Оценка подземного и минимального меженного стока реки Шоши и других соседних волжских притоков, расположенных в районе Иваньковского водохранилища

Введение.

Река Шоша, протекающая большей частью в Тверской и частично в Московской областях, является важным волжским притоком, поскольку территория ее бассейна характеризуется высокой сельскохозяйственной освоенностью и повышенной степенью использования ресурсов поверхностных и подземных вод. Согласно гидрологической изученности, этот водоток характеризуется средними гидрографическими размерами и незначительными характеристиками водного стока. Как известно, в Тверском регионе для хоз-питьевого водоснабжения используются преимущественно воды из подземных источников. При этом региональная оценка ресурсов подземных вод очень часто проводится по среднемноголетним показателям минимального зимнего 30-дневного стока рек, наряду с данными подземного стока полученных путем генетического расчленения обобщенного гидрографа. Целью наших исследований является уточнение характеристик подземного, и минимального зимнего и летне-осеннего стока на реке Шоша и на соседних волжских водотоках. Необходимо отметить, что речной сток Шоши, в конце 50-х и до начала 70-х годов прошлого века, был зарегулирован работой малой ГЭС, расположенной в сел. Микулино. В настоящее время плотина Микулинского гидроузла, которая ранее осуществляла внутрисезонное регулирование речного стока, находится в полуразрушенном состоянии и слабо влияет на водный режим реки Шоша. Поэтому в последние годы и десятилетия появилась возможность установить взаимосвязь меженного стока на этой реке и на соседних не зарегулированных водотоках, где ведутся постоянные гидрологические наблюдения. Для решения этой задачи нами был проведен корреляционный анализ измеренных ежедневных расходов воды и обьемов месячного стока в период зимней и летне-осенней межени разных лет на реках Шоша и Тьма, в пунктах стационарных гидрологических наблюдений. При анализе расчетных характеристик минимального зимнего стока р. Шоши и соседних водотоков было отмечено, что за последние 30-40 лет они значительно увеличились в связи с глобальным потеплением климата. Наряду с этим, в нашей работе была выявлена связь параметров подземного и минимального меженного стока рек с почвенными, геоморфологическими и гидрогеологическими условиями этого района. 

Рис. 1. Схема пунктов наблюдений за речным стоком и отбора проб речных вод на химический анализ, а также мест расположения геологических скважин и литологических разрезов в бассейне реки Шоша и на сопредельной территории. Карта-врезка: рис. 1а. План сел. Микулино. Вид из космоса. Современный период. 1 – граница Тверской области и ее административных районов; 2 – граница бассейнов р. Шоши и р. Тьмы; 3 – железные дороги; 4 – реки, озера и водохранилища: 5 – речные плотины ,существующие и разрушенные(сущ. и разр.); 6 – крупные и малые населенные пункты; 7 – стационарные водпосты Росгидромета; 8 – экспедиционные водпосты Государственного гидрологического института. Период наблюдений за меженным стоком: 1969-1971 годы; 9 – пункты отбора проб речных вод на химический анализ; 10-геологические скважины, их порядковый номер; 11 – литологические разрезы, их порядковый номер

Общая характеристика реки Шоша. По гидрологической классификации р. Шоша относится к средним рекам России. До создания Иваньковского водохранилища в 1937 году, место впадения реки Шоша в р. Волга располагалось ниже устья р.Дойбица, вблизи современного пос. Шоша (рис.1,3а), и площадь водосбора исследуемой реки составляла около шести тысяч квадратных километров. В настоящее время этот волжский приток впадает в Шошинский плес Иваньковского водохранилища, в районе—ниже с. Тургиново. Его водосборная площадь, из-за сокращения количества впадающих притоков (р.Лама, р.Дойбица, р.Инюха и т.д.) в нижнем течении, уменьшилась до – 3080км², и длина водотока ныне составляет 163км [20]. Данная река берет свое начало вблизи пос. Княжьи Горы и протекает по территории Зубцовского, Старицкого, Калининского, Конаковского районов Тверской области. Частично эта река в среднем течении, на 12-ти километровом участке, захватывает земли Лотошинского района Московской области (рис.1). Наряду с этим значительная часть водосбора р.Шоши –около 30%, с крупными ее правыми притоками –р.Лобь, р.Русса и т.д., располагается на территории соседней столичной области. Изучаемая река на большем своем протяжении – от истока до сел. Тургиново, является типичным небольшим водотоком Центральной России (рис.2). До затопления Иваньковского водохранилища, когда реки Лама, Дойбица, Инюха были ее притоками, р. Шоша по своей площади водосбора была близкой к другим соседним крупным волжским водотокам: р,Вазуза и р. Медведица, которые по гидрологической классификации также относятся к «средним рекам». Как известно, после создания Иваньковского водохранилища на отдельных реках исследуемого района изменились гидрографические и морфометрические показатели, и при этом возникли заливы и зоны подтопления на нижних их речных участках. Шошинский плес, образованный после затопления устьевой части реки Шоши, характеризуется малыми глубинами до 1-3м, и значительной шириной, достигающей иногда до 5 км (рис.3). Площадь этого мелководного залива и его объем составляют соответственно 35% и 17% от этих общих морфометрических характеристик Иваньковского водохранилища. В настоящее время река Шоша – от устья до сел. Тургиново, а также бывшие ее притоки – р.Лама, р.Дойбица и р.Инюха, в нижнем своем течении, находятся в подпоре от Иваньковского водохранилища (рис.1). Как ранее было отмечено, в настоящий период на естественный водный режим реки Шоша воздействует старая плотина Микулинской ГЭС. Степень ее влияния на минимальный меженный сток этого водотока рассмотрена в нижних главах этой статьи. В настоящее время хозяйственная освоенность территории бассейна р.Шоши очень различается в отдельных его частях. По берегам этой реки нет крупных населенных пунктов и больших промышленных предприятий, и земельный фонд на ее водосборной площади в основном используются в сельскохозяйственных и рекреационных целях. При этом в приустьевой части реки и вокруг Шошинского плеса располагается множество садоводческих дачных товариществ, лечебно-оздоровительных комплексов и пансионатов различных организаций и ведомств. Известно также, что в нижнем течении р.Шоша, находится Завидовский природный заповедник, и у с.Микулино Лотошинского района в Московской области расположен исторический памятник регионального значения – древнее славянское Городище. Наряду с этим в бассейне реки Шоша находится много других важных природных и исторических объектов местного значения.

Рис. 2. Река Шоша в нижнем течении. Участок выше с. Тургиново

Рис. 3. Шошинский плес Иваньковского водохранилища. Район железнодорожного моста. Современный период. Фото-вставка: рис.3а. Старое устье р.Шоша. Фото 1910 года. Створ в 10км ниже современного ж/д моста

Геологическая и гидрологическая изученность района.

