Комплексное обустройство (мелиорация) водосборов на примере рек западного Башкортостана

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Комплексное обустройство (мелиорация) водосборов на примере рек западного Башкортостана

Хафизов Айрат Райсович

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГОУ ВПО) «Московский государственный университет природообустройства».Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Голованов Александр Иванович ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,т Заслуженный деятель науки РФ Исмайылов Габил Худушевич ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

доктор технических наук, профессор Добрачёв Юрий Павлович ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова Россельхозакадемии

доктор технических наук Минигазимов Наил Султанович Общество с ограниченной ответственностью "Когалымский научно-исследовательский и проектный институт нефти" (Уфимский филиал)

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие Управление «Башмелиоводхоз» Республики Башкортостан

Защита состоится «21» декабря 2010 г.

в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, ауд. 201/1 тел./факс: 8 (495) 976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО

«Московский государственный университет природообустройства». Автореферат разослан «19» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Т.И. Сурикова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Общая современная ситуация территорий России, в том числе и Республики Башкортостан, характеризуется достаточно напряженным экологическим состоянием. Такое положение вызвано прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала обширных территорий (в нашем случае водосборов), усилением на них техногенного воздействия и нарушением взаимосвязей между природными компонентами в геосистемах и в системе «человек-природа».

Анализ состояния земельных угодий водосборов, выполненный многими учеными, показывает ухудшение их экологической устойчивости. Основными процессами, влияющими на состояние сельскохозяйственных угодий водосборов России, являются: подкисление почв, сработка запасов гумуса, водная и ветровая эрозия, техногенное загрязнение почв. По мнению башкирских ученых в Республике Башкортостан преобладают процессы эрозии почв, сокращение лесов, деградация пашен и дегрессия пастбищ. Так, в республике выявлено 1,2 млн. га деградированной пашни (8,7% территории республики); 5,6 млн. га эрозионно-опасных сельскохозяйственных угодий (39,2% территории республики) и распаханность территории составляет порядка 50%. На мелиорированных землях к негативным процессам, указанным выше, добавляются повышенный промывной режим, усиливающий вымывание питательных веществ из почв, и загрязнение рек.

Для решения экологических проблем важно: рассматривать и изучать водосборы в виде геосистем определенного ранга, включающих взаимообусловленный набор компонентов и развивающихся как единое целое; разрабатывать модели, описывающие основные процессы функционирования водосборов с возможно большим набором параметров, учитывающих изменения компонентов геосистем водосборов.

В настоящее время актуально расширение предметной области исследований мелиораций: рассмотрение комплексной мелиорации, как базисного элемента комплексного обустройства; применение мелиоративных мероприятий для повышения экологической устойчивости водосборов; учет при орошении промываемости почв; разработка способов расчета водообмена и обоснования мелиораций.

Одним из основных факторов, снижающих экологическую устойчивость водосборов, является нарушение их экологической инфраструктуры. Распашка земель, сводка лесов и трансформация естественных биоценозов в агроценозы привели к изменению природных потоков вещества и энергии на водосборах и значительному нарушению их экологического каркаса. Комплексное обустройство водосборов должно включать нахождение оптимального сочетания земельных угодий и разработку экологически устойчивой инфраструктуры водосборов. Такие разработки возможны только после: картографических исследований территорий водосборов; выявления техногенных факторов, воздействующих на природные компоненты и сравнительной оценки экологической устойчивости водосборов.

При рассмотрении водосборов, как объектов комплексного обустройства, требуется разработка классификации водосборов по природно-климатическим и физико-географическим показателям. Актуальность таких научных разработок обусловлена необходимостью обоснования методик комплексного обустройства водосборов с учетом ландшафтных зон, физико-географических и природно-климатических особенностей этих территорий. Исследования должны охватывать крупные геосистемы с не менее тремя ландшафтными зонами. Примером такой геосистемы являются водосборы Западного Башкортостана, занимающие общую площадь 114,2 тыс. км2 и расположенные на лесной, лесостепной и степной ландшафтных зонах. Исследования выполнены в рамках научных исследований ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ» по теме: «Оптимизация землеустройства с учетом зональных биоклиматических и ландшафтных условий», (№ гос. регистрации 01200950317).

Объект исследований - водосборы на примере рек Западного Башкортостана.

Предмет исследований - система комплексного обустройства, ее влияние на экологическую устойчивость и продуктивность водосборов.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - разработка целостной системы комплексного обустройства водосборов на примере рек Западного Башкортостана на основе моделирования процессов влагопереноса в катенах, обоснования водных мелиораций, оптимизации структуры земельных угодий, создания экологически устойчивой инфраструктуры водосборов.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- осуществить анализ имеющихся научных предпосылок и методологических подходов к комплексному обустройству территорий, и на этой основе разработать целостную методику комплексного обустройства водосборов;

- выполнить математическое описание влагопереноса в катенах водосборов на основе дифференциального уравнения двумерного передвижения влаги в почве и подстилающих грунтах;

- провести картографический анализ водосборов Западного Башкортостана и определить их морфометрические характеристики;

- разработать методологию моделирования катен и геоморфологического анализа водосборов, составить морфометрические схемы для водосборов Западного Башкортостана;

-выполнить анализ имеющихся подходов к физико-географическому и ландшафтному районированию территории Республики Башкортостан и разработать классификацию водосборов по физико-географическим и природно-климатическим показателям;

- разработать модель функционирования катен водосборов и составить компьютерные модели водосборов Западного Башкортостана;

- выполнить прогнозные расчеты водного режима и продуктивности катен водосборов Западного Башкортостана при водных мелиорациях с целью обоснования экологически безопасных оросительных и осушительных норм применительно к ландшафтным зонам;

- исследовать влияние орошения и осушения на составляющие местного стока и водный режим катен водосборов на основе моделей водосборов Западного Башкортостана;

- изучить баланс гумуса на водосборах до и после мелиораций;

- оценить экологическую устойчивость водосборов Западного Башкортостана, установить рациональные соотношения земельных угодий и оптимизировать экологическую инфраструктуру водосборов;

- разработать инженерный метод расчета водообмена и обоснования мелиораций; водосбор гумус мелиорация картографический

- составить обобщенную функционально-технологическую схему комплексного обустройства водосборов и практические рекомендации по повышению эффективности работ при комплексном обустройстве.

