимо, это связано с тем, что Дьяков в своих выступлениях и статьях декларировал общие принципы особенностей энергетического воздействия солнца на атмосферу, не раскрывая конкретных методик прогнозирования. Я читал его доклад на конференции 1972 года и честно скажу, абсолютно не понял, хотя очень старался, как же составляются прогнозы. Крупный ученый-климатолог, профессор Евгений Борисенков председатель комиссии по изучению метода Дьякова по этому поводу писал, что Анатолий Дьяков имел феноменальную память и держал в голове все погодные ситуации за много лет по многим пунктам Земного шара. Это позволяло ему интуитивно сопоставлять современные и прошлые синоптические процессы и делать таким образом прогнозы. Так или иначе, но когда Анатолий Дьяков ушел из жизни, передав свои методы сыну Камилю, все сломалось. Наследник не справился с отцовской задачей, и все попытки прогнозирования были крайне неудачными. Наверное, не хватало отцовского чутья, интуиции, феноменальной памяти.
Однако, вернемся на берега Кондинских озер. Промышленная эксплуатация расположенного здесь Тальникового месторождения нефти началась в 2001 году. Это обстоятельство не вызвало восторга у руководства природного парка. Сопротивлялись, как могли. Обращались и к местным властям и нефтяным "генералам". Приводили доводы: будут разрушены уникальные экосистемы кондинской тайги, погибнет животный и растительный мир этого археологического заповедника мансийского народа. Бесполезно. Смирились. Как говорится, против лома нет приема. Однако в процессе переговоров удалось навязать нефтяникам 32 экологических условия, которые они обещали неукоснительно выполнять. Нефтяники тоже люди и тоже любят погулять по зеленой, а не черной, залитой нефтью травке.
Перечислять все 32 позиции довольно утомительно, приведу лишь некоторые из них. Например, должны применяться трубы с анти коррозийным покрытием. Что это такое? Все знают и представляют себе кухонную эмалированную кастрюлю или эмалированное ведро. Так вот, труба изнутри покрывается подобной эмалью. Ведь нефть, добываемая из недр, это смесь соленой воды, газа и собственно нефти. Соленая вода очень агрессивна и буквально разъедает трубы изнутри. Эмаль предохраняет. Другой пример: при бурении скважин образуются буровые отходы, так называемый шлам. Он представляет собой смесь химических реагентов, нефти и глины. Обычно его направляют в шламовый амбар - вырытую в земле яму рядом с буровой. Согласно вышеупомянутым экологическим условиям шлам и все другие отходы должны вывозиться за пределы территории Парка на специальный полигон.
Надо сказать, что свои обещания нефтяники старались скорпулезно выполнять. В первые годы промышленной разработки Тальникового месторождения практически не было аварий, разливов нефти и соленых подземных вод, все отходы вывозились, персонал добывающей компании соблюдал экологические требования. Каково же было удивление и недоверие директора Парка Леонида Сташкевича, когда ему были представлены данные мониторинга. Они показывали превышение концентраций нефтепрдуктов относительно ПДК во всех природных средах. Откуда? Ведь нет никаких причин. Все нормально, чисто и красиво. Столько потрачено сил и нервов и выходит все впустую. "Что-то вы ученые тут напутали" - высказывал мне в сердцах Леонид Сташкевич. Почему напутали? Возьмем, к примеру, подземные воды. До начала промышленной добычи нефти ее содержание в воде всех наблюдательных скважин находилась в пределах 0,4-1,5 ПДК. Среднегодовые значения практически не менялись и составляли 0,6-0,8 ПДК. После начала активного промысла нефти содержание нефтяных углеводородов в подземных водах в среднем достигло 5 ПДК, то есть возросло в 6-8 раз. Аналогичная картина наблюдалась и в отношении поверхностных вод. Здесь концентрация нефтепродуктов превысила показатели предыдущих лет в 2-3 раза и составила 5,8-3,2 ПДК для озер и 5,4-3,2 для рек. Любопытные данные получились по снежному покрову. По данным проб, отобранным на стационарных пунктах, содержание нефтепродуктов в снеге по сравнению с исходной величиной возросло в 6-7 раз и составило 4-10 ПДК.
Но, это в трех фиксированных точках. А как на остальной территории Парка? С целью оценки распределения содержания нефтяных углеводородов по площади выполнялись работы по гидрохимической съемке снежного покрова. Отбор проб производился в 37 точках, равномерно распределенных по территории Парка. Это была не простая задача. Парк протянулся с севера на юг на 35 километров, а с запада на восток на 20. Вот это пространство надо было обойти (объехать) за один день. Спасибо в Парке имелись снегоходы и сотрудники, умеющие лихо ими управлять. Они и сделали все дело. Данные химических анализов талой воды отобранных проб снега затем нанесли на карту и нарисовали изолинии. Так называют линии, соединяющие точки с одинаковыми значениями данных.
Анализ карты изолиний показал, что наибольшая концентрация нефтяных углеводородов 0,42 и более мг/л отмечается в северо-восточном углу Парка в районе функционирования действующих нефтепромысловых кустов. К периферии от этого ядра содержание нефтепродуктов в снеге падает до 0,20-0,10 и менее мг/л. При наложении контура Тальникового месторождения на территорию, очерчиваемую изолинией 0,2 мг/л, отмечается удивительное совпадение этих выделов. Данное обстоятельство и полное отсутствие связи рисунка изолиний с розой ветров позволяет утверждать, что загрязнение снега нефтепродуктами не связано с переносом их ветром с соседних промысловых площадей.
В июле 2004 года близко к точкам отбора снежного покрова были взяты пробы болотных вод на содержание нефтепродуктов. Так же была построена карта изолиний. В общих чертах эта карта указывает на те же самые аномальные площади по содержанию углеводородов, что и предыдущая. Это северо-восточная часть Парка, где зафиксировано месторождение и где ведется добыча нефти.
