Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 5, стр. 630-648

Рельеф водосбора Чебоксарского водохранилища

Водосбор Чебоксарского водохранилища разделен долиной р. Волги на 2 области, различающиеся своими геолого-геоморфологическими условиями: высокое Правобережье и низинное Левобережье. Высокое Правобережье представлено северными отрогами Приволжской возвышенности, имеющей полого-холмистую поверхность, изрезанную долинами притоков р. Волги, оврагами и балками и издавна подвержено оползневым процессам. Абсолютные высоты колеблются от 120 до 205 м. Левобережье представлено обширной слабонаклоненной Ветлужско-Унженской низменностью. Постепенно понижаясь к реке, равнина переходит в надпойменные террасы и пойму р. Волги. В геологическом строении водосбора водохранилища принимают участие пермские, юрские, неогеновые и четвертичные отложения.

Геоморфология и гидрогеология водосбора Чебоксарского водохранилища

Среди естественных физико-геоморфологических процессов, свойственных всему водосбору, необходимо отметить следующие, не обусловленные созданием водохранилища: выветривание коренных пород, осыпи и обрушения, водная эрозия, оползни, подтопление и заболачивание, переработка берегов. Деятельность постоянных и временных водотоков на склонах долины приводит к образованию оврагов. Гидрогеологические условия характеризуются дренированием долиной р. Волги всех водоносных горизонтов, заключенных в татарских, юрских и четвертичных отложениях.

Основные черты климата водосбора Чебоксарского водохранилища

Климат – умеренно континентальный, с теплым летом и холодной зимой, с хорошо выраженными переходными сезонами. Средняя годовая температура воздуха меняется от 3°С на севере до 4.5°С на юге территории. Осадков выпадает ~550 мм в год.

Почвенный и растительный покров водосбора Чебоксарского водохранилища

Левый берег водохранилища находится в подзоне южной тайги, возвышенный правый – в подзоне хвойно-широколиственных лесов. В настоящее время естественная растительность водосбора водохранилища сильно изменена хозяйственной деятельностью человека. Преобладающие типы почв на территории водосбора – дерново-подзолистые, серые лесные, лугово-серые, дерново-глеевые и перегнойно-глеевые почвы. В поймах рек распространены аллювиальные почвы, в плохо дренируемых ландшафтах – болотно-подзолистые почвы. Детальная характеристика почв водосбора приведена в Едином Государственном реестре почвенных ресурсов России, в котором для большинства почв имеется информация о содержании в их разных слоях основных питательных элементов растений: азота, фосфора, калия [7]. Эта информация использована для расчетов выноса БЭ с эрозией почвы.

На рис. 2 представлена карта ландшафтной структуры водосбора Чебоксарского водохранилища. Для создания слоев: “малоэтажная застройка”; “территории с высокой долей непроницаемых поверхностей”, включающие в себя в том числе урбанизированные территории с многоэтажной застройкой и промышленные площадки; “овражно-балочная сеть и поймы”– использовались топографические карты масштаба 1 : 1 000 000. Выделены населенные пункты и участки с высокой долей непроницаемых поверхностей. На основе изолиний на карте выделены полигональные участки овражно-балочной сети.

Кластеры – лесные ландшафты, пахотные земли, сельскохозяйственные земли с уплотненной почвой (нераспаханные с осени) – определялись по спектрозональным космическим снимкам Landsat 8.

Структура земель водосбора Чебоксарского водохранилища приведена в табл. 1. Наибольшую площадь на левом, северном берегу водохранилища занимают леса, на его правом, южном берегу – сельскохозяйственные земли, наименьшую – территории с высокой долей непроницаемых поверхностей.

