К вопросу о прогнозе поверхностного стока талых вод в лесостепной и степной зонах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2012, том 18, № 4 (53), с. 22-27

-СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —————

УДК 634.0.6:634.0.266

К ВОПРОСУ О ПРОГНОЗЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ТАЛЫХ ВОД В ЛЕСОСТЕПНОЙ И СТЕПНОЙ ЗОНАХ

© 2012 г. А.Т. Барабанов, В.И. Панов

Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации РАСХН

Россия, 400062 Волгоград, Университетский пр., д. 97. E-mail: [email protected]

Поступила 08.12.2011

Анализируется роль природных факторов в формировании поверхностного стока талых вод, излагается закон лимитирующих факторов эрозионно-гидрологического процесса, приводится уравнение расчета стока и дается методика его прогноза.

Ключевые слова: поверхностный сток, снегозапасы, глубина промерзания почвы, влажность почвы, закон лимитирующих факторов стока.

Экологическая ситуация в Волго-Ахтубинской пойме полностью зависит от стока со всего бассейна р. Волги. В настоящее время проблема регулирования поверхностного стока, пропуска чрезвычайных паводков очень актуальна для нашей страны. Она затрагивает интересы многих отраслей народного хозяйства: сельского, водного, рыбного, коммунального, энергетики и др.

Для ее решения необходимо знать объем стока, поступающего в водохранилища, особенно поверхностного в период половодья, т.е. нужен высокоточный и заблаговременный прогноз поверхностного стока.

Сейчас управлением режимом стока Волги занимается Межведомственная оперативная группа на основе прогнозов Росгидромета, средняя ошибка которых составляет 35%, а иногда (даже часто) - 100%. Поэтому управленческие решения часто бывают ошибочными. Особенно дорого обходятся грубые ошибки, когда прогнозируется большой сток, а на самом деле он отсутствует или бывает незначительным. Огромный ущерб стране наносится и в том случае, когда прогнозируется незначительный сток, а он бывает большим и даже катастрофическим, приводящим к наводнениям, разрушениям и даже гибели людей и животных. Ошибочный прогноз приводит к нарушению режима стока рек. Например, большой зимний сброс воды из водохранилищ, а в связи с этим малый период паводка весной на Нижней Волге нарушает условия нереста рыбы, и очень много икры, в том числе ценных осетровых пород, погибает, оставаясь в пойме на кустах, деревьях и траве. Очень крупные ошибки в прогнозах могут привести к экологической катастрофе. В Волго-Ахтубинской пойме периодически устраиваются рукотворные экологические бедствия, особенно в последние маловодные годы. Наиболее бедственное положение создалось в 2006 году после того, как весной 2005 года из каскада водохранилищ было сброшено 136 км3 воды, а туда поступило ее очень мало.

Это происходит особенно в многоснежные зимы, когда ожидают большой сток. Бывают ошибки и в малоснежные зимы. Такие прогнозы, а в связи с этим и тяжелые последствия были в центральных районах ЕТР в 1968, 1975, 1978, 1981, 1985, 1998, 1999, 2000-2002, 20052007, 2010 годах, а в Нижнем Поволжье в 1967, 1968, 1970, 1996, 1999, 2004-2011 годах.

Ущерб от таких управленческих решений на основе ошибочных прогнозов составляет десятки (примерно 70-90) миллиардов рублей. Его несут энергетики (недополучение электроэнергии до 30-40%), рыбное хозяйство (гибель рыбы, мальков и икры, а иногда рыба

не нерестится, так как пойма не затопляется), сельское хозяйство (не хватает воды для орошения), коммунальное хозяйство (из колодцев уходит вода, водозаборные оголовки «качают» воздух), судоходство (суда садятся на мель). Такова цена ошибочных прогнозов.

При разработке прогноза по существующим методикам либо используется один фактор (снегозапасы), либо десятки факторов, Часто они рассматриваются каждый в отдельности без учета совокупности их влияния.

Б.А. Аполлов, Г.П. Калинин. В.Д. Комаров (1974) предложили следующее выражение для определения стока рек за период половодья (У) в зависимости от запасов воды в снеге (Б) и водопоглотительной способности бассейна (Ро):

У = Б - Р0(1 - еБ/Ро) (1).

Для рек степной и лесостепной зон Европейской территории ими была установлена зависимость параметра Ро от глубины промерзания (Ь) и льдистости 0-100 см слоя почвы или влажности ее в мерзлом состоянии и получена эмпирическая формула

Р0 = 750е -011"е-а05Ш (2).

