Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 325-340

ВВЕДЕНИЕ

Трудно переоценить роль Центрального федерального округа (ЦФО) в жизни нашей страны. При этом антропогенная нагрузка на его природу одна из самых высоких. Занимая 3.8% площади России, его население составляет 39.4 млн чел. (26.9% населения страны, 2020 г.). Среди других округов он занимает первое место по величине производимого валового продукта. Каковы же его водные ресурсы, состояние водного элемента окружающей среды? Данному вопросу посвящено большое число исследований, включая и те, в которых оценка состояния водных ресурсов давалась в составе оценок по более крупным территориям. Это работы справочного характера (Водные…, 1967; Государственный водный…, 2019; Ресурсы…, 1979 и др.), монографии, в которых рассматриваются различные гидрологические аспекты данного региона (Болгов и др., 2005; Водные…, 2008; Водный…, 1969; Воскресенский, 1962; Георгиади и др., 2014; Джамалов и др., 2017; Дмитриева, 2015; Коронкевич, Мельник, 2015), а также большое число статей. Но большинство из них выполнено или довольно давно, или отражает состояние водных ресурсов лишь отдельных частей ЦФО, учитывает только количество или качество водных ресурсов, не учитывает величину экологического и свободного стока. Оценка современной водно-экологической напряженности в регионе и факторов ее формирования остается недостаточно освещенной. Цель данной статьи – восполнить этот пробел.

ОЦЕНКА ВОДНОГО БАЛАНСА И РЕСУРСОВ РЕЧНОГО СТОКА

Из работ по оценке ресурсов речного стока особо выделим представленную в (Водные…, 1967) балансовую оценку местных водных ресурсов административных областей, входящих в состав ЦФО (табл. 1), характеризующую ситуацию за период с конца XIX в. по 1960 г. В табл. 2 дан средний многолетний общий (с учетом притока с соседних территорий) сток за этот период, а также за период 1930–1980 гг., принятый в качестве нормы стока в последних работах Государственного гидрологического института, в частности в (Водные…, 2008; Государственный водный…, 2019). При этом суммарный общий сток в ЦФО в табл. 2 не равен сумме общего стока отдельных областей, так как не учитывает речной водообмен между этими областями, а учитывает лишь сток, притекающий к границам ЦФО. Сток в годы 75 и 95% обеспеченности пересчитан нами для периода 1930–1980 гг. на основании данных, приведенных в (Водные…, 1967) для периода с конца XIX в. по 1960 г. Отметим, что сток за второй из указанных периодов практически повсеместно ниже, чем за первый период, в среднем для ЦФО на 6.5%. Возможно, одной из причин этого стало большее антропогенное воздействие во второй период. Интересны оценки водного баланса за другие периоды. Так, согласно (Водные…, 2008), за период 1936–1980 гг. осадки составили 709 мм, сток – 160 мм, испарение – 549 мм, а за 1985–2003 гг. соответственно 756, 173, 593 мм. Водообеспеченность населения рассчитана по его современной численности и среднему многолетнему стоку за 1930–1980 гг. Так называемые экологический и свободный сток, приведенные в табл. 2, рассчитаны нами исходя из величины нормы стока и стока 75 и 95% обеспеченности за этот период.

Имеются разные трактовки экологического и свободного стока и предложены различные методы их оценки (Дубинина и др., 2015; Маркин, 2005; Фащевский…, 1989; Smakhtin et al., 2004). Под экологическим стоком понимается минимальный экологически допустимый объем речного стока, необходимый водным экосистемам для сохранения состояния устойчивого функционирования. Согласно (Владимиров, Имамов, 1994), экологически допустимый сток должен учитывать объем воды, необходимый для нормального развития гидробионтов; выполнение рекой ее природных функций; внутригодовую изменчивость стока; изменчивость стока по годам. Под свободным стоком (допустимыми изъятиями), следовательно, понимается сток, который можно использовать для различных хозяйственных нужд без большого вреда для водных экосистем.

В статье для ориентировочных оценок экологического стока используется метод пропорционального стока, предложенный В.В. Шабановым (Маркин, 2005), в соответствии с которым экологический сток определяется с помощью эмпирических переходных коэффициентов для стока разной обеспеченности. Для среднегодовых значений стока переходный коэффициент принимался равным 0.7 (Маркин, 2005). Для маловодных лет допускается некоторое снижение величины экологического стока с поправочными коэффициентами 0.8 и 0.9 к среднему многолетнему экологическому стоку соответственно 75 и 95% обеспеченности.

