CC BY
186
Закономерности формирования поверхностного стока талых вод, его прогноз и регулирование
А. Т. Барабанов, д.с.-х.н.,
ВНИИ агролесомелиорации РАСХН
Объекты и методы исследования. Объектами исследований являются процессы формирования поверхностного стока талых вод на сельскохозяйственных угодьях в различных природных зонах: лесостепи, степи, сухой степи и полупустыне.
Исследования и анализ полученного материала осуществляли с использованием статистических, генетических методов системного подхода. При этом применяли метод воднобалансовых (стоковых) площадок (полевых, лесных, комбинированных) и малых водосборов, являющийся ведущим в противоэрозионной мелиорации.
В опытах определяли метеорологические показатели, количество снегозапасов, темпера-
туру, влажность, объёмную массу, глубину промерзания и оттаивания, уровень смыва почвы, величину стока талых вод и урожая сельскохозяйственных культур.
Результаты исследования. В настоящее время проблема регулирования поверхностного стока, пропуска чрезвычайных паводков очень актуальна для нашей страны. Она затрагивает интересы многих отраслей народного хозяйства: сельского, водного, рыбного, коммунального, энергетики и др.
Сейчас в стране нет надёжной методики прогноза поверхностного стока талых вод. Поэтому он часто бывает ошибочным. Руководители различных отраслей экономики при планировании своей работы допускают грубые ошибки, которые обходятся очень дорого, особенно когда прогнозируется большой сток, а на самом деле он отсутствует или бывает незначительным.
Огромный ущерб стране наносится и в том случае, когда прогнозируется незначительный сток, а он бывает большим и даже катастрофическим, приводящим к наводнениям, разрушениям, гибели людей и животных. Ошибочный прогноз нарушает режим стока рек. Например, большой зимний сброс воды из водохранилищ, а в связи с этим малый период паводка весной на Нижней Волге, нарушает условия нереста рыбы. Большое количество икры, в том числе ценных осетровых пород, погибает, оставаясь в пойме на кустах, деревьях и траве. Очень крупные ошибки в прогнозах могут привести к экологической катастрофе. Такова цена ошибочного прогноза.
Во ВНИАЛМИ свыше 50 лет изучают закономерности формирования поверхностного стока с целью его регулирования и разработки мероприятий по борьбе с эрозией почв [1, 2]. В результате детального анализа природных и антропогенных факторов, влияющих на формирование стока талых вод, выявлены наиболее существенные: снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы.
На основе обобщения и анализа многолетних собственных и литературных данных, характеризующих связь слоя стока талых вод на зяби и уплотнённой пашне (многолетние травы, озимые и др.) с природными факторами [3, 4], нами сформулирован и апробирован закон лимитирующих факторов эрозионно-гидрологического процесса (ЭГП). Суть его заключается в том, что при некотором (лимитирующем) значении одного из них сток не формируется независимо от уровня других. Определены максимальные значения факторов, при которых сток не формируется. На юге Центрального района нечернозёмной зоны (ЦРНЗ), в Центральной чернозёмной области (ЦЧО) и Поволжье, если почва талая или промёрзла на глубину не более 30—50 см, стока
не бывает независимо от уровня её увлажнения и снегозапасов. Дальнейшее увеличение глубины промерзания почвы выше лимитирующего уровня не влияет на величину стока, т.е. при любой глубине промерзания выше лимитирующей он формируется одинаковый при одинаковых уровнях других факторов. Решающее влияние на него в этом случае оказывают влагозапасы в почве и снеге. При увлажнении верхнего (0—50 см) слоя почвы до уровня менее 120—130 мм на юге ЦРНЗ и 70—95 мм в Нижнем Поволжье сток не формируется независимо от глубины промерзания почвы и снегозапасов, т.е. в данном случае лимитирующим фактором является увлажнение почвы.
