Верификация компьютерной модели функционирования катен

Водосборов Западного Башкортостана

 

Правильность, разработанных схем и моделей, проверялся моделированием процесса функционирования ландшафтных катен водосборов Западного Башкортостана в естественных условиях.С этой целью рассчитали составляющие местного стока на водосборах. Слой стока  определен по основной формуле гидрологии:

                                                               /3.7/

где  - атмосферные осадки,  - фактическое суммарное испарение (эвапотранспирация).

В модели атмосферные осадки учитывались приращением запасов влаги в верхнем слое почвы в день их выпадения, то есть принимались во внимание суточные количества осадков. Расходование влаги на испарение принято зависящим от погодных условий, от влажности почвы. С этой целью для каждой декады теплого месяца подсчитывалось потенциальное (при оптимальной влагообеспеченности) суммарное испарение (эвапоранспирация) по формуле Н. Н. Иванова (1.25). Оно разделялось на испарение с поверхности почвы, которое учитывалось как граничное условие, и на транспирацию. Эти потенциальные виды испарения редуцировались на каждом временном шаге, а скорректированная величина транспирации еще и распределялась по глубине корнеобитаемого слоя, согласно методике изложенной в подразделе 1.5.

Многолетние прогнозы требуют расчета динамики водного режима и в холодные периоды. В это время принято, что через поверхность почвы потоки влаги нет, а в ее толще они затухают, и наступает некоторое равновесие. Весной влагозапасы увеличиваются за счет впитывания талых вод.

 Объем стока талых вод  определен как:

                                                         /3.8/

где  - осадки и испарение в холодный период года;

    – коэффициент поверхностного стока (  - поглощение воды в почву на водосборе, в долях общего объема выпавших осадков).

Коэффициент поверхностного стока характеризует водосборную площадь. Он зависит от многих факторов и условий: от крутизны склонов, водопроницаемости почв и подстилающих грунтов, увлажненности и интенсивности оттаивания почвы, орографии местности и др. В модели этот коэффициент для каждой фации катен принимался по рекомендациям А. Н. Костякова в зависимости от уклона местности, степени оттаивания почвы, водопроницаемости почв и подстилающих грунтов (таблица 3.12) [239].

 

Таблица 3.12 Коэффициенты поверхностного стока

в зависимости от уклона местности

Почвы на водосборе	Уклон местности
	меньше 0,01	0,01…0,05	больше 0,05
Песчаные и супесчаные Легкосуглинистые Среднесуглинистые Тяжелосуглинистые и глинистые Мерзлые	0,1…0,2 0,15…0,25 0,2…0,3 0,25…0,4 0,35…0,6	0,15…0,25 0,2…0,3 0,25…0,45 0,3…0,6 0,4…0,75	0,2…0,3 0,25…0,4 0,35…0,6 0,5…0,75 0,8…0,95

 

Критерием правильности схематизации природных условий является сходимость рассчитанных значений среднемноголетних показателей составляющих стока на водосборах за 1978 ÷2009 годы с соответствующими значениями, приведенными на официальных картах стока. Средние расхождения между ними составили: годового стока - не более 8%, стока половодья – 7% и меженного стока – 10 %. Так же, соблюдение данного критерия является подтверждением правильности назначения такой трудноопределимой величины, как коэффициент поверхностного стока.

Результаты расчетов по модели и среднемноголетние показатели по карте сведены в таблицу 3.13. Средние расхождения между показателями составляют: годового стока не более 8%, стока половодья – 7% и меженного стока – 10%.

 

 

 

Таблица 3.13 Сопоставление среднемноголетних показателей составляющих стока водосборов Западного Башкортостана

Водосборы	Физико-географические районы	Осадки, мм	Годовое испарение, мм		Годовой сток, мм		Сток половодья, мм		Меженный сток, мм
			по карте	по модели	по карте	по модели	по карте	по модели	по карте	по модели
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Юрюзань	Бердяшский Месягутовский	625 556	385 316	379 306	240 240	246 250	119 108	117 99	121 132	129 151
Ай	Приайский Белокатайский Месягутовский	508 556 556	290 326 316	281 320 321	218 230 240	227 236 235	94 120 108	94 124 112	124 110 132	133 112 123
Лемеза	Лемезинский	780	400	405	380	375	220	211	160	164
Тюй	Аскинский Нуримановский	629 629	389 375	388 367	240 254	241 262	120 120	128 123	120 134	113 139
Уса	Изякский Уфимский	600 625	360 355	359 358	240 270	241 267	120 140	121 141	120 130	120 126
Уфа	Бердяшский Нуримановский Приуфимский Уфимский	625 629 650 625	385 375 390 355	388 384 394 357	240 254 260 270	237 245 256 268	119 120 135 140	118 120 139 144	121 134 125 130	119 125 117 124
Сим	Лемизинский Симский	780 625	400 365	408 358	380 260	372 267	220 160	215 168	160 100	157 99
Инзер	Симский	625	365	373	260	252	160	156	100	96
Зилим	Призиганский	650	440	435	210	215	150	146	60	69
Бирь	Бураевский Изякский	575 600	385 400	375 399	190 200	200 201	110 120	118 121	80 80	82 80
Дема	Чишминский Удрякский Аксаковский Придемский Тятерский	425 450 525 550 575	345 360 405 420 425	346 357 406 416 429	80 90 120 130 150	79 93 119 134 146	50 60 60 70 90	53 62 65 74 87	30 30 60 60 60	26 31 54 60 59

                                                                                                                                            

 

Продолжение таблицы 3.13

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Быстрый Танып	Пританыпский Аскинский Калтасинский Бельский Бураевский	625 625 550 550 575	425 385 390 410 385	424 387 396 410 380	200 240 160 140 190	201 238 154 140 195	110 120 90 80 110	113 121 89 82 118	90 120 70 60 80	88 117 65 58 77
Буй	Буйский	550	390	394	160	156	100	95	60	61
Нугуш	Нижненугушский	525	345	346	180	179	110	112	70	67
Ик	Усеньский Аксаковский	500 525	370 405	375 404	130 120	125 121	60 60	55 62	70 60	70 59
База	Базинский Причермасанский	500 450	390 360	383 353	110 90	117 97	60 50	64 58	50 40	43 39
Сюнь	Сюньский Причермасанский Базинский	475 450 500	375 360 390	373 362 394	100 90 110	102 88 106	50 50 60	53 46 59	50 40 50	49 42 47
Чермасан	Причермасанский Чишминский Удрякский	450 425 450	360 345 360	356 348 362	90 80 90	94 77 88	50 50 60	53 47 56	40 30 30	41 30 32
Куганак	Куганакский Ишимбайский	475 475	395 385	391 383	80 90	84 92	60 70	60 68	20 20	24 24
Уршак	Уршакский Кармаскалинский Куганакский	450 525 475	370 425 395	369 426 391	80 100 80	81 99 84	60 70 60	59 71 63	20 30 20	22 28 21
Усень	Кандрыкульский Усеньский	425 500	345 370	347 376	80 130	77 124	60 60	56 55	20 70	21 69
Ашкадар	Куганакский Ишимбайский Верхнеашкадарский Ермолаевский	475 475 475 475	395 385 375 365	393 383 375 359	80 90 100 110	82 92 100 116	60 70 70 80	60 67 71 81	20 20 30 30	22 25 29 35
Кармасан	Чишминский	425	345	343	80	82	50	54	30	28

 

Выводы по главе:

1 Модель функционирования катен водосборов позволяет выполнять численный эксперимент и решать комплексные задачи, возникающие при обустройстве водосборов. Достоверность полученных результатов зависит от достоверности применяемых схем и моделей ландшафтных катен водосборов.

2. Разработаны расчетные модели для 35 ландшафтных катен водосборов Западного Башкортостана. Модели учитывают метеорологические и почвенно-геологические условия водосборов и позволяют конструировать различные мелиоративные режимы на рассматриваемых катенах.

3. Вычисленные морфометрические показатели позволяют сконструировать геоморфологические схемы ландшафтных катен, учитывающие морфометрические особенности водосборов Западного Башкортостана.

    4. Моделирование процесса функционирования ландшафтных катен водосборов Западного Башкортостана в естественных условиях показал хорошую сходимость, рассчитанных и полученных по карте значений среднемноголетнего местного стока (расхождение не более 6%), и подтвердил правильность разработанных схем и моделей.

 

4. Обоснование необходимости водных мелиораций

при комплексном обустройстве водосборов

 

Необходимость водных мелиораций при комплексном обустройстве водосборов основана на анализе водного баланса катен водосборов, которые определяются по результатам прогнозных расчетов водного режима катен водосборов. Согласно третьей главе, водосборы представлены схематизированной катеной, состоящей из сопряженных фаций с разным высотным взаиморасположением. Количество катен на водосборе соответствует количеству физико-географических районов, расположенных на территории водосборного бассейна. Для каждой катены водосбора формируется собственная комбинация метеорологических, почвенно-геологических, гидрогеологических условий и геоморфологических схем.

