Чернышев, Антон Витальевич. Оптимизация выделения водоохранных зон в бассейнах малых рек : на примере р. Сызранки Ульяновской области

Короткий опис

Чернышев, Антон Витальевич. Оптимизация выделения водоохранных зон в бассейнах малых рек : на примере р. Сызранки Ульяновской области : диссертация ... кандидата биологических наук : 03.02.08 / Чернышев Антон Витальевич; [Место защиты: Ульян. гос. ун-т].- Ульяновск, 2011.- 223 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-3/50

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет
На правах рукописи
0420125074?
Чернышев Антон Витальевич
Оптимизация выделения водоохранных зон в бассейнах малых рек (на примере р. Сызранки Ульяновской области)
Специальность: 03.02.08 - Экология (биология)
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Научный руководитель:
доктор биологических наук, профессор Горбачев В.Н.
Ульяновск - 2011
Введение 4
Глава 1. Общие представления об изучаемом вопросе 11
1.1. История изучения влияния лесов на регуляцию влагооборота
- речных водосборов 11
1.2. Выбор объекта исследования 16
1.3. Эколого-экономические и нормативно-правовые аспекты
принципов создания системы водоохранно-защитных зон 20
Глава 2. Природно-климатическая характеристика района исследований 26
2.1. Физико-географическое районирование бассейна р. Сызранки... 26
2.2. Климат 30
2.3. Рельеф 32
2.4. Грунтовые воды 35
2.5. Почвенный покров 37
2.6. Растительность и сельскохозяйственная освоенность
территории 39
2.7. Морфометрические характеристики гидрографической сети
бассейна реки Сызранки 42
2.8. Состояние водосбора и водопотребления в бассейне реки
Сызранки 46
Глава 3. Материалы и методы исследований 51
Глава 4. Оценка водоохранно-защитной и водорегулирующей роли лесов бассейна реки Сызранки 56
4.1. Особенности влияния лесной растительности на атмосферные
осадки и водный режим бассейна реки Сызранки 56
4.2. Динамика растительного покрова бассейна Сызранки под
влиянием антропогенной освоенности 64
4.2.1. Лесорастительное зонирование бассейна реки Сызранки 64
4.2.2. Выделение коренных лесных ассоциаций на территории
водосбора реки Сызранки 67
4.3. Типизация речных водосборов бассейна реки Сызранки по
характеру нарушенности лесного покрова 78
4.3.1. Применение ГИС как инструмента оценки современного
состояния лесорастительных условий 78
4.3.2. Выделение пространственной неоднородности лесных
насаждений в рамках типологической структуры лесов как показателя нарушенности экосистем 81
4.3.3. Классификация лесных участков по степени экологической нарушенности в пределах водосборных бассейнов 84
4.4. Систематизация сходных лесорастительных условий и
динамики лесных экосистем 96
4.5. Оценка влияния облесенности стокоформирующих комплексов
водосборов рек на величину поверхностного стока бассейна реки Сызранки 100
Глава 5. Комплексная методика выделения водоохранных зон в бассейнах малых рек 109
5.1. Выделение водоохранно-защитных зон на водосборах малых
рек с помощью ландшафтно-экологического анализа территории... 109
5.2. Применение ГИС как инструмента автоматизации выделения
водоохранных зон и стокопоглощающих прибрежных защитных лесных полос 117
5.3. Использование интегрального показателя естественного
экологического благополучия водосборов для определения очередности выделения водоохранных зон речных водосборов 123
5.4. Дополнительные меры по охране и рекреации лесных
экосистем речных водосборов 133
Выводы 146
Список литературы 150
Приложения 170
Актуальность темы.
Одним из главнейших регуляторов влагооборота в водосборах рек являются лесные экосистемы. Леса обладают рядом уникальных качеств, не присущих её составным частям, а проявляющихся только во время произрастания их в виде растительных сообществ, влияющих на речной сток, выпадение осадков, испарение, влажность почв, запасы грунтовых вод, дебит источников.
