Условий и мелиоративных режимов на водосборах

 

Разработка моделей и схем, описывающих метеорологические, почвенно-геологические, геоморфологические условия и мелиоративные режимы водосборов, сама по себе является самостоятельным предметом системного научного исследования и представляет актуальную научную задачу. В настоящее время водосборы и ландшафты Башкортостана в основном исследованы географами и гидрологами с точки зрения географо-экологического аспекта [37, 74, 87, 162, 185, 186, 231, 232, 256, 280, 281.]. То есть, разработаны описательные модели, характеризующие географическое и экологическое состояния водосборов. А для комплексного обустройства водосборов необходимо создание функциональных моделей, описывающих природные процессы, происходящие на водосборах. При этом функционирование водосбора должно быть представлено как единый природный процесс, а созданные модели и схемы, учитывать и связывать между собой как можно больше природных компонентов водосборов.

Модели и схемы, описывающие метеорологические, почвенно-геологические, геоморфологические условия и мелиоративные режимы водосборов, необходимые при решении задач комплексного обустройства водосборов, могут быть также использованы при решении агротехнических, землеустроительных, градостроительных и др. задач.

Базисом, связывающим метеорологические, почвенно-геологические условия и мелиоративные режимы водосборов, выступает ландшафтная катена, являющаяся с одной стороны элементарным водосбором (геоморфологическая схематизированная катена), с другой - элементарной ландшафтной единицей (физико-географический район). Количество катен в водосборе соответствует количеству физико-географических районов, расположенных на территории водосборного бассейна.

Метеорологические условия в катенах водосборов смоделированы на основе среднедекадных многолетних метеорологических данных, собранных по 26 метеостанциям в период с 1978 по 2009 годы (таблица 3.4) Основными метеорологическими параметрами являются: температура, относительная влажность воздуха и количество осадков. Эти параметры определяются для всех водосборов Западного Башкортостана в разрезе физико-географических районов.

Таблица 3.4 Характеристики метеорологических станций Башкирского гидрометеорологического центра

на территории Западного Башкортостана

 

Станции	Абсолютная высота метеоплощадки, м	Дата открытия	Наблюдения за
температурой воздуха	атмосферным давлением	атмосферными осадками	влажностью воздуха	ветром	снежным покровом	облачностью
Аскино Аксаково Архангельское Бакалы Бирск Буздяк Верхнеяркеево Дуван Емаши Кананикольское Чишмы Кушнаренково Караидель Мелеуз Раевский Стерлитамак Туймазы Тукан Улу-Теляк Уфа-Дема Янаул Стерлибашево Белорецк Федоровка Павловка Дюртюли			+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +	+ + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + + + + +	+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +	+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +	+ + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + + + + +	+ + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + + + + +	+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

При наличии на территории, рассматриваемого физико-географического района, нескольких метеостанций значения метеорологических параметров определяются способом средней арифметической. В случае отсутствия – методом интерполяции данных ближайших метеостанций.

Метеостанции для интерполяции выбираются с учетом направленности изолиний среднегодовых температур и осадок, относительной влажности воздуха в летние месяцы по территории Западного Башкортостана [11, 31].

Динамики среднегодовых температур воздуха демонстрируют наличие общих закономерностей, как по всем водосборам Западного Башкортостана, так и по ландшафтным группам (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 Динамика среднегодовой температуры воздуха по

водосборам Западного Башкортостана

Продолжение рисунка 3.3 Динамика среднегодовой температуры воздуха по водосборам Западного Башкортостана

 

Графики изменения среднегодовых температур воздуха физико-географических районов водосборов, сгруппированных по разработанной во второй главе классификации, показывают хорошую сходимость значений, что позволяет систематизировать и в дальнейшем использовать имеющиеся данные по температуре воздуха при обосновании водных мелиораций земель

водосборов. В рисунке 3.3 для упрощения показаны только итоговые значения среднегодовых температур воздуха по всем физико-географическим районам, рассматриваемых водосборов. Итоговые значения определены как средневзвешенные значения температур с учетом доли площади каждого физико-географического района в общей площади водосбора. Наиболее холодными годами в период наблюдений являются 1986, 1993 и 1996, а наиболее теплыми – 1983, 1995 и 2007 годы (таблица 3.5).