Методология исследований. Системное изучение комплексной природоохранной деятельности по обустройству территорий выполнено с использованием всей совокупности методологических подходов, применяемых в мелиорации. В качестве приоритетной методологической основы использованы геосистемный и катенарный подходы, для описания природных процессов - математические модели, опирающиеся на геосистемный (ландшафтный) подход. Геоморфологический анализ и морфометрическая схематизация водосборов выполнены на основе картографического метода. Сбор информации по тематическим картам для исследования экологической устойчивости водосборов осуществлен с применением ГИС-технологий. Картографический материал дополнялся и уточнялся графическим, табличным и иллюстративным материалами. Процессы функционирования водосборов при их обустройстве исследовались численными экспериментами по компьютерным программам на ЭВМ, разработанными на основе математических моделей. Верификация математических моделей проводилась по критерию сходимости рассчитанных значений стока с соответствующими значениями, приведенными на официальных картах стока.

Научная новизна заключается в использовании геосистемного подхода при научном обосновании комплексного обустройства водосборов:

-предложено рассматривать структуру водосборов в виде иерархического ряда: фация, катена, микро-, мезо-, макро-, и мегаарена. Установлено, что у водосборов границы мегаарен совпадают с границами ландшафтных зон по ГТК Селянинова, а макроарен - по коэффициенту увлажнения; границы мезоарен связаны с границами провинций, а микроарен - округов; границы катен совмещаются с границами физико-географических районов; границы фаций устанавливаются по морфометрическим схемам водосборов;

-разработаны морфометрические модели катен водосборов, состоящие из четырех сопряженных фаций: элювиальной, трансэлювиальной, трансаккумулятивной и супераквальной;

-разработана компьютерная модель функционирования катен водосборов, позволяющая определить параметры водного режима и продуктивность катен водосборов, моделируя почвенно-геологические, геоморфологические и многолетние метеорологические условия, различные мелиоративные режимы на водосборах;

-составлена классификация водосборов по природно-климатическим (по тепловлагообеспеченности) и физико-географическим показателям;

-обоснованы изменения составляющих местного стока и статей водного баланса на водосборах при водных мелиорациях по лесной, лесостепной и степной ландшафтным зонам и, применительно к ним, определены экологически безопасные оросительные и осушительные нормы;

-установлены рациональные соотношения земельных угодий, обеспечивающие экологическую устойчивость водосборов по ландшафтным зонам;

-разработан инженерный метод расчета водообмена и обоснования водных мелиораций при комплексном обустройстве водосборов;

-впервые для водосборов Западного Башкортостана рассмотрена целостная система комплексного обустройства, в том числе:

- проведена комплексная оценка их современного состояния;

- оценена степень экологической устойчивости, оптимизирована экологическая инфраструктура и соотношение земельных угодий;

- разработаны морфометрические модели и модели функционирования водосборов;

- выполнены модельные исследования влияния орошения и осушения на водный режим, урожайность и баланс гумуса;

- установлены экологически безопасные мелиоративные режимы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Научное обоснование комплексного обустройства водосборов, повышающее продуктивность земель водосборов при сохранении их экологической устойчивости и плодородия почв.

2. Подход к водосборам, как объектам комплексного обустройства, состоящим из иерархического ряда: фаций, катен и арен. Установлены взаимосвязи между ними и физико-географическими районами, ландшафтными зонами по ГТК Селянинова и коэффициенту увлажнения.

3. Классификация водосборов по природно-климатическим (по тепловлагообеспеченности) и физико-географическим показателям.

4. Способ схематизации катен водосборов, моделирующий катену в виде четырех сопряженных фаций с учетом морфометрических параметров водосборов.

5. Статьи водных балансов при водных мелиорациях и их динамики по ландшафтным группам водосборов, определенные на основе компьютерного моделирования функционирования катен с учетом почвенно-геологических, геоморфологических и многолетних метеорологических условий на водосборах.

6. Зависимость водообмена от крутизны откоса и коэффициента поверхностного стока, позволяющая разработать инженерный метод расчета водообмена при комплексном обустройстве водосборов.

7. Экологически безопасные мелиоративные режимы и экологически устойчивые соотношения земельных угодий водосборов по лесным, лесостепным и степным ландшафтным зонам Русской равнины.

Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты открывают новые перспективы комплексного обустройства водосборов, а именно:

-разработанная обобщенная функционально-технологическая схема, включающая комплекс мероприятий по регулированию всех основных процессов и режимов, представляет собой последовательность практических действий, направленных на обеспечение и при необходимости повышение экологической устойчивости водосборов;

-рекомендуемые мелиоративные режимы позволяют повысить урожайность сельскохозяйственных культур за счет водных мелиораций без снижения экологической устойчивости земель водосборов;

-учет баланса гумуса позволяет поддерживать плодородие почв после водных мелиорации за счет внесения органических удобрений;

-инженерный метод расчета водообмена при комплексном обустройстве водосборов позволяет оперативно и достаточно быстро проводить оценку экологической устойчивости мелиорируемых земель и корректировать их мелиоративные режимы.

