CC BY
39
Антропогенные изменения в формировании стока на водосборах Южного Урала
Н.В. Соломатин, к.с-х.н, в.н.с, Ж.А. Валиева, м.н.с, Э.Г. Гейде, м.н.с, Оренбургский научный центр УрО РАН
В Оренбуржье, в типичном вододефицитном регионе, основным источником природных вод для формирования подземного и поверхностного стока являются атмосферные осадки. Определяющими особенностями водного баланса являются: преобладание в нем паводкого стока на малых реках (до 80—90% и более); глубокое залегание подземных вод (10—40 м и более), исключающее их испарение и потребление растительностью на основной части водосборов рек; многократное превышение свободной скважности грунтов зоны аэрации над максимальными запасами воды в снеге.
В зависимости от природной зоны Предуралья сток талых вод и сток ливневых вод имеют различную значимость. Дождевой сток в северной тайге равен 20 мм и составляет 7% всего речного стока. В степи и в сухой степи он составляет всего 1—2 мм/год, и изменения в нем не окажут существенного влияния на водные ресурсы этих территорий. Значимость же поверхностного стока талых вод в вододефицитных регионах возрастает в среднем по зонам до 71—79% от суммарного годового стока рек. В лесных зонах на паводковый сток приходится всего 60—65% речного стока. Однако абсолютная его величина в вододефицитных зонах значительно меньше, чем в водообеспеченных. В тундре и тайге запасы талых вод на земной поверхности значительно превышают свободную скважность зоны аэрации.
После насыщения маломощной зоны аэрации талыми водами при малой интенсивности оттока грунтовых вод прекращается их впитывание, и они практически полностью стекают в понижения рельефа и речную сеть, увеличивая коэффициент поверхностного стока. В лесной зоне мощ-
ность зоны аэрации увеличивается до 3 м и более, свободная емкость грунтов над подземными водами (300 мм и более) на значительной части территории превышает возможные запасы воды в снеге, уменьшая этим ограничивающее влияние ее на инфильтрацию талых вод (табл. 1).
Доля инфильтрации в балансе талых вод в лесной зоне увеличивается до 35—40%. В лесостепной, степной и полупустынной зонах идет дальнейшее увеличение доли инфильтрации талых вод, соответственно до 53, 58 и 80%. В этих зонах с большой свободной скважностью грунтов при глубоком залегании подземных вод и отсутствии их влияния на влажность почвенного слоя величина поверхностного стока определяется в основном другими стокообразующими факторами, не связанными с мощностью зоны аэрации.
В этих условиях главным становится соотношение скорости снеготаяния и интенсивности водоотдачи снега, с одной стороны, и скорости впитывания и фильтрации в почву — с другой. Поверхностный сток будет иметь место при превышении скорости поступления талых вод на почву над скоростью их впитывания. Но эти факторы зависят от многих причин и изменчивы во времени. Скорость снеготаяния зависит в основном от тепловых ресурсов (температуры воздуха и солнечной радиации).
По исследованиям И.А. Кузника (1963), в Сыртовом Заволжье в степи максимальная интенсивность водоотдачи снега составляет 0,14 мм/мин., что в 2 раза превышает возможную интенсивность снеготаяния по тепловым ресурсам и в три раза меньше установившейся скорости впитывания в сухую мерзлую темно-каштановую почву в этой зоне. Однако при влажности почвы, близкой к НВ, эта интенсивность водоотдачи снега значительно больше возможной скорости впитывания в мерзлую землю.
1. Составляющие баланса талых вод и свободная емкость суглинков зоны аэрации по природным зонам Предуралья (составлено по многолетним данным гидрометслужбы)
Природная зона Расчетная мощность зоны аэрации, м Запасы снега и осадков периода снеготаяния, (И), мм * Свободная скважность зоны аэрации (Мсв), мм Инфильтрация талых вод (Фп), мм Поверхностный сток (У), мм
Тундра 0,5 210 10 20 190
Северная тайга 0,75 210 15 30 180
Южная тайга 1,0 180 30 50 130
1,5 180 60 50 130
2,0 180 100 50 130
Лесная зона 3,0 140 300 60 80
Лесостепь >3 140 >300 80 60
Степь >10 130 >>300 75 55
Полупустыня 50-100 60 >>300 48 12
* с учетом испарения за время снеготаяния
Для наиболее распространенных в Сыртовом Предуралье и Сыртовом Заволжье суглинистых и тяжелосуглинистых черноземов и темно-каштановых почв интенсивность максимальной водоотдачи снега превышает в 3—7 раз возможную скорость инфильтрации в мерзлую почву при НВ.
