CC BY
58
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 556.164.001.24:504.53
МЕТОДОЛОГИЯ СНИЖЕНИЯ ОБЪЕМОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА И МАССЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ DECREASE IN VOLUMES SUPERFICIAL DRAIN AND POLLUTING SUBSTANCES WEIGHT FROM APPLICATION NATURE PROTECTION ACTIONS METHODOLOGY
Н.И. Балакай, кандидат сельскохозяйственных наук
ФГНУ «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации», г. Новочеркасск
N.I. Balakai
Federal State Scientific Establishment «The Russian scientific research institute of land
improvement problems»
Приводится методология снижения объемов поверхностного стока и массы загрязняющих веществ, попадающих в поверхностные водные объекты. Для предотвращения ущерба, наносимого поверхностным стоком, необходимо проведение системы природоохранных мероприятий, построенной на ландшафтно-контурной основе.
Superficial drain and polluting substances getting to superficial water objects weight volumes decrease calculation is given in the article. To prevent damage bringing by superficial drain prevention it is necessary to carry out nature conservation actions system constructed on a contour-landscape basis.
Ключевые слова: поверхностный сток, уклон, смыв почвы, типы почв, эрозия.
Key words: superficial drain, bias, soil washout, types of soils, erosion.
В последние десятилетия резко активизировались процессы деградации почв, заметно ухудшилась экологическая обстановка сельских территорий, в значительной мере снизились продуктивность сельскохозяйственных угодий и качество получаемой на них продукции. Свыше 26 % или 54 млн га сельхозугодий сейчас подвержено эрозии, 44 млн га дефляционно-опасны, более половины территории страдает от засухи. Большинство земель нуждается в коренном улучшении. Площадь сельскохозяйственных угодий с повышенной кислотностью почв составляет 35 %, переувлажненных и заболоченных - 12 %, засоленных почв и солонцов - 19 %, загрязненных тяжелыми металлами и радионуклидами - 38 % [1, 5].
В связи с необычайной важностью проблемы сохранения плодородия почв, вопрос по снижению водной эрозии всегда был и остается актуальным.
Анализ современного состояния развития сельскохозяйственного производства подтверждает необходимость проведения комплекса мероприятий по стабилизации и восстановлению сельскохозяйственных угодий, обеспечивающих повышение плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения, а также улучшение общей экологической обстановки [1,2].
Забота о сохранении, воспроизводстве и рациональном использовании почвенного плодородия в интересах нынешнего и будущих поколений граждан Российской Федерации - одна из функций государства, которое должно иметь и эффективно использовать правовые и экономические рычаги для сохранения, воспроизводства и повышения почвенного плодородия земель сельскохозяйственного назначения. Отсутствие долговременной государственной политики по данному вопросу может иметь негативные последствия для экономической безопасности Российской Федерации [2, 7].
Применение почвоохранных мероприятий обеспечивает снижение объемов поверхностного стока талых и ливневых вод (От и
Ол ), а вместе с ними и массы загрязняющих веществ (ЗВ), попадающих
в поверхностные водные объекты (ПВО) [3, 6, 7].
При этом экологическая обстановка, сложившаяся в пределах территорий, определяется характером и масштабами воздействия промышленности, транспорта, сельского и коммунального хозяйства на окружающую природную среду.
Проблема загрязнения поверхностных водных объектов диффузными стоками с земель сельскохозяйственного назначения во многом связана с проблемами водной эрозии земель, имеющей наибольшее распространение на территориях Приволжского, Южного и Центрального федеральных округов.
В регионах с развитым сельским хозяйством отмечается наибольшее загрязнение от диффузного стока, в составе которого, кроме взвешенных веществ, могут содержаться остаточные количества пестицидов и удобрений, смываемые с полей. К таким регионам относятся территории, расположенные в бассейнах р. Кубани, р. Волги (Астраханская область), р. Дон (Ростовская область).
