МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006
 

УДК 631.6

ГЕНЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СЛОЯ СТОКА

 

А.И. Голованов – д.т.н., проф.;  Ю.И. Сухарев – к.т.н. доцент

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Основным подходом в гидрологии для определения среднемноголетнего годового слоя стока (нормы стока) является гидрометрический подход. По гидрометрическим данным водомерных постов строятся карты изолиний нормы годового стока, стока половодья и их коэффициентов вариации. Для пунктов, где эти наблюдения отсутствуют, значения нормы стока находят по карте изолиний путем линейной интерполяции [1, 9].

Существует метод расчета нормы годового стока по эмпирическим формулам, устанавливающим связь между стоком и метеорологическими факторами (атмосферными осадками, дефицитом влажности воздуха и др.) [8].

Перспективным направлением является математическое моделирование речного стока [3, 5, 7]. Среди зарубежных моделей наиболее известна модель Датского гидравлического Института MIKE SHE) [2]. Под математическими моделями понимаются математические и логические соотношения, с помощью которых устанавливаются количественные связи между характеристиками стока и характеристиками стокообразующих факторов.

Необходимым становится разработка математических моделей, которые позволяли бы количественно воспроизводить основные физические закономерности формирования стока на основе теоретических представлений и обобщения экспериментальных данных.

При этом под генетическим обоснованием слоя стока понимается обоснование данной величины с максимально возможным учетом факторов и условий, влияющих на формирование (происхождение стока). Максимальное число факторов, активно воздействующих на формирование стока, сосредоточено на уровнях ландшафтных провинций, типологических ландшафтов, географических местностей и урочищ.

Математическая модель должна учитывать физико-географические условия водосбора, вид стока (поверхностный, подземный), время года и др.

Для расчета мелиоративных воздействий, водохозяйственных расчетов и др. необходимо иметь:

1. Среднемноголетний годовой слой стока (норму) и влияние на него мелиорации и другой хозяйственной деятельности.

2. Годовой слой стока заданной обеспеченности – при водохозяйственных расчетах, расчетах оросительных норм, емкости водохранилищ.

3. Объем стока половодья и связанные с ним воздействия на природу.

4. Меженный слой стока, лимитирующий водозабор, судоходство и т.п.

Помимо этого нужны мгновенные расходы в русле рек для решения ряда других задач (гидротехнических, паводковых, прогноза размывов).

В наших исследованиях мы сосредоточились на слое стока. Основная формула гидрологии /А.И. Воейков и Э.М. Ольдекоп/ представляет собой выражение «Слой стока = Осадки – Фактическое испарение». Но генетических формул для расчета слоя стока нет, так как важное заключается в деталях. Поэтому в существующих методиках присутствует замкнутый круг: для расчета слоя стока или расходов заданной обеспеченности рекомендуют брать с карт изолиний стока его норму, а затем умножить на несколько коэффициентов, учитывающих лесистость, озерность, заболоченность, форму бассейна, средний уклон и т.п. Но на картах отображен измеренный сток, который уже учитывает эти факторы, называемые в гидрологии «факторами подстилающей поверхности», и карты лишены свойства прогностичности.

Именно подстилающая поверхность водосбора во многом определяет фактическое  испарение, поверхностный и подземный сток. Мы полагаем, что эвапотранспирация – основа расчета стока. Эвапотранспирация зависит от теплообеспеченности, ее можно подсчитать, например, по формуле Н.Н. Иванова, мм/дек

                                         Epot=0,061Кб(25 + T2)(1-0,01a),                                                (1)

где   T – средняя температура воздуха, 0С;     a – относительная влажность воздуха, %;

        Кб – биологический коэффициент.

Реальное водопотребление должно редуцироваться с учетом влагообеспеченности почв

                                                          E=eEpot ,                                                                    (2)

где   e – редукционный коэффициент, который может быть рассчитан по формуле

                                         ε=2,72∙× θср/θopt ×·Exp(-θср/θopt) ,                                                 (3)

где   θср – средняя относительная влажность почвы;   

        θopt – оптимальная для растений относительная влажность почвы.