Глубина промерзания в этой формуле ограничена 60 см, т.е. все большие величины приравнены 60 см. Этот подход обладает следующими недостатками. Его можно использовать для расчета поверхностного стока с некоторыми допущениями, так как он разрабатывался для речного стока. Формула расчета Р0 показывает, что водопоглотительная способность почвы зависит от глубины ее промерзания, начиная с любой величины >0. Это не так. Экспериментальные данные свидетельствуют (что будет показано ниже) о том, что, при глубине промерзания почвы до 50 см сток талых вод отсутствует при любом уровне снегозапасов и увлажнения почвы. Эта формула также не предусматривает варианта расчета стока в том случае, когда почва талая. Для установления связи стока с льдистостью достаточно иметь влажность мерзлого слоя почвы 0-50 см, а не 0-100 см, как принято у авторов. Дело в том, что за период снеготаяния впитывание талой воды в почву происходит только до 25-30 см, и этого достаточно для оценки влажности, как фактора стока. Вовлечение более глубоких слоев почвы в расчеты приводит к увеличению ошибки прогноза. Влажность почвы определяется перед началом зимы и делается поправка на увлажнение во время зимних оттепелей. Это тоже приводит к ошибке. Лучше это делать непосредственно перед снеготаянием.

В.В. Демидов (2000) выявил связь стока (С) со снегозапасами (Б), интенсивностью таяния снега (X), временем полного оттаивания мерзлого слоя почвы (гх), параметром, характеризующим долю водонепроницаемого слоя почвы, приходящуюся на единичную высоту снежного покрова (К), суммой положительных температур за период стока (£0 и продолжительностью снеготаяния (Т). Она выражается уравнением

С = 3.23х10-2 хБ0 85 хX0 7 хг0 58 хК115 х£ 1 хТ025 (3).

В этом уравнении придается большое значение факторам, которые не играют существенной роли в формировании стока (интенсивность снеготаяния, время полного оттаивания мерзлого слоя почвы, соотношение мощности водонепроницаемого слоя почвы и высоты снега, сумма положительных температур и продолжительность снеготаяния), малая роль отводится снегозапасам и совсем не учитываются такие мощные природные факторы как увлажнение почвы и глубина ее промерзания.

Г.П. Сурмач, М.М. Ломакин, А.П. Шестакова (1989) разработали уравнение прогноза коэффициентов стока (Кпр) в зависимости от глубины мерзлого слоя (Н), его влажности (х), и снегозапасов (Рос):

Кпр = (ахпН - Ьх - сН + ё) х (1 + 0.0000055Р2ос) (4).

Как видно из уравнения, коэффициент стока талых вод в сильной степени зависит от снегозапасов, влажности мерзлого слоя почвы и его глубины. Это уравнение имеет ряд недостатков. Во-первых, при отсутствии снега возможен сток. Это противоречит здравому смыслу. Во-вторых, по уравнению получается, что чем больше глубина промерзания, тем больше сток. Это не так, на что указывается в работах Б.А. Аполлова (1974) и А.Т. Барабанова (1993). И, в-третьих, влажность почвы определяется на глубину промерзания почвы. В этом нет необходимости, достаточно определять ее до глубины 50 см. Вовлечение большей глубины (а глубина промерзания почвы бывает до 150-200 см) приводит к сильному варьированию влажности почвы и к большой ошибке при выявлении связи стока талых вод с природными факторами и его прогнозировании.

П.А. Шеппель (1990) на основании математической обработки 25-летнего ряда наблюдений получил следующие уравнения расчета притока паводковых вод к каскаду водохранилищ Волжско-Камского бассейна в зависимости от максимальных снегозапасов (Ь):

№п=14.7л/й, км3 (5),

Wп =0^+54, км3 (6).

Из этих уравнений видно, что поверхностный сток с бассейна Волги находится в прямой связи со снегозапасами, т. е. чем больше снега, тем больше сток. Это противоречит многочисленным данным. Сток зависит не только от снегозапасов, но и от других факторов, которые находятся в сложном взаимодействии.

В.Е. Водогрецкий, Э.А. Зайцева, Л.В. Елфимова (1973) предлагают оценивать изменение поверхностной составляющей речного стока по зависимости коэффициента склонового весеннего стока (а) с показателем, характеризующим степень увлажненности почвы в метровом слое и промерзаемости почвогрунтов в период, предшествующий стоку (Ц), а также с уклоном склона (I) по уравнению

« = f ^) (7).

