Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Рис.8  Районирование бассейна р. Истры по величине притока валовых форм БЭ в речную сеть, кг/км2.

Расчет РБМ осуществлялся только для 3-ех сравнительно небольших рек (Маглуша, Песочная, Беляна). Информация о составляющих элементах РБМ бралась как из данных наблюдений [Г.С.Шилькрот, С.В.Ясинский, 2002], так и из литературных источников. Результаты расчета РБМ и его составляющих, а также ошибок оценок потоков N и Р, полученных двумя различными методами, показали, что для ВдифN – они находятся в диапазоне от 10.3% для р. Маглуши до 179% - для р. Песочной; Для ВдифP – диапазон изменения этих ошибок составляет 34.6% - для р. Маглуши и 68.6 % - для р.Песочной. С учетом низкой точности оценок составляющих РБМ [В.М.Евстигнеев, 1990] сделан вывод о том, что на основе ЛГМ получены весьма реалистичные оценки средних многолетних характеристик выноса БЭ с водосбора в ОБС и речную сеть рассматриваемого малого речного бассейна

6.3 Оценка вклада диффузного поступления БЭ в формирование биогенного загрязнения р. Истры

Вклад диффузного поступления БЭ в биогенное загрязнение р. Истры оценивался по соотношению:

β =Вдиф/ Вр 100%                                            (17),

где - Вдиф- диффузный поток БЭ, поступающий в реку с водосбора; Вр – поток БЭ в русле реки, отнесенный к ее устью.

В работе показано, что вклад диффузного загрязнения малых рек в бассейне р. Истры может быть весьма значительным и составлять от 40 до 90% общего поступления БЭ в эти реки. Полученные для водосбора р. Истры оценки среднего многолетнего диффузного загрязнения могут быть распространены на другие малые реки и водные объекты южной части лесной зоны Русской равнины с приблизительно одинаковой степенью хозяйственного освоения.

Глава 7. Эффективность мероприятий по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Одним из перспективных направлений действий по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек является широкое внедрение в производство сельскохозяйственной продукции таких технологий земледелия, которые в значительно большей степени, чем традиционные, приближают функционирование агрогеосистем к природным, естественным геосистемам. Эти технологии основаны на принципе минимального воздействия на почвенный покров с одновременным созданием на его поверхности разного рода почвозащитных мульчирующих покрытий. Такие покрытия рассматриваются как аналог отмерших частей растительного покрова, присущего природным геосистемам, в которых процессы обмена веществом и энергией в системе «атмосфера – растительность/снежный покров – почва» сбалансированы и при производстве биомассы используются более оптимально, чем в агрогеосистемах [Сельскохозяйственные экосистемы, 1978; Е.М. Гусев, 1993].

7.1 Оценка эффективности использования тепла и влаги геосистемами Центральной лесостепи

Для иллюстрации этого положения в работе на примере естественных и природно – антропогенных геосистем Центральной лесостепи приведены результаты анализа сезонных изменений влагообмена в разные по условиям тепло и влагообеспеченности годы. [С.В.Ясинский,1991]. Объектами исследования являлись: 1 – геосистемы суходольных логов Стрелецкого участка Центрально-Черноземного биосферного заповедника (ЦЧБЗ), около 40 лет находящиеся как в нетронутом, практически естественном состоянии (абсолютно заповедная степь – некосимая целина; лес - снытьевая дубрава), так и испытывающие постоянное влияние хозяйственной деятельности (луговая степь с периодическим сенокошением – косимая целина; постоянно используемая под выпас скота – выпасаемая целина). 2 – в качестве природно-антропогенной геосистемы рассматривалась агроэкосистема озимой пшеницы на ежегодно распахиваемом малом водосборе. Влагообмен в рассматриваемых геосистемах оценивался по структурным показателям, получаемых из системы уравнений водного баланса М.И.Львовича [М.И.Львович 1963, Методы исследований…, 1973]. Ими являлись: для периода снеготаяния - коэффициент стока, гдеYПВСС, X – осадки, а для всех остальных периодов (устойчивого снежного покрова, летнего и осеннего) - коэффициент увлажнения, (где W – влагозапасы в почве), который для коротких промежутков времени рассчитывался по формуле:

                                                                                               (17),

где Wk и Wn – конечное и начальное значение влагозапасов (мм), в слое почвы 100 см за рассматриваемый период i, Хi – суммы осадков в (мм) за этот же период.