Под влиянием хозяйственной деятельности человека леса испытывают чрезвычайные нагрузки, что ведет к ухудшению их водорегулирующих водоохранно-защитных свойств. В конечном счете, это приводит к значительному преобразованию гидрологического режима в бассейнах рек, повышению эрозионных процессов, снижению качества воды. Основная антропогенная нагрузка ложится на бассейны малых рек, являющихся наиболее распространенными элементами гидрографической сети России и создающих около 92 % всей её густоты. Это относится, прежде всего, к тем регионам, где ведение хозяйственной деятельности сочетается с природной предрасположенностью к возникновению водно-экологических проблем. К таким регионам относится и Ульяновская область.
Современные условия дефицита лесных ресурсов во многих регионах страны и мира, несоответствие определенных существующим законодательством способов выделения границ водоохранных зон современным экологическим требованиям, высокие экономические потери от малоэффективных природоохранных мероприятий и необходимость сохранения гидрологического баланса бассейнов рек вызвали потребность в оптимизации способов выделения рациональных границ водоохранных зон и разработке комплекса лесовосстановительных мероприятий в бассейнах малых рек.
В связи с этим актуальным становится определение такой ширины и конфигурации водоохранной зоны, которая бы обеспечивала предотвращение процессов водной эрозии, загрязнения, засорения, заиления водных объектов и истощения их вод, а также сохранение среды обитания водных биологических ресурсов и других объектов животного и растительного мира. Ключевая роль при этом отводится поиску совокупности сопряженных методов, позволяющих определить наиболее экологически аргументированные особенности как для выявления оптимальных границ водоохранных зон, так и для разработки комплекса лесовосстановительных мероприятий в бассейнах малых рек.
В качестве объекта исследований был выбран бассейн реки Сызранки, расположенный в пределах лесостепной зоны центральной части Среднего Поволжья. Сызранка является притоком первого порядка реки Волги. Состояние лесных экосистем водосбора характеризуется высокой степенью экологической нарушенности. Ведение неконтролируемой хозяйственной деятельности за последние десятилетия привело к значительному ухудшению качества воды Сызранки, изменению её водного режима, увеличению выноса твердых частиц и заилению русла реки. Во многом данные негативные последствия связаны с отсутствием современной стратегии лесо- и водопользования на водосборе, а также с несоответствием существующих норм выделения границ водоохранных зон современным природоохранным требованиям.
Цели и задачи работы.
Цель работы: разработать на примере реки Сызранки методы
оптимизации выделения водоохранных зон в бассейнах малых рек.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1) Оценить современное состояние и водоохранно-защитную роль лесов бассейна реки Сызранки, особенности их влияния на осадки и водный режим территории, выявить динамику растительного покрова под влиянием антропогенной освоенности.
2) Разработать структуру и организацию ГИС, позволяющую производить комплексную оценку современного состояния и типизацию речных водосборов по характеру нарушенности лесного покрова и геоморфологическим особенностям территорий.
3) Произвести ландшафтно-экологический анализ стокоформирующих комплексов бассейна реки Сызранки с целью определения необходимости лесовосстановления и лесоразведения в ее водоохранной зоне.
4) Разработать комплексную методику оптимизации выделения водоохранно-защитных зон малых рек.
5) Предложить рекомендации по повышению водоохранно-защитной эффективности природоохранных мероприятий в лесах бассейнов малых рек.
Научная новизна работы.
Впервые исследовано экологическое состояние, структура и состав лесных сообществ в бассейнах малых рек центральной части Среднего Поволжья на примере реки Сызранки. Изучено изменение растительного покрова под влиянием антропогенных факторов и определены коренные доагрикультурные лесные сообщества изучаемой территории. Проведена типизация речных водосборов бассейна реки Сызранки по геоморфологическим признакам и характеру нарушенности лесного покрова.
