Статья: Новый подход к прогнозированию склонового стока талых вод на сельскохозяйственных землях в бассейнах Волги и Дона

Таблица - Влияние уровня природных факторов на формирование стока

Ряд ученых наиболее близко подошли к оценке процесса инфильтрации влаги в мерзлую почву с этих позиций. И. Л. Калюжный, С. А. Лавров [12] разработали концепцию формирования в мерзлой почве водонепроницаемого (запирающего) слоя, который формируется при определенном соотношении температуры и влажности почвы. Представляет интерес, хотя и не совсем обоснованный, тезис о том, что в почву может впитаться количество воды, равное объему свободных пор в запирающем слое и во всех слоях, расположенных выше него. Е. А. Гаршинёв (Гаршинев Е.А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация: Теория и модели. Волгоград: ВНИАЛМИ, 1999. 196 с.) наиболее глубоко проанализировал этот процесс и сформулировал концепцию «ледяного экрана», суть которого состоит в том, что при поступлении воды в мерзлую почву верхний слой ее оттаивает и на границе между талым и мерзлым слоями образуется водонепроницаемая ледяная прослойка и впитывание влаги превращается в процесс «термоинфильтрации». Концепция ледяного экрана подтверждается и в исследованиях А. А. Танасиенко и др. [20], в Западной Сибири. Они отмечают, что на некоторой глубине образуется льдистый экран, который препятствует продвижению талой воды в почву. Он образуется при условии наличия в почве влаги свыше наименьшей влагоемкости.

Концепции о «запирающем слое» и «ледяном экране» сыграли важную роль в понимании процесса инфильтрации в мерзлую почву талой воды. Однако есть большие различия в понимании и трактовке их значения в образовании стока. Поэтому есть необходимость разработки теории формирования стока на генетической основе.

Нами установлено, что почва как саморегулирующая система может поглотить такое количество воды, которое по объему равно полной влагоемкости оттаявшего верхнего слоя небольшой мощности. Иначе говоря, водопоглощение в мерзлую почву происходит в самом верхнем слое, мощность которого по нашим многолетним экспериментальным данным составляет в разные годы и в разных зонах не более 30 см и колеблется от 3 до 30 см (в среднем 15-25 см). Таким образом, водопоглощение мерзлой почвой происходит в самом верхнем слое, который увлажняется до полной влагоемкости. Известно, что полная влагоемкость равна общей порозности, которая обусловливает объем водопоглощения. В этом слое вмещается количество воды, равное объему свободных пор, который равен разности между общей порозностью и запасами влаги в этом слое.

Схематично процесс впитывания можно описать следующим образом. Перед снеготаянием в почве часть пор занято водой, а другая часть свободна. В эти свободные поры при снеготаянии поступает талая вода и почва оттаивает. На границе с мерзлой почвой образуется ледяная прослойка (ледяной экран). При дальнейшем снеготаянии и поступлении воды в почву этот экран опускается вниз. Ниже ледяного экрана вода не поступает. Свободные поры над ним полностью заполняются водой. Объем воды в слое над ледяным экраном равен объему свободных пор в этом слое.

Таким образом, объем весеннего склонового стока зависит от общего объема пор в слое почвы 0-30 см, ее влажности и снегозапасов. Иными словами, величина водопоглощения зависит от объема свободных пор в этом слое. В случае, когда запасы воды в снеге больше этого объема, лишняя вода стекает.

На этой основе нами разработан новый способ прогнозирования поверхностного (склонового) стока (Y). Алгоритм расчета стока следующий. Объем его обусловливается запасами воды в снеге (W_s) и емкостью свободных пор (Vfp) в верхнем слое почвы и рассчитывается по уравнению: Y = W_s - V_fp. Емкость свободных пор V_fp равна разнице между общей порозностью (V_tp) и запасами воды в почве (W_n): V_fp = V_tp - W_n. Величина стока рассчитывается по уравнению: Y = W_s - (V_fp- W_n). Общая порозность рассчитывается по удельной (d) и объемной массе (d_v) почвы по уравнению:

Общее уравнение расчета стока следующее:

где Y - величина стока, мм; W_s - запасы воды в снеге, мм; W_n - запасы воды в почве, мм; h - мощность почвенного слоя, м; d_v- объемная масса почвы, г/см³; d - удельная масса почвы, г/см³

Таким образом, для расчета величины стока необходимо знать запасы воды в снеге и объем свободных пор в слое почвы 0-30 см, который определяется по разнице между общей порозностью и запасами воды в этом слое почвы.

Выводы

В результате исследования процесса впитывания талой воды в мерзлую почву и обобщения данных литературы по этому вопросу разработана методика высокоточного его прогнозирования. Эти знания позволили по-новому подойти к оценке гидрологического процесса и сделать заключение о том, что при разработке приемов регулирования его и оценке их роли надо учитывать, как они воздействуют на главные факторы стока: промерзание почвы, ее влажность и снегозапасы. Согласно закону лимитирующих факторов при некотором минимальном их уровне сток не образуется. При величине факторов, больше лимитирующих сток образуется при любых метеорологических условиях. Процесс формирования стока сводится к двухфакторному уравнению связи, а по сути процесса - однофакторному, потому что инфильтрация почвы обусловливается ее влажностью в мерзлом состоянии. Запасы воды в снеге играют пассивную роль, они на формирование стока не влияют, но объем стока зависит от них, т. е. стекает непоглощенная часть снеговой воды. Нами установлено, что поглощение воды обусловливается верхним слоем почвы, мощность которого по многолетним экспериментальным данным составляет не более 30 см с колебаниями в разных зонах по годам от 3 до 30 см (в среднем 15-25 см). В этом слое впитывается количество воды, соответствующее объему свободных пор, который равен разности между общей порозностью и запасами влаги в почве. Общая порозность рассчитывается по объемной и удельной массе почвы. Итак, для расчета величины стока необходимо знать объем свободных пор в слое почвы 0-30 см и запасы воды в снеге перед снеготаянием.

