Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Вид материала

Автореферат

Содержание 5.1 Методика геоэкологического анализа антропогенных воздействий на малые равнинные водосборы (на примере бассейна р. Истры) Название типа, класса Промышленное загрязнение Загрязнение от животноводства Рекреационное загрязнение Загрязнение со слабым воздействием всех факторов 5.2 Геоэкологический анализ зоны взаимовлияния Истринского водохранилища Глава 6. Ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик выноса биогенных элементов в овражно–балочную 6.1 Методика расчета средних многолетних характеристик гидролого – эрозионных процессов, формирующихся на водосборе и выноса БЭ 6.3 Оценка вклада диффузного поступления БЭ в формирование биогенного загрязнения р. Истры Глава 7. Эффективность мероприятий по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек 7.1 Оценка эффективности использования тепла и влаги геосистемами Центральной лесостепи 7.2 Полуэмпирическая динамико-стохастическая модель формирования поверхностного весеннего склонового стока 7.3 Гидрологическая эффективность регулирования ПВСС на основе применения нетрадиционных сельскохозяйственных технологий

Подобный материал:

• Влияние антропогенных факторов на сток малых рек республики адыгея, 64.07kb.
• Стенограмма парламентских слушаний на тему "Экология малых рек России: проблемы и пути, 784.97kb.
• Литература: 29, 628.9kb.
• Тема урока: «Реки России», 305.26kb.
• Формирование, динамика и экологическое состояние аквальных комплексов равнинных водохранилищ, 627.96kb.
• Эколого-фаунистическая структура сообществ птиц долин малых рек севера Нижнего Поволжья, 174.49kb.
• Санитарно-гигиеническая оценка антропогенного загрязнения малых рек саратовской области, 402.67kb.
• Жуков Сергей Васильевич. Участники мероприятия с интересом выслушали выступления: Кандидата, 19.61kb.
• Урок биология и география (7 класс) Тема: Внутренние воды Евразии. Ареалы обитания., 76.59kb.
• Практические задания для формирования навыка применения знаний по темам, 680.29kb.

Глава 5. Геоэкологический анализ антропогенных воздействий на водосборы малых равнинных рек

Максимальная экологическая и экономическая эффективность планирования и проведения природоохранных мероприятий, направленных на улучшение состояния малых равнинных рек, в значительной степени зависят от тщательности учета природных и антропогенных факторов, обусловливающих геоэкологическое состояние их водосборов. Поэтому очень важно иметь объективную оценку геоэкологического состояния того или иного малого водосбора, на основе которой можно выявить те из них, где требуется первоочередное, неотложное проведение водо и природоохранных мероприятий. Получение такой оценки сопряжено со значительными трудностями. Прежде всего, они вызваны большим числом разнообразных источников антропогенного загрязнения, а также недостатком и неполнотой информации о мощности и интенсивности каждого из них. В значительной мере преодоление этих трудностей возможно при применении геоэкологического анализа (ГЭА). Дан обзор современных представлений о сущности ГЭА, на основе которого показано, что ГЭА представляет собой междисциплинарный вид деятельности, направленный на агрегирование разнообразной и разнородной информации о природных условиях и антропогенных воздействиях в достаточно целостную объективную картину, отражающую остроту экологической ситуации на рассматриваемой территории (водосборе). В то же время методика проведения такого геоэкологического анализа, применительно к водосборам водных объектов в полной мере не разработана. В работе приводится вариант такой методики, разработанной на примере бассейна р. Истры [С.В.Ясинский,2000;2003].

5.1 Методика геоэкологического анализа антропогенных воздействий на малые равнинные водосборы (на примере бассейна р. Истры)

Методика основана на построении матрицы антропогенных нагрузок на водосборы малых рек бассейна р. Истры и геоэкологическом (комплексном) районировании его территории по преобладающим источникам антропогенных воздействий и по степени экологической опасности. В работе приведен алгоритм действий по реализации данной методики. Водосборы малых рек в бассейне р. Истры выделялись по топографической карте масштаба М.1:100000 путем оконтуривания границ их водосборов и русловой гидрографической сети. В результате весь бассейн основной р. Истры был дифференцирован на 16 водосборов ее притоков и зону взаимовлияния Истринского водохранилища (подробнее об этом понятии будет сказано ниже).