Если исходить из данных о местном водном балансе, то, как видно из табл. 1, количество осадков в ЦФО изменяется от 583 мм в Рязанской области до 750 в Смоленской, составляя в среднем 687 мм. Слой суммарного местного стока изменяется от 72 мм в Воронежской области до 236 в Костромской при среднем значении для ЦФО 168 мм. Наименьший коэффициент стока (0.12) – в Воронежской области, а самый высокий – в Костромской (0.32), средний для ЦФО – 0.24. По слою осадков ЦФО в 1.2 раза превосходит средний показатель по России (571 мм по (Водные…, 1967)), а по слою суммарного стока уступает среднему показателю для России (235 мм) в 1.6 раза. Еще больше разница в коэффициенте стока – в 1.7 не в пользу ЦФО. В то же время величина подземного стока, не требующего регулирования, в ЦФО составляет 49 мм или 31.7 км³/год, то есть 29% против 20–23% в среднем для России (Водные…, 1967; Водный…, 1969) от величины суммарного стока. Доля поверхностного стока, характеризующего в основном сток половодья и паводков, в ЦФО ниже, чем в России, 71 и 77–80% соответственно. Общие же ресурсы речного стока (с учетом притока с соседних территорий) в ЦФО на четверть выше ресурсов местного стока, формирующегося в его пределах. В (Государственный водный…, 2019) даются запасы подземных вод. Прогнозные их ресурсы оцениваются в 27 км³/год, а разведанные эксплуатационные запасы в 10.2 км³/год, однако значительная их часть дренируется реками и учитывается при оценке величин подземного стока.

Обеспеченность населения ЦФО общими ресурсами стока значительно ниже, чем в среднем по России. Если сопоставить норму речного стока за 1930–1980 гг. (см. табл. 2) с современной численностью населения (на начало 2020 г.), то оказывается, что в ЦФО обеспеченность населения ресурсами общего стока (3.2 тыс. м³/чел.) ниже общероссийской (28.6 тыс. м³/чел.) почти в 9 раз. Особенно она низка в Московской области (0.9 тыс. м³/чел.). Вместе с тем она выше общероссийской в Костромской и Ивановской областях за счет притока волжских вод.

При принятой системе расчета общий экологический сток пропорционален величине суммарного стока, он составляет в среднем 88.3 км³/год. Он несколько ниже стока 75% обеспеченности и выше стока 95% обеспеченности, представленных в табл. 2. Экологический сток 75% обеспеченности также ниже стока той же обеспеченности, а вот экологический сток 95% обеспеченности оказывается во многих случаях выше общего стока этой обеспеченности, то есть ресурсы свободного стока в год 95% обеспеченности отсутствуют.

На рис. 1 показано изменение общего речного стока в ЦФО с 2003 г. (времени образования федеральных округов) по 2018 г. Отчетливо видны два периода трехлетнего повышения водности (2004–2006 и 2011–2013 гг.), а также один трехлетний период пониженной водности (2014–2016 гг.). Сток десятилетия 2009–2018 гг. (133.6 км³/год) был выше нормы и близок по среднему его значению к норме с конца XIX в. по 1960 г., а сток последнего пятилетия (113.4 км³/год) существенно ниже средних многолетних значений. В целом близкая картина колебаний стока за 2003–2018 гг. наблюдается и в отдельных областях, что видно из рис. 2, на котором показаны эти колебания для пяти областей (Брянской, Тверской, Рязанской, Воронежской и Тульской), расположенных соответственно в западной, северной, восточной, южной и центральной частях ЦФО. При колебаниях общего стока следует отметить довольно устойчивую тенденцию изменения его структуры на значительной части южного склона Русской равнины – снижение его поверхностной и увеличение подземной составляющей, что показано в целом ряде работ, в частности в (Джамалов и др., 2017; Дмитриева, 2015). В целом это благоприятный фактор для решения водных проблем ЦФО, хотя имеются и негативные последствия, среди которых уменьшение обводненности нерестилищ.

Рис. 1.

