CC BY
15
УДК 626.80:631.67 (470.44)
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА ЗОНЫ АЭРАЦИИ В СТЕПНЫХ ГИДРОЛЕСОМЕЛИОРИРОВАННЫХ ЛАНДШАФТАХ ПРИВОЛЖСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ
П. Н. Проездов, доктор с.-х. наук, профессор;
Д. А. Маштаков, канд. с.-х. наук, доцент; А. Н. Ковалев, аспирант
ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», т. 8-906-318-03-77; e-mail: [email protected]
На основании многолетних исследований (1964-2010 гг.) установлены закономерности формирования элементов водного баланса и уровня грунтовых вод в степных ландшафтах под влиянием лесных и гидротехнических мелиораций, селитебных объектов.
Ключевые слова: мелиорация, водный баланс, грунтовые воды, лесные полосы, водозадерживающий вал, пруды, селитебные объекты, закономерности, регрессия, корреляция.
В 60-80 гг. прошлого столетия на Приволжской возвышенности в целях борьбы с эрозией и заилением рек были созданы защитные насаждения и гидротехнические сооружения, часть из которых построена и исследована нами (рис. 1, 2) [2; 13].
Строительство противоэрозионных, селитебных, мелиоративных объектов создало проблему перераспределения элементов водного баланса и подъема уровня грунтовых вод (УГВ) в степных ландшафтах, что может привести к заболачиванию и засолению почв.
Рис. 1. Агролесоландшафт Марьина Роща
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 45
Цель исследований - установить закономерности формирования элементов водного баланса зоны аэрации и уровня грунтовых вод с прогнозом их постмелиоратив-ного и квазиустойчивого равновесия во временном отношении.
Объекты исследований - водосборы площадью от 0,82 до 9 км2, в различной степени подверженные антропогенному воздействию.
Вариант 1. Ландшафт Вязовский природный (1964). Принят за контроль. Водосборная площадь Р = 82 га, в т. ч. лес - 55 га. УГВ - 8,4 м. С. Вязовка.
Вариант 2. Агролесоландшафт Красная речка с ажурными лесополосами и валами-канавами на расстоянии 200 м друг от друга (1976). Р = 108 га. УГВ - 9,6 м. С. Ми-зино-Лапшиновка.
Вариант 3. Агролесоландшафт Вязовский с двумя плотными лесополосами на расстоянии 300 м друг от друга, выше по рельефу усиленных валами по верхней опушке (1964). Р = 82 га, в т. ч. лес - 6,3 га. УГВ - 6,3 м. С. Вязовка.
Вариант 4. Агролесоландшафт Гартов-ский с плотными лесополосами и прудом (1974). УГВ - 10,5 м. Р = 9 км2. С. Гартовка.
Вариант 5. Ландшафт Вязовый с про-тивоэрозионным прудом на ручье Вязовый с селитебными постройками (1983). Р = 90 га. Свыше 85 % водосборной площади пруда заняты лесом. УГВ - 5,5 м. С. Вязовка.
Вариант 6. Агролесоландшафт Марьина роща с плотными лесополосами и валами (1967). Р = 5,1 км2. УГВ - 12,4 м. На расстоянии 300 м от водораздела создана контурно водопоглощающая лесная полоса шириной 81 м, которая разделена на две части (45 и 36 м) водозадерживающим валом, с плавным переходом в приовражные лесные полосы вдоль обеих бровок склонового и донного оврагов до поймы реки Старый Курдюм.
Сброс стока воды с гашением её энергии с прилегающего склона в донный овраг осуществляется через трубчатый водослив под земляным валом-дорогой, лотковым быстротоком, водобойным колодцем и запрудами. С. Мизино-Лапшиновка.
Стоковые площадки и створы водосборов
Рис. 2. Схема расположения опытов в СПК «Вязовский»
46 Агрономия
Ландшафты с вариантами 1,3,5 расположены рядом друг с другом.
Геологическое строение зоны аэрации ландшафтов практически идентично: под слоем почвы 0,3... 1,1 м находится сплошная трещиноватая опока мощностью 0,6. 2,3 м, пронизываемая корнями растений, глубже располагаются суглинки и глины и над водоупором - супеси с коэффициентом уровнепроводности водоносного слоя 120.180 м2/сут. Почвы и грунты не засолены: плотный остаток составляет менее
0,1 % с локальным распространением по днищам балок и донных оврагов глин сульфатного и гидрокарбонатного засоления (сумма солей 0,2.0,3 %). Грунтовые воды пресные и слабоминерализованные до 1,6 г/л.