Напутали ученые, или не напутали, но надо было с этим разбираться. Я предположил, что появившееся после начала активных промысловых работ нефтяное загрязнение как-то связано со способом добычи. Как известно, существуют 3 способа добычи нефти: фонтанный, насосный и газлифтный.
Фонтанный способ применяется в начале функционирования месторождения, когда избыточное давление недр обеспечивает поступление нефти на поверхность. По мере падения давления фонтанирование прекращается и возникает необходимость искусственного подъема нефти. Эта задача решается применением остальных указанных способов.
Газлифтный способ предполагает поддержание избыточного давления за счет закачки в продуктивный пласт газа или реже просто воздуха. Способ эффективный, но ввиду солидных затрат на создание компрессорного оборудования применяется только на крупных месторождениях или группе месторождений.
При насосном способе нефть качают центробежными или штанговыми насосами. Для более быстрого поступления нефти к зоне действия насоса в пласт закачивают воду. Заводнение пласта внеконтурное (закачка воды в породы за пределами продуктивного пласта) или внутриконтурное (закачка воды непосредственно в продуктивный пласт) ведет к повышению давления, которое согласно закону Паскаля без изменения передается во все точки жидкости.
На Тальниковом месторождении фонтанный способ быстро себя исчерпал. Поэтому стали закачивать в продуктивные пласты воду. Сопоставляя режим (изменение во времени) закачки с режимом концентрации нефтепродуктов в воде озера Арантур и других водных объектов Парка, я обнаружил их полную идентичность. Особенно ярко это проявилось в 2004 году. В апреле месяце этого года по техническим причинам закачка воды в недра была прекращена. Это привело к падению концентраций углеводородов в воде озера Арантур. В октябре закачка воды возобновилась, и соответственно, в пробах воды отмечен рост концентрации в 2-4 раза.
Получается, что закаченная вода не только выдавливает нефть к зоне действия насосов, но и способствует миграции углеводородов из недр к поверхности, где они растворяются в водах рек и озер. Возможно ли это? Посмотрел специальную литературу. Оказалось, что существует метод поиска нефтяных месторождений по ее концентрации в снежном покрове и органогенных грунтах (торф, ил). Легкие углеводороды поднимаются по геологическому профилю вверх и поглощаются снегом, торфом, илистыми образованиями. Особенную способность миграции к поверхности земли обнаруживают такие углеводороды как метан, пропан, бутан и другие природные газы, которые, как правило, сопровождают месторождения нефти. Кстати, Тальниковое месторождение по данным нефтяников также имеет так называемую газовую "шапку".
При естественном состоянии нефтесодержащих пластов процессы движения углеводородов вверх носят слабо выраженный характер и с трудом обнаруживаются на поверхности. Миллионы лет содержащие нефть геологические слои находились в равновесном состоянии под огромным давлении недр и были изолированы от дневной поверхности километровой толщей пород. И вот, в один прекрасный момент буровой инструмент проникает в этот мир гармонии нефти, газа и воды. Равновесие резко нарушается, пробуренная скважина фонтанирует, что приводит к разгерметизации пластов и падению давления недр. Породы на площади несколько оседают и выдавливают углеводороды вверх. Это как на Новый Год. Вы открываете бутылку шампанского: хлопок, пробка в потолок, фонтан вина на головы гостей, разлили по бокалам, а потом в оставшемся в бутылке вине еще долго поднимаются на поверхность, пузырьки газа.
Таким образом, получается, что бурение скважин и добыча нефти активизируют миграцию легких углеводородов из недр к дневной поверхности. На территории месторождения формируется новый техногенный фон содержания нефтепродуктов в природной среде. Даже, если не будет аварийных разливов нефти, все равно новый фон окажется значительно выше естественного. Это четко надо осознавать. И, если вас будут уверять, что добыча нефти при соблюдении всех технических норм и экологических требований безопасна для окружающей среды, не верьте этому. Опасна, всегда опасна!
КЛИМАТИЧЕСКИЕ СТРАСТИ
Глобальная угроза
В одной из своих интермедий широко известный в прошлом веке артист Аркадий Райкин так пародировал рассуждения пожилого человека: "Вот раньше были зимы! А сейчас что? Тьфу, а не зимы. Хаты по крышу снегом замело! Мороз 50 градусов! Птицы на лету замерзают! А сейчас? А весна? Половодье на Волге: затопило, все затопило, кругом одна вода! Ни деревца, ни кустика! А сейчас?".
Действительно, раньше, когда этот человек был молод, и девушки были красивее и вода вкуснее. Однако, посмотрим, что говорят ученые. Так, в книге сотрудников Главной геофизической обсерватории, Король И.Л. и др. "О климате по существу и всерьез" сообщается, что по данным наблюдений раньше, например, 100 лет тому назад климат был явно холоднее. В начале XX века среднегодовая глобальная температура воздуха была ниже на 0,74 градуса.
Это в масштабах всей планеты. а что в России? Среднегодовая температура за тот же столетний период на территории нашей страны возросла на 1,29 градуса. Причем, особенно бурный, прямо-таки взрывной характер роста температуры приходится на последние 40 лет. За этот период среднегодовая температура возросла более, чем на полтора градуса.
Однако, эти осредненные данные как средняя температура по больнице, не дают представления о местных проявлениях планетарного потепления. Так в зимний период за последние 30 лет среднегодовая температура в Центральной России поднялась на 2,4 градуса, в Западной Сибири на 1,4 градуса. В общем, потепление затронуло в большей степени зимний и весенний периоды, а также высокие широты.
Обычный человек, не специалист в области гидрометеорологии, скажет: "Подумаешь 1,4 градуса, или 2,4 градуса, это мелочи". Но нужно иметь в виду, что речь идет о средней температуре за год. Например, в городе Ханты-Мансийске среднегодовая температура равна минус 1,4 градуса, а в городе Ишиме минус 0,1 градуса, разница всего в 1,3 градуса, а какое отличие в природных условиях. Ханты-Мансийск - это средняя тайга, леса, болота, а окрестности Ишима - лесостепь, бескрайние просторы, пшеничные поля.