Так, почти на всем протяжении Цимлянского водохранилища концентрации загрязняющих веществ варьируют в пределах 3-го класса качества воды. Уровень загрязнения повышается к устью р. Дон. По обобщенным данным Северо-Кавказского УГМС, в 2004 и 2005 гг. в контрольных устьевых створах - 4-й класс качества воды,
«загрязненная». Отмечаются кратности превышений ПДК по следующим основным показателям: нефтепродукты (в 2-6 раз), медь (4-9 раз), железо общее (2-4 раза), органические соединения по БПК5 (1,5-2 раза).
Эффективность применения природоохранных мероприятий оценивается через ряд компенсационных коэффициентов, которые необходимы для разграничения ответственности землепользователей, находящихся на одном водосборе за ущерб, нанесенный ПВО [6].
Коэффициент компенсации является комплексным показателем оценки снижения объемов поверхностного стока талых и ливневых вод в зависимости от применяемых природоохранных мероприятий и определяется как произведение поправочных коэффициентов, характеризующих наиболее важные факторы, влияющие на поверхностный сток с соответствующей площади сельхозугодий,
учитывающие как природные условия, так и природоохранные мероприятия на соответствующем водосборе (или части водосбора) [4, 6]. Он рассчитывается:
- для талых вод по формуле
ТУ' _ ТУ' . ТУ' . ТУ' If If Tf Tf Tf Tf Tf ^ Т Л
^КОМП.СТ. ~ ^П ' L ’ ^ОВ ' УП ' УК ' ^ АГР ' ЛЕС ’ ГТС ’ ^ЭР ’ ^ВЛ ? V '
- для дождевых вод по формуле
К = К • К • К К К К К К К К (2)
КОМП.СТ. ~ П ’ L ’ ОВ ’ ПП ’ УК ’ АГР ’ ЛЕС ’ ГТС ’ ЭР ’ ВЛ ’ V '
гДе Ккомпст ~ компенсационный коэффициент стока; - поправочный компенсационный коэффициент, учитывающий тип почв по гранулометрическому составу таблицы 1 [6]; KL - поправочный компенсационный коэффициент, учитывающий удаленность сельскохозяйственного угодья от водотока, определяется по уравнению регрессии KL = 2,275 • g~0-6663* при R2 =0,93, таблица 2; Ков - коэффициент, учитывающий насыщенность овражной сетью, определяется по уравнению регрессии Ков = 0,0568 • х2 + 0,3629 • х + 0,7233 , таблица 3; Кш - коэффициент, учитывающий условия стока тальк вод по уплотненной пашне и зяби, определяется по многокритериальным зависимостям, таблица 4; Кпп ~ коэффициент, учитывающий степень проективного покрытия поверхности почвы
растениями, влияющего на сток дождевых вод, определяется по уравнению регрессии К = —0 1906 ■ Ln(x) + 0 8676 , таблица 5; К ~ поправочный коэффициент на сток тальк и
ПП ^ V / ? УК
дождевых вод, учитывающий уклон местности, определяется по уравнениям регрессии, таблица 6; К^. ~ компенсационные агротехнические мероприятия, таблица 7; КЛЕС ~ коэффициент,
учитывающий компенсационные лесомелиоративные мероприятия, определяется по уравнениям регрессии для полевьк и прибалочньк лесополос, таблица 8; К^- коэффициент, учитывающий
компенсационное влияние на сток простейших гидротехнических сооружений, таблица 9.