Система уравнений водного баланса зоны аэрации, влагообмена почв с грунтовыми водами нами рассматривается в следующем виде [3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 15]:
Р + М = Б + и + Е; (1)
Wвo = и - сНв, (2)
где Р - осадки, мм; М - водоподача (оросительная норма); Б, и - соответственно поверхностный и подземный стоки; Е - суммарное испарение (эвапотранспирация); Wвo - влагообмен почв с грунтовыми водами; бнв - дефицит влаги до НВ в зоне
аэрации; единицы измерения - мм, или
м3/га.
Эколого-мелиоративное обоснование систем противоэрозионных, гидротехниче-
ских и лесных мелиораций учитывало условия природно-антропогенного равновесия автономных (3) или транзитных (4) ландшафтов как с исходными (исх.), так и преобразованными (пр.) гидрогеологическими показателями [8,9,12,15]:
(Б + и — дне) исх ~ (Б + и — дне) пр, (3)
и — днв + ф + ипрт < иоъ (4)
(УГВ исх - УГВпр) / Ї < 0,05 м/год, (5)
где Ф - фильтрация из прудов, каналов, мм; иПРТ, иОТ - соответственно подземный приток и отток, мм; УГВ - уровень грунтовых вод, м; Ї - продолжительность эксплуатации объектов, лет.
Исследования водно-физических констант в зоне аэрации позволили установить модульные коэффициенты влагозапа-сов в почвогрунтах при различных значениях вероятности превышения:
Р = 100т /(п+1), (6)
где Р - вероятность превышения исследуемой величины, %; т - порядковый номер ранжированного ряда; п - число членов ряда (количество лет наблюдений).
К = Ш 07нв, (7)
где К - модульный коэффициент і-го измерения влагозапасов;
Ш - влагозапасы в зоне аэрации і-го измерения, мм;
Ш0 7нв - влагозапасы в зоне аэрации до капиллярной зоны, соответствующие 0,7 НВ, мм [14].
Рис. 3. Вероятность превышения влагозапасов в зоне аэрации с пополнением (К1) и без
пополнения грунтовых вод (К2)
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 47
Вычисленные модульные коэффициенты для различных лет вероятности превышения влагозапасов позволили установить величину пополнения грунтовых вод от К = 1,33, соответствующую значению НВ, до К = 2,67, равную значению ПВ.
Площадь, ограниченная кривой зависимости К1 = 3,27 - 1,32 1од10 (Р), соответствует пополнению грунтовых вод и определяется через интеграл (рис. 3). Вторая кривая зависимости (К2) показывает, что пополнения грунтовых вод нет, так как влаго-запасы накануне снеготаяния соответствуют значениям близким к ВЗ, и талая вода сначала должна насытить почвогрунты до НВ, а потом поступать в подземные воды.
Анализ элементов водного баланса показал, что в естественных ландшафтах в среднем поверхностный сток составляет 36 % от осадков, увеличиваясь до 54 % в снежные зимы и многоводные весны; соответственно, суммарное испарение - 24 %, подземный сток - 40 % (табл. 1). Лесные полосы, усиленные валами, снижают относительные потери на поверхностный сток и испарение до 4.9 %, увеличивают влаго-обмен почв с грунтовыми водами в среднем до 59 % от осадков, а один раз в 100 лет соответственно до 73 %. Это приводит к формированию непериодического вторичного промывного, а при близком залегании грунтовых вод - гидроморфного или полугидроморфного режимов почв в антропогенных ландшафтах.
Явно просматривается роль конструкции лесных полос в трансформировании элементов водного баланса: в ландшафтах с лесными полосами ажурной конструкции весенний влагообмен почв с грунтовыми водами в среднем меньше в 4 раза по сравнению с плотными лесополосами (табл. 1), что вполне согласуется с коэффициентом выровненности снежного покрова в зависимости от конструкции (в среднем: для продуваемых - 0,12; ажурных - 0,19; плотных - 0,36 (в снежные зимы высота снега в плотных лесных полосах на порядок выше соответствующих величин межполосных пространств с запасами воды более 1000 мм).
