CC BY
6
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
7. Спиридонов А. М., Данилова Т. А., Адрицкая Н. А. Овощеводство северо-запада России: современное состояние и перспективы // Аграрная Россия. 2020. № 4. С. 18-22.
8. Шевченко В. А., Бородычев В. В., Лытов М. Н. Варианты реконструкции гидромелиоративных систем на бывших мелиорированных длительно не используемых сельскохозяйственных землях // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2020. № 4 (60). С. 313-327.
9. Эффективность российского овощеводства открытого грунта в условиях санкций / А. Ф. Разин, М. В. Шатилов, М. И. Иванова, О. А. Разин, Н. А. Дацковская, Т. Н. Сурихина, Г. А. Телегина // Аграрная Россия. 2019. № 4. С. 42-48.
10. Arumugam T., Sandeep G., Maheswari M. U. Soilless farming of vegetable crops // The Pharma Innovation Journal. 2021. № 10 (1). P. 773-785.
11. Moulana S., Kumar P. S., Vedhantham V. Cultivation practices of vegetable crops // KRISHI SCIENCE - eMagazine for Agricultural Sciences. 2020. № 1 (03). P. 42-44.
12. Sengirbekova L. K., Syzdykova L. S. Research of safe methods of production of canned vegetables using grain crops // Bulletin of the Almaty Technological University. 2022. № 1. Р. 65-71.
Информация об авторах Дубенок Николай Николаевич, академик РАН, профессор, заведующий кафедрой «Лесоводство и мелиорация ландшафтов», Российский государственный агроуниверситет - Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), доктор сельскохозяйственных наук, ORCID: 0000-0002-9059-9023, тел. 89857544488, e-mail: dubenok@mail.ru
Майер Александр Владимирович, старший научный сотрудник ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костюкова» (127750, г. Москва, ул. Большая академическая, д. 44, корпус 2), кандидат сельскохозяйственных наук, ORCID: 00000002-0065-8916, тел. 89053378678, e-mail: vkovniigim@yandex.ru
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-02 A NEW APPROACH TO FORECASTING THE SLOPE RUNOFF OF MELT WATERS ON AGRICULTURAL LANDS IN THE VOLGA AND DON BASINS
A. T. Barabanov
Federal Research Centre of Agroecology, Amelioration and Protective Afforestation of Russian Academy of Sciences, Volgograd
Received 01.10.2022 Submitted 02.12.2022
The research was carried out within the framework of the state task No. 0713-2019-0003"Theoretical foundations of the erosion-hydrological process in catchment basins, conceptual directions, ways and principles of creating highly effective environmental management systems for this process in order to completely prevent soil erosion"
(state registration no. AAAA19-119042290013-8) funding for the Ministry of science and higher education of the Russian Federation
Summary
For the conditions under which natural factors contribute to the formation of spring slope runoff, the regularity of the absorption of melt water by frozen soil has been established, which made it possible to describe this process on a genetic basis and develop a new approach to its prediction. Long-term studies have shown that by the time the spring snowmelt ends, the soil thaws to a depth of no more than 30 cm (on average 15-25 cm in zones), saturating to full moisture capacity, an ice screen forms below. The volume of absorption of melt water in this layer is equal to the volume of free pores. The rest of the snow water drains away
Abstract
Introduction. Forecasting of surface spring runoff on agricultural lands with modern intensive agriculture is a very important and topical issue. Its solution is necessary for planning measures to regulate floods on rivers and developing a system of measures to protect soils from erosion. The object of the
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
study is methods of forecasting river and surface runoff based on the analysis of experimental data. Materials and methods. The analysis materials were methods for predicting runoff based on the author's long-term experimental materials and literature data obtained using water balance methods by taking into account runoff at runoff sites. Results and conclusions. According to the law of limiting factors, no runoff is formed at some of their minimum levels, and if they are higher than these levels, then the runoff is formed under any meteorological conditions. For such levels of factors, the regularity of water absorption by frozen soil was established, which made it possible to create a theory of the formation of surface (slope) melt water runoff on a genetic basis and to develop a new approach to its prediction. Long-term studies have shown that by the time of the spring slope runoff, the soil thaws to a depth of up to 30 cm (on average 15-25 cm), saturating to full moisture capacity, an ice screen forms below. In other words, meltwater absorbs only in this layer. It may contain an amount of water equal to the volume of pores free of moisture. The water accumulated in the snow by the time of snowmelt above this volume drains. Thus, the process of runoff formation is reduced to a two-factor coupling equation, and in fact the process is one-factor, because soil infiltration is caused by its moisture in the frozen state. Snow reserves play a passive role, they do not affect the formation of runoff, but the volume of runoff depends on them, because excess unabsorbed snow water flows down.
