МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

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

Комплексные мелиорации – главный фактор в
обеспечении устойчивого развития АПК России
 
 
 УДК 634.0.266
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНЖЕНЕРНО-МЕЛИОРАТИВНЫХ РУБЕЖЕЙ СИСТЕМ АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ

Ю.В Бондаренко – д.т.н., профессор,  А.А. Ткачев, Б.В. Фисенко
ФГОУ ВПО 'Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова,
г. Саратов, Россия

Одним из решений проблемы оптимизации ландшафтов является рациональная природно-агроэкологическая адаптация производственных природопользовательских подсистем. В качестве таких подсистем в системах адаптивно-ландшафтных мелиораций (САЛМ) выступают защитные лесонасаждения, гидросооружения, агро-, луго- и культуртехнические мелиорации. Основная же роль в организации противоэрозионного каркаса, регулировании энергетических водных и ветровых потоков в пределах водосборных бассейнов и склонов, принадлежит инженерно-мелиоративным рубежам (ИМР): защитным лесным насаждениям (ЗЛН) и гидротехническим сооружениям (ГТС). На их долю приходится до 80-90 % в общем объеме расчетного регулирования стока и эрозии. От рационального размещения рубежей в агроландшафте, правильного назначения их основных параметров во многом зависит успех почвоводоохранных мероприятий.
Порядок расчета параметров ИМР определяется значимостью предотвращенного ущерба или достигаемого положительного эффекта и в общем виде представляет собой логическую цепь расчетов:
1) расчет расстояний между стокорегулирующими лесными полосами (СЛП), усиленными ГТС, по текущему допустимому смыву (Lдс);
2) расчет параметров ГТС и ширины СЛП (bлп), обеспечивающих гидрологическую целесообразность межполосных расстояний (Lгр);
3) расчет межполосных расстояний по мелиоративному влиянию на агроценозы полей (Lмв).
Исходя из этого, расстояние между СЛП (Lлп) необходимо определять из условия

Lлп = Lдс  Lгр  Lмв .  
(1)

Величина Lдс зависит от функции формы склона и принятой величины допустимого смыва. Для точного определения Lдс необходимо для реального склона определить длину отрезков, на каждом из которых текущий смыв () достигает допустимой величины (Wдоп), т/га.
Для определения наиболее приемлемо уравнение Е.А. Гаршинева, отличающееся высокой степенью универсальности и приемлемой точностью при использовании в практических целях [2]

=         
   (2)

где коэффициент размерности и пропорциональности;  коэффициент, учитывающий противоэрозионные свойства почв;  слой стока с угодья, мм;   s = 0,95; n = 1…2; р = 0,5…2,0;  эмпирический параметр;  Р – падение склона, м;  L – проложение склона, м.
Величина Wдоп, определяется сопоставлением среднемноголетнего смыва (суммарной эрозии от талых и дождевых вод) на водосборах с трансформацией почвенного покрова.
Гидрологический расчет проводится из условия непременного сочетания лесных полос с ГТС – валами и валами-канавами.
К недостатку способов расчета гидрологической эффективности системы «СЛП – ГТС» и межполосных расстояний по существующим обобщенным формулам [5] следует отнести неучёт ими факта изменчивости объема фильтрации во времени при длительном поступлении стока в дневное время и отсутствии его в ночные часы. Изменения объема фильтрации обусловлены хронологическими колебаниями площади затопления прудка у вала. С увеличением площади затопления объем фильтрации увеличивается, а с уменьшением, соответственно, уменьшается. Однако учесть данное обстоятельство в расчетах возможно лишь при наличии гидрографов стока. Это позволяет усовершенствовать расчетную базу основных рабочих гидрологических характеристик ГТС и СЛП.
Нами разработан способ расчета основных параметров водозадерживающих ГТС и ширины лесных полос на основе гидрографов весеннего стока и средней скорости впитывания воды (Кф) [1], определенной для различных типов почв, видов угодий и конструкций ГТС (табл. 1).

Таблица 1
Средняя скорость впитывания воды на суглинистых почвах в период весеннего стока, м/мин

Угодье,
конструкция ГТС

Тип почв

чернозем
обыкновенный

чернозем южный

темно-
каштановая

каштановая

светло-каштановая

Озимые

0,03

0,02

0,02

0,02

0,02

СЛП

0,14

0,12

0,10

0,07

0,05

Вал

0,06

0,05

0,04

0,04

0,03

СЛП+вал

0,14

0,13

0,10

0,07

0,07

СЛП+вал-канава

0,36

0,35

0,33

0,32

0,30

СЛП+вал-канава с соломой

0,42

0,40

0,39

0,37

0,35

Примечание: для тяжелосуглинистых и глинистых почв вводятся коэффициенты 0,85 и 0,70, а для легкосуглинистых и супесчаных, соответственно, 1,10 и 1,20.

