Научно-технические основы оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами малых степных рек Нижнего Дона

Малая река — неотъемлемый компонент геоэкологической системы своего водосбора. Это естественное единство физической среды и биоценоза определяется как биогеоценоз [169]. Несомненно, что в геоэкологической системе изменение одного из компонентов влечет за собой нарушение равновесия всей геоэкосистемы. Индикатором антропогенной деятельности и поэтому наиболее уязвимым компонентом оказалась речная сеть, её водная среда и русло.

Сейчас, когда многие малые и средние реки деградировали и исключаются из систем хозяйственного водопользования, когда уменьшился сток больших рек, стала особенно понятной значительная роль малых рек в жизни людей. Ничто и никто не может заменить малые реки, как природные, вечно действующие элементы формирования водных ресурсов страны. Такая, теперь уже общепринятая, оценка значения малых рек стала очевидной к концу 70-х годов XX столетия, когда признаки деградации отчетливо проявились на глазах у ещё живущего поколения. Занимаясь улучшениями и исправлениями, сохранениями и «оживлениями», восстановлениями и рекультивациями специалисты и общественность запутались в понятиях и существе. А ведь по определению: улучшение и сохранение потребительских свойств (состояний) компонентов природной среды (в нашем случае вод и водных объектов) есть нечто иное как их мелиорации.

Актуальность проблемы. Современные экологические проблемы малых рек в бассейне Нижнего Дона в значительной степени являются следствием разбалансированности природных гидрологических, гидробиологических, гидрохимических, гидравлических и русловых процессов в них, причем, именно нарушение гидрологических режимов (расходы, уровни, сток наносов) привело к проявлению цепной реакции неблагоприятных изменений. В результате этого в последние десятилетия наметилась устойчивая тенденция деградации малых рек, которая характеризуется процессами заиления, зарастания, снижения водности и дренирующей способности русел, ухудшающимся качеством воды. Наблюдаемые негативные процессы вызвали настоятельную необходимость в восстановлении (мелиорации) малых степных рек региона.

Восстановление, охрана и рациональное использование бассейновых геосистем малых рек затрагивает комплекс экологических, экономических, технических, социальных и правовых задач, при решении которых используются знания в области экологии, гидрологии, географии, гидротехники, биологии, химии и др. В этой связи актуальность настоящего исследования обусловлена неотъемлемой необходимостью разработки интегрированного подхода к научному обоснованию комплексных мелиоративных мероприятий на малых реках, обеспечивающих восстановление их природного потенциала, охрану и улучшение условий природопользования.

В России еще с XIX века ставились и решались вопросы рационального использования природных ресурсов, мелиораций и охраны малых рек (экспедиции A.A. Тилло, И. И. Жилинского, В. В. Докучаева, М. Н. Анненкова, Е. В. Близняка, А. И. Фидмана и др.). Гидрологическая изученность малых рек и особенностей их режима отражены в работах В. Е. Водогрецкого, К. П. Воскресенского, М. И. Львовича, Б. В. Полякова, А. И. Субботина и др. Основы лесомелиорации водосборов и пойм малых рек заложены в трудах А. Д. Дубаха, В. М. Ивонина, И. А. Кузника, Н. П. Калиниченко, Г. А. Харитонова, В. Г. Шаталова и др. Географическому аспекту малых рек посвящены работы C.JT. Венд-рова, Ф. Н. Милькова, Г. Н. Петрова, P.C. Чалова и др. Широко известны заслуги в разработке теоретических основ русловой гидротехники С. Т. Алтунина, М. А. Великанова, В. Г. Глушкова, В. Н. Гончарова, К. В. Гришанина, Г. В. Же-лезнякова, Ю. Г. Иваненко, И. Ф. Карасева, A.B. Караушева, Н. Е. Кондратьева, B.C. Лапшенкова, И. И. Леви, В. М. Маккавеева, Н. И. Маккавеева, И. В. Попова, Б. Ф. Снищенко, Б. А. Фидмана и многих других. Вопросы хозяйственного использования и охраны малых рек решаются в работах А. Е. Косолапова, B.C. Лапшенкова, A.M. Черняева и др. Следует также отметить работы по малым рекам с учетом экологического аспекта В. Ф. Бреховских, JI.B. Волкова, В. Г. Дубининой, Ю. М. Косиченко, И. С. Шахова, И. С. Румянцева, А. Н. Попова, P.C. Чалова и др. Из зарубежных ученых, занимающихся научными и практическими вопросами восстановления малых рек, необходимо отметить Д. А. Гора, Э. Е. Херрикса, JI. J1. Осборна, В. Р. Хасфуртера, Б. В. Андерсона, Р.Д. Омар-та, Т. А. Веше, Р. Н. Уингета, Л. Б. Старнеса, С. А. Берджесса, Р. Д. Джуди и других.

