Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218] УДК 627.81:556.1 В. Н. Шкура, П. В. Иванов Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация УПРАВЛЕНИЕ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ МАЛЫХ РЕК ДЛЯ ЦЕЛЕЙ РЫБНОГО ХОЗЯЙСТВА Целью исследований является разработка имитационной модели управления природно-техническими системами малых и средних рек с учетом требований рыбного хозяйства. Природно-технические системы малых и средних рек включают водосбор- ную площадь, русло реки, ее притоки, комплекс гидротехнических сооружений, отрас- левые сооружения (водозаборы, мосты, переезды), пруды, водоохранные, а также специ- альные рыбохозяйственные сооружения. По составу компонентов такие природно- технические системы относятся к сложным, поэтому наиболее эффективными методами изучения и оптимизации их параметров являются системный анализ и имитационное мо- делирование. Разработанная имитационная модель базируется на учете современных данных о бассейне малой или средней реки и направлена на оптимизацию параметров ее природно-технической системы с целью повышения эффективности естественного вос- производства анадромных видов рыб. С использованием разработанной модели были выполнены расчеты потребности в искусственных нерестилищах для р. Кундрючьей, в которой пригодные для нереста перекаты с субстратом из камня и гальки выявлены на участке от 6 до 53 км от устья. Установлено, что от устья реки до 28 км площади существующих нерестилищ недостаточны для эффективного естественного воспроиз- водства анадромных видов рыб, а выше этого участка они превышают потребности. Таким образом, для повышения эффективности воспроизводства анадромных видов рыб в р. Кундрючьей искусственные нерестилища площадью 0,43 га необходимо раз- мещать на участке реки от устья до 28 км. Ключевые слова: природно-техническая система, управление, имитационная мо- дель, моделирование гидрологического режима, рыбохозяйственный попуск. V. N. Shkura, P. V. Ivanov Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation MANAGEMENT OF NATURAL AND TECHNICAL SYSTEMS OF MINOR RIVERS FOR FISHERIES The purpose of research is to develop a simulation model of natural and technical sys- tems for small and medium-sized rivers management, taking into account the requirements of fisheries. Natural and technical systems of minor and medium-sized rivers include the catch- ment area, river channel and its tributaries, a complex of hydraulic structures, sectoral struc- tures (intakes, bridges, and crossings), ponds, water protection and special fishery facilities. Such natural and technical systems belong to the complex systems according to the composi- tion of its components, so system analysis and simulation modeling are the most effective re- search methods of their parameters optimization. The developed simulation model is based on the current data on the minor and medium rivers pools and is aimed at optimizing the parame- ters of its natural and technical systems with the aim of increasing the efficiency of natural re- production of anadromous species of fish. Using the developed model requirement estimation
17
Embed
УДК 627.81:556.1 УПРАВЛЕНИЕ ПРИРОДНО … · Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г.,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218] УДК 627.81:556.1
В. Н. Шкура, П. В. Иванов Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация
УПРАВЛЕНИЕ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ МАЛЫХ РЕК ДЛЯ ЦЕЛЕЙ РЫБНОГО ХОЗЯЙСТВА
Целью исследований является разработка имитационной модели управления природно-техническими системами малых и средних рек с учетом требований рыбного хозяйства. Природно-технические системы малых и средних рек включают водосбор-ную площадь, русло реки, ее притоки, комплекс гидротехнических сооружений, отрас-левые сооружения (водозаборы, мосты, переезды), пруды, водоохранные, а также специ-альные рыбохозяйственные сооружения. По составу компонентов такие природно-технические системы относятся к сложным, поэтому наиболее эффективными методами изучения и оптимизации их параметров являются системный анализ и имитационное мо-делирование. Разработанная имитационная модель базируется на учете современных данных о бассейне малой или средней реки и направлена на оптимизацию параметров ее природно-технической системы с целью повышения эффективности естественного вос-производства анадромных видов рыб. С использованием разработанной модели были выполнены расчеты потребности в искусственных нерестилищах для р. Кундрючьей, в которой пригодные для нереста перекаты с субстратом из камня и гальки выявлены на участке от 6 до 53 км от устья. Установлено, что от устья реки до 28 км площади существующих нерестилищ недостаточны для эффективного естественного воспроиз-водства анадромных видов рыб, а выше этого участка они превышают потребности. Таким образом, для повышения эффективности воспроизводства анадромных видов рыб в р. Кундрючьей искусственные нерестилища площадью 0,43 га необходимо раз-мещать на участке реки от устья до 28 км.
