7.2 Полуэмпирическая динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока

При разработке модели приняты следующие основные положения. Склон малого речного водосбора рассматривается как совокупность участков с различными стокоформирующими свойствами [И.Л. Калюжный, Н.М. Сушков, 1986]. Формирование таких различий обусловлено нерегулярным стохастическим характером распределения снежного покрова на склоне и водопроницаемости мерзлой почвы. Основными факторами, обусловливающими водопроницаемость почвы, являются тип почвенного покрова, глубина промерзания и влажность верхних горизонтов почвы к моменту начала снеготаяния. Процесс впитывания на всем склоне в значительной степени обусловлен вариациями глубины промерзания, поскольку влажность почвы по длине склона меняется незначительно. В этой связи предполагается, что пространственное распределение участков склона с различной водопроницаемостью подчиняется тем же статистическим закономерностям, что и поле снежного покрова.

Исходными данными для расчета гидрографа и объема ПВСС с использованием Д-С-М являются: осадки и температура воздуха за зимний период и за время снеготаяния, максимальные запасы воды в снеге (снегозапасы), значения влажности почвы на начало таяния снежного покрова, а также гидрофизические характеристики снега и почвы. В Д-С-М последовательно рассчитываются: статистическая структура поля снежного покрова на склоне с помощью метода Монте-Карло, а затем динамика глубины промерзания почвы в зимний период и ее оттаивания после схода снежного покрова, водоотдача из снега, водопроницаемость почвы на элементарном участке склона, гидрограф и объем талых вод со всего склона. Расчет ведется для условий возникновения или отсутствия водонепроницаемого или «запирающего» слоя в верхних горизонтах почвы [И.Л. Калюжный, К.К. Павлова, 1981]. Расчеты показали, что Д - С - М весьма реалистично описывает процесс формирования склонового стока в период весеннего снеготаяния. В частности, коэффициент корреляции между рассчитанными и измеренными значениями гидрографов стока составил в среднем R_k = 0.85, а критерий качества расчета- = 0,52,

где S - среднеквадратичное отклонение рассчитанных и измеренных величин суточного ПВСС, Ds - дисперсия измеренных величин ПВСС за сутки. При этом учет в Д - С - М случайной вариации снегозапасов увеличивает точность расчета объемов ПВСС на 30%.

Достаточно высокая степень адекватности модели данным фактических наблюдений позволяет рассматривать ее как надежный метод оценки эффективности различных агротехнических и других мелиоративных (в широком смысле) мероприятий, используемых для улучшения структуры водного баланса склонов и малых водосборов в весенний период.

7.3 Гидрологическая эффективность регулирования ПВСС на основе применения нетрадиционных сельскохозяйственных технологий

Наиболее перспективными нетрадиционными агротехнологиями в земледелии для улучшения гидрологического режима водосборов в период снеготаяния являются: создание с осени в агрогеосистемах кулис из высокостебельных растений (подсолнечника, просо, горчицы и др.) и мульчирование почвы растительными остатками (соломой и др.).

Оценка гидрологической эффективности кулис из высокостебельных растений оценивалось на основе Д-С-М моделирования процессов формирования ПВСС на примере экспериментального водосбора КБС ИГРАН для условий с естественным залеганием снежного покрова и в предположение, что на нем по горизонталям поперек склона расположены кулисы. Расстояние между кулисами принималось 6.2 м [А.М. Шульгин, 1972, И.Л. Калюжный, Н.М. Сушков, 1986]. Процедура расчета ПВСС и приращения влагозапасов в почве оставалась той же самой, что и при моделировании этих процессов для условий естественного залегания снежного покрова без кулис, за исключением методики моделирования снегозапасов и расчета водоотдачи из снега. При наличии кулис происходит увеличение запаса воды в снеге. Для оценки приращения снегозапасов при кулисовании были обобщены приведенные в литературе данные [А.М. Шульгин, 1972] и получена эмпирическая формула, позволяющая рассчитать это приращение по данным о среднем запасе воды в снеге для естественных условий его залегания. [С.В. Ясинский, 1994]:

(19),

где - среднее значение снегозапасов на объекте с кулисами,

- среднее значения снегозапасов при естественном залегании снега (мм).