Keywords: surface runoff, slope runoffforecast, natural runofffactors, spring flood.
Citation. Barabanov A. T. A new approach to forecasting the slope runoff of melt waters on agricultural lands in the Volga and Don basins. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 4(68). 21-30 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-02.
Author's contribution. The author of this study directly planned, performed and analyzed the results of this study.
Conflict of interest. The author declares that there is no conflict of interest. УДК 631.6.02:556
НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ СКЛОНОВОГО СТОКА ТАЛЫХ ВОД НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЛЯХ В БАССЕЙНАХ ВОЛГИ И ДОНА
А. Т. Барабанов, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник
Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН, г. Волгоград
Дата поступления в редакцию 01. 10.2022 Дата принятия к печати 02.12.2022
Актуальность. Прогнозирование поверхностного весеннего стока на сельскохозяйственных землях при современном интенсивном земледелии является очень важным и актуальным вопросом. Решение его необходимо для планирования мер по регулированию паводков на реках и разработки системы мероприятий по защите почв от эрозии. Объектом исследования являются методы прогнозирования речного и поверхностного стока на основе анализа экспериментальных данных. Материалы и методы. Материалами анализа служили способы прогнозирования стока на основе многолетних экспериментальных материалов автора и литературных данных, полученных с использованием водно-балансовых методов путем учета стока на стоковых площадках. Результаты и выводы. Согласно закону лимитирующих факторов при некоторых их минимальных уровнях сток не образуется, а если они выше этих уровней, то сток формируется при любых метеорологических условиях. Для таких уровней факторов установлена закономерность водопоглощения мерзлой почвой, что позволило создать теорию формирования поверхностного (склонового) стока талых вод на генетической основе и разработать новый подход к его прогнозированию. Многолетние исследования показали, что ко времени окончания весеннего склонового стока почва оттаивает на глубину до 30 см (в среднем 15-25 см), насыщаясь до полной влагоемкости, ниже образуется ледяной экран. Иными словами, та-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
лая вода впитывает только в этом слое. В нем может поглотиться количество воды равное объему пор, свободных от влаги. Вода, накопленная в снеге ко времени снеготаяния свыше этого объема, стекает. Таким образом, процесс формирования стока сводится к двухфакторному уравнению связи, а по сути процесса - однофакторному, потому что инфильтрация почвы обусловливается ее влажностью в мерзлом состоянии. Снегозапасы играют пассивную роль, они на формирование стока не влияют, но объем стока зависит от них, потому что стекают излишки не впитавшейся снеговой воды.
Ключевые слова: поверхностный сток, прогноз склонового стока, природные факторы стока, весенний паводок.
Цитирование. Барабанов А. Т. Новый подход к прогнозированию склонового стока талых вод на сельскохозяйственных землях в бассейнах Волги и Дона. Известия НВ АУК. 2022. 4(68). 2130. DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-02.
Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении опытов и анализе полученных результатов. Автор настоящей статьи ознакомился с представленным окончательным вариантом и одобрил его.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Введение. Вопрос прогнозирования речного и поверхностного (склонового) стока очень сложный. Речной сток в значительной степени связан со склоновым. Реки питаются за счет грунтового и склонового стока. Доля весеннего склонового стока в общем речном бывает до 70 % [11]. Грунтовое питание относительно стабильное и на него влияет меньшее количество факторов. Склоновый сток по мнению многих исследователей подвержен большому количеству факторов при сложном их взаимодействии [1, 6-10, 15, 19]. Прогноз стока талых вод должен осуществляться на основе исследования процесса его формирования. Его изучение осуществлялось многими исследователями - гидрологами, эрозиоведами, геоморфологами, почвоведами и др. В результате получен большой материал, характеризующий роль факторов стока. На основе этих исследований было разработано много разных методов, моделей, уравнений расчета (прогноза) речного и поверхностного (склонового) стока. К сожалению, в последние три десятилетия значительно уменьшилось количество экспериментальных исследований по этому вопросу. По оценке сотрудников Института географии РАН, «большая часть водобалансовых станций в настоящее время закрыта, или на них резко сократились объемы работ. По существу, остались лишь три станции ВНИАЛМИ с длительными рядами наблюдений, которые в полном объеме продолжают вести исследования в стационарных опытах в лесостепной и степной зонах» [11].