V. N. Shkura, P. V. Ivanov Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation
MANAGEMENT OF NATURAL AND TECHNICAL SYSTEMS OF MINOR RIVERS FOR FISHERIES
The purpose of research is to develop a simulation model of natural and technical sys-tems for small and medium-sized rivers management, taking into account the requirements of fisheries. Natural and technical systems of minor and medium-sized rivers include the catch-ment area, river channel and its tributaries, a complex of hydraulic structures, sectoral struc-tures (intakes, bridges, and crossings), ponds, water protection and special fishery facilities. Such natural and technical systems belong to the complex systems according to the composi-tion of its components, so system analysis and simulation modeling are the most effective re-search methods of their parameters optimization. The developed simulation model is based on the current data on the minor and medium rivers pools and is aimed at optimizing the parame-ters of its natural and technical systems with the aim of increasing the efficiency of natural re-production of anadromous species of fish. Using the developed model requirement estimation
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
2
in artificial spawning grounds for the river Kundryuchey was done, where the graving riffles with a stone and pebbles substrate suitable for spawning are in the area 6 to 53 km from the mouth. It is established that the existing spawning grounds from the mouth of the river up to 28 km are not sufficient for effective natural reproduction of anadromous fish, and they ex-ceed the requirements beyond this area. Thus, to improve the efficiency of reproduction of anadromous fish in the river Kundryuchey 0.43 hectares artificial spawning must be placed on river stretch from the mouth up to 28 km.
вия гидрографа требованиям нерестилищ ( рхQ и рхT ). Если моделируемый
гидрограф и в этом случае не соответствует требованиям гидрологическо-
го режима нерестилищ, то он приводится в соответствие путем осуществ-
ления рыбохозяйственного попуска из существующих прудов и водохра-
нилищ, для чего определяются [10]:
1) полезный объем существующих вышерасположенных прудов и
водохранилищ;
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
10
2) последовательность сработки прудов и водохранилищ с учетом
времени добегания волны рыбохозяйственного попуска до нерестилищ.
Если гидравлические требования нерестилищ выполнены, то осуще-
ствляют сопоставление фактически имеющихся площадей нерестилищ
с расчетными.
С учетом прогноза захода производителей определяют расчетную
потребность в нерестилищах и выполняют сравнение фактически имею-
щихся площадей нерестилищ с расчетными.
Если фактически имеющихся нерестилищ достаточно, то моделиро-
вание закончено, а если нет, то определяются потребность в искусствен-
ных нерестилищах и их местоположение.
Требуемая для эффективного воспроизводства анадромных рыб
площадь нерестилищ зависит от действия ряда факторов:
- численности заходящих в устье реки рыб и условий подхода произ-
водителей к имеющимся нерестилищам;
- возможности для производителей достигать естественных нерести-
лищ на всем протяжении реки.
Приняв гипотезу о равномерном подходе и распределении произво-
дителей по нерестилищам в реке, расчетную потребность в нерестилищах
определим по формуле:
удсамc
прр.н F
nnN
F
,
где р.нF – расчетная площадь нерестилищ, м2;
прN – прогнозный заход производителей в устье реки, шт.;
самс nn – количество самок и самцов на удельной площади нерестили-
ща, шт.;
удF – удельная площадь нереста одной самки, м2.
Примем, что все производители будут достигать имеющихся нерес-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
11
тилищ на всех п участках. Тогда количество особей, остающихся на не-
рест на ближайшем к устью (первом) участке iN (шт.) составит:
самсуд
1 nnFFN i ,
где 1F – площадь первого нерестилища, м2.
К нерестилищам, расположенным выше, проследуют:
1устпр NNN ,
где прN – количество производителей, поднявшихся на вышерасположен-
ные нерестилища, шт.;
устN – количество производителей, зашедших в устье реки, шт.;
1N – количество производителей, оставшихся на нерест на первом
к устью нерестилище, шт.
Произведя аналогичные расчеты подхода производителей к нерести-
лищам на всем исследованном участке реки длиной рL (м) и перейдя к от-
носительному показателю, строим график прохода производителей к не-
рестилищам в виде функциональной связи:
)( рпр
LfNN i .