Распределение снегозапасов по длине склона моделировалось с использованием авторегрессионной зависимости, учитывающей внутрирядную корреляцию между ними на соседних участках склона [И.Л. Калюжный, Н.М. Сушков 1986]. При этом рассматривались отдельно снегозапасы в межкулисном пространстве и над кулисами, которые над данными элементами склона принимаются постоянными [Е.М. Гусев, 1993]. Расчет водоотдачи из снега, в данной задаче осуществлялся по коэффициенту водоотдачи, равному 5 мм/град положительной среднесуточной температуры воздуха [С.В. Ясинский, 1991]. Проведенные расчеты подтвердили известный факт, что несмотря на значительный положительный гидрологический эффект от применения кулис, в отдельные годы эта агротехнология может увеличивать ПВСС и, как следствие, обусловленную им эрозию почвы. В то же время вероятность достижения положительного эффекта от применения кулис достаточно велика и эта агротехнология может рассматриваться как альтернатива механическому снегозадержанию, которое до недавнего времени широко применялась на практике. Еще одной перспективной агротехнологией, способствующей созданию благоприятных условий для впитывания воды в почву, снижению ПВСС и эрозии почвы является мульчирование с осени ее поверхности растительными остатками.

Выявление эффективности мульчирования почвы из соломы на изменение гидротермического режима почвы в холодный период года основано на результатах экспериментальных исследований, выполненных на КБС ИГРАН в зимнее - весенний сезоны 1987/ 1988 гг. [С.В. Ясинский,1994]. Сущность этих работ заключалась в следующем: на трех небольших участках, площадью 1.5х1.5 м - паровом участке без растительности, аналогичном участке, покрытом мульчей из соломы высотой 8-10 см и на участке с естественным травяным покровом по постоянным снегомерным рейкам проводились ежедекадные наблюдения за высотой снежного покрова и глубиной промерзания почвы по мерзлотомеру Данилина. Результаты наблюдений приведены на рис. 9.

Рис. 9. Динамика высоты снежного покрова, см глубина промерзания почвы, см на опытных площадках Курской биосферной станции ИГ РАН в зимнее-весенний периоды 1987/88 г.:

- высота снега

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

- почва с мульчей,

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

- почва с естественной растительностью,

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

- открытый пар

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при однородных метеорологических условиях над участками (данные о высоте снега усреднены для всех участков), мульча из соломы примерно в два раза уменьшает глубину промерзания почвы по сравнению с оголенным паровым участком. В то же время термический режим почвы на участке под мульчей оказался близким к участку с естественной растительностью. Результаты приведенных выше экспериментальных исследований были использованы при физико-математическом моделировании изменений гидротермического режима почвы под влиянием мульчи из соломы в холодный период и уже после снеготаяния на небольших экспериментальных участках [Е.М. Гусев, С.В. Ясинский, 1990], но не охватывали период формирования самого ПВСС непосредственно на склонах водосборов малых равнинных рек. В этой связи в работе на основе расчетов по Д - С - М проведен сравнительный анализ гидрологической эффективности мульчирования почвы соломой и комплекса других традиционных агротехнических приемов осенней обработки почвы непосредственно для периода весеннего снеготаяния [С.В. Ясинский и др., 2008]. Для расчетов использовались данные, полученные автором на экспериментальных объектах КБС ИГРАН и Всероссийского института земледелия и защиты почв от эрозии (ВНИИЗ и ЗПЭ), приведенные М.М. Ломакиным (1988) за 1979-1985 гг. База необходимых для расчета данных включала 56 годопунктов (стоковых площадок и малого экспериментального водосбора) с разным видом подстилающей поверхности, образованных применением различных агротехнологий.