Апробация и реализация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях (Уфа, 1990-2010 гг.), всероссийских и межрегиональных научно-практических конференциях (Уфа, 2001-2010 гг.), международных научно-практических конференциях (Уфа, 2003 г., 2005 г.; Пенза, 2006 г.; Барнаул, 2008 г.; Улан-Удэ, 2008 г.; Омск, 2009 г.; Москва, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2010 г.).

Результаты исследований обсуждены и одобрены Научно-техническим Советом Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан. По материалам исследований разработан ряд практических рекомендаций для сельскохозяйственного производства. Научно-технические разработки экспонировались на ХI российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (Москва, 2009 г.), где два инновационных проекта по комплексному обустройству удостоены серебряных медалей и дипломов. Полученные результаты внедрены в проектную документацию проектно-изыскательского института «Башгипроводхоз» (г. Уфа) и используются ГУП Управлением «Башмелиоводхоз» (г. Уфа) в практике эксплуатации мелиоративных систем Республики Башкортостан. Результаты работы внедрены в учебный процесс Башкирского государственного аграрного университета (БашГАУ) и включены в курсы лекций: «Мелиорация и рекультивация земель», «Природоохранные сооружения». Автором создана дисциплина «Комплексное обустройство водосборов Башкортостана», которая Ученым советом БашГАУ принята в качестве дисциплины регионального компонента.

Публикации. Научные результаты исследований по рассматриваемой проблеме опубликованы в 42 работах автора, включая 14 работ в восьми различных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ; одну монографию и два учебных пособия.

Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 273 страницы, включая введение, 6 глав, выводы, список литературы и два приложения. Диссертация содержит 242 страницы основного текста, 84 таблицы и 20 рисунков. Библиография включает 293 наименований, в том числе 8 иностранных источников.

Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Голованову Александру Ивановичу за неоценимые советы и помощь при проведении научных исследований, а также глубокую признательность всем сотрудникам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП, оказавшим помощь и поддержку при работе над диссертацией.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, приведена общая характеристика результатов исследований.

В первой главе «Научные предпосылки, методологические подходы и теоретические основы комплексного обустройства (мелиорации) водосборов» дан анализ научных разработок и программ по проблеме комплексного обустройства водосборов, существующих методологий и приемов моделирования в мелиорации. Разработаны теоретические основы геоморфологической схематизации катен, приведено математическое описание движения почвенной влаги и подземных вод в водосборах.

Присущий российской мелиоративной науке глубокий естественнонаучный подход рассматривает улучшаемые земли как часть единого целого природно-территориального комплекса. В.В. Докучаев, его ученики и последователи А. Н. Костяков, А. Д. Брудастов и их школа обращали особое внимание на взаимозависимость свойств компонентов природных объектов и тесную взаимосвязь процессов их функционирования.

Идею комплексного обустройства впервые предложил В. В. Докучаев и в 1891 г. разработал первую программу исследований целостных техноприродных систем и оптимизацию систем хозяйствования. Последующие программы мелиорации в СССР, несмотря на громадные площади орошения и осушения, мало внимания уделяли экологии территорий и не представляли целостную систему комплексного обустройства (мелиорации) территорий.

А. Н. Костяковым выполнено первое комплексное ландшафтное описание территории. А. Д. Брудастов предложил теорию типов водного и минерального питания земель, рассматривая их как единство возвышенностей, склонов, понижений, пойм, связанных гидрохимическими потоками.

Значительный вклад в развитие исследований по изучению ландшафтов, как основных природных объектов, внесли труды Л.С. Берга, В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, Б.Б. Полынова, М.А. Глазовской, В.А. Николаева, Л.Г. Раменского, Н.А. Солнцева, В.Б. Сочавы, В.Н. Сукачева, В. Уолкера, С. Янга, R.T. Porman, U.Odum и др. Изучению ландшафтов Башкортостана посвящены работы А. М. Гареева, И. П. Кадильникова, А. В. Шакирова и др.

Важнейшее место в изучении комплексного обустройства водосборов и мелиорации земель занимают исследования И. П. Айдарова, А. И. Голованова, Ю.П. Добрачева, А.Г. Исаченко, С.Д. Исаевой, Г.Х. Исмайылова, Л.В. Кирейчевой, Д.А. Манукъяна, В.И. Сметанина, Т.И. Суриковой, В.В. Шабанова и др. Вопросам мелиорации и рекультивации земель Башкортостана посвящены труды Р. Ф. Абдрахманова, Б. Н. Батанова, И. М. Габбасовой, А. В. Комиссарова, Н. С. Минигазимова, Х. М. Сафина и др.

Современной наукой накоплен достаточный материал по различным аспектам комплексного обустройства. Назрела необходимость разработки единой методологии и методики комплексного обустройства водосборов.

Методологией комплексного обустройства водосборов, учитывая многоаспектность проблемы, принята вся совокупность существующих в мелиорации методологических подходов. Приоритетными выбраны геосистемный и катенарный подходы.

Целостность геосистемного подхода требует четкого определения объекта исследования. Объектом исследования выбран водосбор, являющийся интегральным выражением устойчивых взаимосвязей между компонентами геосистемы и земной поверхностью. Водосбор рассматривается как геосистема, объединенная по принципу единства гидрохимических потоков и выполняющая средообразующие или экологические функции (А. И. Голованов).

Под комплексным обустройством водосборов подразумевается целостная система поэтапных мероприятий на крупных генетически однородных территориях (водосборах), создающих культурные ландшафты, где природопользование оптимизировано на научной основе и увеличение продуктивности земель проводится при сохранении, а в случае необходимости, и при повышении общей экологической устойчивости ландшафтов.