Впервые в этом регионе крупные геологические исследования были выполнены известным ученым-гидрогеологом Хименковым В.Г., Геолком, г.Москва, в середине и в конце 20-х годов прошлого века. В последующем под его руководством в 1932-1934 годах были составлены первые геологические карты этого района [2]. Затем, значительные инженерно-геологические изыскания были проведены институтом ГИДЭП, г. Москва, в 1936-37 годах – перед строительством Иваньковского водохранилища [7]. В послевоенный период, в 60-70-годы прошлого века в данном районе была выполнена детальная геологическая и гидрогеологическая сьемка, на основе которой были изданы Государственные геологические карты масштаба 1:200000 [5]. В 1960-1980-е годы было опубликовано несколько крупных региональных научных работ и монографий по геологии и гидрогеологии, которые касались исследуемого региона [2, 11]. В эти же годы крупная геологическая экспедиция – МГРЭ ПГО «Центрогеология» проводила значительные гидрогеологические изыскания для целей водоснабжения городов и поселков Тверской области. Эта же организация, которая ныне называется «Геоцентр - Москва» ФА «Роснедра», постоянно выполняет работы по систематизации и обобщению всей геологической и гидрогеологической информации по Тверской и Московской областям и другим регионам Центра России [16]. В последние два-три десятилетия гидрогеологические исследования в районе Иваньковского водохранилища проводятся в НИС ИВПАН, г.Конаково [10]. В эти же годы институтом ВСЕГЕИ, С-Петербург, были изданы новые геологические карты по исследуемому району [4]. В настоящее время значимые инженерно-геологические работы в этой части Тверской области выполняют отдельные проектно-изыскательские организации при проектировании дорог, мостов, промышленных объектов и т.д. [13, 14, 17]. Гидрологическая изученность бассейна р.Шоши является удовлетворительной, т.к. на этой реке ранее проводились продолжительные гидрологические наблюдения на двух гидропостах Росгидромета – в/п Хлопово-Городище и в/п Микулино-Городище (рис.1). При этом второй водпост, который был открыт в 1958 году для учета речного стока в нижнем бьефе низконапорной плотины Микулинской ГЭС, по-прежнему является действующим (рис.1а). Наряду с режимными стоковыми наблюдениями на водпостах Росгидромета, Государственный гидрологический институт в 1969-1971 годах проводил многочисленные полевые измерения меженного минимального стока в нижнем течении рек Шоша, Лама и Сестра, при участии своих ведущих специалистов Доброумова Б.М. и Устюжанина Б.С. [15]. Материалы этих исследований в комплексе с предыдущими и последними работами этой научной организации по Тверской области были использованы в нашей работе [6, 12, 15, 19]. В последующие десятилетия крупные гидрологические полевые изыскания на реке Шоша не проводились. Но вместе с этим, в середине 1990-х годов под руководством известного школьного педагога, ученого-географа Мирзоева Е.С. был издан краеведческий справочник, где дана общая оценка природных условий Конаковского района и приводится краткая гидрологическая характеристика рек и других водных обьектов расположенных на этой территории [20].

Геоморфологические условия исследуемого района.

Изучаемая территория расположена в области плоского моренного рельефа. Согласно предыдущим исследованиям, основная крупная геоморфологическая структура изучаемого района – Верхневолжская низменность, из-за своей замкнутости и обособленности предупредила медленный спад талых вод в период отступания древнего ледника и создала неблагоприятные условия поверхностного стока в послеледниковое время. Все эти факторы, а также широкое распространение здесь водоупорных моренных и юрских глин привели к слабому развитию эрозии, низкой расчлененности рельефа и интенсивному заболачиванию данной территории [2]. Из предыдущих работ видного советского геолога и геоморфолога Шика С.М. (ГУЦР Мингео РСФСР, 1966г) известно, что река Шоша в среднем и нижнем течении протекает по древнему ложе стока отступающего московского ледника, ныне заполненного рыхлыми четвертичными отложениями. В верхнем течении р. Шоши, где этот водоток поворачивает на юг (если двигаться от устья к истоку р.Шоша), эта выявленная доледниковая долина продолжается в прежнем направлении – с востока на запад, включает крупный левый шошинский приток – р.Жидоховка, и пересекает реку Волга широкой полосой в районе выше г. Старицы (рис.4). На этом участке местности, очень близко к Волге – на расстоянии до 3 км, подходит граница водосбора реки Шоша. В настоящее время современная долина реки Шоша – в нижнем ее течении, представляет собой очень широкое рельефное понижение, достигающее 12-20 км в поперечнике, с отчетливо выраженными склонами (рис. 8). Здесь же располагается пойма, сложенная породами аккумулятивного происхождения, которая имеет ширину несколько километров и незаметно сливается с первой надпойменной террасой [7]. Необходимо добавить, что в районе села Микулино была отмечена и вторая надпойменная терраса. Ранее было установлено, что первая надпойменная терраса в низовьях этой реки имеет сложный характер и состоит из двух частей – аккумулятивной и эрозионной [7]. Московским ученым-геоморфологом Диком Н.Е., МГУ, 1938г., в пределах этой террасы отдельно была выделена Пришошинская низменность, которая представляет собой широкую эрозионную выемку в валунном суглинке, заполненную аллювиальными отложениями (рис.8). Русло р.Шоши как бы наложено на эту обширную выявленную низменность и при этом характеризуется незначительным эрозионным врезом, небольшими линейными размерами и малыми глубинами меженного водного потока (1-3м). В среднем течении ширина этой реки равна 30-40 м, в нижнем – 50-80 м.

Геологические и гидрогеологические условия исследуемого района.

Описываемая территория приурочена к глубокой дочетвертичной депрессии, заполненной мощной толщей ледниковых отложений, в составе которых значительная доля принадлежит надморенным водно-ледниковым осадкам, снивелировавшим моренный рельеф [2]. Четвертичные отложения, мощность которых в рассматриваемом районе варьирует в пределах 40-100м, залегают на каменноугольных или юрских отложениях (рис. 5, 6, 9, 10). Литологический состав каменноугольных отложений—это чередование известняков и доломитов, с прослоями глин и мергелей. На исследуемой территории основным региональным водоупором, разделяющим водоносные горизонты нижнего и среднего карбона являются верейские глины (рис. 10). Кроме этого, в средне и верхнекаменноугольных отложениях наблюдаются и другие водоупорные слои и горизонты: ростиславльские, щелковские и кревякинские глины. В четвертичном комплексе почти повсеместно отмечен днепровский водоупор, который в верхней и средней части водосбора перекрывает известняки среднего карбона (рис.6), в низовьях р.Шоши – это водоупорный горизонт залегает над юрскими или верхнекаменноугольными отложениями (рис. 9, 10). Наряду с этим в районе Шошинского плеса Иваньковского водохранилища и на приустьевом участке р. Шоши в верхней части геологического разреза присутствуют юрские глины, которые также как моренные суглинки днепровского водоупора, могут перекрывать известняки верхнего карбона (рис.6). Глубина подошвы пресных вод на данной территории составляет 250-300м [10, 11]. Река Шоша, из-за небольшой величины эрозионного вреза, на всем своем протяжении дренирует преимущественно валдайско-московский водоносный горизонт водно-ледниковых отложений [2, 10]. Водоносные пески, которые присутствуют в этой верхней четвертичной толще, разделяются мореной на несколько горизонтов, которые в основном и питают реки данного района [10]. В нижнем течении реки, наряду с водами верхнего валдайско-московского горизонта в подземном питании реки частично участвуют напорные воды верхнекаменноугольных отложений. Как было выявлено сотрудниками НИС ИВПАН, в долине Волги и в прибрежной зоне Иваньковского водохранилища, в т.ч. в Шошинском плесе, разгружаются все водоносные горизонты – грунтовые и напорные [10]. Первым напорным горизонтом от дневной поверхности в верховьях реки Шоша является каширский (C₂ ks) и подольско-мячковский (C₂ pd- mc^v) водоносные горизонты; в средней части бассейна – подольско-мячковский горизонт (C₂ pd- mc^v). Вблизи современного устья р.Шоши и в прибрежной части Иваньковского водохранилища первым артезианским горизонтом является касимовский (C₃ksm), или реже это может быть более верхний клязьминско-ассельский водоносный комплекс (С₃ kl-P₁as); ниже залегает подольско-мячковский водоносный горизонт (C₂ pd-mc^v). Изучаемый район, который включает бассейн р.Шоши и сопредельные территории, представляет собой обширную область питания водоносных горизонтов среднего и верхнего карбона [2]. Четвертичные отложения, имеющие повсеместное распространение в данном регионе, значительно различаются в отдельных частях бассейна реки Шоша – по глубине залегания, мощности и площади простирания глинистых и песчаных пород (рис. 6, 7, 8, 9, 10).

