ЕКОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ БАСЕЙНОВИХ СИСТЕМ ВЕРХНЬОГО ДНІСТРА

Краткое содержание

У першому розділі «Теоретично-методичні засади моніторингу басейнових систем» проаналізовано історію моніторингових досліджень та їхній сучасний рівень, розкрито науково-методичні засади ЕГМ басейнових систем.

            Моніторинг – термін, що в первісному звучанні мав значення  застерігати, попереджувати. Вперше в науку цей термін був запроваджений Р. Манном перед проведенням Стокгольмської конференції ООН з навколишнього середовища (1972 рік) в якості доповнення до терміну «контроль». Близьким геоморфологічній науці цей термін став у 80-х роках XX століття, коли виникло поняття «літомоніторинг» (Бондарик, 1984), який в якості об’єкта спостереження розглядає приповерхневі ділянки літосфери, взаємодіючі з засобами праці і людиною. Сьогодні в Україні проблемам ЕГМ присвячені праці таких вчених як О.Адаменко (2001), І.Ковальчук (1990, 1997), Г.Рудько (2001), І.Черваньов (2000), О.Ободовський (2006), В.Самійленко (2001),  В.Боков (2000), М.Швирло (2002), А.Лущик (2002) та ін.

            Оптимальною просторовою одиницею для ЕГМ є басейнова система, в якій рух потоків речовини та енергії у напрямку «схил – русло» є взаємозумовленим і взаємозалежним. Будь-який вплив на її природну структуру швидко відбивається на інтегральних показниках її функціонування – об’єму річкового стоку, гідрохімічному складі, каламутності, інтенсивності  рельєфоутворювальних процесів тощо.

            Нами визначено зміст, мету, завдання, об’єкти та рівні ЕГМ басейнових систем (рис. 1). Суть ЕГМ полягає у створенні системи спостережень, збору, накопичення, опрацювання, зберігання, аналізу і передачі інформації про форми рельєфу, поширення та розвиток рельєфоутворювальних процесів, природні та антропогенні чинники функціонування басейнових систем і розповсюдження рельєфоутворювальних процесів з метою кількісної оцінки напруження морфодинамічної ситуації, визначення ступеня стійкості форм рельєфу, виявлення тенденцій їх розвитку, прогнозування поведінки та обґрунтування схем управління функціонуванням басейнових систем, забезпечення оптимальних екологічних умов для проживання людини, природокористування та покращання еколого-геоморфологічної ситуації.

            Метою ЕГМ є виявлення причин, чинників і механізмів, виникнення, активізації або катастрофічного прояву несприятливих для людини та біоти геоморфологічних процесів у різнорангових басейнових системах, а також аналіз масштабів погіршання екологічної ситуації, зумовленої геоморфологічними та антропогенними чинниками. Основними завданнями ЕГМ мають бути: 1) збір та узагальнення кількісної та якісної інформації про морфологічні комплекси та об’єкти в межах басейнових систем; 2) вивчення інтенсивності, спрямованості розвитку та різноманітності прояву сучасних рельєфоутворювальних процесів, оцінка їхнього впливу на умови життя людини і біоти, а також на господарські об’єкти; 3) проведення стаціонарних та напівстаціонарних спостережень за кліматичними, гідрологічними, гідробіологічними параметрами в межах басейнових систем, а також за лісогосподарською та сільськогосподарською діяльністю з метою оцінки ролі природних та антропогенних чинників у процесах рельєфоутворення; 4) вивчення природних та антропогенних змін в рельєфі і рельєфоутворювальних процесах, визначення ролі природних, антропогенних, природно-антропогенних, екзогенних та ендогенних чинників у розвитку цих змін; 5) створення бази даних про еколого-геоморфологічний стан басейнових систем з використанням геоінформаційних технологій; 6) використання моніторингової інформації для прогнозування еколого-геоморфологічних змін у басейнових системах при альтернативних схемах освоєння рельєфу та природних ресурсів. Розробка рекомендацій щодо зниження ризику погіршання стану довкілля.