 

Таблица 3.5 Средняя температура воздуха, в град

Группы водосборов	Годы
наиболее холодные	наиболее теплые
Лесная Лесолуговая Лесостепная Лугостепная Степная	1,3 1,6 1,8 2,3 2,3	1,4 1,7 2,0 2,3 2,3	1,7 2,1 2,1 2,5 2,5	4,0 4,3 4,5 4,7 4,7	4,5 4,9 5,0 5,6 5,7	4,5 4,7 4,7 4,9 4,9

 

Относительные влажности воздуха и количества осадков по физико-географическим районам, рассматриваемых водосборов, определены по аналогичной методике.

В программу «Катена» массив метеорологических данных вводится в виде отдельного файла, где указываются начало и конец теплого периода, число дней с осадками в данном теплом периоде, суточные осадки и даты их выпадения, считая от начала теплого периода, среднедекадные температуры и влажности воздуха по всем годам наблюдений.

Для моделирования водно-физических свойств почв и подстилающих грунтов катен изучены почвенно-геологические условия рассматриваемых водосборов. Почвенно-геологические и гидрогеологические условия водосборов Западного Башкортостана выбраны по литературным источникам [1, 2, 4, 54, 93, 94, 207, 208, 219, 220, 247, 252, 257, 258] и по фондовым материалам.

Почвенные условия проанализированы по четырем природно-сельскохозяйственным зонам Западного Башкортостана. Почвы водосборов лесной группы представлены серыми, светло- и темно-серыми лесными почвами мощностью 1,2÷1,5 м; лесолуговой группы - серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами мощностью 0,7÷1,5 м; лесостепной группы – серыми, темно-серыми и дерново-подзолистыми почвами, типичными и выщелоченными черноземами мощностью 1,4÷1,6 м; лугостепной и степной групп - типичными и выщелоченными черноземами мощностью 1,4÷1,6 м.

В геотектоническом отношении территория Западного Башкортостана относится к Волго-Уральской антеклизе и Предуральскому краевому прогибу, расположенными на востоке Русской плиты. В пределах Волго-Уральской антеклизы выделяются Татарский, Пермско-Башкирский своды, Бирская, Верхне-Камская впадины и краевая часть плиты. Геологические и гидрогеологические условия рассмотрены по шести инженерно-геологическим областям Башкортостана, с учетом их гидрогеолого-мелиоративного районирования [4], выполненного на основе разработок Д. М. Каца [156]. Согласно этому районированию рассматриваемая территория входит в провинцию - Восточно-Европейскую широтно-зональную платформенную систему бассейнов грунтовых и порово-пластовых, трещинно-пластовых и трещинно-карстовых вод. По условиям формирования грунтовых вод подразделяются на подпровинции: зоны выщелачивания и неустойчивого равновесия с преобладанием процессов выщелачивания. Первая зона охватывает Уфимское плато, Юрюзано-Айскую равнину, правобережную часть Камско-Бельского понижения. Ко второй зоне относятся левобережная часть Прибельской равнины, Присакмарское понижение, Бугульминско-Белебеевская возвышенность и Общий Сырт. Области выделены на основе геоморфологических условий: Бугульминско-Белебеевская возвышенность и Общий Сырт, Уфимское плато, Камско-Бельское понижение, Юрюзано-Айская равнина, долины рек.

В литологических разрезах четвертичной, неогеновой и пермской систем Западного Башкортостана значительное место занимают глинистые породы. Среди четвертичных выделяются элювиально-делювиальные образования, покрывающие чехлом мощностью от 1÷3 м до 25÷30 м водоразделы и пологие склоны, перигляциальные, озерные и другие, слагающие верхние части террас рек Камско-Бельского бассейна. Водоносные породы (песчаники, известняки), заключающие пресные воды, залегают среди глинистых осадков в виде отдельных выклинивающихся пластов и слоев мощностью 15÷20 м, редко 45÷50 м. Глубина залегания подземных вод (мощность зоны аэрации) колеблется в пределах от 3÷5 м до 15÷20 м.

В модели функционирования катен почвенно-геологические и гидрогеологические условия водосборов учтены через водно-физические свойства почв и подстилающих грунтов всех основных горизонтов до первого водоупора, расположенного на глубине 15÷30 м. Водно-физические свойства почв и подстилающих грунтов элювиальных и транзитных фаций катен водосборов приведены в приложении 1. Супераквальные фации катен водосборов находятся в долинах рек, включающих комплексы надпойменных террас. Их свойства назначены согласно [4] (Приложение 2).