Рис. 4. Схема доледникового рельефа и границы валдайского оледенения. Автор Шик С.М. ГУЦР Мингео РСФСР. Москва. 1966г. Район Верхней Волги. Погребенные доледниковые долины: 1 – установленные; 2 – предполагаемые; 3 – водораздельные пространства; 4 – граница валдайского оледенения (сплошная линия – установленная, пунктир – предполагаемая); 5 – река Шоша и ее приток р. Жидоховка

Рис. 5. Фрагмент гидрогеологической карты докайнозойских отложений. ГИС ВСЕГЕИ. С-Пб. 2009 год. Район бассейна реки Шоша и Иваньковского водохранилища. 1 – граница Тверской области и административных районов; 2 – автомобильные и железные дороги; 3 – города, населенные пункты; 4 – реки, озера и водохранилища. Гидрогеологические водоносные горизонты и комплексы: 5 – среднекаменноугольные водоносные карбонатные и терригенные комплексы; 6 – верхнекаменноугольный карбонатный комплекс; 7 – верхне-среднеюрский водоносный терригенный горизонт; 8 – верхнекаменноугольно-нижнепермские карбонатные комплексы; 9 – верхнеюрский нижнемеловой терригенный комплекс; 10 – граница погребенного слабоводоносного кембрийско-ордовикского карбонатно-терригенного комплекса

Рис. 6. Гидрогеологический разрез Шошинского плеса Иваньковского водохранилища. Створ в 3 км ниже ж/д моста. Фрагмент г/геологического профиля из гидрогеологической карты, лист 0-37-XXXI. 1974г. Мингео РСФСР. 1 – современный аллювиальный водоносный горизонт; 2 – верхнечетвертичный водоносный озерно-аллювиальный водоносный горизонт; 3 – валдайско-московский флювиогляциальный водоносный горизонт;4 – воды спорадического распространения в московской морене; 5 – московский аллювиально-флювиогляциальный водоносный горизонт; 6 – днепровский водоупор; 7 – киверидж-келловейский водоупор. Литология: 8 – суглинки валунные; 9 – торф; 10 – пески; 11 – глины, щелковский и кревякинский водоупоры (верхний карбон); 12 – известняки клязьминско-ассельского и касимовского водоносных горизонтов (верхний карбон)

Рис. 7. Геологический разрез реки. Дойбица, вблизи устья, в створе нового моста, расположенного на автодороге к пос. Шоша. Институт «Тверьавтодорпроект», 2016г. Литология:1 – песок пылеватый, маловлажный с включением гравия; 2 – песок пылеватый, водонасыщенный с редким включением гравия; 3 – песок средней крупности с включением 25% гравия, гальки; 4 – легкий суглинок, песчанистый; 5 – песок средней крупности, средней плотности; 6 – песок средней крупности, неоднородный с включением гальки, гравия;7 – река Дойбица; 8 – опоры моста; 9 – откосы; 10 – линейный масштаб геологического профиля

Рис. 8. Схематические геологические профили: а – долина реки Шоша, ниже с.Тургиново, вблизи современного устья; б – долина реки Дубна, в нижнем течении. Данные из монографии «Геоморфология Калининской области», Ученые записки МГУ, Выпуск ХХХIII. География. М. 1938г. 1 – аллювиальные пески; 2 – глинистые пески; 3 – суглинки; 4 – русло реки

Рис. 9. Фрагмент геологического профиля четвертичных отложений. Приложение к геологической карте, лист 0-36-XXХVI.Новая версия. ГИС ВСЕГЕИ.С-Пб. 2009-2019гг. Линия геологического разреза пересекает реку Шоша – в 8км выше в/п Микулино-Городище, а также проходит через другие водотоки: р.Вязьма, р.Хвощня, р.Русса. 1 – современные аллювиальные отложения; 2 – нерасчлененный комплекс четвертичных отложений, суглинки; 3 – московский горизонт, валдайский надгоризонт, водноледниковые аллювиальные и озерные отложения, пески, суглинки; 4 – болотные отложения, торф; 5 – водноледниковые отложения озов и камов, пески и галечники; 6 – московский горизонт, ледниковые отложения (морена), суглинки с валунами и линзами песков; 7 – днепровский горизонт, ледниковые отложения (морена), суглинки с валунами и линзами песков; 8 – днепровско-московский горизонт, водноледниковые аллювиальные, озерные и болотные отложения, пески и алевриты; 9 – окско-днепровский горизонты, водноледниковые аллювиальные, озерные и болотные отложения, пески и алевриты; 10 – доледниковые отложения, известняки 

Рис. 10. Гидрогеологический разрез к г/геологической карте, лист 0-36-XХХVI.1966г. Мингео РСФСР. Район прохождения – верхнее течение р.Шоши (в 30 км выше в/п Хлопово-Городище), бассейны рек Руссы, Лобь и Ламы. 1 – воды спорадического распространения в московской морене; 2 – московско-днепровский аллювиально-флювиогляциальный водоносный горизонт; 3 – днепровский водоупор; 4 – келловей-батский водоносный горизонт; 5 – мячковско-подольский водоносный горизонт; 6 – верховодка в покровных отложениях; 7 – каширский водоносный горизонт; 8 – ростиславльский и верейский водоупоры (средний карбон); 9 – протвинский водоносный горизонт; 10 – стешевский водоупор (нижний карбон). Литология: 11 – пески; 12 – суглинки валунные; 13 – глины; 14 – известняки

Основные природные факторы, влияющие на формирование подземного и минимального меженного стока в бассейне р. Шоша и на соседних речных водосборах.

Как и в других регионах Центра России интенсивность подземного притока в реки в данном районе зависит от его почвенных, геоморфологических и гидрогеологических условий. Почвенной покров по механическому составу очень различается в разных частях водосбора р.Шоши. В верховьях реки преобладают легкие и средние покровные суглинки, в низовьях р.Шоши и частично в среднем ее течении в верхнем почвенном слое присутствуют озерные и аллювиальные пески. Как ранее было отмечено, река Шоша характеризуется небольшой величиной эрозионного вреза долины – 50-70м [11] и поэтому дренирует преимущественно верхние водоносные горизонты четвертичных отложений, мощность которых в среднем по бассейну составляет 50-60м (табл.1). В этой грунтовой толще, в верховьях и в среднем течении р.Шоши преобладают глинистые породы разной мощности до 30м (рис. 9, 10). В низовьях этой реки, в верхней части геологического разреза все чаще наблюдаются рыхлые песчаные породы с прослоями гальки, гравия, иногда значительной мощности до 20м, но имеющие ограниченное площадное распространение (табл.1). В конечном итоге вышеуказанные положительные почвенные и геологические факторы привели к увеличению инфильтрации атмосферных осадков, к улучшению вертикального водообмена между подземными водоносными горизонтами и самой рекой, и к заметному возрастанию параметров подземного стока на нижнем участке р. Шоша, в пределах ее речной долины. Но по-прежнему на этой территории в четвертичной толще присутствуют моренные отложения значительной мощности – до 30м, представленные глинами с включением песка, щебня, гравия и валунов (табл.1). В низовьях р. Шоши, водоупорный горизонт юрских глин, перекрывающий известняки верхнего карбона, уменьшается до 10м, и в некоторых местах эта водонепроницаемый слой разрушен или размыт (рис.6). Плотные пылеватые и глинистые пески, выявленные в верхней части геологического разреза на р.Дойбица – у а/д моста, вблизи ее устья, и на участке реки Шоша – ниже с.Тургиново, формально относятся к рыхлым водопроницаемым породам, но отличаются невысокими фильтрационными и коллекторскими свойствами (рис. 7, 8). В целом для всего этого района характерны затрудненные условия вертикального влагопереноса в верхней четвертичной толще и по всей глубине геологического разреза, из-за частого наличия здесь глинистых водоупоров разной мощности. Исключением являются соседние реки – Тьма и Тверца, где существуют более благоприятные гидрогеологические условия на территории их бассейнов [8]. Здесь нередко местами отмечен выход известняков на дневную поверхность, или эти карбонатные породы, залегающие близко от дневной поверхности, перекрываются небольшим слоем водоупорных глин – 1-5м, или водопроницаемыми песками разной мощности (табл.2). Как указывалось выше, в районе Иваньковского водохранилища, в том числе в береговой зоне и водной акватории Шошинского плеса, происходит значительная разгрузка грунтовых и глубоких напорных вод [10]. Об этом свидетельствуют гидрохимические и температурные аномалии в озерных водах, а также снижение пьезометрических уровней в артезианских скважинах вблизи этого крупного водоема. Но в то же время литология водовмещающих пород не всегда благоприятствует здесь разгрузке глубоких подземных вод (рис.6). Предположительно, что на интенсивность этого процесса влияет повышенная неотектоническая активность в этом районе [10]. Можно утверждать, что до затопления Иваньковского водохранилища, на месте Шошинского залива и старого устья р.Шоши также происходило значительное выклинивание грунтовых и напорных вод, что приводило к переувлажению почв и заболачиванию этой местности и наличию здесь скудной растительности в тот период времени.