Материалы и методы. В гидрологии сейчас широко распространены два главных методических подхода: статистический и генетический. Статистические методы позволяют вести приближенные гидрологические расчеты. С их помощью в свое время удалось быстро удовлетворить запросы гидротехнического строительства. Однако решить фундаментальные проблемы в гидрологии на их основе не было возможности. Для этого необходимы были теоретические исследования. Генетические методы базируются на выявлении причинно-следственных связей, установления генезиса процесса с учетом влияния всех факторов, что позволяет создавать теоретические основы его. Однако и статистические методы играют еще важную роль, особенно при изучении поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий (сельскохозяйственная гидрология). В этой области гидрологии пока накоплено мало материала, поэтому регулирование стока осуществляются либо без расчетов, либо на основе приближенных расчетов, что можно осуществлять, применяя статистические методы.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Прогноз речного стока разрабатывался различными методами, но чаще всего путем сопоставления объема стока в створе реки с гидрометеорологическими условиями, сложившимися на ее бассейне [5, 7, 8, 15, 19]. Разработка прогноза стока на сельскохозяйственных угодьях осуществлялась на основе исследований на стоковых площадках [4, 11, 13] и на водосборах [12, 17, 21], а также путем сопоставления объема стока в створе стоковой площадки и балочного водосбора с гидрометеорологическими условиями, природными и антропогенными факторами [18]. Исследования на стоковых площадках позволяют выявить закономерности формирования склонового стока дифференцированно на разных видах угодий (поле, лес, луг), пашни (рыхлая, уплотненная), типах почв.
Мы применяли статистические методы для оценки средних показателей и разной обеспеченности склонового стока, его динамики по зонам и годам с сельскохозяйственных угодий, а генетический подход - для выявления роли природных и антропогенных факторов во взаимодействии снеговой воды с мерзлой почвой для создания теории гидрологического процесса с целью разработки новой системы мероприятий по его регулированию. Для этого закладывались стоковые площадки размером 20 х 100 м. На них осуществляли наблюдения и определения: стока, природных факторов его формирования (снегозапасы, глубину промерзания почвы, ее влажности, удельной и объемной массы), а также гидрометеорологических показателей.
Результаты и обсуждение. Из литературы известно [1, 5-9, 15-17, 19], что процесс формирования стока рассматривается как многофакторный. Большинство факторов влияют на сток комплексно, во взаимодействии. Сейчас имеется много материалов о роли различных факторов в формировании стока [1-10, 12, 13, 15, 19]. Однако трактовка их и выводы у разных авторов различаются и даже бывают противоположными. Часть авторов исследовала закономерности формирования склонового стока на основе связи его с природными факторами [2, 14], но больше гидрологи исследовали связь речного стока со сложившимися условиями на водосборах [1, 7-9, 15], а также путем подбора аналогов весен по условиям формирования стока и сравнения их с предыдущими [5, 18].
О. Н. Урбанова с соавторами [16] при исследовании притока воды в пруды отмечает, что прямой связи стока со снегозапасами нет. Часто при больших запасах воды в снеге половодье бывает небольшое и наоборот. Они считают, что при прогнозировании стока кроме снегозапасов на водосборе необходимо учитывать метеорологическую обстановку (температуру воздуха, осадки в период снеготаяния и др.) осеннюю и весеннюю (перед паводком) влажность почвы, глубину ее промерзания и потери влаги на испарение и впитывание.
М. А. Комиссаров и И. М. Габбасова [13] в опытах на выщелоченных черноземах южного Предуралья выявили, что при небольшой глубине промерзания почвы (3038 см) склоновый весенний сток не формируется независимо от уровня снегозапасов, увлажнения почвы. Они объясняют это тем, что при небольшом промерзании почва обладает очень высокой впитывающей способностью. По мнению авторов, сток при большой глубине промерзания зависит от сложившихся метеорологических условий.
Н. И. Коронкевич и соавторы [11] отмечают, что основным фактором формирования склонового стока является климатический. Они считают, что в условиях русской равнины России в образовании стока особую роль играют снегозапасы и условия снеготаяния.
