Научные предпосылки, методологические подходы и теоретические

основы комплексного обустройства (мелиорации) водосборов............ 14

1.1 Научные предпосылки и программы комплексного обустройства

водосборов............................................................................................. 14

1.2 Методологические подходы и моделирование в мелиорации....... 28

1.2.1 Методологические подходы в мелиорации......................... 28

1.2.2 Моделирование в мелиорации............................................. 35

1.3 Геосистемный катенарный подход как основа геоморфологической

схематизации ландшафтных катен водосборов................................... 39

1.4 Теоретические основы движения почвенной влаги и подземных

вод в катенах.......................................................................................... 45

1.5 Математическое описание влагопереноса в ландшафтных катенах 49

Водосборы Западного Башкортостана как объекты комплексного

обустройства................................................................................................. 59

2.1 Общая характеристика водосборов Республики Башкортостан... 59

2.2 Физико-географическое и ландшафтное районирование территории Республики Башкортостан......................................................................................... 66

2.3 Анализ и классификация водосборов по природно-климатическим и физико-географическим показателям................................................................ 72

3. Моделирование процессов мелиорации на водосборах................... 100

3.1 Описание модели функционирования катен водосборов............ 100

3.2 Моделирование метеорологических, почвенно-геологических условий и мелиоративных режимов на водосборах......................................................... 105

3.3 Геоморфологические схемы ландшафтных катен водосборов.... 118

3.4 Верификация компьютерной модели функционирования катен

водосборов Западного Башкортостана.............................................. 128

4. Обоснование необходимости водных мелиораций при комплексном обустройстве водосборов.................................................................................................. 133

4.1 Водосборы лесной группы............................................................ 134

4.2 Водосборы лесолуговой группы.................................................. 148

4.3 Водосборы лесостепной группы................................................... 156

4.4 Водосборы лугостепной и степной групп.................................... 166

4.5 Прогноз влияния мелиораций на водный режим водосборов.... 174

Повышение экологической устойчивости водосборов при их

комплексном обустройстве....................................................................... 180

5.1 Воздействие техногенных факторов на природные компоненты

водосборов.................................................................................................. 180

5.2 Сравнительная оценка экологической устойчивости водосборов...... 187

5.3 Оптимизация экологической инфраструктуры водосборов............... 199

6. Технология комплексного обустройства и рекомендации по ее

практической реализации........................................................................ 211

6.1 Обобщенная функционально-технологическая схема комплексного

обустройства водосборов........................................................................... 211

6.2 Расчет водообмена и обоснования мелиораций.................................. 218

6.3 Практические рекомендации по комплексному обустройству

водосборов.................................................................................................. 222

Общие выводы и рекомендации.............................................................. 238

Библиографический список..................................................................... 243

Приложения............................................................................................... 265

Приложение 1.............................................................................................. 266

Приложение 2.............................................................................................. 273

Введение

 

Общая современная ситуация территорий России, в том числе и Республики Башкортостан, характеризуется достаточно напряженным экологическим состоянием. Такое положение вызвано прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала обширных территорий (в нашем случае водосборов), усилением на них техногенного воздействия и нарушением взаимосвязей между природными компонентами в геосистемах и в системе «человек-природа». Наиболее существенные негативные изменения на водосборах связаны с нарушением естественных биологических, геологических и гидрохимических круговоротов веществ и энергии, уменьшением биологического разнообразия, изменением структуры и основных свойств природных ландшафтов, снижением плодородия почв, загрязнением и нарушением процессов воспроизводства водных ресурсов. Вследствие этого снижается экологическая устойчивость водосборов.

Недостаточность знаний о закономерностях взаимодействия природных и антропогенных компонентов, о процессах, развивающихся в природной среде при комплексном обустройстве водосборов, является одним из препятствий на пути к созданию экологически устойчивых и экономически эффективных систем функционирования водосборов.

Мощным инструментом комплексного обустройства водосборов в целом и повышения их экологической устойчивости в частности выступают комплексные мелиорации земель. Анализ и осмысление недостатков в мелиорации земель предыдущих лет, разработка современных экологически безопасных подходов позволят поднять мелиорацию земель на более совершенный уровень.

Проблема комплексного обустройства крупных территорий (водосборов, ландшафтов) занимала умы ученых достаточно давно. Идея комплексного подхода в обустройстве территорий принадлежит российскому ученому В. В. Докучаеву (1891 г.). Но и сегодня проблема комплексного обустройства территорий остается актуальной. Современные негативные экологические тенденции, наблюдающиеся на водосборах (повышение антропогенной нагрузки, резкое снижение экологической устойчивости и т.п.), требуют разработки современных инновационных методик решения данной проблемы.