Показатель Ц рассчитывают путем умножения суммарных влагозапасов на сумму отрицательных значений температуры воздуха за период от начала устойчивого ее перехода через 0°С до 1 января. Это уравнение не может правильно отражать зависимость поверхностного стока от природных факторов по следующим причинам. Во-первых, в нем не учтены снегозапасы, во-вторых, произведение влагозапасов на сумму отрицательных температур не свидетельствует об уровне водопроницаемости почв. Известно, что снег хорошо изолирует почву и ее состояние часто не связано с температурой воздуха. В-третьих, величина поверхностного стока талых вод практически не зависит от уклона.

Из приведенных выше уравнений можно сделать заключение, что сток в основном зависит от снегозапасов, хотя в этих уравнениях и учитывается водопоглотительная способность почвы через глубину промерзания и ее увлажнение, но, судя по коэффициентам, эти показатели либо играют незначительную роль или очень большую.

Таким образом, рассмотренные обобщения, анализ связи поверхностного стока талых вод с природными факторами и методы его прогнозирования не дают возможности однозначно сказать о роли тех или иных факторов в формировании стока, дать точный его прогноз и определить пути воздействия на них с целью регулирования эрозионно-гидрологических процессов.

Во ВНИАЛМИ свыше 50 лет изучаются закономерности формирования поверхностного стока с целью его регулирования и разработки мероприятий по борьбе с эрозией почв. В результате получен большой материал, на основе которого разработана методика высокоточного (80-100%), заблаговременного(1.5-2 месяца) прогноза поверхностного стока талых вод (имеется патент № 2347222), которая позволяет без дополнительных затрат предотвратить этот ущерб. С этой целью автором (Барабанов, 1993) были обобщены и

проанализированы многолетние собственные и литературные данные, характеризующие связь слоя стока талых вод на зяби и уплотненной пашне (многолетние травы, озимые и др.) с природными факторами, сформулирован и апробирован закон лимитирующих факторов поверхностного стока талых вод, значительно расширяющий знания об этом процессе и позволяющий делать высокоточный прогноз стока. Установлено, что важнейшими природными факторами стока являются снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы. Интенсивность и продолжительность снеготаяния, а также другие факторы на общую величину стока талых вод за период половодья практически не влияют. Суть закона заключается в том, что при некотором (лимитирующем) значении одного из них сток не формируется независимо от уровня других. Определены максимальные значения факторов, при которых сток не формируется. На юге Центрального района Нечерноземной зоны (ЦРНЗ), в Центрально-Черноземных областях (ЦЧО) и Поволжье, если почва талая или промерзла до глубины не более 50 см, стока не бывает независимо от уровня ее увлажнения и снегозапасов. Дальнейшее увеличение глубины промерзания почвы выше лимитирующего уровня не влияет на величину стока, т.е. при любой глубине промерзания выше лимитирующей он формируется одинаковый при одинаковых уровнях других факторов. Решающее влияние на него в этом случае оказывают влагозапасы в почве и снеге. При увлажнении верхнего (0-50 см) слоя почвы до уровня менее 120-130 мм на юге ЦРНЗ и 7095 мм в Нижнем Поволжье сток не формируется независимо от глубины промерзания почвы и снегозапасов, т.е. в данном случае лимитирующим фактором является увлажнение почвы. При запасах воды в снеге меньше объема микрорельефа пашни сток также не формируется. Алгоритм прогноза стока приведен в таблице 1.

Количественная оценка влияния на сток увлажнения почвы и снегозапасов при уровнях факторов выше лимитирующих приведена в таблице 2.

Таблица 1. Алгоритм прогноза поверхностного стока талых вод в зависимости от уровня природных факторов. Table 1. Algorithm of melted snow surface runoff prognosis depending on natural factors level.

Уровень факторов Характер формирования стока

Глубина промерзания почвы, см Запасы воды в почве (слой 0-50 см), мм Снегозапасы, мм

Менее 50 Любой Любой Сток не формируется

Более 50 Менее 70-120 (по зонам) Любой Сток не формируется

Более 50 Более 70-120 (по зонам) Меньше объема микрорельефа Сток не формируется

Более 50 Более 70-120 (по зонам) Больше объема микрорельефа Сток формируется, величина его зависит от уровня запасов воды в снеге и почве и рассчитывается по уравнению

Установлено также, что верхний слой почвы в гидрологическом отношении является саморегулирующейся системой. Он способен поглотить и удержать определенное количество воды, максимальная величина которого в мерзлом состоянии может достигать полной влагоемкости верхнего слоя. Дефицит влаги (разница между полной влагоемкостью и фактическими влагозапасами Wф) обусловливает величину водопоглощения. Слой

26 БАРАБАНОВ, ПАНОВ

стока У зависит от дефицита влаги в почве AW и снегозапасов перед снеготаянием Wc. В общем виде уравнение можно записать так:

У = Wc - (Wm - ) = Wc - AW (8).