Благоприятный мелиоративный режим территории водосборов обеспечивается оптимальными режимами орошения и осушения. Достаточно точным и объективным показателем благоприятного мелиоративного режима является оптимальная обеспеченность растений влагой, то есть оптимальная влажность почвы. При оптимальной влажности почвы и при оптимальной агротехнике происходит потенциальное суммарное водопотребление.

Суммарное водопотребление зависит от метеорологических условий, вида и фазы развития растений, состояния почвы, ее затененности листьями, уровня агротехники, обеспеченности элементами питания, степени оптимальности водного, теплового, солевого, воздушного режимов.

В общем виде суммарное водопотребление растения связано с потенциальной эвапотранспирацией или испаряемостью Е₀, т. е. когда растение развивается в самых благоприятных условиях водообеспечения и когда остальные факторы и условия его жизни и развития находятся в оптимуме (обеспеченность питательными веществами, температура почвы; агротехника, глубина грунтовых вод, степень засоления и загрязнения не ограничивают развитие растения).

Для расчета потенциального водопотребления растенияв зарубежной литературе предлагаются формулы Х.Л. Пенмана, Л. Тюрка, Х.Ф. Блейни и В.Д. Криддла, однако они не рекомендуются для районов орошения России с ее особенностями климатических условий без коррекции, входящих в формулы, эмпирических коэффициентов. Наиболее подходящей для расчета испаряемости является многократно проверенная формула Н. Н. Иванова /1.25/. В этом случае потенциальное водопотребление растения зависит от вида возделываемых растений (площади листовой поверхности и др.), учитываемого так называемым биологическим коэффициентом.

В целях проверки применимости значений биологических коэффициентов, рекомендуемых справочной литературой, в условиях Западного Башкортостана выполнено сравнение этих коэффициентов у многолетних трав.

Биологический коэффициент у многолетних трав для условий лесостепной зоны Западного Башкортостана получен путем сопоставления результатов расчетов по формуле /1.25/ с экспериментальными данными испаряемости. В качестве экспериментальных данных использовались значения испаряемости (данные Башгидромет ), полученные с поверхности стандартных испарителей на метеостанции Чишмы в летние месяцы в период с 1978 по 1994 годы. Метеостанция Чишмы относится к Чишминскому физико-географическому району Чермасанского округа Прибельской провинции лесостепной зоны Западного Башкортостана. Испарители заполнены почвенным монолитом из типичных черноземов. В качестве сельскохозяйственной культуры в испарителях использованы многолетние травы.

Расчетная испаряемость по формуле /1.25/ определялась по метеорологическим данным (температура и относительная влажность воздуха) соответствующих декад в период с 1978 по 1994 годы по той же метеостанции Чишмы (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 Сопоставление расчетных и экспериментальных значений

испаряемости по метеорологической станции Чишмы

в период с 1978 по 1994 годы

 

Сопоставление расчетных и экспериментальных значений испаряемости (рисунок 3.4) показало, что динамика испаряемости по формуле /1.25/ совпадает с динамикой фактической испаряемости. Наибольшее совпадение расчетных значений с экспериментальными данными наблюдается при полиномиальном тренде четвертой степени с биологическим коэффициентом равным 0,81. Полученный биологический коэффициент отличается от аналогичного значения биологического коэффициента, рекомендуемого справочной литературой (напр.: по Н.В. Данильченко [191]). Для многолетних трав лесостепной зоны Н.В. Данильченко рекомендует К_б= 0,94…0,96, который отличается от полученного коэффициента на 0,85. Результаты проведенного анализа совпадают с работами других авторов. Так, в работах [149, 236] для диагностики полива по метеорологическим показателям в степной зоне Башкортостана результаты, полученные с использованием формул Н. Н. Иванова и И. А. Шарова, рекомендуются снижать на 20-25%.

 

Тогда в условиях Западного Башкортостана, биологические коэффициенты сельскохозяйственных культур можно принимать по [191], но с поправочным коэффициентом 0,85 (для многолетних трав и картофеля по таблице 3.6).

