CC BY
67
18. Социально-экономическое развитие сельских территорий Алтайского края: опыт и проблемы / П.М. Першукевич, Г.М. Гриценко // Достижения науки и техники АПК. 2011. № 6. С. 11-14.
19. Определение эффективного использования земли сельскохозяйственными организациями в целях повышения устойчивости сельскохозяйственного производства / О.Н. Долматова, Ю.М. Рогатнев // Сибирская деревня: история, современное состояние и перспективы развития : матер. X междунар. науч.-практ. конф. Омск : Изд-во ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина, 2014. С. 307-316.
20. Скульская Л.В., Широкова Т.К. Риски в сельскохозяйственном производстве и пути нейтрализации их негативного воздействия. С 478-501.
Долматова Ольга Николаевна, старший преподаватель, Омский ГАУ, on.dolmatova@omgau.org.
18. Socialno-ehkonomicheskoe razvitie selskih territory Altajskogo kraya: opyt i problemy / P.M. Per-shukevich, G.M. Gricenko // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2011. № 6. S. 11-14.
19. Opredelenie ehffektivnogo ispolzovaniya zemli selskohozyajstvennymi organizaciyami v celyah povyshe-niya ustojchivosti selskohozyajstvennogo proizvodstva / O.N. Dolmatova, Yu.M. Rogatnev // Sibirskaya derevnya: istoriya, sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya : mater. X mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Omsk : Izd-vo FGBOU VPO OmGAU im. P.A. Stolypina, 2014. S. 307-316.
20. Skulskaya L.V., Shirokova T.K. Riski v selsko-hozyajstvennom proizvodstve i puti nejtralizacii ih nega-tivnogo vozdejstviya. C. 478-501.
Dolmatova Olga Nikolaevna, Senior Lecturer, Omsk SAU, on.dolmatova@omgau.org.
Статья поступила в редакцию 4 марта 2016 г.
УДК 551.48:626.81 ГРНТИ 37.27.03
И.В. Карнацевич, О.В. Мезенцева
СТРУКТУРЫ ВОДНОГО БАЛАНСА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ВОДОСБОРОВ В РАЙОНЕ ОМСКА
Цель работы - изучение особенностей влагооборота элементарного водосбора за суточные интервалы при переменном увлажнении для гидрологических расчетов по метеорологическим данным. В качестве исходных использовались массивы температуры воздуха и осадков базы www.meteo.ru, созданной в Интернете для 220 метеорологических станций России (и сопредельных территорий в границах бывшего СССР). Эти данные и явились материалами для расчетов текущих водных балансов и исследования их структур в каждые сутки многолетнего ряда наблюдений. В качестве математической модели использована система четырех уравнений метода ГКР (гидролого-климатических расчетов) В.С. Мезенцева. Предлагаются подход и компьютерная программа, позволяющие без дорогостоящих ежесуточных измерений стока, лишь на основании данных стандартных ежесуточных измерений температуры воздуха и атмосферных осадков, строить многолетние цепи гидрографов стока, почвенной влажности и суммарного испарения с поверхности элементарного водосбора (участка суши) с суточной дискретностью. Информация о статистических закономерностях и географическом распределении величин суммарного испарения и влажности почвы может быть полезна агрономам и почвоведам для расчетов вероятностных прогнозов и анализа динамики испарения и влажности почвы.
Ключевые слова: речные водосборы, испарение, сток, почвенная влажность, гидролого-климатический расчет.
I. V. Karnatsevich, O. V. Mezentseva
THE STRUCTURE OF THE WATER BALANCE ELEMENTARY WATERSHEDS IN THE AREA OF OMSK
The article is devoted to the study of the structure of the water balance and basic flow in the region of Omsk. Proposed approach and a computer program that allows without expensive daily flow measurements, only on the basis of a standard daily measurements of air temperature and precipitation, to build multi-year chain of
© Карнацевич И.В., Мезенцева О.В., 2016
hydrographs of runoff, soil moisture and evapotranspiration from the surface of the elementary watershed (area of land) with a daily resolution.
Keywords: river catchment, evaporation, runoff, soil moisture.
