Исследование водного режима крупных долинных водохранилищ: На примере Камских на основе системно-диалектической методологии

пониманием значимости водного режима любого объекта. Применительно к водохранилищам это означает, что основой их системной экологии является экология водная — со своим вполне определенным кругом основных понятий, принципов, законов и методологии исследований.

Цель работы.

На основе комплексных исследований Камских водохранилищ и системного подхода к выделению, постановке и решению практических задач создать и обосновать общеметодологические принципы изучения сложных систем и механизм их реализации на примере водного режима Камских водохранилищ как крупных искусственных водоемов долинного типа.

Задачи и методика исследования.

Основными задачами являются: 1) создание структурно-функциональной схемы процессов и явлений, позволяющей на единой методологической основе оценить закономерности взаимодействия элементов, составляющих систему на определенных иерархических уровнях- 2) применение созданной схемы для определения, расчета и анализа основных характеристик водного режима- 3) использование полученной системы абсолютных характеристик и относительных показателей для решения некоторых прикладных задач в области гидравлики, гидрофизики, гидрохимии водохранилищ и других целей.

Методика исследования базируется на диалектическом способе познания мира, гипотетико-дедуктивном методе логического мышления, эко-и геосистемных принципах изучения природных систем. В качестве основополагающего принципа принято, положение о дискретно-континуальном характере природных процессов, который реализуется через потоки вещества и энергии, осуществляемые в свою очередь через водный режим любого природного объекта. Для решения прикладных задач используются общепринятые методы гидравлики, гидрофизики, гидрологии. объекты исследования и материалы.

Объектом исследования являются Камские водохранилища — Камское и Боткинское, имеющие довольно длительный срок (40 и более 30 лет соответственно) существования и изучения — как натурного, так и аналитического. Оба водохранилища долинного типа, занимающие последовательное положение в каскаде.

Материальной основой работы являются результаты проведения по.

— б левых работ с частичным участием авторарасчеты, выполнявшиеся под руководством или при непосредственном участии последнегосведения, имеющиеся в Гидрологических ежегодниках и научной литературе, а также фондовые материалы.

Научная новизна работы.

1. Создана и обоснована системно-диалектическая методология (СДМ) изучения крупных водохранилищ, как сложных природно-антропо-генных систем.

2. Предложен механизм реализации СДМ для всех компонентов природной системы.

3. Предложена система показателей для всех процессов одного иерархического уровня.

4. Выполнена проверка предложенной методологии на примере одного из элементов системы — водного режима.

5. Получено конкретное числовое выражение показателей водного режима — водного баланса и его динамики, органически увязанных между собой, для основных морфоучастков и районов Камских водохранилищ по основным фазам водного режима.

6. Предложена методика расчета расходов воды транзитного течения через замыкающие створы участков долинных водохранилищ.

7. Определен физический и системный смысл предложенного коэффициента проточности с позиции СДМ.

8. Предложена методика расчета и анализа баланса минеральных веществ.

9. Рассчитан тепловой сток с участков водохранилищ и оценено их тепловое взаимодействие с окружающей средой.

10. Определена шероховатость ложа водохранилищ и особенности внутреннего водообмена.

11. Получен план транзитных течений — как основа для оценки течений нерегулярного характера, в том числе ветровых. предмет защиты.

1. Создание, обоснование и применение системно-диалектической методологии — от общенаучного уровня до решения практических задач, на примере исследования водного режима крупных долинных водохранилищ.

2. Структурно-функциональные схемы взаимодействия природных процессов в системе водохранилища.

3. Структурно-функциональная схема применительно к водному режиму — как способ его анализа и реализации СДМ.

4. Разработанная методика определения водного баланса участков водохранилищ по основным фазам водного режима.

5. Применение полученных результатов для расчета химического и теплового балансов, а также для оценки процессов внутреннего водообмена и динамики водных масс водохранилищ.

Практическая реализация результатов исследований.

Результаты работы внедрены в практику и используются при выполнении научных исследований и хоздоговорных работ кафедры Гидрологии суши и Лаборатории комплексных исследований водохранилищ Естественно-научного института ПГУ. Системно-диалектическая методология положена в основу планирования и постановки задач исследования Камских водохранилищ. Автор доклада является либо руководителем, либо сору-ководителем следующих работ, где используется предложенная им методика расчета: 1. «Методические указания по оценке степени изменений гидрологического режима в результате создания водохранилищ и при изменении регламентов их эксплуатации. Разработать методические указания и нормы по предотвращению вредного влияния водохранилищ на окружающую среду севера Европейской части СССР» (1975;1976) — 2. «Вопросы обоснования рациональной эксплуатации Камского водохранилища в связи с народно-хозяйственным и гражданским освоением водоемов и прилегающих территорий» (1975;1976) — 3. «Методические указания по расчету химического баланса водохранилищ и их частей, а также изменению его составляющих при смене регламентов эксплуатации ГЭС и территориальных перебросках стока» (1979) — 4. «Разработать прогноз экологических изменений водоемов Камского каскада в связи с переброской части стока северных рек в р. Волгу» (1980;1981) — 5. «Разработать прогноз экологических изменений водоемов Камского каскада в связи с переброской части стока северных рек в р.Волгу. Современное состояние, оценка и прогноз гидрои геодинамических процессов, донных отложений, качества воды и биологической продуктивности Камского водохранилища» (научная программа Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы». Комплексная целевая подпрограмма «Кама») (1982;1984) — 6. «Комплексные экологические исследования водоемов и водотоков бассейна Камы, включаемых в тракт переброски стока северных рек» (подпрограмма «Кама») (1985) — 7. «Гидрологическое и экологическое заключение для строительства мостового перехода через р. Об-ву» (Пермгипроводхоз, 1995).

Основные принципы системно-диалектической методологии были использованы автором при составлении программ дисциплин «Гидравлика с основами гидромеханики» и «Гидрофизика» по типовому учебному плану специальности Гидрология [53, 54, 58, 59] для государственных университетов (1991,1996).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были доложены и одобрены на Всесоюзных научных съездах, конференциях и координационных совещаниях: на IV и V Всесоюзных гидрологических съездах {Ленинград, 1975, 1986) — симпозиуме МГП XXIII Международного географического конгресса (1976) — Всесоюзных лимнологических совещаниях по «Круговороту вещества и энергии» (Иркутск, 1981, 1985) — Координационном совещании во ВНИИГе по влиянию водохранилищ ГЭС на хозяйственные объекты и природную среду (Ленинград, 1979) — Научно-практических конференциях и семинарах (Пермь, 1984, 1987, 1991, 1994) — XXVIII научной конференции по вопросам изучения влияния водохранилищ на природу и хозяйство (Калинин, 1970) — Всесоюзной научной конференции по проблемам комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна Волги (Пермь, 1975) — Школах-семинарах ИБП АН СССР в Звенигороде (1988) и Ростове (1989) — Международной научно-практической конференции «Регион и география» (Пермь, 1995) — ежегодных научных отчетных конференциях ПГУ, а также заседаниях секции водохранилищ при Роскомводе (Борок, 1988, 1990, 1992, 1993, 1997).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 60 научных работ из их общего количества 80- результаты представленных исследований отражены в 13 отчетах из 30, в которых участвовал автор. Все они имеют государственную регистрацию. Научный доклад является обобщением результатов теоретических и методологических исследований, выполненных лично автором и под его руководством.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

Современная ситуация в развитии общества, производства и культуры характеризуется всеобщим общественным и научным интересом к.

— д проблемам окружающей среды. В особенности это относится к проблемам создания, использования и изучения водохранилищ, которые за всю историю своего существования вызывали к себе самое разнообразное отношение — от восхищения их техническими «возможностями» до ненависти к ним и их создателям за изменение ими природной среды, и как следствие, желание их уничтожить. Однако, благодаря многоаспектному и разностороннему исследованию различных водохранилищ становится все более ясно, что: во-первых, за годы существования водохранилищ в природной среде произошли необратимые изменения, и попытка снова вмешаться в ход ставших «стабильными» процессов может привести к катастрофическим последствиям (не говоря об экономических затратах) — во-вторых — само существование человека и человеческого общества неизбежно воздействует на развитие природных процессовв-третьих проблема не в прекращении воздействия на эти процессы, а в изучении этого воздействия с целью такого использования природных и природ-но-антропогенных объектов, которое обеспечивало бы выполнение необходимых экологических требований.

Решение задач, связанных с экологической оценкой водохранилищ (как, впрочем и других водных объектов), зависит от специфики самих водных объектов, методологических и методических возможностей фундаментальной экологии, а также от наличия необходимого натурного материала и его репрезентативности во времени и пространстве.

Не вдаваясь в анализ существующих представлений об экологии как науке, отметим лишь их неоднозначность, несмотря на которую общепринятым методолологическим принципом фундаментальных экологических исследований является экосистемный подход. Последний представляет научное направление, основанное на количественном описании взаимосвязанных процессов вещественно-энергетического обмена в экосистемах, являющихся некоторым целостным образованием природной среды.

Понимание законов развития природных систем в условиях антропогенных воздействий связано с четким представлением об иерархии экосистем, их вертикальных и горизонтальных взаимодействиях. Неизбежные изменения, происходящие в отдельных частях экосистем под влиянием человеческой деятельности, ведут прямо или опосредованно к изменениям в других их частях, вследствии «открытости» природных систем и к изменениям в соседних системах и далее. Н. Ф. Реймерс [1994] справедливо отмечает, что в природе одновременно существует непрерывность и дискретность, и хотя в природе практически нет жестких грагЬе^А,*-) «ниц, тем не менее существует необходимость строгой классификации природных объектов. Это в одинаковой степени относится ко всем сферам Земли, в том числе и гидросфере. Различия между существующими водными объектами на суше при их включенности в общий круговорот вещества и энергии — очень существенны, поэтому водохранилища, где и каким образом они бы ни были созданы, становятся совершенно новыми видами экосистем.

Согласно С. Д. Муравейскому [1934] «было бы большой ошибкой механически переносить выводы, сделанные в отношении процессов, происходящих в озерах, на процессы, совершающиеся в водохранилищах (а некоторые пытаются это сделать)». Если в естественном водном объекте экосистема, сформировавшаяся в течение длительного времени, может эволюционировать естественным образом, то в искусственном — этот процесс значительно усложняется. В этой связи вопрос о специфике водохранилищ приобретает особое значение.

Водохранилища, созданные человеком для различных целей, вошли в круг водных объектов, как неотъемлемая часть процесса стока и общего круговорота вещества и энергии, независимо от происхождения — возникли ли они на основе уже имеющихся водотоков и водоемов или за счет заполнения водой специально созданных емкостей. Цели хозяйственного использования водохранилищ предполагают искусственное регулирование ими водного стока, связанное с одной стороны с потребностями населения, энергетики, транспорта и т. п., с другой — с возможностями осуществлять это регулирование, зависящими от режима источника питания (речной сток, атмосферные осадки, подземные воды и т. д.), обусловленных исключительно естественными факторами.

Отсюда — разнообразие генезиса, естественных природных условий и морфологии водохранилищ в совокупности с многообразием видов и форм хозяйственного использования и различным сочетанием типов регулирования, привело к тому, что водохранилища стали наиболее сложными среди прочих водных объектов суши и по своей структуре, и по характеру функционирования, и по особенностям развития. Совокупность и взаимодействие элементов естественного и общественного характера, обладающих качественно разными свойствами, превращают водохранилища из водных объектов в объекты социально-гидроэкологические, обладающие сугубо специфическими чертами, отличающими их от других водных объектов даже при условии активного хозяйственного использования последних.

Первая из них связана с самим явлением их создания. Возникновение водохранилища (в большинстве случаев превращение в него озера или участка реки) происходит практически «мгновенно» [Матарзин, 1977]. Это приводит к чрезвычайной интенсификации всех процессов переформирования прежнего режима и формирования нового — по всему кругу природных явлений, в то время как период, в течение которого сформировались современные природные объекты, достаточно продолжителен. Вторая из основных специфических черт обусловлена характером эксплуатации водохранилищ [11, 12, 34]. Регулирование стока осуществляется по определенному плану, который может меняться за длительный период эксплуатации и который обусловлен социально-экономическими функциями искусственного водоема. Отсюда — неустоявшийся режим всех процессов, удаляющих на бесконечно большое временное расстояние период стабилизации водоемных процессов. Третья особенность характеризует проявление процессов естественного характера в условиях антропогенных ограничений (регулирование и пр.), отличающее водохранилища от тех водоемов, на базе которых они были созданы. Во-первых, это касается внутриводоемных — гидрофизических, гидродинамических, гидрохимических, гидробиологических — процессов. Во-вторых, вследствие и самого создания нового водоема, и внутриводоемных изменений, нарушается сложившееся относительное равновесие в природной системе, частью которой является водоем (в том числе и нижний бьеф плотины ГЭС). В-третьих, экологическая перестройка окружающей среды приводит и к изменениям в хозяйственном комплексе окружающих водоем территорий, то есть, к появлению многочисленных обратных связей в системе водоем-окружающая среда [10, 14, 23].

Все это делает водохранилища очень сложными и внутренне противоречивыми водными объектами, что обусловлено особым соотношением зональных составляющих их генезиса с целенаправленным характером управления человеком процессами стока. Поэтому при всей обусловленности естественных (физических, химических, биологических) процессов их внутренней, не зависящей от человека сущностью, искусственные водоемы относятся преимущественно к азональным природным системам.

Отмеченные общеспецифические черты водохранилищ, неотъемлемо присущие всем им, различным образом проявляются в каждом конкретном водоеме, делая его уникальным с сугубо индивидуальной структурой, что заставляет вносить определенные поправки и ограничения в общепринятые методы исследований водных объектов разных типов или даже отказываться от них, используя исключительно эмпирический подход. Кроме того, сами водохранилища чрезвычайно неоднородны по морфост-руктуре отдельных их частей, что требует детального рассмотрения особенностей каждой из них, а это, в свою очередь ведет к недостаточности использования неких осредненных или общих показателей для всего водоема в целом. При исследовании каждого по-своему уникального водохранилища, состоящего из неоднородных морфологических частей, необходимо учитывать особенности их взаимодействия, не сводя целое к простой сумме составляющих.

Все это значительно затрудняет исследование водохранилищ как теоретически, так и эмпирически. Путь от частного к общему, путь эмпирических обобщений слишком долог по причине уникальности каждого водоема и его частей. Противоположный же путь — от общего к частному — пока не сформировался в связи с отсутствием представлений об «идеальной» модели водохранилища.

К настоящему времени накоплен достаточно объемный исследовательский материал, посвященный изучению отдельных водохранилищ, процессам формирования их водного режима, гидрофизического, гидрохимического и гидробиологического комплексов по отдельности и во взаимосвязи между ними. По мере накопления материалов наблюдений на водохранилищах разных — величин, генезиса, морфологии увеличивалось число учитываемых факторов, систематизировались и обобщались результаты исследований по отдельным водохранилищам и группам водоемов. Об этом свидетельствует довольно значительное число опубликованных работ — от множества статей и тезисов до сравнительно немногочисленных обобщений и изданий справочно-информационного характера.

Не ставя своей целью детальный анализ состояния изученности водохранилищ, отметим лишь в этой проблеме те аспекты, которые непосредственно касаются темы научного доклада, тем более, что во-первых к настоящему времени опубликовано более 35 тыс. работ, в во-вторых, довольно детальный обзор публикаций, посвященных водохранилищам, был выполнен В. С. Сметаничем [1974], затем Ю. М. Матарзиным [1977], а монографическое издание «Водохранилища и их воздействие на окружающую среду» [1986] позволяет судить о степени изученности отдельных процессов и явлений, конкретных водохранилищ, а так же об удельном весе комплексных исследований в широком географическом плане.

Среди частных исследований имеются работы различного характера, как базирующиеся на материалах эпизодических или кратковременных наблюдений, так и детально освещающие развитие тех или иных процессов по достаточно объемному натурному материалу. Последние из них и позволяют судить о развитии и глубокой разработке отдельных сторон режима водохранилищ, осуществленной ведущими учеными-водохранилищни-ками (Табл.1). Перечисленными проблемами занимались и другие ученые, отметить которых в рамках доклада не представляется возможным.

Как видно, исследователями освещен очень широкий круг проблем, связанных с всесторонним изучением новых водных объектов и их взаимодействием с окружающей средой. И все же, несмотря на новизну постановки задач, оригинальность, научную и практическую ценность, вопросы комплексности относятся, в основном, к решению частных проблем. Они, как правило, освещают создание и комплексное использование водохранилищ [ А. Б. Авакян, В. П. Салтанкин, В. А. Шарапов и др.] и вопросы охраны природы в связи с неблагоприятными последствиями создания новых водоемов [В.М.Широков, А. Б. Авакян, С. Л. Вендров, К. Н. Дьяконов и др.]. Очень мало обобщающих работ по отдельным водохранилищам — их не более десяти, но и в тех либо анализируются отдельные аспекты (например, качество воды), либо дается весьма краткая характеристика физико-географических и гидрологических особенностей. Более всего «повезло» водохранилищам Верхней Волги, включая Рыбинское [Н.В.Буто-рин и др.], москворецкой системы [К.К.Эдельштейн и др.] и Камского каскада [Ю.М.Матарзин и др.], по которым имеются крупные научные обобщения. В последнее время появились обобщающие работы по малым водохранилища^ [В.М.Широков, М.Я.Прыткова], которые вносят существенные дополнения в познание искусственных водоемов.