Динамика общего стока в ЦФО: (1) – годовой сток; (2) – средний многолетний; (3) – средний за 2009–2018 гг.; (4) – средний за 2014–2018 гг.

Рис. 2.

Динамика общего стока по областям: (1) – Брянская, (2) – Воронежская, (3) – Рязанская, (4) – Тверская, (5) – Тульская.

В табл. 3 представлены средние многолетние ресурсы суммарного, экологического и свободного стока ряда речных бассейнов в пределах ЦФО. Изменение их гидрологических характеристик во времени в целом соответствует тому, что имеет место в административных областях, в пределах которых они находятся.

ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СТОКА

Особенно заметны антропогенные гидрологические изменения, в первую очередь сезонные, обусловленные созданием водохранилищ. Из анализа данных¹¹ следует, что созданные к настоящему времени водохранилища объемом свыше 0.1 км³ каждое позволяют за счет использования их полезного объема увеличить ресурсы местного устойчивого стока этого региона почти в 1.7 раза и регулировать 14–17% среднего многолетнего общего речного стока, который приведен в табл. 2 и 3. Наиболее существенную роль при этом играет Рыбинское водохранилище на Волге, на которое приходится почти 80% общего полезного объема водохранилищ ЦФО. Потери воды на дополнительное испарение с акватории водохранилищ намного меньше возможного увеличения устойчивого во времени стока. Если принять величину среднего годового дефицита испарения с учетом преобладающего распределения площадей водохранилищ в размере 60 мм по (Зубенок, 1976), то, умножив ее на общую площадь водохранилищ, получаем сумму дополнительных потерь воды на испарение 0.36 км³/год.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

В табл. 4 даны величины водозабора, сброса сточных вод по (Водные…, 2010, 2019), а также безвозвратного расхода воды, определенного нами по разнице водозабора и общего объема сточных вод, в областях ЦФО за 1990 г., когда наблюдался один из наибольших водозаборов, и за 2018 г., характеризующий водопотребление в последнее время. По показателям водопотребления выделяется Московская область²², на нее приходится 33.6% водозабора в ЦФО, 34.7% общего объема сточных вод, 52.8% загрязненных сточных вод, 30.9% безвозвратного расхода воды в 1990 г. и соответственно 37.5, 34.5, 59.7, 42.1% в 2018 г. То есть налицо заметное увеличение в последние годы доли загрязненных сточных вод и безвозвратного расхода воды. Наименьшее водопотребление имеет место в Орловской области.

Водозабор в ЦФО составил в 2018 г. 15.9% от водозабора в России. По сравнению с 1990 г. он к 2018 г. снизился повсеместно, в целом по ЦФО в 1.8 раза, объем сточных вод в 2.1 раза, объем загрязненных сточных вод в 1.9 раза, безвозвратный расход в 1.3 раза. Из общего объема водозабора в 2018 г. 78% приходилось на поверхностные водные объекты и 22% – на подземные источники. Динамика изменения водопотребления в ЦФО приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Динамика показателей использования воды в ЦФО: (1) – водозабор, (2) – сточные воды, (3) – загрязненные сточные воды, (4) – безвозвратный расход.

По сравнению с 1985 г. снижение водопотребления в настоящее время еще больше, чем в сравнении с 1990 г.

Аналогичная картина в целом имеет место и в рассматриваемых речных бассейнах (табл. 5). Вместе с тем, в ряде створов отмечается безвозвратный расход со знаком минус, то есть увеличение стока, особенно заметное в створах Оки после впадения р. Москвы. В случае с Окой это объясняется в основном переброской стока в приток Оки р. Москву части волжских вод. Забор воды при этом фиксируется из Волги, а сброс сточных вод – в бассейнах рр. Москвы и Оки. Кроме того, в бассейне р. Москвы большую роль в увеличении стока играют урбанизированные территории, часть стока с которых включается в состав сточных вод, а также отбор воды из не дренируемых реками запасов подземных вод (Коронкевич и др., 2020). Видимо, гидрологическим влиянием урбанизированных площадей и отбором подземных вод в районе Воронежа объясняется и увеличение стока Дона в створе ст. Казанская в 2018 г. В других районах и речных бассейнах эти факторы также отчасти компенсируют уменьшение стока в результате безвозвратных изъятий воды в процессе ее использования. Оценка гидрологической роли этих факторов, как и роли лесного хозяйства, агролесомелиорации в ЦФО требуют специального исследования. Возвращаясь к увеличению стока Дона в створе ст. Казанская в 2018 г., заметим, что в этом году главное влияние на его увеличение оказали климатические факторы. В итоге сток Дона в 2018 г. был значительно выше среднего многолетнего.