Опираясь на выявленные закономерности и связи, был разработан метод прогноза стока с сельскохозяйственной территории. Для этого используется уравнение:

У= £ У- SJ/±Sa (9),

1 1

где У - слой стока с сельскохозяйственных угодий (мм), Уа; - слой стока с i-того агрофона (зябь, уплотненная пашня, кормовые угодья гидрографической сети и т.д.), который определяется по уравнениям связи стока с природными факторами (мм), Sai -соответственно площадь этих агрофонов.

Таблица 2. Уравнения связи слоя стока талых вод на зяби У3 и уплотненной пашни У2 с запасами воды Wn в слое почвы 0-50 см и снегозапасами Wc перед снеготаянием, мм. Table 2. Equations of correlation of melted snow runoff layer on autumn plouphing У3 and pressed plonghland У2 with water stoeks Wn in soil layer 0-50 cm and snow stock Ws before snow-melted, mm.

Область, почва Уравнения связи стока с природными факторами Множественные коэффициенты корреляции Ошибки уравнений, мм

зябь угодья с уплотненной почвой зябь угодья с уплотненной почвой зябь угодья с уплотненной почвой

Орловская, серая лесная Уз=-65+0.95Wn+0.38Wc Уn=-71+0.44Wn+0.41Wc 0.97 0.86 8.2 14.0

Курская, х) серая лесная Уз=-57+0.34Wn+0.26Wc нет данных 0.61 - 26.8 -

типичный чернозем Уз=-50+0.25Wn+0.25Wc Уn=-16+0.71Wn+0.41Wc 0.92 0.74 4.5 16.0

Воронежская,х) обыкновенный чернозем

Уз=-40+0.19Wn+0.38Wc Уn=-12+0.06Wn+0.69Wc 0.54 0.91 21.5 6.8

Самарская, обыкновенный чернозем

Уз=-53+0.51Wn+0.04Wc Уn=-24+0.17Wn+0.40Wc 0.48 0.92 8.4 7.0

Волгоградская, каштановая Уз=-27+0.38Wn+0.29Wc Уп=-4+0. 19Wn+1.14Wc 0.96 0.92 7.1 9.2

светло-каштановая Уз=-9+0.1Wn+0.09Wc Уn=-12+0.17Wn+0.16Wc 0.64 0.84 5.6 8.7

Примечание: ) Материалы наблюдений научно-исследовательской гидрометеорологической обсерватории Каменная степь. Л.: Гидрометеоиздат. 1951-1986. Вып. 1-23.

Метод прогноза стока получил многолетнюю апробацию в разных природных зонах. Он позволяет с высокой точностью прогнозировать сток талых вод с сельскохозяйственных угодий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Аполлов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. 1974. Курс гидрологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат. 420 с.

Барабанов А.Т. 1993. Агролесомелиорация в почвозащитном земледелии. Волгоград: ВНИАЛМИ. 156 с.

Водогрецкий В.Е., Зайцева Э.А, Елфимова Л.В. 1973. Склоновый сток и его изменение под влиянием агротехнических и лесомелиоративных мероприятий // Труды Государственного гидрологического института (Труды ГГИ). Вопросы влияния хозяйственной деятельности на водные ресурсы и водный режим. Вып. 206. Л.: Гидрометеоиздат. С. 191-192.

Демидов В.В. 2000. Закономерности эрозии почв лесостепной зоны при снеготаянии как научная основа системы почвозащитных и природоохранных мероприятий: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. М. 47 с.

Сурмач Г.П., Ломакин М.М., Шестаков Л.П. 1989. Прогнозирование стока талых вод // Земледелие. № 4. С. 29-31.

Шеппель П.А. 1990. Специальный весенний попуск паводковых вод Волги. Волгоград: НижнеВолжское изд-во. 191 с.

TO THE PROBLEM OF PROGNOSIS OF MELTED SNOW SURFACE RUNOFF FORMING IN FOREST-STEPPE AND STEPPE ZONES

© 2012. A.T. Barabanov, V.I. Panov

All-Russian Research Institute of' Agroforest Melioration of the Russian Academy of Agricultural sciences Russia, 400062 Volgograd, Universitetskyiprosp., 97. E-mail: [email protected]

Nature factors role in forming the melted snow surface runoff is analised, the law of erosion-hidrologic process limiting factors is set out, an eguation for calculating the runoff and a method of its prognosis are given.

Keywords: surface runoff, snow stocks, soil freezing depth, soil moisture, runoff limiting factors law.