Повышение температуры воздуха привело к ряду неблагоприятных явлений в различных регионах планеты. Это повышение уровня океана, жесточайшая засуха в Австралии и Сахаре, маловодье в засушливых районах (Ближний Восток, Средняя Азия и другие.), наводнения в Европе и другое. Обеспокоенные этим международные структуры предприняли ряд организационных мер.
В 1988 году Всемирной метеорологической организацией и Комитетом ООН по окружающей среде была учреждена. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) Этой группой периодически выполняется работа по оценке научных знаний по изменению климата. Результаты работы оформляются в виде докладов МГЭИК. В подготовке докладов принимают участие более 120 авторов, более 500 экспертов представляют свои материалы. До настоящего времени были выпущены пять оценочных докладов, последний из них в 2014 году.
Что же установили эксперты МГЭИК? Каковы выводы указанных оценочных докладов? Эксперты пришли к единому мнению - главная причина повышения температуры это парниковый эффект. Суть эффекта заключается в следующем.
Солнце излучает коротковолновую радиацию, которая свободно проходит через атмосферу, не нагревая ее. Вы сидите у окна, неяркое весеннее солнце приятно греет вашу щеку. Но если вы положите ладонь на оконное стекло, то обнаружите, что оно холодное. Стекло как атмосфера пропускает коротковолновую радиацию, не поглощая ее, следовательно, не нагреваясь. Поверхность Земли поглощает коротковолновое излучение, нагревается и в свою очередь начинает излучать длинноволновую радиацию (инфракрасные или тепловые лучи). Инфракрасное излучение поглощается газами атмосферы, которые нагреваются и в свою очередь начинают испускать тепловые лучи. Возникает длинноволновое противоизлучение.
К газам, наиболее активно поглощающим длинноволновые лучи относятся: водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота, озон и некоторые другие. Это так называемые парниковые газы. Наиболее значимым из них является углекислый газ.
В пятом оценочном докладе указывается на беспрецедентную скорость увеличения содержания парниковых газов в атмосфере за последние 250 лет по сравнению с изменениями за предыдущие несколько тысяч лет. Так, концентрация углекислого газа (говорят еще диоксида углерода) увеличилась на 20 молекул, приходящихся на 1 миллион молекул атмосферного воздуха (млн-1) в течение последних 8 тысяч лет. Эти изменения были обусловлены естественными причинами. Однако, начиная с середины XVIII века, концентрация углекислого газа увеличилась почти на 125 млн-1., что связано с промышленной революцией и активным сжиганием ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). Результаты анализа ледяных кернов Антарктиды и Гренландии показывают, что современная концентрация диоксида углерода в атмосфере намного превышает ее значения за последние 650 тысяч лет.
Что же дальше? Каков прогноз развития процесса потепления? Это очень сложный вопрос. Известный французский физик В.Паули шутил, что когда он предстанет перед Богом, то спросит Всевышнего о двух вещах: об уравнении, объединяющем все физические поля, и о физической сущности атмосферных процессов - и услышит в ответ: "Уравнение пожалуйста, в вот в атмосферных процессах я и сам понять ничего не могу". В книге "О климате по существу и всерьез" рассказывается, что ученым в этом направлении все-таки удалось добиться значительных успехов путем создания математических моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО).
МГЭИК разрабатывает и совершенствует сценарии ожидаемых в будущем выбросов парниковых газов. Сценарии составляются при различных предположениях о характере и интенсивности экономического и социального развития человечества. Было создано несколько десятков сценариев. После их группировки осталось шесть основных.
Модельные расчеты, выполненные в соответствии с указанными сценариями показывают, что в зависимости от выбранного сценария повышение температуры в среднем для планеты к концу XXI века составит от 1,2-1,8 градуса (мягкий вариант) до 1,5-4,6 градуса (жесткий вариант). Для территории России эти показатели значительно выше: от 2,9 градуса (мягкий вариант) до 5,6 градуса (жесткий вариант).
Международное сообщество озабочено изменением климата. В 1992 году в Рио-де-Жанейро состоялся саммит по окружающей среде, где была принята Рамочная конвенция по изменению климата. Она предписывала странам снижать выбросы углекислого газа и других парниковых газов. Однако все не так просто. Оказалось, что в таком случае нужно производить большие изменения в технологиях производства. Поэтому, в 1997 году, в Японии приняли так называемый Киотский протокол, в котором точно расписывалось, какие страны насколько должны уменьшить выбросы углекислого газа. И уже в 2002 году в городе Маракеш (Морокко) уточнили квоты на выброс газа.
Россия ратифицировала Киотский протокол в 2004 году. В соответствии с ним она имела право выбрасывать по 3 миллиарда тонн газа в год с 2008 по 2012 год. Поскольку в этот период в промышленности наблюдались кризисные явления, то мы выбрасывали меньше (2,4 миллиарда тонн), причем разницу можно было продавать странам, которые выбрасывали больше установленного им Киотским протоколом лимита. Однако, дело с продажей квот не пошло. Не было спроса, так как Европейский Союз, основной покупатель квот, сам испытывал экономические трудности.
В декабре 2012 в городе Доха (столице арабской страны под названием Катар) состоялась очередная Всемирная климатическая конференция ООН. На этой конференции страны должны были договориться о квотах выбросов парниковых газов на период 2013-2020 годы. Договориться не удалось. Конференция, фактически, закончилась провалом. Из протокола вышли Канада, Япония, Новая Зеландия. Крупнейшие поставщики парниковых газов в атмосферу США, Китай, Индия, вообще, никогда в протоколе не участвовали. В этих условиях Россия не сочла нужным дальнейшее участие в Киотском протоколе.
