Удк 631. 6 Обоснование водных мелиораций агроландшафтов (на примере московской области)

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание B - ширина ландшафтной катены; В Глава 6. Обоснование водных мелиораций агроландшафтов

Подобный материал:

• Удк (631. 527+631. 531): 635. 34 Научное обоснование и разработка системы методов селекции, 1105.12kb.
• Удк 635. 649:(631. 52+631. 53) Теоретическое обоснование и практическое использование, 946.29kb.
• Удк 631. 468: 631. 81 Гаврилюк В. А., к с. г н.,, 157.57kb.
• Н. И. Вавилова удк 631. 44. 5; 631. 58; 631. 674 № в государственной регистрации 81047036, 351.52kb.
• Удк [631. 6: 628. 3]: 631. 22+504., 114.95kb.
• Удк 338. 43: 631. 15: 631., 86.96kb.
• Московской области, 301.82kb.
• Отчет о реализации «Основных направлений развития архивного дела в Московской области», 202.87kb.
• Удк 581. 1: 631. 811: 631. 445, 23.49kb.
• Закон московской области, 1654.03kb.

Глава 5. Схематизация природных условий


При решении мелиоративных задач методами математического моделирования необходима схематизация природных условий: геоморфологических, почвенных, гидрогеологических и др. Необходима также схематизация техногенных воздействий в пространстве и во времени.

Научному анализу и схематизации компонентов ландшафтов посвящены работы А.М. Берлянта, А.Н. Ласточкина, Э.А. Лихачевой, Б.А. Новаковского, Ю.Г. Симонова, И.Н. Степанова, Д.А. Тимофеева, П.А. Шарого и других ученых.

Для расчетов влагооборота в ландшафтах необходимо иметь возможно более полную информацию о ландшафтах: многолетние данные о погодных условиях; геоморфологическую с количественными показателями горизонтальной и вертикальной расчлененности; карту водотоков; геологическую и гидрогеологическую; почвенную и др. В этой связи становится необходимым геоморфологическое исследование территории ландшафтных провинций и районов, определение таких морфологических показателей рельефа, как горизонтальная и вертикальная расчлененность и др. Получение и совмещение такой информации, ее увязка и схематизация природных условий в настоящее время возможны с применением ГИС-технологий.

При схематизации природных условий нами были использованы общегеографические и тематические карты: почвенная, пластики рельефа, гидрогеологическая и др.

Выполненный нами геоморфологический анализ физико-географических районов Московской области по тематическим картам позволил получить численные значения важных для геоморфологической схематизации морфологических показателей рельефа: горизонтальной и вертикальной расчлененности и др.

Горизонтальная расчлененность – это характерное расстояние между расчленяющими линиями, например, между постоянными и временными водотоками. Для характеристики горизонтальной расчлененности часто используют коэффициент горизонтальной расчлененности территории (густоту расчленения), т.е. отношение суммарной длины расчленяющих линий на какой-либо территории к ее площади. Характерное расстояние между расчленяющими линиями является величиной, обратной коэффициенту расчлененности, а ширина катены, примыкающей к водотоку, составляет половину характерного расстояния.

В вертикальном направлении необходимо было оценить характерное для каждого рассматриваемого физико-географического района высотное расположение элементарных ландшафтов, т.е. вертикальную расчлененность рельефа первичными постоянными и временными водотоками (глубину расчленения), под которой понимается характерное превышение местных водоразделов над берегами примыкающих водотоков.

Общегеографические карты эти сведения содержат в скрытом виде. Поэтому очень полезными для решения поставленных задач оказались карта эрозионного расчленения территории страны (Тимофеев Д.А., Былинская Л.Н.), карта пластики рельефа и почв Московской области. Вертикальное расчленение рельефа было определено нами как средневзвешенное из представительных значений для каждого ландшафтного района Московской области. Анализ этих карт и совмещение их с ландшафтной картой (Анненская Г.Н.) позволили получить новую важную информацию. Указанные карты отражают свойства литосферы, педосферы и их компоненты, а ландшафтная карта показывает размещение и структуру природных территориальных комплексов (геосистем).

