Основные положения, выносимые на защиту.
Nbsp;
На правах рукописи
Хафизов Айрат Райсович
Комплексное обустройство (мелиорация)
Водосборов на примере рек
Западного Башкортостана
Специальность: 06.01.02 – мелиорация, рекультивация и охрана земель
Д и с с е р т а ц и я
на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки РФ
Голованов Александр Иванович
Москва - 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение.......................................................................................................... 4
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
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
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.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Научное обоснование комплексного обустройства водосборов, повышающее продуктивность земель водосборов при сохранении их экологической устойчивости и плодородия почв.
2. Подход к водосборам, как объектам комплексного обустройства, состоящим из иерархического ряда: фаций, катен и арен. Установлены взаимосвязи между ними и физико-географическими районами, ландшафтными зонами по ГТК Селянинова и коэффициенту увлажнения.
3. Классификация водосборов по природно-климатическим (по тепловлагообеспеченности) и физико-географическим показателям.
4. Способ схематизации катен водосборов, моделирующий катену в виде четырех сопряженных фаций с учетом морфометрических параметров водосборов.
5. Статьи водных балансов при водных мелиорациях и их динамики по ландшафтным группам водосборов, определенные на основе компьютерного моделирования функционирования катен с учетом почвенно-геологических, геоморфологических и многолетних метеорологических условий на водосборах.
6. Зависимость водообмена от крутизны откоса и коэффициента поверхностного стока, позволяющая разработать инженерный метод расчета водообмена при комплексном обустройстве водосборов.
7. Экологически безопасные мелиоративные режимы и экологически устойчивые соотношения земельных угодий водосборов по лесным, лесостепным и степным ландшафтным зонам Русской равнины.
Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты открывают новые перспективы комплексного обустройства водосборов, а именно:
-разработанная обобщенная функционально-технологическая схема, включающая комплекс мероприятий по регулированию всех основных процессов и режимов, представляет собой последовательность практических действий, направленных на обеспечение и при необходимости повышение экологической устойчивости водосборов;
-рекомендуемые мелиоративные режимы позволяют повысить урожайность сельскохозяйственных культур за счет водных мелиораций без снижения экологической устойчивости земель водосборов;
-учет баланса гумуса позволяет поддерживать плодородие почв после водных мелиораций за счет внесения органических удобрений;
-инженерный метод расчета водообмена при комплексном обустройстве водосборов позволяет оперативно и достаточно быстро проводить оценку экологической устойчивости мелиорируемых земель и корректировать их мелиоративные режимы.
Апробация и реализация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях «Достижения аграрной науки производству» (Уфа, 1990-2010 гг.), межрегиональной научно - практической конференции «Агро-2001» (Уфа, 2001 г.), международной научно-практической конференции «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003 г.), всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности и устойчивости развития АПК» (Уфа, 2005 г.), международной научно - практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2006 г.), международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» (Москва, 2006 г.), международной научно-практической конференции «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК» (Москва, 2007 г.), международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008 г.), международной научно-практической конференции «Экологические и правовые проблемы водо- и землепользования» (Улан - Удэ, 2008 г.), международной научно - практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов» (Москва, 2008 г.), международной научно - практической конференции «Актуальные вопросы современного водохозяйственного комплекса» (Омск, 2009 г.).
Результаты исследований обсуждены и одобрены Научно-техническим Советом Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан. По материалам исследований разработан ряд практических рекомендаций для сельскохозяйственного производства. Научно-технические разработки экспонировались на ХI российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (Москва, 2009 г.), где два инновационных проекта «Прогрессивные технологии благоустройства водосборов в рамках устойчивого развития сельских территорий Республики Башкортостан» и «Инновационные технологии рационального и экологически безопасного использования водосборов Республики Башкортостан» получили серебряные медали и дипломы. Полученные результаты внедрены в проектную документацию ГУП «Башгипроводхоз» (г. Уфа) и используются ГУП Управление «Башмелиоводхоз» (г. Уфа) в практике эксплуатации мелиоративных систем Республики Башкортостан. Результаты работы внедрены в учебный процесс Башкирского государственного аграрного университета (БашГАУ) и включены в курсы лекций: «Мелиорация и рекультивация земель», «Природоохранные сооружения», «Комплексное использование водных ресурсов», «Эксплуатация природоохранных сооружений». Автором разработана и Ученым советом БашГАУ принята в качестве дисциплины регионального компонента дисциплина «Комплексное обустройство водосборов Башкортостана».
Публикации. Научные результаты исследований по рассматриваемой проблеме опубликованы в 42 работах автора, включая 13 работ в шести разных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ; одна монография объемом 6,0 печатных листа и два учебных пособия.
Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Голованову Александру Ивановичу за неоценимые советы и помощь при проведении научных исследований, а также глубокую признательность всем сотрудникам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП, оказавшим помощь и поддержку при работе над диссертацией.
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 403; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!