Однако, несмотря на наличие значительного объема научно-информационных данных, методов, методик и практических рекомендаций, вопросы мелиоративного обустройства малых степных рек в бассейне Нижнего Дона остаются важными и хозяйственно значимыми.

Малые степные реки Нижнего Дона испытывают разнообразные антропогенные нагрузки, связанные с использованием их земельных, лесных, водных, рыбных, энергетических, минеральных, транспортных, рекреационных и других ресурсов, что влияет на характер движения потоков вещества, энергии и информации в бассейновых геосистемах малых рек. Этот характер отражается в трансформации стока воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций, русловых процессов и гидравлической структуры речного потока. В зависимости от типа, характера и интенсивности нагрузки на малые реки их экосистемы подвергаются значительному физическому, химическому, биологическому воздействию. Уровень этого воздействия и состояние рек определяет тот комплекс мелиоративно-восстановительных мероприятий, научное обоснование которого необходимо и актуально.

Цель исследований — разработать научное обоснование, практические рекомендации и технические средства проведения комплексных мелиораций малых степных рек Нижнего Дона для охраны, восстановления и эффективного использования их природных ресурсов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе единого методологического подхода провести обследование типичных малых степных рек Нижнего Дона и дать оценку их экологического состояния, направлений и интенсивности хозяйственного использования.

2. Установить виды и характер антропогенного воздействия на геосистемы малых рек Нижнего Дона, определить основные причины их деградации, характер реакции природных элементов речных систем на различные виды воздействий и дать оценку происходящих в них изменений.

3. Разработать рекомендации и технологию регулирования гидрологического режима малых степных рек с учетом обеспечения хозяйственного водопользования, рекультивационных попусков и нормативного экологического стока.

4. Разработать новые, апробировать и уточнить существующие методы и методики оценки произошедших изменений условий формирования геостока на водосборе, изменений состояния русел рек, количественных и качественных характеристик вод в них и на этой основе рассмотреть возможные сценарии развития ситуации на малых степных реках.

5. Дать обоснование и разработать методологическую основу мелиораций малых степных рек, предусматривающую комплексное применение различных видов мелиораций, мелиоративных мероприятий, способов, приемов, средств и технологий их реализации.

6. Разработать предложения по созданию мелиоративно-хозяйственных систем на малых степных реках, обеспечивающих проведение мелиораций и сохранение их в экологически приемлемом состоянии, включая техническое и методическое обеспечение функционирования таких систем.

7. Разработать эффективные технологии и конструкции сооружений, обеспечивающие управление водным и наносным режимом малых рек, методики и рекомендации по их расчету, проектированию и эксплуатации.

В соответствии с поставленными задачами предметом исследований являются процессы взаимодействия средств мелиоративного регулирования с природными элементами речных геосистем (водосборами, поймами и руслами рек, их геостоком).

Фактический материал, положенный в основу диссертации, получен автором за период с 1980 по 2002 годы при выполнении научных работ в рамках государственной проблемы 0.85.01 (задание 03.09 — «Разработать рекомендации по оптимальному регулированию русл и стока малых рек для хозяйственного использования с учетом водоохранных мероприятий на прилегающих территориях»), отраслевых планов НИР МСХ РФ и направлений научных исследований НГМА.

Объекты исследования — малые реки и бассейны речных геосистем Нижнего Дона (реки бассейнов Тузлова, Быстрой, Сала, Кагальника-Азовского), а также некоторые реки на Кубани (Челбас, Хабль), в Ставропольском крае (Грачевка, Калаус), в Воронежской области (Скупая Потудань).