Введение
Проблема количественной оценки элементов водного баланса с различной дискретностью на основе метеорологической и почвенно-ландшафтной информации решалась в отечественной и зарубежной гидрологии с середины ХХ в. В ходе реализации разных подходов отмечались трудности при переходе от расчетов структур водного баланса элементарных водосборов к их количественным оценкам для речных бассейнов.
Целью статьи является изучение особенностей влагооборота элементарного водосбора за суточные интервалы при переменном увлажнении с использованием возможностей созданного в Омске пакета программ, позволяющего производить гидрологические расчеты по метеорологическим данным.
В 2010 г. в Омске был разработан подход и компьютерная программа, позволяющие без дорогостоящих ежесуточных измерений стока, лишь на основании данных стандартных ежесуточных измерений температуры воздуха и атмосферных осадков, строить многолетние цепи гидрографов стока и суммарного испарения с поверхности элементарного водосбора (участка суши) с суточной детальностью [1].
Проблема, объекты и методы исследований
На гигантских просторах Сибири и Дальнего Востока работают около 2 миллионов малых и средних (по величине водосборной площади) пока не изученных в гидрологическом отношении рек. Изучены лишь крупные реки, такие как Обь, Иртыш, Тобол, Омь, Тара. Число створов на этих реках, где в течение многих лет дважды в сутки проводятся измерения уровня воды, составляет несколько тысяч. Следовательно, около 99,9 % водотоков Сибири и Дальнего Востока не изучены в отношении стока, не известны их режимы и водные ресурсы.
В качестве исходных для расчетов данных использовались массивы температуры воздуха и осадков базы www.meteo.ru, созданной в Интернете для 220 метеорологических станций России (и сопредельных территорий в границах бывшего СССР). Эти данные и явились материалами для расчетов текущих водных балансов и исследования их структур в каждые сутки многолетнего ряда наблюдений.
Математическая модель преобразования ресурсов атмосферного увлажнения
и техника расчетов
В качестве математической модели использована система четырех уравнений метода ГКР (гидролого-климатических расчетов) В.С. Мезенцева (1957) [2], основанная на законах сохранения материи (водный баланс) и энергии (тепловой баланс). Описание расчетной модели приведено в работах [3-5].
Для детальных расчетов суммарного испарения, элементарного стока и влажности почвы в районе метеорологической станции необходимо получить в электронном виде (например, на сайте meteo.ru) значения средней суточной температуры воздуха и ежесуточных сумм атмосферных осадков за каждые сутки исследуемого интервала, года или длинной последовательности лет. На рис. 1 представлен фрагмент таблицы MS Excel, в которую разработанная программа WeatherApp [1] вносит исходные данные наблюдений (даты, средняя температура ^р, суточная сумма осадков в миллиметрах X, поправочные коэффициенты к осадкам за каждые сутки k™^. Созданная в Институте Математики СО РАН (Омский филиал) СУБД (программа WeatherApp) производит подготовительные расчеты и, наконец, вычисляет за каждые сутки значения элементов водного баланса (влажность почвы V, испарение Z и сток Y, суммарное увлажнение Н = Z + Y).
Рис. 1. Динамика элементов водного баланса элементарного водосбора в районе Омска
Таблица 1
Фрагмент таблицы исходных данных и результатов расчета текущих водных балансов элементарного водосбора в районе Омска
(Тср - средняя суточная температура воздуха, Х - суточная сумма осадков, КХ - общее суточное атмосферное увлажнение, Ъш - суточная сумма максимально возможного испарения, V: - относительная влажность почвы на начало суток, Ъ - суммарное испарение, У - суточная интенсивность местного элементарного стока)