Гидрография водосбора, водный и химический режим рек, впадающих в Чебоксарское водохранилище

В водохранилище впадают 46 рек, водный режим и химический сток которых в значительной степени обусловливают гидроэкологические проблемы этого водного объекта. Наиболее крупные левые притоки – Ветлуга и Керженец, правые – Ока и Сура. Реки водосбора водохранилища характеризуются значительной неравномерностью распределения стока в течение года. Доля стока весеннего половодья в средний по водности год составляет 70–80, летне-осеннего 10–22, зимнего 5–8%. В связи с потеплением климата на большей части водосбора Волги произошло изменение структуры водного баланса водосбора, в том числе и характеристик стока. Доля весеннего половодья в годовом стоке снизилась до 40–50%, соответственно – увеличилась доля меженного стока рек на 20–30%.

Качество воды большинства притоков водохранилища в последние годы оценивалась как “очень загрязненная” и “грязная”. На ряде рек загрязнение соединениями азота превышали ПДК в 14–18 раз [1]. Основные причины высокого загрязнения притоков водохранилища – точечные источники (сбросы сточных вод коммунальными и промышленными предприятиями) и источники диффузного (рассеянного) загрязнения: ливневой сток талых и дождевых вод с урбанизированных территорий и промышленных площадок, продукто- и путепроводов, а также вынос ЗВ с объектов сельского хозяйства, расположенных на водосборе, – полей, животноводческих и птицеводческих комплексов.

Основные черты хозяйственной деятельности на водосборе Чебоксарского водохранилища

Большая часть территории бассейна Чебоксарского водохранилища относится к Приволжскому федеральному округу РФ (за исключением части Вологодской и Костромской области). Этот округ занимает 6.1% территории России, на его долю приходится 20.0% населения страны. Здесь сосредоточена четверть всего промышленного производства России, 85% российского автопрома, 65% авиастроения, 40% нефтехимии, 30% судостроения, 30% производства оборонно-промышленного комплекса. Основная часть населения и сельскохозяйственного производства на водосборе Чебоксарского водохранилища приурочена к правобережью Волги.

Непосредственно к Чебоксарскому водохранилищу примыкают территории Нижегородской области, республик Чувашии и Марий Эл, хозяйственная деятельность которых оказывает наибольшее влияние на водные ресурсы и в значительной степени характеризует эту деятельность на всем водосборе рассматриваемого водохранилища.

В сельскохозяйственном производстве Нижегородской области ведущей отраслью остается животноводство. Посевные площади занимают 1098.9 тыс. га. На начало 2019 г. население Нижегородской области составляло 3.2 млн человек, из которых 20% – сельские жители [12].

Особое место в экономике Чувашии занимает агропромышленный комплекс. Основная специализация сельского хозяйства – производство зерна, мясомолочное скотоводство, свиноводство и птицеводство [14]. В 2018 г. посевные площади во всех хозяйствах занимали 538.9 тыс. га. На начало 2019 г. население Чувашии составляло 1.2 млн человек. На долю сельского населения приходилось ~37% общей численности.

Ведущая отрасль сельского хозяйства республики Марий Эл – животноводство и птицеводство. В 2018 г. во всех хозяйствах было засеяно 297.5 тыс. га. На начало 2019 г. население Марий Эл составляло 0.68 млн чел., ~33% относилось к сельскому населению [14].

Расчеты характеристик диффузного стока биогенных элементов

Для расчетов характеристик диффузного стока БЭ с водосбора в Чебоксарское водохранилище использовался ландшафтно-гидрологический метод (ЛГМ), созданный ранее в Институте географии (ИГ) РАН и существенно усовершенствованный в ходе реализации данного проекта. Метод разработан для среднемноголетних условий. В первых версиях этого метода рассчитывался диффузный перенос БЭ только с поверхностным весенним склоновым стоком и эрозией почвы с учетом ландшафтной структуры водосбора (территории геосистем, занятые лесом, распаханными и нераспаханными с осени сельскохозяйственными угодьями, урбанизированные территории, овражно-балочная сеть) [17]. В последней его версии, реализованной для водосбора Чебоксарского водохранилища, добавлен учет переноса БЭ с подземным стоком как в течение весеннего половодья, так и в остальной период года, а также их перенос с подповерхностным стоком (“верховодкой”), который формируется только весной при таянии снежного покрова [18]. Отметим, что сама ландшафтная структура местного водосбора Чебоксарского водохранилища – продукт многовекового воздействия. Здесь практически не осталось непреобразованных, первичных ландшафтов, характеризующих зональный природный фон. Даже леса уже не могут рассматриваться как эталон природного ландшафта, поскольку в значительной степени подвергаются как хозяйственному использованию, так и воздействию загрязненной промышленными выбросами атмосферы. Таким образом, современная ландшафтная структура водосбора Чебоксарского водохранилища, учитываемая в ЛГМ, – это природно-антропогенный фактор, косвенно отражающий антропогенную нагрузку на водосбор.

