Знаем ли мы законы жизни рек, водохранилищ и озер?

Знаем ли мы законы жизни рек, водохранилищ и озер?

Велика наша Родина и обильна реками, водохранилищами и озерами. Трудно переоценить роль, которую реки и озера играли и продолжают играть в нашей жизни. Они являются исключительно важным источником водоснабжения, интенсивно используются в качестве транспортных магистралей. На наших реках возведены гидроэлектростанции, которые вырабатывают почти 15 % от суммарной выработки электроэнергии в СССР.

Особое значение имеет использование речного стока для орошаемого земледелия, обеспечивающего устойчивый, независимый от погоды высокий уровень сельскохозяйственного производства. Реки, озера нашей родины – это хранилища пищевых и кормовых ресурсов, это великолепные места отдыха трудящихся.

Повышение роли и значения внутренних водоемов для развития народного хозяйства СССР вызвало расширение исследовательских работ, связанных с изучением их формирования, изменения, рационального использования и определения влияния народнохозяйственной деятельности на состояние водных масс и окружающих берегов. Последний аспект все более становится определяющим в деятельности фундаментальной и прикладной науки.

Ведь только проведение фундаментальных исследований, направленных на всестороннее изучение рек, озер и водохранилищ, законов их развития и взаимодействия с атмосферой и окружающими участками земной поверхности, позволит значительно расширить возможности научного прогноза их состояния в обозримом будущем, а также наметить оптимальную программу управления ими.

Правильный учет влияния хозяйственной деятельности человека на состояние рек, озер и водохранилищ даст возможность нейтрализовать это влияние, исключить негативное воздействие, а значит, обеспечить сохранение чистоты и полноводности этих замечательных творений природы (и человека, если иметь в виду искусственные водохранилища).

Особенно сложна и мало изучена природа водохранилищ. Их все больше и больше на Земле, и ежегодно вступает в эксплуатацию несколько сот новых водоемов-водохранилищ. Наибольшее количество крупных водохранилищ имеется в США и СССР. В США, где число водохранилищ объемом каждое более 100 млн. м³в 3 раза больше, чем в СССР, в ближайшие 30–40 лет предполагается утроить их суммарный полезный объем. И даже в Японии, где очень мала площадь годных к использованию земель, создано и создается большое число водохранилищ.

Что же такое водохранилище – искусственное озеро или нечто другое? Здесь необходимо глубоко разобраться. В масштабах времени, измеряемого годами или непродолжительной жизнью человека, озера кажутся постоянными компонентами ландшафта. Однако в геологических масштабах времени озера преходящи. Они рождаются обычно в катастрофах, достигают зрелости и тихо и незаметно умирают. А каковы законы жизни водохранилищ, способно ли водохранилище «жить» по законам природы?

Доктор биологических наук H. H. Смирнов считает, что это как раз и не удается. Режимы этих искусственных водоемов (физический, включая колебания уровня воды, химический) далеки от естественных. Ученый напоминает, что экологические закономерности, характерные для такого природного водоема, как озеро, формируются длительное время и под влиянием естественных факторов. А в водохранилищах все обстоит иначе. Водохранилище представляет собой неустойчивую, несбалансированную экологическую систему даже после того, как первичное формирование его уже закончено. Это обстоятельство является причиной и возникающих здесь катастрофических вспышек численности тех или иных видов. В созданном водоеме с самого начала идут уже другие биологические процессы по сравнению с теми, которые происходили в районе затопления и в самой реке. И на первом этапе формирования населения водохранилища, если они и напоминают озерные процессы, то весьма отдаленно. Прежде всего потому, что первичное формирование биоты в какой-то мере оказывается катастрофичным: резкая смена флоры и фауны, формирование берегов, освоение питательных веществ – все это не способствует установлению балансов природных.

Ясно одно: водохранилища – это природно-технические системы, живущие по своим, только им присущим законам. Эти законы отражают противоречивость природы водохранилищ. С одной стороны, это созданные человеком объекты. С другой стороны, водохранилища испытывают сильнейшее воздействие природных и в первую очередь гидрометеорологических факторов.