При схематизации гидрогеологических условий нами были использованы листы гидрогеологической карты СССР (серия Московская) и гидрогеологические разрезы соответствующих листов карты. Для этого по опорным скважинам гидрогеологических разрезов были определены мощности первых от поверхности водоносных горизонтов, комплексов и водоупоров (в пределах рассматриваемых ландшафтных провинций и районов). При построении расчетных схем катен ландшафтных районов использовались средние мощности гидрогеологических подразделений. Литологический состав и коэффициенты фильтрации гидрогеологических подразделений принимались также по данным указанной карты.

Анализ тематических карт позволил получить новую информацию, необходимую для моделирования передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен при обосновании водных мелиораций. Каждый ландшафтный район в пределах Московской области мы характеризовали набором картометрических и морфометрических показателей. В таблице 2 приведены полученные численные значения этих показателей для ландшафтных районов в пределах Московской области.




При схематизации ландшафтной катены необходимо выбрать аналитическую зависимость для описания рельефа земной поверхности. Выпукло-вогнутый профиль земной поверхности рассматривается в качестве равновесного склона и как характерный тип склонов умеренно-гумидных областей (Ласточкин А.Н.).

При схематизации таких профилей земной поверхности от берега водотока до водораздела (от супераквального элементарного ландшафта до элювиального элементарного ландшафта) превышение линии поверхности земли над берегом водотока на расстоянии x от уреза воды можно определить по следующей зависимости

, , (15)

где - вертикальная расчлененность рельефа; k – коэффициент, равный , здесь - угол наклона касательной в точке перегиба; a – значение абсциссы в точке перегиба; В – ширина катены.

Эта формула позволяет учесть основные геоморфологические характеристики: ширину ландшафтной катены, вертикальную расчлененность рельефа, крутизну склона и положение точки перегиба склона, которая отражает асимметричность речной долины.

Тангенс угла наклона касательной в любой точке (первую производную) функции (15) можно определить по следующим формулам




или



Достоинством этой формулы является то обстоятельство, что с ее помощью можно воспроизводить реальные природные геоморфологические условия, поскольку: угловой коэффициент () касательной в точке перегиба (в точке максимального угла наклона уклона) может быть рассчитан и задан по реальным значениям конкретного природного объекта (в радианной или градусной мере), асимметричность речной долины учитывается заданием значения абсциссы в точке перегиба a, вертикальная расчлененность рельефа задается максимально точно, горизонтальная расчлененность рельефа учитывается в формуле путем задания значения аргумента x=B, где B – ширина катены.




Рис. 3. Геоморфологическая схематизация ландшафтной катены:

B - ширина ландшафтной катены; В_СА, В_ТА, В_ТЭ, В_Э - протяженности соответственно супераквального, трансаккумулятивного, трансэлювиального и элювиального элементарных ландшафтов; - перепады высот соответственно супераквального и элювиального элементарных ландшафтов; 1, 2, 3, 4, 5 – характерные точки


С учетом схематизации элементарных ландшафтов была составлена схема для моделирования водного режима элементарных ландшафтов ландшафтных катен. Детальная послойная дискретизация расчетной толщи, проводящаяся при моделировании, позволяет учесть водно-физические свойства всех генетических горизонтов почвы и подстилающих грунтов. При схематизации гидрогеологических условий территории и выборе расчетной схемы вводятся упрощения в геометрию реального объекта. Основным упрощающим приемом является приведение геометрической формы реального объекта к схематическим гидрогеологическим разрезам или ландшафтным катенам.


Глава 6. Обоснование водных мелиораций агроландшафтов

Московской области


Используя разработанную методику моделирования водного режима сопряженных элементарных ландшафтов, можно более объективно оценивать необходимость и интенсивность водных мелиораций - орошения и осушения.

Московская область характерна большим разнообразием природных условий. Увлажненность территории закономерно и значительно изменяется с северо-запада на юго-восток. Следовательно, потребность в орошении и потребность в осушении в пределах области существенно разнятся.

Потребность в орошении необходимо оценивать по возвышенным элювиальным элементарным ландшафтам, где формируется на первый взгляд самый простой баланс влаги: «осадки минус испарение равняется сток». Однако необходимо также учитывать отток влаги в нижерасположенные элементарные ландшафты.