Принципиально новым в этой версии ЛГМ стал прямой учет основных видов антропогенной нагрузки на водосбор, влияющей на диффузный сток (в дальнейшем изложении – “прямая антропогенная нагрузка”). К ним относятся внесение минеральных и органических удобрений на сельскохозяйственные поля и поступление отходов жизнедеятельности из поселений, не обеспеченных канализацией, в подземные воды. Показатели прямой антропогенной нагрузки проще регламентировать с целью сокращения загрязнения водных объектов.

Важное в современной версии ЛГМ – разработка подхода к оценке поглощения водосбором и гидрографической сетью части потоков БЭ, сформировавшихся на водосборе. Кроме того, предполагается, что их перенос с продуктами эрозии, поверхностным склоновым стоком и верховодкой в исследуемом районе происходит только в период весеннего половодья. Перенос с подземным стоком осуществляется в течение всего года.

Общая схема факторов формирования стока БЭ с водосбора как от диффузных источников, учитываемых в ЛГМ, так и от точечных источников приведена на рис. 3.

Материалами, использовавшимися в работе, послужили данные Росгидромета [2], Росстата [5, 12], Агрохимслужбы, Единого Государственного реестра почвенных ресурсов России [7], материалы водохозяйственной статистики [2], собственные полевые наблюдения ИГ РАН, спутниковые снимки высокого разрешения, данные из работ [15, 17, 19–21].

В использованной версии ЛГМ не учитываются многие важные факторы; например, интенсивность снеготаяния и дождевые паводки, сроки внесения удобрений, их детальное распределение по площади пашни речного подводосбора. Ограничения вызваны как недостатком статистических и экспериментальных данных, так и использованием в методе зональных эмпирических воднобалансовых соотношений. Однако метод показал свою пригодность для среднемноголетних климатических условий в первые десятилетия XXI в. на водосборах южной части лесной зоны Восточно-Европейской равнины [17–19].

Сток БЭ из естественных и антропогенно-преобразованных геосистем описывается через характерные для исследуемых геосистем измеренные концентрации веществ в потоках воды со склонов, в грунтовых водах, в руслах рек:

i – геосистема, или угодье (лес; сельскохозяйственные земли, распаханные и не распаханные с осени; малые населенные пункты; территории со слабопроницаемыми поверхностями, в том числе зоны многоэтажной застройки, промплощадки и пр.), овражно-балочная сеть; j – вид стока: а) жидкий: 1 – поверхностный склоновый, 2 – подповерхностный (верховодка), 3 – подземный; б) 4 – сток наносов (продуктов эрозии); k – переводной коэффициент, учитывающий размерность; Y – сток (слой жидкого стока, мм, или модуль стока наносов, кг/га); S – перенос БЭ с j-м видом стока с i-го угодья; F – площадь угодья на водосборе; C – концентрация БЭ в стоке. Концентрации оценивались в процессе собственных полевых работ и по литературным данным.

Слои поверхностного склонового стока с полевых и лесных угодий оценивались в соответствии с аппроксимациями С.В. Ясинского [17] эмпирических зависимостей Н.И. Коронкевича [10]:

Y_i1 – слой поверхностного склонового стока с i-го угодья; Y_rr – слой стока половодья, определяемый по гидрографам стока.