Рассмотрено функционирование катен до (естественный режим) и после водных мелиораций. Результаты представлены в виде статей частных балансов для поверхностных, почвенных и подземных вод за период с 1978 года по 2009 год. При мелиорации в балансы добавляются управляемые искусственные статьи: орошение и дренаж. Обобщение результатов расчетов выполнено согласно классификации водосборов, разработанной во второй главе. Моделирование мелиоративных режимов и анализ полученных результатов осуществлен по четырем фациям катен водосборов. Но для наглядности анализа, в таблицах результатов показаны только анализируемые статьи водных балансов по возвышенности (элювиальная фация), склону (транзитная фация) и низине (супераквальная фация).

Мелиорации земель должны повышать экологическую устойчивость водосбора, так как они в первую очередь оптимизируют тепло- и влагообеспеченность, что повышает биологическую продуктивность земель, устраняют кислотность, засоленность, осолонцованность, загрязненность почв и, следовательно, повышают их плодородие; восстанавливают нарушенный почвенный и растительный покров. Это в свою очередь повышает устойчивость к негативным воздействиям, самоочищаемость и самовосстановление водосборов. Но это достигается только при строго дозированных мелиоративных воздействиях и соблюдении требуемых для данной зоны показателей мелиоративного режима (см. разд. 4.1 - 4.4).

Экологическая устойчивость мелиорированных катен водосборов  определяется по формуле:

              ,                                  /4.1/

где  - коэффициент экологической устойчивости катен водосборов в естественном состоянии, определяется по формуле /5.1/;

 – мелиоративная составляющая устойчивости, зависящая от изменения структуры водного баланса катен водосборов в результате водных мелиораций. По предложению И. П. Айдарова [14]:

                 ,                                                  /4.2/

где  и  - поверхностный сток и влагообмен между почвенными и грунтовыми водами на немелиорированных и мелиорированных катенах, мм. При мелиоративной составляющей устойчивости  = 1 экологическое состояние мелиорированных катен водосборов будет стабильным, при  > 1 – будет повышаться, при  < 1 – будет ухудшаться;

 и  - урожайность сельскохозяйственных культур на мелиорированных и немелиорированных землях.

Водосборы лесной группы

Согласно разработанной во второй главе классификации водосборов по природно-климатическим показателям (Таблица 2.7), водосборы лесной группы по увлажненности подразделяются на катены: увлажненные и близкие к увлажненным. Различные комбинации метеорологических, почвенно-геологических, гидрологических условий и геоморфологических схем в катенах (физико-географических районах) водосборов дают разные по величине значения статей среднемноголетнего водного баланса (таблица 4.1).

 

Таблица 4.1 Результаты прогноза водного режима катен водосборов

 лесной группы в естественных условиях

 

а) элювиальной фации

Водосборы	Катены		Статьи водного баланса, мм				СрГВ, м
			Вув	ВпТ	Этр	Пот
Подгруппа – увлажненные катены
Юрюзань		Месягутовский	91	336	284	143	10,6
Ай		Месягутовский	69	318	269	118	11,6
		Белокатайский	61	336	285	112	12,1
		среднее	65	327	277	115	11,8
Среднее по подгруппе			78	331	280	129	11,2
Подгруппа – близкие к увлажненным катены
Юрюзань		Бердяшский	40	338	286	92	12,6
Ай		Приайский	47	330	260	117	12,2
Лемеза		Лемезинский	119	407	284	242	9,6
Тюй		Аскинский	148	310	307	151	12,2
		Нуримановский	174	325	242	257	11,3
		среднее	161	317	274	204	11,7
Среднее по подгруппе			92	348	276	164	11,5

 

б) транзитной фации

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрГВ, м
		Вув	ВпТ	Этр	Пот
Подгруппа – увлажненные катены
Юрюзань	Месягутовский	38	336	258	223		8,9
Ай	Белокатайский	15	336	258	93		11,2
	Месягутовский	37	305	247	95		11,5
	среднее	26	321	253	94		11,3
Среднее по подгруппе		32	329	256	159		10,1
Подгруппа – близкие к увлажненным катены
Юрюзань	Бердяшский	29	371	274	146		11,2
Ай	Приайский	11	327	249	136		10,7
Лемеза	Лемезинский	74	407	267	482		9,5
Тюй	Аскинский	126	325	281	190		11,6
	Нуримановский	126	325	228	280		11,2
	среднее	126	325	254	235		11,4
Среднее по подгруппе		60	357	261	250		10,7

 

 

Продолжение таблицы 4.1

в) супераквальной фации

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрМГВ, м
		Вув	ВпТ	Этр	Ппр
Подгруппа – увлажненные катены
Юрюзань	Месягутовский	37	153	335	422	0,28
Ай	Белокатайский	35	199	330	297	0,51
	Месягутовский	39	204	251	146	0,73
	среднее	37	202	291	222	0,62
Среднее по подгруппе		37	196	313	322	0,45
Подгруппа –близкие к увлажненным катены
Юрюзань	Бердяшский	22	280	277	379	0,21
Ай	Приайский	2	6	341	956	0,42
Лемеза	Лемезинский	83	296	302	41	0,77
Тюй	Аскинский	65	135	315	415	0,49
	Нуримановский	67	139	318	642	0,63
	среднее	66	137	316	528	0,56
Среднее по подгруппе		43	180	309	476	0,49

 

Примечание: Вув - весеннее увлажнение почвы; ВпТ - впитывание воды в почву в теплый период; Этр – эвапотраспирация; Ппр - приток в супераквальную фацию; Пот - подземный отток на пониженные фации; СрГВ – средняя многолетняя глубина грунтовых вод; СрМГВ – средняя многолетняя минимальная глубина грунтовых вод.

 

Так максимальный суммарный подземный отток на пониженные фации у лесных групп водосборов наблюдается у Лемезинской катены водосбора Лемеза и Нуримановской катены водосбора Тюй. В указанных катенах наблюдается и значительная промываемость почв.

Суммарный подземный приток на супераквальную фацию больше всех у Приайской катены водосбора Ай и Нуримановской катены водосбора Тюй (таблица 4.1).

Среднегодовая многолетняя минимальная глубина грунтовых вод супераквальной (пониженной) фации составляет 0,08 м, а по водосборам: Тюй – 0,08 м, Ай – 0,09 м, Лемеза – 0,11 м и Юрюзань – 0,04 м. Полученные значения совпадают с результатами исследований Р. Ф. Абдрахманова, В. Г. Попова и др. [1, 4].

Анализ результатов прогноза водного режима фаций показал, что на величины статей водных балансов влияют как морфометрические показатели, так и характеристики почв и подстилающих грунтов катен водосборов. Так, из-за различия в перепадах высот и крутизне склонов геоморфологических схем водосборов Юрюзань и Ай, значения статей водных балансов одной и то же Месягутовской катены в водосборе Юрюзань больше, чем в водосборе Ай. Различия в водном балансе между Нуримановской и Аскинской катен водосбора Тюй объясняется различием водно-физических свойств почв и подстилающих грунтов катен.

Несмотря на расхождения значений статей водного баланса разных катен в абсолютных величинах, в однотипных по высотному взаимоположению фациях разных катен наблюдается общая тенденция динамики влагопереноса: одинаковая направленность притока, оттока и промываемости почв.

Так же нет значительных отличий в значениях статей водного баланса между подгруппами. Общее впитывание воды в почвы весной и летом между подгруппами расходится на 5%, а эвапотранспирация – на 0,3%. Хотя проявляется незначительный тренд в сторону увеличения статей водного баланса при уменьшении степени увлажнения катен водосборов.

Данные утверждения позволяют объединять фации катен всех водосборов одной группы обеих подгрупп по их высотному взаимоположению, усреднять значения соответствующих статей водного баланса этих фаций и, в дальнейшем, анализировать полученные значения.

Высотное положение фаций (в пределах одной катены) по-разному формирует их среднемноголетний годовой водный баланс. Так, в элювиальной фации Нуримановской катены водосбора Тюй почвенная влага в количестве 254 мм/год просачивается в грунтовые воды, то есть наблюдается промывной тип водного питания. А в супераквальной фации той же катены в количестве 444 мм/год наблюдается капиллярное подпитывание, то есть формируется выпотный (то есть направленный в другую сторону) тип водного питания. Поэтому при анализе водного баланса и режима водосборов необходима дифференциация катен на фации с разными высотными положениями. Усредненные значения фаций всех катен водосборов группы, дифференцированные по разным высотным положениям, приведены в таблице 4.2.

 

Таблица 4.2 Результаты прогноза обобщенного водного режима катен

 водосборов лесной группы в естественных условиях

 

Фации	Статьи водного баланса, мм					Пр, мм
	Вув	ВпЛ	Этр	Лст	Пот
Элювиальная	85	340	278	26	147	143
Транзитная	46	343	258	19	204	136
Супераквальная	40	188	301	460	52	-334

 

Вув - весеннее увлажнение почвы; ВпЛ - впитывание воды в почву в теплый период; Этр – эвапотраспирация; Лст – летний поверхностный сток; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы.

 

Аналогичные значения статей водного баланса для различных фаций ранее отмечал А.И. Голованов [222].

При средних по лесной группе годовых осадках 605 мм и эвапотранспирации – 283 мм, суммарный отток из элювиальной в пониженную фацию составляет 24% годовой суммы осадков. У транзитной фации склонов испарение составляет 258 мм. Суммарный подземный отток превышает приток и составляет 34%. Пониженная супераквальная фация испытывает значительный дополнительный приток влаги - 399 мм (см. таблицу 4.1) (66% годовых осадков).