Для каждого из водосборов по данным на 1995 г. была определена антропогенная нагрузка от разных видов источников загрязнения – промышленности и ЖКХ, сельского хозяйства, рекреации и селитебных территорий. Кроме того, для каждого водосбора получена оценка его залесенности (в %), которая рассматривается как природный фактор, способный в определенной степени компенсировать антропогенные нагрузки.

В работе дана детальная характеристика методов количественной оценки антропогенной нагрузки от рассматриваемых источников загрязнения. Отметим только, что для промышленности она оценивалась по величине объема сточных вод; сельского хозяйства – по объему выхода твердых и жидких отходов и содержащегося в них действующего вещества (NPK) в животноводстве; селитебных территорий и рекреации – по содержанию биогенных элементов(БЭ - NPK) в хозяйственно – бытовых сточных водах, поступающих в реки после прохождения очистных сооружений.

Информация об абсолютных и относительных (баллах) значениях показателей антропогенных нагрузок и залесенности для каждого частного водосбора сведена в матрицу (табл. 4). На основе матрицы антропогенных нагрузок и залесенности в рассматриваемом бассейне выделено 4 типа водосборов с преобладанием того или иного вида антропогенного воздействия (рис.5). Внутри типов все водосборы в зависимости от сочетания баллов антропогенной нагрузки и залесенности подразделяются на 12 классов, для каждого из которых получены балльные оценки экологической опасности (табл. 5).

По результатам двухэтапной (по типам преобладающих антропогенных нагрузок и сочетанию их видов) классификации водосборов выполнено районирование бассейна р. Истры по степени экологической опасности (рис. 6).

Таблица 4.

Матрица факторов антропогенных нагрузок и залесенности в бассейне р. Истры (1995 г.)

N	Водосбор	Воздейст-вие животноводства	Воздействие селитебных территорий	Рекреационная нагрузка	Воздействие промышленности	Природный фактор
		Содержание в отходах животноводства NPK, т/год/баллы	Содержание NPK в сточных водах сельских населенных пунктов, т/год/баллы	Суммарное поступление загрязнений от объектов рекреации, кг/га год/баллы	Объем сточных вод, млн. м3/год/ баллы	Залесенность, %/баллы
1	Зона взаимовлияния Истринского вдхр.	15386/5	21.8/4	181/5	0,58/2	43/3
2	Р. Истра (без притоков).	653/3	66.7/5	99.7/3	6,73/4	48/3
3	Р.Малая Истра	834/3	29.5/4	102/3	10,0 /5	60/3
4	Р. Молодильня	193/1	3.3/1	99.5/3	0,83/2	35/2
5	Р. Маглуша	15056/5	85.9/5	118/4	4,0/4	65/4
6	Р. Нудоль	417/2	19.7/3	90.0/3	0,13/1	82/5
7	Р. Раменка	141/1	1.5/1	90.0/3	0/0	70/4
8	Р. Черная	97/1	5.7/2	96.4/3	0/0	93/5
9	Р. Каменка	90.7/1	3.8/1	0/0	0/0	78/4
10	Р. Катыш	95.8/1	1.8/1	157/5	0/0	77/4
11	Р. Песочная	145/1	17.4/3	101/3	0,3/1	48/3
12	Р. Грязева	147/1	5.1/2	97.0/3	1,3/3	52/3
13	Р. Беляна	224/1	9.9/2	97.1/3	0/0	48/3
14	Р. Лопца	1614/3	14.0/3	0/0	0/0	50/3
15	Р. Палишня	460/2	4.6/1	0/0	0,13/1	80/4
16	Р. Катышка	90.8/1	4.1/1	0/0	0/0	63/4
17	Р. Чернушка	86.1/1	0.6/0	114/4	0/0	22/1

Рис. 5. Районирование водосбора р. Истры по преобладающим видам антропогенных воздействий

Таблица 5.