Для основных типов подстилающей поверхности (зябь и уплотненная почва) были проведены расчеты влияния изменения высоты мульчи из соломы на изменения глубины промерзания, слоя и коэффициента ПВСС, и элементов водного баланса склонов (рис. 10-12)

Рис. 10. Зависимость глубины промерзания от слоя мульчи из соломы. Здесь и далее: А - тип поверхности 1 (зяблевая пахота), Б - тип поверхности 2 (уплотненная почва)

Рис. 11. Зависимость весеннего склонового стока от мощности слоя мульчи из соломы

Рис. 12. Зависимость коэффициента весеннего склонового стока от слоя мульчи из соломы

Результаты расчетов показали, что мульчирование с осени почвы растительными остатками (соломой) является в гидрологическом отношении весьма эффективной агротехнологией. Ее применение оказывает существенное влияние на уменьшение ПВСС, как главного фактора обусловливающего формирование негативных процессов на водосборах малых равнинных рек. В то же время многие вопросы применения мульчирования почвы растительными остатками требуют своего дальнейшего изучения по результатам специально поставленных в разных природных зонах экспериментов и их теоретического обобщения. В этих работах необходимо также исследовать влияние мульчи из соломы на урожайность сельскохозяйственных культур и рост сорной растительности, окультуренность и плодородие почвы, изменение почвенной фауны, смыв почвы и диффузное загрязнение водных ресурсов малых рек. Их решение в сочетании с анализом экологической эффективности комплекса других природоохранных мероприятий (оптимизация пространственной структуры малых водосборов, создание полезащитных лесных полос и др.) будет способствовать формированию высокопродуктивных агроланшафтов и в целом улучшению социально-экологической среды в основных зернопроизводящих регионах страны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

В диссертации выявлены основные закономерности формирования гидрологического режима водосборов малых равнинных рек, расположенных в основных природных зонах Европейской части России и разработаны пути его улучшения.

1. Дана характеристика современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек. Показано, что основные отличия малых от средних и крупных равнинных рек заключаются не только в размерах их морфологических характеристик, но прежде всего в более тесной связи характеристик водных, хемогенных и биогенных потоков в русловой сети этих рек от геоэкологического состояния их водосборов. Геоэкологическое состояние водосборов малых рек в значительно большей степени зависит от местных особенностей взаимодействия процессов гидрологического цикла со всеми компонентами слагающих их геосистем, а также косвенных антропогенных нагрузок от сельского и лесного хозяйства и рекреации, чем более крупных рек, водный режим и качество воды которых определяются зональными условиями изменения теплового и водного балансов их водосборов и прямыми антропогенными воздействиями от промышленности и ЖКХ. На примере бассейна р. Волги выявлена динамика прямых (водопотребление и водоотведение) и косвенных антропогенных нагрузок (площадь пашни, дозы внесения органических и минеральных удобрений, урожайность сельскохозяйственных культур) в постсоветский период и получены оценки влияния изменений этих нагрузок на гидроэкологическое состояние малых рек. В целом современное гидроэкологическое состояние малых равнинных рек оценивается как весьма неблагоприятное. Определенные перспективы ее решения связаны с разработкой предусмотренных Водным Кодексом (2006 г.) Схем комплексного использования и охраны водных объектов, в которых специфика малых рек для конкретного речного бассейна может быть учтена путем определения приоритетов в осуществлении водоохранных мероприятий.

2. Показано, что основным гидрологических процессом, обеспечивающим тесную связь водосбора и малой равнинной реки, определяющего ее водный режим и качество воды на рассматриваемой территории, является поверхностный склоновый сток в период весеннего снеготаяния (ПВСС). Установлено, что зависимости между средними многолетними значениями ПВСС для разных видов подстилающей поверхности и речного стока малых равнинных рек в период весеннего половодья устойчивы во времени, а аппроксимации их степенными функциями могут быть использованы в гидрологических расчетах с приемлемой для практики точностью. Получены оценки вклада ПВСС в формировании водности и качества воды малых рек. Отмечено, что ПВСС является основным фактором возникновения таких негативных процессов, как уменьшение водности, загрязнение водных ресурсов, заиление долин и русел малых рек, обусловливающих не только их неблагоприятное гидроэкологическое состояние, но и ухудшение водного режима и качества воды более крупных рек.