Средние относительные урожайности по катенам, определенные по формуле продуктивности /3.2/, составляют 0,48 от потенциальной урожайности (таблица 4.3). Значительный дополнительный приток влаги в супераквальные фации вызывает наибольшее снижение относительной урожайности этих фаций (0,26).

Исходя из выполненного анализа водного баланса и относительной урожайности, для лесной группы водосборов рекомендуются следующие методы мелиораций:

 

Таблица 4.3 Относительная урожайность катен водосборов

лесной группы в естественных условиях

Водосборы	Катены	Урожайность, в долях
		фаций			катен
		супераквальной	трансэлювиальной	элювиальной
Юрюзань	Бердяшский Месягутовский	0,21 0,02	0,55 0,58	0,44 0,65	0,40 0,42
	среднее	0,11	0,57	0,55	0,41
Ай	Приайский Белокатайский Месягутовский	0,01 0,31 0,32	0,46 0,37 0,57	0,45 0,39 0,47	0,31 0,36 0,45
	среднее	0,21	0,46	0,44	0,37
Лемеза	Лемезинский	0,50	0,75	0,77	0,68
	среднее	0,50	0,75	0,77	0,68
Тюй	Аскинский Нуримановский	0,32 0,08	0,89 0,42	0,63 0,34	0,61 0,28
	среднее	0,2	0,66	0,49	0,45
Среднее по группе		0,26	0,61	0,56	0,48

 

-орошение. Почвы водосборов лесной группы, при средней эвапотранспирации 283 мм, увлажняются на 347 мм. Водосборы группы увлажняются достаточно и избыточно, но учитывая незначительный положительный дефицит атмосферного увлажнения в вегетационный период (4,4 мм) и для повышения продуктивности водосборов можно орошать возвышенные (элювиальные) фации в среднесухие (25% обеспеченности по осадкам) и сухие (10% обеспеченности по осадкам) годы;

-осушение. Водосборы лесной группы, особенно пониженные (супераквальные) фации, испытывают избыток почвенной влаги. Необходимо снижение минимального уровня грунтовых вод до минимально допустимых норм осушения на тяжелосуглинистых почвах, равных 0,3 м для картофеля и трав. На всех водосборах рекомендуется систематический горизонтальный дренаж пониженных фаций и ограждение их от притока подземных вод со склонов, при возможности углубление водоприемника. Кроме того для водосборов Ай и Тюй рекомендуется систематический дренаж склонов.

Результаты прогноза водного режима по фациям катен водосборов лесной группы при водных мелиорациях приведены в таблице 4.4.

 

Таблица 4.4 Результаты прогноза водного режима катен водосборов

лесной группы при водных мелиорациях

 

а) элювиальной фации

 

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм					СрГВ, м
		ВпВЛ	Ор	Этр	Сдр	Пот
Юрюзань	Бердяшский	417	0	283	0	134	9,5
	Месягутовский	387	0	231	0	156	8,1
	среднее	402	0	257	0	145	8,8
Ай	Приайский	376	353	284	0	445	8,8
	Белокатайский	396	245	313	0	328	9,7
	Месягутовский	367	0	271	0	96	10,1
	среднее	380	199	289	0	290	9,5
Лемеза	Лемезинский	526	71	297	0	300	9,1
Тюй	Аскинский	385	0	317	0	68	9,8
	Нуримановский	491	59	302	0	248	9,5
	среднее	438	30	310	0	158	9,6
Среднее по группе		436	75	288	0	223	9,3

 

б) транзитной фации

 

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм					СрГВ, м
		ВпВЛ	Ор	Этр	Сдр	Пот
Юрюзань	Месягутовский	357	0	190	0	317	8,2
	Бердяшский	371	0	178	0	335	10,8
	среднее	364	0	184	0	326	9,5
Ай	Приайский	341	0	241	0	100	10,7
	Белокатайский	351	0	259	0	163	11,1
	Месягутовский	337	0	256	0	81	11,2
	среднее	343	0	252	0	115	11,0
Лемеза	Лемезинский	482	0	267	0	458	9,6
Тюй	Аскинский	444	0	290	0	191	10,7
	Нуримановский	451	0	231	2	341	10,2
	среднее	448	0	261	1	266	10,5
Среднее по группе		409	0	241	0	291	10,2

 

Продолжение таблицы 4.4

в) супераквальной фации

 

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм					Ср МГВ, м
		ВпВЛ	Ор	Этр	Сдр	Пот
Юрюзань	Бердяшский	329	0	283	511	165	1,17
	Месягутовский	273	0	253	483	145	1,29
	среднее	301	0	268	497	155	1,23
Ай	Приайский	345	0	327	904	232	1,24
	Белокатайский	378	0	321	272	3	1,31
	Месягутовский	394	0	239	305	12	1,27
	среднее	372	0	296	560	82	1,27
Лемеза	Лемезинский	485	0	289	238	1	1,21
Тюй	Аскинский	312	0	306	496	8	1,24
	Нуримановский	472	0	268	950	10	1,10
	среднее	392	0	287	773	9	1,17
Среднее по группе		388	0	285	517	62	1,22

 

Примечание: ВпВЛ - впитывание воды в почву весной и в теплый период; Ор - оросительная норма; Этр – эвапотраспирация; Сдр - сток в дренаж; Пот - подземный отток на пониженные фации; СрГВ – средняя многолетняя глубина грунтовых вод; СрМГВ – средняя многолетняя минимальная глубина грунтовых вод.

 

При проведении рекомендуемых мелиораций составляющие местного стока (среднемноголетние показатели) изменяются (таблица 4.5). При водных мелиорациях ожидается некоторое увеличение годового местного стока с 277 до 312 мм, уменьшение стока весеннего половодья за счет большего впитывания талых вод в осушенную почву – со 139 до 127 мм и увеличение меженного стока за счет орошения и усиления дренированности территорий – со 138 до 185 мм.

Согласно монографии Б.С. Маслова и В.И. Минаева [190] некоторое увеличение годового слоя стока, уменьшение слой стока половодья и увеличение меженного стока благоприятно сказываются на экологическом состоянии малых рек. Так же, увеличение меженного стока дает возможность дополнительного изъятия слоя воды 35 мм/год для хозяйственных нужд региона.

Таблица 4.5 Влияние водных мелиораций на составляющие местного стока

(среднемноголетние показатели) водосборов лесной группы

Водосборы	Ситуация	Осадки, мм	Годовое испарение, мм	Годовой сток, мм	Сток половодья, мм	Меженный сток, мм
Юрюзань	естественный режим	591	343	248	108	140
	мелиорация	591	291	300	99	201
Ай	естественный режим	540	307	233	110	123
	мелиорация	540	287	253	103	150
Лемеза	естественный режим	780	405	375	211	164
	мелиорация	780	374	406	192	214
Тюй	естественный режим	629	377	251	125	126
	мелиорация	629	340	289	113	176
Среднее по группе	естественный режим	635	358	277	139	138
	мелиорация	635	323	312	127	185

 

При проведении рекомендуемых мелиораций общая тенденция динамики влагопереноса по фациям сохраняется. Поэтому анализ результатов прогноза водного режима при мелиорациях проводим, так же, по той же методике, что и в естественных условиях (до мелиораций) (таблица 4.6).

 

Таблица 4.6 Результаты прогноза обобщенного водного режима катен

водосборов лесной группы при водных мелиорациях

 

Фации	Ситуация	Статьи водного баланса, мм						Пр, мм
		ВпВЛ	Ор	Этр	Дст	Лст	Пот
Элювиальная	естественный режим	424	-	278	-	26	147	143
	мелиорация	436	75	288	0	8	223	218
Транзитная	естественный режим	389	-	258	-	19	204	136
	мелиорация	409	0	241	0	5	291	142
Супераквальная	естественный режим	228	-	311	-	296	52	-334
	мелиорация	388	0	285	517	46	62	134

 

Примечание: ВпВЛ - впитывание воды в почву весной и в теплый период; Ор – оросительная норма; Этр – эвапотраспирация; Дст – сток в дренаж; Лст – летний поверхностный сток; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы; Ур - относительная урожайность.

 

Больше всего изменяется водный режим супераквальной фации. За счет осушения значительно увеличивается суммарный отток подземных вод с фации в реку и в систематический дренаж: от 52 мм до 579 мм. Осушение способствует увеличению впитывания воды в почву с 228 мм до 388 мм, вследствие этого значительно сокращается поверхностный сток летом с 96 мм до 16 мм. Уменьшение влагообеспеченности фации за счет осушения приводит к некоторому уменьшению эвапотранспирации на 9%.

Водный режим транзитных фаций изменился незначительно, произошло небольшое увеличение подземного оттока в пониженные фации и промываемости почвы, уменьшение поверхностного стока.

Изменения водного баланса элювиальной фации вызваны поливами в засушливые годы. Для обеспечения предполивной влажности 0,75 ППВ (предельная полевая влагоемкость), рекомендуемых в условиях Западного Башкортостана, понадобилось орошение элювиальных фаций водосборов Ай, Лемеза и Туй. Среднемноголетняя оросительная норма составила 75 мм.