Слои поверхностного склонового стока с урбанизированных территорий и с овражно-балочной сети рассчитывались по соотношениям характерных коэффициентов стока с этих поверхностей и с полевых участков.

Слой подземного стока в половодье определялся расчленением гидрографов стока, предполагался одинаковым для всех угодьев. Рассчитывался подповерхностный сток (верховодка) и для всего водосбора, и для лесных угодьев. Он оценивался по разнице речного стока за половодье, поверхностного склонового стока за половодье и подземного стока за половодье. Поверхностный склоновый сток в половодье для всего водосбора рассчитывался как средневзвешенный поверхностный склоновый сток с разных угодьев с учетом ландшафтной структуры водосбора. Если расчетный объем стока верховодки со всего водосбора превышал расчетный объем верховодки с леса, предполагалось, что оставшаяся часть равномерно (в слоях стока) стекает с селитебных территорий и с полевых участков. Если же расчетный объем стока верховодки со всего водосбора был меньше расчетного объема верховодки с леса, объем стока верховодки с леса уменьшался до расчетного объема стока верховодки со всего водосбора. В этом случае предполагалось, что верховодка на других угодьях не образовывалась.

Слой подземного стока в период вне половодья оценивался по разнице объемов годового гидрографа речного стока и стока за половодье.

Модуль стока наносов Y_i 4 за период половодья рассчитывался по следующему соотношению [3]:

Учет прямой антропогенной нагрузки на водосбор в ЛГМ

Для урбанизированных территорий расчет сформированной на них антропогенной нагрузки выполнялся исходя из численности проживающего там населения. По материалам HELCOM [21], от одного жителя поступает 0.9 кг общего фосфора и 4.4 кг общего азота в год. В расчетах диффузного загрязнения принято, что при отсутствии центральной канализации в сельских населенных пунктах отходы жизнедеятельности поступают в подземный сток в пределах населенных пунктов и выносятся равномерно в течение года. Предполагается, что все городское население водосбора Чебоксарского водохранилища имеет доступ к центральной канализации и в расчетах диффузного стока не учитывается.

Отходы от животноводства и птицеводства частично поступают на пашню как органические удобрения и формируют потенциальные диффузные источники загрязнения водных объектов БЭ. По данным [4, 8] определено содержание азота и фосфора в продуктах жизнедеятельности сельскохозяйственных животных (табл. 2).

При определении количеств азота и фосфора, внесенных с минеральными удобрениями, использовалось соотношение NPK 22 : 11 : 11, характерное для Восточно-Европейской равнины [4, 8].

При расчетах среднего многолетнего стока БЭ с пахотных земель принято, что величина потоков обусловлена как их фоновыми региональными значениями, так и выносом неусвоенных растениями и почвой удобрений. В расчетах предполагается, что вынос неусвоенной части удобрений осуществляется поверхностным склоновым стоком в период половодья.

К фоновым потокам азота и фосфора, стекающих со склоновым стоком с сельскохозяйственных полей, добавляется поступление азота и фосфора с минеральными и органическими удобрениями:

L_agr – неусвоенная сельскохозяйственными культурами масса БЭ; M_min и M_org – массы внесенных на поля минеральных и органических удобрений; α₁ – коэффициент, учитывающий усвоение минеральных удобрений сельскохозяйственными культурами (0.3 для азота и 0.03 для фосфора); α₂ – коэффициент, учитывающий усвоение органических удобрений сельскохозяйственными культурами (0.1 для азота и 0.02 для фосфора) [8].

По данным [8, 9], фоновые концентрации общего фосфора и общего азота в почвенных водах и первичных звеньях гидрографической сети для различных типов поверхности в южной части лесной зоны составляют ~0.05 мгР/л и ~0.7 мгN/л для естественных территорий (лесов и болот), что соответствует ~0.02 мг/л минерального Р и ~0.35 мг/л минерального N. Для пересчета общего азота в минеральный азот использовался коэффициент 2 [9], для пересчета общего фосфора в минеральный – коэффициент 2.5.