3. Разработана геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек, основанная на представлении о них как природно - антропогенных геосистемах локального уровня. Сформулирована цель экологически безопасного улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек, достижение которой должно основываться на профилактическом принципе, согласно которому необходимо, прежде всего, не допускать и устранять причины возникновения и развития негативных процессов на водосборах и в речной сети малых рек, а не бороться с их последствиями. Показано, что наиболее перспективным направлением в достижении этой цели является оптимизация пространственной ландшафтной структуры территории малых равнинных водосборов в сочетании с применением для агрогеосистем нетрадиционных агротехнологий. Выбор оптимального варианта ландшафтной структуры водосбора должен быть основан на достижении результатов моделирования гидролого-геохимических процессов, формирующихся на водосборе, для различных вариантов ее конфигурации, задаваемых с применением ГИС-технологий, значений ряда критериев, используемых для оценки гидроэкологического состояния водных объектов.

Сформулирован алгоритм действий по практическому применению этой концепции.

4. Выявлены закономерности внутри и межзональных многолетних изменений показателей климата (температуры воздуха и осадков) и получены оценки времени реакции на них факторов гидротермического состояния водосборов на начало снеготаяния (максимальных снегозапасов, глубины промерзания и влажности почвы), ПВСС, годового и весеннего речного стока малых равнинных рек в разных природных зонах Русской равнины.

Показано, что в основных природных зонах Русской равнины:

а) определяющий вклад в изменение средней годовой температуры воздуха оказывают ее изменения в холодный сезон года.

б) наоборот, изменения средних годовых сумм осадков обусловлены более высокой степенью связности с осадками в теплый сезон.

в) отсутствует связь между средними годовыми температурой воздуха и суммами осадков;

г) во всех природных зонах раньше всех происходит увеличение осадков в холодный сезон года;

д) начало увеличения средних годовых и за теплый сезон осадков во всех природных зонах запаздывает по времени в среднем на 12 лет от начала увеличения осадков холодного сезона;

ж) в то же время на те - же в среднем 12 лет происходит запаздывание наступления фазы увеличения одноименных видов осадков в лесостепной и степной зонах по отношению к началу их роста в южной части лесной зоны;

з) наибольшие отличия для всех природных зон присущи многолетней изменчивости температуры воздуха в теплый сезон.

и) в многолетних изменениях показателей климата определяющую роль в целом играет их внутри зональная изменчивость и меньшую - их межзональное взаимодействие.

Для всех природных зон с большой уверенностью диагностируется существенное изменение региональных климатических условий после конца 70-х годов прошлого века: статистически значимо возросли средние годовые и за отдельные сезоны осадки и температура воздуха. Средние годовые суммы осадков в степной зоне увеличились на 26%, в других природных зонах в среднем на 11%. Средняя годовая температура воздуха повысилась на 0.7⁰С в южной части лесной зоны и на 1⁰С в других природных зонах.

Наибольшее и наиболее быстрое влияние на изменение факторов гидротермического состояния водосборов на начало весеннего снеготаяния оказывает повышение температуры воздуха в холодный сезон. В результате изменений характеристик показателей климата происходит перестройка структуры их водного баланса в весенний сезон, выражающаяся в резком уменьшении ПВСС и увеличении доли грунтового стока в годовом стоке рек. За счет эффекта запаздывания в южной части лесной и лесостепной зонах, время реакции речного стока на многолетние изменения климата составляет в среднем 6-8 лет. В степной зоне полной перестройки структуры водного баланса водосборов не произошло. Фаза уменьшения ПВСС и речного стока, продолжается до настоящего времени, в связи с чем сделан вывод о том, что время реакции годового речного стока на совместное влияние многолетних изменений показателей регионального климата и хозяйственной деятельности в этой природной зоне может составлять 25 и более лет.

Наличием лесов обусловлена квазисинхронность речного стока в маловодную по осадкам фазу в лесной и лесостепной зонах, а их отсутствием и большой мощностью зоны аэрации - асинхронность в степной зоне, по отношению к другим природным зонам. Различные виды хозяйственной деятельности на водосборе и в речной сети малых равнинных рек могут увеличивать время реакции годового речного стока на региональные многолетние колебания показателей климата (в южной части лесной и степной зонах), либо полностью их компенсировать (в лесостепной зоне). Изменения речного стока в период весеннего половодья в большей степени зависят от хозяйственной деятельности непосредственно в речной сети, чем от влияния колебаний регионального климата, которые оказывают непосредственное влияние на формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек.