Классификация водосборов в бассейне р. Истры по сочетанию природно-антропогенных факторов и степени экологической опасности

Тип	Класс	НАЗВАНИЕ ТИПА, КЛАССА	№ водосбора	Экологи-ческая опасность
I		ПРОМЫШЛЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
	1	Очень сильное промышленное загрязнение в сочетании с очень сильным загрязнением от животноводства и средним загрязнением другими факторами, а также низкой залесенностью	3	4
	2	Высокое промышленное загрязнение с высоким загрязнением от животновод­ческих комплексов, рекреации и очень высоким от селитьбы, средняя залесенность	2	4
	3	Среднее промышленное загрязнение в сочетании со средним от рекреации и слабым от животноводческих комплексов и селитьбы, средняя и высокая залесенность.	12	3
II		ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОТ ЖИВОТНОВОДСТВА
	4	Очень высокое загрязнение от животно­водства с высокой промышленной нагрузкой, низкой и средней залесенностью.	5	5
	5	Очень высокое загрязнение от животноводства и рекреации в сочетании со слабым промышленным загрязнением, средней залесенностью.	1	4
	6	Среднее загрязнение от животноводства в сочетании со средней от рекреации и селитьбы, высокая и средняя залесенность.	6	3
	7	Средняя нагрузка по животноводству и селитьбе при отсутствии других факторов, средняя залесенность.	14	2
	8	Средняя нагрузка по животноводству при очень слабом воздействии промышленности и селитьбы, высокая залесенность.	15	2
III		РЕКРЕАЦИОННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
	9	Очень сильная рекреационная нагрузка при очень слабом влиянии других факторов, высокая и средняя залесенность	10	3
	10	Средняя нагрузка от рекреации и селитьбы в сочетании со слабым воздействием животноводства и промышленности, средняя залесенность.	11, 4	3
	11	Средняя рекреационная нагрузка при слабом воздействии животноводства и отсутствии промышленности, высокая и средняя залесенность – N 7, 8, 13	7, 8, 13	2
IY		ЗАГРЯЗНЕНИЕ СО СЛАБЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВСЕХ ФАКТОРОВ
	12	Практически "чистые" водосборы, высокая и средняя залесенность.	11, 16, 17	1

Рис.6 Районирование водосбора р. Истры по степени экологической опасности.

Анализ картосхем на рис.5-6 позволяет объективно показать значительную пространственную неоднородность распределения антропогенной нагрузки в данном речном бассейне, выделить водосбор р. Маглуши, находящийся в критическом геоэкологическом состоянии, и показать, что более половины территории всего бассейна р. Истры находится под влиянием сильного и очень сильного антропогенного воздействия. Лишь небольшая часть территории бассейна, расположенная на северо – востоке, является относительно «чистой» от влияния антропогенных факторов. На основании этого анализа сделан вывод о том, что в целом геоэкологическая ситуация на территории всего бассейна р. Истры является весьма неблагоприятной с точки зрения ее влияния на компоненты природной среды и прежде всего на водные ресурсы этой реки.

5.2 Геоэкологический анализ зоны взаимовлияния Истринского водохранилища

Более простой вариант методики ГЭА, в котором используется минимально доступная информация о природных и антропогенных факторах, разработан для анализа геоэкологического состояния зоны взаимовлияния Истринского водохранилища [С.В. Ясинский 2004].

В естественных условиях водосбор и водный объект, особенно малая река, находятся в постоянной достаточно устойчивой взаимосвязи друг с другом. Создание водохранилищ нарушает сложившееся относительное равновесие во взаимодействии водосбора и водного объекта. В результате на водосборе образуется зона влияния водохранилища, в пределах которой изменяются климатические условия, режим подземных вод, наблюдаются затопление, подтопление, заболачивание, изменения почвенного и растительного покровов [Водохранилища…, 1986]. Часть площади водосбора, непосредственно примыкающая к урезу воды, на которой процессы взаимного влияния в системе «водосбор-водохранилище» проявляются наиболее отчетливо и протекают наиболее интенсивно, может быть названа «зоной наибольшего взаимовлияния» (ЗНВ) [Б.Г. Петров, 1986, 2004].