В декабре 2009 года президент Дмитрий Медведев подписал Климатическую доктрину России. В ней отражены важные, на мой взгляд, позиции. Во-первых, это признание на государственном уровне процессов изменения климата. Во-вторых, то, что потепление климата может привести как к положительным, так и отрицательным явлениям для мира и России.
После краткой характеристики планетарного потепления обратимся к его воздействию на гидрологические процессы. Французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери писал "Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты -- сама жизнь".
Наша планета должна иметь название не Земля, а Вода, так как большую часть поверхности планеты занимает океан, который выступает наиболее чутким индикатором потепления климата. Повышение уровня Мирового океана, которое в XX веке составило 17 см, представляет собой одно из важнейших (если не важнейшее) проявлений глобального изменения климата. Оно затрагивает почти все стороны жизнедеятельности людей на побережьях, где сосредоточена значительная часть населения земного шара.
В проекте Климатической доктрины, оглашенной министром природных ресурсов Российской Федерации Юрием Трутневым 23 апреля 2009 года на заседании Президиума Правительства РФ, отмечается: "При повышении уровня океана еще на 10 сантиметров может быть затоплена значительная часть территории Санкт-Петербурга, при росте на 20 сантиметров - под угрозу затопления попадают части Архангельской и Мурманской областей, ряд других территорий страны, в частности Бованенковское газовое месторождение в Тюменской области. Для других стран ситуация еще хуже. Утонет Голландия, значительная часть западного побережья Северной Америки, некоторые страны Юго-Восточной Азии". В мире насчитывает 18 крупных дельт рек площадью более 10 тысяч квадратных километров, большая часть которых расположена в Южной и Юго-Восточной Азии. Уже сейчас в этих районах наблюдаются усиление процессов подтопления и эрозии берегов, более дальнее проникновение вверх по реке соленой морской воды в связи с повышением уровня приливов.
Последние, более точные, измерения, в том числе спутниковые, свидетельствуют о том, что скорость повышения уровня Мирового океана возросла за последние 15--20 лет до 3,3 миллиметра в год, вместо 2,0 миллиметров в год по более ранним оценкам. Такое повышение уровня океана связано с таянием материковых льдов Гренландии и Антарктиды, но в основном с тепловым расширением воды при нагреве его верхних слоев.
Измерения температуры воды в верхнем 700-метровом слое Тихого и Атлантического океанов зафиксировали ее повышение. Потепление приповерхностных вод может заметно отразиться на характере и географии течений в Мировом океане. Известно, что течение Гольфстрим "обогревает" Западную Европу. Возможно изменение траектории Гольфстрима, что приведет к похолоданию в Европе.
Согласно модельным прогнозам повышение уровня Мирового океана будет продолжиться и его величина достигнет к 2100 году 38 - 72 сантиметров (в среднем 55 сантиметров) по сравнению с уровнем конца XX века.
Наиболее значительный прирост температуры воздуха отмечается в Арктике, что ведет к таянию морского льда. Изменение площади морского льда является наилучшим индикатором изменений климата Арктики. Данные спутниковых наблюдений указывают на наличие устойчивой тенденции сокращения площади морского льда. За последние 35 лет с начала спутниковых наблюдений (1979 год) минимальная площадь сезонного льда, которая достигается в сентябре каждого года, сокращалась на 9,5% за десятилетие. В сентябре 2012 года она достигла абсолютного минимума -- 3,6 миллиона квадратных километров.
Сокращаются площади горных ледников. Деградация оледенения арктических островов стала доминирующей тенденцией. Отступают ледники Кавказа, Урала, Алтая, северо-востока Сибири и Камчатки. В XXI веке в условиях продолжающегося потепления климата эта тенденция сохранится.
В условиях потепления существенно улучшились ледовые условия плавания по Северному морскому пути в августе и сентябре -- по высокоширотным трассам к северу от арктических архипелагов Земля Франца-Иосифа, Северная Земля, Новосибирские острова. Однако более частое появление айсбергов увеличивает риск для морских перевозок и рыбного промысла. Произошедшие изменения климата вызвали активизацию эрозионных процессов берегов северных морей. Экосистемы северных морей в условиях меняющегося климата претерпели заметные изменения. В связи с сокращением площади морских льдов значительно ухудшились условия обитания белого медведя.
При дальнейшем потеплении в XXI веке общей тенденцией будет уменьшение ледовитости северных морей, хотя будут наблюдаться отдельные периоды ее увеличения и сокращения в региональном масштабе.
Во второй половине XX века, особенно в его последней четверти, на многих участках зоны многолетней мерзлоты происходило увеличение температуры верхнего слоя многолетнемерзлых пород, в отдельных регионах отмечалось увеличение глубины сезонного протаивания. Температура многолетней мерзлоты на севере Западной Сибири увеличилась в среднем на 1,0 градус.
Деградация многолетней мерзлоты под влиянием потепления климата в XXI веке будет проявляться, прежде всего, в увеличении мощности сезонно-талого слоя и повышении температуры многолетнемерзлых грунтов.
К середине XXI века южная граница многолетней мерзлоты сместится к северу: в Западной Сибири через 20-25 лет на 30-80 километров, а к 2050 году -- на 150-200 километров.
Эти изменения многолетней мерзлоты, занимающей более 70% территории России, оказывают заметное влияние на состояние экосистем, расположенных на многолетней мерзлоте, приводят к уменьшению несущей способности почвогрунтов. При этом происходит деформация так называемых линейных сооружений, то есть автомобильных и железных дорог, нефте- и газопроводов. Иногда случаются даже разрывы трубопроводов и разлив нефти. Например, па нефтепроводе Месояха--Норильск за один год произошло 16 разрывов трубопровода. Многие здания в районах вечной мерзлоты начинают разрушаться. В Якутске 60 % зданий имеют трещины, а в Амдерме около 90 %.
Гидрологический режим регионов суши определяется количеством атмосферных осадков. Под их воздействием формируется речной сток, существуют озера и водохранилища. В целом по Земному шару отмечается увеличение осадков в высоких широтах и их уменьшение в субтропиках. На всех широтах снижается процент твердых осадков и возрастает доля жидких.