Наиболее полной по кругу освещенных проблем является монография «Водохранилища и их воздействие на окружающую среду» [1986], в создании которой участвовали все ведущие исследователи водохранилищ и где подведены итоги их исследований и определены их дальнейшие задачи .

За рубежом решаются те же частные проблемы, имеющие в большинстве случаев узкую практическую направленность.

Поэтому до сего времени актуальными являются такие исследования водохранилищ, которые показали бы совокупность и многообразие процессов в их взаимосвязи как внутри водоема, так и в системе водоем-территория, отразили бы их как на теоретическом уровне, так и в конкретных условиях. Наконец, и сейчас актуальны мысль С.Д.Муравейс-кого о необходимости «получить более или менее точное представление.

Таблица ;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ В 06ЯЙСТЙ ИЗУЧЕНИЯ В0ЩИШЩ т.

Теяа исследован"! Ведуме исследователи ! 1.

Тнмгаци", классификации водохраиилн" и «х морфология А.В.йвакян, Н.8.Баранов, В.&.Бегвсловский, С. Я. Еенлроь, | С.Д.Йураве"ски», ?И.И.Ноеосепьски", И. Я. Натарвин, Г. Б.Нель-1 ников, Х. А. Фортунатов, В.А.1арапвв. 8.В.1крокав. КД. Здв— льете"", В. Н. Тииченке, Й. К. Нацкевнч, в др. 1.

Гидрологическая роль водокраиили" в обде* круговороте вещества Преобравоваине процесса водного стока €.8.Нуравв"ски". С. Л. Вевдров, Н. И. Львович, В. Н. Матарвин, й, й,1"мох"коб. З. А. Викулина.

Перераспределение впества 0, А, Але*ии, Н. Й. Вочков, Б. Георгиев, А.А.Зени", В.Н.Натар-зин, Й. А. Печерккн, К. Й. Прыткоеа, Й. Н. Тарасов, Г. И. Санов, В. Й. Иироков, КД. Зделыпе"", Г. б.Яопатив, Н. И. Наккавеев.

Гидрологический реет" водохранилт Процессы водообиена и водный реши Е.В.богосвовски", Н. Й. Буторин, Я, й.5у8ровин, й.С.Литвинов, М. Катарзин, Р. А. Немцовский, В.й.Знаке"""-, Н. Г. Ервова, В. Н. Итефаи, В. И. Тимченко, К.К.Здель"те"н, Т.П.|евяткоеа.

Гидроди"г*ическйе процесс" (течение, волнение н пр.- А.Я.браславскин, Н.В.&утории, С.А.5в"нс№, А. В. Карауиев, 1 «. С. Литвинов, В. В. Курдин, 1.Н.""патова, С. И. Тачалов, й.С.1 Судольск*», Л,(.Чигиринский, Р.А.Йежиковски" |.

Терииеа, а ледовые явлении С. С. Вакаетов, Н. В. Вуторив. М. Евдин, Р. Мовченко, Я.Я.1 Готмб, 8.М.1шп< Н. Й. Свкопькиков, 6.С.Литвинов, Й.М.На-| тара*", О. Россииски", Н. В. Гииченко, Й.Н.Стеиевскз", 8.1', 1 Калинин. Т. В. Вдрова ].

Геодиханические процесс" формирований берегов * попа б.Б.Пуики". Г. С. Золотарев. В. Е. Кондратьев, Н. Г. Кочугин.] Н, Г,6грава*ввпи, Я.&.Ртаовски", в.Я.&фоеов, М. Коибуге-] ва, В. С. Кусеовсивя, В. Н. Савкии, К.Н.Йодливски", а.П."ина-! ров ! ?'.

Гидроиикически" рехин, качество года и санитарное состояние еодокраният А. П. Еклинкина, З.й.Буриатовэ, С. А. Варанов, И. В. Глаавчевз, й, й. Денисова, К. Е. Заславская, й.й.Кибальчич, в В.И.Рокане"-] «о, Г. В. Цицарин, Я. А. Сиревко, Н.й.Трифонова, З. И. Балабанова, С.1Мрачев, В. НЛушми», Е. П. Намина, Г. й.Накс"-! мович, А. А. Зенив, Н. Н. Тарасов.

ЕиО Гидрология водояранилид Л.й.&аканов, В. Г-Девятхяч, Л. Н. Зеиболевская, Н.й.Лаптева, В. С. Каминский, О. Й. Коюва, И.й.Корввякова, н.С.Стрельникова, Л. П. Сугоиван, М. Вордухаи-болговски", А. Г, Поддубни" И. К. Ривнер, В. А. Зкаерцев, Н. К. Гулая, й.й.5в*6ав, В. Г. Кузьмин.

Влияние водохранилищ на окрукаиу" среду й.Б.йвакв", К. Н. Дьяконов, А. Г. Еиельяиов, Н.й.йатзраии, А.1.Рете"и, Г. Н. Петров. К. Б. Сорокина, В. Н. Шалиро, В. АЛарапов, В. Н. Шнроков.

1 А.В.йвакян, С. Г. Алтунии, К. А. Амиров. С. Л. Вендров, Я.в.Гот-Ивиевение природные условий в | либ, В. М-1*дк"х, Й. Мекисова, Л.И.8увровин, А. Е. Яитвинов, ви"ни* бьефа" гидроумов ! Н.С.Гру"евск"5, Ю. Натарзин, И. К. Каикевич, 6.й.варанов, 1 Л.И.1алиро, В.К.йнтроловскин, В. С. Незенцев о водохранилище, как о целом", «. что у нас нет еще единого метода решения всей проблемы в целом, мы целое изучаем по частям, а отдельное не иначе, как в той связи, которая ведет к общему», и что только разрешение вопроса в целом дает возможность разрешить частные задачи.

Трудность поставленной С. Д. Муравейским проблемы и ее нерешенность до последнего времени связана с рядом как объективных, так и субъективных причин, основное значение из которых имеет отсутствие методологического и методического единства в изучении разных процессов, исторически сложившееся различие познавательного аппарата разных наук. Поэтому получаемые результаты трудно сопоставимы (а часто несопоставимы вообще) по характеру определяемых параметров, обладающих качественно разнородной структурой входящих в них элементов и отличающимися периодами функционирования и развития. Попытки привести все показатели к относительному виду результативны лишь в частных, наиболее простых случаях: чем сложнее водоем, тем хуже результат. Это в той же степени относится и к математическим моделям, применяемых для одних водохранилищ (или для одних процессов) и совершенно неприменимым для других. Что касается натурного материала, то его наличие связано либо с существованием государственной системы гидрометеорологических наблюдений, либо с необходимостью получить данные в сугубо-конкретных, частных целях. Поэтому имеющиеся в распоряжении исследователя характеристики чаще всего отражают или очень осредненные представления о водохранилище, каком-нибудь процессе, или слишком фрагментарны и носят обособленный характер, что не позволяет судить об их необходимой репрезентативности — с одной стороны, а с другой — получить целостную картину взаимосвязи всех элементов во времени и пространстве.

В результате применительно к водохранилищам как новым водным объектам суши не сложилось единых понятий и взглядов, в неполной мере разработаны вопросы типологии и классификации, теории и методологии, а предлагаемые методы расчетов и прогнозов не всегда учитывают гидрологическую специфику этих водоемов.

Отмечая трудности комплексной системной постановки и решения исследовательских задач, авторы монографии «Водохранилища и их воздействие на окружающую среду» [1986] считают важнейшей задачей исследований разработку методику комплексных исследований и ее модификаций для разных природных условий. Необходимость обоснованных методологических подходов к оценке экологического состояния водохранилищ была признана и на ежегодных заседаниях «Секции водохранилищ», Научного Совета по комплексному использованию и охране водных ресурсов ГКНТ (ныне Роскомвода), особенно с начала 90-х гг.

Решение проблемы научного обоснования методологических подходов и методик конкретных исследований возможно двумя путями. Один из них.

— эмпирический, заключающийся в обобщении частных методик на конкретных водохранилищах, их совершенствования и последующего синтеза на основе отбора наиболее общих признаков, свойств, действий. Другой.

— теоретический, представляющий первоначальную «идеальную» модель методологических принципов, созданную на основе каких-либо предельно-общих представлений (вплоть до философских) и реализуемую практически с учетом реальных условий индивидуальных водохранилищ. Не отвергая первый путь,. считаем наиболее приемлемым второй, так как он должен позволить самую сложную проблему — увязки взаимосвязанных компонентов — решать автоматически на стадии выделения и постановки научно-исследовательских задач. При эмпирическом способе, то есть при произвольном, обособленном подходе к выделению, постановке и решению этих задач невозможно отразить необходимую полноту объективных особенностей сложнейшей природно-антропогенной системы, какой является крупное водохранилище многоцелевого назначения, и избавиться от возникающих вследствие этого «неувязок» .

Различия между эмпирическим и теоретическим подходами проявляются при сравнении содержания основных частей проблемы комплексного исследования водохранилищ (Табл.2).

Таким образом, суть проблемы — в создании структуры методологического знания на предельно общем уровне, позволяющей решать конкретные практические задачи.

Однако, при всей важности и необходимости теоретического, методологического знания и его ведущей роли в познании и естественных и социальных процессов, оно может быть создано только на основе накопления фактических материалов. При этом создание методологии — на уровне абстрактных логических конструкций нуждается в таком конкретном объекте, который с одной стороны обладает наибольшей степенью сложности, с другой — максимально возможным набором и объемом изученных (пусть даже обособленно) процессов, сторон, аспектов и т. п.

Среди крупных искусственных водоемов Камские водохранилища занимают особое место, позволяющее отнести их именно к таким водным объектам, на основе комплексного изучения которых появилась возмож.

СРАВНЕНИЕ ПУТЕЙ РЕ8ЕНЙЯ ПРОБЛЕМЫ СОВЕМЕНСШВАНИЯ НЕТОЗИЧЕСКОГО ПИША К ШЙШСНОНУ ИЗУЧЕНИЙ В080ХРАНИЩ.

Составные части Содердание составных частей проблему 1 |.

Эмпирический подход | Теоретически" подзол ! |.

Предает Конкретны" водоем ¡-группа) в конкретных I Система элементов и связей е объекте, ] ярнродных условиях, хомллекс процессов | отранаще" специфические неотъемлемые 1 (на" одЫ. Поиск связей частей и злеме-1 черти водохранилища ! нтов (!

Проблема Несовершенство способов реаения задач, 1 Отсутствие необходимо" увягки мету | вызванное пиво методической неполного!, 1 обособленными способами выделения, по- 1 ибо недостаточность" натурного исходно-) станом" и решения обособленны-! задач, 1 го материала 1 вызванное неполнотой исследования вну- 1 1 тренних особенностей и внеыних успови" 1 (объектов и его частей ].

Цель Совериекстеоваиие суистмвадх методик, ! Разработка целостно" структура вваимо- ! создание новых методик, упуч"ав*ма ре- ! связанных процессов, обеспечивание" 1 зультаты расчета ваданввх параметров | функционирование и развитие объекта 1 | исследования при задаваемых внешних) 1 условиях и ограничениях естественного 1 1 и антропогенного характера 1 I !

Способ решения Выбор метода на основе опыта и знаний исследователя. Предварительная разработка метода с поспедуиеи его корректировкой Выделение, постановка н решение задач ! на капом уровне систем" в сооткствни ! с требованиями предварительно создан- | но" методологической структуры 1 5.

Критерий фиктивности Наименьшая величина ошибки расчета по сравнен*" с кабавдеаво" «пи померенной, достоверность полученных расчетных характеристик На стадии исследования — отсутствие 1 противоречий и неувязок пену взанмо- 1 связанными частями и элементами созда- 1 ваемой структуры объекта. На стадии (применения методологии — определение | необходимого числа характеристик и со- (поставимьк форм их в"ра"евия на всех 1 уровнях структуры объекта 1.

Результат йсказательство применимости лредподен-ного метода к исследовании конкретного водоема. Осведение возив"но больного круга процессов На теоретическо" глад** - пиная и не- (лротиворечивав структурно-функцнонэль- 1 ная схема основных процессов в объекте.| На прикладной стадий — расчет характе- 1 ристнк, олксываших систему конкретно- 1 го водоема (с возмо"ность* последуем- 1 го использования в математическом мо- (депировании 1 носгь приступить к обозначению и решению методологических проблем как к применению системного подхода в гидрологии искусственных водоемов .

II. КРАТКИЙ ОБЗОР СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КАМСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ.

Как известно, изучение крупных искусственных водоемов началось только после их создания за исключением камских водохранилищ, где первые натурные материалы появились почти за двадцать лет до заполнения первого из них. Это позволяет рассматривать выполняемые на них исследования как крупномасштабный натурный эксперимент, включающий ряд необходимых стадий и позволивший получить уникальный материал для оценок изменений в природном комплексе за период возникновения, формирования и развития новой экосистемы.

Важнейшую роль сыграло и то, что в Пермском университете, волею судеб и географического положения «обреченном» изучать р. Каму и Камские водохранилища, сложился широкий и квалифицированный состав специалистов-естественников, заинтересованных в разностороннем подходе к проблемам преобразования природных условий.

Весь период исследований Камских водохранилищ можно довольно условно разделить на 4 этапа.

На первом из них, в 1935;1937 гг. предшествующем сооружению Пермской ГЭС, были выполнены крупномасштабные комплексные исследования — произведена практически полная ревизия зоны будущего затопления [А.А.Рихтер, Г. А. Максимович, М. М. Данилова, В. К. Воскресенский, А. А. Лютин и Др.]. Составлена на основе масштаба 1: 10 ООО топографические, геологические, гидрогеологические, почвенные, геоботанические карты и сделаны соответствующие описания. В характерных участках долины заложены и закреплены профили и стационары, комплекс наблюдений на которых дает представление о развитии природных процессов в естественных, «доводохранилищных» условиях.

Следующий этап начался с момента наполнения Камского водохранилища в 1955 г. Гидролого-географические аспекты режима водохранилища и питающих его рек в первые годы его создания нашли отражение в работах: Б. М. Чазова, А.с.Шкляева, В. А. Балкова, Ю. М. Матарзина, М.И.Гу-ревича, Л. И. Дубровина, Э. Ф. Герасимова, а также автора доклада [1−9]- вопросы химической географии вод, санитарного состояния и влияния промстоков на гидрохимические и микробиологические процессы — в работах Г. А. Максимовича, З. М. Балабановой, И. А. Печеркина, Ю.М.Матарзи-на, И. Ф. Кибальчич, М. В. Мосевич, И. Ф. Ершовойизучением ихтиофауны и планктона занимались Н. Н. Остроумов, М.Л.Грандилевская-Дексбах, А. И. Букирев, И. Г. Щупаков, С. И. Уломский и др. Были сделаны первые заключения о характере геодинамических процессов на побережьях [Ю.В.Архидьконских, И.А.Печеркин]. Не забыт был и анализ синоптических условий [М.В.Муравейская]. Сразу после создания водоема появилась характеристика новых гидродинамических условий (опасные зоны при штормовых ветрах, убежища для судов) в небольшом издании «Камское водохранилище» [Казаков, Муравейская, 1956]. Первым же гидрологическим, обобщающим режим водохранилища в первые годы его создания, исследованием, стала книга Л. И. Дубровина, Ю. М. Матарзина, И. А. Печеркина «Камское водохранилище» [1959].

Однако, в начале эти исследования носили обособленный, частный характер, чему способствовала организационная разобщенность исследователей и несогласованность их действий и, как следствие, результатов. Все это привело к пониманию необходимости объединения усилий разнопрофильных специалистов. Тем более, что в этот период происходило формирование и освоение сети наблюдений. Пункты их увязывались с ранее разбитыми при ревизии природы в Камской долине, а также отражали особенности морфометрии нового водоема. Это позволило отслеживать изменения в природе, произошедшие в результате создания Камского водохранилища, функционирования его в первый период существования. Тот же комплексно-географический подход был использован и при изучении следующего в каскаде — Боткинского водохранилища. В конце 60х — середине 70х гг. появились обобщения по широкому кругу процес сов и явления — физических, химических, биологических [Ю.М.Матарзин, И. К. Мацкевич, Н. Б. Сорокина, 3.А.Бурматова, Т. А. Кортунова, М.С.Алек-севнина, Н. П. Пушкина, И. Ф. Губанова, И. П. Печеркин, Р. А. Серкина, Л. А. Родионова, В. В. Громов, Н. М. Гореликова, Ю. А. Пушкин, Т. П. Девяткова и др.]. Накопление натурного материала, полученного в результате регулярных исследований ученых Пермского университета, режимных наблюдений на государственной гидрометсети, а также специальных работ, проводимых гидротехнической службой Пермэнерго [Б.3.Вильниц, А. М. Казаков, Ю.М.Кармазин] и гидрографическим отделом КамБУПа, позволили на более глубокой основе дать характеристику и анализ различных сторон режима Камских водохранилищ в целом и в отдельных частях водоемов согласно предложенному ?0 .М. Матарзиным и И. К. Мацкевичем районированию и перейти к третьему периоду, начало которого совпало с формированием в конце 70х годов региональной комплексной целевой подпрог раммы «Кама», как части научно-технической программы Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда». Этот период характеризуется стремлением не только продолжить разносторонние натурные исследования, но и использовать весь комплекс природных и антропогенных факторов для анализа и прогноза экологического состояния водохранилища в целом и по отдельным процесса [35], а также и по разным морфологическим районам и участкам. Состав исследователей дополняется [А.Б.Китаев, Л. А. Кузнецова, Г-В.Морозова, В. П. Тихонов, Г. Ф. Костарев, В. М. Носков, В. В. Михалев и др.].