Достоверность научных результатов. Основные положения, выводы и рекомендации научно обоснованы с позиций теории вероятности, математической статистики и моделирования на ЭВМ. Опытные данные научных исследований получены в результате использования общеизвестных методик лабораторных и натурных экспериментов, метрологически аттестованных приборов и стандартного оборудования промышленного изготовления. Достоверность научных выводов подтверждается также сопоставлением части результатов с известными данными и материалами исследований других авторов.

Методология исследований. В качестве методологической основы используются системный анализ, прогнозирование, геоэкосистемный подход к изучаемым объектам и явлениям, физическое моделирование, теория и практика регулирования русел и речного стокаосновная часть задач решалась аналитическими и численными методамипри выполнении и анализе результатов натурных исследований использовались современные методы картографического, сравнительного, статистического и графоаналитического анализа.

На защиту выносятся: результаты и анализ материалов полевых и экспериментальных исследований по оценке состояния и обоснованию комплекса мелиоративно-восстановительных мероприятий в бассейновых геосистемах малых рекклассификационная схема причин деградации малых степных рек по видам, характеру и интенсивности антропогенных воздействий, учитывающая реакции элементов речных геосистем на различные воздействияметодика оценки предельно-возможного регулирования стока малых степных рек и его влияние на потенциальные для использования водные ресурсыкомплексная технология оценки изменения геостока малых рек в зависимости от условий его формирования, состояния русла, химико-биологических характеристик и использования ресурсовструктурные классификационные схемы мелиораций малых рек и схема обоснования их целесообразности, показывающие технологию выбора мелиоративных мероприятий в зависимости от показателей необходимого мелиоративного состояния до оценки степени достижения этих показателейобоснование необходимости создания управляемых природно-технических мелиоративно-хозяйственных систем на базе малых степных рекметодики регулирования и расчета гидрологических характеристик и морфометрических параметров малых степных рек Нижнего Дона.

Научную новизну работы составляют: полученные на основе единого методологического подхода данные обследования, результаты анализа режима и состояния типичных малых степных рек Нижнего Донасистематизированные по видам, характеру и интенсивности антропогенного воздействия данные и результаты анализа и обобщения причин деградации речных геосистем, их реакций на различные воздействияметодологические подходы, новые и адаптированные методы и методики оценки состояния малых рек, изменений водных и наносных режимов и состояний руселкритерий предельного уровня регулирования водного стока малых степных рек и методика определения возможного объема доступных для хозяйственного использования водных ресурсов при обеспечении требуемых объемов экологического стока в руслах малых степных рекзависимости и методики регулирования и расчета гидрологических характеристик, морфометрических параметров малых степных рек, разработанные на основе данных исследованийнаучное обоснование комплексных мелиораций малых степных рек на основе их классификации по видам мелиораций, мелиоративным мероприятиям и способам их реализациикомплекс мелиоративно-восстановительных и мелиоративно-хозяйственных мероприятий и предложенный подход к созданию управляемых природно-техногенных мелиоративно-хозяйственных систем малых степных рек, как средств, обеспечивающих восстановление, охрану и рациональное использование их природных ресурсов.

Практическая значимость результатов исследований заключается: в разработанных методиках и рекомендациях по расчету элементов регулирования геостока, водного и наносного режимов и экологического состояния малых рек, включая: методику рекультивационного регулирования речного стокаусовершенствованную для условий малых степных рек методику хозяйственного регулирования стокаметодику расчета регулирования расходов воды в русле ограничением пропускной способности поймысхему и методику расчета регулирования стока рек пойменными копанямиметодику моделирования изменения уровней воды в деформированных руслах малых степных рек для прогнозирования глубин их расчистки при обеспечении оптимального уровенного режима в половодье и меженьметодику определения необходимого подпора уровней воды в реках и сроков их подъема, стояния и спада для управления влажностью в корнеобитаемом слое почвыметодику расчета параметров дноуглубления деградированных русел степных рекметодику расчета нанососбросных трактов в составе плотинных гидроузловв конструктивных решениях сооружений и технологиях, обеспечивающих управление и функционирование мелиоративно-хозяйственных систем малых степных рекв рекомендациях по проведению расчистки и спрямления русел, устройству копаных водоёмов и выполнению рекультивационных работ на участках малых рек.