Таблица 1 - Поправочный компенсационный коэффициент Кп на
гранулометрический состав почвы, влияющий на коэффициент стока
Почва Зябь Уплотненная пашня
Средне- и тяжелосуглинистые
Черноземы мощные и тучные 0,90 0,95
Черноземы выщелоченные, типичные, обыкновенные, южные и каштановые почвы 1,0 1,0
Черноземы оподзоленные 1,05 1,03
Темно-серые лесные 1,08 1,03
Серые лесные и дерново-карбонатные 1,12 1,05
Светло-серые лесные 1,18 1,10
Дерново-подзолистые 1,20 1,10
Легкосуглинистые
Дерново-подзолистые и серые лесные почвы лесной зоны 0,90 0,95
Серые лесные и черноземные почвы северной лесостепи 0,95 0,95
Черноземы и каштановые почвы южной лесостепи и степи 1,0 0,95
Супесчаные и песчаные
Дерново-подзолистые и серые лесные почвы лесной зоны 0,50 0,60
Серые лесные и черноземные почвы северной лесостепи 0,80 0,75
Черноземы и каштановые почвы южной лесостепи и степи 1,0 0,85
Глинистые, щебнистые суглинистые
Дерново-подзолистые и серые лесные почвы лесной зоны 1,20 1,10
Серые лесные и черноземные почвы лесостепи 1,25 1,15
Черноземы и каштановые почвы степной зоны 1,30 1,20
Таблица 2 - Поправочный компенсационный коэффициент Кь на удаленность ближней границы сельхозугодия от водотока
Удаленность от водного объекта, км (X) к, Уравнение регрессии
0 3,0 Кь =2,2758- ¿г0-6663*, при к1 = 0,93
0,3-0,5 1,8
0,5-1,0 1,2
1,0-2,0 1Д
2,0-2,5 0,7
Более 3 0,3
Таблица 3 - Поправочный компенсационный коэффициент Ков на
насыщенность овражной сетью
Г устота овражнобалочной сети, км/км2 ков Г устота овражнобалочной сети, км/км2 ков Уравнение регрессии
0,2 0,8 1,2 1,3 Ков = 0,0568 -х2 + + 0,3629-х + + 0,7233 при Я2 - 0,97
0,4 0,9 1,4 1,3
0,6 0,9 1,6 1,5
0,8 1Д 1,8 1,5
1,0 1Д 2,0 1,7
Таблица 4 - Влияние уплотненности пашни на поверхностный сток, Куп
Математическая модель Обозначение показателей и единицы измерения
Для уплотненной пашни Куп =-0,653773 + 0,015459 -а - 0,001979 • Ъ + 0,003283 • с + 0,307516 • с1 при К1 = 0,84 а - запасы воды в снеге перед снеготаянием + осадки в период таяния, мм
Ь - глубина промерзания почвы, см
Для зяби (рыхлой пашни) Куп =-2,03816 +0,01215 -а- - 0,00406 • Ъ + 0,03570 • с + 0,64158 • с1 при Я1 = 0,97 С - влажность верхнего 0-30 см слоя почвы, %
(3 - водопроницаемость почвы в период стока, мм/мин
Дождевые воды по пару (зяби) Куп = 0,014063+ 0,090330- / - - 0,056097- + 0,063346- Рш при Я2 = 0,97 Куп - коэффициент стока дождевых вод по зяби
/ - уклон, град.