В результате выполнения подпрограммы «Кама» дана оценка современных экологических условий водохранилищ Камского каскада и показаны их изменения в связи с вариантом переброски части стока северных рек в р. Каму и р. Волгу, планами обустройства, хозяйственного использования, рекреационного освоения прилегающей территории и т. п. В этот период автором доклада разработана методика расчета водного баланса морфоучастков, использованная при анализе водного режима всего каскада в разных условиях регулирования стока и эксплуатации водохранилищ. На основе водных составлены гидрохимические балансы участков [А.Б.Китаев], появилась возможность перейти к расчетам седимен-тационного [Л.А.Кузнецова], биотического и других балансов.

Завершение третьего этапа исследований связано с выполнением Пермским университетом (Лаборатория комплексных исследований водохранилищ, географический, биологический и геологический факультеты) темы «Комплексные экологические исследования водоемов и водотоков бассейна Камы» [1Э85−90е гг.], в течение работы над которой выяви лась необходимость не только полного охвата комплекса природных и антропогенных процессов, но и единого методического подхода к их изучению, а следовательно потребовало создания и обоснования методологии, ее принципов и механизма реализации [43].

Это обусловило переход исследований Камских водохранилищ к четвертому периоду, представляющему качественно новый уровень — начало формирования теоретических положений, преобразование комплексного подхода в системный [48, 49, 50, 51, 52]. Системность в отличие от комплексности, предполагает не суммирование обобщений по многочисленным сторонам общего природного процесса с последующей увязкой результатов, а уже на стадии организации научных исследований — определение необходимых характеристик, способ взаимосвязи которых дает представление о системе (явлений, процессов, объектов), как об органической целостности.

III. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ СИСТЕМ.

3.1. системные исследования в природоведении.

Проблема применения системного подхода носит философско-методо-логический характер. Решение этой проблемы невозможно на уровне прикладных наук. В то же время системная парадигма стала играть главную роль в современном природоведении и вряд ли найдется ученый, отвергающий системный подход к решению любых проблем (и не только естественного характера). Это подтверждают материалы регулярно издававшихся ежегодников «Системные исследования», дающие представления о взглядах философов, социологов, географов, физиков, математиков и др. [И.В.Блауберг, Д. М, Гвишиани, Э. М. Мирский, В. Н. Садовский, Г. П. Щедровицкий, А. Г. Юдин и др.]. Однако при общем признании значимости системного подхода, у исследователей-" системщиков" существуют весьма различные представления о его сущности и способах применения (сколько «системщиков», столько и системных подходов).

Следует отметить, что системные «потоки», берущие начало в философии, физико-математических науках и естествознании, почти не сливаясь, вырабатывали свои понятия и свою структуру. Помимо внешней самостоятельности, каждый системный поток характеризуется разнообразием внутренних его частей — своеобразием системных представлений отдельных ученых и научных школ.

Защищаемые нами положения системной методологии требуют предварительного, хотя и весьма краткого, анализа существующих системных взглядов, особенно — в естествознании.

В большинстве случаев использования понятия «системность» под ним понимается одна из важнейших характеристик научного знания, присущих ему неотъемлемо и органично. На разных этапах развития науки знание интерпретировалось различным образом, поэтому и системность понималась по-разному — от нерасчлененного целостного представления о природе до попыток конструирования теоретических систем, содержащих упорядоченную определенным образом информацию о естественных объектах.

Наряду с дифференциацией наук, отражающей усложнение знаний об окружающем мире, возникли и развивались стремления систематизировать и интегрировать эти знания. Философские понятия о целом и части, вещи и свойстве и т. п. находят конкретное воплощение в иерархическом представлении о строении объектов — как вещественного, так и организационного характера. Так появляются в естествознании классификации и систематизации разного типа, одни из которых основываются на эмпирических наблюдениях и обобщениях, другие на гипотетико-дедуктивных способах логического мышления. Последние получают наибольшее развитие во второй половине XX-го века, когда особенно возросла активность в ходе познания мира, четко отделившего объект естествознания от его предмета, т. е. конструктивного понимания объекта исследователем. Автор доклада полностью разделяет взгляды Н. Н. Моисеева [1990, 1993] на всеобщий методологический характер системного подхода, выражающего связь составляющих понятий, принципов и действий — процедур, необходимых для анализа и синтеза целого. Конструктивное понимание предмета знания предполагает систему категорий — символов, элементов, функций, функциональных отношений. Важное значение приобретает анализ методологических средств и способов вычленения элементов целостной совокупности. Целое понимается не как простая сумма элементов и их свойств, а как совокупность функциональная, с особыми интегративными характеристиками. Эта совокупнсть определяется некоторыми правилами или системообразующими принципами, которые, по мнению большинства «системщиков» зависят от типов познаваемых систем и различны в системах разного рода. Тем не менее, всеобщий методологический характер имеют положения о том, что:

1) системы имеют самоорганизующийся, динамический характер, вступают. в сложные отношения со средой и обладают многоуровневой организацией — иерархией;

2) понимание и изучение уровней организации позволяет понять роль управления в функционировании и развитии систем (здесь уместно напомнить высказанную С. Д. Муравейским мысль о том, что возможность и необходимость сознательного управления человеком процессами стока зависит не столько от учета и изучения закономерностей в развитии процессов на водохранилищах, сколько от необходимости найти пути сознательного изменения хода различных процессов в самих водохранилищах) ;

3) системные представления об объекте знания и самом знании становятся процедурами методологического синтеза, применением некоторых общих правил к вычленению частей целого, а затем и к их необходимому синтезу.

Значение и смысл методологических процедур выражается не только в систематизации имеющихся знаний, но и в возможности порождать новое знание [пример — «Периодическая система элементов» Д.И.Менделеева] или, по крайней мере, определять пути его достижений. Поэтому конструирование систем становится основной проблемой теоретического естествознания [" Системные исследования", ежегодник], современной отечественной географии [Сочава, 1978; Солнцев, 1983; Ретеюм, 1988; Краснов, 1994; Двинских, 1992] и фундаментальной экологии [Одум, 1986; Реймерс, 1994].

Проблема эта не могла быть решена с помощью философии, так как основные законы диалектики при всей их значимости не содержат в себе механизма их действия, а это создает неопределенность в их применении, то есть ведет к невозможности создавать конструкцию искомого знания. Поэтому системщики-философы не пришли к согласию, а само понятие «система», как совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой, и образующая определенную целостность, единство — оставалось чрезмерно общим. Не удивительно, что неудовлетворенные этим географы попытались самостоятельно разобраться в философских проблемах географии [П.С.Кузнецов], создать свои принципы системного подхода и по-своему определить смысл понятия системагеосистема, природный комплекс [В.Б.Сочава], парагенетический комплекс [Ф.Н.Мильков], природное единство [К.Н.Дьяконов] и т. п., полагаясь на свой опыт, эрудицию и интуицию.

Так, А. Ю. Ретеюм [1988] считает системный подход одним из подходов в изучении физической географии, суть которого заключается в выделении геосистемы по принципу функциональной целостности, ограниченной областями привноса и выноса вещества. Существует и иное представление — отождествление системного подхода с географическим, поскольку выделяемые экосистемы могут совпадать с таксонами физико-географического районирования. Таким образом, несмотря на обилие опубликованных работ в области системного подхода в географии, и здесь не сложилось взаимопонимания на уровне методологии, что обусловило отсутствие значимых практических результатов при обилии системных идей [Двинских, 1992].

Развитие математических методов, появление вычислительной техники с ее огромными возможностями с одной стороны и, накопление натурного материала — с другой, привело к распространению математической теории систем [Берталанфи и др., 1969]. В тех областях, где элементы могут быть определены в виде знаков или чисел, системный подход стал отождествляться с системным анализом. В этом случае системное исследование объекта заключается в обоснованном выделении его из среды в качестве некоторой самостоятельной целостности, установлении внешних взаимодействий объекта, выделении функциональных связей в объекте, структурном его изображении — модели с определенным набором факторов-компонентов (множество с разной степенью значимости). Такой подход возможен при математическом моделировании рассеяния примесей в атмосфере [Ефремов, 1994; Марчук, 1982 и др.] и водных потоках [Давтяи, 1969; Караушев, 1978; Знаменский, 1979; Руховец, 1982; Ле-пихин, 1990; Фальковская, Пааль и др., 1982; Савенко, 1994 и многие другие]- при исследованиях водного, теплового, гидродинамического, гидрохимического режимов водных объектов и их систем [Знаменский, 1977; Малинина и др., 1981; Буторин, Литвинов, Фомичев, Поддубный, 1981; Эдельштейн, 1983; Чебанов, 1989 и др.]. В этих случаях гидрологический режим водоемов (разного типа озер, водохранилищ) с их сложной совокупностью внутренних динамических связей рассматривается как саморегулирующаяся природная система. Блочная структура и принимаемые принципы параметризации моделей позволили учитывать изменения морфометрических показателей и гидравлических характеристик, обусловленных разными причинами (природными и антропогенными), что в свою очередь могло быть использовано при вариантном управлении сложными системами водных объектов. Однако при этом нерешенной осталась проблема эколого-экономического обоснования критериев оптимальности управления. По утверждению М. С. Чебанова, выполнившего системный анализ водного и теплового режима дельтовых озер [1989], полученные модели являются инструментом оптимизации гидрологического режима, но полифункциональность природно-хозяйственных систем с их противоречивостью функционирования нуждается в комплексном анализе критериев качества оптимизации. что по нашему мнению, выходит за рамки познавательных возможностей системного анализа в его математическом варианте.

Сложнее обстоят дела с математическим моделированием процессов на крупных экосистемах, в т. ч. и водохранилищах с неразработанностью их собственной теории, так как попытки использовать теоретические положения озероведения или динамики речных потоков приводят к успеху только в тех частных случаях, когда условия водохранилища близки к принятым в соответствующей теории или гипотезе.

Тем не менее математическая теория систем находит применение и в экологических исследованиях [Дж.Смит, 1976; Новиков, 1979; Федоров, Гильманов, 1980; Одум, 1986 и др.], в которых принцип системности отождествляется с математизацией экологии, хотя это и противоречит основным теоретическим положениям фундаментальной экологии. Во-первых, математическое описание даже основных свойств и частей экосистемы не адекватно их истинному взаимодействию. Во-вторых, применение ординарных методов экстраполяции вследствие необходимости использования материалов из смежных научных дисциплин приводит к неопределенности выводов. Наконец, в-третьих, неизбежное упрощение характера взаимосвязей и элементов ведет к несоблюдению самого требования системного подхода к изучению свойств сложных систем, их эмерджентности. Упомянутые противоречия в использовании математического моделирования сложного целостного образования могут привести к существенным просчетам и ошибкам в экологических прогнозах, хотя в отдельных случаях могут дать неплохие результаты.

Поэтому, в самом использовании системного подхода в экологических исследованиях имеются противоречия. С одной стороны, «хотя философия науки всегда стремилась быть холистической, рассматривать явления в их целостности, в последние годы наука становится все более редукционистской, пытаясь понять явления путем детального анализа все более и более мелких компонентов» [Одум, 1986], с другой — при изучении свойств частей и сведении их в целое невозможно понять качественно-новые свойства системы, которые могут проявиться только на уровне целого, с-третьей — доступность математического моделирования не гарантирует успеха применительно к реальному природному объекту, в том числе — водоему [50, 52].

В силу качественной разнородности явлений и частей сложных систем их нередко невозможно свести к знакам и числам, что ограничивает применение теории системного анализа, и тогда системный метод выражается в виде подхода структурного, заключающегося в обнаружении структурных отличий и сходств между элементами и уровнями, позволяющего описать объект изнутри за счет новой организации обширного эмпирического материала. По существу, в физико-географических исследов&ниях структурный подход используется наиболее широко. С ним связано понятие геосистемного подхода, как системно-ориентированная методология научного поиска, когда природные ресурсы исследуются географическими методами одновременно как компонент природной среды и элемент производительных сил в процессах полифункционального природопользования. Отсюда основополагающая роль принадлежит понятиям структуры и связей геосистемы. К сожалению, трактовка их также неоднозначна (как и самого системного подхода в целом) — от синонима элемента до комплекса реально существующих связей между элементами, объединяющего их в систему [Арманд, 1989]. Тем не менее, трудами А. Д. Арманда, В. Б. Сочавы, А. Ю. Ретеюма, В. С. Преображенского и многих других, в современной географической науке создана система таксономии геосистемвыделены группы в ее составе, вплоть до простейших неделимых — при физико-географических исследованиях — деталях геокомплекса, обозначены границы геосистем как линии ослабления связей с другими системами геокомплекса — при общей непрерывности обмена веществом и энергией.

Применение такого подхода к решению водноресурсных проблем, например, в Сибирском регионе [Корытный, 1992] дало возможность рассмотреть на единой методологической основе формирование и использование водных ресурсов с учетом взаимосвязей с другими природными компонентами.

Отмечая достоинства структурного подхода, необходимо особо выделить ту его область, которая связана с учением о ноосфере. Подробный анализ представлений о ноосфере (от В. И. Вернадского до современных) приводит Г. И. Худяков [1993] в своей работе «Концепция ноосфер-ных структур». Отметив терминологические неясности и сделав попытку уточнения понятий, он предложил структурное определение ноосферы и «ноосферные структуры — пространственные целостности гармонического взаимодействия косных, биокосных и социальных форм организации материи. Сама ноосфера — система таких структур.». Первой из задач, последовательное решение которых должно обеспечить построение ноос-ферных структур, является «структурирование (иерархия) природных систем по их геосферным составляющим (геологические, геоморфологические, морфоструктурные, ландшафтные, биогеоценотические и гидрогенные структуры различного порядка) — создание картографического синтеза природных системэнергодинамические современные и палеосос-тояние разнопорядковых природных систем и взаимодействия их энергопотоков» .

Таким образом, структурный подход позволил вплотную подойти к постановке проблемы сохранения устойчивости системы в условиях изменения внешней среды. Под устойчивостью системы принято подразумевать свойство сохранения ею качественной определенности. В то же время структурный подход еще не представляет собой полностью разработанной методологии — от однозначно трактуемых понятий через четко выраженные действия — процедуры к практическому применению. Существует и здесь дистанция между теоретическими концепциями с их детальной проработкой и получением конкретных результатов по оценке функционирования и развития геосистем разного уровня.

Поэтому при решении обоснованных конкретных (региональных, бассейновых) задач исследователи, отдав должное теоретическим принципам системного (структурного) подхода, вынуждены пользоваться на деле системно-эмпирическим — в пределах специфики конкретного объекта и в зависимости от имеющейся информации.

Таким образом, даже краткое и не претендующее на доскональный анализ рассмотрение существующих представлений о системном подходе, как методологии природоведческих исследований, свидетельствует о неоднозначности и нередко противоречивости этих представлений, что приводит к неопределенности и несогласованности результатов. Тем не менее, экосистемные и геосистемные исследования в области методологии географических наук сыграли большую роль, подготовив необходимую основу для разработки общенаучной (междисциплинарной) методологической концепции. Кроме того, различие предлагаемых и реализуемых системных подходов объясняется, по-видимому, тем, что они практически реализуют на разных объектах и уровнях и при разных условиях принципы более общего характера с одной стороны, а с другой пользуются различным понятийным аппаратом. Заслуга системных исследований в том, что они сделали возможным осуществление различных геоэкологических программ и создание геоинформационных систем. Этим проблемам в последние годы посвящено множество публикаций, например — в сборнике тезисов докладов межгосударственной научной конференции «Геоэкологические аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха» [Пермь, 1993], в выпусках Санкт-Петербургского университета [1994, 1995], посвященных эколого-географическому анализу состояния природной среды и устойчивости геосистем и Др.

Современный этап в геоэкологических исследованиях характеризуется сочетанием двух четко проявляющихся тенденций: первая — углубление в области решения обособленных задач и связанное с этим множество подходов и вторая — все более осознаваемая необходимость разработки общенаучной методологии, призванной объективно ставить и решать задачи, связанные с устойчивостью природных систем, функционированием эколого-экономических районов, развитием всей системы природа-общество [Л.Л.Розанов, Ю. П. Сильверстов и многие другие].