Катенарный подход является основой геоморфологической схематизации катен при обосновании необходимости мелиораций водосборов. Водосбор представлен набором катен по количеству равным физико-географическим районам на водосборе. Геоморфологическая схема катены состоит из четырех фаций с разным высотным взаиморасположением. Элювиальная фация представляет возвышенность у водораздельной линии, трансэлювиальная - склон до точки перегиба, трансаккумулятивная - склон после точки перегиба, супераквальная - низину надпойменных террас. Поймы рек, несмотря на их значимость, в работе не рассматривались. Трансэлювиальная и трансаккумулятивная фации образуют транзитную фацию склона, а супераквальная фация примыкает к водотоку. Такая схематизация дифференцирует фации по типу водного питания (по А. Д. Брудастову), учитывает размеры и формы рельефа, представляет катену, как элементарный водосбор с его характерными особенностями.

Анализ, применяемых в мелиорации моделей, показал, что для описания природных процессов на водосборах, наиболее оптимальными являются математические модели.

Геоморфологический анализ катен водосборов Западного Башкортостана выявил сильную вытянутость (двухмерность) фаций в поперечнике, поэтому для схематизации катен выбрана двумерная математическая модель. Принято, что потоки влаги в почве двумерные, плоские в сечении и их движение описывается по закону Дарси. Полный напор фильтрационного потока состоит из гравитационного и каркасно-капиллярного напоров. Связи между влажностью и каркасно-капиллярным напором, между коэффициентом влагопроводности и коэффициентом фильтрации описываются по эмпирическим зависимостям А. И. Голованова:

, ;

где - соответственно максимальная гигроскопичность и пористость почвы; - высота капиллярного поднятия; и - безразмерные эмпирические коэффициенты.

Окончательное дифференциальное уравнение передвижения влаги в почве и под уровнем грунтовых вод имеет вид (А. И. Голованов, Ю. И. Сухарев):

; где -

коэффициент влагоемкости, - интенсивности влагоотбора корнями растений из единичного объема почвы. Дифференциальное уравнение нелинейное и в компьютерной модели реализовано в виде конечных разностей. Метод конечных разностей позволил подсчитать потоки влаги в любых сечениях всех фаций катен водосборов. Детальной послойной разбивкой расчетной толщи учтены водно-физические свойства всех генетических горизонтов почвы и подстилающих грунтов, уровень грунтовых вод, наличие водоупора или подпитки из нижележащего напорного горизонта. Напор почвенной влаги определен методом матричной прогонки.

Во второй главе «Водосборы Западного Башкортостана как объекты комплексного обустройства» дается общая характеристика водосборов, систематизация и классификация водосборов по природно-климатическим и физико-географическим показателям. Изучены 24 водосбора Западного Башкортостана, расположенные в бассейне реки Камы (рисунок 1).

Западный Башкортостан занимает Европейскую часть Башкортостана и относится к Русской равнине с зональными ландшафтами умеренного климата. Водосборы Западного Башкортостана имеют типичный облик водосборов равнинных рек. Долины хорошо разработаны, имеют широкие надпойменные террасы и склоны. Поверхностные и пресные подземные водные ресурсы Западного Башкортостана ограничены, неравномерно распределены по площади и по сезонам года. Наиболее острый дефицит их ощущается в юго-восточных и южных частях Западного Башкортостана.

Систематизация водосборов выполнена на основе методологии географического подхода в мелиорации, то есть рассмотрение необходимости мелиорации больших территорий с учетом географических показателей. С этой целью проведен анализ и разработаны классификации водосборов по природно-климатическим и физико-географическим показателям.

Водосборы Западного Башкортостана
номера	наименования	площади, тыс. км2
1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.1.8.1 1.1.8.2 1.1.8.3 1.1.8.4 1.1.9 1.1.10 1.1.10.1 1.1.10.2 1.1.11 1.1.12 1.1.13 1.1.14 1.2 1.2.1 1.3	Кама Белая Сюнь База Быстрый Танып Бирь Чермасан Кармасан Дема Уфа Уса Юрюзань Тюй Ай Уршак Сим Инзер Лемеза Зилим Куганак Ашкадар Нугуш Ик Усень Буй	114,2 105,3 2,5 1,5 6,5 2,1 2,8 1,1 9,3 22,6 1,0 3,5 1,1 7,7 4,2 7,8 5,1 1,2 3,2 1,1 3,5 3,6 3,2 2,3 2,4



Рисунок 1 Водосборы Западного Башкортостана

Природно-климатические показатели водосборов характеризуются гидротермическим коэффициентом (Г. Т. Селянинов), коэффициентом увлажнения (Н. Н. Иванов, А. Н. Костяков), «индексом сухости» (М. И. Будыко). Для территории Башкортостана вычислены их значения и построены соответствующие изолинии. Полученные изолинии наложены на карту водосборов Башкортостана, определены значения соответствующих параметров тепловлагообеспеченности применительно к ландшафтным зонам исследуемых водосборов Западного Башкортостана и составлена классификация водосборов по природно-климатическим показателям (Таблица 1). Параметры тепловлагообеспеченности не учитывают местный сток, приток и отток влаги в пониженные фации катен водосборов и, соответственно, показывают степень увлажнения территорий водосборов, относительно их возвышенных фаций.