Реализация результатов работы. Методы обоснования мелиоративно-восстановительных мероприятий и рекомендации по мелиорации малых степных рек использованы в практике проектирования институтов Южводпроект, Южгипрозем, ЦЧОгипроводхоз, Севкавгипроводхоз, а также в деятельности Донского бассейнового водохозяйственного объединения (ДБВО), Государственного учреждения по мелиорации и водному хозяйству «Ростовводэксплуа-тация», в деятельности природоохранных служб местных администраций и отдельных хозяйствпри подготовке инженерных кадров по специальности -" Комплексное использование и охрана водных ресурсов" в Новочеркасской государственной мелиоративной академии. Конкретные разработки и объекты внедрения: «Рекомендации по рекультивации участков рек Тузлов и Крепкая в районе пос. Большекрепинский Ростовской области» — «Мероприятия по рекультивации реки Грушевка в юго-западной зоне г. Шахты» (Шахтинская городская организация ВООП) — «Рекомендации по расположению дамб обвалования для складирования пульпы по методу одностороннего намыва на р. Тузлов ниже с. Крюково» (Ростоблводхоз) — проекты расчистки участков русел рек Тузлов, Грушевка, Гнилая, Кагальник (разработчик Южводпроект) — «Рекомендации по размещению и проектированию рекультивационных мероприятий на малых степных реках» (Южгипрозем) — «Схема восстановления и поддержания экологического равновесия на реках бассейна р. Дон» (Южводпроект).

Личный вклад. Диссертационная работа является результатом более чем 20-летних исследований автора, выполненных на кафедре гидротехнических сооружений НГМА. Постановка проблемы и реализация задач исследований, теоретические, экспериментальные исследования и их анализ, формирование итоговых выводов осуществлены лично автором. Натурные исследования, формирование баз данных осуществлялись сотрудниками кафедры гидротехнических сооружений НГМА с непосредственным участием автора и под его научным руководством. При постановке ряда задач, рассмотренных в настоящей работе и подготовке диссертации, автор получил ценные советы от доктора технических наук, профессора B.C. Лапшенкова и профессора В. Н. Шкуры.

Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на Региональной научно-практической конференции «Совершенствование проектирования, строительства и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных систем Северного Кавказа» (Новочеркасск, 1985), Всесоюзном научно-техническом семинаре «Охрана и рациональное использование водных ресурсов малых рек» (Курск, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве» (Новочеркасск, 1989), научно-техническом семинаре «Экологические аспекты при проектировании и строительстве мелиоративных и водохозяйственных объектов» (Ростов-на-Дону, 1989), Всесоюзных конференциях «Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей» (Москва, 1989, 1994), Научно-практической конференции «Экологические основы природопользования в бассейне Дона» (Воронеж, 1991), Региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования и экологической защищенности мелиоративных систем» (Новочеркасск, 1991), Региональной научно-технической конференции «Проблемы мелиорации и экономики Юга России» (Новочеркасск, 1993), Областной научно-технической конференции «Проблемы ирригации в Ростовской области» (1995), Всероссийской научнопрактической конференции «Кадры и научно-технической прогресс в мелиорации» (Новочеркасск, 1996), Всероссийском совещании «Управление устойчивым водопользованием» (Москва-Екатеринбург, 1997), Международном симпозиуме «Чистая вода России» (Екатеринбург, 1997), Всероссийской научно-практической конференции (Новочеркасск, 1998), VI геологическом форуме «Природные ресурсы стран СНГ» (Москва, 1998), Региональной научно-практической конференции по актуальным проблемам мелиораций (Новочеркасск, 2000), Международном симпозиуме «Чистая вода России-2001» (Екатеринбург, 2001).

Результаты исследований опубликованы в 38 печатных работах общим объемом 40 п.л.

Структура и объем работьь Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (251 наименование). Общий объем диссертации 321 страница, в том числе 89 рисунков, 28 таблиц, 2 приложения.

Выводы по главе.