Не умаляя роли продолжения разработок в самых различных направлениях, считаем, что главная проблема заключается в неразработанности самой системы общеметодологического знания. Наберемся смелости утверждать, что главная проблема состоит не столько в дальнейшем развитии отдельно-взятых, исторически сложившихся видов методологического знания и не столько в дополнении их новыми его разновидностями, сколько в коренном преобразовании всей его существующей системы с целью приведения структуры ее внутреннего содержания в необходимое соответствие с возложенной на нее общеметодологической функцией .

3.2. Принципы построения системы общеметодологического знания.

Возможность установления общеметодологических принципов, применение которых должно позволить расчленять (анализировать) и интегрировать (синтезировать) любое целое, учитывая особенности структуры и динамику частей этого целого, доказывается следующими положениями. Если существуют объективные законы организации частей в целом й законы их взаимодействия в природе, как целостности, то эти законы должны существовать и по отношению к методологическому знанию. Это знание должно быть предельно общим, носить абстрактно-логический характер, но вывести его можно только из познания конкретного объекта, обладающего сложным сочетанием разнородных элементов, внутренние и внешние взаимосвязи которых представляют сочетание дискретности и непрерывности в общем потоке вещества и энергии. Исследования автора доклада [43, 45, 49, 52], основанные на обобщении результатов комплексного изучения Камских водохранилищ, особенно его водного режима, позволили сделать выводы и предположения общеметодологического характера, оказавшиеся весьма близкими разработанной Б. В. Ряшко [1983, 1985, 1994] системно-диалектической методологии (СДМ) в процессе разработки им системы управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте. Это сходство объясняется, во-первых, тем, что.

СДМ выражает предельно общие особенности, изменения и условия познавательно-преобразующей деятельности человека, а следовательно применима для любых объектов — как естественного, так и общественного характера. Во-вторых, железнодорожный транспорт в общественных системах играет роль, аналогичную роли воды, как транспортера вещества и энергии в природе. Поэтому в функциональном смысле объекты исследования довольно близки по своим свойствам, хотя имеют совершенно различную структуру. Разумеется, специфика природных систем требует способа применения СДМ, отличающегося от использования методологии в процессе изучения и преобразования систем антропогенного характера, однако основные понятия, правила и принципиальные положения общепри-менимы.

3.3. Теоретическая структура системы общеиетодологического знания, концепция содержания и формы СДМ.

Способ создания такой струк. ури в выделении, изучении и объединении в единое целое всех частей, элементов, сторон, которые характеризуют их системообразующие особенности, изменения и условия осуществления. Система методологического знания выражает единство содержания концепции и ее формы.

Сущность концепции заключается в следующих положениях:

1. Общность для всех явлений и процессов диалектического закона о единстве противоположностей;

2. Предельно-общая структура всех процессов может быть представлена как цикл (приход — трансформация — расход), отражающий круговорот вещества и энергии;

3. Гипотетико-дедуктивный способ мышления, заключающийся в создании гипотезы о принципиально-возможном состоянии системы на основе анализа ее исходного состояния, а затем с последующей ее проверкой при конструировании реального состояния с учетом всевозможных ограничений.

Формой системно-методологического знания является структурно-функциональная схема, отражающая взаимосвязи на разных уровняхна языке предварительно установленных понятий. Конструктивная особенность схемы — ее триадное выражение. Диалектическая триада, известная и до В. Ф. Гегеля, именно им была введена, как элементарнейший и кратчайший способ выражения сущности диалектического процесса. Однако часто триада превращалась в абстрактную схему, не базирующуюся на объективной реальности. Без этого она' становилась чем-то условным и, как отметил А. Ф. Лосев [1988], произвольным оправданием любых противоречий. Понимая условность и относительность триады, Гегель писал, что «из-за пошлого характера употребления триада не может потерять своей внутренней ценности, т.к. она представляет непостигнутый еще образ разумного» [1937].

Триадная форма использовалась в классификациях методологического характера в биологии [А.Лима-де-Фариа, 1991]. Известны эволюционные триады Ламарка и Дарвина, хоть и не в очень отчетливой форме (триада движущих факторов эволюции у Ламарка: наследственность, изменчивость и готовность к совершенствованиюу Дарвина — наследственность, изменчивость — естественный отбор).

В современной семиодинамике (раздел семиотики — науки логико-философского характера, изучающей свойства систем знаков, каждому из которых придается некоторое значение) Р. Г. Баренцевым введено, понятие тринитарной методологии, задачей которой является синтез с простейшей его ячейкой — системной триадой, объединяющей аналитический (рацио), качественный (эмоции) и субстанциальный (интуицию) аспекты в нечто целостное. Отмечая неопределенность содержания частей триады Р. Г. Баранцева, отсутствие механизма их соотношения, в то же время автор, доклада полностью согласен с положением о том, что триадная структура позволяет методологически изучать развивающиеся системы, не нарушая их целостности.

По нашему мнению, диалектическая триада (тезис — антитезиссинтез) на уровне системной методологии имеет конкретное содержание, что выражается в существовании в любой системе на каждом иерархическом уровне трех необходимых и достаточных частей: 1) основной, выражающей функцию всей системы в системе более общего вида (надсисте-ме) — 2) вспомогательной — диалектически противоположной основной части- 3) обеспечивающей, т. е. условия и способы взаимодействия первых двух. Такое содержание триады по сути представляет механизм действия закона о единстве двух противоположностей.

Критерием истинности СДМ в форме структурно-функциональной схемы является выполнение трех условий:

1) полнота отражения явлений, процессов, объектов и их частей, особенностей взаимодействия;

2) органическая (в отличие от механической, произвольной) целостность, т. е. непротиворечивость определенной внутренней структуры знания;

3) возможность практического применения.

Таким образом, критерий надежности СДМ, заключается в самом способе ее применения: выделение, изучение и объединение составных частей на каждом уровне выполняется, исходя из требований предыдущего уровня с проверкой результатов на последующем.

3.4. Структура основных частей СДМ.

Системно-диалектическая методология представляет собой не столько набор концептуальных положений, сколько сам процесс познавательной (и преобразующей деятельности). Исходный уровень иерархической системы методологического знания состоит из трех частей:

1) языка исходных понятий, характеризующих системообразующие особенности, их изменения и способ взаимодействия;

2) выражение общей информации о структуре системы, как единого процесса взаимодействия всех явлений на языке исходных понятий;

3) системного способа решения задач.

Поскольку СДМ при всей ее значимости является неотъемлемой частью всей системы общеметодологического знания, создание которой вряд ли может претендовать на полную завершенность, ограниченность рамками научного доклада лишает его автора возможности полной характеристики всей структуры СДМ. Однако считаем необходимым подробнее рассмотреть язык исходных понятий — первую часть, и очень кратко вторую и третью на уровне общеметодологических принципов. Более детальное освещение их целесообразно на практическом уровне применения СДМ для целей исследования Камских водохранилищ.

Язык исходных понятий [Ряшко, 1996] - это также иерархически-целостная структура попарно-выделенных и объединенных в единую систему диалектически взаимообусловленных общенаучных понятий (Рис.1). Эти понятия характеризуют прямопротивоположные части системообразующих особенностей, изменений и условий взаимодействия объектов .

Исходная пара понятий на самом общем уровне: система — информация. Система — определенная часть более общей целостности. Информация — системно выделенные и объединенные в единое целое части на основе целостности внутреннего содержания системы (произвольно выделенные части могут выражать не только информацию, но и дезинформацию) .

Рис. 1.•Сфруктурно-фуккциокапьная схема языка исходных (системообразующих) понятий системы общеметодологического знания (по Ряшко, 1996).

Парой понятий, характеризующих свойства объектов (явлений, процессов) на нижнем уровне, являются элемент — связь (каждый из них может иметь и материальное и организационное содержание).

Пара понятий, определяющих взаимодействие элементов и связейэто структура — функция. Структура выражает способ связи внутренних частей, элементов, сторон (элемент — основная часть, связь — вспомогательная). Функция обеспечивает связь объекта с более общей системой (связь — основная часть, элементвспомогательная). Взаимодействие структуры и функции обеспечивается понятиями организация управление. Организация выражает особенности принципиально необходимого способа взаимодействия элементов системы (структурно-функциональное соответствие). Управление отражает реально осуществимое взаимодействие (с учетом ограничений) частей системы (функционально-структурное соответствие).

Систему понятий, характеризующих изменения системообразующих свойств иерархически-целостной системы общеметодологического знания представляет пара функционирование — развитие.

Функционирование выражает циклически (или периодически) повторяющийся процесс взаимодействия частей объекта в условиях неизменной (или заданной) структуры его внутреннего содержания. Процесс функционирования характеризуется взаимодействием частей: основной, непосредственно выражающей функцию всей системывспомогательной и обеспечивающей их взаимодействие.

Развитие — процесс взаимодействия частей, сторон, элементов системы в ходе изменения внутреннего содержания структуры. Процесс развития отражается взаимодействием состояния функционирования: исходного, идеального (принципиально-возможного) и необходимого (практически осуществимого).

Особого внимания заслуживает понятие об идеальном, принципиально возможном состоянии системы, поскольку в зависимости от характера изменений (саморегулирование или результат управления человеком) сущность и роль «идеала» изменяется. В случае саморегулирующихся природных систем «идеал», очевидно, и представляет устойчивое функционирование системы с определенной структурой — при неизменных внешних условиях среды.

На основе принятого языка исходных понятий полная информация о системе должна представлять совокупность представлений о ее структуре, функционировании и развитии (Рис.2).

Структура.

Элемент Связь Организация.

Управление.

Функционирование Развитие.

ОсновВспоОбеспеИсходИдеальРеальная могачиваюное ное но.

часть тельщая состосостовозмоная часть яние яние жное.

часть состояние.

Рис. 2. Состав и структура частей и элементов систехгы.

Отсюда применение СДМ представляет постановку, выделение и решение трех типов задач:

1) Определение структуры элементов объекта (процесса, явления) на основании представлений о функционировании объекта в определенных условиях;

2) Создание представлений об «идеальных» возможностях функционирования объекта с заданной или предварительно определенной структурой ;

3) Формирование представлений о функционировании в условиях: а) ограничения развития, б) ограничения функционирования ив) с реально-существующей и известной структурой.

Решение первой из выделенных задач требует определения состава элементов системы и структуры объекта в процессе его функционирования на исходном уровне, т. е. на уровне современной изученности объекта (явления).

Вторая задача наиболее сложна, так как ее решение требует учета внутренних возможностей системы, внешних взаимодействий (а это автоматически связано с решением первой задачи для системы более общего уровня), а также представлений о некой «идеальной» структуре, удовлетворяющей какой-либо поставленной цели.

Решение третьей задачи зависит от решения второй. Таким образом, применение системно-диалектической методологии — процесс длительный и сложный, требующий усилий многих исследователей.

IV. ПРИМЕНЕНИЕ СДМ В ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ КАМСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ.

Предпосылками возможности применения СДМ при исследовании водохранилищ можно считать наличие трех необходимых для этого условий.

Первое и основное заключается в практическом подтверждении гидробиологической концепции С. Д. Муравейского [1960], согласно которой конечным результатом внутриводоемных процессов является биологическая продуктивность водоема, адекватная плодородию почв.

Второе условие, играющее вспомогательную роль в осуществлении первого, связано с разнообразием экологических условий на Камских водохранилищах. Они определяются положением в каскаде и видом регулирования, физико-географическими особенностями, определяющими разнообразие климатических воздействий в условиях различного морфологического строения долины р. Камы, спецификой гидрологического, Гидрохимического, гидробиологического и др. режимов, характером и видами антропогенного воздействия при хозяйственном использовании водоемов и их побережий.

Наконец, третье условие, обеспечивающее взаимодействие первых двух, и является тем звеном, потянув за которое, можно вытащить всю цепь! Таким звеном является гидрологический (или более узко — водный) режим объекта, на что также обращал внимание С. Д. Муравейский: «.Какую же проблему научного порядка призваны мы решать? Эта проблема не химического, не биологического, не санитарно-гигиенического порядка, эта проблема, безусловно, гидрологического порядка» .

Имеющиеся предпосылки и разработки системно-диалектического обще-научной методологии исследования сложных систем позволили сделать попытка создания концептуальной модели, отражающей представления о структуре и особенностях функционирования системы природных процессов в водохранилище, как водоеме, обладающем высшей степенью сложности. Концептуальная модель представляет собой совокупность, состоящую из:

1) структурной схемы процессов, происходящих в водных объектах (водная экосистема);

2) схем функционирования составных частей (элементов) структуры — в общем абстрактном и конкретном для каждого элемента выражении;

3) системы показателей процессов и явлений, представляющих информацию о структуре, функционировании и развитии системы.

Структурная схема процессов (Рис.3) представляет собой 3 кольцевых иерархических уровня, в отличие от «горизонтальных» уровней систем технологического или социального типа [Ряшко, 1985]. Это связано с особенностями проявления естественных процессов в природных и природно-антропогенных объектах, с их континуально-дискретными свойствами, отсутствием четких границ между ними, а также связью каждого из процессов — со всеми одновременно — на всех иерархических уровнях. Это всеобщая связь всех явлений и процессов в объекте выражается на самом общем иерархическом уровне, где находятся блоки «биологических» (основной), «химических» (вспомогательный) и «физических» (обеспечивающий) процессов, каждый из этих блоков характеризует три основных формы существования материи с только им присущими свойствами. Это подсистемы I порядка. На следующем уровне каждая из подсистем состоит в свою очередь из 3-х (II порядка), взаимосвязи и отношения которых носят более сложный характер. Одна из подсистем II порядка обеспечивает взаимодействие 2-х других, каждая из которых одновременно принадлежит другой подсистеме I порядка. Например, подсистема «физические процессы» состоит из трех, названных нами: гидрофизические особенности (эта подсистема II порядка обеспечивает взаимодействие двух других), физико-химические особенности (часть подсистемы «химические процессы») и физико-биологические особенности (часть подсистемы «биологические процессы»). При этом при переходе из одной подсистемы I порядка в другую меняется роль — основная на вспомогательную, обеспечивающие же подсистемы своего значения не меняют, так как оно состоит в обеспечении функции, обозначенной в системе верхнего иерархического уровня. Таким образом на 2-м уровне показаны элементы, отражающие специфику связей подсистем первого уровня. Элементы третьего уровня выделены по такому же принципу, но отражают проявление гидрофизических, физико-химических, гидрохимических и других особенностей в условиях водного объекта (водохранилища, озера, реки) и более того, общий процесс стока: «масса» воды (характеризующуюся водным балансом, морфометрией водоема) — собственно-гидрофизические явления и процессы (термика, течения, волнение, оптика и др.) — процессы формирования берегов и ложа водоемов, а также русел рек (разрушение берегов, аккумуляция и седиментация взвешенных частиц) — гидрогеологические процессы (явления, связанные с характером залегания подземных вод) — гидрогеохимические процессы (растворение и.

34 гздрогео-(химннескйе) 1 ПРОЦЕССЫ у.

ГИДРОГЕО* логические шроцессы/.

КЗИКО-ХЙИЙЧЕСКИЕ) ^ОСОБЕННОСТИ.

ШМНШШ). сосхаь тиарохияп" ческйе рсошнкос-^ т химические.

ПРОЦЕССЫ/.

ГВДРОХИШ чбские ксиппексьу рощсы> ЛаноочищЕКйа и самозаг- /.

РЯЗНЕНИЯ' хкмико-4 РШГМЧЕСШ сговр-йности х биологическке | ЛРОВДСШД^ ТВДРОВИОЛО-.,, гачЕСККЕ) / /осовенности флорэ и Брауна ^(видовой J к состав)/.

Рис. 3. Структурная схема процессов в водных объектах выщелачивание берегов, миграция химических элементов из водоема в почву и горные породы) — химический состав воды (составляющие его элементы — минеральные, органические и т. п.) — гидрохимические комплексы (формации, фации, классы и др.) — результаты процессов «самоочищения» и «самозагрязнения» водоема (преобразование веществ в результате жизнедеятельности растительных и животных организмоврезультаты биохимических процессов создания и разрушения органического вещества) — фауна и флора (видовой состав водных, земноводных, донных, наземных, наземно-водных растительных и животных организмов) — население (сообщества фитопланктона, высшей водной • растительности,' зоопланктона, зообентоса, рыб и др.) — биогеоценоз (население водоема, рассматриваемое в определенных условиях обитания — биотопах).

Для общей структурной схемы третий уровень является предельным. Это значит, что экосистема водоема полностью освещена, если даны описания всех составляющих на 3-м уровне и их связей.

Система является одновременно и замкнутой, и открытой. Замкнутость обеспечивается полнотой частей, входящих в систему. Открытость системы связана с особенностями функционирования ее в целом и по частям.