Классификация водосборов по природно-климатическим показателям

Группы по ГТК Селянинова	Подгруппы по коэффициенту увлажнения возвышенных фаций	Водосборы
Лесная, (1,3ч1,6)	увлажненные, (0,8ч1,0)	Юрюзань - верхнее течение, Ай - верхнее течения
	близкие к увлажненным, (0,7ч0,8)	Лемеза, Юрюзань - нижнее течение, Ай - нижнее течение, Тюй
Лесолуговая, (1,0ч1,6)	близкие к увлажненным, (0,7ч0,8)	Сим -верхнее течение, Уфа -верхнее течение
	неувлажненные, (0,6ч0,7)	Сим - нижнее течение, Уфа - нижнее течение, Уса
Лесостепная, (1,0ч1,3)	неувлажненные, (0,6ч0,7)	Зилим, Инзер, Бирь - верхнее течение, Быстрый Танып - верхнее течение, Дема - верхнее течение
	близкие к засушливым, (0,5ч0,6)	Нугуш, Буй, Бирь - нижнее течение, База, Кама, Быстрый Танып - нижнее течение, Дема - нижнее течение, Сюнь, Чермасан, Белая - нижнее течение, Белая - среднее течение, Ик
Лугостепная, (0,85ч1,3)	близкие к засушливым, (0,5ч0,6)	Усень, Уршак, Куганак
Степная, (0,85ч1,0)	близкие к засушливым, (0,5ч0,6)	Ашкадар, Кармасан
	засушливые, (0,4ч0,5)	Белая - верхнее течение

Анализ и классификация водосборов по физико-географическим показателям осуществлены по особенностям их рельефа, почв, климатических условий, гидрологических условий и типов растительности. Классификация водосборов по физико-географическим показателям

Физико-географическое районирование	Водосборы
зона	провинция	округ
Лесная	Прикамско-Бельская	Таныпский	Быстрый Танып, Тюй
		Бельский	Быстрый Танып, Буй
	Уфимская	Караидельский	Тюй, Ай, Уфа, Лемеза, Сим
		Айский	Юрюзань, Ай
Лесостепная	Прибельская	Красноусольский	Инзер, Сим, Зилим, Белая
		Бирский	Быстрый Танып, Бирь, Уса, Уфа, Белая
		Нугуш-Суреньский	Нугуш
		Чермасанский	Сюнь, База, Чермасан, Кармасан, Дема, Уршак
	Белебеевская	Икский	Сюнь, Усень, Ик
		Стерлибашевский	Дема
Степная	Общесыртовско-Предуральская	Ашкадарский	Уршак, Куганак, Ашкадар
		Общесыртовский	Ашкадар, Белая

Приведенные классификации в целом совпадают. Но первая классификация опирается на относительные значения (например: степень увлажнения), а вторая - на абсолютные значения (например: влажность воздуха). В силу этого наблюдаются небольшие несоответствия между классификациями, и необходимо определиться с основной классификацией.

Для комплексного обустройства больше подходит классификация по природно-климатическим показателям, объединяющая водосборы и их катены в однотипные ландшафтные группы по наиболее значимым показателям по тепловлагообеспеченности. Согласно этой классификации выполнены обоснование водных мелиораций и оптимизация инфраструктуры водосборов при их комплексном обустройстве.

Классификация по физико-географическим показателям применена для схематизации природных условий водосборов при разработке моделей их функционирования. С учетом этой классификации разработана структура водосбора, где границы катен, как простейших и неделимых частей водосбора, совмещаются с границами физико-географических районов в пределах соответствующих водосборов.

В третьей главе «Моделирование процессов водных мелиораций на водосборах» разработаны модели устойчивого функционирования и геоморфологические схемы катен; составлены модели метеорологических, почвенно-геологических условий и мелиоративных режимов на водосборах; выполнена верификация компьютерной модели функционирования катен.

Модель устойчивого функционирования катен водосборов позволяет разработать мелиоративные режимы, увеличивающие продуктивность водосборов при сохранении или, при необходимости, повышении их экологической устойчивости, то есть обосновать водные мелиорации при комплексном обустройстве водосборов (рисунок 2).

Обоснование водных мелиораций подразумевает нахождение экологически безопасного мелиоративного режима катен путем оптимизации интенсивности дренирования и эколого-экономического обоснования режимов орошения. Такой режим обеспечивает наибольшую возможную урожайность катен при сохранении экологической устойчивости водосборов выше установленной нормы, выраженной через коэффициент экологической устойчивости (КЭУ).

При моделировании процессов влагопереноса в катенах рассчитываются параметры водного режима сопряженных фаций катен водосборов за длительный промежуток времени. Модель содержит компьютерную программу численного решения двумерного уравнения влагопереноса в зоне аэрации и в зоне полного влагонасыщения. Результаты расчетов выдаются и сохраняются в виде параметров мелиоративного режима катен, стока (в том числе среднемноголетние показатели), водного режима по фациям, глубинам и расчетным годам.



Рисунок 2 Модель устойчивого функционирования катен водосборов (КЭУ - коэффициент экологической устойчивости водосборов)

Моделирование повышения урожайности фаций катен при водных мелиорациях выполняется по моделям продуктивности В. В. Шабанова, экологической устойчивости - по рекомендациям И. П. Айдарова.

Обеспечение устойчивого функционирования водосборов показано на примере водосборов Западного Башкортостана. С этой целью разработаны расчетные модели и схемы метеорологических, почвенно-геологических, гидрогеологических, геоморфологических условий и мелиоративных режимов 23 водосборов Западного Башкортостана.

Почвенно-геологические и гидрогеологические условия водосборов Западного Башкортостана выбраны по литературным источникам и по фондовым материалам. Почвенные условия изучены по четырем природно-сельскохозяйственным зонам, а геологические и гидрогеологические условия - по пяти инженерно-геологическим областям Башкортостана с учетом их гидрогеолого-мелиоративного районирования, выполненного на основе разработок Д. М. Каца. Почвы мощностью 1,2ч1,6 м представлены серыми, светло- и темно-серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами, типичными и выщелоченными черноземами. Под почвами на глубину 5ч30 м залегают глинисто-суглинистые грунты, которые в основном подстилаются песчаными грунтами толщиной 15ч20 м или известняками толщиной до 50 м. Уровень грунтовых вод колеблется от 3 до 15 м.

Водно-физические свойства почв определены согласно типу и механическому составу почв, а подстилающих грунтов - территориальной принадлежности катен водосборов к соответствующей инженерно-геологической области (таблица 3). В модели, послойной разбивкой расчетной толщи, учтены свойства всех генетических горизонтов почв и подстилающих грунтов.