Эти новые знания позволят по-новому подойти к трактовке теории эрозионно-гидрологического процесса и значительно повысить точность прогноза склонового и речного стока весеннего половодья.

сток склоновый речной половодье инфильтрация мерзлая почва

Библиографический список

1. Алексеевский Н.И., Юмина Н.М. Многолетние изменения максимальных уровней воды на Нижнем Амуре // Водные ресурсы. 2018. № 1. С. 3-14.

2. Барабанов А.Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие. Волгоград: ФНЦ агроэкологии РАН, 2017. 188 с.

3. Барабанов А.Т. Эрозионно-гидрологический процесс как фактор рельефообразования // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 2 (54). С. 76-82.

4. Барабанов А.Т. Закономерности формирования поверхностного стока талых вод с пахотных земель разных типов в лесостепной и степной части бассейнов Дона и Волги // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 6. С. 710-718.

5. Беднорук С. Е. Альтернативная оценка характера изменения водности бассейна р. Волги и притока воды в водохранилища Волжско-Камского каскада // Природообустройство. 2017. № 1. С. 14-23.

6. Бураков Д.А., Волковская Н.П., Иванова О.И. Автоматизированная методика краткосрочных прогнозов уровней воды в бассейне Средней Оби и Иртыша // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2019. № 2. С. 129-143.

7. Водные ресурсы бассейна р. Дон в условиях климатических изменений / М.В. Болгов, И.А. Филиппова, Е. А. Коробкина, А.В. Зайцева, М.А. Харламов // Закономерности формирования и воздействия морских, атмосферных опасных явлений и катастроф на прибрежную зону РФ в условиях глобальных климатических и индустриальных вызовов ("Опасные явления"): матер. международ. науч. конф. Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2019. С. 364-366.

8. Гагаринова О.В., Раздобарин Д.Е. Гидрологический режим реки при изменении ландшафтной структуры водосбора (на примере реки Голоустной) // Известия Иркутского государственного университета. Серрия «Науки о Земле». 2021. Т. 37. С. 17-27.

9. Двинских С. А., Китаев А. Б, Носков В. М. Гидроэкологическая обстановка на Камском Водохранилище в районе г. Добрянки // Географический вестник. 2016. № 2. С. 69-83.

10. Долгосрочный ансамблевый прогноз весеннего притока воды в Чебоксарское водохранилище на основе гидрологической модели: результаты проверочных и оперативных испытаний / С. В. Борщ, А. Н. Гельфан, В. М. Морейдо, Ю. Г. Мотовилов, Ю. А. Симонов // Труды Гидрометцентра России. 2017. Вып. 366. С. 68-86.

11. Изменение стока снегового половодья на южном макросклоне Русской равнины в период 1930-2014 гг. / Н. И. Коронкевич, А. Г. Георгиади, С. В. Долгов, Е. А. Барабанова, Е. А. Кашутина, И. П. Милюкова // Лед и снег. 2018. Т. 58. № 4. С. 498-506.

12. Калюжный И. Л., Лавров С. А. Механизм влияния глубины промерзания почв речных бассейнов на зимний сток // Водные ресурсы. 2017. № 4. С. 442-451.

13. Комиссаров М. А., Габбасова И. М. Эрозия почв при снеготаянии на пологих склонах в Южном Предуралье // Почвоведение. 2014. № 6. С. 734-743.

14. Коробкина Е. А., Филиппова И. А, Харламов М. А. Оценка стока в бассейне р. Дон: необходимость смены парадигмы гидрологических расчетов // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 6. С. 663-673.

15. Кумани М. В., Шульгина Д. В., Киселёв В. В. Многолетняя динамика основных элементов стока рек в пределах Центрального Черноземья // Региональные геосистемы. 2021. № 4. С. 617-631.

16. Методология расчётов водного и водохозяйственного балансов для некоторых водных объектов республики Татарстан / О. Н. Урбанова, А. Т. Горшкова, Д. А. Семанов, Ю. В. Мутыгул- лина, Н. В. Бортникова // Российский журнал прикладной экологии. 2020. № 2. С. 36-41.

17. Панов В. И. Оптимизация соотношения основных ландшафтных угодий (кластеров) в бассейновом агроэколандшафте степного засушливого пояса России // Научно-агрономический журнал. 2021. № 2. С. 6-17.

18. Полуэктов Е.В., Сухомлинова Н.Б. Особенности адаптивно-ландшафной организации территории водосборного бассейна в современных условиях // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2020. № 1. С. 1-16.

19. Прогноз притока воды к цимлянскому водохранилищу в период половодья в современных климатических условиях: проблемы и воспроизводимость / Н.А. Варенцова, М. Б. Киреева, Н.Л. Фролова, М. А. Харламова, В.П. Илич, А.А. Сазонов // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 6. С. 694-709.

20. Танасиенко А.А., Чумбаев А.С., Якутина О.П. Оценка глубины промерзания чернозёмов на юге Западной Сибири // Метеорология и гидрология. 2018. № 2. С. 90-96.

21. Lawson G., Dupraz C., Watts J. Cac Silvoarable Systems Maintain Yield, Resilience, and Diversity in the Face of Changing Environments? // Agroecosystem Diversity: Reconciling Contemporary Agriculture and Environmental Quality. Elsevier Inc 2019. Р. 145-168. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811050-8.00009-1.