Размеры ЗНВ зависят от площади самого водного объекта и особенностей физико-географических условий района его расположения. Анализ совокупности процессов и факторов, определяющих взаимодействие Истринского водохранилища с окружающими его геосистемами, а также детальный учет рельефа этой территории, выполненные в работе, позволили выделить для него ЗНВ, граница которой проведена по линии первого местного водораздела, расположенного на расстоянии 3 – 6 км от уреза воды при НПГ. Общая площадь ЗНВ = 220.5 км², что составляет 20% площади водосбора Истринского водохранилища и 10.7% площади всего бассейна р. Истры. В качестве топологической единицы рассмотрения геоэкологической ситуации выбран элементарный водосбор (ЭВ). На рассматриваемой территории ЗНВ Истринского водохранилища по топографической карте М. 1: 100000 было выделено 34 ЭВ малых рек (< 10 км), логов, крупных оврагов, балок.

Антропогенная нагрузка на ЗНВ Истринского водохранилища представлена тремя основными источниками загрязнения: животноводческой отраслью сельского хозяйства, рекреацией и селитебными территориями. Согласно приведенной выше методике ГЭА, для ЗНВ Истринского водохранилища разработана матрица антропогенных нагрузок. Однако, в отличие от подробной оценки антропогенных факторов, в данном случае ограничились более простыми показателями, а именно: для характеристики животноводческой отрасли сельского хозяйства использовалось численность крупного рогатого скота (КРС), рекреации и селитебных пунктов – число учреждений отдыха и населенных пунктов. В качестве природного фактора, компенсирующего антропогенные воздействия, как и ранее, в матрицу включена залесенность каждого ЭВ (%). На следующем этапе в зависимости от сочетания антропогенных факторов и залесенности проведена классификация всех выделенных ЭВ на 10 классов. Для каждого класса, в которые вошло от 1 до 12 ЭВ, экспертным путем получены балльные оценки экологической опасности. По доминирующему фактору (имеющему наивысший балл) 10 классов были объединены в 4 типа антропогенных воздействий: 1-ый тип - воздействие рекреации. В этот тип вошли 7 ЭВ. 2-й тип – воздействие животноводческих комплексов и селитебное, объединивший 12 ЭВ. 3-й тип – в него вошли 10 ЭВ подверженных загрязнению от всех видов антропогенных факторов в сочетании с их низкой залесенностью; 4-ый тип объединил 5 ЭВ с отсутствием какого – либо влияния хозяйственной деятельности. На основе выполненной классификации проведено районирование рассматриваемой территории по типам природно-антропогенных нагрузок (рис.7). Оно показывает, что максимальную антропогенную нагрузку испытывает верхний участок ЗНВ Истринского водохранилища, а в целом геоэкологическое состояние ее территории также может быть охарактеризовано как неблагополучное. Разработанные методики ГЭА антропогенных нагрузок для всего малого речного бассейна или для его части позволяют объективно выявлять водосборы притоков основной реки или ЭВ на территории ЗНВ водохранилищ находящиеся в наиболее неблагоприятном геоэкологическом состоянии. Поэтому именно на этих водосборах целесообразно осуществление первоочередных проектных и натурных водоохранных мероприятий. В результате проведения этих мероприятий должна значительно улучшаться геоэкологическая ситуация на малых водосборах и ЭВ с максимальной антропогенной нагрузкой и, вследствие этого, – водный режим и качество воды не только дренирующих их водотоков, но и на значительном протяжении основной реки и самого водохранилища. Важно отметить необходимость повторного проведения такого анализа с периодичностью не реже 1 раза в 5 лет. Это позволяет выявить динамику изменения геоэкологической ситуации на водосборах, а также оценить эффективность проведения водо- и природоохранных мероприятий, если они за этот период осуществлялись.