Таким образом, при расчете склонового стока был получен большой и интересный материал, однако анализ его не позволяет сделать однозначный вывод о роли природных и антропогенных факторов в формировании стока. При прогнозировании речного стока исследователи были вынуждены учитывать очень много факторов, что снижало возможности получения высокоточного результата, что отмечают сами авторы этих работ [7, 9, 19].
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
М. В. Болгов и др. [7] пришли к выводу, что решение современных гидрологических и водохозяйственных задач требует теоретического обоснования и применения новых методов и подходов. Они посчитали, что одним из перспективных направлений является применение Байесовского подхода, учитывающего вероятности различного проявления климата. В качестве параметра для байесовской оценки используются различные гидрометеорологические показатели: ежедневные осадки, средние многолетние расходы и подобные случайные величины и соотношения между ними.
Н. А. Варенцова и др. [19] указывают на необходимость развития методической базы прогнозов речного стока и отмечают, что Росгидромет выпускает прогнозы весеннего стока на основе связи его с характеристиками состояния водосбора до начала снегонакопления и перед снеготаянием. В одной из первых методик прогноза стока было принято, что от глубины промерзания почвы сток не зависит. В качестве альтернативы этой методики они приводят работы Л. К. Вершининой, в которых расчет слоя стока основан на связи стока с запасами влаги в метровом слое почвы, глубиной ее промерзания и снегозапасами и осадками на период половодья,. В результате они высказывают предположение о кардинальном изменении значимости некоторых предикторов и ими предпринят их поиск. Они предлагают для водосбора рассчитать матрицу, содержащую в себе 21 параметр (8 предикторов в трех-четырех вариантах).
С. А. Двинских, А. Б. Китаев, В. М. Носков [9], исследуя динамику климатических изменений, пришли к выводу, что высокому половодью обычно предшествует теплая и дождливая осень и большой запас снеговой воды. Однако они же отмечают, что иногда (1979 г.) при очень больших снегозапасах (в 1,5 раза больше нормы), наводнения не бывает. Они считают, что из-за противоречивости результатов в настоящее время нельзя создать надежную модель формирования стока.
В работе С. В. Борща и др. [5] авторы отмечают, что одним из путей совершенствования методов прогнозирования притока воды в водохранилища может быть создание физико-математических моделей, параметрами которых являются метеорологические данные, описывающие возможные сценарии погоды за прогнозируемый прошлые годы; результаты дистанционного зондирования земли и материалы оценки природных особенностей водосбора.
О. В. Гагаринова и др. [8] на основе ландшафтно-гидрологического подхода к исследованию закономерностей формирования речного стока использует следующие физико-географические параметры: геологическое строение местности, рельеф территории (густота балочной и речной сети, экспозиция склонов, средний уклон водосбора), лесистость, заболоченность и др.
Д. А. Бураков и др. [6], анализируя роль факторов в формировании речного стока по годам, отмечают, что в районах с глубоким промерзанием почвы наиболее важным фактором является осеннее увлажнение почвы бассейна водосборов. Связи стока весеннего половодья с изменением глубины промерзания почвогрунтов по годам нет.
Н. И. Алексеевский и соавторы [1], характеризуя влияние факторов на формирование речного стока Волги, отмечают, что годовая величина стока в лесной зоне почти линейно связана с количеством осадков за год, в лесостепной зоне эта связь значительно слабее, а в степной зоне (южная часть бассейна Волги) годовой сток в основном зависит от от снегозапасов, то есть от осадков холодного периода.
М. В. Кумани и соавторы [10] на основе анализа связи речного стока с гидрометеорологическими условиями в бассейнах рек Сейм и Тускарь получили уравнение, согласно которому величина стока весеннего половодья прямо пропорциональна запасам воды в снеге и глубине промерзания. С целью прогнозирования наводнений ими установлена связь максимальных расходов стока с общим объемом половодья.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
И. Л. Калюжным и С. А. Лавровым [13] определена роль природных факторов в формировании речного стока в период зимнего и весеннего паводка. Особое внимание уделено роли глубины промерзания и увлажнения почвы. Авторы отмечают, что от глубины промерзания сток весеннего половодья практически не зависит.
Беднорук С. Е. [3] предложил модель циклического изменения притока воды к Волжско-Камскому каскаду водохранилищ, на основе которой разработана методика долгосрочной оценки стока путем подбора и сравнения годов-аналогов по складывающимся гидрометеорологическим условиям.