Поэтому им свойственна своя, особая, система внутриводоемных процессов – гидрологических, гидрофизикохимических и гидробиологических, отличных от тех, которые наблюдаются в озерах и реках. Доктор географических наук А. Б. Авакян и кандидат географических наук В. П. Салтанкин считают, что, управляя водохранилищами, человек в результате может вызвать развитие таких процессов, явлений и эффектов в природной подсистеме, которыми он пока не в состоянии управлять, либо преодоление которых требует значительных усилий, затрат трудовых и материальных ресурсов. Поэтому полностью управляемыми объектами (подобно станку, агрегату, механизму) водохранилище можно считать с известным приближением. Непосредственно и полностью человек управляет лишь запасами воды, но уже частично и косвенно – экосистемой и геосистемой водохранилища.

Ведущими факторами, определяющими в первую очередь особенности внутриводоемных процессов в водохранилищах, является водообмен и уровенный режим водоема. Именно эти факторы и определяют отличие условий развития внутриводоемных процессов в водохранилищах от таковых в озерах и реках. Ведь уровень воды в водохранилищах может сильно изменяться, особенно в горных водохранилищах, в зависимости от режима работы гидроэлектростанций. В водохранилищах могут возникать зоны направленного движения воды к плотине и зоны водоворотных циркуляции, где частицы воды перемещаются по замкнутым траекториям. Именно эта сложная гидродинамическая структура и определяет то, что процессы преобразования и перемещения вещества и энергии в водных массах водохранилищ принципиально отличаются от последних в озерах и реках.

Важной особенностью водохранилищ, которые играют роль огромных естественных отстойников, является присущий им накопительный эффект в отношении взвесей в воде. Это имеет как положительные последствия (осветление воды, снижение ее цветности, уменьшение содержания вредных бактерий), так и отрицательные. К последним относят возможность взрывного развития синезеленых водорослей при избыточном поступлении в водоем биогенных веществ, заболачивание акватории, накопление в осадках вредных примесей и др.

Для водохранилищ характерна особая изменчивость состояния водоема. Это объясняется тем, что их берега обычно становятся районом стремительного развития хозяйственных объектов, оказывающих все большее воздействие на природную среду. Отмечается также большая изменчивость гидрометеорологических процессов над крупными водохранилищами, что связано с интенсивным теплообменом между водной поверхностью и атмосферой. Динамичность водохранилищ проявляется во всех их характеристиках, но, пожалуй, наиболее ярко – в процессах формирования берегов, изменении показателей качества воды, структуре и продуктивности водных и наземных (в береговой зоне) экосистем. В специальной литературе иногда употребляется термин «эволюция водохранилищ», причем если эволюция озер происходит в течение многих десятков и сотен лет, то в водохранилищах существенные изменения основных процессов и явлений происходят по крайней мере на порядок быстрее. И еще, что также важно, если в озерах изменения обычно носят постепенный, направленный, правильный характер, водохранилища развиваются циклически и скачкообразно при изменении ведущих динамических факторов.

Так что же, нет никакой возможности устранить негативные последствия существования водохранилищ и надо просто с этим мириться? Отнюдь нет. Именно А. Б. Авакян со своими сотрудниками на основании многолетних исследований разработали научно-техническое направление интенсификации использования внутренних водоемов на основе их экваториального районирования, планировки и обустройства.

На чем же основывается этот новый подход к использованию водохранилищ? Казалось бы, акватория большого водохранилища – это однообразные водные пространства, очень похожие друг на друга. А вот исследования показали, что это совсем не так. Отдельные участки одного водохранилища могут в корне отличаться один от другого и представлять собой, как образно выразились авторы нового метода, «водоем в водоеме». И экспедиционные исследования на водохранилищах подтверждают это. Глубоководная зона резко отличается от мелководной, зона у нижней плотины от зоны бывшего русла реки в средней части водохранилища. Причем это относится не только к крупным водохранилищам, но и к средним.

Мы уже отмечали крайнюю неоднородность всех гидрологических, физико-химических и биологических характеристик водных масс в различных районах водохранилищ. Например, на Куйбышевском водохранилище разница температур поверхностного слоя воды на разных участках акватории может достигать 10 °C, что очень много. Ведь биологи считают, что для нереста рыб существенны различия температуры воды в один и даже доли градуса. Очень сильно сказывается на разности температурных режимов отдельных районов водохранилищ «тепловое загрязнение» в результате работы тепловых электростанций, которые сбрасывают в водохранилища подогретые воды.

