автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Измерение и воспроизведение аберраций для расширения зоны изопланатизма глаза

На правах рукописи

КИРВЕЛЬ ИВАН ИОСИФОВИЧ

ГЕОГРАФО-ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЖИМА ПРУДОВ БЕЛАРУСИ

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени Доктора географических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Белорусском государственном педагогическом университете имени Максима Танка

Научный консультант:

Доктор географических наук, академик НАН Беларуси Логинов Владимир Федорович

Официальные оппоненты:

Доктор географических наук Бобровицкая Нелля Николаевна, Государственное учреждение «Государственный гидрологический институт»; Доктор географических наук, профессор Догановский Аркадий Михайлович, Российский государственный гидрометеорологический университет; Доктор географических наук Субетто Дмитрий Александрович, Институт озероведения РАН.

Ведущая организация: Республиканское унитарное предприятие «Институт мелиорации и луговодства Национальной академии наук Беларуси»

Защита диссертации состоится в 14.00 20 апреля 2006 г. на заседании Диссертационного совета Д.002.064.01 при Институте озероведения РАН по адресу: 196105, г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, дом 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института озероведения РАН Автореферат разослан 20 марта 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета к.б.н.

В.П. Беляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие народного хозяйства в Республике Беларусь в значительной степени зависит от наличия водных ресурсов, в том числе местного стока, аккумулированного в небольших водохранилищах и прудах, история создания которых насчитывает не одно столетие. К настоящему времени в республике создана большая сеть прудов, густота которой (6 водоемов на 1000 км2 площади) сопоставима с таковой в отдельных степных районах. При этом необходимо отметить преимущество прудов перед естественными водоемами (озерами), так как они могут быть созданы там, где больше нужны.

На базе прудов в республике развиваются такие отрасли народного хозяйства, как орошение, рыборазведение, рекреация и др. Однако, несмотря на длительную историю строительства прудов в Беларуси, их значение для народного хозяйства, большую численность (1306 водоемов), они до последнего времени остаются недостаточно изученными, что осложняет их проектирование. Недостаточно оценены их гидрологическая роль и водоохранное значение.

Автор многие годы занимается изучением прудов, в результате чего им получены первые сведения об их заилении, снижающем срок эксплуатации водоемов, зарастании, развитии абразионного процесса, загрязнении. Разработаны меры охраны прудов. Вместе с тем многие вопросы остаются слабо изученными. Прежде всего это источники заполнения, заиления и загрязнения прудов, эрозионные условия на водосборах прудов и в прилегающей к водоемам части водосбора, наносоудерживающая и фосфороудерживающая способность прудов, их водоохранная роль и др.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена недостаточной изученностью гидрологического режима и процессов в прудах, их влияния на гидрологический режим водотоков и прилегающую территорию

и необходимостью их познания для решения задач, имеющих важное научное и практическое значение.

Цель и задачи исследования. Основной целью исследования является обобщение имеющихся сведений о прудах Беларуси, на основе которых выявить закономерности развития и функционирования прудов в условиях возрастающей антропогенной нагрузки, разработка практических рекомендаций по улучшению их использования и охраны.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

■ обобщить материалы всех паспортизаций прудов Беларуси и выполнить водохозяйственное районирование территории;

■ провести наблюдения за гидрологическим и гидрохимическим режимами прудов, выполнить водно-балансовые исследования прудов;

■ изучить процессы заиления и зарастания прудов;

■ провести оценку выноса с водосбора взвесей и химических веществ;

■ оценить влияние прудов на гидрологический режим водотоков и прилегающие территории;

■ разработать меры защиты прудов от заиления и загрязнения;

• разработать расчетные зависимости для оценки заиления прудов, абразии берегов и др.

Методика исследований. В основу работы положены материалы исследований автора на прудах Беларуси, где в общей сложности изучено около 70 водоемов. При этом использовались стандартные методики гидрологических, гидрогеологических, метеорологических, геодезических, почвенных, гидробиологических и гидрохимических исследований, а экспедиционные исследования сочетались со стационарными. Методика производства отдельных видов работ (влияние препятствий на ветровой режим) разрабатывалась по ходу исследований. В работе также использованы

материалы паспортизации прудов Беларуси за 1975-1999 гг. Расчетные зависимости получены методом множественной корреляции,

Научная новизна. Основные выводы и количественные характеристики, представленные в диссертации и выносимые на защиту, получены впервые. К ним относятся:

» комплексная характеристика прудов, закономерности их пространственного размещения;

■ оригинальные данные о гидрологическом, гидродинамическом и гидрохимическом режимах прудов; сравнительная характеристика прудов и других водоемов по этим показателям;

■ оценка влияния прудов на гидрологический режим водотоков (сток воды и наносов, гидрохимический и термический режимы) и окружающую местность (грунтовые воды в берегах, метеорологический режим);

■ методика оценки влияния береговых препятствий на снижение волновой деятельности и испарения с поверхности прудов;

■ оценка интенсивности заиления прудов и роли размыва берегов в осадконакоплении, расчетные зависимости для определения среднегодового объема отложений, размыва берегов.

Практическое значение работы. Исследования выполнены в соответствии с научно-исследовательской работой трех организаций:

1. Центрального научно-исследовательского института комплексного использования водных ресурсов: «Провести сопоставление проектных, фактических и возможных оптимальных режимов работы водохозяйственных систем, в том числе гидроэлектростанций и выявить причины их развития» (№ ГР 75007277), 1975 г.; «Оценить влияние малых и средних водохранилищ на гидрологический режим рек» (№ ГР 77023057), 1978 г.

2. Белорусского государственного университета: «Провести комплексное изучение природных ресурсов водоемов бассейна Днепра и их

рациональное использование (в пределах Беларуси)» (№ ГР 01860092533), 1990 г.

3. Белорусского государственного педагогического университета имени Максима Танка: «Природоохранные эталонные исследования экосистем пригородной зоны г.Минска» (№ ГР 01860092536), 1990 г.; «Оценить воздействие регулирования речного стока при создании прудов и водохранилищ на окружающую среду Беларуси» (№ ГР 09220019648), 1995 г.; «Природно-антропогенные особенности становления искусственных водоемов» (№ ГР 1995560), 1997 г.; «Тяжелые металлы на водосборах и в аквальных ландшафтах» (№ ГР 19972559), 1998 г.; «Разработка научных основ рационального использования природных ресурсов, улучшения и охраны окружающей среды» (№ ГР 19942036), 1999 г.

Результаты исследований используются и могут быть использованы при решении следующих практических задач:

■ при проектировании прудов республики - расчетные зависимости для оценки заиления прудов, переработки берегов;

■ при планировании противоэрозионных мероприятий на малых водосборах, выделения прибрежных водоохранных зон - данные по интенсивности заиления прудов;

■ при решении вопроса о реконструкции старого пруда - сведения о стадийности развития водоема;

■ при выборе способов очистки прудов от накопившихся отложений и их использовании - сведения о механическом и химическом составе донных отложений;

■ при планировании строительства новых прудов - выполненное автором водохозяйственное районирование территории республики;

■ для оценки кормовой базы растительноядных рыб - сведения о видовом составе и биомассе макрофитов;

■ для расчета рекреационной нагрузки на водоем - данные паспортизаций прудов, полученные с участием автора.

Внедрение результатов исследований. Основные результаты исследований внедрены в производство проектными институтами «Белгипроводхоз», «Союзгипромелиоводхоз» при составлении каталогов водопользования бассейнов рек Случь, Лань, Неман, Бобрик, Словечна, Птичь, Ясельда, а также при расчетах водохозяйственных балансов ряда водосборных бассейнов рек. Разработанный метод расчета заиления прудов использован в водохозяйственных расчетах проектируемых прудов республики и при определении ширины прибрежных водоохранных зон.

Материалы исследований нашли применение в БелНИИградостроительства при разработке методических рекомендаций по определению рекреационной емкости ландшафтов в условиях Республики Беларусь, а также в Международной академии туризма при разработке темы «Социально-экономические факторы и важнейшие направления совершенствования форм улучшения отдыха населения до 2000 года и в долгосрочной перспективе».

Автором разработаны и прочитаны спецкурсы студентам географических специальностей Белорусского государственного педагогического университета им. М. Танка (Рациональное использование и охрана водных ресурсов Республики Беларусь) и Варшавского университета (Гидрология малых водохранилищ) в 1998-1999 гг.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и совещаниях: научно-производственной конференции Белорусской сельскохозяйственной академии (Горки, .1977); научно-практической конференции «Формы и методы повышения эффективности и качества обслуживания туристов и экскурсантов» (Минск, 1977); республиканском семинаре «Рациональное использование и охрана малых рек» (Гомель, 1978); III Всесоюзном совещании по

географическим проблемам организации туризма и отдыха (Ставрополь, 1978); II всесоюзном совещании «Антропогенные изменения и охрана растительности болот и прилегающих к ним территорий» (Минск, 1979); Всесоюзном научно-техническом совещании по динамике берегов водохранилищ, их охране и рациональному использованию (Черкассы, 1979); IV Всесоюзном симпозиуме по мелиоративной географии (Минск, 1980); Всесоюзной конференции по влиянию водохранилищ ГЭС на окружающую среду (Минск, 1980); Всесоюзной научной конференции «Проблемы рационального использования водных ресурсов малых рек» (Казань, 1981); на заседании физико-географической секции Географического общества РБ (Минск, 1982, 1985, 1991, 1997, 2000, 2005); конференции молодых ученых (Минск, 1984); научно-технической конференции «Малые реки Белорусской ССР, их использование и охрана» (Минск, 1984); научно-практической конференции «Проблемы рационального использования ресурсов и охраны окружающей среды в Белорусском Полесье» (Гомель, 1986); VIII Всесоюзной конференции по мелиоративной географии (Таллинн, 1988); Третьей Всесоюзной конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей» (Москва, 1989); Всепольском географическом съезде (Сосновец, 1987, 1998); Общепольской конференции «Функционирование ландшафтов» (Люблин, 1991); научно-практической конференции «Экологические основы природопользования в бассейне Дона» (Воронеж, 1991); международной конференции «Проблемы международного сотрудничества в охране природы в приграничных районах» (Томашув, 1992); международной конференции «Экологические проблемы при орошении и осушении» (Киев, 1993); научной конференции, посвященной 60-летию и 70-летию географического факультета БГУ (Минск, 1994, 2004); научной конференции «Природные и технические проблемы хозяйствования водой» (Варшава, 1998); научной конференции (География на стыке веков» (Варшава, 1999); IV, V, VI съездах географического общества Беларуси (Брест, 1989; Могилев, 1999; Минск, 2004); Международной научной конференции

«Озера Белорусского Поозерья: современное состояние, проблемы использования и охраны» (Витебск, 1999); научной конференции «Научные и прикладные аспекты оценки. , изменений климата и использования климатических ресурсов» (Минск, 2000); Международной научно-практичсской конференции «Влияние антропогенных факторов на состояние и динамику экосистем Полесья» (Брест, 2001); Третьем Всероссийском совещании по изучению, четвертичного периода (Смоленск, 2002); республиканской конференции «Антропогенная динамика ландшафтов и проблемы сохранения и устойчивого использования биологического разнообразия» (Минск, 2002, 2004); Международной конференции «Теоретические и прикладные, проблемы современной гидрологии» (Минск, 2003); Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию кафедры почвоведения БГУ (Минск, 2003); Международной научной конференции «Природная среда Полесья» (Брест, 2004); Международной научной конференции «Антропогенное изменение озер и водохранилищ» (Сосновец, 2004); научно-практической конференции «Региональная география: проблемы развития и преподавания» (Могилев, 2004). .

Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом . многолетних (1976-2005 гг.) исследований автора прудов Беларуси, проводившихся в период его работы в Центральном научно-исследовательском институте комплексного использования водных ресурсов (ЦНИИКИВР), Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды РБ, Белорусском государственном педагогическом университете имени М. Танка. Автор руководил и лично участвовал в экспедиционных работах на прудах Беларуси. Все научные выводы, изложенные в заключении диссертации, принадлежат автору.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы более чем в 60 работах, из них 10 - за рубежом, в том числе 7 монографий (6 в

соавторстве), статей в рецензируемых научных журналах - 19, статей в сборниках материалов конференций - 10, тезисов научных докладов - 25.

Предмет защиты. На защиту выносятся:

• результаты обобщения паспортизаций прудов Беларуси, закономерности их пространственного размещения, водохозяйственное районирование;

■ закономерности гидрологического, гидродинамического, термического, гидрохимического, ветрового и волнового режимов прудов;

■ закономерности нестационарного процесса абразии берегов прудов, заиления и зарастания, стадийность развития прудов;

■ закономерности формирования донных отложений прудов, их механического и химического составов;

■ влияния прудов на гидрологический режим водотоков и прилегающую территорию, водоохранная роль прудов;

■ рекомендации мероприятий по защите прудов от заиления и загрязнения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 8 глав, заключения и приложений; изложена на 272 страницах машинописного текста, включает 71 таблицу на 32 страницах, 43 рисунка на 16 страницах; 7 приложений на 10 страницах. Список использованных источников включает 472 наименования на 42 страницах.

Выполнение поставленной в диссертации цели стало возможным благодаря помощи и поддержки руководства Института ЦНИИКИВР, Белгосуниверситета, Белгоспедуниверситета, руководителям этих организаций автор выражает глубокую благодарность. Автор признателен сотрудникам и студентам, участвовавшим в экспедиционных работах на прудах. Автор благодарит руководителей Республиканского гидрометеорологического центра, концерна «Белмелиоводхоз» и подразделений Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды, а также Министерства сельского

хозяйства и продовольствия за помощь в проведении исследований и внедрение их результатов в практику.

За постоянное внимание к проводимым исследованиям автор признателен своему учителю - профессору Белгосуниверситета О. Ф. Якушко, а за конструктивные замечания, советы и консультации в ходе подготовки диссертации - д. г. н. М. Я. Прытковой (Институт озероведения РАН).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В «Общей характеристике работы» дана характеристика работы, сформированы цель и задачи исследований, научное и практическое их значение, предмет защиты.

Глава I. Природные условия Беларуси и общие сведения о прудах Территория Республики Беларусь, занимающая площадь 207,6 тыс.км2. на западе Восточно-Европейской равнины, неоднородна как по характеристикам поверхности (рельеф, геология, почво-грунты, растительность, заболоченность, озерность и др.), так и по климатическим и гидрологическим показателям. На территории республики выделяются три крупные геоморфологические области (Дементьев, 1960): северная (Белорусское Поозерье), центральная (Белорусская гряда с прилегающими равнинами) и южная (Белорусское Полесье). Отдельные

•г

исследователи выделяют еще область равнин и низин Предполесья (Якушко, 2000). Поозерье характеризуется большой холмистостью, наличием большого количества озер, образующих озерно-речные системы. Густота речной сети в повышенной части области достигает 0,60-0,70 км/км2, и уменьшается до 0,350,40 км/км2, в пониженной. Главной рекой области является Западная Двина. Болота на ее водосборе занимают 13 % площади. Более 60 % всех почв Поозерья занимают сельскохозяйственные угодья с преобладанием пашни.

Область возвышенностей и равнин Центральной Беларуси характеризуется системой возвышенностей, вытянутых с юго-запада на северо-восток. Рельеф отличается выраженными признаками денудации, эрозионного расчленения и выполаживания поверхности. Здесь отсутствуют "живые"

ледниковые озера (Якушко и др., 2000), а многочисленные остаточные котловины заполнены сапропелем и торфом. Встречаются карстовые и суффозионные озера. Озерность в области 0,5-1,0%. Здесь расположены в основном малые реки и верховья больших, удобные для строительства небольших водохранилищ. Низменности заболочены (16 %). Сельскохозяйственные угодья занимают больше 60 % площади области.

Область равнин и низин Предполесья тянется узкой (10-60 км) полосой в широтном направлении, расширяясь до 200 км. на востоке. Пологоволнистые равнины понижаются к югу. Здесь сохранилось много эоловых форм рельефа (гряд, бугров, дюн, реже дефляционных котловин и др.). Распространены суффозионные западины, овраги, балки на лессовидных породах. Здесь чаще, чем в других областях, проявляются карстовые процессы. Густота речной сети составляет 0,40 км/км2. Область характеризуется большьй заболоченностью (13-17%). Площадь сельскохозяйственных земель несколько меньше (50%), чем в двух вышеупомянутых областях.

Область Белорусского Полесья приурочена к долине р. Припяти и характеризуется наибольшей в республике заболоченностью территории . (26 %). Густота речной сети здесь самая малая (0,30 км/км2). Полесская низменность имеет уклон поверхности в направлении к долинам рек Припяти и Днепра. На реках преобладают небольшие водохранилища мелиоративного назначения, В области самая малая площадь сельскохозяйственных угодий (около 46 %).

Природные условия территории, ее рельеф, густота речной и овражно-балочной сети являются одним из факторов, обуславливающих создание сети прудов. Другими, не менее важными факторами, являются водообеспеченность территории и потребность в воде народного хозяйства. Среднегодовой сток рек Беларуси уменьшаются от 8,5 л/(с-км2) в северо-западной части республики, в правобережье р. Зап.Двины, до 3,5 л/(с-км2) на юге республики, в бассейне р. Припяти. В западной части территории, на Ошмянских грядах и Минской

и

возвышенности, в бассейне р. Вилии модуль стока достигает 10 л/(с-км2) и уменьшается до 6,0-6,5 л/(с-км2) в восточной части. Вместе с уменьшением годового стока растет потребность народного хозяйства в воде и возникает необходимость его аккумуляции в искусственных водоемах (прудах, водохранилищах).