Таблица 1, часть 1

Литология по отдельным геологическим скважинам, расположенным по берегам р.Шоши, в среднем и нижнем течении реки. Данные МГРЭ ПГО «Центрогеология» и других геологических организаций

Таблица 1, часть 2

Литология по отдельным геологическим скважинам, расположенным по берегам р.Шоши, в нижнем течении реки. Данные МГРЭ ПГО «Центрогеология» и других геологических организаций

Таблица 2

Литология по отдельным геологическим скважинам, расположенным в долине или пойме реки Тьма. Данные ГУЦР и МГРЭ ПГО «Центрогеология» [2, 8] 

Примечание. Краткие названия организаций: 1) ГУЦР – Геологическое управление центральных районов, Мингео РСФСР. 2) МГРЭ – Московская геологоразведочная экспедиция, ПГО "Центрогеология", г. Москва 

Влияние плотины Микулинской ГЭС на водный сток реки Шоша.

Ранее, в 40-50-е годы прошлого века на р. Шоша, р.Лама и других соседних водотоках были построены малые ГЭС, которые вырабатывали электроэнергию для нужд местного населения и сельского хозяйства. Самые крупные из них Микулинская ГЭС на р.Шоша (рис.11) и Ярополецкая ГЭС на р.Лама. В настоящее время эти небольшие ГЭС закрыты, их плотины частично или полностью разрушены, и большинство из них уже не оказывают большого влияния на естественный водный режим этих рек (рис.12). Исключением является Ярополецкая ГЭС, которая сохранена как памятник истории советского гидростроительства. Отметим, что ранее в нашей стране отсутствовала государственная программа ликвидации малых ГЭС, построенных в большом количестве в 40-50 годы прошлого века и прекративших свою работу в последующее время после ввода крупных ГРЭС и АЭС. Из всех бывших малых гидроэнергетических объектов этого района для нас наиболее интересна история создания и закрытия Микулинской ГЭС. Как известно, эта сельская гидроэлектростанция была построена на реке Шоша в 1956 году (рис.11), в 1,1 км выше автодорожного моста в сел. Микулино, в створе – где река делает изгиб под углом близким к 90⁰ (рис.1а). Проработав менее чем 20 лет, Микулинская ГЭС была закрыта в 1969 году [20], после ввода Конаковской ГРЭС, которая в достаточной мере стала обеспечивать электроэнергией весь этот район и близлежащие территории. После остановки работы малой ГЭС был перемещен на незначительное расстояние – в створ ниже а/д моста, водпост Микулино-Городище (рис.1а). По этой причине все расчетные характеристики речного стока для этого пункта наблюдений в последних гидрологических справочниках приводятся с 1970 года (табл.3). Следует отметить, что после прекращения работы Микулинской ГЭС и демонтажа на ней энергетического оборудования, ее плотина стала хаотично и самопроизвольно разрушаться. При этом c течением времени ее влияние на естественный водный сток реки Шоша постепенно стало ослабевать. Но по-прежнему это полуразрушенное гидротехническое сооружение оказывает негативное воздействие на окружающую природную среду. В настоящий период на р.Шоша у сел. Микулино, выше а/д моста, сохранились лишь отдельные бетонные и деревянные конструкции этой старой плотины: береговые устои, порог, водобой, плита в основании водослива и т.д. При визуальном осмотре современного русла реки в месте расположения бывшей Микулинской ГЭС, ясно и очевидно, что речной водный поток в период открытого русла протекает здесь в довольно стесненных условиях и с заметным сужением его «живого сечения» (рис.12,12а). В другое время года – в зимний период, также ощущается влияние полуразрушенной плотины ГЭС на водный сток р.Шоши, что очень заметно на приведенных космических фотоснимках, снятых в марте 2012года – до наступления половодья, и в феврале 2018года (рис. 24, 24а). На этих фотографиях, представленных в нижней главе: «Использование материалов космической сьемки в наших исследованиях», отчетливо прослеживается замедление руслового водного потока в районе верхнего бьефа старой плотины, если судить по границе ледового покрова на р. Шоша. Но в тоже время на этих космофотоснимках на отдельных речных участках – в 500м выше плотины и ниже створа бывшей Микулинской ГЭС, наблюдается «быстроток» и отсутствие ледостава (рис. 24, 24а). Можно утверждать, что изменение скоростей течения руслового водного потока в меженный период, которое наблюдается на р. Шоша в районе старой полуразрушенной плотины, близко к динамическим особенностям движения речных вод незарегулированного водотока на плесах и перекатах.

Рис. 11. Микулинская ГЭС на реке Шоша после ввода. Зимний период.1960 год. Проектный напор – 4,5м

Рис. 12. Старая разрушенная плотина Микулинской ГЭС на реке Шоша. Лето 2014года. Фото-вставка: рис.12а. Вид плотины сверху из космоса. Тот же период времени

Расчетные параметры подземного и минимального меженного стока реки Шоша и соседних волжских притоков.

Согласно предыдущим исследованиям, подземный сток, определяемый методом генетического расчленения обобщенного гидрографа, и среднемноголетний зимний минимальный 30-дневный сток до середины 80-х годов являлись очень близкими по своим значениям гидрологическими характеристиками для рек изучаемого района с естественным водным режимом (табл.3). Наряду с этими данными в научно-прикладных справочниках Росгидромета приводится среднемноголетний минимальный 30-дневный сток летне-осенней межени. Его параметры незначительно отличаются от расчетных величин минимального стока зимнего периода в сторону небольшого увеличения, и также находятся в тесной зависимости от интенсивности подземного притока в реки [6, 12, 19]. Ранее, в 70-80-е годы прошлого века, описываемый район характеризовался невысокими значениями подземного и минимального меженного стока (рис.13,14). Об этом свидетельствуют предыдущие стационарные измерения меженного стока на р.Шоша – в/п Хлопово-Городище и в/п Микулино – Городище, и на р. Вазуза – в/п Золотилово, который закрыт в 1977году [6, 19], а также это подтверждают эпизодические замеры минимального речного стока на других соседних небольших волжских притоках –р. Держа, р.Н.Старица, р.Холохоленка, р.Тьмака, р.Орша и т.д. [18]. По результатам стационарных и экспедиционных гидрологических наблюдений, среднее значение модуля минимального меженного стока на малых и средних водотоках этого района колеблется от 0,4 до 1,1-1,2 л/сек км². Исключением являются соседние р. Тьма и р.Тверца (среднее и нижнее течение), которым свойственны высокие параметры подземного и меженного стока, и где среднемноголетний модуль минимального стока составляет более 1,9 л/сек км² (табл. 3) .Известно, что начиная с 18 века и по настоящее время речной сток Тверцы зарегулирован работой Вышневолоцкой водной системы. Другой ближний крупный водоток – р. Сестра, являющийся притоком р. Дубна (рис. 1), характеризуется повышенными, но не высокими показателями подземного стока, где расчетный модуль стока равен – g=1,4л/сек км² (табл. 3). При анализе характеристик подземного стока в бассейне р. Шоши , то согласно данных ГГИ,1974г.[15], выясняется, что на фоне невысоких их значений наблюдается некоторое их увеличение от истока к устью, а именно: средние модули подземного стока в верхней части водосбора составляют – 0,5 л/сек км²; в средней части – 0,7-0,8 л/сек км²; и в нижнем течении реки – 1,1-1,2 л/сек км² (табл. 3, 4). При этом в низовьях р. Шоша, на участке: в/п Микулино-Микулино – створ ниже устья р.Лобь; эти гидрологические характеристики, рассчитанные для малой площади водосбора – F 300 км², могут быть довольно высокими: g 2 л/сек км^2. (табл.4). Следует отметить, что доля этой части речного бассейна с повышенными параметрами подземного притока составляет около 10% – 12% от всей площади водосбора этой реки, и сам расход подземного стока, сформированный на этой небольшой территории, в пределах речной долины, весьма невелик—менее 1 м³/сек (табл.4). Известно, что Государственный гидрологический институт в 1969-71 годах провел на реках Шоша и Лама полевые гидрологические работы с целью уточнения параметров подземного притока в нижнем их течении [15]. В последующие 70-80-е годы прошлого века, когда зимний минимальный сток стал использоваться для оценки подземного притока в реки, Государственный гидрологический институт (ГГИ) неоднократно выполнял расчеты минимального 30-дневного зимнего и летне-осеннего стока рек для всего бассейна Верхней Волги, в том числе для р. Шоша [6, 19]. По нашим подсчетам, норма зимних минимальных 30-дневных расходов воды – Qм³/сек, на реке Шоша – в/п Микулино-Городище [6, 19] по данным ГГИ,1973,1986гг., могла быть завышена на небольшую величину – Q  =0,3-0,4м³/сек, из-за влияния полуразрушенной плотины старой ГЭС на водный сток исследуемого водотока. Но и в этом случае, их единичные характеристики – модули зимнего стока, являются невысокими показателями минимального стока реки Шоша: g =1,2-1,3 л/сек км² (табл. 3).