По территории России и в ее регионах отмечается некоторое увеличение средних годовых осадков, наиболее заметное в Западной и Средней Сибири. Тенденция увеличения среднегодовых осадков за 1976-2012 годы в среднем по России, составляет 9,6 миллиметра (96 кубометра на гектар) за 10 лет. В Западной Сибири рост весенних осадков был равен 22,8 миллиметра за 10 лет.
Существенную роль в формировании весеннего половодья рек, а иногда и катастрофических наводнений играют запасы воды в снеге на конец зимы. В северных районах с длительной зимой отмечается положительная динамика накопления снега. На большей части территории России число дней с высотой снежного покрова более 20 сантиметров увеличилось. В то же время площадь снежного покрова в целом для Северного полушария, по данным спутниковых измерений, за последние 30 лет значительно сократилась, особенно весной и летом. В дальнейшем согласно прогнозам запасы воды в снеге должны увеличиваться в бассейнах Печоры, Оби, Лены и Енисея и сокращаться в южных бассейнах.
В условиях глобального потепления наблюдается значительная динамика сроков появления и окончания ледовых явлений на реках. Выполненный анализ показал, что на реках запада и юга территории (Дон, Нижняя Волга, Дунай, Неман и другие) лед стал появляться на 17-20 суток позднее, чем 100 лет тому назад. В то же время в Западной Сибири (Средний и Нижний Иртыш, притоки Нижнего Иртыша, Нижняя Обь) эта величина составляет всего 1-2 дня. Однако, вскрытие этих реках стало происходить на 6-7 дней раньше.
Величина речного стока зависит от поступления воды (водоподачи) на водосбор и расхода воды на испарение, а так же хозяйственные нужды. Как показано выше наблюдается незначительный рост атмосферных осадков, главным образом, в северной части страны. В то же время исследователи отмечают однозначное снижение испарения с водной поверхности и болот и дифференциальное снижение с ландшафтов речных водосборов. Так, в бассейне Волги испарение снижается на севере бассейна и возрастает в южной части почти со всех угодий. На водосборе Дона испарение растет с значительной части угодий, но с некоторых снижается (каштановые почвы). Вследствие неоднозначности динамики испарения отмечается известная дифференциация стока по территории России.
Ученые Государственного гидрологического института (город Санкт-Петербург) отмечают, что годовой сток рек за 1981-2012 годы. по отношению к стоку за период 1930-1980 годы на реках Приволжского федерального округа увеличился на 14%. Также сток оказался больше среднего на 8% в пределах речных бассейнов Центрального и Северо-Западного федеральных округов.
На Азиатской территории России увеличение стока (на 1,2%) отмечалось на реках Уральского федерального округа. Возрастание водности наблюдалось также в бассейне Енисея и на значительной части бассейна Лены, особенно в последнее десятилетие XX века. В бассейнах рек Восточной Сибири положительные тенденции не отмечены. В целом наблюдаемые изменения стока регионально неоднородны.
Меняется внутригодовое распределение стока. Возрастает зимний сток, иногда летний, при снижении стока весеннего половодья. Происходит выравнивание стока внутри года. Это абсолютно положительное явление, так как уменьшается разрушительная способность наводнений и увеличивается количество воды в маловодные сезоны.
Что же дальше? Согласно прогнозам в XXI веке следует ожидать увеличения осадков в гумидных (влажных) районах и их уменьшение в аридных (сухих). То есть, там, где воды много, ее будет еще больше, а там, где мало ее станет еще меньше.
Всемирно известный популяризатор экологии воды американка Сандра Постель предупреждает: "Забудьте о нефти. Справедливое распределение пресной воды ставит такую же взрывную и далеко идущую политическую головоломку, как глобальное изменение климата".
Просматривая в Интернете материалы о потеплении климата, обратил внимание на статью в американской газете "Лос-Анжелос Таймс". Корреспондент газеты пишет, что в Австралии глобальное потепление уже сейчас приобретает катастрофический размах. По словам ученых, на континенте начались засухи, убийственные волны зноя, вымирание растений и животных. Фермер-садовод Фрэнк Эдди поведал изданию, что засуха в его местности продолжается уже десять лет. "Много самоубийств. Настроение унылое. Семьи распадаются. Полное разорение". Юг Австралии страдает от засухи и катастрофических лесных пожаров, север - от наводнений, вызванных муссонами, сельское хозяйство прогорает. "Климатические изменения разрушают систему жизнеобеспечения всего континента", - пояснил ученый Тим Фланнери.
Корреспондент посетила Мюррейско-Дарлингский бассейн, где протекают три крупнейших реки Австралии. Этот район снабжает континент зерном и фруктами, но ныне персиковые и грушевые сады засохли, поля не возделываются, и каждый порыв ветра взметает бурую пыль.
Как отмечалось, в субтропиках наблюдается уменьшение осадков. В этих районах широко развито орошение. Анализ, основанный на сценариях глобального потепления, показал, что к 2070 году две трети орошаемых территорий будут нуждаться в дополнительных водных ресурсах, а на половине орошаемых земель возрастут потери сельскохозяйственной продукции. Вследствие этого следует ожидать сокращение площади орошаемых земель.
Страны Центральной Азии и Казахстан также страдают от засухи и маловодья. С течением времени эти процессы будут только усиливаться. Водные ресурсы Тюменского региона уже давно приковывают к себе заинтересованные взоры южных соседей России. Проекты переброски стока Оби в бассейн Аральского моря, не получившие поддержки российской общественности в восьмидесятые годы прошлого века, вновь реанимируются. Особенно большую активность в этом плане проявлял бывший мэр Москвы Ю.Лужков, который убеждал нас в выгодности этого предприятия, совершенно упуская из виду большой экологический, а вместе с ним и экономический ущерб. Можно уверенно утверждать, что первый и очевидный ущерб для экономики России - это непомерные расходы на строительство канала. Далее следуют уже менее очевидные, но существенные экономические потери, связанные с отводом земель, недополучением рыбной продукции, трудностями в судоходстве и т.д.