            Об’єктами ЕГМ басейнових систем є рельєф як середовище життя й діяльності людини та впливаючі на нього процеси. Зокрема, у басейні верхнього Дністра об’єктами повинні бути: форми та елементи рельєфу (ерозійні, акумулятивні, обвально-осипні, зсувні, карстові, суфозійні тощо); геоморфологічні системи (басейни різних порядків та їх елементарні складові типу «схил-русло», «русло-заплава»), рельєфоутворювальні процеси (флювіальні, гравітаційні, карстові тощо); природні та антропогенні чинники рельєфоутворення (сезонні та багаторічні флуктуації кліматичних умов, рослинний покрив, сільськогосподарська, лісогосподарська, водогосподарська, промислова, гірничо видобувна, рекреаційна види діяльності, тощо); господарські об’єкти та системи (лісогосподарські, меліоративні, протипаводкові, промислові, транспортні тощо); екологічні наслідки взаємодії геоморфосфери і техносфери та ін. ЕГМ верхнього Дністра повинен реалізовуватися на наступних рівнях: міжнародному, національному, регіональному, локальному і точковому.

            Наші дослідження спиралися на басейнову концепцію з використанням широкого спектру методів вивчення флювіальних геоморфосистем – від напівстаціонарних спостережень та польового збору емпіричних даних до історико-географічного, картометричного і статистичного аналізу та картографічного моделювання з використанням ГІС-технологій і еколого-геоморфологічного синтезу.

У другому розділі «Аналіз умов і чинників формування еколого-геоморфологічної ситуації у басейнових системах верхнього Дністра» нами проаналізовано сучасний стан басейнових систем, особливості геологічної та геоморфологічної будови, розвиток рельєфоутворювальних процесів, структурна організація басейнових систем (за класифікаційною схемою Страллера-Філософова). Досліджено кліматичні умови досліджуваної території, виявлено особливості ґрунтового і рослинного покриву, історико-географічні особливості господарського освоєння басейну. З метою визначення рівнів антропогенного навантаження на басейн, складено та проаналізовано карти розораності, лісистості, меліоративного і поселенського навантаження в розрізі басейнів з довжиною водотоків більше десяти кілометрів.

            Дослідженнями встановлено що:

·      басейн верхнього Дністра характеризується неоднорідною орографічною і геологічною будовою. Карпатська частина представлена, в основному, флішовою формацією, яка є середовищем розвитку більшості небезпечних геоморфологічних процесів. Для Передкарпаття середовищем розвитку екзогенних процесів є нерозчленовані відклади нижнього міоцену, які включають в себе соленосні породи воротищенської світи. В межах Поділля середовищем екзогенних процесів є породи теригенно-карбонатної формації відкладів крейди і неогену, а також четвертинні відклади. Верхня частина басейну Дністра характеризується ймовірністю 5-6 бальних землетрусів 1 раз у 100 років. За даними Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С.І. Суботіна НАН України, тут виділяють три геодинамічні райони: 1) території, що зазнають стійких піднять зі швидкостями +2…+5 мм/рік (Карпатська частина); 2) території стійких помірних і слабких піднять зі швидкостями до +2 мм/рік (Передкарпаття і Поділля); 3) території знакозмінних рухів земної кори зі швидкостями ±2 мм/рік (Поділля);

·      станом на 2006 рік в межах басейну діє 5 метеорологічних станцій та 19 гідрометеорологічних постів, які є базовими для проведення гідрометеорологічного моніторингу. За даними багаторічних спостережень, середньорічні температури повітря в межах басейну верхнього Дністра сягають 5,2–8,0 ^оС. Середньорічні суми опадів коливаються від 606 мм (басейн р. Щирка) до 1024 мм (басейн р. Славська). Спостерігаються екстремально високі добові суми опадів (до 160 мм за добу). Потужність снігового покриву сягає 15-22 см в Передкарпатті, 8-17 см в Подільській та 25-45 см – в Карпатській частині басейну (Ромащенко, Савчук, 2002);

·      для досліджуваної території характерна висока насиченість водотоками першого порядку. Це притаманно як подільській частині басейну Дністра (81,5 % від загального числа водотоків), так і карпатській (77,5%) та передкарпатській (76,5%). На водотоки другого порядку припадає 15,7 – 18,6 %, третього – 3,7 – 4,3 %, четвертого – 1 – 0,7 %, п'ятого 0,1 – 0,5 % і шостого – 0,1 %. Такі дані свідчать про високу вразливість басейнових систем до антропогенного впливу, а також до змін клімату. Проведені нами дослідження зміни структури річкових систем модельних басейнів вказують на домінування антропогенного чинника над іншими, що спричинилися до перебудови структури річкової мережі.