Строительство прудов на территории Беларуси началось с давних времен, но впервые они упоминаются в "Литовском статуте" в 1588 г. (Браим, 1976). В XVIII веке пруды строились в крупных поместьях с целью рекреации и выращивания рыбы. С начала XX века в ряде мест было сооружено много мельничных прудов, пруды по длине малых рек располагались через каждые 45 км. В 1926 г. насчитывалось 643 водяные мельницы, но уже к началу 1941 г. их было 1094, в том числе 511 - в западных областях. Строительство прудов особенно интенсивно развивалось в 70-90-е гг. прошлого столетия в связи с развитием мелиорации. С начала 1950-х гт. пруды стали строить по проектам. Особенностью строительства прудов в современный период является их комплексное использование (19 % всех прудов). На базе прудов решаются такие проблемы, как орошение (28 % всех прудов), рыборазведение (10 %), рекреация (12 %) и др. Однако, пруды недостаточно используются в «малой энергетике»: только одна малая ГЭС работает на пруду.

Несмотря на длительную историю строительства прудов в Беларуси и их роли в развитии народного хозяйства в республике, они до последнего времени оставались слабо изученными в гидрологическом отношении. Это в равной степени относится ко всем прудам лесной зоны, среди которых пруды Беларуси являются наиболее изученными. Основное внимание исследователями уделено оценке потерь воды из прудов Беларуси на испарение и фильтрацию, сведения о которых необходимы при проектировании прудов. Потери воды на испарение из прудов без учета осадков в северной части республики составляют 44 % полного объема прудов, в центральной - 50 % и на юге - 52 %. На фильтрацию из прудов в первые годы их эксплуатации расходуется 15-20 % полного объема

прудов. Термический и ледовый режим наиболее изучен в рыбоводных прудах. То же относится к гидрохимическому режиму прудов. Недостаточно изучены влияние водосбора на процессы в прудах, роль отдельных источников в наполнении, заилении и загрязнении прудов.

Глава II. Морфометрические характеристики прудов Гидрографическая сеть Беларуси насчитывает 20,8 тыс. рек и водотоков общей протяженностью 90,6 тыс. км. Среди них 93 % составляют малые водотоки длиною не более 10 км, используемые для строительства прудов. Русла отдельных рек и ручьев канализированы (всего 1519), углублены, спрямлены.

Основные сведения о прудах Беларуси, их количестве, размещении, назначении дают материалы паспортизаций, проводимых разными организациями, начиная с 1957 г. В проведении отдельных из них участвовал автор. По данным последней паспортизации, по состоянию на 1.01.2000 г. в республике числится 1306 прудов общим объемом 266,1 млн. м3 и общей площадью 15,6 тыс. га (табл. 1).

Таблица 1

Средние морфометрические характеристики прудов Беларуси

Бассейн реки Количество прудов Площадь зеркала, га Объем водной массы, тыс. м3 Средняя глубина, м

общая средняя общий средний

Зап. Двина 77 859,0 11,2 15050,8 195,47 1,74

Неман (искл. Вилию) 317 3898,6 12,3 60835,9 191,91 1,56

Вилия 100 950,0 9,5 14437,3 144,37 1,52

Зап. Буг 85 685,7 8,0 12624,6 148,52 1,85

Днепр (искл. Припять) 451 6432,1 14,2 109422,5 242,62 1,71

Десна 1 29,2 29,2 540,0 540,00 1,84

Припять 275 2770,3 10,0 53189,7 193,42 1,93

Всего 1306 15624,9 12,0 266100,7 203,75 1,69

Наибольшее количество прудов расположено в бассейнах рек Днепра (без р. Припяти) и Немана (без р. Вилии). Средний объем водной массы прудов республики составляет 203,8 тыс. м3 и достигает 242,6 тыс. м3 в бассейне Днепра (табл. 1). Средняя глубина прудов на водосборах отдельных рек изменяется в небольших пределах (1,9-1,5 м).

В размещении прудов по территории прослеживается определенная закономерность: количество прудов и их густота растут с увеличением высоты местности, что является отражением влияния расчлененности рельефа на выбор места для строительства пруда и роста потребности в воде по мере удаления от основной реки.

Пруды в водном хозяйстве республики занимают всего 8,3 % общей площади зеркала водоемов и 3,5 % их общего объема. Несмотря на незначительное участие прудов в водном хозяйстве, они имеют большое преимущество перед другими водоемами в связи с близостью к потребителям.

По площади водного зеркала и объему водной массы пруды условно разделены на три группы: малые (площадью < 10 га и объемом < 100 тыс. м3), средние (10,1-30,0 га и 101-300 тыс. м3) и большие (>30 га и >300 тыс. м3). Большинство действующих прудов по величине площади зеркала относятся к малым (58 %) и только 9 % - к большим. Средняя площадь зеркала малых прудов составляет 4,0 га, средних - 18,0 га, больших - 41,0 га. Малые пруды по объему водной массы в Беларуси составляют 43,6 %, средние - 31,6 %. Большие пруды на водосборах отдельных рек составляют от 12 до 30 %, тогда как малые от 35,4 до 61,2 %.

Наибольший объем водной массы имеют русловые пруды, а наибольшую глубину - копани. Основная масса прудов расположена в руслах рек и притоков (65,5 %). Пруды овражно-балочной сети и карьерные водоемы составляют небольшую долю (2,7-3,3 %) от общего количества антропогенных водоемов.

С целью выявления возможности развития прудовой сети выполнено водохозяйственное районирование прудового фонда Беларуси. Для каждого

района (водосбора реки) определены следующие показатели: удельная водообеспеченность бассейна (отношение объема годового стока к площади водосбора), относительная емкость прудов в год 95 % обеспеченности стока (отношение общего объема прудов к объему годового стока), средняя густота прудов, их современное использование, способ создания, месторасположение прудов, их размер (по площади зеркала). Кроме того, учтены исторические особенности динамики прудового фонда бассейнов, отражающие природно-хозяйственные предпосылки из создания. Выделено 5 районов, каждый из которых охватывает водосбор реки. Внутри района выделены еще подрайоны.

Первый район занимает бассейн Западной Двины и характеризуется самой высокой в республике водообеспеченностью, составляющей 211 тыс. м3/км2. Густота прудов не превышает одного водоема на 1000 км2 площади. Возможность развития прудовой сети здесь велика, но потребность в них небольшая в связи с многочисленными озерами.

Второй район охватывает бассейн Немана, где удельная водообеспеченность территории составляет 201 тыс. м3/кмг. Густота прудов в отдельных подрайонах изменяется от 2,1 до 4,4 единиц на 1000 км1. Район перспективен для строительства прудов.

Третий район занимает бассейн Западного Буга и имеет невысокую удельную водообеспеченность (130 тыс. м3/км2). Средняя густота прудов не превышает 2,5 единиц на 1000 км2 площади. Потребность в строительстве новых прудов небольшая в связи с наличием большого количества пойменных озер.

Четвертый район включает бассейн Днепра с удельной водообеспеченностью 182 тыс. м3/км2. Средняя густота прудов в отдельных подрайонах составляет 4,3-5,2 единиц на 1000 км2. Район перспективен для строительства прудов. Следует использовать для этого овраги, балки, западины.

Пятый район охватывает бассейн Припяти, где удельная водообеспеченность составляет 132 тыс. м3/км2 и сопоставима с таковой в

бассейне р. Зап. Буг. Средняя густота прудов в отдельных подрайонах изменяется от 1,7 до 10,0 единиц на 1000 км2 площади. Строительство прудов здесь получило развитие в связи с проведением осушительной мелиорации. Возможно выборочное строительство прудов в связи с плоским рельефом территории, обуславливающим большое затопление площадей.

Глава III. Гидрологический режим прудов

В наполнении прудов, помимо стока воды основного водотока, участвуют сток с прилегающей территории, грунтовые воды, осадки на зеркало. При хозяйственном использовании прудов для поддержания уровня воды в них производится дополнительная подача воды в пруд, а в отдельных случаях, вызванных хозяйственной необходимостью, производится сброс воды из прудов.

Основное поступление воды в пруды из водотоков происходит весной, когда на малых реках с площадью водосбора менее 100 км2, в разных частях республики проходит от 40 до 72 % годового стока. В летний период многие из малых рек пересыхают, что обуславливает необходимость аккумулирования весеннего стока в прудах с целью его дальнейшего использования в маловодный период. Максимальные расходы весеннего половодья превышают расходы воды в летнюю межень на малых реках республики в 200-400 раз и более.

Изъятие местного стока на заполнение прудов не должно нарушать экологические условия в нижнем бьефе прудов. При этом величина природоохранного стока, соответствующего отметке выхода воды на пойму, в лесной зоне при площади водосбора 20 км2, составляет менее 4 млн. м3 (или 5,5 л/(с-км2)). Из этого следует, что свободные для эксплуатации расходы воды имеются только на той территории республики, где годовой сток рек превышает 5,5 л/(с-км2). В нее входит Белорусское Поозерье, Центральная часть Беларуси и частично область равнин и низин Предполесья.

Пруды получают грунтовое питание из постоянных водоносных горизонтов в берегах и из родников, выходы которых наблюдаются по берегам водоемов. Дебит небольшого родника (около 1 л/с) оказывается достаточным, чтобы заполнить пруд объемом более 30 тыс.м3. Показатели участия грунтовых вод в наполнении прудов является превышение расхода в нижнем бьефе пруда над расходом воды основного водотока выше пруда.

Осадки на зеркало пруда объемом 174 тыс. м5 и площадью зеркала 11 га при их годовой сумме 650 мм дают 72 тыс. м3 воды, т. е. 40 % объема пруда.

Средняя годовая амплитуда колебания уровня воды в прудах составляет 1-2 м и только в отдельных из них достигает 2-4 м. Подъем уровня в прудах начинается в конце марта и продолжается до середины апреля, и его величина составляет 0,4-0,7 м. Летние ливни вызывают значительный подъем уровня воды в прудах, а максимальный уровень воды при таких подъемах нередко превышает таковой во время весеннего половодья. Низкий уровень воды в прудах наблюдается в июле-августе, после чего начинается осенний подъем уровня воды, обусловленный снижением испарения с поверхности водоемов и выпадающими осадками. В зависимости от прозноза объема весенного половодья иногда производят предпаводочный сброс воды ниже НПУ на 120180 см. Уровенный режим таких прудов будет отличаться от гидрологического режима наполняющих их водотоков.

■ . Режим ветра над водоемом определяет развитие волнения на водоеме, с которым связана абразия берегов, и испарение с поверхности водоема. Автором на 5 водоемах республики исследовано влияние берегового препятствия на снижение скорости ветра с подветренной стороны и снижение в связи с этим испарения с поверхности водоема. Препятствиями на отдельных прудах служили плотина, лесная полоса, дамбы, полоса кустарника, а высота препятствий изменялась от 3,9 до 12,0 м. Скорость ветра перед препятствием составляла 3,2-7,4 м/с при различных его направлениях (СЗ, СВ, ЮЗ). В результате этих исследований установлена графическая и аналитическая связь

между относительной скоростью ветра над водоемом и относительным расстоянием от препятствия до станции на водоеме. Максимальная длина зоны влияния препятствия в 50-52 раза превышает его высоту. Наиболее интенсивно скорость ветра возрастает на участке длиной 36 Нп, где Нп - высота препятствия.

Рассчитано уменьшение испарения с водной поверхности на защищенном от ветра участке для 5 исследованных водоемов. Коэффициент уменьшения испарения определяется с учетом средней скорости ветра на защищенном участке водоема и скорости ветра перед препятствием. Расчеты показали, что в " зоне влияния препятствий уменьшение испарения в отдельных водоемах составило 19-23 % и возросло до 27-32 % в зоне наиболее интенсивного нарастания скорости ветра.

Исследования волнения на двух прудах производились в разные месяцы (май, июнь, август) 1986 г. и включали измерения скорости и направления ветра, высоты и длины волны, ее среднего периода. Установлено, что волнение на прудах приобретает устойчивый характер через 10-15 минут после развития ветровой деятельности. Наибольшую повторяемость имеют волны высотой до 0,2 м. Даже при малых значениях скорости ветра, а, следовательно, и высоты волны, относительная длина (отношение длины волны к ее высоте) находится в пределах 7-15, что характерно для весьма крупных водохранилищ. Так, период волны на прудах при ее высоте 0,22 м, равен 1,8 с, а при высоте волны 0,25 м на крупных водохранилищах - 2 с.

Стоковые течения изучены в пруду у д. Мышковичи в межень когда скорость течения в водотоке на участке в 150 м выше его впадения в пруд составляла 0,12 м/с. Скорость поверхностных течений при входе в пруд в береговой зоне снизалась до 0,04 м/с, составляя в центральной части пруда 0,07 м/с. В районе водосброса образовались циркуляционные потоки со скоростью 0,09 м/с. При скорости течения в основном водостоке 0,35 м/с стоковые течения в пруду наблюдались в слое, составляющем 0,5-0,6 глубины.

В работе приведены значения трех взаимосвязанных показателей -условного водообмена, удельного водосбора и слоя аккумуляции - для 14 прудов Беларуси, в которых замерялся объем отложений. Пруды отличаются большим водообменом, паказатель которого для всех прудов превышает 1,0, для большинства из них составляет 20-60, т. е. вода в прудах обменивается в течение года многократно. Пруды Полесья отличаются от прудов других районов Беларуси более низкими значениями условного водообмена (10-30), что обусловлено меньшей водностью рек этой территории.

Ограниченные сведения о термическом режиме имеются в основном по рыбоводным прудам. Переход температуры прудовой воды через 4°С весной происходит в первой декаде апреля. Период летнего прогревания воды продолжается до конца первой половины июля-августа, когда устанавливается максимальная тепература воды около 27°С. Осенний переход температуры воды прудов через 4°С происходит в конце октября - начале ноября. В многоводные годы температура прудовой воды меньше, чем в маловодный. Прямая стратификация устанавливается в прудах, глубина которых превышает 4-5 м. При этом разница между температурой поверхностного и придонного слоев составляет 3°С. Мелководные пруды со средней глубиной 1,0-1,2 м летом сильно прогреваются, что способствует "цветению" воды. В более глубоких прудах амплитуда колебания температуры воды в течение суток составляет 1,5-4,0°С. По наблюдениям автора, разница между температурой воды у наветренного и подветренного берегов пруда составляла 1,6-2,0°С.

Продолжительность осенних ледовых явлений на прудах не превышает 10 дней, но может достигать 1,5 месяца. В среднем начало осенних ледовых явлений приходится на вторую декаду ноября и определяется не только погодными условиями, но и местоположением пруда и морфологией чаши. Средняя продолжительность ледостава составляет 115 дней, наибольшая - 165 дней, наименьшая - 72 дня. Максимальная толщина льда на прудах составляет 62 см, что на 15-25 % больше, чев в питающих их реках, и на ее увеличение

большое влияние оказывает гипсометрическое положение водоемов на местности, морфометрия котловины, характер донных отложений и их мощность. Процесс разрушения льда на прудах республики происходит не равномерно. Самый ранний срок очищения ото льда - конец февраля, самый поздний - конец апреля. Средняя продолжительность весенних ледовых явлений составляет 8-9 дней, а максимальная - 30-33 дня.

Воднобалансовые исследования на прудах Беларуси с оценкой всех составляющих баласа не производились. Автором составлены водные балансы для двух прудов хозяйственного назначения (орошение, рыбоводство) за открытый период года. При этом были измерены расходы притока, осадки на зеркало, фильтрация, забор воды на орошение, подача воды в пруд насосной станцией, сброс воды из водоемов. Остальные элементы водного баланса были рассчитаны или не учитывались. Обращают на себя внимание большие потери воды на испарение (32-40 %) и фильтрацию (20-26 %).

Глава IV. Гидрохимический режим прудов

Химические вещества, формирующие химический состав прудовой воды, поступают со всеми элементами приходной части водного баланса, а также с экскрементами птиц и из донных отложений.

Минерализация поверхностно-склоновых вод на территории Беларуси составляет 33-90 мг/л, инфильтрационных - 60-135, почвенно-грунтовых - 150 и напорных - 232 мг/л (Зайко и др., 2000). Исследованиями автора зарегистрирована минерализация снеговых вод 3,5-5,0 мг/л и дождевых - 1530 мг/л.

Автором изучен гидрохимический режим 22 прудов, расположенных в основном в центральной части республики. Вода прудов характеризуется слабощелочной реакцией (7<рН<8,9). Прозрачность воды в большинстве прудов менее 1,0 м и только в глубоких достигает 1,9 м. Цветность воды в прудах находится в пределах 40-60° и возрастает до 110-160° в прудах, наполняемых болотными водами.

Минерализация прудовой воды в поверхностном горизонте в весенний период (май) в прудах составила 184-309 мг/л в начале лета (215-488 мг/л), а в придонном - 213-565 мг/л (табл. 2). Вода прудов Беларуси относится к гидрокарбонатно-кальциевому классу кальциевой группы.