Так же, как акваторию водохранилища, можно районировать и его береговую зону с учетом хозяйственной деятельности человека и ее воздействия на водоем.

Так, например, А. Б. Авакян и В. П. Салтанкин разработали подробные схемы экваториального районирования Иваньковского водохранилища на Волге – основного источника водоснабжения Москвы, в результате чего его площадь 327 км²разбита на 4 плеса, 10 гидрологических районов, 25 эколого-гидрографических участков.

А вот дальше, когда составлена такая схема, можно на научной основе, с учетом всего комплекса воздействующих на водохранилище факторов, решать вопросы разумного обустройства и хозяйствования на водохранилище, определения наиболее целесообразных видов хозяйственной и природоохранной деятельности на каждом характерном участке водоема.

Именно так можно оптимальным образом учесть интересы и требования различных отраслей, которые часто являются противоположными. А ведь как часто сталкиваются между собой интересы энергетиков и рыбаков, речников и агропрома, индустрии отдыха и лесоводов. И еще чаще, к сожалению, ведомственные интересы противопоставляются делу охраны природы, что абсолютно недопустимо и безнравственно.

Только районирование, подход к водохранилищу как к совокупности различных «водоемов в водоеме» дают возможность определить оптимальную площадь мелководий, допустимую степень зарастаемости акватории водорослями и камышовыми, площади нагула и нереста, обеспечивающие нормальное воспроизводство рыбных стад, участки загрязненных донных отложений, подлежащие удалению, места водозаборов и выпуска очищенных сточных вод, расположение зон отдыха для городского населения и заповедных зон и многое, многое другое.

И безусловно, только районирование и планировка позволят рационально провести комплексное обустройство водохранилищ. Что же мы включаем в понятие такого обустройства? Это и отчленение, где необходимо, мелководий, берегозащита, дноуглубление, создание очистных сооружений и другие подобные мероприятия.

Итак, каков вывод? Водохранилища существуют и необходимы. Значит, нужно их тщательно изучать и грамотно эффективно использовать, чтобы максимально повысить положительный эффект от их существования и снизить по возможности отрицательные последствия. В решении всех этих проблем нужна величайшая ответственность на всех уровнях, ответственность ученых, хозяйственников и, наконец, ответственность всего общества за будущее природы нашей Родины.

И еще один важный вывод необходимо сделать: нужно тщательно и целенаправленно изучать внутренние водоемы, а они, к сожалению и как ни странно, еще во многом – научная целина. Совсем не просто провести районирование водохранилищ, оценить все гидрологические, гидрохимические и гидробиологические факторы, определяющие особенность каждого участка водохранилищ. Здесь требуются согласованные усилия многих научных учреждений, работа сотен ученых на многих исследовательских судах.

Поэтому реки, озера и водохранилища нашей Родины бороздят десятки научно-исследовательских судов и катеров, принадлежащих институтам АН СССР и академиям наук союзных республик, Госкомгидромету СССР, Минрыбхозу и другим ведомствам. Ученые проводят широкий спектр исследований, включая определение гидрологических, гидрохимических, гидробиологических параметров речного стока, изучение формирования гидрографической сети в дельтовых зонах, процессов переноса твердых взвесей, биологической продуктивности и многое другое.

Одним из крупных центров изучения внутренних водоемов является Институт биологии внутренних вод АН СССР. Его организация и развитие связаны с именем Ивана Дмитриевича Папанина. Еще в январе 1952 г. он был назначен уполномоченным Президиума АН СССР, а затем и директором биологической станции «Борок», расположенной в поселке Борок на берегу Рыбинского водохранилища. Папанин правильно оценил большое значение биологического изучения наших искусственных водохранилищ и вложил много энергии и труда в коренную реорганизацию этой биологической станции.