Полученные значения этих коэффициентов за период  1963 – 1985 гг. усреднялись по выделенным периодам для лет, с однотипным характером внутригодовых условий тепло - влагообеспеченности этих лет. Для оценки внутригодовых условий тепло – влагообеспеченности, использован показатель тепло – влагообеспеченности Д.А.Педя. Для теплого периода этот показатель рассчитывался по формуле [Д.А.Педь, 1975, Н.А.Багров, 1988]:

                                            .                                                (18),

где ΔT  и  ΔX   - отклонения от среднемноголетних значений температуры T и осадков X; σT   и  σX     - их среднее квадратичное отклонение.

Для холодного периода используются те же характеристики, что и в формуле (18), только знак между ними меняется на противоположный [Попов, 1975]:

                                                                                                                                              (19).

В работе приведена методика  типизации лет с однотипным характером внутригодового распределения показателя S, использование которой позволило выделить 4 их группы: «теплая» (8 лет), «резко контрастная» (4 года), «умеренно контрастная» (7 лет), «холодная» (3 года).

Результаты проведенного анализа подтверждают вывод о том, что природные геосистемы более «рационально» используют поступающие в них атмосферные осадки. В наибольшей степени этот эффект проявляется в «теплые» годы на некосимой целине. В осенний период в агроэкосистеме происходит наибольшее накопление влаги. Наиболее резкие отличия в процессах влагообмена в рассмотренных геосистемах между группами лет наблюдаются в период весеннего снеготаяния и летом. Отсутствие ПВСС практически во все годы наблюдений в геосистемах с естественным растительным покровом показывает, что применение почвозащитных мульчирующих покрытий из растительных остатков в агроэкосистемах может дать наибольший гидрологический эффект именно в весенний, «критический» для их функционирования период года [С.В.Ясинский,1991]. Этот эффект заключается в ликвидации или снижении ПВСС до критического значения (для лесостепи - 25 мм), при котором не происходит формирования эрозии почвы и развития других негативных процессов на водосборах (оврагообразования, снижения плодородия почвы, загрязнения водных объектов, заиления и обмеления малых рек и др.) [Рекомендации …, 2000]. Достижение этого эффекта во многом будет определяться выбором той или иной почвозащитной технологии и методов оценки их гидрологической эффективности.

В качестве методов оценки используются модели формирования процессов гидрологического цикла в конкретный период года или за весь год в целом. Современный этап разработки моделей процессов гидрологического цикла, в том числе и формирования ПВСС на водосборе, все в большей степени основывается на подходах, в которых осуществляется синтез детерминистического и стохастического описания обусловливающих их частных процессов и факторов. Такие модели принято называть динамико-стохастическими. В трудах Y Гидрологического съезда разработка полной физически обоснованной динамико-стохастической модели стока была сформулирована как основная задача гидрологии и других наук о Земле на ближайшую перспективу [Ю.Б.Виноградов, Л.С.Кучмент, А.В.Рождественский, 1990]. В работе рассмотрен вариант полуэмпирической динамико-стохастической модели (Д – С - М) формирования ПВСС, разработанной на основе данных многолетних экспериментальных исследований автора на воднобалансовых объектах Курской биосферной станции Института географии РАН (КБС ИГРАН) [С.В. Ясинский, Е.М. Гусев, 2003].

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 Rk = 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 5мм/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.