Таблица 2

Диапазон изменения минерализации и концентрации ионов в воде исследованных прудов Беларуси (мг/л)

Месяц Место Ионы

отбора пробы Хн НСОз" Са2+ MgI+ СГ S041_

1 184-309 116-207 34-60 7,2-23,0 8,2-12,4 8,3-20,2

2 200-334 122-227 36-60 11,2-38,8 7,8-12,1 8,0-20,0

VI 1 2 215-488 213-565 130-353 122-342 52-80 42-78 4,8-21,8 4,8-36,0 7,0-43,0 7,2-41,2 8,5-22,4 8,3-16,8

VII 1 2 202-348 210-330 134-246 134-232 30-68 40-64 7,0-16,7 7,0-20,1 7,0-15,2 7,4-15,2 7,8-14,9 7,8-14,9

Примечание. Пробы: 1-лоеерхностные, 2-придонные

Изменения минерализации прудовой воды в течение V-VII обусловлено аналогичным изменением содержания в воде гидрокарбонатного иона (НСОз~) и иона кальция (Са2+). Между минерализацией воды и содержанием иона НСОз" существует тесная связь. Содержание иона Mg2+ в воде прудов уменьшается при переходе от мая к июню и к июлю. Содержание сульфатов и хлоридов в мае и июле сопоставимо, а в июне вторые преобладают над первыми.

Содержание кислорода в воде поверхностного горизонта прудов превышает 4 мг/л и только в отдельных прудах уменьшается до 3 мг/л. В придонных слоях содержание кислорода, как правило, меньше, чем в поверхностных.

Рассчитано поступление биогенных элементов в городской пруд «Курасовщина» (г. Минск). Основное поступление фосфора н азота происходит с застроенной территории и составляет 88,8 и 89,4 % от годового количества.

Пруд объемом 220 тыс. м3 получает в год 4,99 т фосфора, что соответствует биогенной нагрузке 50 г/м2, 96 % которой приходится на антропогенную составляющую. Пруд находится в гиперэвтрофном состоянии. Этот пруд может быть эталоном очень загрязненного водоема. Вода пруда характеризуется большим содержанием хлоридов, превышающим в 6-7 раз таковое в прудах, расположенных в естественных ландшафтах и в рыбоводных прудах. В этом загрязненном пруду нарушено соотношение между содержанием отдельных ионов, которое для незагрязненных водоемов лесной зоны имеет вид: НСО~ >Саг+>Щг'>801->СГ > №*+К* Автором изучен химический состав шести водных объектов на территории колхоза «Зорька» и четырех водных объектов на водосборе р. Раевки, а также городских водохранилищ Заславского и Чижовского. Сравнение результатов анализов химического состава воды в этих объектах с таковыми пруда «Курасовщина» показали, что все перечисленные водные объекты менее загрязнены, чем этот пруд.

Глава V. Осадконакопление в прудах Беларуси Заиление - наиболее изученный процесс в прудах на территории лесостепи и степи, и это не случайно, так как он определяет срок службы водоемов. В Беларуси первые сведения об интенсивности заиления прудов и составе донных отложений получены автором.

Из всех источников заиления прудов республики (наносы водотоков, боковой смыв, размыв берегов, внутриводоемное органическое вепйство и др.) наиболее изученным является размыв берегов, исследования которого выполнены автором.

На территории Беларуси выделено две зоны мутности речных вод: менее 25 г/м3 и 25-50 г/м3. Отдельными измерениями, в том числе и автора, зарегистрированы большие мутности склоновых вод в период весеннего снеготаяния, достигающие 11-17 кг/м3. В ручейковой сети во время ливней мутность воды измеряется сотнями кг/м3, а средняя годовая мутность воды в

мелиоративном канале составляет около 2 кг/м3. Из этих данных следует, что и в лесной зоне эрозионные процессы на малых водосборах являются важным источником седиментадионного материала.

Автором выполнены исследования обрушения берегов на 7 прудах Беларуси, находящихся в эксплуатации 10-34 года. Объем прудов изменялся от 45 до 245 тыс.м3, площадь зеркала - от 2,2 до 21,0 га, а степень зарастания - от 15 до 60 %. Скорость отступания берегов прудов составила 0,12-0,40 м/год. Среднегодовой объем обрушения берегов прудов равен 29-128 м3, в отложениях это составит 43-192 м3. Пруды в зависимости от продолжительности эксплуатации теряют в год от 0,05 до 0,24 % своего объема только за счет абразии берегов. Полученные материалы позволили проверить возможность использования для расчета среднего годового объема обрушения берегов (в отложениях) формулы, полученной М. Я. Прытковой (1979) для прудов лесостепи и степи. При этом расчетные значения объема обрушения берегов оказались выше фактических, что свидетельствует о более слабом развитии процесса обрушения берегов на прудах лесной зоны по сравнению с прудами лесостепи и степи. Соотношение между фактическими и расчетными значениями объема обрушения берегов уменьшается с увеличением степени зарастания водоема и может служить поправкой к упомянутой формуле при ее использовании для прудов Беларуси.

Пруды, в которых измерялся объем отложений, расположены в основном в центральной части республики. Их объем составлял 12-750 тыс. м3, площадь зеркала - 1,1-42,0 га, число лет эксплуатации - 5-32. Пруды в связи с заилением потеряли от 9 до 83 % своего начального объема. Ежегодно пруды теряют от 1,3 до 7,5 % начального объема, в них накапливается от 3 до 12 см отложений в год. Интенсивность заиления прудов, (отношение среднегодового объема отложений к объему водоема) уменьшается с увеличением продолжительности эксплуатации водоема, что свидетельствует о нестационарное™ процесса заиления. График связи между этими характеристиками отличается большим

разбросом точек, вызванным различными эрозионными условиями на водосборах прудов. Верхняя огибающая на этом графике показывает максимально возможную интенсивность заиления прудов Беларуси. Для расчета среднегодового объема отложений в прудах Беларуси разработана зависимость между этой характеристикой и объемом водоема, продолжительностью эксплуатации.

Состав донных отложений изучен в 7 прудах. На изменение механического состава поверхностных отложений по акватории водоема, помимо сточных и ветровых течений, влияют абразия берегов на отдельных участках, растительность, поселяющаяся в верховье и вдоль берегов. Содержание органического вещества (ППП) в поверхностном слое донных отложений не превышает 10-12% и резко возрастает, если пруды становятся приемниками сточных вод. Отмечается связь между содержанием органического вещества в донных отложениях и площадью зарастания водоема, а также между первым и содержанием илистой фракции.

Изучен химический состав поверхностных отложений в верховьях восьми прудов Белар5'си. Основными компонентами в отложениях являются SÍO2, AI2O3, СаО и БегОз. Донные отложения прудов содержат значительно больше фосфора (0,09-0,41 % Р2О5), чем дерново-подзолистые почвы водосборов (0,080,16 % Р2О5). Его содержание в отложениях растет с увеличением содержания органического вещества (ППП). Донные отложения городских водоемов содержат микроэлементы, количество которых увеличивается по направлению от верховья к плотине, что свидетельствует об их накоплении в водоемах, особенно в прибрежной части.

Глава VI. Зарастание прудов Беларуси

Заиление и зарастание прудов - взаимосвязанные процессы. С обмелением прудов в процессе их заиления создаются условия для поселения и развития систем водной растительности. Последняя играет двоякую роль в жизни прудов. С одной стороны, высшая водная растительность защищает

берега прудов от размыва,. задерживает продукты эрозии, поступающие с прилегающих склонов, и тем самым уменьшает заиление прудов. С другой стороны, растительность дает органический опад, снижает скорость течения в водоеме, увеличивает паносоудерживающую способность водоема и, следовательно, увеличивает интенсивность заиления. Кроме этого, высшая водная растительность участвует в очищении воды водоема от нефтепродуктов. В то же время на разложение растительности расходуется кислород. Для нормального функционирования экосистемы прудов площадь высшей водной растительности не должна превышать 25 %.

Автором выполнено детальное обследование и геоботаническое описание растительности 16 прудов Беларуси. Выделено три основные группы растений: гидрофиты, гелофиты, гигрофиты. По характеру и степени зарастания пруды можно условно разбить на три основные группы. К первой группе отнесены слабозаросшие пруды с преимущественным развитием растительности в прибрежной зоне. Они характеризуются сроком эксплуатации не менее 10-15 лет. Видовой состав в них невелик - от 1 до 10 единиц гигрофитов, 2-8 единиц гидрофитов и 10 единиц гелофитов. Во вторую группу вошли пруды смешанного зарастания со сроком эксплуатации 15-50 лет. В формировании травостоя и создания биомассы в них основную роль играют гидрофиты (11-15 единиц) и гелофиты (5-16 единиц). Зарастание четко делится на пояса (полосы). Первый пояс - от уреза до 3 м глубины, второй занимает положение в зоне колебания уровня воды в прудах. Характерный тип поясности -ежеголовниково-роголистаиково-нимфейный. Площадь зарастания включает пояс фрагментарного зарастания, сплошного зарастания и сплавинный (трясинный) пояс. Третья группа охватывает пруды с преимущественным развитием погруженной растительности, плавающих и свободноплавающих растений. В нее входят пруды разного возраста (50-80 лет). Видовой состав максимален с доминирующей ролью в отдельных прудах гидрофитов (7-15 видов), гелофитов (10-19 видов) и гигрофитов (6-20 видов). Характерен

ежеголовниково-рдестовый, ежеголовкиково-аиро-роголиспшковый и тростниково-кубышково-сплавинный тип поясности.

По степени зарастания и биомассе макрофитов пруды разделены на два типа. Первый тип - гелофитный - отмечается в прудах с площадью зарастания 6-45 %. Биомасса макрофитов в них составляет 318-11000 кг/га в сыром виде и 152-327 кг/га в воздушно-сухом. Второй тип - гело-гидрофктный -наблюдается в заросших прудах с площадью зарастания 45-95 %. Сырая фитомасса макрофитов составляет 560-840 кг/га или 61-73 кг/га в воздушно-сухом виде. Относительная площадь зарастания прудов уменьшается с увеличением их средней глубины.

С учетом нестационарности процессов переработки берегов, заиления и зарастания прудов выделено три стадии в развитии этих водоемов. В первую стадию, продолжающуюся 10-15 лет, происходит формирование чаши и берегов, прослеживается разная степень подтопления, устанавливается гидравлическая связь между водной массой пруда и грунтовыми водами. Они характеризуются высокой интенсивностью заиления (4-8 %). Основную роль в заилении играют продукты абразии берегов. Набор видов растительности невысок. Вторая стадия продолжается 25-35 лет и характеризуется замедлением в формировании берегов и ложа, усилением влияния водосбора на заиление пруда. Интенсивность заиления составляет 1-2 %. Видовой состав растительных ассоциаций разнообразен и сформирован. Третья стадия характеризуется почти полным зарастанием пруда водно-болотной растительностью, кроме русла реки. Основную роль в заилении пруда в эту стадию играют продукты эрозии водосбора и органическое вещество внутриводоемного происхождения.

Глава VII. Влияние прудов на сток водотоков и окружающую территорию

Большая насыщенность (густота) прудов на отдельных водотоках Беларуси вносит изменения в сток водотоков прежде всего за счет их заполнения. Автором выполнена оценка влияния заполнения прудов на сток

водотоков в годы 25, 50, 95 % обеспеченности годового стока для пяти крупных речных бассейнов (Зап. Двины, Немана, Зап. Буга, Днепра, Припяти). Объем задержанного прудами стока оказывает наибольшее влияние на сток р. Припяти, для которой относительная емкость прудов в зависимости от водности года составляет 2,96-8,25 %. Также заметно влияние заполнения прудов на сток Зап. Буга, где относительная емкость прудов составляет в годы разной водности 2,30-4,44 %. Особенно заметно влияние заполнения прудов в годы пониженной водности (95 %-й обеспеченности). Менее всего пруды влияют на сток в бассейне Зап. Двины (относительная емкость водоемов 0,410,80). Коэффициент уменьшения годового стока рек Беларуси в средний по водности год изменяется от 0,97 до 1,0 и уменьшается до 0,93-0,99 в маловодный год 95 %-й обеспеченности, т. е. снижение стока за счет заполнения прудов находится в пределах точности оценки среднемноголетнего стока рек. Относительная емкость прудов, являющаяся показателем возможного изъятия поверхностного стока, в целом по республике в средний по водности год составляет 1,5 %, а в маловодный - 2,5 %. Заполнение прудов оказывает большее влияние на сток малых рек, однако общая емкость водоемов в бассейне малой реки не должна превышать 70 % объема годового стока 95 % обеспеченности.

. Автором выполнено исследование влияния пруда на температуру воды р. Ислочи в низшем бьефе водоема. Весной температура воды, вытекающей из пруда, бывает несколько ниже ее значения в реке, выше пруда, и ее охлаждающее влияние проявляется до 5 км вниз от плотины. Летом из пруда вытекает более теплая вода, чем в реке выше пруда. Ее отепляющее влияние отмечено также на расстоянии 5 км. Осенью отепляющее влияние прудовой воды прослеживается до 3 км вниз по течению. Выполненные исследования показали, что пруды, как озера и водохранилища, оказывают охлаждающее влияние на температуру водотоков в нижнем бьефе в весенний период и отепляющее - в летне-осенний.

Автор провел наблюдения над изменением мутности воды четырех водотоков на участке прудов в летний (VI-VII) период. На. всех прудах отмечено уменьшение мутности воды на выходе из пруда на 60-75 % по сравнению с ее значением на входе в пруд. Однако во время снеготаяния и ливней в формировании мутности сбрасываемой из прудов воды, помимо стока наносов основного водотока, участвуют продукты смыва с прилегающего водосбора, продукты абразии берегов и др. Тогда мутность сбрасываемой воды может превышать мутность воды в основном водотоке, выше пруда.

Изменения минерализации и химического состава воды водотока на участке пруда автор изучил на примере пруда у г. Барановичи в 1976, 1977 и 2002 гг., соответственно в июне, апреле и августе. Во все сроки отмечалось увеличение минерализации воды на выходе из пруда на 2-5 % по сравнению с таковой в водотоке выше пруда, но уменьшалось содержание НСОз".

Строительство прудов вызывает подпор уровня грунтовых вод в берегах и образование зоны подтопления. По наблюдениям автора летом 1981 г. на пруду «Жемыславль», подпор грунтовых вод распространялся на расстояние 20-30 м от уреза, а глубина залегания грунтовых вод в зоне подпора составляет 0,5-1,0 м. При этом происходил отток (фильтрация) прудовых вод в берега.

Автор наблюдал подтопление прилегающей к прудам территории, индикатором которого служило распространение влаголюбивой растительности. Наиболее заметно подтопление территории проявляется в верховье прудов, где в травостое преобладают гигрофиты (осоки, хвощи, ситники) с примесью гелофитов (рогоз, аир). Почвы в зоне подтопления обычно оглеенные. При легких грунтах подтапливаются отдельные участки шириной 5 м, при тяжелых - до 10 м. На высоких берегах площадь подтопления не превышает 10-15 % площади зеркала пруда.

Автором выполнены исследования влияния пруда у г. Барановичи на микроклимат прилегающей территории. Это влияние распространяется на расстояние 50 м от пруда. В первой половине для температуры воздуха у

водоема была на 0,3-0,4°С меньше таковой в 50 м от него, к 16 часам наступило выравнивание температуры, а к 20 часам температура воздуха у пруда стала на 0,2° меньше, чем в 50 м от него. Особенно заметно влияние пруда на влажность воздуха, которая, начиная с 12 часов, у пруда была на 7-8 % больше, чем на расстоянии 50 м от него.

. Строительство прудов на территории осушенных торфяников приводит к увеличению влажности почвы в связи с подъемом уровня грунтовых вод и к уменьшению понижения температуры воздуха на 8-10 %.

Глава VIII. Оздоровление экосистем прудов Пруды, как и другие водные объекты, находятся под влиянием природных и антропогенных факторов. Действие последних усиливается в годы пониженной водности. В результате совместного действия указанных факторов пруды заиляются, зарастают, эвтрофируются, загрязняются и теряют хозяйственное значение. Поэтому с самого начала эксплуатации прудов необходимо осуществлять меры, предупреждающие нарушения их экосистемы.

Основными видами антропогенного воздействия на пруды являются сельскохозяйственное производство, мелиорация, сточные воды, рыбоводство, рекреация и др. В Республике Беларусь 44,5 % земельного фонда приходится на сельскохозяйственные земли, из них 66,1 % занимают пахотные земли. Животноводческие и птицеводческие комплексы, фермы часто расположены на берегах рек и водоемов. Отходы производства смываются дождевыми водами, а недостаточно очищенные и обеззараженные стоки спускаются в водные объекты. Берега рек часто используются для размещения промышленных отходов, а поймы и прилегающие к ним земли - для интенсивного сельского и домашнего хозяйства, разработки полезных ископаемых.

Мелиоративные работы связаны с осушением болот и переувлажненных земель, углублением и спрямлением русел водотоков, созданием дренажной сети, сбросом дренажных стоков в водоемы. Площадь орошаемых земель на

начало 2001 г. составила 115 тыс.га, что на 33,3 тыс. га меньше, чем в 1990 г. В результате иссушения почв в Полесье усилилась дефляция.