В связи со снижением объемов стока, усилением антропогенного
воздействия на реки фактическая площадь имеющихся нерестилищ фF , как
правило, оказывается меньше расчетной р.нF . Поэтому с учетом ранее при-
нятого распределения производителей ближайшее к устью нерестилище
должно иметь площадь:
Осамcф
р.нр.н F
nnN
FF
F i
ii
, (1)
где i
Fр.н – расчетная площадь нерестилища на ближайшем к устью реки
нерестилище, м2;
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
12
р.нF – расчетная площадь нерестилищ, м2;
iFф – фактическая площадь нерестилищ на i -м участке, м2;
ОF – необходимая площадь нерестилища на одну особь, м2.
С учетом зависимости (1) на вышерасположенном участке остаточ-
ная площадь нерестилищ остF (м2) составит:
iFFF р.нр.ност .
После выполнения аналогичных расчетов для всего участка реки пе-
реходим к относительным единицам и определяем координаты графика
расчетной потребности в нерестилищах:
)( рр.н
рн LfFF i .
В соответствии с результатами обследования имеющихся и исполь-
зуемых в качестве нерестилищ в реке перекатов строится интегральная
кривая их фактических площадей вида:
)( р1 пр
ф LfFFn
i
i
.
Построив все кривые в единой координатной сетке, получим совме-
щенный график захода производителей в реку, расчетной потребности и
фактического наличия нерестилищ.
С использованием разработанной модели были выполнены расчеты
потребности в искусственных нерестилищах для р. Кундрючьей, в которой
пригодные для нереста перекаты с субстратом из камня и гальки выявлены
на участке от 6 до 53 км от устья. Общая площадь таких участков согласно
результатам обследования составила 1,65 га (таблица 1).
По данным АзНИИРХ, заход производителей рыбца может косвенно
оцениваться по его промышленным уловам в Азово-Донском районе. Эти
показатели сократились с 28 т в 1960–1965 гг. до 13 т в 1990 г. и составили
2 т в 2002 г. При разрешенном улове не более 30 % предполагается, что
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
13
на нерест может заходить около 50 тыс. шт. особей рыбца. Запасы шемаи
оцениваются примерно в том же количестве [4].
Таблица 1 – Существующие нерестилища в р. Кундрючьей Характеристика участка реки Расстояние
от устья, км Площадь нерести-лища, га начало конец
1 Каменный перекат шириной 14 м. Глубина воды – от 0,4 до 0,6 м. Скорость течения – 0,5–0,6 м/с. Протяжен-ность переката – 60 м
6,9 6,96 0,08
2 Каменный перекат шириной 12 м. Глубина воды – от 0,4 до 0,5 м. Скорость течения – 0,5–0,6 м/с. Протяжен-ность переката – около 100 м
15,3 15,40 0,10
3 Участок русла с каменистым дном шириной по дну 12 м. Глубина воды – от 0,4 до 0,6 м. Скорость тече-ния – 0,3–0,5 м/с
16,2 16,40 0,24
4 Естественный каменный перекат шириной 16 м. Глубина воды – от 0,4 до 0,6 м. Скорость течения – 0,5–0,6 м/с
18,1 18,20 0,16
5 Каменный перекат протяженностью 115 м. Средняя ширина – 22 м. Скорость течения – от 0,5 до 0,75 м/с. Глубина – от 0,4 до 0,8 м
30,0 31,15 0,25
6 Перекат длиной около 400 м. В нижнем течении рус-ло делится на две протоки шириной до 7 м каждая. Скорости течения – до 0,7 м/с, глубина воды – от 0,4 до 0,6 м, длина проток – 55 м
35,8 36,20 0,28
7 Естественный перекат протяженностью 200 м. Шири-на переката – до 20 м. Глубина воды – от 0,2 до 0,6 м. Скорость течения – до 0,6 м/с
41,0 41,20 0,3
8 Перекат площадью 570 м2. Далее сформированы две протоки шириной 12 и 9 м с глубиной потока 0,3–0,5 м. Скорости течения – около 0,8 м/с
45,0 45,60 0,06
9 Перекат протяженностью около 200 м. Ширина пере-ката достигает от 9 до 30 м. Скорости течения – от 0,4 до 0,8 м/с. Дно вымощено камнем и щебнем
53,4 53,60 0,18
Потребность в нерестилище для этих видов рыб составляет 2,5–3,0 м2
на одну особь. У рыбца самку обычно сопровождают 5–7 самцов. Таким
образом, для эффективного воспроизводства рыбца и шемаи в бассейне
р. Кундрючьей необходимо наличие эффективно используемых 2,08 га не-
рестилищ. Исходя из принятого условия равномерного подхода произво-
дителей рыбца и фактического распределения нерестилищ, были опреде-
лены безразмерные комплексы )( рпр
LfNN i ; )( р
р.н
рн LfFF i и координаты гра-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
- максимально возможного восстановления стока малых и средних
рек;
- организации специальных рыбохозяйственных попусков в период
нереста анадромных рыб;
- строительства искусственных нерестилищ на основе прогноза захо-
да производителей анадромных рыб в реку.