На основании ландшафтно-экологического анализа территории выделены основные стокоформирующие комплексы речных водосборов бассейна реки Сызранки, для которых определена степень необходимости лесовосстановительных мероприятий.
Предложена новая система оценок экологического состояния водосборных бассейнов, использующая интегральный показатель «Индекс естественного экологического благополучия» для водосборного бассейна (/б), который характеризует способность водосборов формировать гидрологический режим территории.
Разработана комплексная методика выделения водоохранных зон
речных водосборов, в основу которой положены принципы ландшафтно-
6
экологического анализа речных бассейнов и использование интегрального показателя способности водосборов формировать условия гидрологического режима территории.
Выделены оптимальные границы водоохранной зоны р. Сызранки, отвечающие условиям устойчивого природопользования, имеющие естественную конфигурацию и достаточную ширину для перевода поверхностного стока во внутрипочвенный.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Значение лесов как регулятора влагооборота в бассейнах рек определяется не только пространственной структурой, площадью и составом лесных насаждений, но и состоянием их экологической нарушенности.
2. Различные генетические типы стокоформирующих комплексов, выявленные на территории бассейна реки Сызранки, требуют различных лесовосстановительных мероприятий.
3. Предложенная комплексная методика выделения границ водоохранных зон речных водосборов, отвечает требованиям рационального природопользования, учитывает геоморфологические, гидрологические, геоботанические и эдафические условия территории.
4. Придание статуса ООПТ наиболее ценным ненарушенным участкам речных водосборов, которые могут послужить эталонами, позволит эффективно проводить работы по восстановлению водоохранных лесов, сохранению лесного биоразнообразия на видовом и экосистемном уровнях.
Личный вклад автора. В основу данной работы положены материалы собранные автором за период с 2007 по 2011 гг. Автор принимал непосредственное участие в разработке темы, составлении программы исследований, организации и проведении полевых и камеральных работ, обобщении и интерпретации полученной информации, построении геоинформационной модели и выполнении графических работ.
Практическая значимость.
Разработана комплексная методика выделения границ водоохранных зон водосборов малых рек, отвечающая требованиям экологически ориентированного природопользования и, в первую очередь, лесопользования. Предложены меры по повышению водоохраной эффективности лесов бассейна реки Сызранки, обоснован перечень участков, перспективных для выделения ООПТ, что послужит сохранению биоразнообразия и повысит экологическую стабильность территории.
Предложенный интегральный показатель, характеризующий способность водосбора формировать гидрологический режим территории, может быть использован для зонирования речных водосборов разного иерархического уровня по степени их экологической нарушенности.
Полученные материалы приняты Министерством лесного хозяйства, природопользования и экологии Ульяновской области для использования при проведении природоохранных и лесоустроительных работ.
Основные положения и выводы диссертации используются в учебном процессе кафедры природопользования и кафедры лесного хозяйства экологического факультета Ульяновского государственного университета.
Апробация работы.
Основные итоги работы доложены: Основные итоги работы доложены:
на VIII ежегодной научно-практической конференции «Естественнонаучные
исследования в Симбирском-Ульяновском крае» (Ульяновск, 2007, 2010), на
XXII, XXIII и XXIV, XXV чтениях памяти А. А. Любищева «Современные
проблемы эволюции» (Ульяновск, 2008, 2009, 2010, 2011), на
Международной научно-практической конференции «Фундаментальные
аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем»
(Астрахань, 2008), на III и IV Всероссийской научно-практической
конференции (с международным участием) «Экологические проблемы
природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2009, 2010), на III
и IV Межвузовской научно-практической конференции «Экология России: на
8
пути к инновациям» (Астрахань, 2010), на региональной научно¬практической конференции «Экология, город и мы» (Ульяновск, 2009), на III и IV Всероссийской конференции с международным участием «Медико¬физиологические проблемы человека» (Ульяновск, 2009, 2011), на V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011), на III Всероссийской научно-практической конференции «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (Самара, 2011), на Всероссийской научной конференции с международным участием «ЭКОБИОТЕХ-2011» (Уфа, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность современных социально¬экономических систем» (Волгоград, 2011).