Потребность в осушении необходимо оценивать по водному режиму и водному балансу пониженных элементарных ландшафтов, где к атмосферным осадкам добавляется существенная статья водного баланса – приток грунтовых вод с вышерасположенных элементарных ландшафтов. При этом не всякая пониженная территория может быть при этом переувлажнена. Здесь не в меньшей степени имеет значение отток избыточной влаги, потому что при хорошем подземном оттоке значительный приток на пониженные элементарные ландшафты может не вызывать переувлажнения и заболачивания.

Таким образом, проблема представляется гораздо более сложной, чем это порой принимается во внимание, так как нельзя по средним климатическим данным для какого-либо региона судить о потребности в осушении или орошении, не привязывая эти потребности к определенным элементарным ландшафтам. Поэтому мы использовали разработанную модель влагопереноса в сопряженных элементарных ландшафтах, куда можно «подключать» различные мелиоративные воздействия, то есть определять - достаточно ли дренирования этих совокупностей элементарных ландшафтов только естественным водотоком, или может быть - нужен дренаж пониженных элементарных ландшафтов, или может быть - нужен даже дренаж возвышенных элементарных ландшафтов при замедленном оттоке.

Для оценки водного режима почв и грунтов элементарных ландшафтов и влияния на него мелиоративных воздействий нами было выполнено моделирование функционирования расчетных ландшафтных катен физико-географических районов Московской области по разработанной математической модели влагопереноса. Было рассмотрено четыре расчетных варианта: естественный режим ландшафтной катены, орошение элювиального элементарного ландшафта, осушение супераквального и трансаккумулятивного элементарных ландшафтов, совместное воздействие мелиоративных мероприятий - осушения и орошения.

При моделировании водного режима сопряженных элементарных ландшафтов мы учитывали следующие природные и антропогенные факторы: рельеф земной поверхности, водно-физические свойства почв и подстилающих отложений, атмосферные осадки, испарение с поверхности почвы, транспирацию растениями, переменную во времени мощность корнеобитаемой зоны, интенсивность осушения и орошения элементарных ландшафтов катены. Расчеты были выполнены для лет различной обеспеченности климатического дефицита увлажнения, для чего были использованы данные метеостанций московского региона за период 1959…2000 гг.

Результаты моделирования водного режима элементарных ландшафтов расчетной ландшафтной катены для средневлажного года 75% обеспеченности климатического дефицита увлажнения для ландшафтного района IV₁ приведены в табл. 3. Составляющие водного баланса в таблице приведены в виде слоя воды (мм) для каждого элементарного ландшафта; для приведения их ко всей ландшафтной катене, эти значения нужно умножить на соотношение ширины элементарного ландшафта и ширины ландшафтной катены.

Водный баланс повышенных элювиальных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки – 470 мм, боковой грунтовый отток – 115 мм, суммарное испарение - 324 мм. При хорошей естественной дренированности возвышенности возникает довольно сильная промываемость почв – 221 мм.


Таблица 3. Результаты прогноза водного режима почв и грунтов элементарных ландшафтов ландшафтной катены при различных режимах

Элементарные ландшафты, режимы	Статьи водного баланса, мм								Пр	Ур
	Ос	Этр	Бпг	Бог	Бпп	Боп	Др	Ор
Элювиальный
Естественный режим	470	324	-	115	-	-	-	-	220	0,550
Мелиорация	470	335	-	122	-	-	-	40	240	0,80
Трансэлювиальный
Естественный режим	470	352	116	225	-	-	-	-	204	0,60
Мелиорация	470	352	122	233	-	-	-	-	206	0,60
Трансаккумулятивный
Естественный режим	470	368	225	122	-	106	-	-	42	0,30
Мелиорация	470	368	233	120	-	-	156	-	157	0,70
Супераквальный
Естественный режим	470	368	121	114	106	181	-	-	- 208	0,30
Мелиорация	470	368	119	104	-	-	124	-	200	0,70

Обозначения в таблице: Ос – впитавшиеся атмосферные осадки; Этр – суммарное испарение (эвапотранспирация); Бпг – боковой грунтовый приток на элементарный ландшафт; Бог – боковой грунтовый отток с элементарного ландшафта; Бпп – боковой поверхностный приток на элементарный ландшафт; Боп – боковой поверхностный отток с элементарного ландшафта; Др – сток в искусственный систематический дренаж; Ор – оросительная норма; Пр - промываемость почвы, мм; Ур – относительная урожайность.