Для территории России в целом планетарное потепление в отношении водных ресурсов носит положительный характер. Увеличение стока рек и более равномерное его распределение внутри года улучшает условия промышленного и коммунального водоснабжения. При сбросе сточных вод возрастает кратность их разбавления водами рек. Положительное влияние увеличение водности окажет на производство электроэнергии гидроэлектростанциями. В результате увеличения атмосферных осадков и снижения в отдельных регионах испарения уменьшаются оросительные нормы. В то же время удлинение вегетационного периода и возможность возделывания более теплолюбивых культур может компенсировать этот эффект. Улучшаются условия судоходства на реках за счет увеличения периода открытого русла и глубин судового хода в период летней межени. Следуя правилу "больше воды - больше рыбы" можно утверждать, что потепление климата оказывает положительное влияние на рыбное хозяйство.
Однако есть и отрицательные моменты. Увеличение осадков и снижение испарения ведет к подъему грунтовых вод и заболачиванию. Потребуются более значительные капитальные затраты при осушении болот. Уже говорилось об отрицательны сторонах подъема уровня моря и таянии многолетней мерзлоты.
Таким образом, изменения климата, которые в настоящее время связывают, прежде всего, с глобальным потеплением, вызовут серьезные трансформации водных ресурсов в целом в мире и на отдельных континентах, при этом будут затронуты все аспекты развития цивилизации - экологические, экономические, социальные и политические.
Итак, мы относительно подробно рассмотрели как бы "официальная" теорию причин глобального потепления. Было бы не справедливо не упомянуть и другие точки зрения.
Некоторые ученые считают, что никакого глобального потепления нет. Наблюдаются обычные циклические колебания климатических параметров. В частности, профессор Лев Карлин - ректор Санкт-Петербургского гидрометеорологического университета, являющегося региональным образовательным центром Всемирной метеорологической организации считает, что через несколько лет тенденция потепления климата сменится на его постепенное похолодание. "Есть все основания предполагать, что прогнозы о дальнейшем потеплении не оправдаются: в ближайшие десятилетия мы выйдем на ту климатическую норму, которая была в семидесятые годы", - утверждает Лев Карлин.
Надо сказать, что это мнение как будто находит подтверждение в материалах последних наблюдений. Начиная примерно с 2000 года, темп потепления снизился. Если с 1951 по 1997 год рост температуры составлял 0,12 градуса за каждые 10 лет, то с 1998 по 2012 год (15 лет) эта величина составила всего 0,05 градуса.
При этом в многолетнем ходе температуры выделяются три периода: потепление 1910-1945 годов, слабое похолодание 1946-1975 годов и наиболее интенсивное поте-пление после 1976 года. Максимум (пик) последнего цикла наблюдается сейчас. Что будет дальше? Весьма вероятно, что современный цикл также как и предыдущий, будет иметь, нисходящую ветвь.
Другие полагают, что повышение концентрации углекислого газа в атмосфере ни коим образом не связано с антропогенной деятельностью и нет никакой необходимости в Киотском протоколе. Такой отточки зрения придерживается большинство членов президиума Российской академии наук.
Часть ученых считает, что увеличение углекислоты в атмосфере вызвано повышением температуры воды в океане и ее выделением из морской воды. А повышение температуры атмосферного воздуха и океанских вод связано с активностью солнца.
Однако все научное сообщество едино в том мнении, что восходящая ветвь современного цикла изменения климата является неоспоримым фактом
Региональная и локальная угрозы
Тема глобального потепления вызывает неподдельный интерес у людей. Этот интерес все время подогревается средствами массовой информации. Да, явление противоречивое и во многом загадочное, Мне тоже пришлось поучаствовать в нагнетании страстей по поводу изменения климата. Неоднократно выступал в печати и по телевидению, разъясняя факты и причины климатических изменений. Естественно, были отклики, в основном, критического характера. Говорили примерно так: "В прошлом году я сажала на даче морковку 10 мая. Было тепло и сухо. А в этом году между грядками стояла вода. Было холодно и сыро. Какое же это глобальное потепление?". Что тут скажешь? Очень распространенная ошибка обывателя. Люди путают понятия погоды и климата.
Погода - это совокупность метеорологических факторов (температуры и влажности воздуха, осадков, скорости и направления ветра, давления атмосферы и другие.) за короткие промежутки времени (сутки, месяц, год). Например, говорят, что погода сегодня ветреная, или погода в этом году была плохая и так далее. Теперь приведу научное определение климата. Это совокупность всех погодных условий, которые наблюдаются на данной территории за достаточно продолжительный промежуток времени. Всемирная метеорологическая организация рекомендует принимать за этот достаточно продолжительный промежуток времени срок 30 лет и более. Получается, что климат представляет собой среднюю погоду за период не менее 30 лет. В определении климата хотел бы обратить внимание на то, что речь идет о конкретной территории.
Климаты разных территорий отличаются друг от друга. Это понятно. Еще со школьных лет известно, что климат в Африке теплый, а в Антарктиде очень холодный. Это понятно и поэтому не интересно. Гораздо интереснее другое, а именно: климаты различных территорий меняются не однонаправлено. При общем планетарном потеплении имеются территории, где метеорологи отмечают похолодание или в одних регионах потепление идет очень интенсивно, а в других ни шатко, ни валко.
А что же в нефтяном краю, в Тюменском регионе? Здесь все нормально, все как у людей. По данным метеостанции Тобольск за 125 лет наблюдений с 1885 года рост температуры составил 1,2 градуса. Тобольск является старейшей метеостанцией в Тюменском регионе. И что самое главное наблюдения здесь не прерывались даже в годы гражданской войны. Да, температура в среднем за год повышается. Причем, не прямолинейно и поступательно, а с колебаниями по годам: вверх, вниз ... вверх, вниз. Однако при этом сохраняется общее направление подъема. На фоне повышения среднегодовой температуры отмечаются существенные различия по месяцам.