(3 - водопроницаемость почвы, мм/мин
.Р - интенсивность осадков, мм/мин
Таблица 5 - Поправочный компенсационный коэффициент Кпп на степень
проективного покрытия поверхности почвы растениями, для дождевых (ирригационных) вод
Величина проективного покрытия, % (*) Культура или агрофон кпп Уравнение регрессии
0 Чистый пар 1,00 Кш =-0,19066 -Ьп(х) + + 0,9002 при Я2 = 0,89
10-20 Пропашные 0,45
20-30 Пропашные 0,35
30-40 Пропашные 0,17
20-40 Яровые колосовые 0,30
30-50 Озимые колосовые 0,16
40-60 Однолетние травы 0,10
60-80 Многолетние травы 0,04
Таблица 6 - Поправочный компенсационный коэффициент Кук на уклон
поверхности почвы
Показ атели Уравнения регрессии Обозначения показателей и единицы измерения Интервал значений
по уплотненной пашне по рыхлой пашне
Кук Кук = 0,292798 + + 0,052163 I--0,002957- а + + 0,004154-Яг --0,001243-^, Л2 =0,93 Кш =0,098384+ + 0,074382-7--0,002477- а + + 0,01016077г--0,004999 )¥, К1 = 0,87 а - запасы воды в снеге перед снеготаянием+осадки в период таяния, мм 4,5-70,7
/ - уклон почвы, град. 0,5-9,0
Нт - объем стока талых вод, мм; 1,7-44,9
Кук - коэффициент стока от уклона 0,33-0,74
IV - смытая почва, т/га 0,1-67,7
Дождевые воды по пару (зяби)
Кук Кш = 1,525-7+ 0,0235-с/-3,15 • Рш - 3,19 • 7 • с/ + 2,24 • 7 • 7^ + + 5,35 -а-рш Кук - коэффициент стока 0-0,71
/ - уклон, град. 0-9,0
с1 - водопроницаемость почвы, мм/мин 0,45-1,2
Р - интенсивность 1П осадков, мм/мин 0,5-2,1
Таблица 7 - Поправочный компенсационный коэффициент стока К^р на агротехнические мероприятия
Агротехнические мероприятия К АГР
Отвальная обработка на глубину 20-22 см 1,0
Глубокая вспашка на глубину 27-30 см 0,90
Глубокая вспашка на глубину 27-30 см + почвоуглубление на 10-15 см 0,80
Глубокая безотвальная (чизельная) обработка на глубину 40-80 см 0,90
Безотвальная (плоскорезная) обработка на глубину 20-22 см 1,15
Обвалование зяби через 2,5-3 м при вспашке 0,85
Создание нанорельефа на зяби и посевах озимых (лункование, бороздование и пр.) 0,85
Щелевание озимых культур и многолетних трав 0,80
Полосное размещение уплотненной и рыхлой пашни (ширина полос 40-60 м) 0,80
Таблица 8 - Поправочный компенсационный коэффициент стока Кшс на виды лесомелиоративных мероприятий
Лесомелиоративные мероприятия тг ЛЕС Уравнение регрессии
Расстояние между стокорегулирующими лесными полосами на сельхозугодиях, между полями (шириной 10-12 м) (X) К ^ ЛЕС ЛОЛЕВВІЕ
150 м 0,28 КЛЕС.ПОЛЕВЫЕ 0,00 13 ' X + + 0,0864 Я2 =0,98
250-300 м 0,48
301-400 м 0,61
401-600 м 0,87
700 м и более 1,00
Ширина прибалочных лесных полос, учитывается для полей, прилегающих к оврагам, балкам и др. водотокам: к ЛЕС.ПРИВАЛ.
25-30 м 0,48 ^ЛЕС.ПРИБАЛ. 0,0 1 83 ' X + + 1,0714 Д2 =0,91
20-24,9 м 0,59
15-19,9 0,69
10-14,9 м 0,80
Отсутствие лесных полос 1,0
Таблица 9 - Поправочные компенсационные коэффициенты к выносу биогенных элементов при применении простейших гидротехнических сооружений
Простейшие гидротехнические сооружения тг ГТС
Валы-террасы на пашне через 32,4-36 м 0,20
Валы-канавы на пашне по горизонталям рельефа через 150-200 м 0,15
Стокорегулирующие лесные полосы с валами (через 250-300 м) 0,10
Стокорегулирующие лесные полосы с валами-канавами (через 250-300 м) 0,05
Отсутствие ГТС 1,0
Поправочный коэффициент на эрозионный потенциал Кэр предлагается определять по формуле [4, 6]:
Кэр = (1/22/1)” • (0,065 + 4,56 • q + 65,4^2), (3)
где ь - длина склона, м; С[ - уклон рельефа, %; ТП - показатель степени, равный
при уклонах соответственно менее 1 % = 0,21; 3 % = 0,3; 3-5 % = 0,4 и более 5 % = 0,5; К-вл -поправочный коэффициент, учитывающий степень увлажнения почвы перед дождем.