За дождевые паводки влагообмен почв с грунтовыми водами под лесными полосами и валами не превышал 240 мм (53 % от осадков), а в среднем составлял 29 % от осадков при дефиците влаги до НВ 187 мм в зоне аэрации мощностью 6,3 м с исходными влагозапасами 0,7 НВ (табл. 1). При запасах влаги в зоне аэрации накануне паводка 100 % НВ влагообмен почв с грунтовыми водами возрастает до 96 %.
Создание противоэрозионных прудов в верховьях гидрографической сети с постоянными или временными водотоками увеличивает фильтрационные потери прудов от 18 до 25 % от осадков, а строительство населенных пунктов приводит к резкому увеличению подземной составляющей водного баланса за счет обводнения приусадебных участков: по сравнению с естест-
Таблица 1
Вероятность превышения (1, 10, 50 %) элементов водного баланса (числитель - весенние половодья, знаменатель - дождевые паводки) степных ландшафтов Приволжской возвышенности (1964-2010 гг.)
Ландшафт степной транзитный Вариант Элемент водного баланса, мм Дефицит влаги до НВ в зоне аэрации при исходных запасах 0,7 НВ, мм Влагообмен почв с грунтовыми водами, мм
Запасы воды в снеге / осадки за сутки Поверхностный сток Суммарное испарение Подземный сток
£ О4 0 О4 0 5 £ О4 0 О4 0 Ю £ О4 0 О4 0 5 £ о4 0 о4 0 5
Ландшафт Вязовский природный (1964 г.). УГВ - 8,4 м 1 214 127 153 42 86 16 116 55 71 6 31 3 21 5 77 67 61 31 34 8 283 - - -
Агролесоландшафт Вязовский (1964 г.): плотные ЛП + валы. УГВ - 6,3 м 3 940 445 710 296 510 277 50 11 21 1 4 0 16 7 874 427 673 288 490 269 187 687 240 486 101 303 82
Агролесоландшафт Красная речка (1976 г.): ажурные ЛП + валы. УГВ - 9,6 м 2 770 445 555 296 370 277 50 11 21 1 4 0 16 7 704 427 518 288 350 269 293 411 134 225 57
48 Агрономия
венными ландшафтами в 14.20 раз, а аг-ролесоландшафтами - в1,2...1,8 раза (табл. 2, рис. 4).
Интегральным показателем воздействия человека на ландшафты является динамика уровня грунтовых вод со значительным подъёмом от 17,0 до 38,5 см/год при создании прудов и объектов промышленного и гражданского строительства в верховьях овражно-балочной сети (табл. 3). Плотные лесные полосы, усиленные земляными валами, способствуют подъему УГВ в среднем 6,5 см/год, а ажурные - 2,0 см/год. Весной после схода снега под лесными полосами и валами образуются верховодка и (или) купол грунтовых вод высотой до 1,0 м и более с различной продолжительностью стояния.
Нами установлены закономерности формирования элементов водного баланса и уровня грунтовых вод при антропогенном воздействии на ландшафты с коэффициентом детерминации регрессионных зависимостей 0,93.0,95 (рис. 4, 5).
Вместе с дождем, снегом, поливами в результате промывного режима в грунтовые воды поступают растворенные химические элементы, что является причиной изменения минерализации подземных вод, составляющей при гидрокарбонатно-суль-фатном засолении 0,9.1,6 г/л (табл. 3). Селитебные объекты и противоэрозионные пруды способствуют накоплению солей в грунтовых водах в 1,5.1,8 раза больше по сравнению с естественными (природными) ландшафтами.
Таблица 2
Динамика весеннего водного баланса зоны аэрации различной вероятности превышения (1; 10; 50, %) в степных ландшафтах Приволжской возвышенности (1964-2010 гг.)