Таблица 3

Подземный сток и среднемноголетний минимальный 30-дневный зимний речной сток реки Шоши и соседних водотоков.
Расчетные параметры: 

Примечание. Сокращения: 1) Стац. и эксп. – стационарные и экспедиционные водпосты; 2) УГМС – управление Гидрометеослужбы; 3) ГГИ – Государственный гидрологический институт.

Таблица 4

Подземный сток по частным водосборам рек Шоши и Ламы.
Расчетные параметры: 

Примечание. В частный бассейн №2 входит река. Вязьма. Общая водосборная площадь этого водотока- равна 492км². По данным ТверьТИСИЗ, август 1984года, минимальный месячный расход воды и модуль стока Р=50% обеспеченности, в створе у д. Якимово – F= 253км², соответственно составляли Q_Р.= 0,28м³/сек и g_р.=1.1л/сек км²

Рис. 13. Фрагмент карты среднемноголетнего месячного минимального стока за летне-осенний период с указанием модуля стока – g л/сек км², для водосборов с F >2000км². Район Верхней Волги и бассейна р.Шоша. Литературный источник: Ресурсы поверхностных вод. Том 10. Верхневолжский район. Гидрометеоиздат. Л. 1973г.

Рис. 14. Фрагмент карты среднемноголетнего месячного минимального стока за зимний период с указанием модуля стока – g л/сек км², для водосборов с F >2000км². Район Верхней Волги и бассейна р.Шоши. Литературный источник: Ресурсы поверхностных вод. Том 10. Верхневолжский район. Гидрометеоиздат. Л. 1973г.

Существующая взаимосвязь минимального стока летне-осенней и зимней межени на р. Тьма – в/п Новинки и на р. Шоша - в/п Микулино-Городище.

При выборе реки-аналога единственным ближайшим водотоком с естественным водным режимом и с оптимальной гидрологической изученностью является р.Тьма – в/п Новинки. Здесь с 1936 года до 1999 года, с некоторыми перерывами проводились стационарные наблюдения за речным стоком [3]. В нашей работе все исследования по выявлению взаимосвязи параметров минимального меженного и подземного стока на реке Тьма-в/п Новинки (пункт-аналог) и на реке Шоша – в/п Микулино-Городище можно разделить на несколько промежуточных этапов, характеристика которых приводится ниже.

На предварительном этапе наших исследований были уточнены гидрологические термины и понятия, часто используемые в нашей работе. К примеру, за «летне-осенний и зимний период средней водности» был принят многомесячный промежуток теплого или холодного времени года, когда абсолютный минимум измеренных расходов воды на отдельном водотоке был близким к норме подземного стока (рис. 19, 21, 22, 23). В другом случае, в качестве «высокой или низкой летне-осенней и зимней межени» выделялся такой период времени, когда измеренный минимальный сток был бы значительно выше или ниже нормы подземного притока в реки (рис. 20, 23).

На первом этапе наших исследований для разных лет определялись корреляционные связи минимальных суточных летне-осенних и зимних расходов воды на двух исследуемых водотоках в пунктах измерений речного стока. В некоторые годы – 1992, 1996гг, эта статистическая зависимость была умеренной или слабой, с коэффициентом корреляции соответственно – К_корр~0,7; и К_корр.<0,4 (рис. 15, 16, 23а). В других случаях, к примеру в 1979 году, взаимосвязь ежедневных параметров зимнего и летне-осеннего стока на двух водотоках полностью отсутствовала (рис. 21а). Разная степень корреляции измеренных суточных меженных расходов воды на этих реках объясняется неоднозначным влиянием старой плотины Микулинской ГЭС на водный сток р. Шоша в отдельные годы (рис. 12, 24, 24а). Кроме этого, искусственного фактора, причинами отсутствия тесной статистической связи суточного зимнего стока на изучаемых водотоках являются частые оттепели в этот холодный сезон и нередкое появление заторов и зажоров в руслах исследуемых рек, что было отмечено в 1979 и 1992 годах (рис. 21, 22, 23). Низкий уровень взаимосвязи ежедневных расходов воды в период открытого русла на двух исследуемых реках может быть вызван большими различиями в количестве выпавших атмосферных осадках в летние и осенние месяцы на их речных водосборах (рис. 20, 21, 22). В других случаях, при близкой интенсивности дождевого стока на водосборах двух рек, в частности как это было летом и осенью 1992года, коэффициент корреляции суточного меженного стока на исследуемых водотоках повышается до средних его значений – К_корр~0,7 и более (рис. 15, 19). Визуально, на представленных графиках связь этих гидрологических величин в период низкого стока выглядит не совсем плотной и по причине того, что масштаб графиков несколько растянут: в 1 см – 0,5м³/сек., из-за небольших величин измеренных меженных расходов воды – от 1,0 до 7,0м³/сек (рис. 15, 16).

На втором этапе наших исследований, на двух исследуемых водотоках и в тех же пунктах гидрологических наблюдений была установлена тесная взаимосвязь объемов месячного стока нарастающим итогом (∑Wмлн.м³), в среднюю по водности летне-осеннюю межень 1992 года (рис. 17). По нашим расчетам, в этот период низкого стока на р.Тьма – в створе в/п Новинки, проходит суммарный сток в 2,6 раза больше, чем на р.Шоша –у в/п Микулино-Городище. Во время низкой летне-осенней межени 1996 года это соотношение суммарного месячного стока на исследуемых реках в отдельные месяцы уменьшается до 2,1-2,3 раза. Такие большие различия этих характеристик стока – ∑Wмлн.м³, на двух водотоках обусловлены тем, что река Тьма у в/п Новинки, имеет площадь водосбора в 1,4 раза больше и отличается более высокими параметрами меженного минимального стока по сравнению с рекой Шоша, в створе у в/п Микулино-Городище (рис. 19, 20). В относительном выражении модули речного стока реки Тьма в летние, осенние и зимние месяцы года в 1,5-1,9 раза выше, чем на реке Шоша, исключая многоводные периоды речного стока. Причем, получается так, чем ниже водность установившейся межени, тем меньше эти пропорции. Вместе с тем, тесная связь объемов суммарного месячного летне-осеннего стока нарастающим итогом, выявленная нами в 1992 году на реках Тьма и Шоша, может полностью отсутствовать в другие меженные периоды. К примеру, это наблюдалось в сентябре-октябре 1979, 1996годов из-за больших различий дождевого стока и выпавших атмосферных осадков на водосборах этих рек (рис. 20, 21, 22). Такие неоднозначные климатические факторы в изучаемом районе часто приводят к искажению общей тенденции снижения меженного стока на близлежащих водотоках в период открытого русла при «сработке» запасов грунтовых вод.

На третьем этапе наших исследований, на тех же самых реках и водпостах, для более раннего периода гидрологических наблюдений – 1958-1980 годы, была установлена тесная связь объёмов суммарного зимнего стока нарастающим итогом, за январь-февраль месяцы (∑ Wмлн.м³), т.е. во время работы Микулинской ГЭС и после ее закрытия (рис. 18). В связи с этим можно утверждать, что плотина Микулинской ГЭС со времени ее создания и в последующие годы, только выравнивала минимальный сток реки Шоша в летне-осеннюю и зимнюю межень, но не искажала объемы суммарного месячного меженного стока (∑ Wмлн.м³).