Публикации. Автором опубликованы 14 научных работ, в том числе 4 работы в ведущих рецензируемых журналах и изданиях из списка ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 225 страниц. В том числе: 169 стр. основного текста, 56 стр. - приложений, 38 рисунков, 21 таблица. Библиографический список составляют 258 наименований, в том числе 6 - иностранных.
Первая глава дает общие представления об объектах исследования и их
современном состоянии. Вторая посвящена характеристике района
исследований. Третья - описывает материалы и методы исследований. В
четвертой главе приводятся результаты проведенных исследований:
выделяются особенности влияния лесной растительности на атмосферные
осадки и водный режим бассейна реки Сызранки, производится типизация
речных водосборов бассейна реки Сызранки по состоянию лесорастительных
условий и характеру нарушенности лесного покрова, приводится
характеристика ландшафтно-экологического анализа стокоформирующих
комплексов изучаемого водосбора. В пятой главе предлагаются
рекомендации по разработке комплекса водоохранных и
9
лесовосстановительных мероприятий, принципы выделения оптимальных границ водоохранных зон речных водосборов, меры по охране и реставрации водоохранных лесов речных водосборов, наиболее ценным территориям предлагается придать статус особо охраняемых. В заключении формулируются основные выводы по результатам исследований.
Благодарности.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю В. Н. Горбачеву за оказанную научно-методическую помощь. Особую благодарность и искреннюю признательность автор выражает Н. В. Благовещенской за неоценимую помощь в написании научных статей, консультации в вопросах водоохранно-защитной роли лесов и критическое обсуждение результатов исследований. Н. В. Благовещенской, В. А. Савинову, Н. И. Пахалиной, Т. В. Долгополовой за неоценимую помощь в проведении полевых работ. Кроме того, данная работа не могла бы быть выполнена без поддержки всего коллектива областного детского экологического центра, за что выражаю ему свою искреннюю благодарность.

Список літератури

выводы
1. Водоохранно-защитная роль лесов бассейна реки Сызранки как регулятора влагооборота определяется пространственной структурой, площадью и составом лесных насаждений и зависит от состояния их экологической нарушенности. Общая неравномерность расположения лесных массивов по территории водосбора с преобладанием их в северной и центральной частях и нехваткой - в южной и восточной частях оказывает влияние на количество атмосферных осадков и расходы воды в течение года. Была установлена прямолинейная зависимость между средними многолетними значениями сезонных и годовых сумм атмосферных осадков и лесистостью бассейна реки Сызранки. При повышении лесистости водосбора от 30 до 70 % наблюдается увеличение количества годовых сумм атмосферных осадков на 200 мм. В теплое время года увеличение лесистости территории на 30 % способствует двукратному повышению общего количества осадков.
2. Под влиянием антропогенной деятельности на фоне общего похолодания климата (более 3000 лет назад) площадь лесных сообществ бассейна реки Сызранки сократилась на 44 %. По интегральному показателю нарушенности лесных экосистем на изучаемой территории выделено два типа водосборов: средней нарушенности, к которым относятся водосборы Сызранки (без притоков), Росочки, Темрязанки, Бекшанки и Балашейки; сильной нарушенности, к которым относятся водосборы Канадейки, Канасаевки и Томышевки. К I категории экологической нарушенности относится 3 % площади учтенных лесных земель, ко II категории - 18 %, к III категории - 8,1 %, к IV категории - 15,4 %, V категории - 55,5 %.
3. В качестве основы специализированной ГИС, позволяющей произво¬дить комплексную оценку современного состояния и типизацию речных водосборов, предложены: цифровая картографическая модель местности, созданная в программной среде АгсС18 10; набор векторных и растровых слоев, содержащих информацию о высотах земной поверхности, крутизне и экспозиции склонов; планы лесонасаждений; карты почв и композитные спутниковые снимки Ьапс^а! 7.