Проведенные мелиоративные мероприятия оптимизируют водный режим фаций, увеличивая прирост продуктивности фации (относительной урожайности). В супераквальных фациях урожайность повышается за счет увеличения среднегодовой минимальной глубины грунтовых вод с 0,08 м до 1,22 м., в элювиальных – обеспечением предполивной влажности не ниже 0,75 ППВ. Так, для водосбора Тюй за все 30 лет понадобились 19 поливов, а для водосбора Лемезы - 21 полив нормой 30 мм. Наибольший прирост продуктивности (в 2 раза) наблюдается в супераквальной фации, средний прирост по фациям составляет 1,35 раза (таблица 4.7).

Рассмотренный мелиоративный режим обеспечивает максимальное повышение продуктивности (урожайности) катен водосборов, но при этом возникают негативные процессы, ухудшающие экологическое состояние водосборов.

 

Таблица 4.7 Относительная урожайность катен водосборов

лесной группы после водных мелиораций

Водосборы	Ситуация	Урожайность, в долях
		фаций			катен
		супераквальной	транзитной	элювиальной
Юрюзань	естественный режим	0,11	0,57	0,55	0,41
	мелиорация	0,40	0,56	0,83	0,60
Ай	естественный режим	0,21	0,46	0,44	0,37
	мелиорация	0,48	0,44	0,79	0,57
Лемеза	естественный режим	0,50	0,75	0,77	0,68
	мелиорация	0,61	0,75	0,96	0,78
Тюй	естественный режим	0,20	0,66	0,49	0,45
	мелиорация	0,57	0,63	0,64	0,61
Среднее по группе	естественный режим	0,26	0,61	0,56	0,48
	мелиорация	0,55	0,61	0,80	0,65
Увеличение урожайности (разы)		2,12	0,0	1,43	1,35

 

В супераквальных фациях при водных мелиорациях меняется тип водного питания: от выпотного в среднем равного 334 мм в год, на промывной с интенсивностью 134 мм/год. Это приведет к вымыванию из почвы питательных веществ и растворенного гумуса, загрязнению реки биогенами.

В элювиальной фации при водных мелиорациях за счет наличия интенсивно-дренированных почв и грунтов значительно увеличилась промываемость почв. Так, орошение Приайской катены водосбора Ай увеличило промываемость в 3,7 раза. Средняя промываемость элювиальной катены увеличилось в 1,5 раза.

Комплексное обустройство предусматривает повышение продуктивности водосборов при стабильном их экологическом состоянии. В связи с этим, разработаны и реализованы меры экологического характера:

- уменьшение вымываемости, растворенных веществ и гумуса из почв в пониженных фациях, путем оптимизации интенсивности дренирования и разработка природоохранных мероприятий;

- снижение промываемости почв в орошаемых фациях выполнением эколого-экономического обоснования режима орошения;

- компенсация промываемости и вымываемости растворенных веществ и гумуса из почв дополнительным внесением удобрений.

Оптимизация интенсивности дренирования. Снизить интенсивность дренирования можно за счет изменения глубины заложения дрен, но при этом уменьшается и продуктивность (урожайность) фаций. С целью определения зависимости относительной урожайности фаций ( ) от интенсивности дренирования пониженных фаций выполнены расчеты катен водосборов лесной группы с изменением глубин заложения дрен ( ) от 1,22 м (УГВ после осушения) до 0,47 м (средний УГВ в естественных условиях). Результаты расчета представлены в виде зависимости  (рисунок 4.1), где  – относительное уменьшение интенсивности дренирования при уменьшении глубины заложения дрен в долях, определяемое по формуле:

                ,                                           /4.3/

где  – годовой сток в дренаж соответственно при исходной максимальной глубине заложения (в нашем случае ) и при уменьшенной глубине заложения, вычисляемые по модели функционирования катен, мм;

 - снижение относительной урожайности в %, определяемое по формуле:

                                        ,                                 /4.4/

где  - относительные урожайности в долях соответственно при исходной максимальной глубине заложения и при уменьшенной глубине заложения, вычисляемые по модели продуктивности В. В. Шабанова [278].

По полученной зависимости, назначая приемлемое снижение относительной урожайности, можно определить ожидаемое уменьшение интенсивности дренирования. Приемлемое снижение урожайности для каждого конкретного случая на основе экономических расчетов определяется хозяйством. Так, при допущении снижения урожайности на 5%, сток воды в реку и систематический дренаж относительно своему значению при максимальной относительной урожайности снизится до 0,95 и станет равным (517+62)•0,95=550 мм. При этом глубина грунтовых вод в супераквальной фации повысится на 0,16 м и составит 1,06 м.

Рисунок 4.1 Зависимость относительного уменьшения интенсивности дренирования от относительной урожайности

 

Для закрепления полученного эффекта необходимы простейшие природоохранные мероприятия по извлечению биогенов из дренажных вод: биоплато в устье осушительных каналов и установка фильтрующих пакетов с сорбентами, извлекающими гербициды и тяжелые металлы, содержащиеся в минеральных удобрениях [41, 127, 193, 199]. Мероприятия по оптимизации гумуса в водосборах рассмотрены ниже.

Эколого-экономическое обоснование режима орошения. Эколого-экономическое обоснование позволяет выбрать оптимальный вариант предполивной влажности , обеспечивающий безопасные экологические оросительные нормы М и промываемости почв g при приемлемой относительной урожайности . Исследованы шесть вариантов поливов в течение 30 лет при предполивных влажностях в долях от ППВ: 0,5; 0,6; 0,65; 0,7; 0,75; 0,8. В результате расчетов определены значения оросительных норм, промываемости почв и относительной урожайности для всех катен водосборов лесной группы. Сопоставление результатов расчетов орошаемых катен показал схожесть изменений исследуемых параметров во всех катенах. Поэтому анализ результатов расчетов выполнен на примере водосбора Ай по Приайской и Белокатайской катенам (таблица 4.8).

 

Таблица 4.8 Результаты расчетов оросительной нормы М и

промываемости почв g при приемлемой относительной урожайности для водосбора Ай при разной предполивной влажности

 

Показатели	Предполивная влажность, в долях ППВ
	0,5	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8
	Приайская катена
Оросительная норма, М мм	10	27	47	75	120	198
Промываемость катены, g мм	111	126	144	171	212	286
Относительная урожайность,	0,462	0,512	0,541	0,568	0,579	0,585
Доля от максимального значения	0,790	0,875	0,925	0,971	0,990	1,00-
	Белокатайская катена
Оросительная норма, М мм	5	13	21	33	51	82
Промываемость катены, g мм	94	101	107	118	134	162
Относительная урожайность,	0,483	0,537	0,566	0,596	0,605	0,610
Доля от максимального значения	0,792	0,881	0,928	0,977	0,991	-

 

Наиболее высокая урожайность обеспечивается при предполивной влажности 0,8 ППВ, но при этом средняя промываемость катены превышает промываемость в бытовых условиях (меженный сток в таблице 4.16) в 2,2 раза Приайской катены и в 1,5 раза Белокатайской катены. Мелиоративная составляющая устойчивости орошаемой Приайской катены согласно формуле /4.2/ даже при предполивной влажности 0,75 ППВ (рекомендуемой для условий Башкортостана) составляет 0,73, то есть экологическое состояние катены ухудшается. Для Приайской катены экологическая стабильность начинает обеспечиваться при предполивной влажности равной 0,65 ППВ. Аналогичная ситуация наблюдается и в других орошаемых катенах. С учетом этого, в качестве экологически безопасной предполивной влажности для водосборов лесной группы при возделывании многолетних трав рекомендуется 0,65…0,7 ППВ. По этому значению можно скорректировать и предполивные влажности других культур, приведенных в таблице 3.7.

Предполивные влажности для мелиораций, проводимых с целью повышения экологической устойчивости водосборов, то есть повышением мелиоративной составляющей устойчивости орошаемых земель, должны обосновываться через коэффициент экологической устойчивости (стабильности) водосборов (см. пятую главу).

 

Водосборы лесолуговой группы

 

Они расположены на стыке лесных и лесостепных ландшафтных зон. По потенциальным оценкам тепло- и влагообеспеченности они занимают переходное положение и водосборам этой группы важно разделение на подгруппы по увлажненности: близкие к увлажненным катены и неувлажненные катены. Результаты прогноза водного режима фаций в естественных условиях приведены в таблице 4.9.