Рис. 7. Геоэкологическое районирование ЗНВ Истринского водохранилища по типам природно-антропогенных нагрузок. 1- воздействие рекреации; 2- воздействие животноводческих комплексов и селитебное; 3- загрязнение от всех видов антропогенных факторов в сочетании с их низкой залесенностью; 4- отсутствие влияния хозяйственной деятельности.

Глава 6. Ландшафтно-гидрологический метод оценки средних многолетних характеристик выноса биогенных элементов в овражно–балочную и речную сеть малой равнинной реки

Комплекс гидролого-эрозионных процессов, формирующихся на водосборах, относится к неточечным источникам загрязнения водных объектов. Они обусловливает миграцию и вынос в речную сеть малых равнинных рек не только органического вещества (ОВ) и биогенных элементов (БЭ), но и ядохимикатов, тяжелых металлов и радионуклидов. Потоки разнообразных веществ, выносимых с водосбора, трансформируются овражно-балочной сетью и, поступая в водные объекты, приводят не только к ускоренной эвтрофикации, но и совместно с притоком из точечных источников обусловливают общее загрязнение рек и водоемов. Совокупность процессов поступления и трансформации химических веществ с водосбора из неточечных источников в системе «водосбор – водный объект» характеризуется как диффузное (рассеянное) загрязнение водных ресурсов.

В работе выполнен анализ современных подходов к оценке характеристик диффузного загрязнения водных объектов, отмечены достоинства и недостатки таких методов их расчета, как «коэффициентов выноса» [Н.И. Хрисанов, Г.К. Осипов,1993; А.А. Цхай, 1995], физико-статистического [Г.А. Чуян и др., 1985; Г.Г. Борисова, 2003], математического моделирования [Н.А. Назаров, 1996; С.А. Кондратьев, 1990, В.Г. Пряжинская, 2001]. На основе такого анализа дано обоснование необходимости разработки новых, более простых методов, обеспечивающих, вместе с тем, достаточную для практики точность расчета как частных гидролого-геохимических процессов, так и общего диффузного загрязнения водных объектов.

В работе разработан ландшафтно – гидрологический метод (ЛГМ) оценки среднего многолетнего объема выноса основных БЭ – азота и фосфора с малого речного водосбора в период весеннего снеготаяния и получены оценки вклада диффузного поступления этих БЭ в формирование биогенного загрязнения его реки, основанный на гидролого – географическом подходе [В.Г. Глушков, 1961; М.И. Львович, 1963; А.И.Субботин,1966].

Основу ЛГМ составляют выражения, разработанные в физико-статистическом методе [Г.А. Чуян и др., 1985]. Согласно ему, оценка выноса биогенных веществ с жидким стоком (В_ж) производится по формуле:

В_ж = 10 ^{– 3} C W_p F_р (4),

где: В_ж - вынос биогенного вещества в кг; C - концентрация БЭ в стоке, мг/л; W_p- объем стока заданной вероятностью превышения, м³/ га; F_р - площадь,, га.

Расчет выноса БЭ с твердым стоком (В_т) производится аналогично:

В_т = 10 ^{- 3} m M_p F_р (5),

где: m - содержание биогенного вещества в твердом стоке, мг/кг наносов, определяется по их концентрациям в верхнем 10см слое почвы; M_p - модуль твердого стока за период весеннего половодья заданной вероятности превышения, т/га. Общий вынос БЭ с водосбора рассчитывается как сумма их потоков с жидким и твердым стоком: В_с = В_ж + В_т.

Объектами, на примере которых проводилось разработка ЛГМ оценки выноса БЭ, являлись водосбор р. Истры и 16 малых речных бассейнов, образующих его гидрографическую сеть. Разработка ландшафтно – гидрологического метода (ЛГМ) оценки объема выноса БЭ проводилась для периода весеннего снеготаяния, в течение которого на большей части южной части лесной зоны Русской равнины, формируется 60 – 80% весеннего и 40-60% годового стока малых рек [Н.И.Коронкевич, 1990; В.А. Жук, Н.Л. Фролова, 1993].