Определение объёмов фильтрации и наполнения прудка V ведется пошаговым расчетом. Удельная площадь (на единицу ширины) затопления прудком f' зависит от объема воды в прудке и угла наклона склона водосбора (α) на участке образования прудка, подпертого валом. Объём воды в прудке рассчитывается по выражению

V= 0,5 ·hпр · f',     
(3)

где   hпр – глубина прудка, м.
Расчетная площадь прудка для каждого интервала времени (например, 1 час) в период стока определяется по выражению

fр(n) = f'n + 0,5·(f 'n+1 - f'n),  м2,    
   (4)

где f 'n, f'n+1 – удельная площадь затопления прудком на текущий и последующий интервал времени соответственно, м2.
Объём заполнения прудка для каждого последующего интервала времени рассчитывается по выражению

V= Wn - Vф + Wn+1 = Vn + Wn+1, м3,    
 (5)

где Wn, Wn+1 - объем притока стоковых вод в прудок на текущий и последующий интервалы времени соответственно (определяются по расчетному гидрографу стока).
Объём фильтрации за расчетный текущий интервал времени определяется как

Vф=кф ··t, м3,
  (6)

где кф – коэффициент фильтрации, м/ч;    t – интервал времени, ч.
Однако, фактический объем Vфакт заполнения прудка в конце каждого принятого интервала времени будет занижен на величину объема фильтрации Vфn
                                                   

Vфакт = Vn – Vфn , м3.
  (7)

Определенные таким образом фактические объемы заполнения прудка за весь период стока являются основанием для определения глубины прудка hпр, образуемого валом.
Глубина прудка является определяющим параметром при назначении рабочей высоты вала hр. Очевидно, что из ряда значений глубин прудка за весь период стока нас интересует максимальное значение глубины прудка, соответствующее максимальному объему наполнения прудка. Для определения фактической длины прудка по склону разработаны номограммы  Lск = f (α). Полученная характеристика Lск служит основанием для назначения длины шпор-перемычек и ширины СЛП. Оптимальная ширина СЛП назначается методом подбора соответствующего ГТС исходя из двух условий:
1) полного задержания расчетного стока с межполосного поля шириной, определенной по текущему смыву;
2) непревышения ширины ЗЛП, определенной инструктивными указаниями.
Если вал по нижней опушке ЗЛП не обеспечивает задержание стока заданной обеспеченности, необходимо провести расчет для вала-канавы. Алгоритм расчета аналогичен, приведенному выше для вала, с той лишь разницей, что при этом учитывается как емкость, так и фильтрационные свойства канавы.
В том случае, если и вал-канава не обеспечивает, указанных выше условий необходим компромисс: увеличивают строительную высоту ГТС и, следовательно, сверхнормативную ширину ЗЛП, или снижают ширину межрубежного поля. Первый вариант возможен в том случае, если речь идет о последней, проектируемой в нижней части склона, СЛП. В других случаях необходимо принимать решение в пользу уменьшения ширины межполосного поля.
Установленные вышеописанным способом глубина и длина прудка являются основанием для расчета конструктивных характеристик вала: рабочей и строительной высот.
Рабочая высота вала определяется по выражению [6]

hр= Kα· hпр, м, 
(8)

где  Kα = hр · hпр = f (α) – коэффициент перехода от глубины прудка к рабочей высоте вала.
Во избежание переливов и переплесков воды через гребень вала его делают строго горизонтальным и возвышающимся над расчетным уровнем прудка на величину сухого запаса, что и определяет строительную высоту вала hстр.
Мелиоративная роль полосных лесных насаждений в значительной мере зависит от их ветрозащитной эффективности, определяющей распределение тепла и влаги в годовом цикле на прилегающих полях.
В.М. Ивонин предлагает рассчитывать межполосные расстояния по следующему выражению [3]

   Lмв=Мδ·cosβ ? a · H  (1 + a · I), м, 
(9)

где Мд – коэффициент двустороннего мелиоративного влияния ЛП (Мд = 1,3...1,7, в среднем 1,5);   ? – угол отклонения направления вредоносного ветра от перпендикуляра к ЛП, град;   a – коэффициент ветроломного действия (в среднем равный 20); H – высота ЗЛП, м; I – уклон склона.
Считаем, что учет в уравнении (6) cos? недостаточно обоснован. Согласно этому коэффициенту следует, что при изменении ? от 90 до 60° зона влияния ЛП уменьшается вдвое. Однако А.Р. Константинов и Л.Р. Струзер [4], ссылаясь на данные Н.М. Горшенина, отмечают, что отклонение ветра даже на 45? от направления перпендикулярного ЛП не столь существенно влияет на ветрозащитную эффективность. Да и сам автор в своих примерах принимает его равным 1.
При анализе фактических материалов исследований установлено, что в уравнении (6) налицо существенное завышение значения величины уклона. Исходя из этого, в выражение (6) необходимо ввести поправочный коэффициент уклона кI, который может быть установлен обратным расчетом