Подводя итог анализа разных способов расчета стока, следует отметить, что при этом используется либо очень много факторов (свыше десяти), либо один фактор (чаще снегозапасы). Поэтому трактовка результатов и выводы разных авторов сильно различаются и даже бывают противоположны. Это связано с тем, что ими использовались разные методы исследований и подходы к анализу материала, получаемого в результате эксперимента. Имеющаяся в литературе информация по этому вопросу показывает, что современные методы прогноза стока не позволяют дать прогноз формирования стока высокой точности.
Наши исследования в разных природных зонах и анализ данных литературы позволили выявить важнейшие из них, воздействуя на которые, можно его регулировать. Были выявлены закономерности снегоотложения на склонах, характер замерзания, оттаивания и увлажнения почвы, определены главные факторы, влияющие на эти процессы, определена доля каждого из них и дана им количественная оценка. Это позволило определить, на какие факторы и чем нужно воздействовать, чтобы регулировать гидрологический процесс. К природным факторам гидрологического процесса относятся: снегозапасы, промерзание и влажность почвы. К антропогенным факторам относится хозяйственная (в основном сельскохозяйственная) деятельность. На этой основе были рассчитаны и построены кривые обеспеченности стока [2] и вычислены его средние показатели и разной вероятности превышения
Полученные многолетние материалы наблюдений позволили построить теоретические кривые обеспеченности. Показатели стока по природным зонам показывают, что в лесостепи сток образуется на рыхлой пашне 5-6 лет в десятилетие, а на уплотнённой пашне - 7-8 лет из десяти. В степной зоне сток формируется на рыхлой пашне 3-4 года из 10-ти, а в сухостепной - 1-2 года. На уплотнённой пашне эти показатели были 7-8 лет из десяти.
Автором [2-4] были проанализированы многолетние данные связи стока с природными факторами и открыт закон лимитирующих факторов поверхностного стока талых вод, согласно которому склоновый сток зависит только от трех факторов: глубины промерзания, запасов влаги в почве и снегозапасов. При некоторых лимитирующих уровнях любого из этих факторов сток не формируется. Определены максимальные (лимитирующие) значения факторов, при которых сток не образуется (таблица). Лимитирующий уровень для глубины промерзания почвы составляет 50 см, для запасов влаги в слое почвы 0-50 см - от 70 до 120 мм (по зонам), для снегозапасов - объем воды в снеге перед снеготаянием меньше объема свободных пор в слое почвы 0 -30 см [2]. Таким образом, в результате многолетних исследований выявлен генезис гидрологического процесса при уровнях факторов ниже лимитирующих и создана теория его формирования. Для условий, когда факторы стока выше лимитирующего уровня, на основе статистического анализа разработаны математические уравнения расчета стока [2-4] Связь стока с этими факторами описывается следующим уравнением: Y = а+ Ь1х1 + + Ь2х2, где х1 - снегозапасы; х2 - запасы воды в почве. Процесс формирования стока
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
сводится к двухфакторному выражению связи, а по сути процесса - однофакторному, потому что водопоглощение обусловливается влажностью почвы в мерзлом состоянии. Снегозапасы играют пассивную роль, они на формирование стока не влияют, но количество стекающей воды зависит от них, т. е. избыток не поглощенной почвой талой воды стекает. Описание связи стока с факторами этими уравнениями при расчетах дает неплохую сходимость с экспериментальными данными, но репрезентативность их недостаточна. Требуется разработать теоретическую базу формирования стока на основе генетического подхода, то есть знания генезиса процесса формирования стока. Для этого надо знать закономерности впитывания в мерзлую почву снеговой воды. Для понимания генезиса процесса и разработки теории формирования стока необходимо исследование процесса инфильтрации влаги в мерзлую почву с позиций теплообмена между впитывающей талой водой и мерзлой почвой. Теоретически этот процесс слабо проработан и в литературе бывает разная его трактовка.