6.1 Методика расчета средних многолетних характеристик гидролого – эрозионных процессов, формирующихся на водосборе и выноса БЭ в овражно – балочную и речную сеть

Расчет средних многолетних характеристик процессов выноса БЭ в ОБС и речную сеть малых водосборов и всего бассейна р. Истры производится в следующей последовательности.

а. Оценка площади геосистем.

По картам М 1: 100000 выделяются границы и гидрографическая сеть малых водосборов и для каждого из них определяются площади лесных, сельскохозяйственных (зябь и уплотненная почва), урбанизированных геосистем и площадь ОБС.

б. Расчет ПВСС.

Для каждого типа геосистем всех водосборов проводится расчет ПВСС по зависимостям У_вс = f (У_рс), аппроксимированных выражениями (1-3), приведенными в главе 1.

Средний многолетний речной сток в период весеннего половодья рассчитывается по величине среднего многолетнего годового стока с коэффициентом 0.5 [Г.С.Шилькрот, С.В.Ясинский, 2002]:

У_рс = 0.5 Y_р (6),

Средний многолетний годовой речной сток оценивался по зависимости от средней высоты водосбора Y_р = f (H_ср) [Оценка ресурсов…,1989]:

Y_р = 1,99*H_ср -219 (7),

где Y_р - величина среднего многолетнего годового речного стока, мм; Н_ср - средняя высота водосбора, м.

Величина ПВСС для урбанизированных геосистем определялась приближенно, как пропорция между ПВСС в агрогеосистемах и коэффициентами стока с урбанизированных (η_урб = 0.75) и сельскохозяйственных геосистем (η_cх= 0.58) d= η_урб /η_cх. [Г.М. Черногаева,1976; А.И. Субботин, В.С. Дыгало, 1991].

Оценки ПВСС в ОБС получены по величине снегозапасов, сложенных с осадками за период снеготаяния в этом типе ландшафта (S_обс мм) и его коэффициенту(η):

Y_обс = S_обс η

S_обс = а S_п (8),

где: а – переходной коэффициент, между значениями снегозапасов + осадки за период снеготаяния в поле (S_п) и в ОБС (S_обс): а = 1.5 [Н.И. Коронкевич, 1990]; η - коэффициент ПВСС в ОБС: η = 0.9 [А.И. Субботин, В.С. Дыгало, 1991]. Величина снегозапасов + осадки в поле (S_п) рассчитывается по зависимости от величины среднего многолетнего речного стока (Y_р): S_п =f (Y_р) [Н.И. Коронкевич, 1990], аппроксимированной следующим уравнением:

S_п = 1.33 Y_р – 82.2 (9).

в. Расчет эрозии почвы.

Для каждого типа агросистем всех водосборов производится расчет эрозии почвы по зависимости смыва распаханной под зябь почвы (М, т/га) от слоя ПВСС (Y_вс,мм): М = аY_вс ⁿ, где - а, n - эмпирические параметры [Н.Н.Бобровицкая, 1977]. Значения входящих в зависимость М=f(Y_вс) параметров для зяби на дерново – подзолистых почвах были определены следующими: а =10^-1 0,42; n = 1.3:

М_з = 10^-1 0,42 Y_вс^1.3 (10)

Для агрогеосистем с уплотненной почвой использовался коэффициент К_з = 0.15, учитывающий почвозащитные свойства растительного покрова по отношению к зяби [Н.И.Хрисанов, Г.К.Осипов, 1993]:

М_уп =0.15 М_з = 10^-2 0,63 Y_вс^1,3 (11).

При расчетах эрозии почвы с урбанизированных геосистем использовалось среднее значение мутности талых вод ρ=2.5 г/дм³, полученное как среднее для различных функциональных зон этих геосистем [Вода России. Малые реки, 2001]:

М_урб.= ρ W_всу. (12),

где W_всу – объем ПВСС.

г. Оценка концентраций БЭ в жидком и твердом стоке.