4. На изучаемой территории выделено семь коренных типов леса,
приуроченных к естественным физико-географическим (ландшафтным) районам: сосновые леса (зеленомошные, брусничные, грушанковые,
долгомошные, остепненные, лишайниковые, плевроциевые, черничные), сосново-березовые (вейниково-коротконожковые), сосново-дубовые (коротконожковые, ланцетно-звездчатковые, волосистоосоковые), сосново¬липовые (снытевые, осковые, ландышевые), дубовые (травяные, сложные), ольховые (черноольховые трясины).
5. Путем ландшафтно-экологического анализа для водосбора Сызранки было выделено 42 генетических типа стокоформирующих комплекса, для которых рассчитаны коэффициенты поверхностного стока. Наибольшие коэффициенты стока имеют СФК, расположенные на крутых склонах речных долин, лишенных лесной растительности, слагаемых глинистыми и суглинистыми почвами. Наименьшие - у расположенных на облесенных пологих склонах, слагаемых песчаными и супесчаными почвами. Участкам СФК, наиболее подверженным процессам водной эрозии, а, следовательно, важным для лесоразведения и лесовосстановления в водоохранных и почвозащитных целях, предложено проводить первоочередные работы по созданию водоохранно-защитных лесных полос.
6. Площадь выделенных комплексной методикой водоохранно¬защитных зон бассейна реки Сызранки оказалась лишь на 1,81 % больше, чем существующая нормативная водоохранная зона, при этом она имеет естественную конфигурацию и учитывает особенности рельефа, уклонов поверхности, гранулометрического состава почв, наличия притоков рек и других звеньев гидрографической сети. Ширина полученной ВЗ не является фиксированной, она увеличивается в местах повышенной концентрации стока, и уменьшается на участках с низкой концентрацией.
7. В качестве основных древесных пород стокопоглощающих лесных полос, обеспечивающих максимальное разрыхляющее воздействие корневой системы на почвы и способствующих увеличению её влагопроницаемости, предлагается использовать: сосну обыкновенную, дуб, лиственницу, ясень, березу и черемуху. В отдельных элементах гидрографической сети, имеющих малую ширину и глубину, предлагается создавать кольматирующие куртинные насаждения из сосны обыкновенной, тополя, ивы, вяза, ольхи. По днищам и конусам выноса балок и оврагов лесополоса может заменяться лугово-кустарниковыми наносоуловителями, состоящими из таких пород, как: облепиха, смородина, ирга, жимолость татарская, лещина, боярышник, малина, бузина, клен татарский.
8. Использование интегрального показателя естественного экологического благополучия речных водосборов позволило определить
очередность работ по выделению оптимальных границ водоохранных зон
•
предложенным способом с разными сроками их реализации. К группе с низким показателем /б, требующей первоочередного выделения водоохранных зон, относятся водосборы рек Канасаевки и Томышевки; к группе со средним показателем 1б, для которой выделения водоохранных зон необходимо провести в ближайшее время - водосборы рек Сызранки (без притоков), Балашейки и Канадейки, к группе с высоким показателем 7^, - водосборы рек Росочки, Бекшанки и Темрязанки, что обусловлено их расположением в менее освоенной части водосбора.
9. При воспроизводстве лесных ресурсов и дополнительном водоохранном лесоразведении в качестве наиболее продуктивных и устойчивых лесных формаций необходимо использовать коренные для данной местности типы лесов. Для интенсификации процессов естественного восстановления природных экосистем и охраны ненарушенных территорий необходимо создание экологического каркаса с особым режимом природопользования. Выделено более 40 перспективных ООПТ, из них трем предложено придать статус комплексных (ландшафтных) природных
заказников, двадцати - ботанических памятников природы, шести - комплексных (ландшафтных) памятников природы и одиннадцати - гидрологических памятников природы.