3 На основе разработанной имитационной модели выполнены расче-
ты потребности в искусственных нерестилищах на р. Кундрючьей, в кото-
рой пригодные для нереста перекаты с субстратом из камня и гальки выяв-
лены на участке от 6 до 53 км от устья.
Установлено, что от устья реки до 28 км площади существующих
нерестилищ недостаточны для эффективного естественного воспроизвод-
ства анадромных видов рыб, а выше этого участка они превышают потреб-
ности. В связи с этим искусственные нерестилища р. Кундрючьей площа-
дью 0,43 га необходимо размещать на участке от устья до 28 км.
Список использованных источников
1 Мордвинцев, М. М. Речные водохозяйственные системы на малых степных ре-ках / М. М. Мордвинцев. – Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. – 382 с.
2 Салтанкин, В. П. Предложения об организации ресурсного блока концепции охраны малых рек / В. П. Салтанкин // Малые реки России. – М., 1994. – С. 33–37.
3 Воловик, Г. С. Водные и биологические ресурсы Нижнего Дона: состояние и проблемы управления / Г. С. Воловик, С. П. Воловик, А. Е. Косолапов. – Новочеркасск: СевКавНИИВХ, 2009. – 301 с.
4 Жукова, С. В. Малые реки Донского района / С. В. Жукова [и др.]. – Ростов н/Д.: Медиа-полис, 2007. – 83 с.
5 Павлов, Д. С. Миграции рыб в зарегулированных реках: монография / Д. С. Павлов, М. А. Скоробогатов. – М.: КМК, 2014. – 413 с.
6 Ван Гиг, Дж. Прикладная общая теория систем / Дж. Ван Гиг: [пер. с англ.]. – В 2 т. – Т. 1. – М.: Мир, 1981. – 336 с.
7 Косолапов, А. Е. Информационно-советующая система анализа водохозяйст-венной ситуации в бассейне реки / А. Е. Косолапов, А. Д. Бондаренко // Экосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейнах рек: материалы науч.-практ. конф. – Екатеринбург, 1994. – С. 53–54.
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
16
8 Дорожкин, Е. В. План управления природно-технической системой бассейна малой реки / Е. В. Дорожкин // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. – 2007. – № 3. – С. 3–9.
9 Демьяненко, А. В. Гидрологическое обоснование русловых нерестилищ для естественного воспроизводства литофильных рыб в малых и средних реках [Электрон-ный ресурс] // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. пе-риодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. – Электрон. журн. – Ново-черкасск: РосНИИПМ, 2015. – № 1(17). – 16 с. – Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/ dl_files/udb_files/udb13-rec326-field6.pdf.
10 Демьяненко, А. В. Водный режим пойменных нерестилищ на малых и сред-них реках бассейна реки Дон [Электронный ресурс] / В. Н. Шкура, А. В. Демьяненко // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. – Электрон. журн. – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2015. – № 2(18). – 14 с. – Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/ udb_files/udb13-rec346-field6.pdf.
References
1 Mordvintsev M.M. 2001. Rechnye vodokhozyaystvennye sistemy na malykh stepnykh rekakh [River Water Systems on Minor Steppe Rivers]. Rostov n/Don, SKNTS HS Publ., 382 p. (In Russian).
2 Saltankin V.P. 1994. Predlozheniya ob organizatsii resursnogo bloka kontseptsii okhrany malykh rek [Proposals for the organization of the resource block of the concept of the protection of minor rivers]. Malye reki Rossii [Minor Russian Rivers]. Moscow, pp. 33-37. (In Russian).