В работе были использованы средние многолетние значения концентрации в ПВСС БЭ, полученные для естественных (лесных) и природно-антропогенных агрогеосистем южной части лесной зоны Русской равнины. Было принято, что среднемноголетняя концентрация подвижных форм N_общ. для лесных геосистем составляет 2.20 мг/ дм³, Р_общ – 0.06 мг/ дм³; для агрогеосистем с уплотненной почвой: N_общ -1.72 мг/ дм³, Р_общ – 0.11 мг/ дм³; с зябью: N_общ – 2.99 мг/ дм³, Р_общ. – 0.165 мг/ дм³ [М.А. Хрусталева, 1990]. Для урбанизированных территорий использованы аналогичные данные, полученные для г. Валдая, расположенного в той же природной зоне: N_общ – 3.5 мг/ дм³, Р_общ. – 0.104 мг/ дм³ [Г.С. Шилькрот, 1979].

Оценка содержания в почвах подвижного Р-Р₂0₅ проведена двумя путями: 1 - по результатам статистического анализа данных, полученных из агрохимических картограмм за 1990-1994 гг. для 13 коллективных сельскохозяйственных предприятий, охватывающих более 900 сельскохозяйственных полей; 2 - по данным агрохимических анализов смешанных образцов почвы агрогеосистем всех малых водосборов бассейна р.Истры. Анализ данных агрохимических картограмм показал, что содержание Р-Р₂0₅ для 4% рассмотренных полей находилось в пределах 51-100мг/кг; для 11% - 101-150 мг/кг; для 28% - 151-250 мг/кг; для 57% > 250 мг/кг. Согласно классификации, принятой Агрохимслужбой для оценки плодородия почв дерново-подзолистые почвы, с содержанием Р-Р₂0₅ > 250 мг/кг относятся к категории – «очень высокой обеспеченности» [В.И.Никитишен, 2003]. Агрохимический анализ образцов почвы, отобранных в осенние и весенние периоды в 1995-96гг, показал, что содержание Р-Р₂0₅ менялось в диапазоне 120 -330 мг/кг. Валовое содержание Р в почве, агрогеосистем малых водосборов принято равным: Р_вал.- 600 мг/кг [К.Е. Гинзбург, 1981]. Валовое содержание N для агрогеосистем была оценено по материалам многолетнего стационарного опыта в исследуемом бассейне и принято равным: N_вал – 1100 мг/кг [А.К.Ярцева и др,1974]. Значения подвижного N_под. для всех видов агрогеосистем были приняты равными 0.1 от N_вал. [Г.А.Чуян и др., 1985]. Содержание БЭ в почвах урбанизированных геосистем в бассейне р.Истры получено по данным агрохимического анализа 4 смешанных проб, отобранных в 2004г в различных функциональных зонах г.Истры. Содержание в почве разных функциональных зон г. Истры N - N_вал менялось в диапазоне 1400 – 1970 мг/кг, Р - Р_вал. – 362-767 мг/кг; Р_под-Р₂0₅ – 75 – 185 мг/кг. В расчетах выноса БЭ с этих геосистем для всех водосборов использовались их средневзвешенные значения, полученные с учетом площади той или иной функциональной зоны г. Истры.

д. Трансформация потока БЭ овражно-балочной сетью.

В связи с тем, что коэффициент стока талых вод в целом для ОБС равен: η=0.9 [А.И. Субботин, В.С. Дыгало, 1991] в качестве характеристики ПВСС, поступающего в речную сеть принята средневзвешенная оценка его значений для всего водосбора.

Концентрация БЭ в притоке воды в речную сеть, мало отличается от значений, которые определены для ПВСС, формирующегося на водосборе и в первом приближении коэффициент доставки БЭ может быть принят D_ж.с. = 1 [Вода России. Малые реки, 2001].

Оценка притока твердого стока (М_р) в речную сеть бассейна р. Истры была получена по выражению:

М_р = D_н М_срв (13),

где D_н – коэффициент доставки наносов, М_срв – средневзвешенные значения величины твердого стока, поступающего с водосбора. Величина D_н рассчитывалась по зависимости D_н = f (F ) [В.Н. Голосов,2003]:

D_н= 0.65 F ^–0.27 (14).