Дата Тср. X, мм КХ, мм Zm, мм V! Z, мм Y, мм
13.06.2005 22 11 11,7 6,0 0,6 2,8 0,1
14.06.2005 18 31 32,9 4,9 0,64 2,7 0,2
15.06.2005 19 0 0 5,2 0,76 3,1 0,3
16.06.2005 19 2 2,1 5,2 0,74 3 0,2
17.06.2005 15 0 0 4,1 0,73 2,4 0,2
18.06.2005 14 0 0 3,8 0,72 2,2 0,1
19.06.2005 17 0 0 4,6 0,71 2,6 0,2
20.06.2005 18 0 0 4,9 0,70 2,6 0,2
21.06.2005 24 0 0 6,5 0,68 3,4 0,2
22.06.2005 26 0 0 7,0 0,67 3,6 0,2
23.06.2005 25 0 0 6,8 0,65 3,4 0,1
24.06.2005 18 29 30,7 4,9 0,64 2,6 0,2
25.06.2005 14 23 24,4 3,8 0,75 2,4 0,2
26.06.2005 18 0 0 4,9 0,83 3,2 0,4
27.06.2005 18 5 5,3 4,9 0,81 3,2 0,4
28.06.2005 19 0 0 5,2 0,82 3,4 0,4
29.06.2005 21 0 0 5,7 0,8 3,6 0,4
30.06.2005 23 0 0 6,2 0,78 3,9 0,4
01.07.2005 22 5 5,2 6,0 0,76 3,7 0,3
02.07.2005 21 0 0 5,7 0,77 3,5 0,3
03.07.2005 22 2 2,1 6,0 0,75 3,6 0,3
04.07.2005 24 24 24,7 6,5 0,74 4,1 0,4
В табл. 1 представлен фрагмент расчета текущих водных балансов для метеостанции Омск за 20 сут., составляющий лишь десятые доли процента от объема полученных за 69 лет результатов.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 1 и в табл. 2 приведены результаты расчетов элементов водного баланса и относительной влажности почвы, по данным метеостанции Омск, которые могут быть использованы исследователями природы и инженерами.
Таблица 2
Элементы суточных водных балансов
(Суммы суточных значений атмосферного увлажнения КХ, максимально возможного испарения Ъш, фактического суммарного испарения Ъ за вегетационный период (с мая по август) каждого года и средняя за май - август влажность почвы ^р)
Год КХ, мм Zm, мм Z, мм
1973 236 557 298 0,73
1974 191 571 273 0,66
1975 194 545 211 0,59
1976 191 587 242 0,59
1977 209 581 241 0,60
1978 253 529 323 0,83
1979 327 540 326 0,79
1980 211 552 310 0,77
1981 159 582 274 0,68
1982 216 584 257 0,61
1983 186 565 280 0,73
1984 137 560 265 0,70
1985 178 520 278 0,79
1986 336 510 321 0,85
1987 249 600 300 0,72
1988 83 568 209 0,59
1989 126 590 217 0,58
1990 246 595 304 0,71
1991 191 587 208 0,54
1992 194 535 260 0,68
Окончание табл. 2
Год КХ, мм Zm, мм Z, мм
1993 317 567 354 0,84
1994 280 577 328 0,78
1995 197 550 251 0,64
1993 230 558 292 0,71
1997 165 533 192 0,54
1998 131 629 257 0,64
1999 136 583 247 0,62
2000 233 574 266 0,67
2001 193 578 263 0,63
2002 293 536 314 0,77
2003 288 591 313 0,71
2004 156 608 271 0,62
2005 251 580 295 0,69
2006 212 568 251 0,63
Динамика соотношений общего увлажнения КХ и максимально возможного испаре -ния Ъш обусловливает изменения средней влажности почвы Уср за вегетационный период (май - август) каждого года и суммарного испарения Ъ.
На рис. 1, построенном по материала табл. 2, видно, что в летние месяцы испарение часто превышает количество выпавших осадков - это объясняется расходованием запасов почвенной влаги, накопленной весной при снеготаянии.
По метеорологическим данным станции Омск были сделаны расчеты элементов водного баланса с 1937 по 2006 г. - всего за 15128 расчетных интервалов теплого периода (по 213 сут с апреля по октябрь включительно в каждом из 69 годов). Некоторые результаты в виде многолетних цепей гидрографов стока и фрагментов испарения за конкретные годы представлены на рис. 2-4 и в табл. 3-4.
Рис. 2. Годовой слой местного элементарного стока воды У, мм/год, в районе метеостанции Омск с 1937 по 2005 г. [1]
Рис. 3. Суммарное испарение Ъ (мм/сут) для метеостанции Омск летом 1980 г.
Рис. 4. Ход относительной влажности почвы Уср для метеостанции Омск летом 1980 г.