1. Регулирование русловых процессов в рамках МХС сводится к поддержанию хорошо промытого русла с необходимой пропускной и дренирующей способностью. Средствами регулирования являются: рекультивационные попуски, ограничение пропускной способности поймы, задержание наносов на подступах к реке, расчистка (дноуглубление) русла, снижение интенсивности заиления водохранилищ, русловыправительные сооружения.

2. Анализ условий движения и осаждения наносов в малых водоемах позволил разработать простую методику расчета наносохранилищ для задержания фракций наносов крупнее 0,05−0,07 мм и предложить конструкцию входного оголовка водоспуска-водосброса, обеспечивающую полное удаление воды после осаждения наносов.

3. На основе фактического материала по морфометрии малых степных рек получены значения параметров формы русла в выражение связи между средней глубиной и шириной по С. Т. Алтунину Вт = кН. Установлена зависимость этих параметров от расходной характеристики русла при руслоформи-рующем расходе воды. Выполнена оценка точности вычисления руслоформи-рующего расхода с учетом полученных параметров и по фактическим поперечным профилям. Погрешность вычисления не превышает 16,3%. Исследование морфологии малых степных рек позволило обосновать методику определения параметров их расчистки и методику оценки последствий расчистки на дренирующую способность русла.

4. Технология расчистки русел методом гидрорыхления требует увязки всего технологического цикла и должна проводиться в комплексе с рекульти-вационным попуском и расходами воды в половодье, что обеспечивает не только удаление взмытых отложений за пределы участка расчистки, но и частично решает проблему складирования илов на пойменных массивах «естественным» путем. Последнее особенно желательно при удалении из русла загрязненного ила.

5. Анализ данных полевых исследований заиления прудов и водохранилищ в степной зоне, а также условий движения донных плотностных потоков, обусловленных твердым стоком, позволил получить зависимость для оценки понижения «потолка» мутного потока при подходе его к донным сбросным сооружениям: hi = udi (Wi~Vi)!Q.

Использование технического решения Д. Я. Соколова для удаления наносов из придонной области отстойника с непрерывным гидравлическим промывом позволило предложить совместно с B.C. Лапшенковым для проектирования конструкции нанососбросных трактов в составе водосбросных сооружений напорных гидроузлов. Экспериментальными исследованиями установлены факторы, влияющие на пропускную способность НСТ, получены зависимости для оценки изменения пропускной способности водосбросного сооружения, оборудованного НСТ, а также распределения сбрасываемого расхода воды между трактом и поверхностным водосбросом. Приводятся рекомендации для проектирования НСТ.

6. Регулирование русел малых рек на относительно коротких участках может осуществляться, в основном, «биологическим» креплением берегов и устройством донных наносоуправляющих порогов.

Следует отказаться от схемы «интенсивного» использования малых степных рек, основанной на предположении, что речной комплекс может дать человеку больше, чем в ненарушенных условиях. Принципы «умеренности» и рассредоточенности потребления по длине реки, с учетом ее потенциальных возможностей и стимулирования природных процессов воспроизводства ресурсов, позволяет избежать ошибок прошлого и исключить необходимость крупномасштабных регулировочных работ в руслах рек, поскольку причиной этой необходимости является именно стремление человека получить от реки больше, чем она может отдать.

6. ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ РЕКОМЕНДАЦИЙ.

В качестве примера приводятся общие рекомендации по созданию в бассейне р. Тузлов мелиоративно-хозяйственной системы, которые кратко изложены автором в работе [105], а также ряд конкретных мероприятий, использованных в проектной практике Южводпроекта, Южгипрозема.

6.1. Задачи мелиорации реки Тузлов.

Полевые исследования и их анализ свидетельствуют о неудовлетворительном состоянии рек бассейна Тузлова. Главные причины: чрезмерная распа-ханность водосбора до бровок и урезов воды, истощение стока многочисленными прудами и неправильно эксплуатируемыми водохранилищами, забор воды на орошение в объеме, не обеспеченном регулированием стока. Это привело к обмелению и зарастанию русла, к подъему уровня грунтовых вод на пойме и прилегающим надпойменным территориям и к значительным потерям стока на испарение.