Под его руководством за короткий срок она превратилась в крупный научно-исследовательский периферийный центр, занимающийся вопросами биологического изучения и народнохозяйственного освоения искусственных водохранилищ и других внутренних водоемов. Этот научный центр теперь носит название Института биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина АН СССР и является головным научным учреждением СССР по изучению продуктивности и хозяйственного использования внутренних вод. Папанин в течение 20 лет был его директором.

По мере развертывания исследовательских работ в институте формировался и его флот. В 1985 г. флот института пополнился новым НИС, названным «Ареал». В конструкции судна наряду с наличием ряда положительных моментов присутствует и серьезный недостаток: имея на борту 15 человек экипажа и экспедиции, оно только трое суток может находиться в зоне запрещенного сброса сточных вод без сдачи их на судно-сборщик, так как емкость сборных цистерн мала. Такое расхождение между автономностью по запасам топлива и продуктов и, так сказать, «экологической автономностью» во многом снижает эффективность использования судна при проведении экспедиционных работ.

Конечно, обеспечить достаточную «экологическую автономность» не просто, особенно учитывая небольшие размерения речного или озерного НИС. Тем не менее нельзя допускать, чтобы конструкторы шли по легчайшему пути. В наше время, когда загрязнение внутренних водоемов во многих регионах подошло к критической черте, НИС должны быть примером правильного отношения к экологическим проблемам, а следовательно, «экологическая автономность» НИС должна быть максимальной. НИС обязано быть примером и образцом для всех остальных судов в части предотвращения загрязнения водных масс рек, озер и водохранилищ.

Для проведения исследований на реках широко используются научно-исследовательские катера. Ученые Института водных проблем АН СССР используют водометные катера типа КС-100. На Иваньковском водохранилище работают «Поиск» и «Находка», на Северной Двине – «Салма», а в дельте Волги – «Водомер».

Важно, что эти катера не имеют винтов, а двигаются за счет реакции от выброса струи воды водометным двигателем. Малая осадка и водометный двигатель дают возможность этим катерам работать на мелководье и в зарослях камыша.

Безусловно, имеющиеся в настоящее время речные и озерные НИС и катера по своей оснащенности не дают зачастую возможности проводить научные исследования на должном уровне в соответствии с современными требованиями.

Уже всем ясна малая эффективность и экономическая нецелесообразность переоборудования и приспособления уже построенных рыбопромысловых, транспортных и других судов под речные и озерные НИС. Повышение эффективности их использования требует наличия судовых систем сбора, регистрации и обработки большого объема научной информации с использованием ЭВМ. И наконец, увеличение продолжительности экспедиционных рейсов со всей серьезностью ставит вопрос о создании нормальных санитарно-бытовых условий для экипажей и научных сотрудников, что совсем не просто с учетом обязательного сбора сточных и фановых вод и сдачи их на суда-сборщики.

Ясно одно – нужны специальные проекты речных и озерных НИС. При их разработке можно брать за основу корпус и ЭУ рыболовецких или транспортных судов, но проект должен быть разработан до постройки, чтобы не нужно было переделывать и перепланировать уже готовые судовые отсеки.

Думаем, что перспективной является концепция, выдвинутая доктором географических наук В. А. Знаменским. Суть ее заключается в необходимости создания ряда унифицированных проектов речных и озерных НИС не менее четырех типов: специальный научно-исследовательский катер водоизмещением 6–8 т, малое специализированное НИС водоизмещением 25–30 т, среднее специализированное НИС водоизмещением 60–70 т, большое НИС для комплексных исследований на реках, озерах и водохранилищах водоизмещением 150–300 т. Такой спектр проектов способен, на наш взгляд, удовлетворить требования всех организаций, занимающихся в нашей стране научно-исследовательскими работами на реках, озерах и водохранилищах.

Многое следует сделать для создания приборной базы этих судов, которая хотя бы могла быть сопоставлена с приборами, используемыми для изучения океанов и морей. Как ни удивительно, но суда для внутренних водоемов оснащены научными приборами несравненно хуже, чем морские НИС. И это так, хотя на территории нашей Родины расположены самые большие и глубокие озера и водохранилища в мире, протекают величайшие реки Европы и Азии. Безусловно, проблема создания новых речных и озерных НИС и оснащения их соответствующей приборной базой должна быть обязательно решена в ближайшие годы.