Исходные данные для определения водно-физических свойств почв и грунтов катен водосборов

Водосборы	Тип и механический состав почв	Инженерно-геологическая область
Юрюзань	серые и светло-серые лесные, тс	Уфимское плато
Ай	светло-серые лесные, тс	Приайская холмисто-увалистая равнина, Уфимское плато
Лемеза	серые лесные, тс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Тюй	темно-серые лесные, дерново-подзолистые, тс, с	Прибельская холмисто-увалистая равнина, Уфимское плато
Уса	дерново-подзолистые, серые лесные, лг	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Уфа	дерново-подзолистые, серые лесные, тс, с, лг	Прибельская холмисто-увалистая равнина, Уфимское плато
Сим	серые лесные, тс, сс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Инзер	серые лесные, сс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Зилим	серые лесные, сс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Бирь	серые лесные, дерново-подзолистые,лг,	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Дема	черноземы типичные, карбонатные, выщелоченные, сс, тс	Прибельская холмисто-увалистая равнина, Бугульминско-Белебеевская возвышенность
Быстрый Танып	дерново-подзолистые, темно-серые и серые лесные, тс, г, лг	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Буй	дерново-подзолистые, тс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Нугуш	серые лесные, лс	Сакмаро-Бельская возвышенность
Ик	черноземы выщелоченные, типичные и карбонатные тс	Бугульминско-Белебеевская возвышенность
База	черноземы выщелоченные и типичные, сс, тс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Сюнь	черноземы типичные и выщелоченные, серые лесные, сс, тс	Бугульминско-Белебеевская возвышенность, Прибельская холмисто-увалистая равнина
Чермасан	черноземы типичные, сс, тс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Куганак	черноземы выщелоченные и типичные, тс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Уршак	черноземы типичные, тс	Прибельская холмисто-увалистая равнина
Усень	черноземы выщелоченные и типичные, тс	Бугульминско-Белебеевская возвышенность
Ашкадар	черноземы выщелоченные и типичные, тс, сс	Прибельская холмисто-увалистая равнина, Бугульминско-Белебеевская возвышенность, Сакмаро-Бельская возвышенность
Кармасан	черноземы типичные, сс	Прибельская холмисто-увалистая равнина

Примечание: типы почв: г - глинистый, лг - легкоглинистый, тс - тяжелосуглинистый, сс - среднесуглинистый, лс - легкосуглинистый, с - супесчаный. Метеорологические условия в катенах водосборов смоделированы на основе среднедекадных многолетних метеорологических данных, собранных по 26 метеостанциям с 1978 по 2009 годы. Основными метеорологическими данными являются: температура, относительная влажность воздуха и количество осадков. Они определены для всех водосборов в разрезе физико-географических районов, то есть катен.

Наиболее холодными годами в период наблюдений являются 1986, 1993 и 1996, а наиболее теплыми - 1983, 1995 и 2007 годы (таблица 4).

Средняя температура воздуха катен водосборов, Cо

Группы водосборов	Годы
	наиболее холодные	наиболее теплые
	1986	1993	1996	1983	1995	2007
Лесная Лесолуговая Лесостепная Лугостепная Степная	1,3 1,6 1,8 2,3 2,3	1,4 1,7 2,0 2,3 2,3	1,7 2,1 2,1 2,5 2,5	4,0 4,3 4,5 4,7 4,7	4,5 4,9 5,0 5,6 5,7	4,5 4,7 4,7 4,9 4,9

Согласно существующей системе орошаемого земледелия, на мелиорируемых землях рекомендуется возделывать многолетние травы и овощные культуры. В модели этот подход реализован путем использования в качестве сельскохозяйственных культур фаций картофеля и многолетних трав.

Основным исследуемым параметром мелиоративного режима в модели является предполивная влажность, которая определяет сроки и нормы поливов, водообмен и урожайность сельскохозяйственных культур. Предполивная влажность, обеспечивающая наибольшую урожайность катен, вызывает значительный водообмен в фациях и, тем самым, снижает экологическую устойчивость водосборов. Нами, используя разработанную модель функционирования катен, решена задача нахождения экологически безопасной предполивной влажности путем минимизации водообмена, в первую очередь промывного режима, и эколого-экономического обоснования режима орошении в сопряженных фациях катен водосборов.

Эвапотранспирация в модели вычисляется по формуле Н. Н. Иванова, где вид возделываемых растений (площади листовой поверхности и др.) учитывается так называемым биологическим коэффициентом. Для лесостепной зоны Западного Башкортостана эти коэффициенты определены на основе экспериментальных данных испаряемости, полученных с поверхности стандартных испарителей на метеостанции Чишмы в летние месяцы, с 1978 по 1994 годы. Метеостанция Чишмы относится к Чишминскому физико-географическому району Чермасанского округа Прибельской провинции лесостепной зоны Западного Башкортостана. Испарители заполнены почвенным монолитом (типичные черноземы), в качестве сельскохозяйственной культуры использованы многолетние травы.

Значение биологического коэффициента для многолетних трав, полученное на основе экспериментальных данных, отличается от значения рекомендуемой справочной литературой (напр.: по Н.В. Данильченко) на 0,85. Такие же расхождения (на 20-25%) отмечаются и в работах других авторов, исследовавших мелиоративные режимы в условиях Башкортостана (Х. М. Сафин, М. Г. Ишбулатов и др.). Поэтому, в условиях Западного Башкортостана справочные значения биологических коэффициентов рекомендуются использовать с поправочным коэффициентом 0,85 (для многолетних трав и картофеля по таблице 5).