Относительная влажность почвы определяется по формуле

                                                θ=(ω – ВЗ)/(p –ВЗ),                                                            (4)

где  ω – объемная влажность почвы;   ВЗ – влажность завядания;   p – пористость почвы.

Средняя влажность почвы определяется по формуле

                            ωср = {Wнач + 0,3·((1 – Кст)ОсεЕpot + g)}/Hкор,                                 (5)

где  Wнач – начальные влагозапасы, Wнач @(0,9…1)ППВ;   Кст – коэффициент поверхностного стока;   Ос – атмосферные осадки;  gводообмен с грунтовыми водами;   Hкор – мощность корнеобитаемого слоя почвы.

При глубоких грунтовых водах g @ - (0,1…0,15)(Ос + Ор), при неглубоких грунтовых водах

                                                  g @ EpotExp(-Hг/Hкр),

где   Ор – оросительная норма,   Hг – глубина уровня грунтовых вод,   Hкр – критическая глубина уровня грунтовых вод.

Связь редукционного коэффициента e с относительными доступными влагозапасами показана на рис. 1.

 

Рис. 1. Связь редукционного коэффициента  e  с относительно доступными

влагозапасами

 

Важным вопросом при обосновании слоя стока является вопрос учета в расчетах вида фитоценоза. В зоне достаточного и избыточного увлажнения эвапотранспирация определяется энергетическими ресурсами атмосферы. Поэтому, как показывают исследования Д.Л. Соколовского, А.Р. Константинова, С.Ф. Федорова, величины испарения с леса и луга примерно одинаковы (табл. 1, рис. 2).

Из таблицы 1 следует, что для условий бассейна Верхней Волги (лесная зона, подзолистые  суглинистые почвы) при увеличении лесистости в 23 раза средний годовой модуль стока увеличивается на 13,5 %. Для условий Заволжья (степная зона, обыкновенные черноземы) при увеличении лесистости в 117 раз средний годовой модуль стока увеличивается в 1,4 раза.


Таблица 1

Влияние лесистости на годовой сток /по Д.Л. Соколовскому [8]/

 

 

Река – пункт

Водосбор, км2

Число лет наблюдений

Лесистость, %

Средний годовой модуль стока за период наблюдений, л/с/км2

Бассейн Верхней Волги, лесная зона, подзолистые суглинистые почвы

р. ВоряКаблуково

807

12

70

6,52

р. СитьРодионово

860

12

3

5,74

Заволжье, степная зона, обыкновенные черноземы

р. Боровка – Паника

2040

18

35

2,76

р. Бузулук – Байгоровка

1810

18

0,3

1,96

 

Рис. 2. Ход испарения леса и поля, мм, за гидрологический год, Валдай

/по А.Р. Константинову [6]/

 

Возникает вопрос – как членить территорию при моделировании процессов формирования стока? Здесь возможны следующие подходы:

1. Географически – на геосистемы, ландшафты и их группы. Это наиболее объективное членение территории на генетически однородные объекты с наиболее полным учетом внутренних и внешних связей.

2. На водосборы (речные бассейны). Это удобно, так как можно проследить относительно четкие границы, но на территории водосбора чаще всего присутствуют участки с разным генезисом.

Ландшафты и водосборы являются пересекающимися множествами. Для водосборов характерно триединство их функций:

1. Стокообразующая функция.

2. Функция водосбора как пространственного базиса природопользования.

3. Экологическая функция.

Структура водосбора может быть представлена в виде следующего иерархического ряда:

1. Фация – элементарный гидрогеохимический ландшафт (геосистема)

2. Ландшафтно-геохимическая катена /по М.А. Глазовской/ – каскадная система, цепочка взаимосвязанных фаций

3. Арена – совокупность катен (микро-, мезо- и макро- арены).