В республике эрозии и дефляции подвержено 75 % обрабатываемых земель. Из них на долю эрозии приходится 84 %, а на долю дефляции - 16 % деградированного почвенного покрова. После 1991 г. сброс сточных вод в поверхностные водоемы Беларуси резко сократился. На долю стоков сельского хозяйства в 1996-2002 гг. приходилось около 12-14 % общего объема стоков. После 1991 г. в составе сточных вод уменьшилось органическое вещество, но увеличилось содержание хлоридов и сульфатов.

В последние годы одним из наиболее опасных и распространенных загрязнителей является нефть и нефтепродукты в связи с широким их использованием в различных отраслях экономики, добычей нефти и ее траспортировкой. С 1996 г. отмечается снижение максимальных концентраций нефтепродуктов в поверхностных водах по сравнению с более ранним периодом.

Влияние рекреации на водоемы растет с каждым годом. При этом в водоемы поступают микробы, фосфор и азот, нефтепродукты и выхлопные газы, загрязняющие вещества с территории рекреационного использования.

Малые водоемы, принимающие дренажные стоки, загрязняются тяжелыми металлами. Некоторое количество их поступает в водоемы с опадом древесной растительности.

Следует различать пруды вновь созданные и находящиеся длительное время в эксплуатации. Первые требуют осуществление мер, предупреждающих развитие в них негативных процессов, а вторые имеют уже нарушенуую экосистему, которая нуждается в оздоровлении.

При осуществлении оздоровительных мероприятий для всех прудов необходимо выполнять главный принцип: все мероприятия начинаются с водосборного бассейна и имеют целью недопустить или сократить поступление в водоемы взвесей и загрязняющих веществ (Прыткова, 2002).

На водосборе осуществляется регулирование поверхностного стока методами агр о-лу го-лес о - гидр ом елиор аци и, известными из литературы (Приходько, 1989). В Беларуси применяется почвозащитная контурно-мелиоративная система земледелия; для каждой категории земель предлагается свой противоэрозионный комплекс с учетом природных условий северной, центральной и южной частей республики. Вдоль рек и вокруг водоемов создаются водоохранные зоны и входящие в них прибрежные' полосы в соответствии с разработнными автором рекомендациями (Правила использования..., 1980).

Задача оздоровления заиленных прудов сводится прежде всего к восстановлению их как водных объектов путем наращивания высоты плотины, удаления отложений или их промывки. Из всех методов предпочтение следует отдать удалению отложений из водоема.

Регулирование площади зарастания производится путем выкашивания жесткой водной растительности, вселения в водоем растительноядных рыб, разведения водоплавающей птицы, временного повышения или понижения уровня воды, летования, зимования спущенного водоема и др.

Снижение биогенной нагрузки на водоем достигается, кроме мероприятий на водосборе, изъятием донных отложений, содержащих большое количество биогенных элементов, промывкой водоема.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многолетние исследования автора, выполненные на прудах Беларуси и дополненные сведениями о прудовом фонде и его использовании, позволили охватить широкий круг вопросов, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией прудов, размещением их на территории, а также получить первые сведения о гидрологическом и гидрохимическом режимах прудов, интенсивности заиления и зарастания, влиянии прудов на гидрологический режим водотоков и окружающую среду, разработать меры,

предупреждающие заиление, эвтрофирование и загрязнение водоемов. В таком объеме исследования прудов лесной зоны выполнены впервые.

На основе обобщения данных паспортизашш прудов Беларуси выявлены следующие закономерности в их размещении по территории республики:

■ размещение прудов определяется сочетанием потребности в воде народного хозяйства, водообеспеченности территории и рельефом; из общего количества прудов (1306) основная масса расположена в центральной части республики (62,6 %); в Поозерье (7,4 %) развитие прудового хозяйства сдерживается наличием естественных водоемов (озер); в Полесье (30,0 %) -плоским рельефом, увеличивающим площадь затопления;

■ средний объем прудов Беларуси составляет 204 тыс. м\ площадь зеркала - 12 га, средняя глубина 1,7 м; наиболее крупные пруды расположены в центральной части, а малые - в Полесье;

■ средняя густота прудов Беларуси составляет 6 водоемов на 1000 км2 площади и сопоставима с таковой в отдельных районах степной зоны; ее значение растет с увеличением высоты местности, что обусловлено увеличением расчлененности рельефа и нарастающей потребностью в воде по мере удаления от рек;

" в соответствии с предложенной автором группировкой прудов по объему водной массы и площади зеркала, основную массу составляют малые пруды с объемом менее 100 тыс. м3 (43,6 %), а большие пруды с объемом более 300 тыс. м3 - 24,8 %; наибольшее количество малых прудов расположено на водосборе Зап. Буга, а наибольших - в бассейне Днепра;

■ впервые автором выполнено водохозяйственное районирование территории Беларуси, в основу которого положен бассейновый принцип; районирование помогает определить возможности строительства новых прудов в отдельных районах.

Гидрологический режим прудов Беларуси изучен недостаточно, но отдельные его элементы (режим уровней воды, ледовый режим,

гидродинамический режим, водно-балансовые исследования) выполнены автором впервые:

■ режим уровня воды в прудах характеризуется величиной весеннего подъема уровня 0,4-0,7 м и минимальными значениями в июле-августе; перед весенним наполнением прудов производится сработка уровня; в прудах, используемых для орошения сельскохозяйственных культур, в отдельные годы летом уровень поддерживается подачей воды из другого источника;

" наблюдениями автора на прудах рыбхоза «Белое» установлен ход температуры воды в разные по водности годы; при этом температура прудовой воды в многоводный год меньше, чем в маловодный, прямая стратификация устанавливается только в прудах с глубиной более 4-5 м, с разницей температуры воды в поверхностном и придонном слоях 3°С; в мелководных прудах со средней глубиной 1,0-1,2 м в связи с прогревом воды в июле-августе отмечается цветение сине-зеленых водорослей; амплитуда колебания температуры в прудах со средней глубиной 1,5-2,0 м в течение суток составляет 1,5-4,0°С;

■ наблюдениями автора на 4-х прудах Минской и Гродненской областей в течение 1984-1998 гг. получены первые сведения о сроках начала и окончания ледовых явлений на прудах Беларуси, максимальной толщине льда, достигающей на прудах Полесья 58 см, в центральной части - 62 см и в западной части республики 48 см; средняя продолжительность ледостава на прудах составляет 110-126 дней и увеличивается в отдельные годы до 160 дней; на льдообразование в прудах расходуется 30-33 % объема водной массы прудов;

■ исследовано влияние препятствий на скорость ветра над водоемом, испарение с водной поверхности и получены расчетные зависимости; измерено волнение на 2-х близко расположенных прудах и установлено, что в зависимости от скорости ветра максимальная высота волны на прудах достигает 0,3 м, а максимальная длина волны - 2,8 м; относительная длина

волны (7-15) соответствует таковой на крупных водохранилищах; стоковые течения наблюдаются в период весеннего заполнения пруда; скорость поверхностных течений по акватории изучаемого пруда составила 0,04-0,07 м/с и увеличилась до 0,09 м/с в районе водосброса, где образовались циркуляционные потоки; условный водообмен прудов Беларуси находится в прямой зависимости от удельного водосбора и в обратной - от слоя аккумуляции и средней глубины, при этом пруды Полесья характеризуются меньшими значениями условного водообмена, чем другие пруды республики;

■ водно-балансовые исследования выполнены на 2-х прудах, но в связи с производственной необходимостью на одном из них они охватывают период с апреля по октябрь, а на другом (нагульном) - с июня по август; рассчитаны водохозяйственные балансы для 2-х прудов, вода которых используется для орошения, для маловодных лет 75- и 95-% обеспеченности.

Изучен химический состав талой воды на разных элементах рельефа, химический состав прудовой воды в 22 водоемах, городском пруде, 2-х водохранилищах г. Минска и в 12 водных объектах колхоза «Зорька». При этом установлено:

■ большее содержание ионов Са, Mg, Al на низинном неосушенном лесном болоте по сравнению с низинным осушенным болотом; содержание этих элементов на склоне холма, покрытым сосновым лесом с густым подлеском было больше, чем на вершине холма, где подрост и подлесок почти отсутствовали; содержание Mg и нитратов в талой воде на склоне значительно превышало таковое в воде водоема;

" минерализация воды в поверхностном горизонте изученных прудов изменялась в течение V-VII месяцев от 184 до 488 мг/л, достигая наибольшего значения в июле. Так же изменялось содержание гидрокарбонатного иона (116353 мг/л) и иона Са2+ (30-80 мг/л); содержание кислорода в поверхностном горизонте превышало 4 мг/л, что является нормальным для развития карпа, и достигаете отдельных из них 10-14 мг/л;

■ городской пруд г. Минска загрязняется в основном поверхностиым стоком с застроенной территории, мутность воды которого превышает 1 кг/м3; современная биогенная нагрузка на пруд составляет 50 г/м2, в которой 96 % приходится на антропогенную составляющую; водоем находится в гиперэвтрофном состоянии, но он и в 1992 г. был загрязненным. Минерализация воды в летне-осенний период составляла 350-400 мг/л, содержание иона СГ - 46-62 мг/л, нитратов - 1-5 мг/л;

■ водохранилища г. Минска Заславское и Чижовское, а также водные объекты на территории колхоза «Зорька» по содержанию химических веществ в воде находятся в лучшем состоянии, чем городской пруд г. Минска.

Впервые в Беларуси изучено осадконакопление в 14 прудах, состав донных отложений в 7 прудах, объем продуктов размыва берегов в 7 прудах и установлено:

■ пруды ежегодно теряют в связи с заилением от 1,3 до 7,5 % своего начального объема; высокая интенсивность заиления отдельных прудов сопоставима с таковой прудов лесостепной и степной зоны, что обусловлено значительной распашкой водосборов, большой мутностью талой воды на склоне, достигающей, по измерениям автора, 11-17 кг/м3 и сопоставимой с мутностью склонового стока в степных районах; предложена расчетная зависимость для оценки среднегодового объема отложений;

■ за счет абразии берегов пруды ежегодно теряют от 0,05 до 0,24 % своего объема в зависимости от продолжительности эксплуатации водоема и степени его зарастания высшей водной растительностью;

■ показана связь изменения механического состава донных отложений по длине водоема с развитием абразии берегов на отдельных участках, зарастанием верховья пруда высшей водной растительностью; приведена связь между содержанием органического вещества (ППП) в донных отложениях и илистых частицах (<0,01 мм), а также между содержанием фосфатов (Р2О5) и органического вещества (ППП); донные отложения

накапливают питательные вещества, содержание которых превышает таковое в почвах водосбора;

■ донные отложения прудов, расположенных в городской и пригородной зоне, накапливают загрязняющие вещества, соли тяжелых металлов.

Детально обследовано зарастание 16 прудов Беларуси с геоботаническим описанием растительности и установлено:

■ площадь зарастания прудов высшей водной растительностью изменялась от 6 до 95 % и увеличивалась с уменьшением средней глубины водоемов;

■ 66 видов высших водных растений, относящихся к 23 семействам; гидрофиты представлены 21 видом, гелофиты - 20 и гигрофиты - 25;

.« наибольшие значения фитомассы, определенной для 17 фитоценозов, относятся к рогозу широколиственному (4980 г/м2 в сыром весе), аиру болотному (4100 г/м2), рогозу узколистному и роголистнику (2820 г/м2), а наименьшие - к хвощу болотному (150 г/м2);

■ содержание микроэлементов в надводной части растений достигает по никелю 8-16 мг/кг воздушно сухой массы (элодея, камыш, тростник), по меди 250-400 мг/кг (гречиха земноводная, хвощ болотный), по свинцу - 2050 мг/кг (элодея, тростник обыкновенный) и т. д.;

■ типичная схема зарастания ложа прудов с характерными типами растительных поясов и их роль в развитии водоема.

С учетом интенсивности процессов заиления, абразии берегов и степени зарастания прудов выделено три стадии развития водоемов: молодости, зрелости и старости. Первая стадия продолжается 10-15 лет и характеризуется потерей объема пруда в связи с заилением 4-8 % в год, интенсивной абразией берегов и слабым зарастанием; вторая стадия продолжается 25-35 лет, интенсивность заиления уменьшается до 1-2 % в год в связи с ослабеванием размыва берегов и зарастаемостью более 50 %; третья стадия длится до полного

заиления водоема и его зарастания, в эту стадию усиливается влияние водосбора на заиление пруда,

Автором впервые оценено влияние прудов на гидрологический режим водотоков и прилегающую территорию, и при этом получены следующие результаты:

• за счет аккумуляции весеннего стока в прудах среднегодовой сток отдельных рек Беларуси уменьшился на 1-3 %, а в маловодный год 95-% обеспеченности - на 1-7 %;

■ охлаждающее влияние прудов весной на температуру воды в нижнем бьефе и отепляющее - летом распространялось на 5 км от плотины;

■ в летний период 2001-2003 гг. мутность сбрасываемой воды из прудов была на 60-75 % меньше мутности водотока выше пруда;

■ минерализация воды, сбрасываемой из городского пруда, а также содержание в ней ионов НСОз", Са2+ и были меньше, чем на входе в пруд; содержание ионов СГ, Иа*. К+ на выходе из пруда было больше, чем на входе;

■ пруды у г. Барановичи и на водосборе р. Раевки удерживали РО43", Ы02", Ш3~, Ш/;

■ в зависимости от величины подъема уровня в прудах меняется степень подтопления прилегающей территории; на прудах с пологими склонами подтопление распространяется на ширину 3-10 м от уреза воды, на что указывает наличие влаголюбивой растительности;

■ влияние прудов на микроклимат проявляется на расстояние 50 м от уреза воды; относительная влажность воздуха у пруда на 5 % больше, чем на удаленной территории;

■ в связи с удержанием в прудах взвесей, биогенных, загрязняющих веществ они имеют водоохранное значение и защищают другие водные объекты от заиления, эвтрофирования и загрязнения.

Автор проанализировал антропогенные воздействия на пруды и предложил меры (на водосборе и в самом водоеме), предупреждающие

заиление, эвтрофирование и загрязнение проектируемых прудов, а также оздоровление заиленных и заросших прудов. При восстановлении объема заиленных прудов изъятие донных отложений имеет ряд преимуществ перед увеличением высоты плотины и гидравлической промывкой водоемов. Решению вопроса об использовании прудовых отложений должен предшествовать анализ их на загрязнение. Автором разработаны «Правила использования и охраны водных ресурсов прудов на территории Белорусской ССР» (1980).

Выполненные исследования позволили впервые осветить такие вопросы, как развитие волнения на прудах, влияние препятствий на скорость ветра над водной поверхностью прудов и на величину испарения с водной поверхности. Получены количественные характеристики участия продуктов абразии берегов прудов в общем поступлении седиментационного материала в водоемы. Большое внимание уделено изучению химического состава прудовых вод и донных отложений и влиянию на него хозяйственного использования водоемов. На основе анализа процессов абразии берегов прудов, их заиления и зарастания выявлены три стадии в их развитии.

Дальнейшие исследования прудов Беларуси должны быть направлены на количественную оценку источников наполнения, заиления, эвтрофирования и загрязнения прудов, способность прудов удерживать наносы, питательные и загрязняющие вещества. Исследованиями необходимо охватить пруды в разных частях Беларуси и особое внимание уделить изучению эрозионных условий на водосборах прудов и их балансовым исследованиям.

Главные положения диссертации опубликованы в следующих работах: А. Монография:

1. Пруды Беларуси как антропогенные водные объекты, их особенности и режим. - Мн., БГПУ, 2005 - 234 с. Б. Коллективные монографии:

2. Пруды Белоруссии. - Мн., Ураджай, 1987 - 120 с. Соавтор: В.М, Широков.

3. Водохранилища Белоруссии: природные особенности и взаимодействие с окружающей средой. - Мн., Университетское. 1991 - 207 с. Соавторы: Ю.Н. Емельянов, П.С. Лопух, В.М. Широков и др. Раздел. Водоохранные зоны и санитарная охрана водохранилищ. - С. 192 - 200.

4. Водные ресурсы Республики Беларусь (распространение, формирование, проблемы использования и охраны). - Мн., БГПУ, 2005 - 296 с. Соавторы: М.Г. Ясовеев, О.В. Шершнев.

5. Экология рационального природопользования. Мн., "Право и экономика", 2005 - 372 с. Соавторы: М.Г. Ясовеев, Ю.А. Гледко, Е.Б. Антипин, О.В. Шершнев. Разделы: "Региональная оценка воздействия техногенеза на геологическую среду", с. 52 - 86; "Природные факторы трансформации геологической среды", с. 121 - 165; "Экологическое состояние подземной гидросферы в условиях техногенеза", с. 241 - 292; "Мониторинг геологической среды и подземной гидросферы", с. 293 - 321.

6. Муховец. Энциклопедия малой реки. - Брест., БрГУ, 2005 - 345 с. Соавторы: А.АВолчек. Разделы: "Пруды в бассейне", с. 169-176; "Качество природных вод", с. 193-212.

В. Еропплрях;

7. Благоустройство малых водосборов искусственными водоемами. - Мн., БелНИИНТИ, 1989 - 62 с. Соавторы: П.С. Лопух, В.М. Широков.