Для оценки и учета в ЛГМ указанных выше видов антропогенной нагрузки весь водосбор рассматриваемого водохранилища разделен на 24 подводосбора его притоков, различающихся ландшафтной структурой и антропогенной нагрузкой. Для каждого из них по результатам дешифрирования космических снимков получена ландшафтная структура (рис. 4; табл. 1).

На территории водосбора Чебоксарского водохранилища расположены 136 административных районов 11-ти субъектов РФ. Для каждого из районов на сайтах региональных отделений Росстата приведены данные о величине внесения минеральных удобрений, о количестве различных сельскохозяйственных животных, учтенных в Сельскохозяйственной переписи 2016 г., о площади сельскохозяйственных полей, о численности населения. Эти данные использованы для оценки антропогенной нагрузки с учетом доли площади того или иного района в каждом подводосборе притоков Чебоксарского водохранилища.

Значительная часть БЭ, поступивших на водосбор от различных источников, не достигает замыкающих створов крупных рек, так как удерживается водосбором и различными звеньями гидрографической сети. Материалы эрозии осаждаются в местах уменьшения скоростей потоков, растворенные вещества при взаимодействии с подстилающей поверхностью могут поглощаться почвой, осаждаться при испарении и пр. В результате итоговая нагрузка на водный объект составляет лишь часть поступления БЭ на водосбор. Поглощение водосбором потоков БЭ определяется многими факторами, в том числе расчлененностью рельефа, уклонами, наличием западин, аккумулирующих поверхностный сток, карстом, характеристиками почвенно-растительного покрова, распашкой, урбанизацией, мелиорацией. Значительную роль играет трансформация потоков веществ уже в руслах малых рек и в водохранилищах, где происходят процессы осаждения, разложения, поглощения биотой, вторичного загрязнения от донных отложений. Однако для Восточно-Европейской равнины главный фактор – это время контакта потока веществ с подстилающей поверхностью. Оно приближенно может быть оценено как функция площади водосбора. Чем больше площадь водосбора, тем больше время контакта и, соответственно, тем больше удержание водосбором веществ. Кроме того, необходимо учитывать объем стока воды с водосбора – чем больше сток, тем, вероятно, выше скорость горизонтальных потоков воды на водосборе и меньше потери на фильтрацию и испарение. В методике ЛГМ реализован учет уменьшения водосбором как твердого, так и растворенного стока БЭ.

Для оценки притока БЭ со стоком наносов М_н к замыкающему створу водосбора используется уравнение:

где D_н – коэффициент доставки наносов. Величина D_н рассчитывается как функция площади водосбора [6]:

Формула (6) имеет недостаток – при достаточно больших величинах площади водосбора приращение площадей практически не оказывает влияние на задержание водосбором.

Для оценки притока БЭ с жидким стоком к замыкающему створу водосбора М_жс используется уравнение:

где D_ж с – коэффициент трансформации потока растворенных БЭ на пути от первичных элементов гидрографической сети до устья реки [8]: Q – модуль стока, л/с/км² (зависящий от объема стока воды и площади водосбора); a и b – безразмерные эмпирические параметры, составляющие соответственно 26.6 и –1.71 для фосфора и 1.9 и ‒0.49 для азота [8].

В расчетах параметры формулы (8) приняты одинаковыми для всех водосборов. Коэффициент трансформации D_{ж с} – это интегральный параметр, характеризующий удержание БЭ водосбором во всех средах: на поверхности склонов, в почвах и в грунтах. Дифференциация учитываемых потоков (перенос растворенных веществ поверхностным, внутрипочвенным и подземным стоком) в дальнейшем потребует и дифференциации коэффициентов удержания, зависящих от характеристик среды переноса.

Метод верифицирован по данным наблюдений на гидрологических и гидрохимических постах государственной сети Гидрометслужбы на водосборе Чебоксарского водохранилища и многолетним данным мониторинга Верхне-Волжского бассейнового управления в устьях рек, впадающих в водохранилище.