На заключительном этапе наших исследований для выявления других зависимостей минимального меженного стока были использованы совмещенные гидрографы для двух исследуемых рек в различные по водности летне-осенние периоды разных лет – 1992 и 1996 годы (рис. 19, 20). На этих двух парных графиках -гидрографах, составленных для р.Тьма – в/п Новинки и р.Шоша – в/п Микулино-Городище, четко прослеживаются отдельные гидрологические закономерности. В частности, линии спада подземного притока в среднюю по водности летне-осеннюю межень 1992года на двух реках различаются на переменную величину, от ∆Q= 3,0 м³/сек – в июне-месяце и до ∆Q= 2,4 м³/сек – в августе-месяце, но при условии полного вычета дождевого стока (рис. 19). Такое значительное уменьшение параметра – ∆Q м³/сек. обусловлено тем, что процесс сокращения подземного притока в первые месяцы после весеннего половодья 1992года интенсивнее происходит на р.Тьма, у в/п Новинки, чем на р. Шоша, у в/п Микулино-Городище. В другое время – в течении всей низкой летне-осенней межени 1996 года, эта суточная разность минимального стока с вычетом ливней и дождей, на двух водотоках и на тех же водпостах была почти постоянна и составляла ∆Q = 1,7 м³/сек (рис. 20). 

Рис. 15. График связи минимальных суточных летне-осенних расходов воды по двум водотокам: река Тьма-в/п Новинки, F=1800км², и река Шоша - в/п Микулино-Городище, F=1320км². Период наблюдений: средняя по водности летне-осенняя межень 1992 года

Рис. 16. График связи минимальных суточных летне-осенних расходов воды по двум водотокам: река Тьма- в/п Новинки, F=1800км², и река Шоша - в/п Микулино-Городище, F=1320км². Период наблюдений: низкая летне-осенняя межень 1996 года

Рис. 17. График связи объемов месячного летне-осеннего стока нарастающим итогом (∑Wмлн.м³) по двум водотокам: река Тьма – в/п Новинки, F=1800км², и река Шоша – в/п Микулино-Городище, F=1320км².Период наблюдений: средняя по водности летне-осенняя межень 1992 года

Рис. 18. График связи обьемов суммарного зимнего стока за январь-февраль месяцы, (∑Wмлн.м³) нарастающим итогом по двум водотокам: река Тьма – в/п Новинки, F=1800км², и река Шоша, – в/п Микулино-Городище, F=1320км². Период наблюдений: 1958-1980годы, январь-февраль месяцы

Рис. 19. Совмещенные гидрографы двух водотоков: река Тьма -в/п Новинки, F=1800км², и река Шоша—в/п Микулино-Городище, F=1320км². Период наблюдений: средняя по водности летне-осенняя межень 1992 года. 1 – гидрографы рек Тьма и Шоша ; 2 – линия спада подземного притока на реках Тьма и Шоша; 3 – норма подземного стока для рек Тьма и Шоша, Q_подз.м³/сек. ГГИ.1974г., Яковлев П.И.РГО.2020г.; 4 – разница суточного подземного притока на реках Тьма и Шоша, Qм³/сек; 5 – дождевой сток 

Рис. 20. Совмещенные гидрографы двух водотоков: река Тьма-в/п Новинки, F=1800км², и река Шоша – в/п Микулино-Городище, F=1320км². Период наблюдений: низкая летне-осенняя межень 1996 года. 1 – гидрографы рек Тьма и Шоша; 2 – линия спада подземного притока на реках Тьма и Шоша ; 3 – норма подземного стока, для рек Тьма и Шоша, Q_подз.м³/сек. ГГИ.1974г., Яковлев П.И.РГО.2020г.; 4 – разница суточного подземного притока на реках Тьма и Шоша, Qм³/сек ; 5 – дождевой сток

Рис. 21. Гидрограф реки Шоша – в/п Микулино –Городище, F=1320 км². Период наблюдений: средний по водности 1979 год со средней по водности летне-осенней меженью. График-вставка: рис.21а.Установление взаимосвязи суточных летне-осенних расходов воды на двух водотоках: река Тьма-в/п Новинки и река Шоша-в/п Микулино-Городище. Период наблюдений: средняя по водности летне-осенняя межень 1979 года. 1 – сток весеннего половодья; 2 – подземный сток; 3 – зимние оттепели; 4 – летне-осенние дождевые паводки

Рис. 22. Гидрограф реки Тьма – в/п Новинки, F=1320км². Период наблюдений: средний по водности 1979 год со средней по водности летне-осенней меженью. 1 – сток весеннего половодья; 2 – подземный сток; 3 – зимние оттепели; 4 – летне-осенние дождевые паводки

Рис. 23. Гидрограф реки Шоша – в/п Микулино –Городище, F=1320 км². Период наблюдений: 1992 год – с невысоким половодьем и со средней по водности летне-осенней меженью. График-вставка: рис.23а.Взаимосвязь суточных зимних расходов воды на двух водотоках: река Тьма – в/п Новинки и река Шоша – в/п Микулино-Городище. Период наблюдений: высокая зимняя межень 1992 года, I-III, XI-XII месяцы. 1 – сток весеннего половодья; 2 – подземный сток; 3 – зимние оттепели; 4-летне-осенние дождевые паводки

Приближенный расчет подземного притока на реке Шоша—в/п Микулино-Городище. Яковлев П.И., РГО, Тверь,2020г.

В нашей работе повторно определялись параметры подземного притока на реке Шоша – в/п Микулино-Городище. В первом случае был использован график связи минимальных суточных расходов воды по двум водотокам: р.Тьма – в/п Новинки и р.Шоша – в/п Микулино-Городище, для средней по водности летне-осенней межени 1992года (рис.15). В этот период времени наблюдались небольшие различия в дождевом стоке этих рек и кривые спада меженных расходов воды на данных водотоках выглядели синхронными (рис.19). На графике – рис.15, с помощью линейных построений приближенно были установлены среднемноголетние характеристики подземного стока для реки Шоша – в/п Микулино-Городище, которые составили: расход воды – Q_подз.=1,0 м³/сек; модуль стока – g_подз.=0,7-0,8 л/сек км². Полученные параметры подземного притока почти не отличаются от данных ГГИ, 1974г. [15]. Во втором случае характеристики подземного стока реки Шоша, у в/п Микулино–Городище, определялись с использованием графика связи объемов суммарного месячного летне-осеннего стока нарастающим итогом, составленным по тем же рекам и водпостам (рис.17). Здесь постоянно выдерживается соотношение объемов суммарного месячного стока для этих рек – W_a/ ∑ W_x =2,6 ➀; которое справедливо и для каждого месяца, т.е. W^мес.а^./ W^мес.х =2,6 ➁. Последнее математическое выражение можно представить в следующем виде: g_а * F_a* Tсек /g_x * F_x *Tсек.=2,6 ➂; где g_a и g_x л/сек км² – среднемесячные модули меженного стока реки-аналога – р.Тьма и исследуемой реки – р.Шоша; F_a и F_x км² – площади водосборов рек Тьмы – в/п Новинки, и Шоши – в/п Микулино-Городище, при этом F_a=1,3636 F_x ➃; Т сек. – количество секунд в месячном интервале. Неизвестной характеристикой в этих расчетах является модуль подземного стока (норма) на реке Шоша – в/п Микулино-Городище, т.е. g_x л/сек км². После преобразования верхнего математического выражения ➂, искомый гидрологический параметр – g_x, можно представить в виде простой зависимости: g_x=0,52 g_а л/сек км² ➄, где обозначения прежние. Далее условно принимаем, что на реке Тьма-в/п Новинки, в течении одного летнего или осеннего месяца устанавливается меженный сток равный норме подземного притока, т.е. модуль стока равен – g_а=1,9 л/сек км². При этом в этот месячный промежуток времени сохраняется ранее принятое нами соотношение объемов меженного стока для этих двух водотоков, т.е. W^месa/W^месx=2,6 ➁. Два этих условия позволяют использовать математическое выражение – g_x=0,52 g_a л/сек км² ➄,для определения среднемноголетнего модуля подземного стока на р.Шоша – в/п Микулино-Городище, который составил: g_x= 1,0л/сек км ². Затем определяем расход подземного стока (норма) для этого пункта наблюдений: Q_х =g_x * F_x =1,3 м³/сек, который превышает данные ГГИ,1974г на 0,3 м³/сек.

О современной тенденции увеличения параметров меженного зимнего стока в связи с изменением климата, за последние 30-40 лет, на реках исследуемого района.