Актуальность темы. Анализ состояния земельных угодий водосборов, выполненный многими учеными, показывает ухудшение их экологической устойчивости. Основными факторами, определяющими состояние сельскохозяйственных угодий водосборов России, являются: подкисление почв, дефицит элементов минерального питания, водная и ветровая эрозия, техногенное загрязнение почв, сработка запасов гумуса [12, 13, 14, 33, 56, 118, 138, 142, 171, 174, 180, 189, 200, 240, 256, 283]. По мнению башкирских ученых в Республике Башкортостан преобладают процессы разрушения и загрязнения почв, сокращение лесов, деградация и дегрессия травостоев пастбищ [20, 24, 41, 84, 87, 90, 92, 113, 114, 155, 163, 185, 200, 201, 204, 211, 212, 235, 247, 258, 259, 260, 273, 281]. В существующих орошаемых и осушаемых угодьях к вышеуказанным негативным факторам добавляется повышенный промывной режим, усиливающий вымывание питательных веществ из почв. На мелиорируемых территориях усиливается гидрохимический круговорот воды и химических веществ, загрязняющих поверхностные и подземные воды [2, 5, 17, 33, 43, 69, 73, 99, 139, 141, 156, 214, 215, 261, 286, 293].

Снижение общей экологической устойчивости, при освоении земельных угодий водосборов, заключается в противоречии между глобальным проявлением данных проблем и частными подходами к их решению. Научные разработки, в основном, были направлены на исследования отдельных компонентов водосборов: пашен, водотоков, лесов и т.п. В них недостаточно учитывалась взаимосвязь между природными компонентами. Основные цели и задачи были направлены на борьбу со следствиями, а не с причинами. Состав мероприятий состоял из набора отдельных приемов. В настоящее время нет единой системы комплексных мероприятий по обустройству водосборов. Поэтому разработка целостной системы комплексного обустройства водосборов является актуальной научной задачей.

Для решения экологических проблем важно рассматривать водосборы в целом, как геосистемы определенного ранга, включающие взаимообусловленный набор компонентов и развивающиеся как единое целое; разрабатывать модели, описывающие основные процессы функционирования водосборов, как можно с большим набором параметров, учитывающих изменения компонентов водосборов.

В настоящее время актуально расширение предметной области исследований мелиорации: рассмотрение комплексной мелиорации, как базисного элемента комплексного обустройства; применение мелиоративных мероприятий в повышении экологической устойчивости водосборов; учет при орошении промываемости почв; разработка инженерных способов расчета водообмена и обоснования мелиораций.

Традиционный подход к мелиорации земель был основан на отрицании закона убывания естественного (природного) плодородия почв и ориентирован на получение максимальных урожаев с сельскохозяйственных земель. В проектах рассматривалось только экономическое плодородие, то есть улучшение условий сельскохозяйственного производства. Реализация таких подходов снижало плодородие почв, приводило к деградации земель. Насущная задача комплексной мелиорации – разработка способов мелиорации, не снижающих плодородие почв.

Одним из основных факторов, снижающих экологическую устойчивость водосборов, является нарушение их экологической инфраструктуры. Распашка земель, сводка лесов и трансформация естественных биоценозов в агроценозы привели к изменению природных потоков веществ и энергии в водосборах и резкому нарушению биоразнообразия и экологического каркаса [12, 16, 59, 81, 101, 116, 142, 185, 187, 188, 204, 270]. Комплексное обустройство водосборов должно включать нахождение оптимального сочетания угодий и разработку экологически устойчивой инфраструктуры водосборов. Такие разработки возможны только после картографических исследований земельных угодий; выявления техногенных факторов, воздействующих на природные компоненты и сравнительной оценке экологической устойчивости водосборов.

При рассмотрении водосборов, как объектов комплексного обустройства требуется разработка классификации водосборов по физико-географическим и природно-климатическим показателям. Актуальность таких научных разработок обусловлена необходимостью обоснования методик комплексного обустройства водосборов с учетом ландшафтных зон, физико-географических и природно-климатических особенностей водосборов. Исследования должны охватывать ландшафтные страны или их части с не менее тремя ландшафтными зонами. Примером такого охвата служит территория Западного Башкортостана с общей площадью 114,2 тыс. км², расположенная на лесной, лесостепной и степной ландшафтных зонах. Исследования выполнены в рамках научных исследований ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ» по теме: «Оптимизация землеустройства с учетом зональных биоклиматических и ландшафтных условий», (№ гос. регистрации 01200950317).

Объект исследований - водосборы на примере рек Западного Башкортостана.

Предмет исследований – система комплексного обустройства, ее влияние на экологическую устойчивость и продуктивность водосборов.