Процесс деградации — прогрессирующий. Поэтому ухудшение состояния рек будет продолжаться и дальше до полного отмирания рек: вместо русел рек останется небольшое углубление, заросшее тростникомподнявшийся уровень грунтовых вод сделает поймы непроходимыми и они зарастут соответствующими болотными гидрофитами, вода во время ливней и таяния снега будет сбегать по пойме, но она будет уже не в силах размыть (или сохранить) себе русло в заросшей пойме, так как водолюбивая растительность существенно уменьшает скорости потока, оставляя их меньше размывающих. Уже отмерли многие километры верхних участков рек, превратившись в балки с заболоченным или пересохшим дном.

Из изложенного следует первая задача: остановить дальнейшее ухудшение состояния рек. Этого можно достичь выполнением защитных мероприятий. Некоторые из них требуют материальных затрат: перенос летних лагерей и ферм из водоохранных зон, достаточная очистка сточных вод, перебазирование мест хранения удобрений и ядохимикатовбезусловно, требуется проведение противоэрозионных мероприятий в водосборном бассейне (гидротехнических, лесомелиоративных и др.). Однако эти необходимые мероприятия не сразу и не везде остановят процессы деградации. Заросшее русло будет продолжать заиляться. Интенсивность заиления уменьшится, если уменьшится объем твердого стока с водосборного бассейна.

Для активизации процессов восстановления речной системы требуется реализация мероприятий по изменению схемы регулирования стока, регулированию расходов и уровней воды, стока наносов и русловых процессов. Наиболее необходимым является выполнение программы попусков по руслу русло-формирующих расходов воды.

Смысл восстановления реки состоит в использовании ее собственных ресурсов. Поэтому второй главной задачей является рациональное использование водно-земельных ресурсов рек бассейна Тузло-ва. Водами рек бассейна орошалось около 8 тыс. га. Созданием технических средств управления имеется возможность сохранить эти поливные земли, только необходимо обеспечить их сезонным регулированием стока. Водные ресурсы Тузлова с притоками позволяют это сделать без забора меженного стока. Более того, перевести ныне орошаемые земли на питание талой водой совершенно необходимо как можно быстрее. Дело в том, что меженные воды больше, чем наполовину состоят из шахтных вод с высокой минерализацией. Содержание солей в реках Грушевка, Малый Несветай и другие составляет около 3 г/л, что недопустимо для орошения. Полив такой водой приводит к утрате орошаемых земель. В водохранилищах и в пойменных копанях при правильной их эксплуатации будет аккумулироваться в основном снеговая и дождевая вода. В основном такая же вода будет применяться для затопления пойменных лиманов.

Решение этих задач может быть осуществлено выполнением необходимых и указанных ниже конкретных мероприятий, строительством необходимых сооруженийвсе это является техническими средствами управления режимом охраняемых рек, подчиненных задаче получения наибольшей продуктивности. Реки бассейна превращаются в элементы управляемой мелиоратив-но-хозяйственной системы. Для нормальной работы этой системы необходимо эксплуатационное производственное подразделение — управление Тузловской мелиоративно-хозяйственной системой, которой надо дать права дирекции строящегося объекта (права заказчика, который впоследствии будет эксплуатировать систему). Охрана рек в значительном объеме будет осуществляться через научно обоснованную технологию использования водных и земельных ресурсов рек.

Следует отметить, что ниже приведенные мероприятия при накоплении опыта эксплуатации могут быть дополнены, в особенности, хозяйственными мероприятиями. Именно их реализация дает возможность получить дополнительный продукт и прибыль. И тогда Тузловская мелиоративно-хозяйственная система становится самоокупаемым предприятием, осуществляющим свое воспроизводство и охрану рек за счет этой прибыли.

6.2. Состав и размещение элементов мелиоративно-хозяйственной системы в бассейне реки Тузлов (Тузловская МХС).

Результаты изучения фондовых материалов, обследований и исследований являются основой для проведения на реках комплекса мероприятий, перечень которых приводится в табличной форме (таблица 26).