Самым многоводным годом в выборке с 1952 по 1982 г., по данным табл. 3, был 1970 г. (слой годового стока - 73 мм), а самым маловодным - 1952 г. (слой годового стока - 1 мм). Около города Омска нет ни одного постоянного водотока, формирующегося от местного стока. Река Иртыш приносит воду, которая выпадает над горами и равнинами Монголии, Китая и Казахстана, а река Омь - воду, выпадающую в виде снега и дождей из атмосферы над Новосибирской и частично Омской областью - за сотни километров от Омска. Поэтому единственным, позволяющим с достаточной точностью вычислить ресурсы местного стока в районе Омска, является метод расчета по метеоданным.
В табл. 4 показана динамика соотношений июня и начале июля 1970 г.
Таблица 3
Ежегодный слой местного стока в Омске с 1952 по 1982 г., полученный при расчете по данным метеостанции Омск (без гидрометрических измерений)
осадков, стока и испарения в Омске в конце
Таблица 4
Структура элементов водного баланса для метеостанции Омск летом 1970 г.
Год Y, мм/год Год Y, мм/год
1952 1 1968 19,5
1953 1,8 1969 40
1954 3,9 1970 72,9
1955 12 1971 40,8
1956 15,6 1972 41,1
1957 22,8 1973 35
1958 21,3 1974 33,9
1959 17 1975 10,7
1960 25,8 1976 16,6
1961 35,7 1977 23,9
1962 6,7 1978 69,2
1963 5,5 1979 49
1964 48,2 1980 69,7
1965 9,3 1981 37,8
1966 44,6 1982 22,7
1967 8,8
Дата KX, мм Zm, мм V Z, мм Y, мм
21.06.1970 0 6,6 0,73 3,8 0,3
22.06.1970 0 8 0,71 4,4 0,3
23.06.1970 35 6,3 0,69 3,8 0,3
24.06.1970 1,1 4,6 0,81 3 0,3
25.06.1970 0 3,7 0,8 2,4 0,3
26.06.1970 23,3 3,7 0,79 2,5 0,3
27.06.1970 0 2,3 0,87 1,6 0,2
28.06.1970 7,4 3,7 0,86 2,6 0,4
29.06.1970 18 3,1 0,88 2,3 0,4
30.06.1970 0 3,1 0,94 2,4 0,5
01.07.1970 0 3,1 0,92 2,3 0,4
02.07.1970 7,2 3,4 0,91 2,5 0,5
03.07.1970 7,2 3,7 0,93 2,8 0,6
04.07.1970 14,4 2,9 0,94 2,2 0,5
05.07.1970 4,1 2,9 0,98 2,2 0,6
06.07.1970 0 2,9 0,99 2,2 0,5
07.07.1970 2,1 3,4 0,97 2,7 0,6
08.07.1970 0 4,3 0,97 3,3 0,7
09.07.1970 0 4,9 0,95 3,7 0,8
10.07.1970 1 5,4 0,93 4 0,8
В 1970 г. в Омске с 26 июня по 7 июля наблюдалась облачная холодная погода со средними суточными температурами от 8 до 12 °С, шли дожди (суточные суммы осадков 20-35 мм), влажность почвы повысилась от 0,70 до 0,99 наименьшей влагоемкости. Интенсивность испарения уменьшилась от 4 до 2 мм/сут, интенсивность стока увеличилась от 0,3 до 0,8 мм/сут.
С такой подробностью количественное описание картины структурных изменений суточных водных балансов удалось впервые именно с применением данного подхода после создания компьютерной системы расчетов элементов водного баланса и массовой проверки достоверности результатов расчета. Это стало доступным для любого исследователя и гидролога, если в его распоряжении систематизированные данные метеорологических наблюдений. Подобные цепи ежесуточных значений элементов водного баланса также построены, например, для Иркутска с 1900 до 2005 г., для Сочи - с 1945 до 2003 г.
Заключение
Отныне местный элементарный сток с малых водосборов - информация, столь необходимая гидрологам и проектировщикам гидросооружений на сотнях тысяч рек неизученных областей суши, таких, например, как Сибирь и Канада - может быть получена на основе стандартных метеонаблюдений. Для почвоведов и агрономов сведения о статистических закономерностях и географическом распределении величин суммарного испарения и влажности почвы могут быть полезны для расчетов вероятностных прогнозов и анализа динамики испарения и влажности почвы.
Список литературы
1. Карнацевич И.В., Хрущев С.А. Компьютерная система массовых расчетов текущих водных балансов речных водосборов неизученных областей суши : монография. Омск : Изд-во ОмГПУ, 2014. 174 с.