Местный сток формируется на водосборе – совокупности фаций, катен и арен. Поэтому при схематизации природных условий нами было принято, что каждый ландшафтный район представлен набором катен из характерных фаций /по Б.Б. Полынову и М.А. Глазовской/ с разным высотным взаиморасположением, определяемым глубиной расчленения рельефа. Рассмотрены элювиальные фации, представляющие водораздельные пространства (без детализации) с небольшими уклонами, с довольно глубокими грунтовыми водами, с зональными почвами, формирующимися на фоне промывного типа водного режима. С этих фаций формируется поверхностный и подземный отток вод на нижерасположенные. К элювиальным примыкают фации склонов или трансэлювиальные со своим почвенным покровом и подстилающими отложениями. С позиций круговорота воды – это транзитные фации, на которые поступают поверхностные и подземные воды с элювиальных фаций, а также имеется значительный отток этих вод на соседние пониженные фации. Нижние части трансэлювиальных фаций могут переувлажняться. Пониженные или супераквальные фации занимают первые надпойменные террасы с небольшими уклонами поверхности земли, со значительным притоком поверхностных и подземных вод, преимущественно с переувлажненными почвами, имеющими в своем водном питании восходящие токи влаги, с неглубокими грунтовыми водами. Рассматриваемая катена примыкает к первичному водотоку в виде овражно-балочных понижений и малых русл.

Такая схематизированная катена включает в себя земли с разными типами водного питания по А.Д. Брудастову: атмосферным, намывным делювиальным, грунтовым. Она также включает набор зональных и азональных почв, учитывает размеры и формы рельефа, геологическое сложение четвертичных отложений применительно к различным ландшафтным районам и провинциям. Помимо этого, с гидрологических позиций катена представляет собой элементарный водосбор со многими характерными его особенностями.

С учетом схемы элементарных ландшафтов (фаций) можно рассмотреть обобщенную схему для моделирования, которая иллюстрирует возможность учета рельефа земной поверхности, водно-физических свойств почв и подстилающих отложений, атмосферных осадков, испарения и транспирации растениями, осушения и орошения фаций катены.

Оценить сток можно с помощью физико-математических моделей круговорота воды в указанных системах. При разработке математических моделей важно учесть как зональные, так и азональные факторы. Для этого нужны долговременные (порядка 30…40 лет) наблюдения за погодными условиями. На примере Московской области можно видеть многообразие ее природных условий. Здесь ландшафтоведами выделено 7 ландшафтных провинций и 13 ландшафтных районов. Среднемноголетний дефицит водного баланса за теплый период (с температурой воздуха более 50С) увеличивается с северо-востока на юго-запад с -10 до 150 мм.

При моделировании важно учесть картометрические и морфометрические показатели, а также распространенность почв ландшафтных районов. В качестве примера в табл. 2 приведены результаты картографического анализа Восточного ландшафтного района Верхне-Волжской ландшафтной провинции в пределах Московской области, а в табл. 3 – распространенность почв указанного района.

 

 

Рис. 3. Обобщенная схема для моделирования

 

 

С целью решения широкого круга мелиоративных задач нами была разработана количественная, двумерная, описывающая вертикальное и латеральное движение потока, имеющая свойства прогностичности, модель передвижения влаги в почвах и грунтах сопряженных фаций ландшафтных катен [4]. Модель позволяет рассчитывать в многолетнем периоде водный режим почв и грунтов ландшафтных катен с учетом следующих природных и антропогенных факторов: рельефа, водно-физических свойства почв и подстилающих отложений, атмосферных осадков, испарения с поверхности почвы, транспирации растениями, переменной во времени мощности корнеобитаемой зоны, осушения и орошения фаций катены.

Таблица 2

Результаты картографического анализа Восточного района Верхне-Волжской

ландшафтной провинции

 

Картометрические и морфометрические показатели

Единицы

измерения

Величина

Площадь ландшафтного района (Fл)

км2

4321,2

Периметр ландшафтного района (Рл)

км

584,0

Показатель формы ландшафтного района (fл)

-

6,3

Площадь внутри морфоизограф (Fм)

км2

1665,7

Длина морфоизограф (Рм)

км

3026,5

Показатель формы морфоизограф (fм)

-

437,8

Густота расчленения территории (А)