Схема расположения хозяйственных и рекультивационных водохранилищ, а также створов для учета характеристик рекультивационных попусков приведена на рисунке 88. Значения расчетных расходов воды по опорным створам сведены в таблицу 27.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В современных условиях антропогенного воздействия на малые реки решение проблемы охраны и рационального использования их ресурсов связано с необходимостью создания комплексной (оптимальной) экологически приемлемой системы управления природопользованием в бассейнах рек. Ведущим направлением создания такой системы в сложившихся условиях состояния малых степных рек Нижнего Дона является их мелиоративное обустройство. Несмотря на давнее историческое происхождение и широкое применение, мелиорации малых рек носили преимущественно некомплексный характер, что объясняется отсутствием системного подхода к рассмотрению их сути, видов, способов, приёмов и технологий, что, в свою очередь, сдерживало разработку мелиора-тивно-хозяйственных систем малых рек.

Основные научные результаты исследований, полученные автором, заключаются в следующем.

1. Малые реки Нижнего Дона в своем современном состоянии достигли того уровня, когда их режим полностью определяется антропогенной деятельностью как на водосборе, так и в русле, причем, изменения имеют в большей степени необратимый характер. Исследованиями типичных малых степных рек Нижнего Дона установлено, что при сложившейся схеме регулирования их стока, доступные для использования водные ресурсы составляют 45−50% от годового стока рек 75%-ной обеспеченности. Возрастание зарегулированности стока и потерь на испарение (с севера на юг) привело к снижению объема доступных для использования водных ресурсов до 10%, а в отдельных бассейнах рек они отсутствуют совсем. Дефицит водных ресурсов на части малых рек от осуществляемого забора составляет 23,5% годового стока. Водно-ресурсный потенциал рек Сал и Кагальник (Азовский) полностью, но нерационально использован.

2. Разработана структурная схема антропогенных воздействий стимулирующих деградационные процессы на малых реках, включающая описание системы причин деградации, реакций элементов речной системы и характера изменений в ней, а также последствий деградации. Схема положена в основу разработанного комплекса мелиораций малых рек.

3. Разработана «Методика оценки возможного регулирования стока малых степных рек и его влияния на потенциальные водные ресурсы». Получена зависимость, позволяющая установить предел (оптимум) регулирования стока малых рек. Недостижение или превышение значения оптимума приводит к уменьшению доступного для использования водно-ресурсного потенциала реки.

Обоснована возможность полного зарегулирования стока на балках при условии отказа от регулирования его в русле и обеспечения транзитного пропуска остаточного стока, что позволяет обеспечить санитарно-экологическую проточность и доступный для использования ресурсный потенциал в объеме, несколько меньшем установленного предела.

4. Установлено, что в условиях малых степных рек Нижнего Дона при отсутствии или недостаточности гидрологических данных наблюдений за стоком в периоды с разной интенсивностью (уровнем) антропогенной нагрузки сравнительная оценка изменения состояния этих рек может быть получена применением четырех известных методов оценки (по изменению условий формирования стока, по изменениям состояния русла, качества вод и биопродуктивности). На базе этих методов в комплексе с водобалансовыми расчетами разработана методика качественной и количественной оценки изменения состояния малых рек. Показано, что при большом количестве прудов и водохранилищ, устроенных в бассейнах малых степных рек, дефициты стока проявляются в том числе и из-за низкого уровня управления его регулированием. Внутригодовые дефициты санитарно-экологической проточности на малых реках Нижнего Дона связаны не столько с недостатком стока, сколько с отсутствием у многих подпорных сооружений регулируемых водовыпускных сооружений (водовыпусков).

5. Показано, что для восстановления деградированных малых степных рек при полном использовании их ресурса (природного потенциала) необходимо обеспечить комплексное и системное управление гидрологическим режимом (регулированием расходов, уровней, стоком наносов и русловых процессов) и состоянием рек, реализуемое с учетом природных возможностей рек, допустимого уровня антропогенной нагрузки и их природно-климатических особенностей.

6. Определено существо и содержание мелиоративной деятельности на малых реках, выделены основные направления и принципы мелиораций рек. Для упорядочения системы видов мелиораций, мелиоративных мероприятий, способов, приемов и технологий их реализации предложена «Структурная классификационная схема мелиораций рек». Разработана схема обоснования целесообразности мелиораций от целевого предназначения и показателей необходимого мелиоративного состояния до оценки степени достижения этих показателей мелиоративными мероприятиями.