Схемы функционирования каждого элемента третьего уровня составлены на основании конкретного выражения принципов СДМ — отражения в триадной форме основного процесса переноса и преобразования вещества и энергии (Рис.4). Каждый элемент третьего уровня структуры рассматривается в виде системы с триадой основных частей, характеризующих поступление (приход), удаление (расход) и передачу (трансформация в пределах объекта) вещества, энергии и количества движения в соответствии с основными фундаментальными законами сохранения вещества, импульса, энергии.

Дальнейшее расчленение приводит к выделению «элементарных» характеристик — составляющих приходной и расходной частей, баланса, обмена, особенностей трансформации и устойчивости. Полученные таким образом функциональные схемы всего комплекса химических, физических и биологических процессов приводят к необходимости учета вполне определенным способом внешних связей водного объекта с окружающей средой. Таким образом, теоретический смысл функциональных схем — в способе сочетания, взаимодействия и увязки всех составляющих, внешних и внутренних сторон и аспектов: практический — в определении адекватных характеристик, позволяющих определить эту увязку на разных уров приход бвщестЗа ипи энергии/ состаВляющггб прихоЗа.

Баланс оещеетба энергии (конечный ' .результат). процесс теаксформа /ция Вещества «а-и энергии при пееемюфтииуУлутри систе.

ИМ.

Рис. 4. Схема функционирования элементов природных и нриролно-антровогенных систем няхметодический — в обосновании балансового метода в определении способов постановки и решения экологических задач.

Реализация этого метода для всего круга процессов, взаимодействие которых создает облик и особенности функционирования и развития экосистемы, открывает возможность математического моделирования для каждого соответствующего уровня, с использованием строгой системы количественных характеристик.

Функционально балансовый способ описания взаимодействия системы объекта с окружающей средой позволяет оценить ее внутреннее состояние путем анализа изменений, вызванных внешним воздействием любого характера с помощью системы показателей процессов и явлений (Табл.3).

Таблица з.

СИСТЕМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ.

Информация о системе Показатели !

Структура 1. Элемент, норма и амплитуда за цикл. 2. Характер зависимости (закономерность). 3. Численное выражение зависимости Спроявление закономерности).

Функционирование 1. Продолжительность цикла, периода. 2. Промежуток между циклами. 3. Интенсивность циклов за определенное время.

Развитие 1. Отношение характеристик структуры. 2. Отношение характеристик функционирования. 3. Структурно-функциональное соответствие.

Осуществление системных процедур от расчленения всей экогеосис-темы до третьего уровня, характеризующего функционирование частей ее структуры, до определения всех показателей и вида их взаимосвязей, а, следовательно до — синтеза поведения системы при задаваемых условиях — требует значительных и длительных усилий.

На современной стадии исследования предложенная методология была использована при составлении структурно-функциональной схемы водного режима (Рис.5) и расчета характеристик водного баланса и водообмена участков Камского и Боткинского водохранилищ для основных гидрологических фаз за период существования этих водоемов. Полученные параметры каждого уровня дают исчерпывающее представление о «нормативной» структуре баланса, а также о специфике ее изменений во времени и пространстве в зависимости от водности лет, особенностей регулирования и морфометрии отдельных участков. Если первый (в центре) уровень соответствует знанию о водном режиме водоема или его участка, то на втором уровне содержатся величины основных составляющих водного баланса (общий приток, общий расход и результирующий объем водной массы в конце периода), третий же уровень характеризует относительные показатели структуры основных частей баланса, а также водообмена и трансформации водной массы. Все показатели, приведенные к виду коэффициентов, логически связаны с формой представления водного баланса: водообмена «по притоку», водообмена «по стоку», трансформация стока, интенсивность аккумуляции (относительное изменение объема). Структура приходной и расходной частей водного баланса так же в относительной форме — состоит из коэффициентов, определяющих долю составных частей общего притока (осноаного, боковой приточ-ности, осадков и др.) и общего расхода воды (стока с участка, испарения, ледообразования и др.). К сожалению, имеющаяся в настоящее время информация не позволяет представить отмеченные доли составляющих для морфоучастков, поэтому на рисунках они приводятся для водохранилищ в целом.

Таким образом, применение СДМ приводит к необходимости расчета составляющих водного баланса водохранилищ. Естественно, расчетом его и анализом, занимались и вне зависимости от применения системного подхода, так как именно водный баланс отражает характер регулирования стока водохранилищем, поскольку каждому типу регулирования соответствуют определенные периоды и размеры наполнения и сработки.

В имеющейся специальной литературе, отражающей изученность водного баланса водохранилищ, достаточно хорошо представлена специфика водных балансов самых различных водохранилищ на основе использования подробно разработанной методики определения элементов баланса [Руководство по обработке и подготовке., ГГИ, 1972]. Однако для всех крупных водохранилищ составление баланса для всего водоема в целом оказывается недостаточным для решения задач об особенностях внутри-водоемных процессов.

Применение же системной методологии позволяет не столько оценить роль водного баланса как одного из элементов экосистемы и ее частей, сколько представить его таким образом, чтобы стало реальным решение проблем, связанных с переносом и трансформацией вещества и энергии внутри экосистем, и между соседними системами — в общем процессе круговорота вещества и энергии.

V. ВОДНЫЙ БАЛАНС МОРФОУЧАСТКОВ КАМСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ.

5.1 методика расчета составляющих баланса.

В связи с различной морфологией и размерами водохранилищ, изменяется и подход к решению водного баланса. Согласно классификации Ю. М. Матарзина [1977] Камские водохранилища относятся к долинно-реч-ному типу. Для водохранилищ подобного типа в настоящее время имеется несколько схем решения водного баланса отдельных участков [М.Г.Ершова, К. К. Эдельштейн, Ю. М. Лебедев и др.], которые достаточно близки между собой, так как в основе методов расчета лежат общие уравнения движения и неразрывности для неустановившегося движения и упрощение которых зависит от конкретных условий — специфики водоема, характера исходной информации, а также временной и пространственной продолжительности шага расчета.

Для расчета водного баланса участков Камских водохранилищ автором доклада также было использовано уравнение неразрывности, но с учетом боковой приточности [15, 16, 33]. Уравнение решается методом конечных разностей к концу заданного интервала времени для всех последовательно расположенных по длине водохранилища участков — с определением величины изменения расхода (подобно известному в гидравлике методу «мгновенных режимов»). В качестве расчетного периода был принят месяц, так как больший период характеризуется значительным изменением уровней и расходов воды, а меньший пока невозможен из-за отсутствия всей необходимой для этого информации, тем более, что и водный баланс в целом составляется за месячный период, что может использоваться в качестве критерия правильности решения баланса по участкам водохранилища. Имеет значение и то, что при принятии меньшего интервала времени появляется необходимость учитывать изменения расходов воды транзитного течения вследствии возникающих ветроволно-вых переносов, характеризующихся большой изменчивостью во времени и пространстве.

Для любого участка, ограниченного входным и выходным створами, за расчетный период времени водный баланс может быть выражен уравнением: К К ~ КН = Ь ~ + Пд + О — И + Л + Пп + Н, где.

Н Н.

Ик — объем водной массы участка на конец расчетного периода;

Ин — объем водной массы в начале периодаи 0.2 ~ среднемек сячные расходы через верхний и нижний створыБ Ъ — продолжительн ность периода времени (месяц) в секундахПб — боковая приточность к периметру участкаО — осадки на водное зеркалоИ — испарение с водной поверхностиЛ — изъятие воды на ледообразование и потери при обсыхании льда при зимней сработке или поступление воды в результате таяния льда при затоплении веснойПп — приток подземных вод или потери на фильтрациюН — невязка баланса.

Решая приведенное уравнение относительно разности расходов (00 = с"! — <22), получим 1.

00 = - (Ик — Ин — Пб — О + И + Л + Пп + Н) к н.

Величины объемов водной массы определяются с помощью известных значений уровней воды по предварительно построенным кривым объемов воды для всех участков, остальные составляющие находятся по материалам о водном балансе в целом в зависимости от сезона, расположения участка, протяженности береговой линии, площади акватории.

Начальный расход в первом входном створе задается по материалам ГМС (ех<�емесячные расходы опубликованы в ежегодниках). Таким образом, расчет производится для выбранного интервала времени по последовательно (сверху вниз) расположенным участкам и створам, вплоть до конечного створа — плотины ГЭС, расход по которой также известен, а потому является контрольным. Результаты расчета за многолетний период по Камским водохранилищам [Китаев, 1983, машинописный фонд кафедры] показали, что разница между рассчитанными по описанной методике и приведенными в «Гидрологических ежегодниках» расходами в створах ГЭС составляет в основном 5−10% от величины последних [28,29,31,32].

Применение методики позволило:

1) рассчитать все составляющие водного баланса для каждого участка;

2) определить важнейшие показатели динамики водных масс морфоу-частков — соответственно схеме их функционирования (Рис. 4, 5);

3) найти новое определение и физический смысл коэффициента про-точности;

4) использовать величины составляющих водного баланса для расчета элементов химического [Китаев, 1983], теплового и сединеитаци-онного [Л.А.Кузнецова] баланса;

5) решать некоторые «прикладные» задачи: гидравлическую — оценить изменение и величины коэффициентов шероховатостигидрологическую — найти соотношение между расходами воды и скоростями транзитного и ветровых течений.

5.2. структура водного баланса морфоучастков Камских водохранилищ.

Ежемесячные водные балансы составляются Пермской ГМО с 1956 года для Камского и с 1962 года — для Боткинского водохранилищ в целом, а их анализ достаточно подробно приведен в опубликованной литературе [" Водные ресурсы.", Мацкевич, Матарзин, 1968, 1977; Китаев, 1983 и др.]. А. Б. Китаевым рассчитаны и проанализированы такие балансы и для всех выделенных на Камских водохранилищах морфоучастхах (согласно районированию, предложенному Ю. М. Матарзиным и И.К.Мацкеви-чем) на основе разработанной автором доклада методики [16]. однако влияние гидрологического режима на изменение физических, химических и биологических характеристик наиболее связано с колебаниями уровня воды, в годовом ходе которого выделяются три основные фазы водного режима: 1 — зимняя сработка, 2 — весеннее наполнение, 3 — летне-осенний период с относительно стабильной высотой уровня.

Разное положение Камских водохранилищ в каскаде обуславливает ктбксиВносш ^ (аккзмуляцлт | I е й х Я.

О О О структзра риходной часта? вовною. Баланса ЫУ^.Чс-'Ш о.

РБЗЗЛЬТИРЗЮЩИИ (КОНЕЧНЫЙ ОБЪЕМ воды) водоем.

МОРЧ"О-участой) овэдни.

ПРИТОК воды шзщии сток воды.

О-ДНО-С^ ч.

Рис. 5, Структурно-функциональная схема характеристик водного режима водохранилищ различие в сроках наступления весенней и летне-осенней фаз: наполнение Боткинского водохранилища начинается и заканчивается в среднем на месяц раньше, чем Камского. Поэтому продолжительность основных фаз принята одинаковой для обоих водохранилищ, но со смещением границ периодов (Табл.4).

Начало зимней фазы в ноябре связано со сроками наступления ледовых явлений, которые для Камских водохранилищ почти одинаковы.

Для выделенных фаз рассчитаны характеристики водных балансов и динамики водных масс морфометрических участков водохранилищ, которые представлены в виде структурно-функциональной схемы (Рис.6).

Таблица 4.

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ФАЗ ВОДНОГО РЕЖИМА НА КАМСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩАХ.

Фаза | Камское 1 водохранилище Боткинское водохранилище.

Зимняя сработка ноябрь — апрель ноябрь — март.

Весеннее наполнение май — июнь апрель — май.

Лет не-осенняя стабилизация июль — октябрь июнь — октябрь.

На Камском водохранилище выбраны три характерных участка, один из которых находится в верхней части водоема (узкий, вытянутый, с переменным подпором в течение года, с положительным уклоном поверхности), второй — в центре (широкий, относительно неглубокий, с горизонтальным положением уровня воды), третий — вблизи плотины ГЭС (суженный, глубокий, испытывающий больше всего влияние регулирования стока, так же с отсутствием уклона).

Боткинское водохранилище представлено последовательно расположенными участками. Первые два характеризуют верхний район с небольшим переменным подпором и положительным уклоном поверхности. Этот район наиболее узок, но вниз ширина и глубина постепенно увеличиваются. Первый участок отличается наибольшим влиянием суточных попусков ГЭС, постепенно уменьшающимся вниз. Два нижних участка — это наиболее широкий и глубоководный район с постоянным подпором и гори.

4?

Рис. б-А. Системные гидрологические показатели основных фаз водного режима (I, 2, 3) морфоучастков Камского водохранилища.

I, II, III).

Рис. 6-Б. Системные гидрологические показатели основных фаз водного режима (I, 3) морфоучастков Боткинского водохранилища (I, 1У) зонтальной поверхностью. Третий участок извилист, четвертый вытянут примерно в одном направлении и имеет максимальные для водохранилища в целом глубину и ширину.

Структура приходной части баланса водохранилищ в целом различна. Если для Камского водохранилища доли основного и бокового притока в общем приходе воды сопоставимы (40−50%), то для Боткинского боковая приточность не превышает 5−10% (в период наполнения водоема). Б расходной части в обоих случаях главную роль играет сток воды через плотину ГЭС. Доли осадков и испарения оч. ень малы, при этом на Камском водохранилище доля осадков несколько выше, чем на Боткинскомотносительные величины испарения почти одинаковы. Можно предполагать, что для отдельных морфоучастков Боткинского водохранилища структура баланса вряд ли будет существенно различаться. В то же время на Камском водохранилище с его морфологическим разнообразием частей и наличием больших притоков (Чусовая с Сылвой, Косьва, Иньва, Обва) структура баланса участков более изменчива.

Согласно функциональной схеме основными характеристиками водного режима в абсолютных величинах являются объемы общего прихода (Яп) и общего расхода (Ир) или стока (Ис) воды, а также объем водной массы участка к концу расчетного периода). Изменения первых двух параметров по фазам режима практически повторяют друг друга на обоих водохранилищах, но для каждого различны и отражают их морфологическую специфику. Если на Боткинском водохранилище происходит постепенное нарастание объемов притока и стока от зимнего к летне-осеннему периоду, за исключением их небольшого уменьшения в период наполнения на нижних участках, то для всех участков Камского в это время характерно существенное повышение объемов притока и стока.

Объемы водной массы по фазам режима изменяются аналогично для участков водохранилищ, увеличиваясь в период наполнения, но степень увеличения больше в центральной части Камского водохранилища и в приплотинном участке Боткинского.

Согласно принятой схеме характеристик (табл.3) об их изменениях в течение ряда лет можно судить по их отношениям к норме. Модульные коэффициенты объемов, рассчитанные за 20-летний период (1959;1979 гг.) для участков Камского водохранилища, свидетельствуют о: 1) их постоянных колебаниях- 2) несовпадении максимальных и минимальных величин по фазам режима- 3) влиянии водности лет и сезонов на динамику конечных объемов.

Наибольшие колебания (0,70−1,75) притока и стока отмечены для периода зимней сработки (значительное уменьшение в 1965, 1970 и 1971 гг.- увеличение — в 1966 и 1972 гг.). Весной и летом модульные коэффициенты изменяются от 0,5 (весна 1966 г. и лето 1960, 1974 гг.) до 1,5 (весна 1965, 1972, 1974 гг. и лето 1960 и 1974 гг.).

Величины конкретных объемов водной массы изменяются очень мало в период наполнения, однако хорошо выделяются периоды: 1) 1959;1966 гг. — объемы стабильно близки к норме- 2) 1967;1970 гг. — несколько выше нормы (до 1,1) — з) 1971;1977 гг. — ниже нормы (до 0,7), а с 1978 г. снова отмечено увеличение конечных объемов — до 1,2 нормы.

Эти же периоды, но менее четко, отмечаются и в колебаниях объемов водной массы к концу летне-осенней фазы режима, при этом амплитуда колебаний по сравнению с весной возрастает — от 0,50 (1976) до 1,30 (1971) и 1,45 (1978). Еще более она значительна во время зимней сработки — 0,2 (1964, 1965 гг.) — 2,0 (1966, 1973 гг.), но характер колебаний иной — в первый период (стабилизации весенних и летних объемов) происходит преимущественно существенное уменьшение конечных объемов, во второй — вначале возрастание, затем постепенное уменьшение, в третий — объемы преимущественно выше нормы.

Для Боткинского водохранилища колебания основных элементов водного баланса должны быть более сглаженны ибо все изменения в естественном ходе процесса стока «принимает на себя» первое (верхнее) в каскаде Камское водохранилище.

5,3. Особенности водообмена и трансформации водных масс.

На «замыкающем» кольцевом уровне функциональной схемы обозначены показатели динамики водных масс морфоучастков водохранилищ, определяемых по значениям соответствующих объемов предыдущего уровня. Выделяется три типа таких показателей: 1) внешнего водообмена — по притоку и стоку (Ип/У}к, Ис/Юк) — 2) трансформации — и 3) интенсивности аккумуляции (наполнения и сработки) — + 0Ю/Ик, где ОДО — изменение объема водной массы к концу расчетного периода. Последняя может быть выражена и другим соотношением Ик/Ин, где Кн — объем водной массы вначале расчетного периода.