Ландшафт степной транзитный Вариант Подземный сток (и), мм / Фильтрация прудов (Ф), мм Дефицит влаги до НВ в зоне аэрации при исходных запасах 0,7 НВ (<Снв), мм Динамика (±) водного баланса зоны аэрации (и + ф + ипрт — &нв), мм о т т о ы нм мм О , з) П и(
1 % 10 % 50 % 1 % 10 % 50 %
Ландшафт природный Вязовский. УГВ - 8,4 м. Вязовка (1964). 1 77 0 61 0 34 0 283 -197 -213 -240 230
Агролесоландшафт Вязовский (1964): плотные ЛП + валы. УГВ - 6,3 м. 3 874 0 673 0 490 0 187 687 486 303 220
Агролесоландшафт Марьина роща: плотные лесополосы + валы. УГВ - 12,4 м. М.-Лапши-новка (1967). - 874 0 673 0 490 0 311 563 362 179 310
Агролесоландшафт Красная речка: ажурные лесополосы + валы. УГВ - 9,6 м. М.-Лапши-новка (1976). 2 704 0 518 0 350 0 293 411 225 57 280
Агролесоландшафт Гар-товский: плотные лесополосы и пруд. УГВ - 10,5 м. Гартовка (1976). 4 874 167 673 132 490 93 300 741 505 283 240
Ландшафт Вязовский: селитебные объекты и пруд. УГВ - 5,5 м. Вязовка (1983). 5 1074 167 873 132 690 93 148 1093 857 635 210
Примечание. Условия водно-балансового равновесия ландшафтов:
1) и + ф + ипрт — ^нв < иот (ипрт - подземный приток, ипрт = 0);
2) подъем УГВ при минерализации до 3 г/л < 5 см/год.
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 49
и+Ф = -226,2+409,1х +3,2у - 31,4х2- 0,9у -31,4 X2 - 0,9ху -0,08^ R2 = 0,93
Подъем УГВ, см/год = -42,6 - 7,6х +0,1у R2 = 0,95
1000
800
□ 600
□ 400
□□ 200
Рис. 4. Вероятность превышения подземного стока и фильтрации прудов под влиянием лесных полос, валов и селитебных объектов: 1. Контроль; 2. Ажурные ЛП + валы;
3. Плотные ЛП + валы; 4. Плотные ЛП + пруды; 5. Селитебные объекты + пруды
Рис. 5. Закономерности динамики УГВ под влиянием лесных полос, прудов и селитебных объектов: 1. Контроль (К); 2. Ажурные ЛП + валы; 3. Плотные ЛП + валы; 4 Плотные ЛП + пруды; 5. Селитебные объекты + пруды
Таблица 3
Воздействие лесных полос, водохозяйственных и селитебных объектов на гидрохимические показатели грунтовых вод степных ландшафтов Приволжской возвышенности (1964-2010гг).
Ландшафт степной транзитный Вариант Уровень грунтовых вод (УГВ), м Подъём УГВ в среднем, см/год Минерализация ГВ, г/л
Исход- ный 1983 г. 2005 г. 2010 г.
Весна Осень Осень
Ландшафт природный Вязовский. Вязовка (1964) 1 8,4 8,4 8,2 8,4 8,4 0 0,9
Агролесоландшафт Вязовский (1964): плотные лесополосы + валы 3 8,4 6,3 7,1 6,3 6,3 6,2 1,3
Агропастбищный ландшафт Вязовский (1964) - 8,4 7,2 7,4 7,2 7,2 2,8 1,0
Агролесоландшафт Марьина роща: плотные лесополосы + валы. М.-Лапшиновка (1967) - 12,4 10,2 9,4 10,1 10,1 6,5 1,2
Агролесоландшафт Красная речка: ажурные лесополосы + валы. М.-Лапшиновка (1976) 2 9,6 9,3 8,5 9,0 9,0 2,0 1,1
Агролесоландшафт Гар-товский: плотные лесополосы и пруд. Гартовка (1976) 4 10,5 7,1 5,2 6,3 6,3 17,0 1,4
Ландшафт Вязовский: селитебные объекты и пруд. Вязовка (1983) 5 12,5 12,5 4,0 5,5 5,5 38,5 1,6
Явления промывного режима почв, вать на функционирование системы «вода
складывающиеся в антропогенных ланд- - почва - растение»: соленосные грунты и
шафтах, могут отрицательно воздейство- минерализованные грунтовые воды приво-
50 Агрономия
дят к засолению рядом расположенных земель, где сохранился непромывной режим и восходящие токи воды и солей преобладают над нисходящими.В агропаст-бищном ландшафте, расположенном рядом с агролесоландшафтом, УГВ повысился на 1,2 м, в среднем составил 2,8 см/год, или в 2,2 раза меньше, чем на опытном водосборе с валами и лесными полосами (табл. 3).