Нами проведена серия полевых и лабораторных опытов по изучению скорости впитывания в талую и мерзлую суглинистую черноземную почву малых водосборов Южного Предуралья на наиболее распространенных угодьях: пашне, плужной подошве пахотных земель, мало- и сильно выбитой целине, лесной полосе и стерне яровой пшеницы. Результаты этих опытов приведены на рис. 1.
г, °е
Рис. 1 - Зависимость коэффициента фильтрации (Кф) от температуры (1) мерзлых суглинистых почв на различных угодьях с исходной влажностью 15-16% (А) и 27-28% (Б): 1 - зябь; 2 - лесная полоса; 3 - целина маловыбитая; 4 - стерня; 5 - целина выбитая (дернина на поверхности почвы отсутствует); 6 - плужная подошва (г = 0,87)
Скорость впитывания в оттаявшую почву под всеми полевыми угодьями уменьшается в 1,4—2 раза, а в почву под лесной полосой — в 2,8 раза в сравнении коэффициентом фильтрации, определенным в летнее время по методу Нестерова. Это можно объяснить увеличением вязкости воды при нулевой температуре относительно 20—25°С в лет-
нее время. По Ходену, при нулевой температуре ее вязкость увеличивается в 0,8 раза в сравнении с вязкостью при температуре 20°С.
Наибольшее влияние на Кф при минусовых температурах почвы оказывает влажность почвы. Если при относительно сухой почве и температуре -5°С установившаяся скорость инфильтрации на зяби в 4,2 раза, а под стерней, лесополосой и на целине — соответственно в 2, 12 и 18 раз меньше Кф летнего периода, то при НВ скорость инфильтрации при этой же температуре уменьшается соответственно в 189; 56 и 120 раз. Еще более значительные уменьшения скорости впитывания наблюдаются при температуре почвы -10°С. Если при естественной влажности почвы (10—20% от ее веса) скорость инфильтрации уменьшается под этими же угодьями в 28—80 раз, то при НВ и -10°С скорость инфильтрации уменьшается в 160—425 раз. Под лесной полосой скорость инфильтрации уменьшается только в 70 раз. Несколько меньшее влияние оказывает уровень понижения температуры почвы. При понижении температуры с -5°С до -10°С при естественной влажной скорость инфильтрации уменьшается на зяби в 7 раз, под лесной полосой с подстилкой — в 2 раза, на стерне — в 2,5 раза, на целине маловыбитой — в 3 раза и сильно выбитой — в 5 раз. При наименьшей влагоем-кости коэффициент фильтрации уменьшается соответственно в 2,2; 1,2; 3 и 2 раза.
Исследования интенсивности снеготаяния и скорости впитывания в мерзлую землю на Южном Урале и Сыртовом Заволжье показывают, что между ними в комплексе факторов, определяющих величину поверхностного стока в степи, равнозначно могут наблюдаться их сочетания, благоприятные как для его увеличения, так и уменьшения. Все это усложняет гидрологические расчеты и прогноз паводкового стока.
Проведенные исследования водного баланса региона показали, что формирование величины расходных составляющих во многом зависит не только от рельефа, но и от уровня антропогенного воздействия на ландшафты водосборов рек и водохранилищ Южного Урала, на 90% занятых сельскохозяйственными угодьями [1, 2, 3].
Исследования весеннего стока на водосборах Южного Урала выявили высокую его зависимость от доли зяби на водосборе. При этом значительные изменения в хозяйственной деятельности на водосборе и в результате инфильтрационных свойств его поверхности происходят за 5—10 лет. На Общем Сырте Предуралья в 1936 — 1941 гг. при К3 = 12% Кст был 0,53, в военные 1942—1945 гг. при К3 = 5% Кст = 0,74; послевоенные (1946— 1954 гг.) при К3 = 12% Кст = 0,53; в период освоения целинных земель (1955—1965 гг.) при К3 = 20% Кст = 0,38; в 1966-1990 гг. при К3 = 52-56% Кст = 0,25-0,30 и в 1991-1995 гг. при уменьшении К3 до 36% Кст увеличивается до 0,48. Аналогичные из-
менения в стоке наблюдались и в других подзонах Южного Урала. По этой зависимости возможно прогнозирование стока талых вод в результате изменений хозяйственной деятельности на водосборе и установление необходимой доли зяби для обеспечения требуемого регулирования паводкового стока и формирования запасов воды в водохранилищах [2, 4].