 

Таблица 3.6 Биологические коэффициенты многолетних трав и

картофеля в различных ландшафтных зонах Западного Башкортостана

Культура	Ландшафтная зона
лесная	лесостепная	степная
Многолетняя трава Картофель	0,82-0,85 0,80-0,85	0,80-0,82 0,75-0,80	0,78-0,80 0,73-0,77

 

В расчетах суммарная испаряемость (потенциальная эвапотранспирация) с луга и с леса принята одинаковой. Примерно одинаковое испарение с леса и луга подтверждаются исследованиями Д. Л. Соколовского, А. Р. Константинова, С. Ф. Федорова [168, 176]. Меньшая испаряемость с почвы в лесах (в 2-3 раза меньше, чем на безлесных площадях), компенсируется интенсивной транспирацией деревьев.

В программе обязательно учитывается редукция транспирации при изменении влажности почвы в корнеобитаемом слое почвы. Снижение водопотребления растениями при отклонении влажности в корнеобитаемом слое почвы от оптимальной оценивается по редукционному коэффициенту транспирации по формуле /1.28/. Учет такой зависимости необходим при оптимизации режима орошения, главным образом направленную на сокращение поливов при незначительном снижении продуктивности растений. Без этой зависимости невозможно количественно выполнить технико-экономическое сравнение вариантов с различной степенью недоподачи или переподачи поливной воды, минимизировать промываемость почвы вертикальными потоками влаги, тем самым, уменьшить объемы дренажного стока, сократить потребность в дренаже и загрязнение рек дренажным стоком.

Сроки поливов, водообмен и урожайность сельскохозяйственных культур связаны с предполивной влажностью, характеризующую нижнюю границу почвенной влажности, допускаемой для растений. Нахождение оптимальной предполивной влажности представляет научный интерес и практическую ценность с точки зрения экологических требований. В этом случае путем минимизации промывного режима решается задача эколого-экономического обоснования режима орошения. Решение данной задачи - важная часть комплексного обустройства водосборов.

Ориентировочные значения поливной влажности назначаются по имеющимся данным научно-исследовательских и опытных учреждений. Поливы зерновых и большинства технических культур рекомендуется проводить при снижении влажности почвы расчетного слоя до уровня 65-70% от предельной полевой влагоемкости (ППВ), у овощных культур – 70-90% от ППВ (таблица 3.7). Как видно из таблицы, уровень предполивной влажности зависит также от свойства почвы и на легких почвах понижается.

 

Таблица 3.7 Предполивная влажность в расчетном слое почвы,

в долях от ППВ

Культуры	Почвы
легкие	тяжелые
Зерновые Кукуруза Корнеплоды Овощные Картофель Многолетние травы	0,65 0,65 0,70 0,75 0,70 0,70	0,70 0,70 0,75 0,80 0,75 0,75

 

Запасы влаги, соответствующие ППВ, определяются полевыми изысканиями или ориентировочно считаются ППВ = 0,55…0,75 пористости. Для расчета потребности в орошении, то есть при поддержании влажности почвы вблизи оптимального значения, максимальная влажность принимается 0,96…0,98 влажности ППВ.

В ходе компьютерного моделирования природных процессов на водосборах величина предполивной влажности минимизируется до значений, которые еще не вызывают существенного (более 5-10%) снижения урожайности. Тем самым, уменьшаются нисходящие токи влаги при орошении, и оптимизируется водообмен. Этому же способствует уменьшение поливных норм, улучшение качества дождя. Пределы поливных норм при разных способах полива установливаются из опыта орошения земель [149, 166, 167, 191, 222, 236]: при поверхностном поливе - 60…100 мм, при дождевании – 20…70 мм, при капельном – 5…10 мм, при подпочвенном – 40…80 мм.

Ориентировочные нормы осушения назначаются в зависимости от минимально допустимых норм осушения. Рекомендуемые нормы осушения для различных почв в зависимости от культур приведены в таблице 3.8.

 

Таблица 3.8 Минимальные допустимые нормы осушения, см.

Культуры	Типы почв по механическому составу
глинистые и тяжелосуглинистые	средне и легкосуглинистые	супесчаные	песчаные	торфяные низинные
Овощи и корнеплоды Зерновые Многолетние травы: - пастбища - на сено

 

Результаты расчетов по обоснованию режима орошения по ландшафтным группам водосборов приведены в четвертой главе.

Таким образом, разработаны 35 моделей, описывающих метеорологические и почвенно-геологические условия на ландшафтных катенах водосборов. Обоснование необходимости мелиораций и эколого-экономического режима орошения при комплексном обустройстве водосборов осуществляется варьированием параметров модели мелиоративного режима на рассматриваемых катенах.