Согласно данным из гидрологического научно-прикладного справочника ГГИ, бассейн Верхней Волги, 2015г. [12], за последние три-четыре десятилетия на большинстве рек Верхневолжского бассейна значительно возросли среднемноголетние характеристики меженного минимального зимнего 30-дневного стока. В нашем районе, на зарегулированной реке Шоша это увеличение составило около 30%; на реке Тьма – с естественным водным режимом, было в пределах 20% (табл.3). В настоящее время часто повторяющийся теплые зимы, слабое промерзание почв-грунтов и оттепели в этот холодный период времени привели к увеличению инфильтрации атмосферных осадков, возрастанию грунтового стока и общего подземного притока в реки. По мнению известного российского гидрогеолога, д.г-м.н. Джамалова Р.Г., ИВПАН,2015г., «Увеличение зимнего стока за последние 3-4 десятилетия в Европейской части России, обусловлено именно «импульсным» режимом разгрузки почвенных и подземных вод», которые получают дополнительное питание при частых оттепелях и слабом промерзании зоны аэрации». Значительное возрастание зимнего и годового стока в бассейне Верхней Волги было отмечено в научных публикациях: д.г.н. Георгиевского В.Ю. и к.г.н. Маркова М.Л. ГГИ, 2000-2015гг.; д.г.н. Фроловой Н.Л. и д.г.н. Алексеевского Н.И., геофак МГУ, 2013г.; к.т.н. Сенцовой Н.И., ИВПАН,2011г. и других исследователей. В нашей работе на представленных гидрографах р. Шоши и р.Тьмы с помощью дополнительных линий-маркеров указаны расчетные параметры подземного и минимального зимнего 30-дневного стока, определенные в период 1973-2015 годов, по которым можно визуально оценить их соотношение между собой и с измеренными расходами воды на этих водотоках в период 1979, 1992, 1996 годов (рис. 19, 20, 21, 22, 23). В последние годы среди известных российских специалистов гидрологов и гидрогеологов активно обсуждается очень важный вопрос: «Является ли меженный зимний сток – оценкой подземного стока в современный период изменившегося климата». Актуальность этой проблемы связана с тем, что использование последних расчетных характеристик зимнего стока 2010-2020-х годов в исследованиях подземного стока может привести к завышению оценки ресурсов подземных вод. Как известно, ранее – 30-40 лет тому назад, зимняя межень была выбрана в качестве расчетного периода при оценке подземного притока в реки, по причинам отсутствия в этот меженный период поверхностного стока и инфильтрации атмосферных осадков в почвах –грунтах. Но в последние десятилетия из-за потепления климата в нашем регионе наблюдаются совершенно другие природные явления в зимнее время года, о которых подробно указывалось выше. Учитывая все эти современные природные факторы, характеристика подземного притока в реки в исследуемом районе дана по расчетным данным подземного и зимнего минимального 30-дневного стока 70 – 80-х годов прошлого века [6, 15, 19].

Использование материалов космической сьемки в наших исследованиях.

В настоящее время при изучении природной среды широко используются материалы космической сьемки. В области гидрологии это происходит при проведении геомониторинга изучаемой территории, оценки экологического состояния речного водосбора, ледовой обстановки на реках и водоемах (рис. 24, 24а), и при решении многих других задач. В гидрогеологических изысканиях применение дистанционных методов позволяет выявить участки повышенного подземного притока в реки, озера и водохранилища, перспективных для организации хоз-питьевого водоснабжения городов и населенных пунктов [18, 22]. Для выявления таких аномальных зон подземного стока, на многозональных космических снимках, путем компьютерной их обработки, выделяются фотолинеаменты – линии одинакового фототона, которые иногда могут совпадать с неотектоническими нарушениями. Согласно современным представлениям, данные геологические структуры могут значительно влиять на интенсивность разгрузки подземных вод [21]. Наряду с использованием многозональных снимков в гидрогеологических исследованиях, тепловая космическая сьемка земной поверхности в отдельных случаях позволяет выявить участки выклинивания глубоких подземных вод в реки, озера и водохранилища (рис.25). На представленном ИК-космоснимке в районе акватории Иваньковского водохранилища, отчетливо выражены тепловые аномалии – темные фототона, соответствующие низким температурам водных масс, которые могут свидетельствовать о значительной разгрузке глубоких подземных вод в этот крупный водоем [22]. В Шошинском заливе наиболее темные фототона отмечаются в средней его части (рис. 25). При этом современные устья рек Шоша и Лама, а также река Волга у г.Дубна слабо выделяются или совершенно не выражены на нашем тепловом космоснимке. Также на данном КС было отмечено, что левобережная часть бассейна р.Волги, вблизи Иваньковского водохранилища, имеет более темные фототона на ИК-снимке, чем правобережная ее сторона (рис. 25). Можно предположить, что если бы в Шошинском плесе наблюдался незначительный подземный приток из глубоких водоносных горизонтов, то из-за мелководья это залив лучше прогревался солнечным тепловым излучением в летний период, в отличии от других более глубоководных заливов Иваньковского водохранилища. И при таких гидрогеологических и климатических условиях, Шошинский плес отображался бы более светлыми фототонами на тепловом космоснимке, чем на представленным в этой работе ИК-снимке (рис. 25).

Рис. 24. Весенний космический фотоснимок реки Шоша в районе Микулинской ГЭС, Дата сьемки 26 марта 2012года – до начала половодья. Фото-вставка: рис.24 а. Зимний космический фотоснимок этого района. Дата сьемки 22 февраля 2018год Данные Google Earth P

Рис. 25. Космический тепловой снимок района Иваньковского водохранилища в тепловом диапазоне. ИСЗ «Космос-1939». 5 канал, λ λ —10,3-11,8 мкм. Дата сьемки – 11 июля 1989года. Данные ГЦ ПОД Росгидромета. Московская область, г.Долгопрудный. 1990 год. 1 – темные фототона, соответствуют участкам земной поверхности и поверхностных вод с низкими температурами; 2 – реки, 3 – населенные пункты

Водный баланс речного водосбора р. Шоши. Воднобалансовые исследования в изучаемом районе проводили следующие научные учреждения: ИВПАН, Лебедева Н.А., 1972г.; институт ВНИГИК, г.Тверь, Яковлев П.И., 1990г.; Московский институт природообустройства им. Костякова А.Н., входящий в РГАУ-МСХА им. Тимирязева К.А., 2000-2020гг. [1, 11, 18], и многие другие организации. При расчете среднемноголетнего водного баланса речного бассейна Шоши с наибольшей погрешностью определяется годовая норма атмосферных осадков (Х мм/год), т.к. ее величина очень варьирует по площади речного водосбора и значительно различаются в многолетнем разрезе. Другой воднобалансовый элемент – испарение с суши (Емм/год), на данной территории по своей величине очень близок к максимальной испаряемости (Е₀ мм/год). Последняя характеристика – Е₀ мм/год, определяемая по среднемноголетним месячным данным температуры и влажности воздуха по ближайшим метеостанциям, вычисляется с меньшей погрешностью в отличии от полного расчета суммарного испарения с речного водосбора, Е мм/год. И связано это с тем, что при определении Емм/год, кроме максимальной испаряемости Е₀ мм/год, используются среднемесячные данные по атмосферным осадкам, речному стоку, влагозапасам в почвах-грунтах. Следует отметить, что все выполненные расчеты глубокого подземного стока – Wгл, мм/год, являются приближенными из-за больших погрешностей измерения атмосферных осадков и определения суммарного испарения с суши (табл. 5). В нашем случае в уравнении водного баланса: Х – Е – У= Wмм/год; где Х – годовая норма осадков, мм/год; Е – норма годового суммарного испарения, мм/год: У – норма среднегодового речного стока, мм/год; W – глубокий подземный сток, мм/год; с наибольшей точностью определяется следующая его составляющая – У мм/год, т.к. среднегодовые расходы воды реки Шоша у в/п Микулино-Городище, по которым рассчитывается слой речного стока – У мм/год, отличаются небольшими величинами (табл. 5). Можно предположить, что не весь подземный сток, сформированный в бассейне р.Шоша, перехватывается этой рекой и ее притоками, и поэтому значительная часть глубоких подземных вод может выклиниваться в Шошинском плесе Иваньковского водохранилища или в его прибрежной зоне.