Г. Учебниках и учебных пособиях:

8. Зычная геаграфк Беларусь - Мн., Ушверспгэцкае, 1995 181 с. Разделы: "Унутраныя воды", с. 88-104. Соавтор: Н.М. Вагнер; "Ахова прыроды", с. 165176. Соавтор: М.В Лысковец.

9. Биогеография с основами экологии. - Мн., «Технопринт», 2005 - 464 с. Соавтор: О.Е. Агаханянц.

10. Комплексная полевая практика по физической географии. - Мн., БГПУ, 2003. - 72 с. Раздел: "Гидрологические исследования", с. 34-46.

П.Полевые практики по географическим дисциплинам и геологии. - Мн., » Университетское, 1989 - С. 241. Раздел: Практики по экономической и физической географии, с. 209 - 225. Соавтор: E.JI. Янович. Д. Нормативно-методический документ:

12.Правила использования и охраны водных ресурсов прудов на территории Белорусской ССР. - Мн., БелНИИНТИ, 1980. - 21 с. Е. Статьи в реферируемых отечественных и зарубежных журналах:

1. Заиление прудов Белоруссии // Вест, Белор. ун-та, сер. 2, хим., биол., геогр. -1982. -№ 1. - С. 57 - 59.

2. Zasoby wodne Bialoruskie: problemy requlaciji i ochrony // Mat-ly 36 Ogolno Polskiego zjazdu Polskiego towarzystwa geograficznego. Cz. II. Sosnowiec, 1987. -S. 34 - 35. Соавторы: B.M. Широков, П.С. Лопух.

3. Naturalne warunki rozwoju stawow // Edukacja ekologiczna i ochrona srodowiska na pograniczach. - Lublin, .1993,- S. 112 - 117. Соавтор: B.M. Широков.

4. Oddzialywanie stawow. na srodowisko przyrodnicze // Przyrodnicze i techniczne problemy gospodarowania woda dla zrownowazonego rozwoju obszarow wiejskich: - Warszawa, 1998. - S. 127 - 133.

5. Rola stawow w ksztaltowaniu sie jakosci wod powierzchniowych (na przykladzie Bialorusi) // Geografía w ksztaltowaniu i ochronie srodowiska oraz transformacji gospodarczej regionu gornoslaskiego: 47 zjazd Polskiego towarzystwa geograficznego - Sosnowiec, 1998. - S. 178 - 179.

6. Влияние прудов на местный сток в Республике Беларусь. - Дебрецен-Сосновец, 1998. - С. 67 - 72.

7. Geografía Bialoruska: wspolczesne kierunki badan fizycznogeograficznych // Geografía na przelomie wiekow-jednosc w roznorodnosci. - Warszawa, 1999. -S. 99-103.

S. Утрыманне зам1чных элемента^ у аквальных ландшафтах Заслаускага i Чыжоускага вадасховппчау // Весщ БДПУ. - 2001. - Ка 2. - С. 171 - 173. Соавтор: К.К. Кудло.

9. Geograficzne uzasadnienia przeksztalcania jezior w sztuczne zbiorniki wodne' // Natural and antropogenic shanges of laked. - Lublin-Okuninka, 2002. - S. 32. Соавтор: П.С. Лопух.

. 10.The geo-ecological basis for lake transformation into artificial reservoirs // Limnological Review 2, 2002. - S. 259 - 263. Соавтор: П.С. Лопух.

11.Лёдавы рэжым сажалак Беларуш II Весщ БДПУ. - 2003. - №4. - С. 178 -181.

12. Chemical elements stability in the water of Zaslavskoye and Chizhovskoye artificial reservoirs // Limnological Riview, 4, 2004. - S. 111 - 114.

13.Рэпянальная ацэнка берагавых працэсау i абразшнай рызыи на узбярэжжы вадасховшчау i сажалак Беларуа // Весщ БДПУ, сер. 3. - 2004. -№ 1. - С. 41 - 44. Соавтор: В.Е. Левкевич.

14.Асабл1васц1 фарм)'равання берагавых працэсау на вадасховипчах i сажалках Benapyci // Весщ БДПУ, сер. 3. - 2004. - № 4. - С. 52 - 54. Соавтор: В.Е. Левкевич.

15.Тышзацыя сажалак Беларуси у сувяз1 з ix комплексным выкарыстаннем. // Becui БДПУ, сер. 3. - 2005. - № 2. - С. 63 - 66.

16.Фшьтрацыя вады з сажалак. // Becui БДПУ, сер. 3. - 2005. - № 3. - С. 53 -56. Соавтор: Ф.В. Саплюков.

17.Ветравы рэжым над сажалкам1 Беларуси // Becui БДПУ, сер. 3. - 2005. -№ 4. - С. 61 - 65. Соавторы: В.Ф. Саплюков, П.И. Кирвель.

18.Miejscowe oszacowanie procesow brzegowych i ryzyko abrazji na nadbrzezu zbiornikow wodnych i stawow Bialorvisi // Kierunki badawcze mlodziezy akademickiej. Nauki przyrodnicze. Siedlce. - 2005. - S. 231 - 235. Соавтор: В.Е. Левкевич.

19.Водна-гаспадарчае раякаванке прудоу Беларуа // Весш БДПУ, сер. 3. -2006.-№ 1,-С. 55-59. Ж. Научные статьи в сборниках:

1. Географические аспекты проектирования и эксплуатации малых водоемов в рекреационных целях // Социально-географические проблемы повышения эффективности туристско-экскурсионного обслуживания. - Мн., 1978.-С. 184-189.

2. Влияние прудов на местный сток в Белорусской ССР // Комплексное испльзование водных ресурсов. - М., 1979. - Вып. 7. - С. 84 - 88.

3. Неацэненае багацце // Родная прырода. - 1981. - № 2. - С. 12-13.

4. Зарегулированность местного стока рек Белоруссии прудами // Гидрографическая сеть Белоруссии и регулирование речного стока. - Мн., 1992.-С. 41-48.

5. Оценка зарегулированного стока Белоруссии. // Природа Белоруссии и проблемы ее охраны. - Мн., 1993. - С. 122 - 127. Соавтор: В.М. Широков.

6. Зарастание как фактор стадийного развития искусственных водоемов II Прикладная лимнология". - Мн., 2000. - Вып. 2. - С. 139 - 142.

7. Краткая история строительства прудов в Беларуси // Современные проблемы естествознания. - Мн., 2001,— С. 110 — 113.

8. Влияние геоморфологии Беларуси на создание и эксплуатацию прудов. // Прикладная лимнология. - Мн., 2002. - Вып. 3. - С. 91 - 97.

9. Развитее соверменных береговых процессов на искусственных водоемах Беларуси. // Брэсци геаграф^чны весшк. - 2004. - Вып. 1. - Т. 4. - С. 47 - 50. Соавтор В.Е. Левкевич.

10. Рекреационное использование прудов Беларуси // Изучение, использование, охрана биологического разнообразия и ландшафтов Беларуси. -Мн., 2004. - С. 24 - 26.

3. Тезисы докладов и материалы конференций:

1. Использование малых водоемов в рекреационных целях // Проблемы территориальной организации туризма и отдыха: III Всесоюз. совещ. по географическим пробл. организации туризма и отдыха. Ставрополь, 1978. -С. 53 - 54.

2. Некоторые аспекты использования прудов в рекреационных целях // Формы и методы повышения эффективности и качества обслуживания туристов и экскурсантов. - М., 1979. - С. 96 - 98.

3. Рекреационное использование побережий малых водохранилищ и прудов Белоруссии: Всесоюз. науч.-техн. совещ. по динамике берегов водохранилищ, их охране и рац. использованию. - Черкассы, 1979 - С. 60 - 61.

4. Влияние режима работы малых ГЭС на формирование и стабилизацию экологических условий водохранилищ: Всесоюз. конференция по влиянию водохранилищ ГЭС на окружающую среду. - Мн., 1980. - С. 12 - 13. Соавторы: Г.М. Базыленко, С.И. Гаврилов.

5. Интенсивность заиления прудов Белоруссии // Проблемы рационального использования водных ресурсов малых рек: Всесоюз. науч. конф. - Казань, 1981.-С. 283-284.

6. Задачи организационных и природоохранных мероприятий в рациональном использовании рыбных ресурсов в водоемах БССР // Проблемы рационального использования водных ресурсов малых рек: Всесоюз. науч. конф. - Казань, 1981 - С. 118-119. Соавторы: А.И. Свистунов, П.С. Лопух.

7. Условия заиления прудов на малых реках Белоруссии // Малые реки Белорусской ССР, их использование и охрана: Респ. науч.-техн. конф. - Мн.,

1 1984.-С. 37-J9,

8. Современное состояние и хозяйственное использование прудов в Белорусском Полесье // Проблемы рационального использования ресурсов я охрана окружающей среды в Белорусском Полесье: Областная науч.-практ. конф. - Гомель, 1986. - С. 61. Соавтор: Ю.Н. Емельянов.

9. Влияние прудов на прилегающие территории // Экологические аспекты мелиорации; VIII Всесоюз. конф. по мелиоративной географии. - Таллинн, 1988.-Т. 1.-С. 197-198.

10.Природоохранная роль прудов // Экологические основы природопользования в бассейне Дона: Науч.-практ. конф. - Воронеж, 1991. - С. 22 - 25. Соавторы: М.Я. Прыткова, И.В.Семенцов.

11.Малые искусственные водоемы на мелиорированных землях, особенности их режима и использования II Экологические проблемы при орошении и осушении. - Киев, 1993. - Ч. 1. - С. 72 - 74. Соавторы: В.М. Широков, А.Г. Гриневич.

12. Распределение отложений и их крупности по ложу прудов Белоруссии // Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей: Третья Всесоюз. конф. -М., 1989.-Т. 1.-С. 173- 174.

13.Эволюционное развитие прудов, как фактор природно-территориальных систем // Развщце геаграфи Беларуси вынш, праблемы, перспективы: Навук. канф., прысвеч. 60-годдзю геагр. ф-та. - Мн., 1994. - 76 - 77.

14.3арастаемость прудов Беларуси макрофитами и их продуктивность // Озера Белорусского Полесья: современное состояние, проблемы использования и охраны: Междунар. науч. конф, - Витебск, 1999 - С. 62 - 64.

15.Роль прудов в естественных ландшафтах Беларуси: Матэрыялы VI з'езда Бел. геагр. таварыства. - Мн., 1999. - С. 113 - 115.

16.Влияние метеорологических факторов на режим ветрового волнения на малых водоемах / Научные и прикладные аспекты оценки изменений климата и использования климатических ресурсов: Науч. конф. - Мн., 2000. С. 64 - 65. Соавтор: П.С. Лопух.

17.Заморозки и методы борьбы с ними в условиях изменения климата // Научные и прикладные аспекты оценки изменений климата и использования климатических ресурсов: Науч. конф. - Мн., 2000. - С, 222 - 223. Соавторы: П.А. Ковриго, В.Н. Нестерук.

18.Влияние гидромелиорации болот на образование заморозков в Полесье // Влияние антропогенных факторов на состояние и динамику экосистем Полесья: Междунар. науч.-практ. конф. - Брест, 2001. - С. 82 - 83. Соавтор: В.Н. Нестерук.

19.Оценка подтопленных земель искусственными водоемами в Беларуси // Антропогенная динамика ландшафтов и проблемы сохранения и устойчивого использования биологического разнообразия: II Респ. науч.-практ. конф. - Мн., 2002. - С. 83 - 85.

20.Влияние расчлененности рельефа на строительство прудов // Третье Всесоюз. совещ. по изучению четвертичного периода. - Смоленск, 2002. - Т. 1. -С. 107-108.

21.Исследование ледовых явлений на прудах Беларуси // Теоретические и прикладные проблемы современной гидрологии: Междунар. науч.-практ. конф. - Мн., 2003. - С. 216 - 218. Соавтор П.И. Кирвель.

22.Регулирование малых рек искусственными водоемами и их охрана // Прыроднае асяроддзе Палесся: асабл1васщ i перспективы развщця: М1жнар. навук. канф. - Брэст, 2004. - С. 123. Соавтор: М.С. Кукшинов.

23.Роль прудов в формировании качества поверхностных вод Беларуси // География в XXI веке: проблемы и перспективы: Междунар. конф., посвящ. 70-летию ф-та БГУ. - Мн., 2004. - С. 26 - 29.

24.Отложения наносов в прудах Беларуси // Рэпянальная геаграфш: праблемы развщця 1 выкладання. - Магшеу, 2004. - С. 93 - 94.

25.Проблемы охраны прудовых вод Беларуси // Антропогенная динамика ландшафтов и проблемы сохранения и устойчивого использования биологического разнообразия: II Респ. науч.-практ. конф. - Мн., 2004. - С. 23.

Ъшьа ил

//л О КИ

ил кхлам

Подписано в печать 07.03.06 г. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,6

Тираж 100 экз. Заказ 160

Полиграфическое исполнение: Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет им. Максима Танка» ЛП № 023300131508 от 30.04.04. 220050, Минск, Советская, 18

Отпечатано с оригинал-макета заказчика в Учебно-издательском центре БГПУ 220007, Минск, Могилевская, 37

Введение.

Глава 1. Измерение монохроматических аберраций человеческого глаза с помощью датчика Шака-Гартмана

§1.1 Экспериментальная установка для измерения аберраций человеческого глаза.

§ 1.2 Математическая модель датчика Шака-Гартмана.

§1.3 Анализ ошибок, возникающих при измерении аберраций глаза методом Шака-Гартмана.

§ 1.4 Анализ ошибки, связанной с неравномерным распределением интенсивности и усреднением градиента фазы для различных конфигураций датчика Шака-Гартмана.

§1.5 Учет неравномерного распределения интенсивности в программном обеспечении аберрометра.

§1.6 Выводы к главе.

Глава 2. Исследование аберраций человеческого глаза.

§2.1 .Измерение внеосевых аберраций.

§ 2.2 Эксперимент по определению вклада внутриглазной оптики и роговицы в суммарные аберрации глаза.

§2.3 Динамические свойства аберраций глаза.

§2.4 Выводы к главе.

Глава 3. Моделирование оптической системы глаза.

§3.1 Оптический имитатор глаза.

§3.2 Моделирование статических аберраций глаза.

§3.3 Выводы к главе.

Глава 4. Коррекция аберраций глаза. Анизопланатизм оптической системы глаза.

§4.1 Динамическая коррекция аберраций человеческого глаза.

§4.2 Размер зоны анизопланатизма глаза.

§4.3 Исследование методов расширения зоны изопланатизма глаза.

§3.3 Выводы к главе.

Актуальность проблемы

Изучение свойств человеческого глаза необходимо для проведения углубленной и полноценной диагностики различных заболеваний, таких,

1 2 например, как сахарный диабет, глаукома , ретинопатия и др.[1], а также для адекватной коррекции и эффективного лечения большинства офтальмологических заболеваний.

Как и любой «неидеальной» оптической системе, человеческому глазу свойственно наличие оптических искажений- аберраций, которые снижают качество зрения, искажая изображение на сетчатке. Компенсацию простейших цилиндрических и сферических аберраций возможно осуществить с помощью традиционных офтальмологических корректоров -очков и контактных линз [2]. Однако этого может быть недостаточно для получения полной коррекции. Дело в том, что помимо низших аберраций оптическая система глаза может обладать аберрациями высших порядков. Как правило, их влияние становится заметным при расширенном зрачке [3], однако такой тип искажений может возникать и в других случаях. К факторам, влияющим на появление подобных дефектов зрения, относятся: снижение эластичности хрусталика с возрастом [4], нарушение строения глазной пленки [5], кератоконус [6,7], аккомодация4 [8] . Некоторыми исследователями отмечается также появление высших аберраций, индуцированных контактными линзами [9,10].

С появлением современных методов рефрактивной хирургии, таких как LASIK, LASEK, ФРК[11] появилась возможность более точной коррекции рефракции глаза. Однако несомненным является тот факт, что подобные операции сами по себе могут индуцировать аберрации высших и низших порядков [12]. Так, фоторефракционные операции увеличивают аберрации роговицы (в основном 3-го и 4-го порядка) и изменяют их соотношение, что может обуславливать низкое качество зрения после операции и появление жалоб у пациентов на слепоту и двоение изображения. Выявлена строгая корреляция между зрительными симптомами и аберрациями: непропорциональное изменение размеров предметов возникает при коме, а мерцание - при сферических аберрациях [13]. Таким образом, современные методики, используемые для коррекции оптической системы глаза, требуют наиболее детального описания аберраций глаза, причем результат их использования можно значительно улучшить, если учитывать весь спектр оптических искажений человеческого глаза.

Существующие способы измерения аберраций глаза можно разделить на объективные и субъективные. В конце 19 века, Тчернинг (Tscherning) разработал оригинальный метод, основанный на субъективном определении аберраций [14]. В дальнейшем он был доработан Хоуландом(Но\у1апс1) в 1960 году, а в 1961 году советский ученый М.Смирнов впервые осуществил измерения аберраций глаза как низшего, так и высшего порядков[15]. Специфика субъективных методов[16-18] заключается в том, что сетчатка человека используется как фоточувствительный элемент, т.е. по смещению сигнала на сетчатке определяются локальные наклоны волнового фронта. Недостатком субъективных методов является зависимость от остроты зрения, чувствительности сетчатки, а также, безусловно, большое время обследования одного пациента. К сожалению, такая процедура требует активного участия пациента и является весьма трудоемкой. С приходом в офтальмологию новых технологий появился широкий спектр точных объективных методов как качественного, так и (что особенно важно) количественного способа оценки аберраций глаза.