Можно определять КШ(К) по уравнению А. Н. Костякова:
к,=К-г\ (4)
где К - интенсивность впитывания в начале впитывания; К. - интенсивность
о I
впитывания в момент ^, определяется по зависимости, полученной исполнителями: для сухой почвы У = 33,803 • х-0'3668 при Л2 = 0,89 и для увлажненной почвы У = 44,184 • (~0-5™ Л2 = 0,97 ; О - коэффициент затухания скорости впитывания в
зависимости от свойств почв и их исходной влажности, составляет: 0,8 для глинистых почв, 0,5-0,6 -для суглинистых, 0,4 - супесчаных, 0,3 - песчаных и 0,2 для торфа (торфянистых почв).
При отсутствии у землепользователя почвоохранных мероприятий на сельхозугодиях, влияющих на соответствующий компенсационный коэффициент, такой коэффициент принимается равным 1,0, т.е. принимается условие, что этот фактор не оказал влияния на снижение коэффициента стока. Например, если ГТС на сельхозугодиях отсутствуют, то они не могут снизить коэффициент стока, и компенсационный коэффициент К^ принимается равным 1,0, т.е. коэффициент стока не регулируется, и он не изменяется [6].
Коэффициенты Куп,Кпп,Кук,Кагр,Кшс,Кггс определяются
отдельно для каждого поля и землепользователя как средневзвешенные величины.
Например:
КУП = (Кут ш3\ +КУП2 '$2 +----+КУП„'3„)1(5)
где К - коэффициент уплотненности пашни (рыхлая пашня - это зябь или
УЯ1.п)
вспашка, уплотненная пашня - имеются посевы озимых культур или многолетних трав) для 1, 2.. .п-го поля по культурам для каждого ]-го землепользователя; ^ - площадь, занятая 1,2...
п-й культурой, га; ,5\ - площадь.
Выводы
1) Применение почвоохранных мероприятий обеспечивает снижение объемов поверхностного стока талых и ливневых вод, а вместе с ними и массы загрязняющих веществ, попадающих в поверхностные водные объекты.
2) Эффективность применения природоохранных мероприятий оценивается через ряд компенсационных коэффициентов, которые необходимы для разграничения ответственности землепользователей, находящихся на одном водосборе за ущерб, нанесенный ПВО.
3) Для предотвращения ущерба, наносимого поверхностным стоком, необходимо проведение системы природоохранных мероприятий, построенной на ландшафтно-контурной основе.
Библиографический список
1. Задачи сельскохозяйственных и водохозяйственных организаций по повышению плодородия земель в России: информационный сборник [Текст]. - М.: ФГУ «Управление «Плодородие», 2006. - 38 с.
2. Регулирование почвенного плодородия на орошаемых землях [Текст] / Л. М. Докучаева [и др.] // Мелиорация и водное хозяйство. - 2006. - № 6. - С. 56-57.
3. Сурмач, Г. П. Водная эрозия и борьба с ней [Текст] / Г.П. Сурмач. - М.: Гидрометеоиздат, 1976. - С. 215-224.
4. Швебс, Г. И. Эмпирическая зависимость для количественной оценки поверхностного смыва: сб. работ по гидрологии [Текст] / Г.И. Швебс. - М.: Гидрометеоиздат, 1959. - 128 с.
5. Щедрин, В. Н. Современные проблемы мелиорации и пути их решения [Текст] / В.Н. Щедрин // Мелиорация и водное хозяйство. - 2006. - № 6. - С. 9-11.
6. Щедрин, В.Н. Методические указания по назначению компенсационных мероприятий по снижению размера ущерба от поверхностных стоков [Текст] / В. Н. Щедрин, Г. Т. Балакай, Е. В. Полуэктов. - М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2009. - 67 с.
7. Эрозия почв и борьба с ней [Текст] / Под ред. В. Д. Панникова. - М.: Колос, 1980. - 367 с.
E-mail: rosniipmPnovoch.ru