5. Сформулированы основные положения геоэкологического анализа антропогенных нагрузок на водосборы малых равнинных рек. Разработана методика такого анализа, сущность которой заключается в формировании матрицы антропогенных нагрузок в абсолютных и относительных показателях для малых водосборов, образующих гидрографическую сеть основной реки и последующего геоэкологического районирования всего ее бассейна по преобладающим видам антропогенных воздействий и степени экологической опасности. Различные варианты этой методики апробированы на примерах всего водосбора р. Истры и территории зоны наибольшего взаимовлияния Истринского водохранилища. Показано, что данная методика является новым, более объективным методом выявления во всем бассейне малой реки водосборов того из ее притоков и других структурных элементов гидрографической сети различной размерности (логов, балок, оврагов), которые находятся в критическом экологическом состоянии.

5. Разработан ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик гидролого-гидрохимических процессов (ПВСС, эрозии почвы, выноса биогенных элементов с жидким и твердым стоком), формирующихся на водосборах малых равнинных рек и их трансформации овражно-балочной сетью, обусловливающих диффузное биогенное загрязнение водных ресурсов этих и других малых водных объектов. На примере бассейна р. Истры, репрезентативного по физико-географическим условиям для территории южной части лесной зоны, получены оценки величины средних многолетних объемов потоков воды, твердого стока и биогенных элементов, как с частных малых водосборов, так и со всего бассейна р. Истры. Осуществлена проверка точности данной методики путем сравнения с данными натурных наблюдений, приведенными в литературе и с результатами расчетов по независимому методу руслового баланса масс. Показано, что эта методика позволяет получать оценки средних многолетних характеристик частных гидролого - геохимических процессов, формирующихся на водосборе и диффузного биогенного загрязнения со всего водосбора с приемлемой для практики точностью, а его вклад в формирование общего биогенного загрязнения малых рек южной части лесной зоны Русской равнины может составлять 40-90%.

5. Выявлена более высокая эффективность использования тепла и влаги природными естественными геосистемами, по сравнению с природно-антропогенными агросистемами. На этой основе обоснована необходимость применения в земледелии таких нетрадиционных технологий, как создание с осени кулис из высокостебельных растений и мульчирование почвы растительными остатками, которые приближают функционирование агросистем к природным геосистемам.

6. Разработана полуэмпирическая динамико-стохастическая модель (Д-С-М) формирования ПВСС, адаптированная для почвенно-климатических условий Центральной лесостепи Русской равнины. Показано, что модель достаточно адекватно данным фактических наблюдений описывает процесс формирования ПВСС на склонах и водосборах малых равнинных рек, а учет в ней стохастической структуры снежного покрова, позволяет повысить точность расчета его объема на 30%. В этой связи сделан вывод о том, что эта модель может рассматриваться как надежный метод оценки гидрологической эффективности применения различных агротехнологий.

7. На основе динамико-стохастического моделирования впервые получены теоретические оценки гидрологической эффективности улучшения структуры водного баланса склонов водосборов малых равнинных рек в период весеннего снеготаяния комплексом традиционных и указанных выше нетрадиционных агротехнологий. Показано, что применение экологически более благоприятных и экономически менее затратных нетрадиционных агротехнологий, по сравнению с комплексом агроприемов, применяемых в современном земледелии, обеспечивает формирование лучших условий для впитывания талых вод, приращения влагозапасов в почве и обусловливает устойчивое снижение весеннего склонового стока, как основного фактора эрозии почвы, оврагообразования и диффузного загрязнения водных объектов и их следует рекомендовать к более широкому использованию на практике.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

В научных журналах, рекомендуемых ВАК

Пространственная неравномерность коэффициента фильтрации почвы на пашне и целине в Центральной лесостепи // Метеорология и гидрология. 1982. №10. С.113-115.