2. Мезенцев В.С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Сибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспеченности. Тр. ОмСХИ. Омск : Изд-во ОмСХИ, 1957. Т. 27. 121 с.
References
1. Karnacevich I.V., Khrushchev S.A. Kompyuter-naya sistema massovykh raschetov tekushchikh vodnykh balansov rechnykh vodosborov neizuchennykh oblastey sushi : monografiya. Omsk : Izd-vo OmGPU. 2014. 174 s.
2. Mezencev V.S. Metod gidrologo-klimaticheskikh raschetov i opyt ego primeneniya dlya rayonirovaniya Zapadno-Sibirskoy ravniny po priznakam uvlazhneniya i teploobespechennosti. Tr. OmSKhI. Omsk : Izd-vo OmSKhl, 1957. T. 27. 121 s.
3. Мезенцев В.С., Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. Л. : Гидрометеоиз-дат, 1969. 168 с.
4. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири : ч. 1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов. Омск : Изд-во ОмСХИ, 1989. 76 с.
5. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири : ч. 2. Водные ресурсы и водный баланс. Омск : Изд-во ОмСХИ, 1991. 82 с.
Карнацевич Игорь Владиславович, доктор геогр. наук, профессор кафедры природообустройства и водопользования, Омский ГАУ, ikar.omsk@mail.ru; Мезенцева Ольга Варфоломеевна, доктор геогр. наук, профессор кафедры географии и методики обучения географии Омский ГПУ, mezolga@yandex.ru.
3. Mezencev V.S., Karnacevich I.V. Uvlazhnennost Zapadno-Sibirskoy ravniny. L. : Gidrometeoizdat, 1969. 168 s.
4. Karnacevich I. V. Raschety teplovykh i vodnykh resursov malykh rechnykh vodosborov na territorii Sibiri : ch. 1. Teploenergeticheskie resursy klimata i klimatich-eskikh processov. Omsk : Izd-vo OmSKhl, 1989. 76 s.
5. Karnacevich I.V. Raschety teplovykh i vodnykh resursov malykh rechnykh vodosborov na territorii Sibiri : ch. 2. Vodnye resursy i vodnyy balans. Omsk : Izd-vo OmSKhl, 1991. 82 s.
Karnatsevich Igor Vladislavovich, Doctor of Geographical Sciences, Professor, Department of environmental engineering and water-management, Omsk SAU, ikar.omsk@mail.ru; Mezentseva Olga Varfolomeeva,
Doctor of Geographical Sciences, Professor the Department of geography and methods of teaching geography, Omsk SPU, mezolga@yandex.ru.
Статья поступила в редакцию 18 марта 2016 г.
УДК 69.034.96 ГРНТИ 70.03.19
В.И. Сологаев
О ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ И ВОЗДУХА В ПОЧВАХ И ГРУНТАХ ПРИ ЗАЩИТЕ ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ
Рассмотрены закономерности фильтрации воды и воздуха в почвах и грунтах при защите от подтопления в городском строительстве и сельском хозяйстве. Путь исследования: от начальных базовых теоретических законов до экспериментальной проверки с помощью специально разработанной для данной темы лабораторной установки.
Ключевые слова: фильтрация, вода, воздух, почвы, грунты, защита от подтопления.
V.I. Sologaev
ABOUT THE FILTRATION OF WATER AND AIR IN THE SOIL AND GROUND FOR PROTECTION AGAINST UNDERFLOODING
Considered water filtration and air patterns in soils and ground in the protection against underflooding in urban construction and agriculture. The study was conducted on the initial basic theoretical laws to the experimental verification using the laboratory equipment specially designed for this topic.
Keywords: filtration, water, air, soil, ground, protection from underflooding.
Введение
Фильтрация воды или воздуха в почвах и грунтах количественно может быть рассчитана с помощью закона Дарси. Однако совместное движение воды и воздуха в пористой среде - более сложный процесс, описание которого до сих пор носит дискуссионный характер. Необходимо совершенствовать методологию наших представлений о совместной фильтрации воды и воздуха в почвах и грунтах, отталкиваясь от изначальных теоретических основ с опорой на опытные данные. Попыткой решения этой задачи в первом приближении и является представленная работа.
© Сологаев В.И., 2016