В холодный период и переходные сезоны года (январь, март, октябрь, ноябрь и декабрь) отчетливо видна тенденция повышения температуры. Так, в ноябре за 125 лет температура поднялась на 2,5, а в марте аж на 2,9 градуса. Получается, что зима, весна и осень становятся более теплыми. В то же время в летний период повышение температуры незначительное. В июне и июле всего на 0,2-0,4 градуса, а в августе и сентябре отмечается даже снижение на такие же величины. Лето, особенно в конце, становится более прохладным. Происходит, хотя и незначительное, уменьшение континентальности климата, то есть. определенное сглаживание разницы температуры лета и зимы. Такой же эффект обнаружен и строго статистически доказан учеными в отношении температуры дня и ночи для района Москвы.
Теперь посмотрим, а что в регионе с гидрологическим режимом? Здесь тоже есть изменения. Так, сток Иртыша у Тобольска, водосбор которого в основном находится в степной зоне, снижается в полном соответствии с тенденцией уменьшения количества осадков в зоне сухих субтропиков (Центральная Азия, Казахстан). С 1925 года уменьшение летних расходов Иртыша составило порядка 13%. Это очень неприятная тенденция. Здесь просматриваются трудности с судоходством, рыбным хозяйством, водоснабжением и другие неприятности. В то же время сток Туры в летнее время возрос за последние 100 лет более, чем в 2 раза. В этом факте разной направленности изменения стока Иртыша и Туры ярко проявляется неоднозначность влияния глобального потепления на природные процессы.
Неоднозначное влияние глобальное потепление оказывает на ледовый режим рек. Особенно сильно это заметно на реках севера. Так сроки появления ледовых явлений на реке Пур сдвинулись в сторону более ранних дат в среднем на 8 дней по сравнению с 1957 годом. Очищение реки Пур ото льда стало происходить на 21 день раньше, чем 50 лет назад.
Если переходить к абсолютным значениям, то можно сказать: если средняя дата появления льда на реке Пур в 1957 году приходилась на 10 октября, то 50 лет спустя, в 2007 году уже на 2 октября, то есть на 8 дней раньше. Очищение реки ото льда в 1957 году происходило 6 июня, а в 2007 году - 18 мая (на 21 день раньше). Несмотря на то, что ледовые образования стали появляться на 8 дней раньше, продолжительность периода свободного ото льда увеличилась на 13 дней за счет более раннего вскрытия.
Мы рассмотрели изменение климата и его гидрологические последствия на региональном уровне. Теперь обратимся к локальной территории, малому речному водосбору. Что здесь? Я произвел расчеты элементов водного баланса бассейна реки Аремзянки. Это небольшая речка длиной всего 46 километров впадает справа в Иртыш недалеко от Тобольска. Она привлекательна для анализа тем, что здесь уже давно, начиная с1946 года, сотрудниками гидрометеорологической службы ведутся гидрологические наблюдения. Хочу напомнить, что водный баланс речного водосбора в его самом простом виде включает приходную статью - атмосферные осадки (дождь, снег) и расходные статьи: испарение с поверхности водосбора и сток.
Сначала об осадках. Годовая их сумма с 1946 года уменьшилась на 100 с лишним миллиметров или на 17%. При этом снижение количества осадков отмечается во все месяцы года. Наиболее существенное их уменьшение отмечается в самые дождливые месяцы: июнь, июль, август, когда снижение составляет от 12% до 31%. В холодный период и переходные сезоны уменьшение находится в пределах 0%-15%.
Синхронно с осадками уменьшается годовое суммарное испарение: на 33,1% за время наблюдений с 1946 года. Несколько с меньшей интенсивностью снижается годовой сток: на 10% в конце расчетного периода. В то же время сток весеннего половодья возрастает на 34,2 %.
На фоне общего уменьшения абсолютных величин всех основных воднобалансовых элементов отмечается определенные различия по ландшафтным комплексам. Годовые осадки для открытых ландшафтов (пашня и луг) уменьшились на 24%. При этом, запасы воды в снеге, являющихся составной частью годовых осадков, снизились всего на 3,7%. Иначе говоря, запасы воды в снеге в течение рассматриваемого периода практически не изменились. Падение величины годовых осадков происходит за счет теплого периода, когда они выпадают в жидком виде.
Годовой сток уменьшается с разной интенсивностью в зависимости от конкретных характеристик данного открытого ландшафтного комплекса. Наименьшее снижение (не более 3%) отмечается для пашни на подзолистых почвах и луга пойменного. Более интенсивное падение стока (8,7-12,3%) характерно для пашни на луговых почвах и луга суходольного на подзолистых. Для всех открытых геосистем отмечается существенное снижение суммарного испарения (31,4-36,4%).
В лесных геосистемах существенный вклад в уменьшение количества годовых осадков (на 27%) вносят снегозапасы, величина которых к концу расчетного периода падает на 18,9%. В то же время с территории лесного комплекса на подзолистых почвах на 11% возрастает годовой сток и соответственно на 15% весенний. С площади занятой лесом на подзолистых легкосуглинистых почвах годовой и весенний сток снижаются на 11,9 и 20% соответственно. Суммарное испарение с лесных ландшафтных комплексов снижается более значительно (на 33,7-38,4%), чем с открытых геосистем.
Наиболее существенное влияние потепление климата оказывает на воднобалансовые характеристики болотных комплексов. Здесь годовой сток к концу расчетного периода возрастает на 43,4%, а весенний на 59,7%. Снижение суммарного испарения достигает 39%.