Цель и задачи исследований. Цель исследований – разработка целостной системы комплексного обустройства водосборов на примере рек Западного Башкортостана на основе моделирования процессов влагопереноса в катенах, обоснования водных мелиораций, оптимизации структуры земельных угодий и создания экологически устойчивой инфраструктуры водосборов.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- осуществить анализ имеющихся научных предпосылок и методологических подходов к комплексному обустройству территорий и, на этой основе, разработать целостную методику комплексного обустройства водосборов;

- выполнить математическое описание влагопереноса в ландшафтных катенах водосборов на основе дифференциального уравнения двумерного передвижения влаги в почве и под уровнем грунтовых вод;

- провести картографический анализ рек и водосборов Западного Башкортостана и определить их морфометрические характеристики;

- разработать методологии моделирования ландшафтных катен и геоморфологического анализа водосборов, составить морфометрические схемы для водосборов Западного Башкортостана;

-выполнить анализ имеющихся подходов к физико-географическому и ландшафтному районированию территории Республики Башкортостан и разработать классификацию водосборов по физико-географическим и природно-климатическим показателям;

- разработать модель функционирования катен водосборов и составить компьютерные модели водосборов Западного Башкортостана;

- выполнить прогнозные расчеты водного режима и продуктивности катен водосборов Западного Башкортостана при водных мелиорациях с целью обоснования экологически безопасных оросительных и осушительных норм применительно к ландшафтным зонам;

- исследовать влияние орошения и осушения на составляющие местного стока и водный режим катен водосборов на основе моделей водосборов Западного Башкортостана;

- изучить баланс гумуса на обустраиваемых территориях до и после мелиораций;

- оценить экологическую устойчивость водосборов Западного Башкортостана для установления рациональных соотношений земельных угодий и оптимизации экологической инфраструктуры водосборов по ландшафтным зонам;

- разработать инженерный метод расчета водообмена и обоснования мелиораций;

- составить обобщенную функционально-технологическую схему комплексного обустройства водосборов и практические рекомендации по повышению эффективности работ при комплексном обустройстве.

Методология исследований. Системное изучение комплексной природоохранной деятельности по обустройству территорий выполнено с использованием всей совокупности методологических подходов, применяемых в мелиорации. В качестве приоритетной методологической основы использованы геосистемный и катенарный подходы, для описания природных процессов - математические модели, опирающиеся на геосистемный (ландшафтный) подход. Геоморфологический анализ и морфометрическая схематизация водосборов выполнены на основе картографического метода. Сбор информации по тематическим картам для исследования экологической устойчивости водосборов осуществлен с применением ГИС-технологий. Картографический материал дополнялся и уточнялся графическим, табличным и иллюстративным материалами. Процессы функционирования водосборов при их обустройстве исследовались численными экспериментами по компьютерным программам на ЭВМ, разработанными на основе математических моделей. Верификация математических моделей проводилась по критерию сходимости рассчитанных значений стока с соответствующими значениями, приведенными на официальных картах стока.

Научная новизна. Заключается в использовании геосистемного (ландшафтного) подхода при научном обосновании комплексного обустройства водосборов:

- предложено рассматривать структуру водосборов в виде иерархического ряда: фация, ландшафтная катена и арена. В зависимости от размеров водосборной площади выделяются мега-, макро-, мезо- и микроарены. Границы мегаарен сопоставляются в пределах водосбора с границами ландшафтных зон по ГТК Селянинова, а макроарен – с границами подзон по коэффициенту увлажнения. Границы мезоарен связываются с границами ландшафтных провинций, а границы микроарен – с границами округов. Границы ландшафтных катен, как простейших и неделимых частей водосбора, совмещаются с границами физико-географических районов в пределах соответствующих водосборов. Границы фаций устанавливаются по морфометрическим схемам водосборов;

- разработаны морфометрические модели ландшафтных катен водосборов, состоящие из четырех сопряженных фаций: элювиальной, трансэлювиальной, трансаккумулятивной и супераквальной;

- разработана компьютерная модель функционирования катен водосборов, состоящих из четырех фаций, позволяющая определить параметры водного режима и продуктивности катен водосборов, моделируя почвенно-геологические, геоморфологические и многолетние метеорологические условия, различные мелиоративные режимы на водосборах;

-составлена классификация водосборов по природно-климатическим (по тепловлагообеспеченности) и физико-географическим показателям;

-обоснованы изменения составляющих местного стока и статей водного баланса на водосборах при водных мелиорациях по лесной, лесостепной и степной ландшафтным зонам и, применительно к ним, определены экологически безопасные оросительные и осушительные нормы;

-установлены рациональные соотношения земельных угодий, обеспечивающие экологическую устойчивость водосборов по ландшафтным зонам;

-разработан инженерный метод расчета водообмена и обоснования водных мелиораций при комплексном обустройстве водосборов;

-впервые для водосборов Западного Башкортостана рассмотрена целостная система комплексного обустройства, в том числе:

- проведена комплексная оценка современного состояния;

- оценена степень экологической устойчивости, оптимизирована экологическая инфраструктура и соотношение земельных угодий;

- разработаны морфометрические модели и модели функционирования водосборов;

- выполнены модельные исследования влияния водных мелиораций на водный режим, урожайность и баланс гумуса;

- установлены экологически безопасные мелиоративные режимы.