 

Таблица 4.9 Результаты прогноза водного режима катен водосборов

лесолуговой группы в естественных условиях

 

а) элювиальная фация

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрГВ, м
		Вув	ВпТ	Этр	Пот
Подгруппа – близкие к увлажненным катены
Сим	Лемезинский	130	380	337	173	3,6
Уфа	Нуримановский	112	299	319	92	4,9
	Бердяшский	72	282	301	53	5,1
	среднее	92	291	310	73	5,0
Среднее по подгруппе		111	336	324	123	4,3
Подгруппа – неувлажненные катены
Сим	Симский	133	360	325	168	8,9
Уфа	Приуфимский	124	386	401	109	5,1
	Уфимский	253	321	375	199	6,3
	среднее	189	354	388	154	5,7
Уса	Изякский	187	360	277	270	9,2
	Уфимский	253	378	379	252	9,8
	среднее	220	369	328	261	9,5
Среднее по подгруппе		181	361	347	194	8,0

 

 

Продолжение таблицы 4.9

б) транзитная фация

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрГВ, м
		Вув	ВпТ	Этр	Пот
Подгруппа – близкие к увлажненным катены
Сим	Лемезинский	89	407	280	219	8,3
Уфа	Нуримановский	132	313	278	106	4,9
	Бердяшский	42	322	270	97	5,2
	среднее	87	318	274	102	5,1
Среднее по подгруппе		88	363	277	161	6,7
Подгруппа – неувлажненные катены
Сим	Симский	107	360	297	145	12,6
Уфа	Приуфимский	140	406	375	97	6,1
	Уфимский	219	321	360	200	6,3
	среднее	180	364	368	149	6,2
Уса	Изякский	160	360	257	263	11,8
	Уфимский	219	379	365	233	12,4
	среднее	190	370	311	248	12,1
Среднее по подгруппе		159	365	325	181	10,3

 

в) супераквальная фация

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрМГВ, м
		Вув	ВпТ	Этр	Ппр
Подгруппа – близкие к увлажненным катены
Сим	Лемезинский	61	185	331	282	0,06
Уфа	Нуримановский	111	235	287	160	0,16
	Бердяшский	56	217	282	147	0,19
	среднее	84	226	285	154	0,17
Среднее по подгруппе		73	206	308	218	0,12
Подгруппа – неувлажненные катены
Сим	Симский	77	249	373	186	0,05
Уфа	Приуфимский	108	290	387	147	0,19
	Уфимский	131	188	401	302	0,12
	среднее	120	239	394	225	0,16
Уса	Изякский	69	189	382	655	0,12
	Уфимский	80	155	417	664	0,30
	среднее	74	172	400	660	0,21
Среднее по подгруппе		90	220	389	357	0,14

 

Примечание: Вув - весеннее увлажнение почвы; ВпТ - впитывание воды в почву в теплый период; Этр – эвапотраспирация; Ппр - приток в супераквальную фацию; Пот - подземный отток на пониженные фации; СрГВ – средняя многолетняя глубина грунтовых вод; СрМГВ – средняя многолетняя минимальная глубина грунтовых вод.

 

Наибольший отток на пониженные фации, промываемость почвы и приток на супераквальную фацию у водосбора Уса. Динамика влагопереноса такая же, как у водосборов лесной группы. В элювиальных и транзитных фациях наблюдается промывной тип водного режима с интенсивностью, соответственно 146 мм/год и 184 мм/год. В супераквальной фации - выпотный тип водного питания с интенсивностью 211 мм/год.

Имеются расхождения средних значений статей водного баланса по подгруппам. Так, у подгруппы неувлажненных катен все значения анализируемых статей водного баланса устойчиво выше, чем у катен близких к увлажненным.

В целом подтверждается вывод, полученный при анализе водосборов лесной группы: возможность анализа водного баланса катен по усредненным значениям возвышенных (элювиальных), транзитных (трансэлювиальных и трансаккумулятивных) и пониженных (супераквальных) фаций всех катен водосборов группы. Но у катен водосборов лесолуговой группы необходима дифференциация и по их увлажненности. Дальнейший анализ проводим по усредненным фациям, как и у водосборов лесной группы, но с разделением на подгруппы по увлажненности (таблица 4.10).

 

Таблица 4.10 Результаты прогноза обобщенного водного режима катен

водосборов лесолуговой группы в естественных условиях

 

Фации	Подгруппы	Статьи водного баланса, мм				Пр, мм
		Вув	ВпЛ	Этр	Пот
Элювиальная	близкие к увлажненным	111	336	324	123	110
	неувлажненные	181	361	347	194	181
Транзитная	близкие к увлажненным	88	363	277	161	175
	неувлажненные	159	365	325	181	192
Супераквальная	близкие к увлажненным	73	206	308	46	-182
	неувлажненные	90	220	389	115	-240

 

Вув - весеннее увлажнение почвы; ВпЛ - впитывание воды в почву в теплый период; Этр – эвапотраспирация; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы.

 

При средних по лесолуговой группе годовых осадках 645 мм и эвапотранспирации – 328 мм, подземный отток из элювиальной в транзитную фацию составляет 25%, а из транзитной в супераквальную - 27 % годовой суммы осадков. Пониженная супераквальная фация испытывает значительный дополнительный приток влаги - 288 мм (45 % годовых осадков).

В неувлажненных подгруппах общее впитывание воды в почву и эвапотранспирация больше, чем у близких к увлажненным в среднем на 14%, подземный отток и промываемость почв – на 26%.

Относительная средняя урожайность катен водосборов лесолуговой группы в естественных условиях составляет – 0,5 от потенциальной урожайности (таблица 4.11). У близких к увлажненным катен относительная урожайность в естественных условиях выше на 11%, чем у неувлажненных катен.

 

Таблица 4.11 Относительная урожайность катен водосборов

лесолуговой группы в естественных условиях

 

Водосборы	Подгруппы	Урожайность, в долях
		фаций			катен
		супераквальной	трансэлювиальной	элювиальной
Уса	неувлажненные	0,24	0,62	0,61	0,49
Уфа	близкие к увлажненным	0,31	0,56	0,52	0,46
	неувлажненные	0,42	0,78	0,76	0,65
Сим	близкие к увлажненным	0,32	0,77	0,68	0,59
	неувлажненные	0,28	0,25	0,24	0,26
Среднее	близкие к увлажненным	0,32	0,67	0,60	0,53
	неувлажненные	0,31	0,55	0,54	0,47
Среднее по группе		0,31	0,61	0,57	0,50

 

Лесолуговым группам водосборов рекомендуются следующие методы мелиораций:

-орошение. Почвы водосборов группы, при средней эвапотранспирации 328 мм, увлажняются на 437 мм. Водосборы группы увлажняются достаточно, но ощущается дефицит атмосферного увлажнения за вегетационный период (в среднем - 95 мм, по неувлажненным водосборам – 128 мм). Для повышения продуктивности водосборов рекомендуется орошение в сухие (10% по влагообеспеченности) годы;

 -осушение. Пониженные (супераквальные) фации, испытывают значительный дополнительный приток влаги. Минимальная многолетняя глубина не ниже 0,14 м, по водосборам: Сим – 0,06 м, Уфа – 0,17 м, Уса – 0,21 м. На пониженных фациях требуется организация систематического дренажа, понижающего минимальные уровни грунтовых вод до допустимых оросительных норм в суглинистых грунтах: 0,6 м для картофеля и 0,4 м для трав. При орошении необходимо предусмотреть ловчую дрену, ограждающую пониженные фации от притока подземных вод со склонов;

-нормы орошения и осушения не должны ухудшать экологическое состояние водосборов, то есть мелиоративные составляющие устойчивости орошаемых фаций должны быть не ниже 1,0.

Прогноз мелиоративного режима катен водосборов лесолуговой группы выполнен по той же методике, что и для лесной группы, но с разделением на подгруппы по увлажненности (таблица 4.12). Нормы осушения и предполивные влажности определены путем оптимизации интенсивности дренирования и эколого-экономическим обоснованием оросительных норм.

Изменение показателей стока при водных мелиорациях благоприятное [190]:

 - годовой местный сток увеличивается с 269 до 299 мм,

 - сток весеннего половодья уменьшается со 146 до 132 мм,

 - меженный сток увеличивается со 123 до 167 мм.

В повышенных и транзитных фациях у подгрупп катен близких к увлажненным наибольшие значения статей водного баланса наблюдаются на водосборе Сим. Это связано с сохранением на водосборе достаточно глубокого залегания грунтовых вод после мелиораций (более 3 м). Средняя оросительная норма элювиальной фации составляет 11мм, то есть требуется всего два полива за 1978÷2009 годы. Поэтому величина предполивной нормы на относительную урожайность и экологическое состояние водосборов ощутимого влияния не оказывает.

Таблица 4.12 Результаты прогноза водного режима катен

водосборов лесолуговой группы при водных мелиорациях

 

а) Подгруппа – близкие к увлажненным катены

Водосборы	ППВ, в долях	Статьи водного баланса, мм					Ур, в долях	СрМГВ, м
		ВпВЛ	Ор	Этр	Сдр	Пот
Элювиальная фация
Уфа	0,75	369	21	319	0	71	0,54	0,68
Сим	0,75	520	2	336	0	186	0,69	3,1
Среднее	0,75	445	11	328	0	128	0,61	1,89
Транзитная фация
Уфа	0,75	400	0	278	0	95	0,56	0,81
Сим	0,75	496	0	278	0	231	0,78	3,7
Среднее	0,75	448	0	278	0	163	0,67	2,25
Супераквальная фация
Уфа	0,75	455	0	264	315	48	0,68	0,63
Сим	0,75	380	0	317	384	1	0,42	0,72
Среднее	0,75	418	0	290	349	24	0,55	0,68

 

б) Подгруппа – неувлажненные катены

Водосборы	ППВ, в долях	Статьи водного баланса, мм					Ур, в долях	СрМГВ, м
		ВпВЛ	Ор	Этр	Сдр	Пот
Элювиальная фация
Уса	0,72	632	47	381	0	250	0,85	6,85
Уфа	0,74	532	55	395	0	193	0,81	7,48
Сим	0,75	488	79	399	0	168	0,92	4,56
Среднее	0,73	551	60	392	0	204	0,89	6,30
Транзитная фация
Уса	0,72	560	0	312	0	232	0,62	7,50
Уфа	0,74	539	0	371	0	139	0,65	7,28
Сим	0,72	467	0	312	0	250	0,35	2,46
Среднее	0,73	522	0	332	0	207	0,58	3,25
Супераквальная фация
Уса	0,72	427	0	365	969	1	0,54	0,75
Уфа	0,74	553	0	374	377	26	0,65	1,62
Сим	0,72	473	0	361	477	1	0,53	0,81
Среднее	0,73	484	0	367	608	9	0,57	0,81

 

Примечание: ППВ – предполивная влажность; ВпВЛ - впитывание воды в почву весной и в теплый период; Ор - оросительная норма; Этр – эвапотраспирация; Сдр - сток в дренаж; Пот - подземный отток на пониженные фации; Ур - относительная урожайность; СрМГВ – средняя многолетняя минимальная глубина грунтовых вод.