Таблица - Влияние уровня природных факторов на формирование стока
Table - The influence of the level of natural factors on the formation of runoff
Природные факторы Natural factors Характер формирования стока / The nature of the formation runoff
глубина промерзания почвы, см / soil freezing depth, cm влагозапасы в слое почвы 0-50 см, мм / moisture reserves in the soil layer 0-50 cm, mm запасы воды в снеге, мм /water reserves in snow, mm
Менее 50 / Less than 50 Любые /Any Любые /Any Стока нет /No drain
Более 50 / Over 50 Менее 70-120 (по зонам) /Less than 70120 (by zones) Любые /Any Стока нет/ No drain
Более 70-120 (по зонам) / More than 70-120 (by zones) Меньше объема свободных пор в слое 030 см /Less volume of free pores in the layer 030 cm Стока нет/ No drain
Больше объема свободных пор в слое 030 см / More free pore volume in 0-30 cm layer Сток есть, объем его связан с запасами воды в снеге и почве/There is a runoff, its volume is related to the water reserves in the snow and soil
Ряд ученых наиболее близко подошли к оценке процесса инфильтрации влаги в мерзлую почву с этих позиций. И. Л. Калюжный, С. А. Лавров [12] разработали концепцию формирования в мерзлой почве водонепроницаемого (запирающего) слоя, который формируется при определенном соотношении температуры и влажности почвы. Представляет интерес, хотя и не совсем обоснованный, тезис о том, что в почву может впитаться количество воды, равное объему свободных пор в запирающем слое и во всех слоях, расположенных выше него. Е. А. Гаршинёв (Гаршинев Е.А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация: Теория и модели. Волгоград: ВНИАЛМИ, 1999. 196 с.) наиболее глубоко проанализировал этот процесс и сформулировал концепцию «ледяного экрана», суть которого состоит в том, что при поступлении воды в мерзлую почву верхний слой ее оттаивает и на границе между талым и мерзлым слоями образуется водонепроницаемая ледяная прослойка и впитывание влаги превращается в процесс «термоинфильтрации». Концепция ледяного экрана подтверждается и в исследованиях А. А. Танасиенко и др. [20],
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
в Западной Сибири. Они отмечают, что на некоторой глубине образуется льдистый экран, который препятствует продвижению талой воды в почву. Он образуется при условии наличия в почве влаги свыше наименьшей влагоемкости.
Концепции о «запирающем слое» и «ледяном экране» сыграли важную роль в понимании процесса инфильтрации в мерзлую почву талой воды. Однако есть большие различия в понимании и трактовке их значения в образовании стока. Поэтому есть необходимость разработки теории формирования стока на генетической основе.
Нами установлено, что почва как саморегулирующая система может поглотить такое количество воды, которое по объему равно полной влагоемкости оттаявшего верхнего слоя небольшой мощности. Иначе говоря, водопоглощение в мерзлую почву происходит в самом верхнем слое, мощность которого по нашим многолетним экспериментальным данным составляет в разные годы и в разных зонах не более 30 см и колеблется от 3 до 30 см (в среднем 15-25 см). Таким образом, водопоглощение мерзлой почвой происходит в самом верхнем слое, который увлажняется до полной влагоемкости. Известно, что полная влагоемкость равна общей порозности, которая обусловливает объем водопоглощения. В этом слое вмещается количество воды, равное объему свободных пор, который равен разности между общей порозностью и запасами влаги в этом слое.
Схематично процесс впитывания можно описать следующим образом. Перед снеготаянием в почве часть пор занято водой, а другая часть свободна. В эти свободные поры при снеготаянии поступает талая вода и почва оттаивает. На границе с мерзлой почвой образуется ледяная прослойка (ледяной экран). При дальнейшем снеготаянии и поступлении воды в почву этот экран опускается вниз. Ниже ледяного экрана вода не поступает. Свободные поры над ним полностью заполняются водой. Объем воды в слое над ледяным экраном равен объему свободных пор в этом слое.
Таким образом, объем весеннего склонового стока зависит от общего объема пор в слое почвы 0-30 см, ее влажности и снегозапасов. Иными словами, величина во-допоглощения зависит от объема свободных пор в этом слое. В случае когда запасы воды в снеге больше этого объема, лишняя вода стекает.