Биологические коэффициенты многолетних трав и картофеля для ландшафтных зон Западного Башкортостана

Культура	Ландшафтная зона
	лесная	лесостепная	степная
Многолетняя трава Картофель	0,82-0,85 0,80-0,85	0,80-0,82 0,75-0,80	0,78-0,80 0,73-0,77

Геоморфологические параметры катен установлены на основе геоморфологического анализа водосборов Западного Башкортостана. Нами определены следующие морфометрические показатели: горизонтальная и вертикальная расчлененность, положение точки перегиба склона и коэффициент формы плана. Положение точки перегиба выражается картографической изолинией, называемой морфоизографа. Морфоизографа создает системную целостность катены и структурирует ее рельеф на относительные выпуклости и вогнутости. Морфоизографа определена топографическим методом вторых производных (пластика рельефа), основанного на геометрическом анализе горизонталей. Положение точки перегиба склона вычислено умножением схематизированной ширины катены и коэффициента морфоизографа, определяемого как отношение площадей внутри морфоизограф и водосбора.

Площади водосборов Западного Башкортостана варьируются от 977км2 (Уса) до 9345км2 (Дема), периметры - от 170км до 865км. Площади внутри морфоизограф составляют от 146 км2 до 2319 км2, длины - от 712 км до 8924 км. Абсолютные отметки водоразделов находятся в пределах от 91,4 мБс (Кармасан) до 406,9 мБс (Инзер), а средние уклоны - от 0,006 до 0,034. Полученные площади и уклоны отражают особенности орографии рассматриваемых водосборов. Геоморфологические схемы катен сконструированы по вычисленным морфометрическим показателям водосборов Западного Башкортостана (таблица 6).

Правильность, разработанных схем и моделей, проверялась моделированием процессов функционирования катен водосборов Западного Башкортостана в естественных условиях. С этой целью рассчитан местный сток на водосборах. В модели, составляющие местного стока, определены как разности атмосферных осадков и фактических эвапотранспираций соответствующих периодов года.

Результаты исследований морфометрических показателей водосборов Западного Башкортостана

Водосборы	Схематизированная ширина, м	Коэффициент формы плана	Схематиз. высота водосбора, м	К-т морфоиз.
	водосбора	внутри морфоизо.	катен	водосбора	Морфоиз.
Юрюзань	5746,0	411,3	1867,4	5,6	914,3	61,4	0,22
Ай	10908,8	285,3	1238,4	5,7	2127,0	24,6	0,23
Лемеза	6294,1	677,6	1465,7	2,3	115,2	50,4	0,46
Тюй	5738,7	282,9	1507,5	5,6	274,2	34,7	0,19
Уса	3810,3	174,3	1165,5	2,7	276,4	23,0	0,15
Уфа	11857, 6	264,7	1066,5	6,4	2734,4	23,7	0,25
Сим	6481,9	598,7	2228,2	3,0	116,3	25,8	0,27
Инзер	8523,4	158,7	889,1	2,2	1891,9	22,1	0,18
Зилим	10838,2	254,3	717,6	3,2	1375,4	14,2	0,35
Бирь	7134,7	316,7	1124,3	2,1	414,5	15,1	0,28
Дема	14386,3	215,1	1745,6	2,70	1450,2	17,9	0,16
Быстрый Танып	10102,1	202,8	985,5	3,0	1971,6	5,7	0,21
Буй	11450,7	259,7	998,0	4,6	903,7	6,8	0,26
Нугуш	7709,1	234,1	747,8	2,3	1044,2	14,7	0,31
Ик	5691,9	252,4	1088,6	4,9	193,7	19,3	0,23
База	5403,4	270,5	1375,8	3,7	407,4	25,2	0,20
Сюнь	8280,0	524,0	1894,4	4,0	314,5	31,6	0,28
Чермасан	9305,4	612,9	3528,0	3,2	584,7	63,5	0,17
Куганак	5933,2	326,2	1249,1	2,2	166,7	13,1	0,26
Уршак	14812,8	199,8	1443,4	2,1	395,3	16,2	0,14
Усень	9972,8	699,7	2144,2	2,3	140,7	37,5	0,33
Ашкадар	11966,2	580,44	2343,1	1,7	507,7	24,4	0,25
Кармасан	6252,8	502,33	1186,7	2,6	133,9	10,2	0,42

Объем стока талых вод получен через коэффициенты поверхностного стока. Данный коэффициент зависит от многих факторов и условий. В модели

этот коэффициент для каждой фации катен принимался по рекомендациям А. Н. Костякова в зависимости от уклона местности, степени оттаивания почвы, водопроницаемости почв и подстилающих грунтов.

Критерием правильности схематизации природных условий является сходимость рассчитанных значений среднемноголетних показателей составляющих стока на водосборах за 1978 ч2009 годы с соответствующими значениями, приведенными на официальных картах стока. Средние расхождения между ними составили: годового стока не более 8%, стока половодья - 7% и меженного стока - 10 %.

В четвертой главе «Обоснование необходимости водных мелиораций при комплексном обустройстве водосборов» рассчитаны водные балансы и выполнены прогнозные расчеты водного режима фаций 35 катен 23 водосборов Западного Башкортостана. Количество катен соответствует количеству физико-географических районов в пределах исследуемых водосборов.

Результаты расчетов обобщены по ландшафтным группам, согласно, принятой в качестве основной, классификации водосборов по природно-климатическим показателям. Исследовано функционирование катен при естественных условиях и водных мелиорациях. Результаты представлены в виде статей частных балансов для поверхностных, почвенных и подземных вод за период с 1978 по 2009 годы. При водных мелиорациях в балансы добавлены управляемые искусственные статьи: орошение и дренаж.