 

Осушение пониженных фаций подгруппы катен близких к увлажненным позволяет повысить относительную урожайность до 0,55. При этом экологически безопасная норма осушения для пониженной фации водосбора Уфа составляет 0,63 м, водосбора Сим – 0,72 м. Дальнейшее осушение фаций повышает урожайность, но снижает экологическую устойчивость водосборов. При максимально возможных значениях относительной урожайности устойчивость мелиорированной пашни по сравнению с богарой снижается в 1,92 раз. Снижение экологической устойчивости почти вдвое отмечаются и в работах А. И. Голованова [104, 108] и И. П. Айдарова [14, 17].

Продуктивность на неувлажненных катенах водосборов повышается при орошении элювиальных и осушении супераквальных фаций. Наибольший эффект от орошения достигается у водосбора Сим при экологически допустимой предполивной влажности 0,75 ППВ, оросительной норме – 79 мм/год; а от осушения – у водосбора Уфа при норме осушения – 1,62 м.

Изменения водных режимов фаций лесолуговой группы водосборов (таблица 4.13) при водных мелиорациях аналогичны изменениям, описанным у водосборов лесной группы.

Все значения статей водного баланса супераквальных фаций в абсолютных значениях больше у неувлажненных катен, чем катен близких к увлажненным. Относительные изменения статей водного баланса при орошении и осушении у обеих подгрупп одинаковые. Так, подземный отток увеличивается на 42%, впитывание – на 35%, а эвапотранспирация уменьшается на 6%.

Водный режим транзитных фаций практически не изменяется.

Изменения водных режимов элювиальных фаций разнятся по подгруппам и связаны с поливами в засушливые годы. Естественный водный режим лесолуговой группы катен близких к увлажненным находится в благоприятном состоянии по влагообеспеченности. Экологически безопасная предполивная влажность 0,73÷0,75 ППВ обеспечивается практически без полива, соответственно их водный режим при орошении не меняется. У неувлажненных катен водосборов лесолуговой группы для этого требуются поливы с оросительной нормой 60 мм.

 

Таблица 4.13 Результаты прогноза обобщенного водного режима катен

 водосборов лесолуговой группы при водных мелиорациях

 

Фации	Ситуация	Статьи водного баланса, мм						Пр, мм	Ур, в долях
		ВпВл	Ор	Этр	Дст	Лст	Пот
Подгруппа – близкие к увлажненным катены
Элюви- альная	естественный режим	447	-	324	-	36	123	110	0,60
	мелиорация	456	21	328	0	36	128	115	0,60
Транзит- ная	естественный режим	451	-	277	-	10	161	175	0,67
	мелиорация	448	0	278	0	9	163	177	0,67
Суперак- вальная	естественный режим	279	-	308	-	311	46	-182	0,32
	мелиорация	418	0	290	349	41	372	130	0,55
Подгруппа – неувлажненные катены
Элюви- альная	естественный режим	542	-	347	-	10	194	181	0,54
	мелиорация	611	79	392	0	7	204	189	0,89
Транзит- ная	естественный режим	524	-	325	-	4	181	192	0,55
	мелиорация	522	0	332	0	3	207	186	0,58
Суперак- вальная	естественный режим	310	-	389	-	285	115	-240	0,31
	мелиорация	484	0	367	477	30	617	137	0,57

 

Примечание: ВпВЛ - впитывание воды в почву весной и в теплый период; Ор – оросительная норма; Этр – эвапотраспирация; Дст – сток в дренаж; Лст – летний поверхностный сток; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы; Ур - относительная урожайность.

 

Увеличение продуктивности (относительной урожайности) фаций катен близких к увлажненным происходит за счет осушения супераквальных фаций до 0,68 м, неувлажненных катен – орошением элювиальных фаций при предполивной влажности 0,75 ППВ и осушением суперавкальных фаций до 0,81 м. Средний прирост урожайности после мелиораций катен близких к увлажненным возрастает в 1,15 раз; неувлажненных катен водосборов – в 1,45 раз.

Таким образом, при проведении комплексного обустройства водосборов лесной и лесолуговой групп, рекомендуется осушение пониженных фаций с нормой - 0,7÷1,1 м. Регулярное орошение не рекомендуется и должно быть заменено водосберегающими технологиями земледелия, одновременно выполняющими природоохранные функции [12, 44, 90, 154, 253, 258]. При обосновании экономической эффективности орошения, возможны поливы в засушливые годы (1989г., 1998г.) с предполивной влажностью (0,65÷0,7) ППВ. В среднем относительная продуктивность водосборов в результате водных мелиораций возрастет в 1,3 раза.

Водосборы лесостепной группы

Лесостепная группа объединяет 11 водосборов. По увлажненности подразделяется на подгруппы неувлажненные и близкие к засушливым. Прогнозные расчеты и анализ результатов проводятся раздельно по подгруппам. В лесостепной группе насчитываются восемь неувлажненных катен (таблица 4.14) и 19 катен - близких к засушливым (таблица 4.15).

Динамика влагопереноса в катенах лесостепной группы такая же, как у водосборов лесной и лесолуговой групп: в элювиальных и транзитных фациях наблюдается промывной, а в супераквальной фации - выпотный тип водного питания. Такая динамика влагопереноса отмечается и в расчетах, выполненных ранее А. И. Головановым [222].

 

Таблица 4.14 Результаты прогноза водного режима неувлажненных катен

водосборов лесостепной группы в естественных условиях

а) элювиальная фация

 

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрГВ, м	Ур, в долях
		Вув	ВпЛ	Этр	Пот
Бирь	Изякский	123	341	359	105	12,2	0,78
Большой Танып	Аскинский	98	290	317	71	2,1	0,41
	Пританыпский	132	312	354	90	2,3	0,67
	среднее	115	301	336	81	2,2	0,54
Инзер	Симский	70	257	276	51	13,3	0,10
Дема	Аксаковский	96	300	341	55	2,4	0,59
	Придемский	83	260	307	36	1,9	0,49
	Тятерский	91	260	325	26	1,7	0,43
	среднее	90	273	324	39	2,0	0,50
Зилим	Призиганский	55	368	300	123	13,7	0,20
Среднее по группе		91	308	319	80	8,7	0,42

 

Продолжение таблицы 4.14

 

б) транзитная фация

 

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрГВ, м	Ур, в долях
		Вув	ВпЛ	Этр	Пот
Бирь	Изякский	82	341	338	154	12,4	0,75
Быстрый Танып	Аскинский	106	319	298	144	3,4	0,75
	Пританыпский	131	317	322	130	3,6	0,81
	среднее	118	318	310	137	3,5	0,78
Инзер	Симский	40	257	247	170	15,4	0,11
Дема	Аксаковский	83	313	321	48	4,7	0,68
	Придемский	65	282	287	55	3,8	0,66
	Тятерский	77	277	309	52	4,0	0,61
	среднее	75	291	306	52	4,2	0,65
Зилим	Призиганский	18	368	268	113	13,8	0,20
Среднее по группе		67	315	294	125	9,8	0,50

 

в) супераквальная фация

 

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрМГВ, м	Ур, в долях
		Вув	ВпВл	Этр	Ппр
Бирь	Изякский	69	221	383	157	0,16	0,45
Большой Танып	Аскинский	54	130	318	307	0,14	0,30
	Пританыпский	61	152	358	278	0,17	0,29
	среднее	57	141	338	293	0,16	0,30
Инзер	Симский	38	169	359	456	0,16	0,21
Дема	Аксаковский	54	130	318	307	0,24	0,34
	Придемский	14	90	323	324	0,29	0,10
	Тятерский	49	165	311	167	0,24	0,32
	среднее	39	128	317	266	0,26	0,25
Зилим	Призиганский	44	295	336	64	0,21	0,33
Среднее по группе		49	191	347	247	0,19	0,31

 

Примечание: Вув - весеннее увлажнение почвы; ВпЛ - впитывание воды в почву в теплый период; Этр – эвапотраспирация; Пот - подземный отток на пониженные фации; Ппр - подземный приток в фацию; СрГВ - средняя многолетняя глубина грунтовых вод; СрМГВ – средняя многолетняя минимальная глубина грунтовых вод; Ур - относительная урожайность.