Результаты расчетов стока биогенных элементов с учетом влияния антропогенных нагрузок и регулирования потоков этих элементов водосбором Чебоксарского водохранилища

Величины поступления азота и фосфора (в пересчете в минеральные формы) на право- и левобережье и всем водосборе Чебоксарского водохранилища в результате прямой антропогенной нагрузки приведены в табл. 3. Анализ приведенных данных показывает преобладающий вклад в прямую антропогенную нагрузку внесения удобрений на поля по сравнению с вкладом сельского населения. Очевидно почти десятикратное по сравнению с левобережьем превышение поступления антропогенно обусловленных БЭ на правобережье водохранилища, где сконцентрировано население и развито сельское хозяйство региона.

В табл. 4 приведены данные по формированию и трансформации потоков БЭ на водосборе Чебоксарского водохранилища, связанных с рассматриваемыми в методике факторами. На рис. 5–8 показаны расчетные карты диффузных потоков БЭ, сформировавшихся на подводосборах бассейна Чебоксарского водохранилища и поступивших после трансформации в Чебоксарское водохранилище.

По предварительным оценкам, более половины диффузного потока азота, сформированного на водосборе, поступает в Чебоксарское водохранилище. Фосфор по сравнению с азотом значительнее поглощается водосбором. В целом диффузный поток азота сокращается от водосбора к устью в ~2 раза, а фосфора – в 3 раза, т.е. до Чебоксарского водохранилища доходит только 30% потока фосфора и 50–60% азота от сформировавшихся на водосборе.

Большую роль в поглощении БЭ водосбором оказывает величина водного стока, которая ниже на правобережье [10]. На водосборе Чебоксарского водохранилища это благоприятный фактор, сокращающий поступление БЭ в водохранилище с территорий с большой антропогенной нагрузкой.

В табл. 5 детально показано сокращение потока БЭ, связанных с прямой антропогенной нагрузкой, от поступления на водосбор до попадания к устьевым участкам притоков водохранилища после трансформации потоков БЭ водосбором и гидрографической сетью. Потоками воды и наносов выносится азота 30–40% и фосфора ~10% от поступивших на водосбор отходов человеческой жизнедеятельности и удобрений. На левом, северном, берегу водохранилища доля выноса выше за счет большего слоя стока половодья [10]. Согласно расчетам, только 16–22% азота, поступающего на водосбор с отходами человеческой жизнедеятельности и удобрениями, достигает водохранилища. Фосфор, поступивший на водосбор в результате прямой антропогенной нагрузки, практически весь задерживается на водосборе.

Вклад левого (лесного и слабо освоенного в хозяйственного отношении) и правого (с высокой антропогенной нагрузкой) берегов в поступление БЭ в водохранилище примерно равноценен (табл. 4). Однако очевидна дифференциация территории водосбора водохранилища по источникам, формирующим диффузные потоки БЭ. На правобережье около половины формирующихся на водосборе потоков связано с прямой антропогенной нагрузкой. Для потоков азота это ~60%, фосфора ~40%. На слабо освоенном и сильно залесенном левобережье вклад прямой антропогенной нагрузки в сток азота и фосфора составляет <10%, а основной вклад в поступление БЭ с водосбора вносят лесные геосистемы.

На рис. 9, 10 и в табл. 6 показан вклад прямого антропогенного воздействия (внесения удобрений и попадания отходов человеческой жизнедеятельности на водосбор) в диффузный поток БЭ в Чебоксарское водохранилище дифференцированно по подводосборам. В бассейне Алатыря (притока Суры) этот вклад достигает 70% выноса азота. Повышенный вклад прямого антропогенного воздействия в сток БЭ характерен для бассейна Суры в целом, а также для рек Рахмы и Кудьмы. Это связано со значительной плотностью сельского населения, развитием пахотного земледелия и большим количеством птицеводческих и животноводческих комплексов на этих водосборах.