Последнее обстоятельство чрезвычайно важно для оценки интенсивности смыва нефтяных углеводородов с нефтезагрязненных земель. Так как большинство нефтегазовых промыслов Тюменского региона располагаются в пределах болот, то следует ожидать возрастания интенсивности смыва нефтепродуктов с поверхностей НЗЗ. Это, с одной стороны, будет увеличивать поступление нефтяных углеводородов в водные объекты, а с другой будет способствовать более ускоренному очищению поверхности водосборов от нефтепродуктов.
Снижение суммарного испарения с болот, кроме увеличения стока с этих ландшафтных комплексов, вызывает подъем уровней болотных вод, что, конечно, затрудняет условия освоения промыслов.
ВМЕСТО ЭПИЛОГА
Мой рассказ о водно-экологических загадках и проблемах нефтяного края подошел к концу. Однако, нет конца и края всем слабо или не изученным вопросам гидрологии Тюменского региона. Остановлюсь лишь на некоторых из них. Здесь просматриваются две группы проблем.
Первая - это гидролого-экологические изменения, связанные с глобальным потеплением. В этой связи необходимо отметить ряд загадок, непосредственно вытекающих из текста нашего повествования.
Загадка первая. Почему сток рек, стекающих с восточных склонов Урала, возрастает? Можно выдвигать по этому поводу гипотезы и умозрительные толкования. Например, потому, что увеличиваются осадки. А почему увеличиваются осадки? Нет, это не тот путь. Нужны нормальные научные исследования. Можно только позавидовать тем молодым ученым, которые раскроют эту тайну.
Загадка вторая. Почему сроки замерзания рек наступают раньше? Так как вскрытие рек также наступает раньше, то получается, что ледовый период как бы движется во времени в сторону лета. Сюда можно добавить ряд наблюдаемых фактов более раннего наступления осенних заморозков в некоторых регионах России. Явление надо изучать.
Загадка третья. Почему испарение с водной поверхности и болот снижается, тогда, как температура растет? По этому поводу на страницах журнала "Метеорология и гидрология" несколько лет велась яростная дискуссия. Наверное, виновата скорость ветра, она уменьшается. А может быть другие причины?
От загадок перейдем к задачам. Сейчас российскими учеными дан прогноз изменений климата и связанных с этим хозяйственных проблем до 2050 года и далее до конца XXI века. Так как это предсказание касается всей огромной территории России, то оно не может быть детализированным для локальных территорий. Вот здесь возникает целый круг задач, связанный с местными проявлениями глобального потепления.
Тюменский регион отличается беспрецедентной заболоченностью. Все исследователи западно-сибирских болот фиксируют их рост. Площадь болот увеличивается. Они наступают на леса и луга, постепенно их поглощая. Любопытно, остановит ли глобальное потепление агрессию болот? А что будет с многочисленными озерами? Где усохнут, а где разрастутся? Это интересно, в свете установленного учеными факта: там, где осадков было мало, станет еще меньше, а там, где много, станет больше. Правда, надо помнить об испарении с водной поверхности, оно везде уменьшается. Вот это сочетание осадки минус испарение где-то будет положительной величиной и значит способствовать обводнению озер, а где - наоборот. Интересная получается задачка. Имеется необходимость конкретизации для территории региона и других задач. В частности можно говорить об изменении водных ресурсов, о влаго - и теплообеспеченности растениеводства.
Вторая группа проблем связана с возрастающей интенсивностью хозяйственного освоения Тюменского региона. Разрабатываются и реализуются масштабные проекты освоения новых районов и новых ресурсов. Это, например, проект Урал Промышленный - Урал Полярный. Дорога вдоль восточных склонов Урала с юга на север, цепь добывающих и промышленных предприятий, городов - все это будет располагаться в верховьях рек, впадающих в Обь слева. Остро встает вопрос оценки влияния этого комплекса на количество и качество водных ресурсов этой территории, да и в целом на воды Оби.
Другой пример - Баваненковское газоконденсатное месторождение на севере Ямала. Массовое строительство дорог, трубопроводов, кустовых оснований приведет к изменению природной сети гидрографических объектов. Подтопления территории, оползни, загрязнение рек и озер - вот перечень вопросов для изучения.
Не все известно и понятно в старых районах промысловой деятельности. Все-таки остается задача более масштабного изучения загрязнения природных вод за счет рассредоточенных источников. Не стоит забывать и о нефтезагрязненных землях. Когда естественным путем залитая нефтью тайга очистится полностью? Особенно это важно для засыпанных участков загрязнений. Довольно распространенный способ сокрытия безобразий и "очистки" территории от нефти - засыпать песком разлив нефти. Это только ухудшает экологическую ситуацию. Если на поверхности земли нефть подвергается бактериальному разложению, окислению и испарению, то при захоронении под землю без доступа кислорода и солнечного света она может столетиями сохраняться и медленно, но неуклонно отравлять подземные и поверхностные воды.
Идет интенсивная разведка нефти в сельскохозяйственных районах Тюменского региона. Может быть, ничего не найдут. И, слава богу. А то ведь загубят поля, луга и пастбища. Мы ведь видели, что даже при соблюдении всех экологических требований нефтедобычи углеводородное загрязнение природной среды неизбежно.
Однако, жизнь идет вперед. Остановить ее движение невозможно. Появляются новые задачи, новые загадки и проблемы. И решать их предстоит молодым и энергичным. Желаю им успехов!
ЛИТЕРАТУРА
Калинин В.М., Моторин А.С. Водный баланс и режим осушаемых низинных торфяников Западной Сибири. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. 176 с.
Калинин В. М., Ларин С. И., Романова И. М. Малые реки в условиях антропогенного воздействия (на примере Восточного Зауралья). Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 1998. 220 с.
Калинин В.М. Экологическая гидрология: Учебное пособие. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2008. 148 с.
Калинин В.М. Вода и нефть (гидролого-экологические проблемы Тюменского региона. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2010. 222 с.
Калинин В.М. (ред) Природный парк "Кондинские озера". Екатеринбург:ООО "УИПЦ", 2012. 398 с.
96