ВОДНО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НАПРЯЖЕННОСТЬ

Под водно-экологической (гидроэкологической) напряженностью мы понимаем степень использования водных ресурсов и их загрязнения. Водно-экологическая напряженность в ЦФО представлена в табл. 6–8 и на рис. 4–6. К настоящему времени водно-экологическая напряженность снизилась по сравнению с 1990 г. практически по всем показателям. Отношение водозабора к среднему многолетнему общему стоку в целом для ЦФО снизилось более чем в 1.7 раза. Наибольшее снижение произошло в Ивановской области (более 4 раз), а из рассматриваемых речных бассейнов – в бассейне Хопра и Волги у Ржева (в 5 раз). В бассейне Клязьмы водозабор несколько повысился. Наибольшее отношение водозабора к общему речному стоку в последнее время отмечается в Московской области, оно в 2.6 раза превышает этот показатель в ЦФО в целом. Из речных бассейнов выделяется бассейн Клязьмы, где это отношение несколько превышает показатель для Московской области.

Рис. 4.

Водно-экологический стресс. Отношение водозабора к свободному стоку: к общему среднему многолетнему (а), к стоку 75% (б) и 95% (в) обеспеченности. Индекс стресса, %: 1 – низкий (<10), 2 – средний (10–20), 3 – высокий (20–40), 4 – очень высокий (40–80).

Рис. 5.

Кратность разбавления сточных вод, раз: (а) средним многолетним стоком за 1930–1980 гг.; (б) стоком 75% обеспеченности; (в) стоком 95% обеспеченности. 1 – высокая (>100), 2 – средняя (100–50), 3 – низкая (50–10), 4 ‒ очень низкая (<10).

Рис. 6.

Кратность разбавления загрязненных сточных вод, раз: (а) средним многолетним стоком за 1930–1980 гг.; (б) стоком 75% обеспеченности; (в) стоком 95% обеспеченности. 1 – очень высокая (>500); 2 – высокая (250–500); 3 ‒ средняя (50–250); 4 – низкая (<50).

Очень важно, что современное отношение водозабора к величине свободного стока, предлагаемого в (Маркин, 2005) в качестве индекса стресса для водных ресурсов, практически повсеместно ниже 100%, составляя в среднем для ЦФО менее 30%. Однако эту величину нужно охарактеризовать как высоко стрессовую. Еще более напряженная ситуация в Белгородской области и особенно в Московской, а из речных бассейнов – в бассейне р. Клязьмы (см. рис. 4, табл. 6). Так обстоит дело со средним многолетним стоком. Если же брать маловодные годы и отнести водозабор к среднему многолетнему экологическому и свободному стоку, то индекс стресса возрастает для ЦФО в среднем более чем в 1.2 раза в год 75% обеспеченности и в 1.6 раза в год 95% обеспеченности. При сравнении водозабора с экологическим и свободным стоком в маловодные годы ситуация выглядит гораздо более напряженной. В табл. 6 дано такое сопоставление для лет 75% обеспеченности. В ней не представлено такое сопоставление для лет 95% обеспеченности, поскольку свободный сток, как указано выше, в большинстве случаев отсутствует. Для отдельных областей и речных бассейнов ситуация еще более напряженная.

Как видно из табл. 6 и 8, сравнительно невелико безвозвратное изъятие водных ресурсов, следовательно, и уменьшение стока, оно составляет в среднем для ЦФО немногим более 3% общего стока, а с учетом указанной выше величины дополнительного испарения с акватории водохранилищ – около 4%. Для отдельных же речных бассейнов отмечается даже увеличение стока, обусловленное указанными выше причинами. По-видимому, представленные величины изменения стока могут несколько трансформироваться под влиянием климатических факторов и воздействия других видов хозяйственной деятельности, но это, как сказано выше, требует дальнейших исследований.