Результаты расчетов показали, что на возвышенных элементарных ландшафтах дренаж практически не нужен. Хотя в отдельных случаях, которые мы анализировали, даже на возвышенности при слабоводопроницаемых грунтах и наличии мощной морены тоже возможна необходимость в дренаже, задачей которого является ликвидация кратковременной верховодки. Промываемость метрового слоя почвы составляет 220 мм. Относительная урожайность, которую оценивали по методике В.В. Шабанова, составляет в естественных условиях 0,55.

На возвышенных элементарных ландшафтах в средневлажные годы возникает дефицит влажности почвы, который надо компенсировать дополнительным увлажнением. По нашим оценкам оросительная норма находится в пределах 40 мм, что согласуется с рекомендациями других авторов.

Часть поливной воды даже при незначительных поливных нормах просачивается вниз, увеличивая промываемость метрового слоя почвы на 20 мм и боковой грунтовый отток на 5 мм, суммарное испарение возрастает на 11 мм. Компенсировать увеличение промываемости надо дополнительным внесением удобрений. Относительная урожайность увеличивается - до 0,8.

Водный баланс трансэлювиальных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки – 470 мм, боковой грунтовый приток с выше расположенных фаций – 116 мм, боковой грунтовый отток – 225 мм, суммарное испарение - 352 мм, поверхностный сток отсутствует.

Водный баланс трансаккумулятивных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки – 470 мм, боковой грунтовый приток с выше расположенных фаций – 225 мм, боковой грунтовый отток – 122 мм, суммарное испарение - 368 мм, поверхностный сток – 106 мм.

Наличие искусственного дренажа способствует увеличению впитывания воды атмосферных осадков, вследствие этого прекращается поверхностный сток летом. Боковой грунтовый приток увеличивается на 8 мм, боковой грунтовый отток уменьшается на 2 мм, промываемость почв увеличивается на 115 мм. Прирост продуктивности агроценоза элементарного ландшафта за счет оптимизации водного режима составляет 40 %.

Орошение элювиального элементарного ландшафта практически не сказывается на водном балансе и продуктивности агроценоза трансаккумулятивного элементарного ландшафта.

Водный баланс пониженных супераквальных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки – 470 мм, боковой грунтовый приток с выше расположенных элементарных ландшафтов – 121 мм, боковой поверхностный приток с выше расположенного трансаккумулятивного элементарного ландшафта – 106 мм, боковой отток в местный водоток – 114 мм, суммарное испарение - 368 мм, поверхностный сток – 181 мм. Это показывает, что пониженные элементарные ландшафты получают гораздо большее увлажнение за счет бокового притока, чем соседние. Относительная урожайность в естественных условиях составляет 0,30. При осушении прекращается поверхностный сток в теплый период. Осушение изменяет не только величину, но и направленность влагообмена в почвенном слое. До осушения имеет место капиллярное подпитывание - 208 мм в год 75% обеспеченности климатического дефицита увлажнения, а после строительства дренажа ожидается установление промывного режима в размере 200 мм. Это обстоятельство изменяет направленность почвообразовательного процесса, стимулирует сильную промываемость почв, и как следствие – вымыв гумуса и биогенов. Это - неизбежные последствия осушения. Уменьшить их можно, приводя водообмен к скомпенсированному, т.е. когда сумма нисходящих токов примерно равна сумме восходящих токов. В результате осушения относительная урожайность возрастает до 0,7. При этом отток грунтовых вод с этого элементарного ландшафта в систематический дренаж составляет 124 мм.

В среднем относительная продуктивность агроценозов ландшафтной катены в результате водных мелиораций существенно повышается. Этот прирост нужно обеспечить соответствуюшими нормами удобрений, в основном, органическими, как экологически менее опасными.