км/ км2

0,40

Вертикальное расчленение территории (Δ)

м

11,3

Соотношение (Fм/Fл)

-

0,39

 

 

 

Таблица 3

Распространенность почв Восточного района Верхне-Волжской ландшафтной провинции

 

Почвы

Площадь, %

Дерново-слабо-  и среднеподзолистые

7,6

Дерново-сильноподзолистые

4,1

Дерново-подзолистые слабоглееватые

13,4

Дерново-подзолистые глееватые и глеевые

28,2

Торфянисто- и торфяно-подзолистые оглеенные (глееватые и глеевые)

15,0

Дерново-глеевые

3,2

Почвы  речных  пойм

11,2

Болотные почвы

12,4

Дерново-подзолистые с укороченным почвенным профилем

2,3

Почвы оврагов, балок, ложбин, пойм малых речек и нижних частей образующих  их склонов

 

2,6

 

На основе двумерного дифференциального уравнения передвижения почвенной влаги и подземных вод был записан его конечно-разностный аналог по неявной схеме относительно полных напоров почвенной влаги, исходя из баланса влаги в блоке. Разное высотное положение фаций потребовало введения в расчетную схему двух вертикальных координатных осей: локальной и общей – для потенциальной составляющей напоров почвенной влаги. Здесь принято, что плоскость отсчета напоров расположена в самой  высокой точке профиля.

Коэффициент влагопроводности, зависящий от объемной влажности почвы, вычислялся по формуле С.Ф. Аверьянова, модифицированной А.И. Головановым. Связь между каркасно-капиллярным напором и влажностью почвы принята по зависимости А.И. Голованова.

В модели атмосферные осадки учитывались приращением запасов влаги в верхнем слое почвы в день их выпадения, то есть принимались во внимание суточные количества осадков. Расходование влаги на испарение принято зависящим от погодных условий, от влажности почвы, оно разделялось на испарение с поверхности почвы, которое учитывалось как граничное условие, и на транспирацию. С этой целью для каждой декады теплого периода по известной средней температуре воздуха и относительной влажности воздуха подсчитывалось потенциальное (при оптимальной влагообеспеченности) суммарное испарение (эвапотранспирация) по формуле Н.Н. Иванова. Потенциальная эвапотранспирация разделялась на потенциальное испарение с поверхности почвы и потенциальную транспирацию пропорционально затененности почвы растительным покровом, которая изменялась по декадам. Эти потенциальные виды испарения редуцировались на каждом временном шаге. Скорректированная величина транспирации распределялась по глубине корнеобитаемого слоя пропорционально влажности почвы и массы корней в виде интенсивности влагоотбора корнями растений из единичного объема почвы.

Определение напоров почвенной влаги с помощью системы алгебраических уравнений представляет собой громоздкую вычислительную задачу, так как сводится к нахождению порядка 2000 неизвестных с шагом по времени около одних суток на протяжении нескольких десятков лет. Следует также отметить существенную нелинейность этой системы уравнений, в которой емкостный коэффициент и проводимость существенно зависят от напоров почвенной влаги, следовательно, и от влажности почвы, что требует 3-7 итераций на каждом временном шаге. Наиболее эффективным алгоритмом для решения этой системы является метод матричной прогонки, который введением вектора напоров по всем столбцам для каждого слоя позволяет понизить размерность задачи до одномерной. С помощью этого вектора система уравнений записывается в матричном виде.

Граничные условия задавались, исходя из физического смысла решаемых задач. Верхнее граничное условие учитывает величину физического испарения, полива дождеванием или затоплением. Условие на нижней границе предусматривает следующие варианты: отсутствие потока влаги через нижнюю границу (водоупор), наличие гидравлического взаимодействия с залегающими пластами (напорное подпитывание или отток в глубокие слои), постоянную во времени глубину грунтовых вод, очень глубокие грунтовые воды, не участвующие в круговороте почвенных вод. Предусмотрена возможность иссушения водотока в летний период, учета разной водоприемной поверхности русла и его заиленности, а также уровня воды в нем.