На этой основе нами разработан новый способ прогнозирования поверхностного (склонового) стока (У). Алгоритм расчета стока следующий. Объем его обусловливается запасами воды в снеге и емкостью свободных пор (Рф) в верхнем слое почвы и рассчитывается по уравнению: У = Жц - У^. Емкость свободных пор У<р равна разнице между общей порозностью (Рф) и запасами воды в почве (Жп): У^ = У\р - Жп. Величина стока рассчитывается по уравнению: У = Жц - (Vф- Жп). Общая порозность рассчитывается по удельной (й) и объемной массе почвы по уравнению: Уф = — ^ * 100
Общее уравнение расчета стока следующее:
у = — [(1 — у) * 100] *к*10 — Шп,
где У - величина стока, мм; Ws - запасы воды в снеге, мм; Wn - запасы воды в почве, мм; h -мощность почвенного слоя, м; dv- объемная масса почвы, г/см3; d - удельная масса почвы, г/см3
Таким образом, для расчета величины стока необходимо знать запасы воды в снеге и объем свободных пор в слое почвы 0-30 см, который определяется по разнице между общей порозностью и запасами воды в этом слое почвы.
Выводы. В результате исследования процесса впитывания талой воды в мерзлую почву и обобщения данных литературы по этому вопросу разработана методика высокоточного его прогнозирования. Эти знания позволили по-новому подойти к оценке гидрологического процесса и сделать заключение о том, что при разработке приемов
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
регулирования его и оценке их роли надо учитывать, как они воздействуют на главные факторы стока: промерзание почвы, ее влажность и снегозапасы. Согласно закону лимитирующих факторов при некотором минимальном их уровне сток не образуется. При величине факторов больше лимитирующих сток образуется при любых метеорологических условиях. Процесс формирования стока сводится к двухфакторному уравнению связи, а по сути процесса - однофакторному, потому что инфильтрация почвы обусловливается ее влажностью в мерзлом состоянии. Запасы воды в снеге играют пассивную роль, они на формирование стока не влияют, но объем стока зависит от них, т. е. стекает непоглощенная часть снеговой воды. Нами установлено, что поглощение воды обусловливается верхним слоем почвы, мощность которого по многолетним экспериментальным данным составляет не более 30 см с колебаниями в разных зонах по годам от 3 до 30 см (в среднем 15-25 см).. В этом слое впитывается количество воды соответствующее объему свободных пор, который равен разности между общей порозностью и запасами влаги в почве. Общая порозность рассчитывается по объемной и удельной массе почвы. Итак, для расчета величины стока необходимо знать объем свободных пор в слое почвы 0-30 см и запасы воды в снеге перед снеготаянием.
Эти новые знания позволят по новому подойти к трактовке теории эрозионно-гидрологического процесса и значительно повысить точность прогноза склонового и речного стока весеннего половодья.
Библиографический список
1. Алексеевский Н. И., Юмина Н. М. Многолетние изменения максимальных уровней воды на Нижнем Амуре // Водные ресурсы. 2018. № 1. С. 3-14.
2. Барабанов А. Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие. Волгоград: ФНЦ агроэкологии РАН, 2017. 188 с.
3. Барабанов А. Т. Эрозионно-гидрологический процесс как фактор рельефообразова-ния // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 2 (54). С. 76-82.
4. Барабанов А. Т. Закономерности формирования поверхностного стока талых вод с пахотных земель разных типов в лесостепной и степной части бассейнов Дона и Волги // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 6. С. 710-718.
5. Беднорук С. Е. Альтернативная оценка характера изменения водности бассейна р. Волги и притока воды в водохранилища Волжско-Камского каскада // Природообустройство. 2017. № 1. С. 14-23.
6. Бураков Д. А., Волковская Н. П., Иванова О. И. Автоматизированная методика краткосрочных прогнозов уровней воды в бассейне Средней Оби и Иртыша // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2019. № 2. С. 129-143.
7. Водные ресурсы бассейна р. Дон в условиях климатических изменений / М. В. Бол-гов, И. А. Филиппова, Е. А. Коробкина, А. В. Зайцева, М. А. Харламов // Закономерности формирования и воздействия морских, атмосферных опасных явлений и катастроф на прибрежную зону РФ в условиях глобальных климатических и индустриальных вызовов ("Опасные явления"): матер. международ. науч. конф. Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2019. С. 364-366.
8. Гагаринова О. В., Раздобарин Д. Е. Гидрологический режим реки при изменении ландшафтной структуры водосбора (на примере реки Голоустной) // Известия Иркутского государственного университета. Серрия «Науки о Земле». 2021. Т. 37. С. 17-27.
9. Двинских С. А., Китаев А. Б, Носков В. М. Гидроэкологическая обстановка на Камском Водохранилище в районе г. Добрянки // Географический вестник. 2016. № 2. С. 69-83.