Особенностью объективных методов измерения[19-22] является то, что они, как правило, являются двухпроходными, т.е. анализу подвергается свет, рассеянный сетчаткой глаза и на основании этого анализа рассчитываются оптические свойства непосредственно оптической системы глаза. Один из способов заключается в проецировании на сетчатку тестовой картинки (это может быть точка, линия, регулярная решетка), и в последующем анализе изображения этого объекта в плоскости приемной матрицы камеры. По искажениям изображения определяется карта аберраций глаза пациента.

П. Артал предложил формировать на сетчатке точечный источник и анализировать изображение этого источника [23]. Изображение точечного источника, т.е. фактически ФРТ (функция рассеяния точки[24]) регистрировалась видеокамерой. В работе П.Артала, в одной из первых, была построена математическая модель формирования изображения точечного источника, расположенного в плоскости глазного дна. Было показано, что изображение точечного источника определяется сверткой функции рассеяния источника для одного прохода. В последствии, однако, Вильямсом было показано, что изображение точечного источника равно не свертке, а автокорреляции ФРТ одного прохода[25]: здесь Odp{x,y) . поле от точечного источника в плоскости зрачка Р{х>у)однопроходная ФРТ системы. Данная формула показывает, что изображение источника с учетом двойного прохода света через оптическую среду глаза не соответствует аберрациям среды глаза, так как фактически дважды искажается этой средой . Этот эффект может привести к потере информации об аберрациях [26], т.е. к некорректным измерениям.

Красивый способ решения данной проблемы был предложен К. Данти [27], который использовал свойство автофлуорисценции5 сетчатки. Для этого было предложено использовать свет, возникающий вследствие флуорисценции (свечения) глазного дна. Точечный источник создавался с помощью излучения с длиной волны 543 нм. При этом липофусцин (вещество, содержащееся в фоторецепторах) формирует на поверхности сетчатки точечный источник, который излучает свет в диапазоне 570-610 нм.

Этот свет некогерентен с падающим излучением, и поэтому анализ аберраций с использованием флуоресцентного свечения, не может содержать ошибок, связанных с эффектами двойного прохода. Количество липофусцина в сетчатке меняется от пациента к пациенту и накапливается только с возрастом, поэтому предложенная методика не получила широкого распространения, хотя и может быть использована для тестирования других методов.

В офтальмологии оптические методы диагностики и лечения основаны на использовании свойств оптической системы глаза и взаимодействии между светом и внутриглазными тканями (схему глаза, а также структуру тканей сетчатки см. на рис. 1.1, 1.2). Функции зрительного анализатора человека, оптические свойства тканей, а также спектральные характеристики поглощения и отражения открывают широкие диагностические возможности, основанные на проникновении в глаз излучения на различной длине волны. Взаимодействие проникающего излучения с внутриглазными тканями является основой для различных методов ретиноскопии, офтальмоскопии и аберрометрии.

Радужка

Зрачок

Перед камв глаз

Сетчатка

Сосудистая оболочка

Зрительный нерв

Ресничный поясок

Рис 1.1. Строение глаза.

Пигментный эпителий

Фоторецепторы

Наружная мембрана

Ядра рецепторных клеток

Ганглиозные клетки

Волокна оптического нерва

Внутренняя мембрана

Рис. 1.2 Структура глазного дна(Из R.M. Boynton, 1992 [28])

Наиболее полное исследование спектральных характеристик различных слоев сетчатки было проведено американским ученым Делори (F.Delori) [29]. В эксперименте Делори анализировался характер рассеяния от различных элементов глаза для разных длин волн в диапазоне от 450 до 800 нм. Результаты эксперимента показали, что наибольшая интенсивность излучения, выходящего из глаза, наблюдается на длинах волн около 800 нм, причем эта интенсивность на порядок превышает интенсивность рассеянного излучения на коротких длинах волн. Подобные спектральные характеристики схожи со спектральными свойствами стекловидного тела, заполняющей большую часть объема склеры (см. рис.1.1.). Красный свет проникает глубоко за внешние слои сетчатки (внутреннюю пограничную мембрану и фоторецепторы) и рассеивается главным образом от слоя пигментного эпителия. С уменьшением длины волны вклад в сигнал, полученный в голубом и зеленом свете, вносит в основном рассеяние от внешних слоев ретины, которые расположены вплотную к границе со стекловидным телом. Различие в спектральных свойствах различных слоев сетчатки объясняется разным уровнем пигментации и количеством кровеносных сосудов.

Поляризационные свойства глаза представляют интерес в связи с их использованием для анализа изменения структуры внутриглазных тканей. Несмотря на то, что глаз в целом считается двулучепреломляющей структурой, отдельные его компоненты обладают разными поляризационными свойствами. Результаты работ [30-31] указывают на то, что роговица вносит наибольший вклад в величину двулучепреломления глаза. Результаты, полученные посредством пространственной полариметрии, позволяющей измерить поляризацию излучения в различных точках зрачка, свидетельствуют о том, что величина двулучепреломления не является однородной по зрачку, также ее поведение может изменяться от одного пациента к другому[32-33]. Хрусталик в силу своего строения также является двулучепреломляющим элементом [34-35], хотя этот эффект в нем выражен не так ярко как в роговице. Наконец, сетчатка, обладает наиболее комплексными свойствами, являясь одновременно двулучепреломляющей, дихроичной и деполяризующей структурой [36]. Исследования поляризационных свойств сетчатки также показали, что величина двулучепреломления зависит от ее толщины на облучаемом участке, причем увеличение толщины приводит к увеличению двулучепреломления. Этот эффект используется при диагностике глаукомы (нарушении структуры глазного дна) на ранних стадиях[37].

Несмотря на то, что элементы глаза являются двулучепреломляющими средами, аберрации глаза не зависят от поляризации света. Исследования на эту тему были проведены в работе [38]. Авторами был проведен эксперимент по измерению аберраций оптической системы глаза с использованием света, имеющего разную поляризацию, с помощью специального рефрактометра [39]. Было показано, что измеренные аберрации не зависят от степени поляризации и направления поляризации падающего света. Позднее аналогичный результат был получен и для объективных методов[40] для случая, когда поляризатор помещался как в оптическое звено, доставляющее свет в глаз, так и в звено, содержащее анализатор рассеянного излучения.

Особенности взаимодействия сетчатки с падающим излучением зависят как от ее структуры, так и от структуры составляющих ее слоев. При облучении ретины свет, выходящий из глаза, состоит из трех компонент [41]. Первую компоненту составляет свет, рассеянный от эпителия (см. рис. 1.2.). Вторую компоненту - свет, рассеянный от внутренней мембраны, слоя граничащего с водянистой влагой. И, наконец, третью компоненту составляет свет, падающий не сетчатку с разных направлений, но перенаправленный волокнами фоторецепторов в направлении центра зрачка. Последняя компонента возникает благодаря "волноводным" свойствам фоторецепторов глаза. Волноводные свойства фоторецепторов глаза объясняются ориентацией фоторецепторов вдоль направления на центр зрачка[42]. Такая ориентация волокон позволяет увеличить чувствительность глаза к излучению, проходящему через центр зрачка[43], где оптическое качество глаза должно быть в идеале близко к диффракционно-ограниченному [44].

Количественная модель, описывающая рассеяние света на слое фоторецепторов, была построена в работе С. Маркос[45]. Данная модель была построена с использованием приближения Кирхгофа [46,47] для рассеяния от шероховатых поверхностей. Расчеты показали, что в данном приближении распределение интенсивности на выходном зрачке должно иметь экспоненциальную форму, что и было подтверждено экспериментально. Для длин волн из красного диапазона спектра(Х, = 670 нм) ширина распределения интенсивности совпала со значениями, полученными при помощи теории рассеяния. Для меньших длин волн (X = 543 нм, X = 632 нм) ширина рассеянного сигнала оказалась несколько меньше теоретических значений, что объясняется растущим вкладом волноводной компоненты, а также зеркальным отражением от внешних слоев ретины.

При рассеянии когерентного излучения от шероховатой поверхности, какой является сетчатка, в анализируемом пучке образуется случайная модуляция интенсивности излучения - так называемые спекл-структуры. Спекл-структуры затрудняют анализ рассеянного света и тем самым снижают точность восстановления волнового фронта, что было продемонстрировано группой В.И.Шмальгаузена[48]. Как правило, для борьбы со спеклами используется два метода. Первый метод - усреднение сигнала по времени [49]. Вследствие микрофлуктуаций внутренней оптики глаза происходит случайное перемещение фокального пятна по сетчатке. При этом влияние неоднородностей в конечном усредненном снимке оказывается сглаженным. Для успешного подавления спекл-структур достаточно провести усреднение по нескольким десяткам изображений. Однако, данный способ обладает очевидным недостатком - происходит замедление измерений, что осложняет коррекцию аберраций в режиме реального времени. В 1998 году Хофер предложила метод подавления спекл-структур с помощью вращающегося клина[50]. С помощью клина осуществлялось сканирование пучка по поверхности сетчатки и, таким образом, проводилось пространственное усреднение. Преимущество этого метода заключалось в том, что скорость усреднения зависела от скорости вращения клина, которую можно сделать достаточно большой для успешного подавления спекл-структуры за короткое время. Таким образом, стало возможным измерение аберраций глаза в режиме реального времени.

Аберрации глаза также искажают изображение глазного дна пациента, полученное с помощью фундус-камер[51]. В то же время способность разрешать мелкие дефекты на сетчатке может сыграть ключевую роль в А понимании процессов, ведущих к диабетической ретинопатии и возрастной макулопатии6 - болезнях, являющимися основными причинами слепоты. На ранней стадии эти болезни вызывают появление мельчайших биохимических и морфологических вкраплений на глазном дне, которые не могут быть зафиксированы фундус-камерой, не оборудованной адаптивным корректором.

Быстрое и точное измерение аберраций глаза сделало возможным их коррекцию с помощью различных фазовых модуляторов. Д.Виллиамс осуществил статическую коррекцию аберраций глаза в 1997 году[52] и первым продемонстрировал, что адаптивная оптика способна скомпенсировать аберрации глаза практически до уровня диффракционно-ограниченных. В качестве корректора использовалось гибкое биморфное зеркало, способное скомпенсировать аберрации как низших, так и высших порядков. Было показано, что коррекция мелкомасштабных аберраций обеспечивает беспрецедентное разрешение глазного дна, которое было недоступно посредством традиционных методов коррекции - очков и контактных линз. Впоследствии статическая коррекция осуществлялась также с помощью других типов фазовых корректоров: фазовых пластинок[53], а также жидкокристаллических модуляторов[54].

Глаз человека является флуктуирующей оптической системой, аберрации которой могут меняться как на коротких промежутках времени, так и в течение длительных периодов вследствие аккомодации, усталости и т.п. Первое детальное исследование динамических свойств глаза было проведено Виллиамсом[55]. В указанной работе проводились измерения аберраций лаза с частотой 25 Гц, а затем рассчитывался спектр флуктуаций волнового фронта глаза. На основании этих измерений рассчитывался спектр аберраций как высшего, так и низшего порядков, а также спектр среднеквадратичного отклонения волнового фронта. Было показано, что спектр любой аберрации затухает на частотах более 5-6 Гц до пренебрежимо малого значения, то есть амплитуда флуктуаций на более высоких частотах фактически является сравнимой с шумовым сигналом. Было также показано что, для того чтобы обеспечить диффракционно ограниченное разрешение сетчатки (число Штреля > 0.8), достаточно скомпенсировать те аберрации, флуктуации которых находятся в пределах 12 Гц. В работе Вильямса были также разобраны причины, приводящие к флуктуациям аберраций. Флуктуации аберраций высшего порядка - дефокус и астигматизм, вызваны изменением аккомодации глаза, которая вызывается дрожанием цилиарных мышц. Причины флуктуаций высших аберраций пока до конца не изучены, однако, к наиболее вероятным относят изменение толщины глазной пленки, биение сердца, а также возможное дрожание внутренней оптики глаза.

Позднее использование современных ПЗС камер, а также оптимизированных методов расчета позволило значительно ускорить процесс измерения аберраций глаза. Так, группой К. Данти были измерены аберрации на частотах до 240 Гц[56]. Временной анализ полученных данных хоть и совпадал с результатами Вильямса на отрезке от 0 до 10 Гц, но свидетельствовал о том, что временной спектр содержит также составляющую, превышающую 10 Гц, причем динамическая коррекция флуктуаций до 30 Гц может привести к увеличению числа Штреля, а, следовательно, к увеличению разрешения глазного дна.

Таким образом, для более эффективной коррекции необходимо было осуществить компенсацию аберраций в режиме реального времени. Впервые это было сделано группой Артала [57]. Для коррекции аберраций использовалось мембранное зеркало, которое управлялось с компьютера. Аберрации глаза измерялись с помощью датчика волнового фронта Шака

Гартмана, затем информация об аберрациях поступала в компьютер, который рассчитывал управляющие команды для мембранного зеркала. В описываемом эксперименте удалось достичь беспрецедентно высокого уровня коррекции аберраций - остаточная ошибка коррекции не превышала 0.1ц. Успешное использование биморфных зеркал для динамической компенсации аберраций глаза было продемонстрировано группой В.И.Шмальгаузена в 2002 году[58].

Несмотря на то, что в настоящее время для коррекции глазных аберраций чаще всего используются именно мембранные зеркала, не существует однозначного мнения относительно того, какой именно тип корректоров больше всего подходит для офтальмологии. Виллиамсом были сформулированы основные требования, предъявляемые к корректорам, а именно: стоимость - менее 1000$, диаметр - менее 7.5 мм, стрелка прогиба -более 10 мкм. Из этих требований видно, что частично им удовлетворяют мембранные зеркала[59], однако они имеют стрелку прогиба менее 4 мкм. Биморфные зеркала, хоть и имеют большую стрелку прогиба (более 10 мкм) [60], но обладают, как правило, большим диаметром, более 30 мм. Однако, последние разработки в области мультиморфных зеркал [61], позволяют надеяться на появление маленьких корректоров диаметром менее 10 мм, что делает использование этого типа корректоров для компенсации аберраций глаза наиболее перспективным.

Совсем недавно появились статьи, связанные с коррекцией аберраций глаза с помощью использования внутриокулярной адаптивной оптики[62, 63]. Идея заключается в том, что внутрь глаза вместо хрусталика помещается активный оптический элемент (жидкокристаллический модулятор), который управляется посредствам беспроводной электростатической связи. Преимущества такой системы очевидны: пациент, лишенный хрусталика, получает возможность не просто видеть, но и фокусироваться на различных предметах. Предварительные эксперименты показали теоретическую возможность внутриокулярной коррекции в пределах ЗДптр, однако, стоит признать, что пока это предложение является лишь концептуальным, для реального вживления активных оптических элементов в глаз необходимо создать более совершенную систему управления корректором.

Результаты, полученные посредством адаптивной коррекции аберраций глаза в режиме реального времени сделали возможным получение изображения глазного дна с беспрецедентно высоким разрешением - порядка 2-4 \i, что позволяет разрешать мельчайшие фрагменты сетчатки, вплоть до отдельных фоторецепторов. Однако, вследствие анизопланатизма оптической системы глаза, такое качество коррекции достижимо лишь в небольшом телесном угле относительно направления коррекции. Впервые на существование эффекта анизопланатизма для неатмосферных оптических систем указал В.И. Шмальгаузен[64]. Подобный эффект связан с тем, что аберрации, приобретаемые пучком, распространяющимся вдоль оси коррекции и вне ее могут различаться. Поэтому исследование внеосевых аберраций глаза может позволить установить размер зоны изопланатизма человеческого глаза, а также помочь в поиске методов расширения этой зоны. Попытки исследований внеосевых аберраций глаза предпринимались еще до использования датчика Шака-Гартмана для измерения аберраций глаза. Так, Артал измерил функцию рассеяния точечного источника одновременно для двух источников, созданных на сетчатке [65]. Один из этих источников находился в центре сетчатки, а другой на расстоянии 1° от центра. Одновременное измерение двух ФРТ позволило избежать ошибок, связанных с разными степенями аккомодации зрачка, ошибками позиционирования и т.п. Результаты измерений показали, что вне оси наблюдается ухудшение качества изображения. Авторы объясняли этот эффект различным строением сетчатки в центре и на периферии фовеолы6. Более поздние работы, целью которых было исследование свойств и строения сетчатки, а также исследование взаимодействия различных ее слоев с падающим излучением, показали, что учет рассеяния от различных слоев сетчатки не может обеспечивать разницу в измерениях на оси и вне ее, обнаруженную в эксперименте Артала [66].

Серия экспериментов по измерению внеосевых аберраций глаза была проведена Наварро[67]. В этих экспериментах внеосевые аберрации измерялись методом трассировки лучей (ray-tracing method). Аберрации глаза (до 4-го полиномов Цернике 4-го порядка) были измерены для нескольких углов поворота оси фиксации глаза (0°,5°, 10°,20°,40°). Полученные результаты позволили сделать авторам вывод, что, несмотря на плохое (относительно обыкновенной линзы) качество формирования изображения глазом вдоль оси фиксации," вне оси глаз демонстрирует плавное ухудшение качества формирования изображения с увеличением угла поворота.