 

В элювиальных фациях катен подземный отток в транзитную фацию по величине практически совпадает с промываемостью почв. Большее весеннее увлажнение и летнее впитывание воды в почву неувлажненных катен, при примерно одинаковой эвапортанспирации (расхождения от средних по фациям значений не более 14%), вызывает больший подземный отток и промываемость почв. Такое наблюдается на элювиальных фациях Призиганской, Изякской и Бураевской катен.

В транзитных фациях подземный отток больше, чем промываемость почв. Величина оттока, в первую очередь, зависит от рельефа местности. Наибольший отток 205 мм у Нижненугушской катены водосбора Нугуш, расположенный на предгорной части Русской равнины.

Выпотный режим супераквальных фаций прямо пропорционально зависит от подземного притока вод на фацию. Чем больше приток, тем больше поступление подземных вод в фацию восходящими токами воды. По величине восходящие токи воды примерно совпадают с подземным притоком вод в фацию.

 

Таблица 4.15 Результаты прогноза водного режима катен близких

 к засушливым водосборов лесостепной группы в естественных условиях

а) элювиальная фация

 

Водосборы	Катены		Статьи водного баланса, мм					СрГВ, м		Ур, в долях
			Вув		ВпЛ	Этр	Пот
1	2	3		4		5	6		7	8
Бирь	Бураевский	117		360		357	120		3,6	0,74
Быстрый Танып	Бураевский	133		351		389	95		3,1	0,88
	Бельский	70		315		314	71		4,5	0,74
	Калтасинский	86		310		356	40		4,3	0,60
	среднее	96		325		353	69		4,0	0,74
Буй	Буйский	79		311		334	56		4,0	0,79
Дема	Чишминский	28		291		296	23		3,1	0,03
	Удрякский	87		316		386	17		2,7	0,77
	среднее	58		304		341	20		2,9	0,40
Нугуш	Нижненугушский	76		246		237	85		13,2	0,12
Ик	Усеньский	74		357		414	17		2,2	0,64
	Аксаковский	95		347		409	33		2,1	0,65
	среднее	85		352		412	25		2,2	0,65

 

Продолжение таблицы 4.15

1	2	3	4	5	6	7	8
База	Базинский	68	306	287	87	14,1	0,44
	Причермасанский	83	289	281	91	12,7	0,28
	среднее	76	298	284	89	13,4	0,36
Сюнь	Сюньский	68	346	372	42	11,8	0,66
	Причермасанский	42	289	266	65	13,6	0,22
	Базинский	64	312	288	88	14,3	0,44
	среднее	58	316	309	65	13,2	0,44
Чермасан	Причермасанский	73	357	378	52	12,3	0,72
	Чишминский	73	291	319	45	3,6	0,32
	Удрякский	87	318	386	19	2,6	0,78
	среднее	78	322	361	39	6,2	0,61
Среднее по группе		80	315	332	63	7,0	0,54

 

б) транзитная фация

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрГВ, м		Ур, в долях
		Вув	ВпЛ	Этр	Пот
Бирь	Бураевский	77	358	350	201		9,4	0,70
Быстрый Танып	Бураевский	98	353	367	144		8,8	0,81
	Бельский	45	315	286	97		5,2	0,64
	Калтасинский	58	311	313	113		5,1	0,56
	среднее	67	326	322	118		6,4	0,67
Буй	Буйский	51	311	300	117		5,3	0,66
Дема	Чишминский	14	291	276	111		4,2	0,04
	Удрякский	60	307	359	10		3,8	0,77
	среднее	37	299	318	61		4,0	0,41
Нугуш	Нижненугушский	51	246	219	205		13,8	0,13
Ик	Усеньский	55	370	358	102		4,7	0,76
	Аксаковский	83	370	359	112		4,4	0,75
	среднее	69	370	359	107		4,6	0,76
База	Базинский	45	306	267	89	15,0		0,42
	Причермасанский	59	289	261	78	14,3		0,26
	среднее	52	298	264	84	14,6		0,34
Сюнь	Сюньский	53	363	309	107	11,0		0,60
	Причермасанский	23	289	257	142	14,1		0,27
	Базинский	42	312	277	137	14,3		0,50
	среднее	39	321	281	129	13,1		0,46
Чермасан	Причермасанский	52	363	333	62	8,0		0,58
	Чишминский	52	291	269	58	6,2		0,22
	Удрякский	63	325	364	45	5,1		0,81
	среднее	56	326	322	55	6,4		0,54
Среднее по группе		55	317	304	120	8,6		0,52

 

Продолжение таблицы 4.15

в) супераквальная фация

 

Водосборы	Катены	Статьи водного баланса, мм				СрМГВ, м	Ур, в долях
		Вув	ВпВл	Этр	Ппр
Бирь	Бураевский	69	222	382	162	0,13	0,43
Быстрый Танып	Бураевский	56	163	401	290	0,17	0,31
	Бельский	32	174	353	207	0,26	0,31
	Калтасинский	38	164	364	240	0,32	0,39
	среднее	42	167	373	246	0,25	0,34
Буй	Буйский	42	206	361	161	0,28	0,37
Дема	Чишминский	22	268	579	370	0,34	0,48
	Удрякский	53	233	385	141	0,12	0,39
	среднее	38	251	482	256	0,23	0,44
Нугуш	Нижненугушский	55	205	343	163	0,23	0,26
Ик	Усеньский	45	241	389	145	0,28	0,35
	Аксаковский	65	218	382	142	0,22	0,38
	среднее	55	230	386	144	0,25	0,37
База	Базинский	43	230	337	161	0,21	0,35
	Причермасанский	50	220	366	180	0,26	0,31
	среднее	47	225	352	171	0,24	0,33
Сюнь	Сюньский	58	240	309	53	0,20	0,32
	Причермасанский	31	243	334	110	0,20	0,32
	Базинский	46	242	319	85	0,20	0,40
	среднее	45	242	321	83	0,20	0,35
Чермасан	Причермасанский	45	217	361	195	0,22	0,40
	Чишминский	47	233	289	185	0,38	0,35
	Удрякский	62	255	364	100	0,13	0,47
	среднее	51	235	338	160	0,38	0,41
Среднее по группе		49	220	371	172	0,24	0,37

 

Примечание: Вув - весеннее увлажнение почвы; ВпЛ - впитывание воды в почву в теплый период; Этр – эвапотраспирация; Пот - подземный отток на пониженные фации; Ппр - подземный приток в фацию; СрГВ - средняя многолетняя глубина грунтовых вод; СрМГВ – средняя многолетняя минимальная глубина грунтовых вод; Ур - относительная урожайность.

 

Дальнейший анализ проводим по методике, отработанной на водосборах лесной и лесолуговой групп (таблица 4.16).

 

Таблица 4.16 Результаты прогноза обобщенного водного режима

неувлажненных катен водосборов лесостепной группы

в естественных условиях

 

Фации	Статьи водного баланса, мм				Пр, мм	Ур, в долях
	Вув	ВпЛ	Этр	Пот
Подгруппа – неувлажненные катены
Элювиальная	91	308	319	80	77	0,42
Транзитная	67	315	294	125	89	0,50
Супераквальная	49	191	347	25	-219	0,31
Подгруппа – близкие к засушливым катены
Элювиальная	83	306	327	63	65	0,55
Транзитная	57	308	297	108	71	0,51
Супераквальная	49	220	371	22	-169	0,37

 

Вув - весеннее увлажнение почвы; ВпЛ - впитывание воды в почву в теплый период; Этр – эвапотраспирация; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы; Ур - относительная урожайность.

 

При средних, по подгруппе неувлажненных катен, годовых осадках 597 мм и эвапотранспирации – 318 мм, подземный отток из элювиальной в транзитную фацию составляет 13%, а из транзитной в супераквальную - 21 % годовых осадков. Пониженная супераквальная фация испытывает дополнительный приток влаги - 235 мм (39 % годовых осадков).

Средние годовые осадки подгруппы катен близких к засушливым составляют 503 мм; а эвапотранспирация – 332 мм. По сравнению с подгруппой неувлажненных катен, подземный отток на пониженные фации и приток на супераквальную фацию относительно годовых осадков не изменился.

Относительная средняя урожайность катен водосборов лесостепной группы в естественных условиях составляет: неувлажненных – 0,46; близких к засушливым – 0,45 от потенциальной урожайности.

Катенам лесостепной группы водосборов рекомендуются следующие методы мелиорации:

- орошение. На водосборах группы за вегетационный период ощущается дефицит увлажнения: на подгруппе неувлажненных катен - 134 мм, на близких к засушливым – 212 мм. Для повышения продуктивности водосборов рекомендуется орошение в средневлажные, среднесухие и сухие годы;

- осушение. Пониженные (супераквальные) фации, испытывают дополнительный приток влаги. Средняя минимальная многолетняя глубина составляет: у неувлажненных катен - 0,21 м (у Аскинской катены водосбора Большой Танып – 0,14 м); у катен близких к засушливым - 0,34 м (у Бураевской катены водосбора Бирь – 0,16 м). На пониженных фациях требуется организация систематического дренажа, понижающего минимальные уровни грунтовых вод до допустимых осушительных норм. При орошении предусмотреть ловчую дрену, ограждающую пониженные фации от притока подземных вод со склонов;

- нормы орошения и осушения не должны ухудшать экологическое состояние водосборов, то есть мелиоративная составляющая устойчивости мелиорируемых фаций должны быть не ниже 1,0.