Дана количественная оценка влияния на сток (у) увлажнения почвы (х1) и снегозапасов (х2) при уровнях факторов выше лимитирующих. Аналитически оно выражается уравнениями типа:
у = а + вх + в2Х2. (1)
Установлено также, что верхний слой почвы в гидрологическом отношении является саморегулирующейся системой. Он способен поглотить и удержать определённое количество воды, максимальная величина которого в мёрзлом состоянии может достигать полной влагоёмкости верхнего слоя. Дефицит влаги (разница между полной влагоёмкостью Жпв и фактическими влагозапасами Жф) обусловливает величину водопоглощения. Слой стока у зависит от дефицита влаги в почве А Ж и снегозапасов перед снеготаянием Жс. В общем виде уравнение можно записать так:
у = Ж - (Жпв - Жф) = Жс - АЖ (2)
Опираясь на выявленные закономерности и связи, был разработан и апробирован метод прогноза стока с сельскохозяйственной территории [5-7]. Для этого используется уравнение:
г = Х(У .„Л,)/£«.,,. (3)
1 1
где У - слой стока с сельскохозяйственных угодий (мм);
Уа1 - слой стока с /-ого агрофона (зябь, уплотнённая пашня, кормовые угодья гидрографической сети и т.д.), который определяется по уравнениям связи стока с природными факторами (мм);
8а1 - соответственно площадь этих агрофонов.
Метод прогноза стока получил многолетнюю апробацию в разных природных зонах. Он позволяет с высокой точностью (80-100%) прогнозировать сток талых вод с сельскохозяйственных угодий.
Установлены закономерности влияния стокорегулирующих лесных полос на ведущие при-
родные факторы ЭГП [8, 9]. Главными из них, посредством которых лесные полосы оказывают сильное воздействие на глубину промерзания, увлажнение почвы и ЭГП, являются снего-запасы и характер снегоотложения. Снегозапасы в системе лесополос по сравнению с открытым полем увеличиваются в 1,5-3 раза.
Раннее накопление снега до наступления морозов или одновременно с ними в лесных полосах и шлейфах способствует предохранению почвы от промерзания, что обусловливает сохранение впитывающей способности почвы на высоком уровне и сокращение стока. Почва бывает талой или промерзает до 30-50 см в лесополосах Западной Сибири и на юге ЦРНЗ
7-8 лет из десяти, а в Нижнем Поволжье -
8-10 лет в десятилетие. В открытом поле эти показатели следующие: в Западной Сибири -один год в 30-летие, на юге ЦРНЗ - 3-4 года и в Нижнем Поволжье - 4-5 лет в десятилетие.
Агротехнические приемы в стокорегулирующем и противоэрозионном отношении малоэффективны, так как они почти не влияют на природные факторы стока.
Знание закона лимитирующих факторов позволило нам разработать новые способы регулирования снегоотложения с целью управления ЭГП. Для условий, где возможно относительно равномерное распределение снега, предлагается следующий способ (патент № 1799234). На склоне создаётся система лесных полос с изменяющейся ветропроницаемостью (уменьшающейся сверху вниз по склону) - от продуваемой до плотной конструкции [10]. В межшлейфовых участках межполосных пространств (кроме продуваемых лесополос) высеваются кулисы из высокостебельных сельскохозяйственных растений. При применении этого способа весь выпавший снег откладывается на полях относительно равномерно с увеличением мощности его сверху вниз, что обусловливает постепенное стаивание его в этом же направлении и снижение смыва.
В районах, где на склонах у стокорегулирующих лесных полос образуются снежные шлейфы, предлагается применять другой способ (а.с. 1404000) защиты почв от эрозии [11]. Заключается он в создании на водосборе системы лесных полос и крупнополосном размещении сельскохозяйственных культур. Вблизи лесных полос, в зонах отложения снежных шлейфов, высевают яровые культуры, под которые требуется вспашка зяби, или размещают чистые пары, а в межшлейфовых частях межполосного пространства - многолетние травы, стерневые и другие мульчирующие агрофоны. При этом в процессе таяния снега в первую очередь освобождается от него средняя часть межполосного пространства. Талая вода, поступая из снежного шлейфа, примыкающего к нижней опушке
вышележащей лесополосы, на почвозащитную полосу, не производит на ней смыва совсем или он резко уменьшается. Пройдя через эту полосу, вода поступает на участок с отвальной зябью в зону снежного шлейфа, образованного нижележащей лесополосой. Здесь под снегом она также не производит смыва. Всё это обеспечивает снижение смыва в два-три раза, а в ряде случаев может предотвратить его полностью.