·      головними видами господарської діяльності, які вплинули на стан басейнових систем і розвиток екзогенних процесів в їх межах є: 1) рільництво: виявлено, що найбільший відсоток орних (більше 50%) угідь припадає на басейнові системи Стривігору, Струги, Болозівки, Верещиці, Ставчанки, Лугу. Високою є розораність у басейнах Бистриці, Щирки, Бережниці, Колодниці та інших, розташованих у межах Верхньодністерської низовини (40–50 %). Найменше орних угідь у басейнах Карпат (Лінинки, Ясениці, верхів’їв Стрия та Опору, Головчанки, Бутивлі, Кам’янки тощо); 2) лісокористування: встановлено, що в кінці 60-х років минулого століття відсоток заліснення був нижчим від критичної межі (35%) для басейнових систем верхів’їв Стривігору (23%), і Бистриці (33%), Яблуньки (м. Турка) (21%), Славської (24%), Головчанки (28%). Сьогодні обсяги заготівлі деревини відповідають встановленим нормам (басейнові системи Карпат заліснені більше ніж на 35%), проте більша частка вирубувань припадає на суцільні. Це призводить до активізації екзогенних процесів, їх екстремально інтенсивного локального прояву, збільшення темпу денудації водозборів та замулення водотоків; 3) водокористування: найбільші обсяги водокористування мають басейнові системи Верещиці, Тисьмениці, Бистриці, Стривігору. В цих водозборах кількість використаної води перевищує 0,5 млн. м³ води за рік. Окремо слід виділити Дністер, з якого забори води на господарсько-побутові потреби перевищують 1 млн. м³ води за рік.  Найменшими обсягами забору води характеризуються басейни, де вода використовується лише для потреб дрібних сільськогосподарських підприємств та присадибних господарств;  4) гірничо-видобувна діяльність: найбільша кількість родовищ у верхній частині басейну Дністра припадає на природний газ  (28), нафту (14), каменю природного (8), вапняки та піщано-гравійні суміші (відповідно 8 та 12 родовищ); 5) меліорація: майже 90% площі угідь в межах басейнів річок Куна, Козюшинка, Колодниця, Ставчанка, Черниця, Вівня, а також в долині Дністра між населеними пунктами Гординя та Розвадів осушено. Високими показниками меліоративного освоєння (60 – 80% площі басейну) характеризуються Болозівка, Болотня, пригирлові частини Бистриці та Тисмениці, Трудниці, Щирки, Зубри, Тейсарівки, Дністер між смт. Розвадів та Журавно. Майже половина площ земельних угідь належать до категорії меліорованих у басейнових системах Летнянки, Бару, Жижави, Лугу, Суходілки, Бережниці та Любешки; 6) встановлено, що густота населення у басейнах верхнього Дністра коливається від 9,6 осіб на км² (басейн р. Рибник) до 14138 осіб на км² (р. Вишниця (притока Тисьмениці). Потужного селитебного навантаження зазнали басейни річок Млинівка, верхів’я Тисьмениці, Солониця, Раточина, Ставчанка, Іловець, пригирлова частина Стрия, верхів’я Дністра (більше 160 осіб/км²). Високою є густота населення у басейнах Зубри, Щирки, Колодниці, Яблуньки, Східниці (100–160 осіб/км²). Найменша густота у басейнах Куни, Гусної, Рибника, Рожанки, Либохори, Зелем’янки, Кам’янки (9 – 20 осіб/км²).

        Отже, у сточищі верхнього Дністра склалося несприятливе з геоекологічних позицій поєднання природних та антропогенних чинників, що зумовило суттєве погіршання умов проживання людей та активізацію розвитку екзогенних процесів.

У третьому розділі «Результати моніторингу природних та антропогенних чинників розвитку басейнових систем верхнього Дністра і процесів рельєфоутворення в них» проаналізовано і виявлено корелятивні залежності між різноманітними природними та антропогенними чинниками, що впливають на функціонування басейнових систем. Проведені дослідження свідчать, що:

1. Майже 60% загальної кількості пунктів спостережень за атмосферними опадами  у сточищі Дністра розташовано в карпатській, 13% – подільській, 26% – у перед карпатській частинах сточища Дністра. Територія  досліджень характеризується значною просторовою нерівномірністю розподілу річних сум опадів. При їх кількості 357,4 мм за рік на метеопості смт. Розділ, добова їх сума сягає 160 мм на метеопості Святослав. Розраховані показники лінійної кореляції для парних рядів даних «річні суми опадів – модулі стоку завислих наносів» свідчать про прямий зв’язок між цими показниками для 6 пунктів моніторингу з 13 розрахованих, що пов’язано з нелінійним характером зв’язку опадів з інтенсивністю денудації в басейнах річок. Для рядів даних «річні суми опадів – середньорічні витрати води» коефіцієнт кореляції r є близьким до 0,7 для 18  пунктів моніторингу з 20-ти, що свідчить про тісний зв'язок між цими показниками.