Форма выражения коэффициентов водообмена согласуется с аналитическими показателями, предложенными Л. И. Дубровиным [1958], С. В. Григорьевым [1958], Н. В. Буториным [1965], В. И. Штефаном и К.К.Эдельштей-ном [1975], В. А. Знаменским [1975].

На Рис. 7 приведена графическая интерпретация названных показателей, позволяющая (наряду с функциональными схемами) сделать основные выводы об особенностях их изменения по фазам и участкам.

1. Коэффициенты водообмена по притоку и стоку практически одинаковы, поэтому внешний обмен характеризовать по одному из них.

2. Наиболее значителен водообмен в верхних частях водохранилищ, уменьшаясь в несколько раз к приплотинным участкам, при этом коэффициенты водообмена верхнего участка на Камском водохранилище выше (40−60), чем на Боткинском (15−30).

В нижних районах, а также в центральной части Камского водохранилища коэффициенты водообмена относительно малы (5−10). На Камском водохранилище наибольшим водообменом характеризуется период зимней сработки, за исключением самого верхнего района, где весной водообмен немного выше зимнего. На Боткинском водообмен весной меньше, чем летом и зимой (объем водной массы наибольший при меньшей величине транзитного стока).

3. Коэффициенты трансформации в соответствии с близкими значениями притока к участкам и стока с них близки к единице. Для Боткинского водохранилища они почти одинаковы на всех участках и более 0,90. На центральном участке Камского водохранилища в зимний и летний период степень трансформации понижена до 0,72 и 0,82 соответственно .

4. Интенсивность аккумуляции (наполнения и сработки) водохранилищ имеет отрицательные значения и возрастает от верхних районов к нижним на обоих водохранилищах в период зимней сработки (наиболее значительна и интенсивнее на Камском), плавно — в летне-осенний период (летом также происходит небольшая сработка к концу фазы). Весеннее наполнение характеризуется положительными значениями коэффициента, уменьшающимися к приплотинным участкам водохранилищ.

Анализ колебаний отмеченных показателей на участках Камского водохранилища за 20 лет показал, что для различных коэффициентов на разных участках периоды их максимумов и минимумов не совпадают. Наиболее значительны изменения в зимний и летне-осенний периоды. В период весеннего наполнения показатели водообмена, трансформации и интенсивности аккумуляции близки к норме. Изменения коэффициента интенсивности аккумуляции достигают больших значений, чем прочие и непосредственно связаны с уровенным режимом. Н. Б. Сорокиной и ю.М.Ма-тарзиным [1970, 1980] выделены 4 типа изменения уровня в течение наА к 0,50 о.

— 0,50 -1,00 -1,50 -2,00.

— 2,50%.

40,0.

0,0 0.

Ы> Щ.

1,00.

0,80 зимняя.

СРЕ’ЕОТна ВЕСЕННЕЕ.

НЭПОЛНЕНУШ летнЕ-оСЕккая стабилизация.

1,2,5,4- номЕ^а ичасткев соглгою.

СХЕМ-с.

Рис. 7. Изменение средних показателе^ водообмена трансформации и интенсивности изменения объема водной массы д\/ л/к на гидроморфологических участках Камского (А) и Боткинского (Б) водохранилищ г вигационного периода.

Первый тип: наполнение чаши водохранилища заканчивается преимущественно в начале июня, в течение всего летне-осеннего периода уровни близки к НПГ. Навигационная сработка составляет 0,60 м, а обеспеченность стояния уровня выше отметки 108,0 м — 74−94%.

При этом типе все показатели динамики водной массы близки к норме, за исключением коэффициентов интенсивности аккумуляции, которые очень малы в летне-осенний период на всех участках (0,13−0,18 от нормы).

Второй тип: наполнение заканчивается в конце мая — начале июня, в июле-августе уровни близки к НПГ, понижение происходит в сентябре, навигационная сработка — 0,60−2,20 м, а обеспеченность стояния уровня выше 108,0 м — 60−74%. Этот тип характеризуется незначительными отклонениями от нормы¦ Интенсивность сработки немного ниже нормы (0,10−0,20).

Третий тип: наполнение заканчивается в конце маяуровни близки к НПГдержатся в июне-июлев августе начинается сработка, достигающая 1−2 мобеспеченность стояния уровней 108, С м — 40−60%. Интенсивность сработки достаточно велика — до 3,5−4,5 нормы. Коэффициенты же водообмена чуть меньше средних значений.

Четвертый тип: окончание наполнения приурочено к концу маяуровни, близкие к НПГ, держатся только в июнеобеспеченность уровней, выше 108,0 м, не более 40- навигационная сработка начинается в июле и достигает 2−3 м к концу летне-осеннего периода. Показатель интенсивности сработки в летний период превышает норму в 3−5 раз.

В годы с высоким стоянием уровня в навигационный период почти все элементы водного баланса и показатели трансформации водных масс близки к своим нормальным значением. Величины интенсивности аккумуляции понижены по сравнению с нормой в летний период и уменьшаются по мере приближения к плотине. Зимой этот показатель может и превышать норму, и быть ее меньше. Это зависит как от характера предыдущих лет, так и от начала заполнения водохранилища. Соответственно меняются и коэффициенты внешнего водообмена. И наоборот, при значительной навигационной сработке интенсивность аккумуляции и водообмен высоки, что соответствует пониженным их значениям в зимний период.

При попытке систематизировать распределение интенсивности аккумуляции внутри года выявилось три его типа:

Тип А: постоянное уменьшение показателя (в модульных коэффициентах) от сезона зимней сработки до летне-осенней межени.

Тип Б: в период весеннего наполнения показатель интенсивности аккумуляции больше, чем в другие сезоны. Как правило, в период зимней сработки он выше, чем в летне-осенний период.

Тип В: происходит повышение коэффициента от сезона к сезону.

Если не происходит резкой смены водного режима, можно наблюдать целый цикл лет, принадлежащих к одному типу распределения интенсивности аккумуляции. Как правило, цикл типа, А (постоянное уменьшение) сменяется на противоположный — цикл типа в (повышение от сезона к сезону). Цикл Б сменяется циклом Б, цикл Б — циклом А.

При оценке лет [1959;1976 гг.] по типам уровенного режима и типам распределения интенсивности аккумуляции по сезонам (Табл.5) выявилось, что при первом и втором типах уровенного режима этот показатель распределяется по сезонам по типу, А или Б, при 3 и 4 — Б или В, и только 1964 год является исключением.

Таблица 5.

ПОВТОРЯЕМОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПОВ ИНТЕНСИВНОСТИ АККУМУЛЯЦИИ ПО СЕЗОНАМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УРОВЕННОГО РЕЖИМА.

Тип уровенного режима Годы при типах распределения по сезонам.

А Б В.

1 1959 1965 1971 1962 1966 г 1963 1968 1970.

3 * 1964 1961 1960 1967 1972 1976.

4 1973 1969 1974 1975.

В 1964 г. абсолютные изменения показатели интенсивности были близки к их значениям 1961 г. в весенний и летне-осенний период (тип Б), но за счет очень высоких значений показателя зимой этот год был отнесен к типу А.

Более детальный (относительно расчетного периода) анализ интенсивности аккумуляции был выполнен нами [46] в соавторстве с А.Б.Ки-таевым [1993] с помощью расчета другого показателя С — отношения объемов водной массы в конце (№к) и начале (Юн) месяца. Этот показатель также связан с уравнением водного баланса в виде Ик = №н + -ир>' с = №к/ин = 1 + (вдо/ин «ир/инЬ где коэффициенты ИП/ИГН и Ир/Ин (или Wc/Wн) — коэффициенты водообмена по притоку и стоку, но — по отношению к объему водной массы в начале расчетного периода. При равенстве объемов притока и стока С = 1, что свидетельствует о водообмене при постоянном положении уровенной поверхности. При С > 1, водообмен происходит в условиях наполнения водоема, при С< 1 — его сработки.

Выполненные расчеты для всех участков Камских водохранилищ позволяют сделать следующие выводы:

1. Зимой (ноябрь-март) показатель изменения объемов меньше единицы и колеблется от 0,48 до 0,95. На Камском водохранилище он ниже, чем на Боткинском. По длине водоемов он увеличивается, достигая высоких значений в приплотинных участках.

2. В период наполнения водохранилищ (апрель июнь) показатель С > 1, причем степень превышения на Камском больше, чем на Боткинском. Максимальные значения составили 6,08 и 3,98 — соответственно, средние — 1,5−3,0. По длине происходит постепенное изменение к прип-лотинным участкам.

3. Летне-осенний период характеризуется стабильностью объемов водной массы и близостью С к единице.

Оба описанные выше показателя, отражающих интенсивность изменений объемов водной массы связаны соотношением = 1 — 1/С, которое позволяет считать характер их изменений тождественным и, таким образом, использовать для анализа водного режима один из них.

5.4. Проточность Камских водохранилищ.

Под проточностью водохранилища мы понимаем его способность транспортировать водные массы в виде транзитного течения. Исключая те исследования, в которых проточность отождествляется с внешним водообменом отметим лишь, что у Н. В. Пикуша [1972, 1979] понятие «проточность» связано, по существу, с распространением скоростей течения. Нами предложен коэффициент проточности «К», определяемый соотношением времени перемещения по длине водоема или его участка одинакового расхода в условиях реки и созданного на ней водохранилища С^) [13]. Простейшие преобразования приводят к замене отношения времени обратным отношением скоростей течения (Ур и 1/в) К = 'Ьр/^в = ¥-вАр •.

Теоретически коэффициент проточности изменяется от 1 (река) до О (абсолютно непроточный водоем). Практически в водохранилищах этот коэффициент всегда больше 0, а при наполнении в верхних районах Камских водохранилищ он может превышать 1.

Выраженный таким образом коэффициент позволяет определять и сравнивать степень проточности не только разных участков одного водоема, но и различных водохранилищ — речного и долинно-речного типов. Необходимо только иметь в виду, что скорость транзитного течения в водохранилище рассчитывается по среднемесячным расходам воды и, следовательно коэффициент проточности отражает определенные условия и общие закономерности транзитного потока воды от верхних к замыкающим створам.

С позиции СДМ коэффициент проточности относится к характеристикам, описывающим процесс развития системы, и отражает ее структурно-функциональное соответствие, поэтому для анализа его изменений не нужно выражать его в виде модульных коэффициентов, в отличие от выше описанных показателей водообмена, трансформации, аккумуляции и составляющих водного баланса.

Результаты расчета коэффициента проточности для всех морфоу-частков Камских водохранилищ за многолетний период [Китаев, 1983] позволяют судить об особенностях изменения проточности по длине водохранилищ в течение года, а также о влиянии на проточность водности.

Максимум проточности приходится на апрель-май — при переходе от конца зимней сработки к началу интенсивного наполнения водоемов (0,55−0,85 в верхних районах- 0,20−0,35 — в центральной части Боткинского водохранилища- 0,10−0,18 — в приплотинном участке Камского и 0,05−0,08 — Боткинского водохранилищ- 0,04−0,06 — в расширенном районе Камского водохранилища).

Зимой и летом проточность снижается и значительнее в летне-осенний период (от 0,02 — в центральной части Камского водохранилища до 0,50 — в верхнем районе Боткинского водохранилища), чем во время зимней сработки (от 0,03 до 0,60 соответственно).

Влияние водности более проявляется весной, нежели в другие периоды, увеличивая коэффициент проточности при увеличении притока воды и уменьшении в маловодные годы.

Внутригодовые изменения коэффициента проточности аналогичны изменениям составляющих водного баланса (структурное соответствие) и показателей динамики водных масс (функциональное соответствие) мор-фоучастков.

Можно полагать, что коэффициент проточности особым образом связан с интенсивностью поступления воды на участок или оттоком из него. Это подтверждается наличием зависимостей К = :С© для всех морфологических участков Камских водохранилищ, и представленных двумя ветвями, одна — на период наполнения (С > 1), другая — для периода сработки (С < 1) (Рис.7). Стабильность объема водной массы (С = 1) соответствует наименьшей величине коэффициента проточности.

Учитывая способы расчета К и С, необходимо отметить, что С определен более достоверно. Расчет коэффициента проточности неизбежно связан с ошибками, возникающими при определении расходов воды на границах морфоучастков, средних скоростей течения воды в водохранилище и в реке в естественных условиях при одном и том же расходе воды. Поэтому зависимость К = :£© можно использовать для нахождения коэффициентов проточности, причем — за любой интервал времени, вплоть до суток, что увеличивает возможность анализа гидрологических, гидрохимических и гидробиологических характеристик водохранилищ, в той или иной степени зависящих от особенностей водообмена.

VI. ПРИМЕНЕНИЕ ВОДНОБАЛАНСОВЫХ РАСЧЕТОВ В ГИДРОХИМИЧЕСКИХ, ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ КАМСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ.

6.1. Баланс химических веществ морфоучастков водохранилища.

Решение водного баланса участков Камских водохранилищ, а также выявление роли важнейших гидродинамических факторов (водообмена, проточности) в формировании их гидрохимического режима, позволили А. Б. Китаеву [1983, 1987] выполнить расчет баланса минеральных веществ на основе натурных материалов о химическом составе воды и разработанной им совместно с автором доклада [17, 18, 19, 21, 22, 25, 36, 40, 41, 45] методики использования этих материалов для получения гидрохимических характеристик е граничных створах участков. Химический баланс Камских водохранилищ достаточно подробно освещен в монографии ю.М.Матарзина, Л. А. Кузнецовой «Гидрохимия водохранилищ» .

1987], поэтому ограничимся лишь краткой характеристикой суммарной составляющей баланса ЭЭ, определяемой по уравнению +Б = 8С — вп + (Бк — Бн), где Зп и Зс — количество минеральных веществ, поступающих к начальному створу участка и выносимых через конечный створБн и Бк — количество веществ, содержащихся в водной массе участка в начале и конце расчетного периода.

Величина ЭЭ, осредненная за многолетний период, характеризуется достаточно большой амплитудой колебаний в течение года и по длине водохранилищ, а также некоторыми повторяющимися для всех участков каскада явлениями, которые А. Б. Китаев [1983] не рискнул назвать закономерностями. К концу зимы — началу весны им отмечено уменьшение величин ББ почти везде до наступления минимума в начале весеннего наполнения. За исключением самого верхнего и приплотинного участков Камского водохранилища, в течение 2-х — 3-х месяцев (март-апрель, апрель-май, март-апрель-май) на разных районах суммарная составляющая имеет отрицательные значения. Затем ее величины вновь становятся положительными, достигая максимума в июле-августе с последующим уменьшением до сравнительно небольших отрицательных значений в сентябре-октябре. Зимой вновь наступает подъем при положительных величинах соизмеримых или даже превышающих летние максимумы. Отрицательный результат расчета означает преобладание выноса минеральных веществ с участков, положительный — поступление их на участок.

330= Эк — [(5Н + Бп) — Бс] ББ < О, если Б,-, > Бд + Бп ЭБ > 0, если < Бн + Би.

Очевидно, для объяснения отмеченного явления недостаточно знания гидрологических и химических процессов в водоеме, а перенос минеральных веществ не является механическим и сопровождается явлениями биохимического характера.

Однако в целом за год на всех участках Камских водохранилищ происходит накопление минеральных веществ.

6.2. Теплобалансовые расчеты.

В настоящее время существует несколько расчетных схем определения составляющих теплового баланса. Наряду с общими методами расчета, отражающими уже установленные закономерности обмена тепловой энергией между водным объектом и окружающей средой, имеются многочисленные локальные формулы. Опыт применения существующих эмпирических формул показал, что ошибки расчета гидрологических характеристик и невязки баланса в некоторых случаях настолько велики, что полученные результаты вряд ли можно считать достоверными.

Одной из причин трудностей, возникающих при расчете теплового баланса по существующим методикам является то, что в них не делается различия между озерами и водохранилищами, русловые и долинные водохранилища, обладая большей проточностью по сравнению с озерами, существенно отличаются от них. Расходы воды достигают значительных величин. Поэтому при расчете теплового баланса какого-либо участка водоема за определенный интервал времени (сезон, месяц, декада) мы неизбежно имеем дело с разными водными массами.

Наличие рассчитанных среднемесячных величин расходов воды через замыкающие створы участков позволяет использовать уравнение теплового баланса в следующем виде.

0К = Он + Оп- ~ Ос + гДе 0Н и <2К — теплозапасы водной массы участка в начале и конце расчетного периода, определяемые по соответствующим значениям температуры воды и объема водной массы- 0П и 0С — тепловой приток к участку и сток тепла из него с притоком и стоком воды- +ЭС> - суммарный результат всех остальных членов теплового баланса.

Величина во — положительна при 0К — (0Н + дп — 0С) > 0 и свидетельствует о приходе тепла к участку, и отрицательна при С! к — (0Н + Оп — Ос) < 0 < что говорит о расходе тепла в окружающее пространство.