Антропогенное воздействие на ландшафты приводит к гидрогеологическим изменениям. Важно спрогнозировать постме-лиоративные изменения водного баланса и уровня грунтовых вод территорий. Согласно нашим многолетним исследованиям ква-зиустойчивое соотношение статей водного баланса и стабильный уровень грунтовых вод наступают после нескольких лет эксплуатации защитных насаждений, водохозяйственных и селитебных объектов.
Определяющим фактором является частота повторения многоснежных зим, многоводных весен, обеспечивающих про-мачивание зоны аэрации и поступление поверхностных вод в грунтовые.
Исследования показали, что многоводные весны и многоснежные зимы в степи Приволжской возвышенности повторяются 25 раз в 100 лет и стабилизация режима влагопереноса системы « зона аэрации -грунтовые воды» наступает в зависимости от степени антропогенного воздействия на ландшафты и составляет во временном отношении 10.15 лет.
Антропогенные воздействия на природные ландшафты предполагают следующие эколого-мелиоративные требования и ограничения: недопустимо создание прудов (кроме биологических) в гидрографической сети, на склонах которой находятся селитебные объекты (особенно животноводческие фермы и комплексы); недопустима засыпка донных оврагов, вызывающая подъем уровня грунтовых вод, оползневые и др. негативные процессы: без альтернативы необходимо строительство дренажных систем; рекомендуемые конструкции для лесных полос: полезащитных - продуваемая, стокорегулирующих -продуваемая и ажурная, приовражных и прибалочных - ажурная; усиление лесных полос валами-канавами проводится по нижней опушке с высотой вала при крутизне 1.3° - 0,3.0,6 м, 3.5° - 0,6.0,8 м, 5.6° - 0,8.1,0 м; водозадерживающие валы строятся на склонах крутизной до 5.6° и высотой не более 2,0 м, в против-
ном случае создаются сдвоенные валы; коэффициент уровнепроводности водоносного слоя, обеспечивающего подземный отток, должен быть не менее 150.200 м2/сут.; подъем уровня грунтовых вод не должен превышать 5 см/год при минерализации до 3 г/л и глубине их залегания 4.9 м в зависимости от гранулометрического и солевого состава почвогрунтов зоны аэрации.
Литература
1. Агролесомелиорация / под ред.
A. Л. Иванова, К. Н. Кулика. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2006. - 746 с.
2. Агролесомелиорация / под ред. П. Н. Проездова. - Саратов: СГАУ, 2008. -668 с.
3. Высоцкий, Г. Н. О гидрологическом и
климатическом влиянии лесов. - М.-
Л.,1952. - 112 с.
4. Глушков, В. Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований /
B. Г. Глушков. - М., 1961. - 416 с.
5. Грани гидрологии / под ред. Д. К. Роды. - Л., 1980. - 448 с.
6. Грин, А. М. Динамика водного баланса ЦЧР / А. М. Грин. - М., 1965. - 146 с.
7. Keller, R. Wasserbilans der Bundesre-publik Deutschland // Umschau in Wissen-schaft und technik. - 1971. - Heft 3. - S. 7378.
8. Коронкевич, Н. И. Водный баланс СССР и его преобразование / Н. И. Коронкевич. -М, 1969. - 338 с.
9. Костяков, А. Н. Основы мелиораций / А. Н. Костяков. - М., 1960. - 622 с.
10. Кузник, И. А. Агролесомелиоративные мероприятия, весенний сток и эрозия почв / И. А. Кузник. - Л., 1962. - 220 с.
11. Кузник, И. А. Орошение в Заволжье / И. А. Кузник. - Л., 1979. - 160 с.
12. Львович, М. И. Мировые водные ресурсы и их будущее / М. И. Львович. - М., 1974. - 448 с.
13. Проездов, П. Н. Водный баланс зоны аэрации и уровень грунтовых вод в степных мелиоративных ландшафтах Приволжской возвышенности / П. Н. Проездов // Вестник Саратовского ГАУ им. Н. И. Вавилова. - Саратов, 2006. - № 1. - С. 45-48.
14. Роде, А. А. Основы учения о почвенной влаге / А. А. Роде. - Л., 1965. - Т. 1. - 664 с.; 1969. - Том 2. - 288 с.
15. Харченко, С. И. Гидрология орошаемых земель / С. И. Харченко. - Л., 1975. -374 с.
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 si