Мелиорация земель повышает экологическую устойчивость водосбора, оптимизируя тепловлагообеспеченность, повышая биологическую продуктивность земель, восстанавливая нарушенный почвенный и растительный покров. Но положительный эффект от водных мелиораций достигается только при обеспечении экологической устойчивости мелиорированных катен:

где - коэффициент экологической устойчивости в естественном состоянии, - мелиоративная составляющая устойчивости, принимаемая по предложению И. П. Айдарова:

где и - поверхностный сток и водообмен между почвенными и грунтовыми водами на немелиорированных и мелиорированных катенах. При мелиоративной составляющей устойчивости ? 1 экологическое состояние мелиорированных катен будет стабильным, при > 1 - будет повышаться, при < 1 - будет ухудшаться; и - урожайность сельскохозяйственных культур на мелиорированных и немелиорированных землях.

Далее приведено обоснование водных мелиораций по ландшафтным группам.

Лесная группа. Группа объединяет четыре водосбора. Анализ водного режима фаций показал, что на статьи водных балансов влияют как морфометрические показатели катен, так и характеристики почв и подстилающих грунтов водосборов. Но в однотипных по высотному взаимоположению фациях наблюдается одинаковая направленность притока, оттока и промываемости почв. Данные утверждения позволили объединить фации катен всех водосборов по их высотному взаимоположению и выполнить анализ их усредненных значений.

При годовых осадках - 605 мм и эвапотранспирации - 283 мм, суммарный отток из элювиальной в транзитную фацию составляет 25%, а из транзитной в супераквальную фацию - 34% годовых осадков. Супераквальная фация испытывает значительный приток влаги - 66% годовых осадков. Средние урожайности составляют 0,48 от потенциальной урожайности. Наибольшее снижение относительной урожайности отмечено в супераквальных фациях (0,26 от потенциальной урожайности).

Для лесной группы водосборов рекомендуются орошение возвышенных фаций в сухие (10% по влагообеспеченности) годы, осушение пониженных фаций систематическим дренажем, ограждение их от притока подземных вод со склонов.

При водных мелиорациях динамика влагопереноса по фациям сохраняется. Поэтому анализ водного режима при орошении и осушении также проводим по фациям, объединенным по их высотному положению

Результаты прогноза водного режима лесной группы водосборов

Фации	Ситуация	Статьи водного баланса, мм	Пр, мм	Ур, в долях
		ВпВЛ	Ор	Этр	Дст	Лст	Пот
Элювиальная	естественный режим	424	-	278	-	26	147	143	0,56
	водные мелиорации	436	75	288	0	8	223	218	0,80
Транзитная	естественный режим	389	-	258	-	19	204	136	0,61
	водные мелиорации	409	0	241	0	5	291	142	0,61
Супераквальная	естественный режим	228	-	311	-	296	52	-334	0,26
	водные мелиорации	388	0	285	517	46	62	134	0,55

Примечание: ВпВЛ - впитывание воды в почву весной и летом; Ор - оросительная норма; Этр - эвапотраспирация; Дст - сток в дренаж; Лст - летний поверхностный сток; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы; Ур - относительная урожайность.

Мелиоративный режим, обеспечивающий наибольшую урожайность катен водосборов, вызывает негативные процессы, ухудшающие экологическое состояние водосборов. В связи с этим при комплексном обустройстве, разработаны и реализованы приемы, позволяющие повысить урожайность и сохранить экологическую устойчивость катен:

- уменьшение вымываемости растворенных веществ и гумуса из почв в пониженных фациях путем оптимизации интенсивности дренирования;

- снижение промываемости почв в орошаемых фациях эколого-экономическим обоснованием режима орошения;

- компенсация промываемости и вымываемости растворенных веществ и гумуса из почв дополнительным внесением удобрений.

Интенсивность дренирования снижается за счет изменения глубины заложения дрен, но при этом уменьшается и урожайность фаций. С целью определения зависимости относительной урожайности фаций от интенсивности дренирования пониженных фаций выполнены расчеты катен водосборов лесной группы с варьированием глубин заложения дрен. Результаты представлены в виде зависимости (рисунок 3).

Относительное уменьшение интенсивности дренирования в долях определяется, как:

,

где - годовой сток в дренаж, соответственно, при максимальной нормативной и при уменьшенной глубине заложения, вычисляемые по модели функционирования катен, мм. Снижение относительной урожайности в % определяется как:

,

где - относительные урожайности в долях соответственно при максимальной нормативной и при уменьшенной глубине заложения, вычисляемые по модели продуктивности.

Рисунок 3 Зависимость относительного уменьшения интенсивности дренирования от относительной урожайности

По полученной зависимости, назначая приемлемое снижение относительной урожайности, можно определить ожидаемое уменьшение интенсивности дренирования. Для лесной группы рекомендуется осушение супераквальных фаций и ограждение их от притока грунтовых вод ловчими дренами. Экологически безопасные осушительные нормы составляют до 1,1 м.

Эколого-экономическое обоснование позволяет определить значения предполивной влажности, обеспечивающие безопасные экологические оросительные нормы и промываемости почв при приемлемой относительной урожайности. Исследованы шесть вариантов поливов при предполивных влажностях в долях от ППВ: 0,5; 0,6; 0,65; 0,7; 0,75; 0,8; где ППВ - предельная полевая влагоемкость. В результате расчетов определены значения: оросительных норм, промываемости почв и относительной урожайности для всех катен водосборов лесной группы. В качестве экологически безопасной предполивной влажности для водосборов лесной группы при возделывании многолетних трав и картофеля рекомендуется (0,65…0,7) ППВ, при этом урожайность катен группы возрастет в 1,3 раза.

Обоснования водных мелиораций при комплексном обустройстве для остальных групп водосборов выполнены по вышеизложенной методике.

Лесолуговая группа. Группа объединяет три водосбора, расположенные на стыке лесных и лесостепных ландшафтных зон. По потенциальным оценкам тепловлагообеспеченности они занимают переходное положение, для них важно разделение на подгруппы по увлажненности: близкие к увлажненным и неувлажненные катены.