При настройке модели удалось воспроизвести такие важные показатели водосборов, как нормы слоя годового стока, а также стока половодья и коэффициенты их вариации. В табл. 4 представлены результаты сопоставления измеренных (по карте изолиний стока) и рассчитанных по модели характеристик стока (средние данные за 42 года).

Таблица 4

Сопоставление измеренных и рассчитанных характеристик стока

 

 

Метеостанция

Средний годовой сток, мм

Норма стока

половодья, мм

Меженный сток, мм

Карта

Модель

Карта

Модель

Карта

Модель

Клин

213

211

99

88

114

123

Селково

197

207

102

106

95

101

Нарофоминск

208

199

103

122

105

77

Кашира

157

158

102

104

55

54

Дмитров

204

205

100

97

104

108

 

Это дало основание рассмотреть различные случаи орошения и осушения разных фаций, оценить изменение продуктивности растительного покрова и влияния мелиорации на показатели речного стока. В качестве основных расчетных вариантов были рассмотрены: естественный режим, осушение фаций ландшафтной катены, совместное действие мелиоративных мероприятий – осушение и орошение. Вариант осушения предусматривал наличие ловчей дрены в основании склона, а также наличие горизонтального систематического дренажа на всех фациях катены. Вариант совместного действия мелиоративных мероприятий предусматривал в дополнение к предыдущему варианту орошение почв элювиальной фации в засушливые периоды вегетации сельскохозяйственных культур.

В таблице 5 приведены результаты прогноза водного режима ландшафтной катены при разных воздействиях.

Таблица 5

Результаты прогноза слоя стока (ГМС Дмитров) при разных воздействиях

 

Режим воздействия

Слой стока, мм

Годовой

Весенний

Меженный

Естественный

205

97

108

Осушение

221

78

143

Осушение+Орошение

224

78

146

 

Следует отметить, что при изучении влияния водных мелиораций земель на речной сток необходимо учитывать тот факт, что мелиорируемые земли составляют только часть водосбора, поэтому оценку стока с катены нужно выполнять с учетом доли площади мелиорируемых земель.

Выводы

После соответствующей настройки разработанной модели ее можно использовать:

1. Для прогнозирования влияния мелиоративных мероприятий (осушения, орошения) на слой годового стока, стока половодья и меженного стока.

2. Для прогноза влияния вида использования земель и изменения агроценоза на сток.

3. Как основу для оценки гидрохимического загрязнения подземных и поверхностных вод.

4. Для прогноза влияния на сток гипотетического изменения климата.

 

Библиографический список

 

1.         Атлас расчетных гидрологических карт и номограмм. //Приложение 1 к «Пособию по определению расчетных гидрологических характеристик. – Л.: Гидрометеоиздат. 1986.

2.         Бубер А.Л., Волынов М.А. Обзор современных компьютерных технологий в области мелиорации, водного хозяйства и экологии. //Материалы второй научно-практической конференции «Применение компьютерных технологий в мелиорации, водном хозяйстве и землеустройстве». – Сыктывкар: Комимелиоводхозпроект. 2003. с. 20-35.

3.         Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока. – Л.: Гидрометеоиздат. 1988. 312 с.

4.         Голованов А.И., Сухарев Ю.И. Математическая модель влагопереноса в ландшафтных катенах. //Сборник научных трудов МГУП «Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России». Часть II. – М.: МГУП, 2005. с.3-11.

5.         Демидов В.Н., Корень В.И. Расчет склонового стока по двумерной модели с учетом инфильтрации. //Труды гидрометеорологического НИЦ СССР. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. с. 4-9.

6.         Константинов А.Р. Испарение в природе. – Л.: Гидрометеоиздат. 1968. 532 с.

7.         Кучмент Л.С. Математическое моделирование речного стока. – Л.: Гидрометеоиздат. 1972. 191 с.

8.         Соколовский Д.Л. Речной сток (основы теории и методики расчетов). – Л.: Гидрометеоиздат. 1968. 539 с.

9.         СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик.  – М.: Госстрой РФ. 2004. 73 с.

 

 
Вернуться к Оглавлению...