2. З’ясовано, що зі збільшенням висоти водозбору на 100 м сума опадів зростає на 68 мм, а коефіцієнт поверхневого стоку в середньому на 0,1; при збільшенні нахилу водозбору на 50 ‰ шар стоку за рік зростає на 77,5 мм. Це підсилює взаємовплив чинників і зумовлює виникнення екстремальних гідрогеоморфологічних процесів в межах басейнових систем. Розрахунки свідчать про високі показники шару стоку для басейнів верхів’я Стрия, Рибника, Яблуньки (допливи Стрия) і низькі для басейнів Верещиці та Щирки.

3. Спостереження за стоком завислих наносів в межах басейну здійснюється на 15 гідропостах (58 % від усіх постів, на яких вивчався стік води). Встановлено, що середньобагаторічні показники модулів стоку завислих наносів коливаються від 54 т з км² за рік на Поділлі до 350 т з км² за рік у Карпатах (рис. 2). За результатами хронологічного аналізу змін інтенсивності денудації басейнових систем можна виділити два періоди: перший (від 1963 до 1980 року), з екстремально високими показниками стоку завислих наносів у басейнових системах Карпат, що пов'язано з інтенсивним вирубуванням лісів у кінці 60-х – середині 70-х рр.; другий (1980–2005 рр.), для якого властиве зменшення інтенсивності денудації поверхні водозборів карпатських допливів Дністра і деяке збільшення інтенсивності денудації у басейнах Передкарпаття. Математичний аналіз зв’язків модулів стоку завислих наносів з річними сумами опадів і витратами води, а також побудова кумулятивних кривих зв’язку стоку наносів з цими показниками свідчить про чільну роль антропогенного чинника у посиленні денудації басейнових систем.

4.  Зміна ступеня заліснення водозбору веде до змін в характері та напрямку розвитку геоморфологічних процесів на його схилах. Про це свідчать отримані нами результати регресійного аналізу довготривалих рядів даних моніторингу стоку наносів в модельному басейні р. Головчанка, річними сумами опадів та вирубками лісу у період з 1970 до 2005 років. Проведений аналіз виявив, що при збільшенні вирубок на 1 га в рік модуль стоку наносів зросте на 0,54 т/км² за рік. Максимальні витрати наносів при теперішніх обсягах вирубок будуть спостерігатися через три – п’ять років після вирубування лісів. Мінімальний вплив вирубок лісу на стік наносів буде спостерігатися через сім – десять років після завершення вирубки.

5. Власні напівстаціонарні спостереження за розвитком морфодинамічних процесів на схилах північної та північно-східної експозиції крутизною 35⁰ та 45⁰, що зазнали  вирубок лісу (басейн р. Орява та р. Бутивля), свідчать про значне посилення ерозії та виникнення нових ерозійних форм в перший рік після вирубування, тобто тоді, коли схил не вкритий рослинністю. Середні показники площинного змиву за період 16.07.2004 – 12.11.2004 становили 0,6 см на схилі вздовж р. Орява і 2,1 см на схилі потоку Красний. Середні показники лінійного розмиву сягали 5 – 6 см за цей же період (рис. 3). Дещо уповільнився темп схилової ерозії на початку нового вегетаційного періоду завдяки інтенсивному росту рослинності як на поверхні схилу, так і в днищах тимчасових водотоків. Показники площинної ерозії у 2005 році становили 0,6 см на схилі р. Орява та 0,9 см на схилі потоку Красний; лінійної, відповідно,  2,5 та 1,7 см. У 2006 році (третій рік після вирубки) зменшилася середня інтенсивність площинного змиву (до 0,2 см за шість місяців), проте активізувалася лінійна ерозія (2,5–3,5 см) на усіх дослідних ділянках, що свідчить про тривалий у часі вплив вирубок на інтенсивність денудації басейну.