С целью регулирования снегоотложения, обеспечивающего предохранение почвы от промерзания, повышение снегозапасов в поле, увеличение водопроницаемости почв, уменьшение стока и эрозии, разработан новый способ (патент № 2248116), который заключается в создании на водосборе системы стокорегулирующих лесополос из двух-трёх рядов деревьев и одного ряда низкорослых кустарников [12]. При этом формируют продуваемость их по профилю: в нижней части (до 0,3—0,5 м от поверхности земли) лесополоса должна быть плотная (до 10% просветов и 25—30% ветропроницаемость), в средней (до 1,5—2 м) — продуваемая (свыше 60% просветов и более 70% ветропроницаемость) и в верхней (выше 2 м) — ажурная или плотная (до 15—35% просветов и 25—75% ветропроницаемость). Плотную нижнюю часть лесополос создают методом подбора низкорослого кустарника при посадке или подрезки высокорослого кустарника до необходимой высоты в существующих лесополосах. Продуваемую часть профиля лесополосы формируют подбором пород без сучьев или с небольшим их количеством на высоте до 2 м при посадке или обрезкой сучьев на деревьях в существующих лесополосах. В качестве низкорослого кустарника можно использовать разные виды жимолости, боярышника, кизильника, кустарниковой вишни, японскую айву, ежевику, бобовник, спирею и др.
В результате лесополоса комбинированной конструкции наиболее оптимально распределяет снег на водосборе. В самой лесополосе он откладывается мощностью 50 см (до высоты кустарника), необходимой для предотвращения почвы от промерзания, а остальной снег распределяется по полю, что способствует повышенному её увлажнению.
Выводы. Установленные закономерности формирования поверхностного стока талых вод позволили открыть закон лимитирующих факторов эрозионно-гидрологического процесса. На его основании разработана методика высокоточного (80—100%) прогноза стока. На основе выявленных закономерностей влияния стокорегулирующих лесополос на ведущие природные факторы стока (снегозапасы, глубину промерзания и влажность почвы) определены новые способы регулирования снегоотложения с целью предотвращения промерзания почвы
и управления эрозионно-гидрологическими процессами.
Лесомелиоративные мероприятия, воздействуя на природные факторы, сильно влияют на ЭГП. Знание закономерностей их взаимодействия и влияния на сток и смыв позволяет управлять этими процессами.
Литература
1. Барабанов А.Т. Агролесомелиорация в почвозащитном земледелии. Волгоград, 1993. 156 с.
2. Барабанов А.Т. Взаимодействие природных и антропогенных факторов эрозионно-гидрологического процесса //Доклады РАСХН. 1997. № 3. С. 43-44.
3. Барабанов А.Т. Закон лимитирующих факторов стока талых вод // Доклады РАСХН. 1994.'№ 6.
4. Barabanov. А.Т. Rule of limiting factors of snowmelt flow. Proceedinge of an // International workshop on soil Erosion. Purdue University Publ. West Lafayette, Indiana, 1994. P. 163-170.
5. Барабанов A.T., Ломакин М.М. Прогноз стока талых вод // Вестник сельскохозяйственной науки. 1989. №9. С. 133—135.
6. Способ прогнозирования поверхностного стока талых вод: пат. № 2347222 Рос. Федерация / А.Т. Барабанов, ЕЛ. Гар-шинев, К.Н. Кулик; заявл. 24.07.2006 г., опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5.
7. Барабанов А.Т. (и др.) Характер снегоотложения и промерзания почвы в лесоаграрных ландшафтах Нижнего Поволжья // Аграрный вестник Урала. 2007. № 2 (38). С. 53—56.
8. Барабанов А.Т., Свинцов И.П. Прогнозирование поверхностного стока талых вод // Мелиорация и водное хозяйство. 2006. № 6.
9. Барабанов А.Т., Гаршинев Е.А. Контурная организация территории и лесомелиорация // Земледелие. 1993. № 7. С, 9-10.
10. Способ защиты почв от эрозии: пат. № 1794234. А01 В79/02, А 01 С 23/00, А 01 В 13/16. / А.Т. Барабанов, Е.А. Гаршинев; заявл.; опубл. 1993. Бюл. № 8.
11.А.С. 1404000(51)4 А 01 В. Способ защиты почв от водной эрозии на склонах / А.Т. Барабанов, Е.А. Гаршинев, А.И. Крупчатников, М.К. Пружин. № 4092884/30-15; заявл.; опубл. 1988. Бюл. № 23. С. 4.
12. Способ регулирования снегоотложения дня защиты почв от эрозии на склонах: пат. 2248116 РФ МКИ / А.Т. Барабанов, Е.А. Гаршинев, М.М. Кочкарь; заявл. 21.07.03; опубл. 20.03.05, Бюл. № 8.