Прогноз мелиоративного режима катен водосборов лесостепной группы выполнен по той же методике, что и для лесолуговой группы (таблица 4.17).

Нормы осушения и предполивные влажности установлены путем оптимизации интенсивности дренирования, а также эколого-экономическим обоснованием оросительных норм.

Изменение показателей местного стока при водных мелиорациях благоприятное [190]:

- годовой местный сток увеличивается с 143 до 165 мм,

- сток весеннего половодья уменьшается с 82 до 71 мм,

- меженный сток увеличивается с 61 до 94 мм.

На водосборах рек Зилим, Инзер и Нугуш при водных мелиорациях в пониженных фациях сохраняется выпотный режим водного питания. Капиллярное подпитывание на водосборах составляет: Зилим – 98 мм, Инзер – 81 мм и Нугуш – 142 мм в год. Так же увеличиваются оросительные нормы до 350-400

мм/год с формированием значительных оттоков грунтовых вод в пониженные фации.

 

Таблица 4.17 Результаты прогноза водного режима водосборов

лесостепной группы при водных мелиорациях

а) подгруппа - неувлажненные катены

 

Водосборы	Статьи водного баланса, мм						Пр, мм	Ур, в долях	СрМГВ, м
	ППВ, в долях	ВпВЛ	Ор	Этр	Сдр	Пот
Элювиальная фация
Бирь	0,65	463	29	364	0	128	133	0,89	11,2
Быстрый Танып	0,75	432	14	335	0	109	72	0,67	1,5
Дема	0,77	361	20	333	0	48	35	0,56	1,4
Среднее	0,72	419	21	344	0	95	80	0,71	4,7
Транзитная фация
Бирь	0,65	422	0	344	0	230	84	0,79	3,2
Быстрый Танып	0,75	441	0	303	0	193	140	0,84	1,7
Дема	0,77	366	0	303	0	57	63	0,64	1,7
Среднее	0,72	410	0	317	0	160	96	0,76	2,2
Супераквальная фация
Бирь	0,65	449	0	397	677	1	38	0,55	1,7
Быстрый Танып	0,75	428	0	319	920	10	96	0,33	2,2
Дема	0,77	390	0	316	409	9	80	0,67	1,6
Среднее	0,72	422	0	344	669	7	71	0,52	1,8

 

б) подгруппа - близкие к засушливым катены

Водосборы	ППВ, в долях	Статьи водного баланса, мм							Пр, мм	Ур, в долях	СрМГВ, м
		ВпВЛ	Ор		Этр		Сдр	Пот
1	2	3		4	5		6	7	8	9	10
Элювиальная фация
Бирь	0,75	461	90		371	0		180	183	0,96	9,9
Быстрый Танып	0,74	425	39		349	0		115	121	0,93	3,7
Буй	0,75	389	25		349	0		65	72	0,91	2,7
Дема	0,7	401	130		393	0		121	121	0,78	7,2
Ик	0,77	438	5		411	0		32	30	0,73	1,5
База	0,64	373	208		354	0		227	231	0,75	10,1
Сюнь	0,67	371	106		359	0		118	118	0,76	8,0
Чермасан	0,73	383	49		388	0		44	43	0,80	1,9
Среднее	0,72	405	82		372	0		113	115	0,83	5,6

 

Продолжение таблицы 4.17

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Транзитная фация
Бирь	0,75	420	0	345	0	487	81	0,85	3,3
Быстрый Танып	0,74	395	0	322	0	152	81	0,78	2,6
Буй	0,75	360	0	316	0	117	52	0,68	1,8
Дема	0,7	370	0	359	0	170	62	0,77	5,4
Ик	0,77	439	0	344	0	144	106	0,72	3,1
База	0,64	344	0	276	0	176	68	0,41	2,1
Сюнь	0,67	360	0	274	0	157	90	0,49	4,1
Чермасан	0,73	381	0	318	0	180	64	0,73	8,7
Среднее	0,72	384	0	319	0	198	76	0,68	3,9
Супераквальная фация
Бирь	0,75	452	0	395	855	0	42	0,61	1,9
Быстрый Танып	0,74	419	0	368	919	0	46	0,59	1,9
Буй	0,75	389	0	361	553	0	33	0,73	2,0
Дема	0,64	404	0	396	224	3	10	0,66	1,5
Ик	0,77	439	0	408	435	3	34	0,65	1,5
База	0,64	371	0	357	984	0	23	0,89	2,2
Сюнь	0,70	378	0	340	472	2	45	0,69	2,1
Чермасан	0,73	397	0	375	316	1	28	0,79	1,5
Среднее	0,72	406	0	375	595	1	33	0,70	1,8

 

Примечание: ППВ – предполивная влажность; ВпВЛ - впитывание воды в почву весной и в теплый период; Ор - оросительная норма; Этр – эвапотраспирация; Сдр - сток в дренаж; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы; Ур - относительная урожайность, в долях; СрМГВ – средняя многолетняя минимальная глубина грунтовых вод.

 

Динамика влагопереноса в катенах этих водосборов отличается от остальных водосборов лесостепной группы. Такая динамика объясняется расположением водосборов на границе равнинных ландшафтов Русской равнины и вхождением от 25% до 75% площадей водосборов в зону высотно-поясных ландшафтов Уральских гор. С учетом сказанного, дальнейший анализ водного режима катен водосборов лесной группы при орошении и осушении проводим без водосборов Зилим, Инзер и Нугуш.

У неувлажненных катен водосборов наибольшие значения статей водного баланса в повышенных и транзитных фациях наблюдаются на водосборе Бирь, из-за сохранения глубокого залегания грунтовых вод при водных мелиорациях (4-11м). Подтверждается вывод, полученный при анализе водосборов лесолуговой группы: чем глубже залегают грунтовые воды при водных мелиорациях, тем больше по величине значения статей водного баланса.

Оросительная норма элювиальной фации неувлажненных катен составляет 21 мм и регулярное орошение начинает положительно влиять на относительную урожайность и экологическое состояние водосборов.

На значения статей водного баланса повышенных и транзитных фаций катен близких к засушливым, наряду с глубиной залегания грунтовых вод и рельефом местности, так же, начинает оказывать влияние норма орошения. Чем выше норма орошения, тем больше значения статей водного баланса.

Осушение пониженных фаций катен лесостепной группы остается актуальной. Экологически безопасная норма для пониженных фаций составляет 1,0 м. Средние относительные урожайности пониженных фаций такие: у неувлажененных катен - 0,52; у близких к засушливым катен – 0,7 от потенциальной урожайности.

Все значения статей водного баланса элювиальной и транзитной фаций обеих подгрупп при водных мелиорациях больше, чем в естественных условиях (таблица 4.18). В среднем подземный отток увеличивается на 48%, впитывание – на 10%, эвапотранспирация - на 8%. Экологически безопасная предполивная влажность 0,72 ППВ обеспечивается оросительной нормой у неувлажненных катен 21 мм, близких к засушливым – 82 мм в год. Средний прирост продуктивности при орошении и осушении катен обеих подгрупп возрастает в 1,6 раз.

Таким образом, при проведении комплексного обустройства водосборов лесостепной группы рекомендуется осушение пониженных фаций нормой осушения до 1,0 м. Рекомендуется регулярное орошение возвышенных фаций в сочетании с водосберегающими технологиями земледелия [139. 236, 283]. Поливы проводить с предполивной влажностью 0,72 ППВ. В среднем относительная продуктивность водосборов в результате водных мелиораций возрастет у неувлажненных катен в 1,4 раза, у близких к засушливым – 1,7 раз.

 

Таблица 4.18 Результаты прогноза обобщенного водного режима катен

водосборов лесостепной группы при водных мелиорациях

 

Фации	Ситуация	Статьи водного баланса, мм						Пр, мм	Ур, в долях
		ВпВл	Ор	Этр	Дст	Лст	Пот
Подгруппа – неувлажненные катены
Элюви- альная	естественный режим	399	-	319	-	17	80	77	0,42
	мелиорация	440	29	344	0	17	175	80	0,71
Транзит- ная	естественный режим	382	-	294	-	6	125	89	0,50
	мелиорация	410	0	317	0	6	256	96	0,76
Суперак- вальная	естественный режим	240	-	347	-	252	25	-219	0,31
	мелиорация	422	0	344	669	7	676	71	0,52
Подгруппа – близкие к засушливым катены
Элюви- альная	естественный режим	389	-	327	-	5	63	65	0,55
	мелиорация	487	82	372	0	4	113	115	0,83
Транзит- ная	естественный режим	365	-	297	-	2	108	71	0,51
	мелиорация	384	0	319	0	1	198	76	0,68
Суперак- вальная	естественный режим	269	-	371	-	250	22	-169	0,37
	мелиорация		0	375	595	2	596	33	0,70

 

Примечание: ВпВЛ - впитывание воды в почву весной и в теплый период; Ор – оросительная норма; Этр – эвапотраспирация; Дст – сток в дренаж; Лст – летний поверхностный сток; Пот - подземный отток на пониженные фации; Пр - промываемость почвы; Ур - относительная урожайность.

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 392; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!