Таким образом, для условий водохранилищ представляет интерес расчет стока и результирующей величины БО, позволяющей в определенной мере судить о тепловом взаимодействии участков водохранилищ с окружающей средой.

Анализ динамики теплового стока, выполненный автором доклада [26] совместно с И. К. Мацкевичем [1984] показывает, что величины теплового стока весьма значительны (85 420) «Ю12 кДж и сопоставимы с суммарным результатом баланса. Динамика теплового стока отражает, в основном режим водного стока, а его колебания обусловлены в большей степени изменением водности лет, сезонов, месяцев, и в значительно меньшей степени зависят от температуры воды.

Результаты определения суммарных, комплексных величин Б0 [27] позволили сделать некоторые выводы:

1) Как правило, на обоих водохранилищах все участки характеризуются уменьшением положительных значений 80 от начала навигационного периода к его середине и увеличением отрицательных к его концу.

2) Максимальные положительные величины БС> в июне составляют на Камском водохранилище около 188'1О12 кДж, на Боткинском — 250'1О12 кДж. Наибольшие отрицательные значения в октябре соответственно 130'Ю12 кДж и 138'Ю12 кДж.

3) Переход от положительных значений БО к отрицательным происходит в августе, когда величины 30 близки к 0.

4) Наибольшая амплитуда колебаний во в течение навигационного периода отмечается на Камском водохранилище в центральных, а на Боткинском — в нижних участках. Эти участки обладают большими объемами водной массы и большими величинами теплозапасов, следовательно, способны оказывать большее тепловое воздействие на побережье водохранилища, особенно в начале и конце навигационного периода.

В отличие от теплового стока, величина Б0 связана наиболее с климатическими, метеорологическими условиями акватории и побережий водоемов, а также с морфометрическими особенностями участков водохранилищ .

Помимо определения теплобалансовых характеристик, нами в соавторстве с О. И. Вахминцевой [1993] проанализированы особенности процессов теплообмена между водной массой морфоучастков Камских водохранилищ и окружающей средой [47]. С этой целью рассчитывался критерий подобия тепловых процессов В^, представляющий отношение всего слоя воды Ь к «толщине пограничного слоя» .

Ь Ь.

В1 = - = -, где.

14 1/а.

1 — коэффициент теплопроводности водной массы, представляющий сумму коэффициентов физической, свободно-конвективной, стоковой и волновой теплопроводностиа — коэффициент теплоотдачи поверхности воды к воздуху, зависящий от разности температур последних и скорости ветра.

Согласно классификации А. И. Пеховича [1983] все водохранилища делятся по характеру теплообмена на мелкие, глубокие и очень глубокие, различающиеся распределением температуры по глубине и соотношением теплообмена с дном и атмосферой, а следовательно, и степенью учета этих факторов при определении критерия В^ .

В течение годового термического цикла роль отдельных составляющих меняется. Изменяются и глубины участков. Поэтому и величина Вд^ непостоянна, и следовательно, по ее изменениям можно судить об особенностях теплообмена на разных морфоучастках в различные фазы водного режима.

Критерий В^ рассчитан для основных районов главного плеса Камского водохранилища, отличающихся характером теплообмена.

Первый район, находящийся в зоне переменного подпора, имеет среднюю глубину около 3,5 ми сравнительно небольшой объем водной массы, хороший водообмен и малую инерцию теплового запаса.

Второй район, приуроченный к наибольшему расширению камского плеса, характеризуется наличием обширных мелководий, имеет среднюю глубину меньше 6 м, ширину до 12 км, уменьшением. скоростей транзитного течения и водообмена. Однако небольшой объем водной массы и усиление роли ветро-волнового перемешивания обеспечивает малую инерцию теплового запаса, как и в верхнем районе.

Третий район довольно широкий (до 9 км) по всей протяженности и более глубокий — средняя глубина — около 8,5 м, обладая большим объемом водной массы, медленно прогревается, но может быстро терять тепло вследствие наиболее интенсивного здесь развития процесса волнения.

Четвертый район находится в нижней, наиболее суженной, но и наиболее глубокой (до 20−30 м) части водохранилища, что способствует большой тепловой инерции водной массы.

Явная недостаточность источников информации заставляет считать полученные результаты расчета ориентировочными, однако и они позволяют сделать некоторые предварительные выводы о характере изменений критерия В}.

Коэффициенты теплоотдачи («вода-воздух») за период расчета почти повсеместно имели отрицательные значения, так как величина температуры воздуха была больше, чем температура воды на поверхности. Исключение составлял июль 1967 года в первом, втором и третьем районах, где этот коэффициент положителен и теплоотдача направлена от водной массы к атмосфере.

Физическая теплопроводность мала по величине, составляя 0,001−0,0001 долю от суммарной теплопроводности. Изменения ее связаны с колебаниями средней температуры воды по глубине, наибольших значений она достигает в июле, наименьших — в октябре.

Свободно-конвективная теплопроводность зависит от величины теплоотдачи, а и глубины водоема, составляет в суммарной теплопроводности десятые или сотые доли. Прослеживается уменьшение роли свободной конвекции от верхних частей водохранилища вниз. Это связано с увеличением в этом направлении глубин и отрицательных величин коэффициента а.

Доля вклада дрейфовой теплопроводности (0,001−0,0001) также чрезвычайно мала даже для районов с активным ветро-волновым перемешиванием .

Определяющую роль в суммарной теплопроводности играет ее стоковая составляющая. Ее изменения по участкам водоема соответствуют характеру изменения скоростей транзитного течения и глубины. Поэтому величины и стоковой составляющей и суммарной теплопроводности возрастают с увеличением скорости транзитного (проточного) течения и глубины.

Расчет критерия В^ показал, что во всех случаях он изменяется от 0,0003 до 0,099. Таким образом, на всех морфоучастках и во все сезоны камское водохранилище относится к типу мелких (В^ < 0,20). Анализ полученных значений критерия В^ позволяет выделить 5 основных типов изменения его по длине водохранилища, или типов процессов теплообмена.

Первый тип характеризуется максимальными значениями числа В^ в центральной, широкой части водохранилища и уменьшением его на верхних и нижних участках (изменения суммарного коэффициента теплопроводности — противоположны изменениям числа В^). По этому типу развиваются процессы теплообмена преимущественно в летние месяцы.

Второй тип представляет динамику числа В^ по участкам, обратную первому, отмечается в осенние месяцы.

Оба типа отмечены для лет средней водности с устойчивыми метеорологическими условиями, свойственными лету и осени.

Для третьего типа характерно плавное уменьшение числа В^ от верхних участков к нижним. По этому типу развивались и летние и осенние процессы теплообмена 1967 года, являющимся самым маловодным за весь период существования Камского водохранилища, когда значительная летне-осенняя сработка привела к еще большему увеличению роли стоковой теплопроводности в нижних частях водоема.

Четвертый тип, противоположный третьему, связан с уменьшением проточности в нижних частях водохранилища, очевидно это может объясняться сменой интенсивной сработки кратковременным наполнением, как это произошло в сентябре 1964 г.

Пятый тип представляет чередование уменьшений и увеличений критерия Bi по участкам с общей тенденцией уменьшения к приплотинной частиотмечается в летние месяцы с неустойчивым характером гидрометеорологической ситуации.

Таким образом, анализ изменения критерия Bj, ставший. возможным при определении расходов воды и скоростей транзитного течения, свидетельствует о ведущей роли проточности, водообмена и особенностей, морфометрии в характере тепловых процессов на морфоучастках водохранилища. б.з. оценка гидравлических особенностей Камских водохранилищ а) Шероховатость дна.

Определение коэффициента шероховатости для речных потоков относится к одной из самых значительных проблем динамики русловых потоков, не говоря уже о водохранилищах с их замедленным движением водной массы вследствие проточного течения.

В то же время расчет изменений во времени и пространстве скорости течения, расходов воды и уровня водохранилища в зависимости от режима работы ГЭС, моделирование прохождения паводочной волны через водохранилище, а также построение модели структуры течений, предполагает в качестве заданных граничных условий знание величин притока воды, сброса ее в нижний бьеф, размеров водоема и коэффициентов шероховатости его ложа, которые для условий замедленного движения не могут быть получены по имеющимся таблицам.

Для определения коэффициентов шероховатости [39] были использованы натурные наблюдения за стоковыми течениями, наиболее соответствующие условиям медленно изменяющегося, установившегося и равномерного движения. Предположив, что распределение скоростей транзитного течения (при отсутствии ветра) подчиняется логарифмическому закону, который наименьшим образом нарушается в придонном слое, и применив формулу Маннинга для определения параметра Шези, мы получили расчетную формулу коэффициента шероховатости «п». Из 184 случаев 150 дали значение «п» в пределах от 0,024−0,26, при общей амплитуде изменений — от 0,017 до 0,033. Величина 0,025 является минимальной для речных потоков и соответствует естественным руслам в весьма благоприятных условиях. На основании использования логарифмического профиля скоростей плоского потока выполнен и расчет средней высоты условных выступов шероховатости, которые будучи равномерно расположенными на дне, создали бы такое же сопротивление потоку, как и реально существующие. Средняя высота расчетных выступов на Камском водохранилище изменяется в основном от 0,024 до 0,065 м, достигая максимальных значений 0,089−0,126 м и минимальных — 0,001−0,002 м. Сопоставление полученных результатов с геоботанической картой схемой долины Камы в зоне затопления Камской ГЭС, составленной В. А. Крюгером и М. М. Даниловой, а также со схемой распределения основных типов донных отложений [Кузнецова, 1982] показало, что наименьшие высоты выступов и величины коэффициентов шероховатости приурочены к участкам затопленных сфагновых болот и, следовательно, сглаженному рельефу поверхности дна. Наибольшие значения этих характеристик связаны либо с резкими изменениями рельефа дна (граница бывшего старого русла и поймы), либо с наличием больших массивов затопленного леса. б) Внутренний водообмен.

Специфика гидродинамического режима водохранилищ обусловлена не только внешним, но и внутренним водообменом. Об особенностях последнего можно судить по величине коэффициентов турбулентного водообмена, рассчитанных по уравнениям В. А. Знаменского [1969, 1981], учитывающим морфометрические, гидравлические и энергетические характеристики водоемов. Возможности использования этих уравнений связаны с рассчитанными расходами воды, средними скоростями транзитного течения и высотой выступов шероховатости дна. Полученные результаты показали, что во все периоды года на всех участках преобладает продольный обмен и лишь при весеннем наполнении водоемов вертикальная и поперечная составляющие могут превышать продольную [37, 38].

На отдельных участках внутренний водообмен различен. Верхний район Камского водохранилища отличается уменьшением гидродинамической активности к концу участка, минимальными значениями вертикальной составляющей зимой и летом, максимальной величиной продольного обмена зимой, особенно перед весенним наполнением, наибольшей величиной поперечного обмена весной. для центрального района характерно возрастание турбулентного обмена во всех направлениях, что связано с возникновением активных циркуляционных зон при резком расширении водоема и с поступлением вод притоков. Продольный водообмен незначителен .

В третьем, приплотинном, районе происходит уменьшение коэффициентов турбулентного обмена по сравнению с центральной частью водохранилища, но по длине самого участка обмен усиливается к плотине.

Для Боткинского водохранилища характерно преобладание продольного обмена на всех участках, немного уменьшающегося к плотине Боткинской ГЭСв этом же направлении возрастатет роль остальных составляющих. в) План проточных течений.

В связи с наличием определяющего за большой период (месяц, сезон, год) транзитного течения и преобладанием продольной составляющей турбулентного обмена внутри водных масс, при построении плана продольных течений можно использовать методы, применяемые для движущихся в одном направлении потоков, ограниченных руслом. Заданными величинами являются расход воды, скорость течения, шероховатость ложа и внутренний водообмен.

Применение методов электрогидродинамического моделирования ЭГДА — (в условиях плоской и пространственной задачи) и Б. В. Проскурякова [1972] дало довольно близкие результаты. Полученные схемы стоковых течений [20] позволяют сделать•вывод о том, что основной транзит водных масс осуществляется над затопленными руслами рек.. На обширных зонах поймы и затопленного леса струи в 5−10 и более раз шире, что говорит о замедлении обмена, обусловленного проточными течениями .

Использование метода ЭГДА при использовании расчитанных расходов транзитного течения в качестве граничных условий моделирования дало возможность решить практическую задачу — изменить конструкцию строящегося в настоящее время мостового перехода через Обвинский залив Камского водохранилища. Это было вызвано необходимостью уменьшить негативное влияние перехода на замедление водообмена в отшнуро-ванной части залива [56, 57]. г) Структура течений.

Транзитное (стоковое) или проточное течение в водохранилищах долинного типа является основным видом движения водных масс, обусловливающим характер внешнего водообмена в водоеме. Однако мгновенная картина течений отражает воздействие многочисленных факторов, основным из которых является ветер. Суммарные течения формируются и под влиянием морфологических особенностей водоемов в целом и их частей. Поэтому структура течений водохранилищ весьма сложна, а при анализе материалов фактических изменений скоростей течений и их направлений не удается выявить каких-либо четких закономерностей.

Основными составляющими скорости суммарного течения являются компоненты, обусловленные действием сил тяжести, ветра, инерции и течения. В этой связи удобно для практического использования уравнение движения в форме, предложенной В. Н. Михайловым [1971] для устьевых участков рек, поскольку в гидродинамическом режиме водохранилищ и устьев рек имеются общие черты.

Использование в расчетах величин транзитного расхода воды, коэффициентов шероховатости и натурных материалов наблюдений за скоростью и направлением ветра позволило определить расходы воды ветрового течения [29] на выбранных участках Камских водохранилищ (одинна Камском, три — на Боткинском), Все участки имеют длину около 5 км, практически бесприточны, морфометрически однородны — с постоянными ориентацией и шириной, поперечным профилем трапецеидальной формы, находятся на достаточном удалении от плотины ГЭС.

Для каждого участка определялись расходы воды ветрового течения при заданных уровнях, скоростях и направлениях ветра. Для выбранных характерных (наиболее часто повторяющихся за навигационный период) уровней построены номограммы, общий вид которых представлен в работе Т. П. Девятковой и А. Б. Китаева [42].

Построенные номограммы дают возможность определить расход ветрового течения, который суммируется с расходом транзитного течения. Рассчитанные расходы ветрового течения достигают существенных значений, в отдельных случаях могут превышать среднемесячные расходы проточного течения, а в зависимости от скорости и направления ветра могут значительно увеличивать или уменьшать расходы суммарного течения. Расчет расходов воды и скоростей суммарных течений дает возможность охарактеризовать гидродинамическую структуру водохранилищ в различных гидрометеорологических условиях и при разных фазах проточ-ности водоемов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе использования материалов комплексных исследований Камских водохранилищ, изучения reoи экосистемных методов анализа природных систем, а также применения основных законов диалектики создана и обоснована системно-диалектическая методология постановки и решения задач в области исследования и хозяйственного освоения крупных водохранилищ, как сложных природно-антропогенных систем. Предлагаемая методология является теоретической основой гидрологии водохранилищ, как науки, имеющей свой объект, предмет и метод, отличающие ее от гидрологии других водных объектов. СДМ представляет также и основу водной экологии — научного направления, в задачу которого входит как объективный анализ всех составляющих экосистемы в водном объекте, так и синтез их-органической целостности с учетом их функционирования и развития в изменившихся условиях взаимодействия с окружающей средой.

2. Созданные структурно-функциональные схемы, представляющие механизм реализации методологии, позволили на каждом иерархическом (структурном) уровне системы определить: 1) вид элементов, 2) характер их функционирования и взаимосвязи, 3) способ их выражения и количественные показатели. В работе автора представлена логическая цепь системного исследования от предельно общего уровня общенаучной методологии до практического его применения в расчетах основных гидрологических характеристик отдельных частей Камских водохранилищ.

3) Балансовый способ изучения природных процессов, имеющих в основе своей круговорот вещества и энергии, в сочетании с СДМ и на ее основе привел к обоснованию системы характеристик и разработке методики их расчета для оценки водного режима морфологических участков и районов крупных долинных водохранилищ. Определение комплекса основных показателей — расходов транзитного (проточного) течения, объемов стока за основные характерные периоды в течение года, коэффициентов внешнего водообмена, интенсивности изменения водной массы, а также их динамики в зависимости от разных условий (водность года или сезона, режим регулирования и его нарушение) является необходимым условием не только для последующего исследования потоков вещества и энергии, но и при оценке гидрологических особенностей искусственных водоемов в практических целях их хозяйственного использования, а поэтому должно быть включено в нормативные рекомендации СНиПы и т. п.

4. Расчет аналогичных показателей для всего круга экосистемы водохранилища позволит более обоснованно использовать математические возможности экосистемного подхода к моделированию сложных экосистем, их функционирования и развития. Определение важнейших составляющих химического и теплового балансов для участков и районов Камских водохранилищ дало возможность выявить определенную роль водного режима и — особенно водообмена в формировании и трансформации потоков минеральных веществ и тепла.