Результаты расчетов средних многолетних потоков N и P, поступающих с водосборов в речную сеть с жидким и твердым стоком в весенний период показывают, что всего в речную сеть бассейна р.Истры с жидким стоком в период снеготаяния поступает с водосбора и ОБС валовых форм: В_дифжN - 576 т и В_дифжP - 23.6 т; с твердым стоком: В_дифтсN -50.4 т и В_дифтсР -27.5 т. Общий средний многолетний объем валового В_дифN составляет 627 т, а В_дифP – 51.1 т., т.е. вынос N в целом на порядок выше, чем Р, что обусловлено довольно высокой залесенностью бассейна р. Истры, обусловливающей меньший вынос Р с эрозией почвы с агрогеосистем. При этом, доля подвижных форм БЭ В_дифпN в жидком и твердом стоке составляет 47.4 % В_дифN, доля В_дифпР – 34.6 % В_дифP. По результатам расчетов выполнено районирование бассейна р. Истры по значениям притока валовых форм БЭ в речную сеть (рис 8).

6.2 Оценка точности ЛГМ расчета характеристик гидролого – эрозионных процессов и потоков БЭ, поступающих в овражно – балочную и речную сеть

Точность расчета ПВСС оценивалась путем сравнения с данными экспериментальных наблюдений в бассейне р. Истры [С.В. Ясинский, 2004], а для эрозии почвы – по данным Учебного центра Географического факультета МГУ в бассейне р. Протвы [Л.Ф.Литвин, В.Н.Голосов и др., 1998]. Анализ показал, что ЛГМ позволяет получать значения средних многолетних значений этих процессов с приемлемой для практики точностью – в среднем 10-20%.

Точность расчета потоков БЭ в речную сеть оценивалась путем сравнения средних многолетних характеристик этих потоков в весенний период, полученных ЛГМ и рассчитанных как остаточный член уравнения руслового баланса масс (РБМ)[С.В.Ясинский, Ф.Н. Гуров, 2006; С.В.Ясинский и др., 2007]:


В_р = В_фон + В_под + В_р.п+ В_диф + В_ств- В_бвп (15),


где: В_р = W_р х С_р – средний многолетний поток БЭ в русле (т), W_р – средний многолетний объем речного стока (млн.м³), С_р – концентрация БЭ в речном стоке (мг/дм³); В_фон = W_фон х С_фон – фоновый средний многолетний поток БЭ в русле, W_фон – постоянный минимальный средний многолетний объем речного стока в этот период года в русле, С_фон – концентрация БЭ в фоновом объеме речного стока на участке русла, где исключено влияние любой антропогенной деятельности (здесь и далее размерность аналогична В_р); В_под = W_под х С_под - В_под – средний многолетний поток БЭ, поступающий в русло с подземными водами, W_под – средний многолетний объем притока в русло подземных вод, С_под – концентрация БЭ в притоке подземных вод; В_р.п = W_р.п х С_р.п – средний многолетний поток БЭ, поступающий в русло с речным стоком притоков, W_р.п – средний многолетний объем речного стока притоков; С_р.п – концентрация БЭ в речном стоке притоков; В_дифб – средний многолетний поток БЭ с водосбора, оценивается как остаточный член РБМ; В_ств = W_ств х С_ств – средний многолетний поток БЭ, поступающий в русло со сточными водами, W_ств – средний многолетний объем сточных вод, С_ств – концентрация БЭ в сточных водах; В_бвп = W_бвп х С_бвп – средний многолетний объем БЭ, изымаемый из руслового потока при безвозвратном водопотреблении, W_бвп – объем безвозвратного водопотребления, С_бвп – концентрация БЭ в объеме воды при безвозвратном водопотреблении.




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 В_дифN – они находятся в диапазоне от 10.3% для р. Маглуши до 179% - для р. Песочной; Для В_дифP – 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 =В_диф/ В_р 100% (17),

где - В_диф- диффузный поток БЭ, поступающий в реку с водосбора; В_р – 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; σ_T и σ_X - 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 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 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.

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 1.5 х 1.5 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 – почва с мульчей, . – почва с естественной растительностью, – открытый пар

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)