Внеосевые аберрации глаза также представляют интерес при моделировании контактных линз, корректирующих ошибку рефракции глаза по периферии сетчатки. О создании таких линз сообщается в работе[68].

Возможность высокоточного и быстрого измерения аберраций глаза привела к необходимости создания математических моделей глаза, а также его оптических имитаторов. Необходимо отметить, что попытки создания модели глаза имеют более чем четырёхвековую историю. Впервые Кеплер в 1602 году предположил, что на сетчатке глаза формируется перевёрнутое изображение [69, 70]. В 1625 году Шейнер смог продемонстрировать это экспериментально [71]. В 1670 году Ньютон обнаружил наличие в глазу человека хроматических аберраций [72], а в 1702 году Гюйгенс создал первую модель человеческого глаза, с помощью которой продемонстрировал всему миру наличие перевёрнутого изображения на сетчатке и впервые предложил корректировать аберрации с помощью очковых линз [69,70]. В 1801 году Томас Юнг провёл первые исследования аберраций, отличных от дефокуса, в частности астигматизма, а в 1846 году Волкман измерил сферическую аберрацию [69, 70]. Первая же наиболее удачная параксиальная модель человеческого глаза была разработана учёным Листингом, студентом Гаусса, в 1851 году [69,70]. Даная модель состоит из трёх линз с различными показателями преломления, которые соответствовали водянистой влаге, хрусталику и стекловидному телу соответственно. Эта модель дала мощный толчок к созданию новых, более совершенных моделей человеческого глаза. Следующая модель была создана в 1874 году Гельмгольцем [73]. Модель Гельмгольца также была трёхслойной, однако её выгодные отличия от модели Листинга заключались в том, что она лучше отражала внутреннюю структуру реального человеческого глаза: были более точно подобраны размеры и кривизны линз, тщательно были подобраны и показатели преломления. Однако принципиально модель Гельмгольца ничем не отличалась от модели Листинга. Впоследствии модель Гельмгольца также была усовершенствована учёным Щернингом в 1898 году [69, 70]. Щернинг особенно тщательно подобрал показатели преломления для слоёв глаза и прибавил ещё одну преломляющую среду (роговицу). Таким образом, модель Щернинга ещё более детально отражает внутреннюю структуру реального человеческого глаза, однако и она неадекватно отражает набор монохроматических, хроматических аберраций, а также и структуру человеческого глаза.

По-настоящему революционными стали две модели человеческого глаза швецкого офтальмолога Аллвара Гульстранда, предложенные в 1909 году [74,75]. Эти модели наиболее точно отражали структуру человеческого глаза. Одна модель имитировала человеческий глаз с максимальной аккомодацией, а другая - с покоем аккомодации. В 1911 году за офтальмологические исследования Гульстранд получил Нобелевскую премию. Гульстранд также впервые учёл слоистую структуру человеческого хрусталика, тем самым, усложнив модель до шести преломляющих сред: роговицы, водянистой влаги, хрусталика, ядра хрусталика, и стекловидного тела. Недостатком моделей Гульстранда является их гиперметропичность дальнозоркость) примерно в 1Дптр, а также наличие сферической аберрации, вызванной использованием для моделирования только сферических поверхностей.

Однако эта модель была чересчур сложной для практического применения, поэтому впоследствии модель Гульстранда была усовершенствована Jle Грандом [76] в 1953 году. Jle Гранд использовал все параметры, предложенные Гульстрандом, однако упразднил слоистую структуру хрусталика, заменив его однородной линзой с показателем преломления, который учитывал неоднородность показателя преломления в реальном хрусталике. Такая модификация модели Гульстранда стала называться моделью Гульстранда-Ле Гранда, или просто Ле Гранда.

В 1920 году русский учёный Вербицкий предложил свою модель человеческого глаза [77], которая состояла из материала с однородным показателем преломления и, по сути, представляла собой шаровую линзу с выпуклой передней частью, которая имитировала роговицу. При разработке модели автор не стремился учесть детально структуру реального человеческого глаза, но старался создать простой инструмент для работы с офтальмологическими системами. Глаз в данной модели обладает такими же внешними параметрами и полной оптической силой, как и настоящий глаз. Подобную же модель предложил в 1954 году Эмсли [78]. Его модель стала более известной для всего мира, хотя по параметрам (размеры, показатель преломления, оптическая сила и т.п.) сильнее отличается от реального человеческого глаза, чем модель Вербицкого.

Следующим шагом в моделировании человеческого глаза стало использование асферических поверхностей, о чём говорилось ещё в работах Гельмгольца и Гульстранда. Гельмгольц считал, что, например, поверхность роговицы является эллипсоидом, однако Гульстранд решительно опроверг это мнение и доказал, что поверхность роговицы с большой точностью можно считать гиперболической.

В 1971 году Лотмар показал, что не только роговица имеет асферическую поверхность, но и хрусталик [79]. Он предложил использовать форму поверхности роговицы, предложенную Бонне, а заднюю поверхность хрусталика задавать параболой. Кроме того, Лотмар исследовал и описал поведение монохроматических аберраций человеческого глаза в зависимости от угла к оптической оси, под которым излучение попадает в глаз. Предложенные им в работе модели глаза также стали использоваться на практике. Таким образом, Лотмар одним из первых предложил модели глаза с большим углом зрения, который определялся максимальным углом, падая под которым свет всё ещё формировал изображение на сетчатке.

В 1985 году испанская научная группа Рафаэля Наварро предложила свою модель человеческого глаза, которая с очень высокой точностью повторяла внутреннюю структуру и оптические свойства реального человеческого глаза [80]. На этот раз асферическими были сделаны все без исключения поверхности. Кроме того, впервые Наварро подобрал среды с зависимостью показателей преломления сред от длины волны (дисперсией), тем самым максимально приближенную к дисперсии реального человеческого глаза. При математическом исследовании глаза учитывались зависимости размеров, радиусов кривизны и показателей преломления хрусталика и соседних сред от степени аккомодации.

Более поздние модели являются вариациями уже существующих моделей за счёт совершенствования методов измерений и использования современных технологий изготовления оптических сред. Таковыми являются модель человеческого глаза Индианы [81], созданная в 1992 году, модель человеческого глаза Аризоны [82], модель Лиу и Бреннана [83], созданная в 1997 году и другие [84]. Из всех этих моделей можно выделить лишь модель Лиу и Бреннана, так как именно она, являясь анатомически точной, также очень точно отражает биометрические и оптические свойства реального человеческого глаза. Таким образом, именно модель Лиу и Бреннана на сегодняшний день можно считать самой точной, однако эта модель является теоретической, она очень сложна в изготовлении и до сих пор не реализована на практике.

На сегодняшний день известно, что все элементы человеческого глаза, включая роговицу [55], изменяют свои свойства во времени в зависимости от аккомодации, изменения внутриглазного давления, изменения температуры, сердцебиения и т.д.

Дж. Уоррен Блэйкер в 1979 году [85] первый ввёл понятие степени аккомодации. Она могла принимать значения от 0, что соответствовало покою аккомодации, и 1, что соответствовало максимальной аккомодации. Этот параметр использовался затем в эмпирических формулах для показателей преломления, радиусов кривизны и размеров внутриглазных элементов. Таким образом, осуществлялась связь параметров модели с аккомодацией. Несмотря на то, что Блэйкер предложил теоретическую модель, она позволила сделать первый шаг к рассмотрению динамических свойств глаза.

В течение долгого времени учёные не могли приступить к созданию динамической модели человеческого глаза. С одной стороны оптические системы того времени не очень нуждались в таком приборе, с другой стороны технологии того времени не позволяли сделать прибор такого типа. Одна из первых серьёзных попыток создать динамическую модель глаза принадлежит корейским учёным Си-Хонг Ан и др. [86]. Эта научная группа разработала линзу, фокусную длину которой можно изменять. Эта линза состояла из двух стеклянных диафрагм - активных поверхностей, которые являлись прозрачными частями своеобразного сосуда и располагались симметрично. Сосуд заполнялся маслом (или другой подобной жидкостью). Кривизна поверхностей управлялась давлением масла внутри сосуда. Таким образом, был реализован динамический оптический элемент, который изменял свою поверхность и мог создавать (либо корректировать) монохроматические аберрации в зависимости от давления внутри камеры, материала диафрагмы и её толщины.

Цель диссертационной работы

Целью данной диссертационной работы является разработка методик расширения зоны высокого разрешения изображения глазного дна на основе результатов исследования эффекта анизопланатизма глаза человека.

Защищаемые положения

1. Поведение внеосевых аберраций глаза обусловлено разъюстировкой толстых оптических элементов в оптической системе глаза: их сдвигами и наклонами относительно оптической оси. Осевые аберрации обусловлены также отклонением формы этих элементов от идеальной.

2. Использование иммерсионной жидкости на внешней поверхности роговицы глаза, описываемого моделью Гульстранда-Наварро, позволяет расширить зону изопланатизма глаза до 6.1° без ухудшения качества изображения на оси коррекции.

3. Использование метода коррекции аберраций глаза, описываемого моделью Гульстранда-Наварро, по средней фазе от двух точечных источников позволяет расширить зону изопланатизма глаза до 4.8° с остаточной ошибкой коррекции в центре до 1 рад.

4. Использование метода компенсации аберраций глаза с применением двух корректоров, компенсирующих аберрации хрусталика и роговицы, не позволяет расширить зону изопланатизма глаза.

5. Модель глаза, содержащее 18-ти электродное полупассивное биморфное зеркало с центрально-симметричной структурой расположения электродов, может эффективно использоваться для воспроизведения осевых аберраций глаза.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы 129 страниц, включая 45 рисунков, 8 таблиц. Библиография содержит 117 наименований, в том числе 16 авторских публикаций.

§4.4 Выводы к главе

В настоящей главе было проведено исследование эффекта анизопланатизма оптической системы глаза. На основании измерений внеосевых аберраций был рассчитан размер зоны изопланатизма. Для пациентов, обследованных с помощью датчика Шака-Гартмана, он варьировался от 1.5° до 2.8°. Для пациентов, обследованных по методике трассировки лучей размер зоны варьировался от 1.1° до 1.5°. Размер зоны изопланатизма для идеального глаза Гульстранда-Наварро составил 3.4°. Различие между размером зоны изопланатизма идеального и реального глаза объясняется наличием разъюстировки (смещения, поворотов оптических элементов) в оптической системе последнего.

Исследования зависимости размера зоны изопланатизма глаза от длины волны показало, что зависимость п(Х) не оказывает влияния на размер зоны изопланатизма, поэтому увеличение длины волны опорного источника приводит к пропорциональному расширению зоны изопланатизма.

Модели реального глаза, разработанные в главе 2 были использованы для исследования эффективности различных методов расширения области качественной коррекции фундус-камер, оборудованных адаптивной оптикой. Метод коррекции по средней фазе позволил расширить размер зоны изопланатизма в 1.2-1.5 раза при увеличении остаточной ошибки в центре глазного дна до 1 рад. Для модели Гульстранда-Наварро размер зоны изопланатизма был расширен до 4.8°.

Метод многосопряженной коррекции с использованием двух тонких корректоров, расположенных в плоскостях, сопряженных с хрусталиком и роговицей, не дает значительного расширения угла изопланатизма, что объясняется, тем, что глаз является системой, состоящей из толстых линз.

Предложен новый метод расширения зоны изопланатизма глаза, основная идея которого заключается в нейтрализации преломляющей силы внешней поверхности роговицы при помещении ее в среду с близким значением показателя преломления. Применение данного метода позволяет расширить зону изопланатизма в 1.5-1.9 раза без увеличения остаточной ошибки коррекции в центре глазного дна. Для модели Гульстранда-Наварро размер зоны изопланатизма был расширен до 6.1°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе было проведено исследование статических и динамических аберраций оптической системы глаза. На основании этих исследований были предложены модели глаза, воспроизводящие как его статические, так и динамические аберрационные характеристики. Был разработан ряд методов для расширения зоны качественной(диффракионно-ограниченной) коррекции изображения глазного дна, получаемого посредством фундус-камер, оборудованных системами адаптивной оптики.

• Был проведен анализ ошибок, возникающих при измерении аберраций глаза методом Шака-Гартмана. Показано, что суммарная ошибка, включающая неточность позиционирования зрачка, конечное пространственное разрешение камеры, дискретизацию сигнала на камере и шумы камеры составляет около 0.025 мкм. Ошибка, связанная с неравномерностью распределения интенсивности составляет около 0.012 мкм, однако этой ошибки можно избежать, используя алгоритм восстановления волнового фронта, учитывающий распределение интенсивности анализируемого пучка.

• Предложены модели глаза, воспроизводящие как внеосевое так и осевое поведение аберраций. Анализ моделей позволил сделать вывод о том, что поведение внеосевых аберраций глаза определяется в первую очередь формой оптических элементов, их смещением, наклоном относительно оси фиксации.

• Экспериментально реализована динамическая модель глаза, основанная на гибком 18-ти электроном биморфном зеркале. Модель воспроизводит аберрации глаза в режиме реального времени на частотах, соответствующих флуктуациям аберраций глаза с точностью, превышающей А/10 (RMS) и А/20 для каждой аберрации в отдельности.

• Рассмотрены различные способы расширения зоны изопланатизма. Изменение длины волны опорного источника приводит к пропорциональному изменению зоны изопланатизма. Дисперсионные свойства глаза не оказывают влияние на размер зоны изопланатизма. Использование метода коррекции по средней фазе для обследованных пациентов дает увеличение в 1.2 - 1.5 раза, однако остаточная ошибка коррекции в центре увеличивается до 1 рад. Метод коррекции с использованием двух тонких корректоров, расположенных в плоскостях, сопряженных хрусталику и роговице не дает значительного изменения(ДО ~ 0.1 0 - 0.2°), что объясняется наличием толстых сферических элементов глаза.

• Предложен новый метод расширения зоны изопланатизма глаза, основная идея которого заключается в нейтрализации преломляющей силы внешней поверхности роговицы при помещении ее в среду с близким значением показателя преломления. Применение данного метода для моделей глаза, соответствующих обследованным пациентам позволило расширить зону изопланатизма в 1.5-1.9 раза без ухудшения качества коррекции в центре глазного дна.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность своим руководителям - Черезовой Татьяне Юрьевне и Кудряшову Алексею Валериевичу за постановку интересных задач, за каждодневное внимание, а также за уникальную возможность участия в международных конференциях.

Также автор искренне признателен коллективу компании Активная Оптика за его неоценимый опыт в создании адаптивных оптических систем и готовность делится своими знаниями.

Отдельная благодарность выражается студентам и аспирантам лаборатории Диагностики и Формирования Лазерного Излучения ценные консультации и помощь в проведении экспериментов.

1. Barten P. Contrast sensitivity of the human eye and its effects on image quality!1.PIE Optical Engineering Press (1999).

2. Rubin M. L. Spectacles: past, present andfuturell Surv. Ophthalmol. 30, pp. 321-327(1986).

3. Семчишен В., Мрохен M., Сайлер Т. Оптические аберрации человеческого глаза и их коррекцияII Рефракционная хирургия и офтальмология, Т.З., №1, сс. 5-13 (2003).

4. Artal P. Understanding Aberrations by using Double-pass techniques.il J. Refract. Surg, Vol. 16, No 5, pp. 560-562 (2000).

5. Koh S., Maeda N., Kuroda Т., Hori Y., Watanabe H., Fujikado Т., Tano Y., Hirohara Y., Mihashi T. Effect of tear film break-up on higher-order aberrations measured with wavefront sensor I I Am J Ophthalmol, №134. -pp. 115-117(2002).

6. Barbero S., Marcos S., Merayo-Lloves J., Moreno-Barriuso E. Validation of the estimation of corneal aberration from videokeratography in keratokonus.il J. Refract. Surg. ,Vol. 18, No 3, pp. 263-270(2002).

7. Maeda N., Fujikado Т., Kuroda Т., et al. Wavefront aberrations measured with Hartmann-Shack sensor in patients with keratoconus.il Ophthalmology, v. 109, №11 pp. 1996-2003(2002).

8. Wang W., Wang Z.-G., Wang Y., Zuo H.-Q. Study of influence of accommodation on wavefront aberration!I Proc. SPIE, v. 6018, pp. 105-112 (2005).

9. Atchison D.A. Aberrations associated with rigid contact lenses!I J. Opt. Soc. Am. A, v. 12, №10,pp. 2267-2273 (1995).

10. Patel S., Fakhry M., Alio JL. Objective assessment of aberrations induced by multifocal contact lenses in vivo!I CLAO J. v. 28, №4 pp. 196-201 (2002).ll.Azar D.T., Koch D.D. LASIK, Fundamentals, Surgical Techniques and

11. Chalita M.R., Waheed S., Xu M., Krueger R.R. Wavefront Analysis in Post-LASIK Eyes and its Correlation with Visual Symptoms, Refraction and Topography.!! Invest Ophthalmol Vis Sci., №44 (5), p. 2651 (2003).

12. Mrochen M., Kaemmerer M., Mierdel P., Krinke H.E., Seiler T. Principles ofTscherningAberrometry.il J. Refract. Surg. v. 16. No 5. pp. 570-5712000).