кI =(,    
   (10)

Очевидно, что абсолютное значение коэффициента кI определится функцией параметра Lмв. На основании данных наблюдений получена зависимость L от I в виде полинома, описываемого уравнением

Lмв = y · I – x·I + z,             
  (11)

Во всем диапазоне исследованных уклонов и высот СЛП по уравнению (7) кI получается одинаковым и равным 0,25. Это свидетельствует о его универсальности и целесообразности применения кI при расчете зон мелиоративного влияния СЛП на склонах.
С учетом изложенного выражение (6) можно представить в виде

Lмв= Мδ· a · H/(1 + a · кI · I), м.     
  (12)

Последовательный расчет по предложенной методике произведен для обоснования параметров ИМР опытного стационара (ОПС) «Вязовский» и опытно-показательного стационара по защите почв от эрозии «Нееловский» Татищевского района Саратовской области позволил получить следующие расчетные параметры ЗЛН и ГТС (табл. 2).

Таблица 2
Расчетные параметры ИМР
Расстояние от

водораздела, м

ЗЛН

ГТС

Тип

Ширина, м
Тип

Высота, м

hстр

ОПС «Вязовский»

200

СЛП

15

Вал

0,50

0,70

200

СЛП

12

Вал

0,95

1,15

130

СЛП

9

Вал

0,56

0,80

180

ПЛП

15

Вал

0,49

0,70

ОПС «Нееловский»

200

СЛП

9

Вал-канава

0,70

1,10

360

СЛП

9

Вал

1,20

1,50

-----------
СЛП – стокорегулирующая лесополоса, ПЛП – полезащитная лесополоса.

Система взаимосвязанных противоэрозионных инженерно-мелиоративных рубежей ОПС «Вязовский» и ОПС «Нееловский», созданных согласно принципов адаптивно-ландшафтной организации территорий, способствовала более эффективному уменьшению непродуктивных потерь влаги, снижению поверхностного весеннего и дождевого стока. Так, на мелиорируемых водосборах ОПС «Нееловский» и ОПС «Вязовский» среднегодовое валовое увлажнение территории возросла соответственно на 55,5 и 37,3 %, по сравнению с немелиорируемым (контрольным). Наибольшая разница в увеличении валового увлажнения  опытных водосборов по сравнению с контрольным проявилось в период весеннего снеготаяния.
Кроме того, соблюдение принципов адаптивно-ландшафтной организации территорий на опытных стационарах способствовало существенному снижению величины удельной потенциальной энергии поверхностного весеннего стока на приводораздельном в среднем в 4,6 раза, а на присетевом  земельном фонде – в 4,7 раза по сравнению с контрольным водосбором.
Оптимальное размещение инженерно-мелиоративных рубежей стационаров в адаптивно-ландшафтной противоэрозионной системе также способствовало более эффективному снижению эрозионных потерь почвы, причем, данная система показала одинаковую эффективность как на приводораздельном, так и на присетевом земельных фондах. Данное обстоятельство положительно сказалось на энергетическом потенциале мелиорированной территории (табл. 3).

Таблица 3
Среднемноголетний энергетический потенциал водосборов с учетом эрозионной дегумификации почв

 

Земельный фонд

Эрозия почв, т/га

Потери гумуса, кг/га

Потери энергии, ГДж

контрольный

опытных стационаров

контрольный

опытных
стационаров

контрольный

опытных
стационаров

Приводораздельный

1,12

0,56

49,7

24,3

1,14

0,56

Присетевой

3,09

0,22

98,4

7,9

2,27

0,19

Общее по фондам

4,21

0,79

148,1

32,2

3,41

0,74

Таким образом, метод расчета параметров ИМР, основанный на противоэрозионной, гидрологической и мелиоративной оценке, как показала практика эксплуатации рубежей и эффективность защиты почв от эрозии, обеспечивает проектирование высокоадаптивной и гибкой природоохранной мелиоративной системы. Для обеспечения надежности и сохранности сооружений, входящих в состав противоэрозионных рубежей основные их параметры  следует определять с учетом всего комплекса природных факторов: геоморфологических особенностей водосборов, типа почвогрунтов по гранулометрическому составу и т.д., что позволяет оптимизировать работу ИМР в гидравлическом и гидрологическом отношениях.
Создание ИМР, как неотъемлемого и важного элемента систем адаптивно-ландшафтных мелиораций, отвечает всем требованиям системного подхода к комплексу мер по улучшению биогеоценозов. Научно-практическое обоснование расчетных величин поверхностного стока и параметров ИМР позволяет использовать последние как долговременный и надежный прием регулирования эрозионно-гидрологического процесса на склоновых землях – рубежи по праву становятся организующим каркасом эколого-мелиоративного обустройства территории, ландшафтно-геохимическим барьером и регулятором энергетических потоков на границах ландшафтных полос.

Библиографический список

 


 
 
Вернуться к Оглавлению...