5. Применение СДМ и воднобалансовые расчеты для отдельных районов водохранилищ привели к более обоснованной оценке внутриводоемных гидродинамических явлений (внутренний водообмен, гидравлическая шероховатость, влияние ветра на транзитные течения и их распределение в плане), что также увеличивает возможность анализа влияния гидрологических особенностей водохранилищ на поведение всей их экосистемы и ее отдельных частей. Расчет и анализ воднобалансовых характеристик для отдельных участков водохранилищ обеспечивает принятие обоснованных инженерных решений в области хозяйственного использования водоемов .

6. Разработанная автором методология, положенная в основу системных исследований Камских водохранилищ в ПГУ, имеет общенаучный характер и кроме гидрологии, географии и экологии может применяться в самых различных направлениях человеческой деятельности. СДМ была использована автором доклада при составлении концепции экологической политики и структуры программы по экологической безопасности Пермской области, разрабатываемой в настоящее время ее администрацией, природоохранительными органами и учеными г. Перми, в формировании частной программы по геоинформационному обеспечению территории Усть-Качкинского сельсовета (курортная зона) Пермской области. Нами также даны предложения по составлению концепции высшего образования в Пермском госуниверситете с позиции СДМ. Эта методология находит применение и в учебном процессе — как при составлении программ учебных дисциплин, так и планировании их взаимодействия. Автором подготовлен и ведется курс (лекции и семинары) для всех студентов географического факультета (географы, гидрометеорологи, экологи) «Человек, общество, культура», в котором научно обосновываются объективные законы развития и функционирования духовной культуры (в т.ч. науки, искусства, религии), как необходимой составной части общества, а также оцениваются последствия их непонимания и игнорирования.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ ТЕМЕ.

1. О возможности прогноза ледовых явлений на Камском водохранилище. Уч. зап. Перм. ун-та, т. XXI, в.З. Пермь, 1963 (соавтор Ю.М.Ма-тарзин).

2. Проверка применимости методов расчета коэффициентов вариации годового стока для рек водосбора Боткинского водохранилища. Уч. зап. Перм. ун-та, т. XXIII, в.З. Пермь, 1963 (соавторы А. С. Шкляев, Н.Б.Уалентова).

3. Минимальный сток рек водосбора Боткинского водохранилища. География Пермской области, в.2, 1964 (соавторы Н. Б. Уалентова, А.С.Шкляев).

4. Оценка водных ресурсов Пермской области и классификация ее городских поселений по обеспеченности водой. Проблемы развития городских поселений Урала. Тр. I научн. сессии по проблемам городских поселений, т. II, в.2, Пермь, 1967 (соавтор П.Н.Чепкасов).

5. Внутригодовое распределение стока рек бассейна Верхней Камы. Уч. зап. Пермун-та N 198. Гидрология и метеорология, в.З. Пермь, 1968.

6. Многолетние колебания сезонного стока рек Предуралья. Гидрология и метеорология, в.4, 1, 2. Пермь, 1969 (соавтор А.С.Шкляев).

7. О влиянии атмосферных осадков на сезонный сток рек Предуралья и его связь с макроциркуляционными процессами. Гидрология и метеорология, в.5. Пермь, 1970.

8. Трансформация промстоков в Камском водохранилище и вопросы водоснабжения. материалы межвуз. научн. конф. по вопросам изучения влияния водохранилищ на природу и хозяйство. Калинин, 1970 (соавтор Э.А.Бурматова).

9. Влияние водохранилищ Камского каскада ГЭС на межсезонное распределение стока реки Камы. Гидрология и метеорология, в.7, Пермь, 1974 (соавтор Б.3.Вильниц).

10. Проблемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна Камы. Материалы Всесоюзн. научн. конф. по пробл. комплексн. исп. и охр. водных рес. бас. Волги, в.1. Пермь, 1975 (соавторы Ю. М. Матарзин, Е.А.Черных).

11. О подходе к оценке влияния водохранилищ на окружающую среду. Материалы симпозиума МГП XXIII международн. географ. конгресса. Л. 1976 (соавторы Ю. М. Матарзин, И. К. Мацкевич, А. Й. Печеркин, Н.Б.Сорокина) .

12. Работы Пермского университета в области комплексных исследований водохранилищ и оценки последствий их создания (1953;1972). Труды IV Всесоюзн. съезда. Т.5. Гидрометеоиздат. Л., 1975 (соавторы И-А.Печеркин, Ю. М. Матарзин, И. К. Мацкевич, Э. А. Бурматова, Н.Б.Сорокина) .

13. Проточность, как специфическая черта гидрологического режима водохранилищ. Сб. Методы изучения прогнозов и расчетов водных и климатических ресурсов. Пермь, Изд. Перм. ун-та, 1978, с.26−33.

14. О методическом подходе к оценке влияния водохранилищ на природу. Сб. Влияние водохранилищ ГЭС на хозяйственные объекты и природную среду. Л., Изд. ВНИИГ. 1979 (соавторы Ю. М. Матарзин, С. А. Двинских, А.Б.Китаев).

15. К вопросу об определении среднемесячных расходов воды на водохранилищах. Межвуз. сб. Анализ и прогноз метеорологических элементов и речного стока. Вопросы охраны среды. Пермь, Изд. Перм. ун-та, 1979, с.129−134.

16. Особенности изучения гидродинамических особенностей водохранилищ. Тез. докл. обл. отчет, научн. конф. (секция географ, наук). Пермь, изд. Перм. ун-та, 1980.

17. О методике расчета химического баланса водных масс по отдельным участкам водохранилищ (на примере Камского водохранилища). Межвуз. сб. Вопросы гидрометеорологии Урала и сопредельных территорий. Пермь, изд-во Перм. ун-та, 1980, с.24−34 (соавторы А. Б. Китаев, С.А.двинских, Л.Н.Михеева).

18. Влияние гидродинамических характеристик потока на содержание растворенных веществ в водных массах водохранилищ (на примере Камского). Межвуз. сб. Анализ и прогноз элементов водных и климатических ресурсов. Пермь, изд-во Перм. ун-та, 1981, с.14−19 (соавтор А.Б.Китаев) .

19. методический подход к решению химического баланса морфомет-рических участков долинных водохранилищ. Круговорот вещества и энергии в водоемах. Вып. 5. Гидрохимия и донные отложения. Тез. докл. Иркутск, 1981, с. 39−41 (соавторы Ю. М. Матарзин, А.Б.Китаев).

20. О построении плана проточных течений Камских водохранилищ. Сб. Закономерности формирования, методы расчетов водных и климатических ресурсов. Пермь, 1982, с.37−48 (соавтор И.К.Кошмяков).

21. Балансовый метод, способ оценки взаимодействия водохранилищ с окружающей средой. Сб. Эффективность мероприятия по санитарной охране окружающей среды в районах промышленных узлов (тез. докл. конф.). Пермь. Изд. ОС НТО, 1982, с.23−24 (соавтор А.Б.Китаев).

22. Некоторые результаты расчета баланса минеральных веществ морфометрических участков Камского водохранилища. Водные ресурсы, N5, М. 1983 (соавторы А. Б. Китаев, Э.А.Бурматова).

23. Методический подход к оценке экологических условий Камских водохранилищ. Биологические ресурсы водоемов Урала, их охрана и рациональное использование. Тез. докл. 2-го регион, сов. гидрол. Урала. Пермь, 19S3, с.83−84 (соавторы Ю. М. Матарзин, А. Б. Китаев, Н.Б.Сорокина) .

24. Особенности формирования скоростей течения и расходов воды в Камском водохранилище. Комплексные исследования рек и водохранилищ Урала. Межвуз. сб. научн. тр. Пермь, 1983, с.19−26 (соавтор А.Ю.Трутнев).

25. Влияние некоторых гидродинамических факторов на минерализацию воды Камского водохранилища и на содержание в ней главных ионов. Гидрохимические материалы. 1984 (соавтор А.Б.Китаев).

26. О динамике теплового стока водной массы водохранилищ Камского каскада. Вопросы гидрометеорологии Урала. Пермь, ПГУ. 1984, с.9−15 (соавтор И.К.Мацкевич).

27. О методике расчета теплового баланса долинных водохранилищ. Вопросы гидрометеорологии Урала. Пермь, 1984, с.15−21 (соавтор И.К.Мацкевич).

28. Оценка гидродинамических особенностей Камских водохранилищ на основе воднобалансовых расчетов. Координация исследований на водохранилищах Камского каскада для разработки мероприятий по улучшению экологических условий в водоемах и на прилегающих территориях. Тез. докл. научно-практ. конф. Пермь: Изд. ОС НТО, 1984 (соавтор А.Б.Китаев).

29. Возможные изменения основных показателей динамики вод Камского водохранилища при переброске части стока Печоры в бассейн Волги. Координация исследований на водохранилищах Камского каскада для разработки мероприятий по улучшению экологических условий в водоемах и на прилегающих территориях. Тез. докл. научно-практ. конф. Пермь: Изд. ОС НТО, 1984 (соавторы А. Б. Китаев, Г. М.Борисова).

30. Внутренний водообмен Камских водохранилищ. Круговорот вещества и энергии в водоемах. Тез. докл. VI Всесоюзн. лимнол. совещ. Иркутск, 1985, с.73−75 (соавторы И. К. Мацкевич, А. Б. Китаев, H.A.Голубцов) .

31. Оценка гидродинамических особенностей Камских водохранилищ на основе воднобалансовых расчетов. Пермь, 1985 (Рук. деп. в ВИНИТИ от 06.12.85 г. N 8398-В). 13 с. (соавтор А.Б.Китаев).

32. Важнейшие гидродинамические характеристики Камских водохранилищ. Пермь, 1985 (Рук. деп. в ВИНИТИ), 9 с. (соавтор А.Б.Китаев).

33. Водный баланс водохранилищ. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду (программа МАБ-ЮНЕСКО). М: Наука, 1986, (соавтор Ю.М.Матарзин).

34. Место водохранилищ среди водных объектов суши. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду (программа МАБ-ЮНЕСКО). М: Наука, 1986 (соавтор Ю.М.Матарзин).

35. Методология и результаты исследований водохранилищ Камского каскада по комплексной программе «Кама». Докл. V Всесоюзн. гидрол. съезда. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, (соавторы Ю. М. Матарзин, Н. Б. Сорокина, Г. В.Морозова).

36. Влияние гидродинамических факторов на гидрохимический режим Боткинского водохранилища. Гидрохимические материалы. Т.96. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с.31−39 (соавтор А.Б.Китаев).

37. Методы расчета внутреннего водообмена Камских водохранилищ и его особенности. Комплексные исследования гидрологии и водной экологии камских водохранилищ. Пермь, 1987, с.15−21 (соавторы И.К.Мацке-вич, А. Б. Китаев, Н.А.Голубцов).

38. Водообмен Камских водохранилищ в связи с особенностями водного баланса. Влияние водохранилищ на водноземельные ресурсы. Сб. докл. научно-практ. конф.6 Пермь, 1987, с.19−21 (соавтор А.Б.Китаев).

39. Расчет гидравлической шероховатости на Камском водохранилище. Комплексные исследования гидрологии, и водной экологии Камских водохранилищ. Пермь, 1987, с.4−10 (соавтор И.Б.Киселева).

40. Прогноз минерализации и ионного состава вод Камских водохранилищ при переброске части стока Печоры в Каму. Изучение процессов формирования химического состава природных вод в условиях антропогенного воздействия. Материалы XXVIII Всесоюзн. гидрохим. совещ. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, с.66−75 (соавтор А.Б.Китаев).

41. Методика исследования баланса химических веществ долинных водохранилищ (на примере Камского). Гидрохимические материалы. Т.103. 1989, с.135−152 (соавторы А. Б. Китаев, Ю.М.Матарзин).

42. Основные показатели динамики вод Камских водохранилищ — факторы формирования их гидрологического режима. Урал: география и развитие. Пермь: Пермский ун-т, 1989, с.186−187 (соавтор А.Б.Китаев).

43. Методология исследований водохранилищ Камского каскада по комплексной целевой региональной программе «Кама». Основные направления исследований водоемов и водотоков бассейна реки Камы в связи с территориальным перераспределением стока. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 1989, с.3−13 (соавторы Ю. М. Матарзин, Н. Б. Сорокина, Г. В.Морозова).

44. Формирование структуры подготовки специалистов в вузе на основе системного подхода к процессу обучения. Совершенствование учебного процесса и новые формы обучения в университетах. Тез. докл. на республ. метод. конф. преподавателей университетов. Пермь, 1990, с.30−31.

45. Использование структурно-функциональных схем гидрологических процессов при решении балансов химических веществ водохранилищ. Проблемы водной экологии Камского бассейна. Тез. докл. научно-практ. семинара. Пермь, 1991, с.21−22 (соавтор А.Б.Китаев).

46. Интенсивность изменения водных масс Камского и Боткинского водохранилищ при их наполнении и сработке. Комплексные экологические исследования водоемов и водотоков бассейна реки Камы. Пермь: Перм. ун-т, 1993, с.6−11 (соавтор А.Б.Китаев).

47. Особенности процесса теплообмена в пограничном слое водной массы Камского водохранилища. Комплексные экологические исследования водоемов и водотоков бассейна реки Камы. Пермь: Перм. ун-т, 1993, с.25−29 (соавтор О.И.Вахминцева).

48. Влияние водохранилищ на формирование градопромышленных агломераций (на примере Камских водохранилищ). Экологическая безопасность городов Урала. Тез. докл. регион, научно-теор. конф., Пермь, 1994, с.85−86 (соавтор Ю.М.Матарзин).

49. К проблеме системного изучения крупных водохранилищ. География в вузах России. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1994, с.107−114 (соавтор Ю.М.Матарзин).

50. Методологический подход к оценке экологического состояния водохранилищ. Вестник Пермского университета. Вып.4, География. Пермь, 1994, с.30−40 (соавтор Ю.М.Матарзин).

51. Водохранилища и их воздействие на природу и хозяйство прилегающих территорий. Тез. докл. международн. научно-практ. конф. «Регион и география». Пермь, 1995, с.61−63 (соавторы Ю. М. Матарзин, Н.Б.Сорокина).

52. Системная интерпретация показателей водного режима морфоу-частков Камских водохранилищ. Тез. докл. международн. научно-практ. конф. «Регион и география». Пермь, 1995, с.64−66.

53. Программа дисциплины «Гидравлика с основами гидромеханики». Программа дисциплин по типовому учебному плану специальности 01.20 -Гидрология (для государственных университетов). М.: Изд. МГУ, 1991 (соавтор М.А.Мамедов).

54. Программа дисциплины «Гидрофизика». Программа дисциплин по типовому учебному плану специальности 01.20 — Гидрология (для государственных университетов). М.: Изд. МГУ, 1991 (соавтор В.М.Мишон).

55. Номограммы для определения средних скоростей течения в замыкающих створах морфоучастков Камского и Боткинского водохранилищ. Пермь, Изд-во Перм. ун-та, 1995. — 9 с. Рукопись деп. в ВИНИТИ 23 марта 1995 г., N 788-В-95 Деп. (соавтор А.Б.Китаев).

56. Применение метода ЭГДА для оценки водообмена участка водохранилища. Тез. докл. Всероссийской конф., Екатеринбург, 1996, с.40−41 (соавтор А.Б.Китаев).

57. ЭГД моделирование структуры водного потока в Обвинском заливе Камского водохранилища в связи со строительством мостового перехода. Сборник «Геоэкология в Урало-Каспийском регионе». Тез. докл. междунар. н-п конф., Уфа, 1996, с.96−97 (соавтор А.Б.Китаев).

58. Программа дисциплины «Гидрофизика». Программы обязательных дисциплин по специальностям метеорология, гидрология, картография. М., 1996, с.68−71 (соавтор В.Н.Мишон).

59. Программа дисциплины «Гидравлика». Программы обязательных дисциплин по специальности метеорология, гидрология, картография. М., 1996, с.124−129 (соавтор Г. П.Кумсиашвили).

60. Естественно-гуманитарная концепция высшего образования. Сборник «Университетское образование», вып.3, Пермь, 1996, с.33−35.

Результаты исследований использованы в коллективных монографиях и учебных пособиях для вузов:

1. Краткий справочник для гидрологических расчетов на реках Западного Урала. Пермь, 1966, 160 с.

2. Специфика водохранилищ и их морфометрия. Учебное пособие по спецкурсу «Гидрология водохранилищ» ч'. I, Пермь, 1977, 67 с.

3. Гидрологические процессы в водохранилищах. Учебное пособие по спецкурсу «Гидрология водохранилищ», ч. П, Пермь, 1977, 88 с.

4. Вопросы гидрологии и водной экологии Камских водохранилищ и их водосборов. Пермь, 1985, 156 с.

5. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду. Международная монография по проекту N 10 МАБ ЮНЕСКО. М:" Наука", 1986, 365с.

6. Основные направления исследований водоемов и водотоков бассейна реки Камы в связи с территориальным перераспределением стока. Пермь, 1990, 165 с.