13. Смирнов M.C. Измерение волновой аберрации человеческого глаза Биофизика/1 № 6, сс. 687-703 (1961).

14. Campbell W., Harrison Е. Н., and Simonet P. Psychophysical measurement of the blur on the retina due to optical aberrations of the eye// Vision Res. 30, pp. 1587-1602(1990).

15. Webb R. H., Penney С. M., and Thompson К. P.Measurement of ocular local wavefront distortion with a spatially resolved refractometerll Appl. Opt. 31, pp. 3678-3686(1992).

16. He J. C., Marcos S., Webb R. H., and Burns S. A. Measurement of the wave-front aberration of the eye by a fast psychophysical procedurell JOSA A, v.15, №9, pp.2449-2456 (1998).

17. F. W. Campbell and R. W. Gubisch Optical quality of the human eye!I J. Physiol. (London) 186, pp. 558-578 (1966).

18. Walsh G., Charman W. N., and Howland H. C., Objective technique for the determination of monochromatic aberrations of the human eye!I J. Opt. Soc. Am. A 1, pp. 987-992(1984).

19. Santamaria J., Plaza A., and Bescos J., Dynamic recording of the binocular point spread function of the eye optical system // Opt. Appl. 24, pp. 341-347 (1984).

20. Williams D. R., Brainard D. H., McMahon M. J., and Navarro R. Double-pass and interferometric measures of the optical quality of the eye J. Opt. Soc. Am. A v.l 1, pp. 3123-3135 (1994).

21. Santamaria J., Artal P., and Bescos J. Determination of the point-spread function of the human eye using a hybrid optical-digital method// J. Opt. Soc. Am. A v.4, pp. 1109-1114 (1987).

22. Дж. Гудман Введение в Фурье-оптику, М: Мир (1970).

23. Artal P., Marcos S., Navarro R., and Williams D. R. Odd aberrations and double-pass measurements of retinal image quality// J. Opt. Soc. Am. A v. 12, pp. 195-201 (1995).

24. Haro L. Diaz Santana, Dainty J.C. Effects of retinal scattering in the ocular double-pass process//J. Opt. Soc. Am. v.18, pp.1437-1444 (2001).

25. Haro L. Diaz Santana and Dainty J.C. Single-pass measurements of the wave-front aberrations of the human eye by use of retinal lipofuscin autofluorescence/f Opt. Lett. v. 24, pp.61-63 (1999).

26. R.M. Boynton Human Color Vision!I Optical Society of America 1(1992).

27. Van Blokland G. J.and Verhelst S. C. Corneal polarization in the living human eye explained with a biaxial model!! J.Opt. Soc. Am. A 4, pp. 82-90 (1987).

28. Pierscionek В. К. and Weale R. A. Investigation of the polarization optics of the living human cornea and lens with Purkinje imagesII Appl. Opt. v.37, pp.6845-6851 (1998).

29. Brink H. B. Birefringence of the human crystalline lens in vivo/1 J. Opt. Soc. Am. A v.8, pp. 1788-1793 (1991).

30. Bueno J. M. and Campbell M. C. W. Polarization properties for in vitro human lenses!I Invest. Ophthalmol. Visual Sci. Suppl. v.42, S161 (2001).

31. Dreher W., Reiter K., and Weinreb R. N. Spatially resolved birefringence of the retinal nerve fiber layer assessed with a retinal laser ellipsometer'' Appl. Opt. v. 31, pp.3730-3735 (1992).

32. Bour L. F. Polarized light and the eye in Vision and Visual Disfunctionll Vol. 1: Visual Optics and Instrumentation, W. N. Charman, ed.Macmillan, New York) pp. 310-325 (1991).

33. Prieto P. M., Vargas-Martin F., McLellan J. S., and Burns S. A., The effect of the polarization on ocular wave aberration measurements!I J. Opt. Soc. Am. A v.19, pp.809-814 (2002).

34. Webb R. H., Penney С. M. and Thompson K. P. Measurement of ocular local wave-front distortion with a spatially resolved refractometerll Appl. Opt. v.31, pp. 3678-3686 (1992).

35. Bueno J M, Berrio E and Artal P Aberro-polariscope for the human eyell Opt. Lett, v.28 pp.1209-1211(2003).

36. Burns S. A., Wu Shuang, Delori F., and Eisner A. E. Direct measurement of human-conephotoreceptor alignmenll J. Opt. Soc. Am. A v. 12, No. 10, (1995).

37. Laties M. and Enoch J. M. An analysis of retinal receptororientationll Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. v. 10, pp. 69-77 (1971).

38. Mino M., and Okano Y. Improvement in the OTF of a defocused optical system through the use of shaded apertures!I Appl. Opt. v.10, pp. 22192225 (1971).

39. Campbell F. W. and Gubisch R. W.Optical quality of the human eye," J. Physiol. (London) 186, pp. 558-578 (1966).

40. Marcos S., Burns S. A., and He J. Chang Model for cone directionality reflectometric measurements based on scattering!I J. Opt. Soc. Am. A v. 15, pp. 2012-2022 (1998).

41. Beckmann P. and Spizzino A. The Scattering of Electromagnetic Waves from Rough Surfaces!I Pergamon, New York (1963).

42. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, М: Мир (1981)

43. Larichev A.V., Ivanov P. V., Iroshnikov N. G., Shmalhausen V. I. Measurement of Eye Aberrations in a Speckle Field, Quantum Electronic!1, v.31, p. 1108 (2001).

44. Prieto P. M., Vargas-Martin F., Goelz S., Artal P. Analysis of the performance of the Hartmann-Shack sensor in the human eye!! J. Opt. Soc. Am. A! v. 17, No. 8 pp.1388-1398 (2000).

45. Hofer H. J., Porter J., and Williams D. R., presented at the 1998 Annual Meeting of the Association for Research in Vision and Ophthalmology, Fort Lauderdale, Fla.,May 10-15, (1998).

46. Williams D. R., Liang J., Miller D., and Roorda A. Wavefront Sensing and Compensation for the Human Eye!! in Adaptive Optics Engineering Handbook, R. K. Tyson, ed. Marcel Dekker, New York, pp. 287-310(1999).

47. Liang J., Williams D. R., and Miller D. T. Supernormal vision and high-resolution retinal imaging through adaptive optics!! J. Opt. Soc. Am. A v.14, pp.2884-2892 (1997).

48. Navarro R., Moreno-Barriuso E., Bara S., and Mancebo T. Phase plates for wave-aberration compensation in the human eye!! Opt. Lett. 25, pp.236-23 8 (2000).

49. Vargas-Martin F., Prieto P., and Artal P. Correction of the aberrations in the human eye with liquid-crystal spatial light modulators: limits to the performance!/ J. Opt. Soc. Am. A v. 15, pp.2552-2562 (1998).

50. Hofer H., Artal P., Singer В., Aragon J.L., and Williams D.R. Dynamics of the eye's wave aberration J. Opt.Soc. Am. A v. 18, pp.597-506 (2001).

51. Diaz-Santana L., Torti C., Munro I., Gasson P., Dainty C. Benefit of higher closed-loop bandwidths in ocular adaptive optics!I Optics Express, v. 11, No. 20 p.2597 (2003).

52. Fernandez E.J., Iglesias I., and Artal P. Closed-loop adaptive optics in the human eye!I Opt. Lett. v. 26, pp.746-748 (2001).

53. Larichev, P. Ivanov, I. Irochnikov, V. Shmalhauzen, L.J.Otten, Adaptive system for eye-fundus imaging!I Quantum Electronics, v.32, №10 (2002).

54. Doble N., Yoon G., Li Chen, Bierden P., Singer В., Olivier S., Williams D. R. Use of a microelectromechanical mirror for adaptive optics in the human eye// OPTICS LETTERS / v. 27, No. 17 (2002).

55. Erry G., Otten J., Harrison P. Samarkin V. Characterization of large deformable mirrors// Proc. SPIE 5572 pp. 273-280 (2004).

56. Kudryashov A. V. Tiny bimorph mirrors for laser beam control// Proc. SPIE 6113 pp.94-99 (2006).

57. Vdovin G., Loktev M., Naumov A. On the possibility of intraocular adaptive optics// Optics Express, v. 11, No 7 (2001).

58. Vdovin G. V., Simonov A. N., Rombach M., Loktev M. Y. Adaptive micro-optics inside the eye //Proc. SPIE 6113 pp.131-136 (2006).

59. A. Larichev, N.Yaitskova, V.Shmalgausen Field of view widening in non-astronomical adaptive systems!/Proceedings of The 2nd International Workshop on AO for Industry and Medicine, pp. 272-277 (2000).

60. Artal P., Navarro R. Simultaneous measurement of two point-spread functions at different locations across the human retinal/ Applied Optics v.31, No. 19, pp.3646-3656 (1992).

61. Marcos S., Burns S. A., and He J. Chang Model for cone directionality reflectometric measurements based on scattering I'/J. Opt. Soc. Am. A v. 15, pp. 2012-2022 (1998).

62. Navarro R., Moreno E., and Dorronsoro C. Monochromatic aberrations and point-spread functions of the human eye across the visual field J. Opt. Soc. Am. A v.15, pp. 2522-2529 (1998).

63. Smith G., Atchison D., Designing lenses to correct peripheral refractive errors of the eye!I J. Opt. Soc. Am. A v. 19, No. 1 (2002).

64. P. Mouroulis Visual Instrumentation: Optical Design and Engineering Principles, Editor Copyright By Mcgraw-Hill, Inc., New York(1999).

65. Duke-Elder S. and Abrams D., System of Ophtalmology V Mosby, St. Louis, (1970).

66. Scheiner C. Sivefundamentum Innspruk (1619).

67. Newton I., The Optical Papers of Isaac Newton, v. 1: The Optical Lectures pp. 1670-1672., ed. A.E.E. Shapiro, 1984 Cambridge University Press, Cambridge (1670).

68. Helmholtz von HH Handbuch der Physiologishen Optik. In Southall, J.P.C. (Translator) (1909), Helmholtz's treatise on physiological optics. New York: Dover (1962).

69. Gullstrand A., Appendix II.3. The optical system of the eye, ed. H.v. Helmholtz, Physiological Optics. English translation: Southall, J.P.C. (ed.) (Optical Society of America, Washington,D.C., 1924,1909), pp. 350-358 .

70. Gullstrand A. Howl found the mechanism of intracapsular accommodation!I Nobel Lecture, December 11 (1911).

71. Le Grand, Y., Form and Space Vision, ed. Heath G.G.and Millodot M. Indiana University Press, Bloomington (1967).

72. Черкасова Д.Н Офтальмологическая оптика// (курс лекций), Санкт-Петербург (2001).

73. Emsley Н.Н., Visual Optics 5thI I Hatton Press Ltd, London (1952).

74. Lotmar W. Theoretical eye model with Aspherics/f JOS A, v.61, pp. 1522-1529(1971).

75. Navarro R., Santamaria J. and Bescos J. Accommodation-dependent model of the human eye with asphericsll. J. Opt. Soc. Am. A, v.2, pp. 1273-1281 (1985).

76. Thibos L.N., Ye M., Zhang X. and Bradley A. The chromatic eye: a new reduced-eye model of ocular chromatic aberration in humansll Appl. Opt., v.31, pp. 3594-3600 (1992).

77. Schwiegerling J. Field Guide to Visual Opticsll SPIE Press (2004).

78. Liou H.L. and Brennan N.A. Anatomically accurate, finite model eye for optical modeling//. J. Opt. Soc. Am. A, 14, pp.1684-1695 (1997).

79. Siedlecki D., Kasprzak H., Barbara K. Pierscionek Schematic eye with a gradient-index lens and aspheric surfaces!I Optics Letters, v.29, №11, pp.1197-1199 (2004).

80. Blaker J. W. Toward and adaptive model of the human eye //J. Opt. Soc. Am. v.70, pp.220-223 (1980).

81. Ahn S., Kim Y. Proposal of human eye's crystalline lens-like variable focusing lens//, Sensors and Actuators, v.78, pp.48-53, (1999).

82. Liang J., Grimm В., Goelz S., and Bille J. F. Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor II J. Opt. Soc. Am. A v. 11, pp. 1949-1957 (1994).

83. Galetskiy S. Letfullin R., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov A. Custom-oriented wavefront sensor for human eye properties measurements!! Proc. SPIE v. 6018, pp. 51-59 (2005).

84. Галецкий С., Дубинин А., Летфуллин P., Беляков А., Черезова Т., Кудряшов А. Адаптивная оптическая система для измерения ивоспроизведения свойств человеческого глазаП Оптический Форум "Оптика 2005", с. 10 (Москва 2005).

85. Беляков А., Черезова Т., Кудряшов А. Методы адаптивной оптики в исследовании свойств оптической системы глазаП Программа 11-го Международного Симпозиума по Оптике Атмосферы и Океана, с.78 (Томск 2004).

86. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров СанПиН 5804-91.

87. American National Standard for Methods for Reporting Optical Aberrations of Eyes// Rep. ANSI Z80.28 (2004).

88. Noll R.J. Zernike polynomials and atmospheric turbulence// J. Opt. Soc. Am., v.66, pp.207-211 (1976).

89. Александров А.Г., Беляков А.И., Галецкий C.O., Завалова В.Е., Кудряшов А.В., Черезова Т.Ю. Учет неравномерности распределения интенсивности при измерении аберраций человеческого глаза//, МГОУ XXI Новые Технологии №4, с. 11-15 (2006).

90. Letfiillin R., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov A. Double-pass measurement of human eye aberrations: limitations and practical realization// Proc. SPIE v. 5572, pp.340 350 (2004).

91. Dubinin A., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov A. Anisoplanatism in human retina imaging// Proc. SPIE v.5894, pp. 88-94 (2005).

92. Dubinin A., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov A. Impact of aberrations of crystalline lens and the cornea on the size of isoplanatic patch in the human eye// Proceedings of Conference Laser Optics Saint-Petersburg p.8 (2006).

93. Галецкий С.О., Беляков А.И., Черезова Т.Ю., Кудряшов А.В. Создание модели человеческого глаза методами адаптивной оптики II Оптический Журнал, том 73,7, стр. 79-82(2006).

94. Т. Young Philos. Trans. R. Soc. London 19,23 (1801).

95. Artal P. and Guirao A. Contributions of the cornea and the lens to the aberrations of the human eyell Optics Letters, v.23, pp.2721-2723, (1998).

96. Letfullin R., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov A. A human eye model based on bimorph flexible mirrorll Proc. SPIE, v.5864, pp. 97-104 (2005).

97. Letfullin R., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov Human eye model based on bimorph flexible mirrorll Proc. SPIE v.5894, pp.95-102 (2005).

98. Galetskiy S., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov A. Dynamic generation of phase profiles inherent to human eyell Technical Digest of Laser Optics for Young Scientists p.23 (Saint-Petersburg 2006).

99. С.Галецкий, А.Дубинин, А.Беляков, Т.Черезова, А.Кудряшов Пространственно-временные свойства аберраций человеческого глаза!! Программа Конференции "Лазерная физика и Оптические Технологии", с. 63 (Гродно 2006).

100. Cherezova T.Yu., Chesnokov S.S., Kaptsov L.N., Kudryashov A.V., Super-Gaussian output laser beam formation by bimorph adaptive mirrorll Opt. Comm. 155, pp. 99-106 (1998)

101. Рукосуев А. Л. Коррекция фазовых искажений излучения тераваттных фемтосекундных лазеров методами адаптивной оптики, канд. дисс. Томский Государственный Университет, (2006).

102. Сивухин Д В, Общий курс физики. Т. 3 Электричество. М. -Наука Физматлит (1996).

103. Escudero-Sanz I., Navarro R., Off-axis aberrations of a wide-angle schematic eye modelll J. Opt. Soc. Am. A 16, pp.1881-1891 (1999).

104. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики// Наука (1985).

105. Шмальгаузен В.И., Яицкова Н.А. Адаптивная коррекция изображения в условиях анизопланатизма для модели слоистой атмосферы// Оптика Атмосферы и Океана, т. 11, вып.4, с. 364 368 (1998).

106. Яицкова Н. А. Адаптивная коррекция изображений в условиях анизопланатизма!I канд. дисс., Московский Государственный Университет (1999).

107. Dubinin A., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov А. Anisoplanatism in adaptive optics compensation of human eye aberrations!7 Proc. SPIE v.5572, pp. 330 -340 (2004).

108. Dubinin A., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov Human retina imaging: isoplanatism considerations!I Proc. SPIE, v.5864, pp. 95-113 (2005).

109. Galetskiy S., Belyakov A., Cherezova Т., Kudryashov A. Dynamic generation of phase profiles inherent to human eye!! Technical Digest of Laser Optics for Young Scientists p.23 (Saint-Petersburg 2006).

110. Larry N. Thibos, Ming Ye, Xiaoxiao Zhang, and Arthur Bradley The chromatic eye: a new reduced-eye model of ocular chromatic aberration in humans!! APPLIED OPTICS, v. 31, No. 19 ,1 July (1992).

111. Tokovinin A., Le Louarn M., Sarazin M. Isoplanatism in a multiconjugate adaptive optics system!'! J. Opt. Soc. Am. A v. 17, pp. 1819-1827(2000).