7. Установлено, что улучшение (мелиорация) рек заключается не только в строительстве сооружений и реализации комплексных мероприятий, но и в соблюдении научно обоснованных режимов эксплуатации, что возможно созданием на реках управляемых речных мелиоративно-хозяйственных систем (МХС). В основу функционирования МХС положен принцип искусственного (с учетом природного фона) формирования таких режимов, при которых стимулируются и используются естественные (природные) силы и восстановительные процессы. Управление режимами предусматривает регулирование расходов, уровней и скоростей течения, стока наносов и русловых процессов, качества воды и состояния фитои зообиоценозов.

Для бассейна р. Тузлов на основе изучения фондовых материалов и полевых исследований выполнены проектные предложения по размещению технических средств и их эксплуатации в составе Тузловской МХС.

8. Решены на основе теории регулирования стока общие методологические вопросы рекультивационного регулирования стока малых рекполучены расчетные зависимости, связывающие регулирующую ёмкость и продолжительность рекультивационного попуска с его расходом и характеристиками гидрографа половодьяпредложена методика определения параметров попуска и ёмкости водохранилища для его осуществленияусовершенствована методика хозяйственного регулирования стока применительно к степным рекам с учетом рекультивационного регулирования и санитарно-экологической проточно-сти по руслу. Обоснован способ ограничения пропускной способности поймы с целью активизации руслового процесса в половодьепредложены зависимости, выражающие функциональную связь увеличения скорости потока в русле от степени «сжатия» пойменного потока, относительной ширины поймы, расходов, глубин и шероховатости в русле и на пойме до обвалованияэкспериментальными исследованиями обосновывается необходимость увеличения числа ¥-г в 2,2−3,2 раза при моделировании русел рек в мелкопесчаных отложениях. Рассмотрены вопросы регулирования расходов воды, связанные с управляемым затоплением пойменных массивовразработаны схемы и методика расчета этих мероприятий. Предложена схема расчета пойменных копаней, как альтернативы русловым прудам, и являющимся наиболее безопасным для режима реки хозяйственным мероприятием.

9. Разработаны методологические вопросы регулирования уровней воды в малых реках, подверженных деградации. Предложена процедура «моделирования» уровней в деформированных руслах, позволяющая вычислять глубину их расчистки из условия обеспечения оптимального уровенного режима в половодье и межень. Обобщена и усовершенствована методика определения необходимого подпора уровня воды в реке для управления влажностью в корнеобитаемом слое почвы. Приведена общая характеристика подпорных сооружений для малых рек, отмечены недостатки каждого типа конструкций, которые в конкретных условиях могут стать серьезным препятствием для использования их на малых реках. Гидравлическими исследованиями показана работоспособность модернизированной конструкции пневмодействующего затвора с подводом воздуха П-образным воздуховодом и определены условия устойчивого всплытия её водорегулирующих элементов.

10. Обоснованы способы регулирования твердого стока малых рек путем задержания наносов на подступах к реке, снижением интенсивности заиления водохранилищ, расчисткой русла и русловыправительными сооружениями. Получена эмпирическая зависимость морфологических характеристик малых рек Нижнего Дона от руслоформирующего расхода воды. Обоснованы методики определения параметров расчистки. Разработан технологический цикл расчистки русел методом гидрорыхления и предложена схема его расчета. Гипотеза о возможности образования донных плотностных потоков, обусловленных твердым стоком, в малых водохранилищах подтверждена анализом полевых исследований их заиления. Решена задача определения пропускной способности нанососбросных трактов в составе гидроузлов, разработаны рекомендации для их проектирования.

Комплекс выполненных теоретических и экспериментальных исследований и полученные на их основе результаты (методики, технологии, классификации, расчетные зависимости) составляют методологическую основу для создания совершенных, экологически приемлемых мелиоративно-хозяйственных систем малых степных рек, обеспечивающих рациональное использование и охрану их природного потенциала. Примером тому может служить Тузловская мелиоративно-хозяйственная система.