6. Більшість басейнових систем рівнинної частини сточища Дністра за еколого-геоморфологічним типом відносяться до категорії агротехнічних та осушувально-меліоративних.  З огляду на це, система еколого-геоморфологічного моніторингу повинна передбачати не лише спостереження за ступенем еродованості ґрунтів, але й за кількостями і термінами внесення добрив, іншими показниками, які через рельєф та властивості ґрунтів впливають на екологічний стан інших компонентів басейнової системи (наприклад стан ґрунтових та поверхневих вод тощо). В результаті польових досліджень нами визначено такі тенденції зміни геоекологічних умов в межах досліджуваних модельних ділянок осушувальної системи Козюшин: з 90-х років погіршився стан осушених земель, більшість меліоративних каналів замулені, спостерігається підтоплення сільськогосподарських угідь та погіршення якості ґрунтових вод. Основними мінеральними добривами, що використовуються в модельних господарствах є амонійна селітра (NH₄NO₃) (35% N) та нітроамофос (NH₄H₂PO₄) (47% P₂O₅, 13% N). Обсяги внесення амонійної селітри змінюються від 0,42 ц/га (у приватних агрофірмах) до 2,5 ц/га (індивідуальні власники земельних ділянок). Нітроамофосу вноситься від 2,5 ц/га (індивідуальні власники) до  0,1 ц/га (приватні агрофірми). Внесення мінеральних та органічних добрив істотно впливає на стан ґрунтів, а через них на стан ґрунтових і поверхневих вод. З продуктами ерозії у поверхневі води поступає майже 30% компонентів внесених добрив. З осушених ґрунтів найбільш активно виносяться Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ і нітрати. Зокрема, з 10-ти взятих нами проб води з приватних криниць у 4-х вміст нітратів перевищував ГДК у 1,8 – 2,8 рази; вміст амонійного азоту перевищував у двох пробах (у 3,1–3,7 рази), калію і натрію у двох пробах (1,8–1,2 рази) та у двох пробах, фосфатів (у 2,5 рази). Ґрунтові води мають високу загальну мінералізацію (1032 – 1487 мг/дм³). Усі ці факти свідчать про напружений геоекологічний стан меліоративних земель.

У четвертому розділі «Еколого-геоморфологічний моніторинг модельних басейнових систем» визначено еколого-геоморфологічний тип для 86 басейнових систем у сточищі верхнього Дністра, запропоновано схему проведення ЕГМ кожної з них. Представлено результати ЕГМ для модельних басейнів річки Яблунька (рис 4,5) та потоку Красний. Ці дослідження дозволяють констатувати:

1. Басейн верхнього Дністра – це складна динамічна система, яка функціонує завдяки постійному і безперервному взаємозв’язку екзогенних та ендогенних чинників рельєфоутворення природного та антропогенного характеру. Визначення еколого-геоморфологічного типу басейнової системи за видами загосподарювання є першою передумовою для подальшого проведення ЕГМ басейнів з метою виявлення їхньої реакції на зовнішній вплив та вибору шляхів оптимізації стану. Ми виділили в межах досліджуваного регіону 86 басейнових систем другого, третього та четвертого порядків, тобто тих, які вступили в етап формування динамічної рівноваги або наблизилися до нього. Використовуючи метод експертних оцінок та п'ятибальну шкалу оцінки для кожного з видів впливу, нами здійснено еколого-геоморфологічну типізацію басейнів за домінантним видом їх господарського освоєння. Використана така бальна оцінка: I. Водокористування: 1 бал присвоєно басейнам з об’ємом водокористування 0–0,1 млн. м³/рік; 2 б. – 0,1-0,3 млн. м³; 3 б. – 0,3-0,5 млн. м³; 4 б. – 0,5-0,7 млн. м³; 5 б. – > 0,7 млн. м³. II. Розораність: 1 б. – розорано від 0 до 10% басейну; 2 б. – 10-30%; 3 б. – 30-40%; 4 б. – 40-50%; 5 б. – >50% басейну. III. Меліорація: 1 б. – замеліоровано 1-20% площі водозбору; 2 б. – 20-40%; 3 б. – 40-60%; 4 б. – 60-80%; 5 б. – >80% басейну. IV. Водогосподарська діяльність: 1 б. – 1-2 гідроспоруди в басейновій системі; 2 б. – 3-5 гідроспоруд; 3 б. – 6-9; 4 б. – 9-10; 5 б. – >10. V. Поселенське навантаження: 1 б. – 0-20 осіб/км²; 2 б. – 20-50; 3 б. – 50-90; 4 б. – 90-120; 5 б. – >120 осіб/км². VI. Лісокористування: 1 б. – лісистість становить 0-20%; 2 б. – 20-40%; 3 б. – 40-60%; 4 б. – 60-80%; 5 б. – >80%. Також враховувалося співвідношення кількості баз відпочинку, санаторіїв, туристичних центрів та промислових об’єктів до площі басейну і за п’ятибальною шкалою оцінювався їхній вплив на нього. За переважаючим видом господарської діяльності в басейні ми визначили тип його загосподарювання.