3 Volovik G.S. Volovik S.P., Kosolapov A.Ye. 2009. Vodnye i biologicheskie resursy Nizhnego Dona: sostoyanie i problemy upravleniya [Water and Biological Resources of the Lower Don: status and problems of management]. Novocherkassk, SevKavNIIVH Publ., 301 p. (In Russian).
4 Zhukova S.V. 2007. Malye reki Donskogo rayona [Minor Rivers of the Don Re-gion]. Rostov n/Don, Media-polis Publ., 83 p. (In Russian).
5 Pavlov D.S., Skorobogatov M.A. 2014. Migratsii ryb v zaregulirovannykh rekakh [Fish Migration in Regulated Rivers: monograph]. Moscow, KMC Publ., 413 p. (In Russian).
6 Gig Wang J. 1981. Prikladnaya Obshchaya Teoriya Sistem [Applied General Systems Theory]. [Trans. from English]. In 2 vol., vol. 1, Moscow, Mir Publ., 336 p. (In Russian).
7 Kosolapov A.Ye., Bondarenko A.D. 1994. Informatsionno-sovetuyushchaya sistema analiza vodokhozyaystvennoy situatsii v basseine reki [Information and advising system anal-ysis of water situation in the river]. Ekosistemnyy podkhod k upravleniyu vodnymi resursami v basseynakh rek: materialy nauchno-prakticheskoy konferentsii [The ecosystem approach to water resources management in river basins: proc. of the scientific-practical conference]. Ekaterinburg, pp. 53-54. (In Russian).
8 Dorozhkin Ye.V. 2007. Plan upravleniya prirodno-tekhnicheskoy sistemoy basseyna maloy reki [Management plan for natural-technical system of the minor river basin]. Vodnoe khozyaystvo Rossii: problemy, tekhnologii, upravlenie [Water Industry of Russia: problems, technology, management], no. 3, pp. 3-9. (In Russian).
9 Demyanenko A.V. 2015. Gidrologicheskoe obosnovanie ruslovykh nerestilishch dlya estestvennogo vosproizvodstva litofilnykh ryb v malykh I srednikh rekakh [Hydrological justification of channel spawning grounds for natural reproduction of lithophilic fish in minor and medium-sized rivers]. Nauchnyy Zhurnal Rossiyskogo NII Problem Melioratsii: elektronnoe periodicheskoe izdanie [Scientific Journal of Russian Research Institute of Land Reclamation Problems: the electron. periodic. ed.]. Novocherkassk, RosNIIPM Publ.,
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(23), 2016 г., [202–218]
17
no. 1(17), 16 p. Available: http: rosniipm-sm. ru/dl_files/udb_files/udb13-rec326-field6.pdf. (In Russian).
10 Demyanenko A.V., Shkura V.N. 2015. Vodnyy rezhim poymennykh nerestilishch na malykh i srednikh rekakh basseyna reki Don [Water regime of floodplain spawning grounds in minor and medium-sized rivers of Don Basin]. Nauchnyy Zhurnal Rossiyskogo NII Problem Melioratsii: elektronnoe periodicheskoe izdanie [Scientific Journal of Russian Re-search Institute of Land Reclamation Problems: the electron. periodic. ed.]. Novocherkassk: RosNIIPM, no. 2(18), 14 p. Available: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec346-field6.pdf.
Шкура Владимир Николаевич Ученая степень: кандидат технических наук Ученое звание: профессор Должность: профессор кафедры использования водных ресурсов, гидравлики и матема-тики Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кор-тунова федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный аграрный университет» Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Ростовская область, Россий-ская Федерация, 346428 E-mail: [email protected]
Shkura Vladimir Nikolayevich Degree: Candidate of Technical Sciences Title: Professor Position: Professor Affiliation: Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrari-an University Affiliation address: st. Pushkinskaya, 111, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federa-tion, 346428 E-mail: [email protected]
Иванов Павел Вадимович Ученая степень: доктор технических наук Ученое звание: профессор Должность: профессор кафедры менеджмента и экономики Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кор-тунова федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный аграрный университет» Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Ростовская область, Россий-ская Федерация, 346428 E-mail: [email protected]
Ivanov Pavel Vadimovich Degree: Doctor of Technical Sciences Title: Professor Position: Professor Affiliation: Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrari-an University Affiliation address: st. Pushkinskaya, 111, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federa-tion, 346428 E-mail: [email protected]