10. Долгосрочный ансамблевый прогноз весеннего притока воды в Чебоксарское водохранилище на основе гидрологической модели: результаты проверочных и оперативных испытаний / С. В. Борщ, А. Н. Гельфан, В. М. Морейдо, Ю. Г. Мотовилов, Ю. А. Симонов // Труды Гидрометцентра России. 2017. Вып. 366. С. 68-86.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
11. Изменение стока снегового половодья на южном макросклоне Русской равнины в период 1930-2014 гг. / Н. И. Коронкевич, А. Г. Георгиади, С. В. Долгов, Е. А. Барабанова, Е. А. Кашутина, И. П. Милюкова // Лед и снег. 2018. Т. 58. № 4. С. 498-506.
12. Калюжный И. Л., Лавров С. А. Механизм влияния глубины промерзания почв речных бассейнов на зимний сток // Водные ресурсы. 2017. № 4. С. 442-451.
13. Комиссаров М. А., Габбасова И. М. Эрозия почв при снеготаянии на пологих склонах в Южном Предуралье // Почвоведение. 2014. № 6. С. 734-743.
14. Коробкина Е. А., Филиппова И. А, Харламов М. А. Оценка стока в бассейне р. Дон: необходимость смены парадигмы гидрологических расчетов // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 6. С. 663-673.
15. Кумани М. В., Шульгина Д. В., Киселёв В. В. Многолетняя динамика основных элементов стока рек в пределах Центрального Черноземья // Региональные геосистемы. 2021. № 4. С. 617-631.
16. Методология расчётов водного и водохозяйственного балансов для некоторых водных объектов республики Татарстан / О. Н. Урбанова, А. Т. Горшкова, Д. А. Семанов, Ю. В. Мутыгул-лина, Н. В. Бортникова // Российский журнал прикладной экологии. 2020. № 2. С. 36-41.
17. Панов В. И. Оптимизация соотношения основных ландшафтных угодий (кластеров) в бассейновом агроэколандшафте степного засушливого пояса России // Научно-агрономический журнал. 2021. № 2. С. 6-17.
18. Полуэктов Е. В., Сухомлинова Н. Б. Особенности адаптивно-ландшафной организации территории водосборного бассейна в современных условиях // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2020. № 1. С. 1-16.
19. Прогноз притока воды к цимлянскому водохранилищу в период половодья в современных климатических условиях: проблемы и воспроизводимость / Н. А. Варенцова, М. Б. Ки-реева, Н. Л. Фролова, М. А. Харламова, В. П. Илич, А. А. Сазонов // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 6. С. 694-709.
20. Танасиенко А. А., Чумбаев А. С., Якутина О. П. Оценка глубины промерзания чернозёмов на юге Западной Сибири // Метеорология и гидрология. 2018. № 2. С. 90-96.
21. Lawson G., Dupraz C., Watts J. Cac Silvoarable Systems Maintain Yield, Resilience, and Diversity in the Face of Changing Environments? // Agroecosystem Diversity: Reconciling Contemporary Agriculture and Environmental Quality. Elsevier Inc 2019. Р. 145-168. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811050-8.00009-1.
Информация об авторе
Барабанов Анатолий Тимофеевич, главный научный сотрудник - заведующий лабораторией защиты почв от эрозии ФНЦ агроэкологии РАН (РФ, 400062, г. Волгоград, пр-т Университетский, 97), доктор сельскохозяйственных наук, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-9945-654X barabanova@vfanc.ru тел. 8-961-694-08-44.
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-03 THE INFLUENCE OF THE BASIC AGRICULTURAL PRACTICES ON THE FORMATION OF PRODUCTIVE GRASS STANDS OF FESCOW REED ON IRRIGATED LAND OF THE VOLGA-DON INTERFLUVE
T. N. Dronova, N. I. Burtseva, I. P. Ivina
Federal State Budget Scientific Institution «All-Russian Research Institute of Irrigated Agriculture», Volgograd
Received 10.09.2022 Submitted 11.10.2022
Abstract
Introduction. Perennial grasses serve as a source of feed for farm animals, ensure the accumulation of organic matter in the soil, protect it from all types of erosion, provide subsequent crops in crop rotations with available nutrients, thereby increasing their productivity. Cane fescue has a high and stable productivity for a long time, it is a good component in long-term grass mixtures. Object. The object of research was the reed fescue (Festuca arundinacea Schreb.) of the Sura variety, an unconventional crop for the Volga-Don