Таблица 5 

Среднемноголетний годовой водный баланс речного водосбора р, Шоши и всего бассейна Иваньковского водохранилища

Примечание. Список организаций, ранее выполнивших расчеты водного баланса по речным бассейнам данного района: 1) ИВПАН – Институт водных проблем РАН. 1972г. 2) ВНИГИК – -геофизический институт Мингео СССР, лаборатория гидрогеологии, г.Тверь,1990г. 3) МИП – РГАУ-МСХА – Московский институт природообустройства им. Костякова А.Н., МИП, входящий в Российский аграрный университет – Московская сельхозакадемия им. Тимирязева К.А. 2012г.

Химизм речных, озерных и подземных вод.

В изучаемом районе регулярные гидрохимические наблюдения на реках выполняются на стационарных водпостах Росгидромета (табл.6). Продолжительное время изучением химизма подземных вод на описываемой территории занималось МГРЭ ПГО «Центрогеология» и другие ведомства (табл.7). Ранее – в 1970-1971 годах, крупные гидрохимические исследования на Верхней Волге были выполнены институтом геохимии РАН им. Вернадского В.И. [9]. В настоящее время изучением химического состава поверхностных и подземных вод на данной территории занимаются НИС ИВПАН, г.Конаково, институт Биологии внутренних вод РАН им. Папанина И.Д. и другие организации [10, 21]. Согласно предыдущим гидрохимическим исследованиям, подземные, речные и озерные воды этого района относятся к гидрокарбонатно-кальциевому типу. Химизм речных вод варьирует в зависимости от водности меженного периода или половодья. В зимние месяцы общая минерализация на реках Шоша и Лама составляет около 450-500мг/л, одновременно при высоком содержании гидрокарбонатного иона – свыше 350 мг/л и иона кальция – свыше 70 мг/л. В летне-осеннюю межень сумма всех ионов на этих водотоках снижается до 350-450 мг/л и концентрация гидрокарбонатного иона уменьшается до 250-300 мг/л (табл. 6). Известно, что химический состав подземных вод из глубоких водоносных горизонтов менее зависим от внешних природных факторов. На описываемой территории общая минерализация напорных артезианских вод колеблется в пределах от 400 до 500мг/л, с высоким содержанием гидрокарбонатного иона – до 400 мг/л и иона кальция – до 100 мг/л (табл.7). Кроме этого, в подземных водах этого района на отдельных артскважинах отмечено повышенное содержание иона хлора – свыше 10 мг/л. Грунтовые воды, по сравнению с напорными подземными водами, на некоторых участках описываемой территории могут иметь высокую общую минерализацию – свыше 500мг/л, что может свидетельствовать о застое почвенных вод и отсутствии промывного режима в зоне аэрации (табл.7). В дер. Рязаново, расположенной ниже сел. Тургиново, в скв.2А – в грунтовых водах отмечена высокая концентрация сульфатов и хлоридов антропогенного происхождения. Вместе с тем содержание гидрокарбонатного иона здесь уменьшается до 170мг/л., из-за значительной инфильтрации маломинерализованных атмосферных осадков (табл. 7). Озерные воды Иваньковского водохранилища в летне-осенний период 1981-1985 годов, в сравнении с речными и подземными водами этого района характеризуются меньшей минерализацией, которая находится в пределах 120-300 мг/л (табл. 6). При этом концентрация гидрокарбонатного иона в водах Иваньковского водохранилища в этот период времени колеблется от 90 до 200 мг/л; иона кальция – от 30 до 60мг/л. При анализе гидрохимических показателей озерных вод по отдельным плесам волжского водоема в период: май-октябрь 1981-1985годов , можно отметить повышенную общую минерализацию и высокое содержание иона НСО^|₃ в Шошинском заливе, где их максимальные значения соответственно составляли – 300 мг/л и 190мг/л (табл.6).Такие отличительные ионометрические характеристики могут косвенно свидетельствовать о наличие в Шошинском плесе значительной разгрузки глубоких подземных вод [22].

Таблица 6

Химический состав речных вод р. Шоши и р. Ламы и озерных вод Иваньковского водохранилища в меженный период

Примечание. Краткие названия организаций: 1) НИС ИВПАН – научно-исследовательская станция Института водных проблем РАН, г .Конаково 2) ГЕОХИ РАН – институт геохимии РАН им. Вернадского В.И. 3) ИБВВ РАН – институт биологии внутренних вод РАН им.Папанина И.Д.

Таблица 7

Химический состав подземных вод в бассейне р. Шоши и на водосборах соседних рек

Примечание. Краткие названия организаций: 1) МГРЭ – Московская геолого-разведочная экспедиция ПГО “Центрогеология” 2) НИС ИВПАН – научно-исследовательская станция Института водных проблем РАН, г .Конаково 3) ГЕОХИ РАН – институт геохимии РАН, им. Вернадского В.И. г.Москва

Выводы.

Исследуемый район характеризуется невысокими значениями подземного и минимального меженного стока рек, за исключением нижней малой части водосбора р. Шоши и соседних водотоков – р. Тьма и р.Тверца. Для большей части описываемой территории свойственны слабая расчлененность моренного рельефа и частое присутствие глинистых водоупоров разной мощности в четвертичных отложениях, воды которых преимущественно дренируются местными водотоками. Эти природные факторы не способствуют формированию здесь повышенного подземного стока. Но в тоже время изучаемый район характеризуется большими ресурсами поверхностных вод. Здесь расположено крупнейшее в Центре России Иваньковское водохранилище. На этой территории наблюдаются высокие значения годового поверхностного стока, где среднегодовые модули стока составляют – g=6-7 л/сек км². Для малых и средних рек этой местности характерна значительная поверхностная составляющая и небольшая доля подземного притока в суммарном годовом речном стоке. По косвенным признакам – гидрохимическим показателям поверхностных и подземных вод и термометрии, изменениям гидравлических напоров в артезианских скважинах можно судить о значительной разгрузке подземных вод в Шошинский плес и в другие заливы Иваньковского водохранилища. Как известно, до конца 60-х годов прошлого века водный сток реки Шоши ниже сел.Микулино был зарегулирован работой Микулинской ГЭС. По нашим расчетам, за последующие 3-4 десятилетия после закрытия этой малой гидроэлектростанции, влияние ее плотины на меженный сток р. Шоши заметно уменьшилось из-за значительного разрушения этого объекта. Данный искусственный фактор способствовал тому, что по прошествии такого большого количества лет после закрытия малой ГЭС, в отдельные годы – 1992,1996 г.г., была выявлена умеренная и слабая корреляционная связь суточного летне-осеннего и зимнего стока на р.Шоша – в/п Микулино-Городище и на р.Тьма – в/п Новинки. Кроме этого, на этих двух водотоках и в тех же пунктах наблюдений за стоком, установлена тесная взаимосвязь суммарных объемов месячного летне-осеннего стока нарастающим итогом в 1992году. Но следует заметить, что высокие статистические зависимости суточного и суммарного месячного стока (∑ Wмлн.м³) на двух исследуемых водотоках в период открытого русла возможны при условии, когда выпавшие летние и осенние атмосферные осадки на их соседних водосборах незначительно различаются по своим хронологическим и количественным характеристикам. Для более раннего периода гидрологических наблюдений – 1958-1980 годы, была выявлена прямая тесная связь суммарных объемов зимнего стока за два месяца – январь и февраль, нарастающим итогом на тех же двух реках и водпостах, с продолжением этой тенденции и в последующие годы. Данный факт свидетельствует о том, что до закрытия Микулинской ГЭС и после, ее плотина осуществляла только внутрисезонное регулирование речного стока, выравнивая его минимальные и максимальные суточные значения. При этом объемы суммарного месячного стока в зимний и летне-осенний периоды на реке Шоша – в/п Микулино-Городище, не были искажены из-за работы малой ГЭС. В будущем, в связи с изменившимися гидрологическими и климатическими условиями в данном районе, на р. Шоша необходимо проведение меженной гидрометрической сьемки, которая позволит уточнить параметры подземного стока этой реки, а также оценить влияние старой полуразрушенной плотины Микулинской ГЭС на ее водный режим в последние годы.