Выше рассматривалась гидроэкологическая ситуация в количественном аспекте. Конечно, она не может быть полной без учета качества вод. Один из косвенных показателей качества водных ресурсов – кратность разбавления сточных вод, особенно загрязненных. Как видно из табл. 7, кратность разбавления тех и других возросла в ЦФО к 2018 г. в среднем примерно вдвое по сравнению с 1990 г. Тем не менее она остается явно недостаточной, особенно в Московской области, в низовьях Оки. Ситуация резко ухудшается в маловодные годы. К районам со средней и низкой кратностью разбавления загрязненных сточных вод можно отнести большую часть ЦФО (рис. 5, 6; см. табл. 7, 8). Следует отметить, что кратность разбавления сточных вод – это весьма приблизительный показатель качества воды. Даже большая кратность их разбавления не гарантирует высокое качество воды в водных объектах, в том числе и потому, что при этом не учитываются загрязнения, поступающие с диффузным стоком с водосборов, которые могут превосходить объем загрязнений, поступающих со сточными водами. То есть в действительности ситуация более острая, чем дает оценка по разбавлению сточных вод. Более точно качество речных вод можно определить по результатам непосредственного его определения.

Данные Росгидромета³³ по состоянию и загрязнению окружающей среды в Российской Федерации показывают, что, если оперировать классами качества воды, то большинство субъектов РФ в пределах ЦФО укладывается в последние годы в диапазон II–III классов (“слабо загрязненная” и “загрязненная”). Лишь Московская область выделяется в негативную сторону – большинство ее вод относится к IV классу (“грязная”). По данным (Государственный доклад…, 2019), ситуация с отдельными речными бассейнами следующая. Вода в Верхневолжских водохранилищах в последние годы оценивалась как “загрязненная”, а качество воды их притоков варьирует от “загрязненной” до “грязной”. Как “грязные” характеризуются воды бассейнов рек на территории Московской области – Ламы, Дубны, Сестры, Куньи. Вода верхней Оки от г. Орла до г. Алексина оценивается как “загрязненная”. Ниже по течению реки класс качества воды меняется от “загрязненной” до “грязной”. В притоках Оки преобладают “грязные” воды. Наиболее загрязненными притоками верхнего течения Оки являются водные объекты Тульской области – рр. Упа, Воронья, Мышега. Качество воды р. Москвы изменяется от “загрязненной” в верхнем течении до “грязной” в черте г. Москвы ниже Бабьегородской плотины и от Бесединского моста МКАД в черте г. Москвы до устья. Как “грязные”, а местами как “экстремально грязные” оцениваются воды р. Клязьма. Качество воды р. Дон в пределах ЦФО в течение ряда лет колеблется от “слабо загрязненной” до “грязной”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Центральный федеральный округ – регион высокой антропогенной нагрузки на водные ресурсы, которые сравнительно невелики даже с учетом притока речных вод с соседних территорий. Округ располагает 3% общероссийского стока при том, что на него приходится в настоящее время около 16% водозабора России на различные хозяйственные нужды. Вследствие этого наблюдается большая водно-экологическая напряженность, несмотря на то, что по сравнению с 1990 г. водозабор снизился почти в 2 раза. Отношение водозабора к свободному стоку (индекс стресса) на уровне 2018 г. составило в средний по водности год около 30%, в маловодный год 75% обеспеченности превысило 50%, а в год 95% обеспеченности свободного стока практически не оставалось. В большей части областей в пределах округа вода в реках и водоемах в последние годы относится ко II и III классу загрязненности (“слабо загрязненная” и “загрязненная”). Особенно напряженная гидроэкологическая ситуация складывается в Московской области. Индекс стресса здесь в 2018 г. превысил 75% для средних по водности лет, а в маловодные годы 75 и 95% обеспеченности в 2.2 и почти в 6 раз превысил величину свободного стока, что в несколько раз больше соответствующего значения для ЦФО в целом. Кратность разбавления загрязненных сточных вод в Московской области в 7 раз ниже, чем в ЦФО в целом. По качеству большинство вод Московской области характеризуется IV классом (“грязные”). Из отдельных рек особенно загрязненной является р. Клязьма, воды которой характеризуются как “грязные”, а местами как “экстремально грязные”. Некоторая тенденция снижения гидроэкологической напряженности в последние годы все же наблюдается, во всяком случае, в сравнении с тем, что имело место почти 30 лет назад.