Установленные зависимости коэффициента паводкового стока (Кст) на реках Южного Урала от доли зяби на водосборе (К3) (рис. 2) выявляют уменьшение ее влияния на коэффициент стока с увеличением доли зяби, что можно объяснить увеличением среднего уклона пахотных земель в связи с распашкой крутосклонных участков и уменьшением перехватываемого стока с вышерасполо-женных угодий с большим коэффициентом стока.
Существенное влияние оказывает зябь на подземный сток. На рис. 3 показаны величины под-
Зябь
Рис. 2 - Зависимость коэффициента поверхностного стока талых вод в Южном Зауралье (Кст) от доли зяби на водосборе: 1 - выбитая целина; 2 - маловыбитая целина (для сравнения показана зависимость стока от доли зяби в Южном Предуралье (3)
1941 1948 1954 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995
Рис. 3 - Сравнительная оценка режима подземных вод по данным меженного стока р. Самара (1) и по балансу питания подземных вод на водосборе (2) в зависимости от изменений доли зяби на водосборе (3)
земного стока, рассчитанные по водному балансу на водосборе р.Самары в 1936—1995 гг. и измеренные в замыкающем исследуемую часть бассейна реки величины подземного стока по пятилетним периодам.
Анализ полученных данных показывает, что изменения в соотношении угодий на исследуемом водосборе оказывают существенное влияние на питание подземных вод через зоны активного водообмена. При малой доле зяби на водосборе (0,06—0,13) в 1936—1954 гг. расход талых вод на питание подземных вод был стабилен, и коэффициент питания подземных вод составлял 0,17 от их величины. По мере увеличения доли зяби на водосборе увеличивается и коэффициент стока до
0.19.0,20 в 1966—1990 гг. при 52—56% зяби на водосборе.
Результаты исследований поверхностного и подземного стока показали, что длинные ряды наблюдений (50—60 лет) на малых реках Оренбургской области не всегда возможно использовать для расчета и прогноза паводкового стока и инфильтрации, т.к. в этот период попадают годы с различным хозяйственным воздействием на стокообразующие факторы и инфильтрации. Более объективную картину формирования природных вод дают небольшие ряды наблюдений в 5—10 лет. В этом случае учитываются и усредняются особенности влияния погодных условий за время снеготаяния и предшествующих зим на формирование паводкового стока и питания подземных вод, и их можно считать фоном, на котором проявляются особенности влияния хозяйственной деятельности, типичной для данного короткого расчетного периода.
Сравнение величин подземного стока, рассчитанных по водному балансу на водосборе р. Самара, с величинами, рассчитанными по ее меженному стоку на замыкающем водосбор створе, показывает, что с учетом «добегания» подземных вод между ними имеется хорошее соответствие.
Литература
1. Нестеренко, Ю.М. К моделированию питания подземных вод на Сыртовой равнине Предуралья / Ю.М. Нестеренко, Е.Н. Сквалецкий, Д.Е. Сквалецкий // Материалы XVI Всероссийского совещания «Подземные воды востока России». Иркутск, 2000. С. 57—58.
2. Нестеренко, Ю.М. Роль поверхностного стока и антропогенных воздействий в формировании водных ресурсов // Водные ресурсы, геологическая среда и полезные ископаемые Южного Урала. Оренбург, 2000. С. 52—78.
3. Нестеренко, Ю.М. Водная компонента аридных зон: экологическое и хозяйственное значение. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.
4. Нестеренко, Ю.М. Режим и баланс на пахотных и целинных черноземах Южного Урала / Ю.М. Нестеренко, Н.В. Соломатин // Водные ресурсы, геологическая среда и полезные ископаемые Южного Урала. Оренбург, 2000. С. 89-95.
