Обоснование водных мелиораций агроландшафтов (на примере Московской области)

Площадь мелиорированных земель в Московской области, по данным департамента мелиорации МСХ РФ, в недалеком прошлом составляла более 407 тыс. га, из них осушаемых - более 263 тыс. га, орошаемых - более 143 тыс. га. В среднем по области мелиорировалось около 23 % сельскохозяйственных угодий. С середины 1990-х годов новое мелиоративное строительство в области было практически прекращено. Анализ картосхем расположения осушаемых и орошаемых земель Московской области, составленных объединением «Мосмелиорация» по состоянию на 01.01.1997 г. показывает, что территориальное размещение мелиорированных земель в Московской области, в целом, было правильным. Наибольшее количество осушаемых сельскохозяйственных земель было сосредоточено в северо-западных физико-географических районах и в Мещерской физико-географической провинции. В южных физико-географических районах осушаются, в основном, пойменные земли рек Москвы и Оки. Наибольшее количество орошаемых земель сосредоточено в южных физико-географических районах. В северных физико-географических районах орошаются, в основном, осушенные пойменные земли рек Сестры, Яхромы и Дубны.

Глава 3. Разработка математической модели для прогнозирования передвижения влаги в ландшафтах

В третьей главе представлены вопросы разработки двумерной математической модели для расчета процесса передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен.

Для более полного учета свойств компонентов ландшафтов и ландшафтообразующих факторов необходима разработка более совершенных методов расчета водного режима почв и грунтов природных и антропогенных ландшафтов, наиболее полно учитывающих факторы, влияющие на процесс перераспределения подземных вод. Перспективными в этом отношении являются методы моделирования передвижения влаги в почвах и грунтах, основанные на теории массопереноса в ненасыщенных и насыщенных пористых средах. Они характеризуются возможностью более адекватного отображения реальных условий поступления и перераспределения влаги в почвах. В основе этих методов лежат аналитические или численные решения дифференциальных уравнений влагопереноса, полученных на основе изучения состояния и передвижения почвенной влаги.

Возрастающие требования к точности прогноза водного режима агроландшафтов и выбора мелиоративных режимов вызывают необходимость количественную оценку процесса передвижения влаги выполнять с помощью двумерных математических моделей нестационарного влагопереноса. В связи с сильной нелинейностью двумерные дифференциальные уравнения влагопереноса не имеют в настоящее время точных аналитических решений и решаются, как правило, численными методами с использованием вычислительной техники. Анализ имеющихся математических моделей и алгоритмов показал необходимость их дальнейшего развития и приспособления к особенностям решаемых задач. В расчетах необходимо учитывать рельеф поверхности земли природных и антропогенных ландшафтов, климатические характеристики, испарение и отбор влаги растительным покровом, переменную мощность корнеобитаемой зоны растений, природную и привнесенную человеком слоистость и неоднородность свойств почвы и подстилающих горизонтов, влияние мелиоративных и агромелиоративных мероприятий, водообмен с нижележащими горизонтами.

Основное дифференциальное уравнение, описывающее движение воды в двумерной области можно записать следующим образом:

, (3)

где Н - полный напор почвенной влаги; CW - коэффициент дифференциальной влагоемкости; KWx, KWy коэффициенты влагопроводности почвы в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно; е(x,y,t) - интенсивность отбора влаги корнями растений; W- объемная влажность почвы; х, у - пространственные координаты; t - время.

Рассматриваемая двумерная область

Щ {(x,y): x[0, B], y[0, L]}

слева ограничена осью OY, справа - осью симметрии, проходящей через середину элювиального элементарного ландшафта. Сверху область ограничена осью OX, совпадающей с поверхностью земли, снизу - линией, совпадающей с границей подстилающего пласта (как частный случай - водоупора). Для учета рельефа поверхности земли выполнялось преобразование координат центров блоков расчетной схемы.

Для полного математического описания решаемой задачи кроме уравнения процесса задавались условия однозначности (начальные и граничные условия, распределение параметров), выделяющие конкретную задачу из рассматриваемого процесса. Начальным условием при решении исходного уравнения является распределение почвенной влажности или полного напора.

Граничные условия на поверхности земли могут быть различными в зависимости от физической постановки задачи. При поливе, выпадении осадков без образования слоя воды и наличии испарения задается поток влаги через поверхность почвы - граничное условие 2-го рода. При выпадении больших дождей или при поливе может создаваться слой воды, и на поверхности почвы задается граничное условие 1-го рода. На нижней границе рассматриваемой области возможно несколько видов граничных условий 2-го рода. В случае если нижней границей является водоупор, поток через нижнюю границу задается равным нулю. Более общим является случай, когда существует поток через нижнюю границу, вызванный дренирующим действием более глубокой гидрографической сети или наличием напорного подпитывания. На правой границе горизонтальный поток влаги принимается равным нулю - граничное условие 2-го рода. На левой границе при задании граничных условий выделяли три зоны. От поверхности земли до уровня воды в водном объекте горизонтальный поток принимался равным нулю - граничное условие 2-го рода. На отрезке, равном слою воды в водном объекте могут задаваться граничные условия 1-го или 2-го рода. На отрезке, равном расстоянию от дна водного объекта до нижней границы рассматриваемой области, горизонтальный поток принимался равным нулю - граничное условие 2-го рода.

Для аппроксимации зависимости влажности почвы от капиллярного напора была использована формула следующего вида (Голованов А.И., Ведерников В.В., Зейлигер А.М.)

, (4)

где W - объемная влажность почвы; Ш - капиллярный напор; Wм - максимальная гигроскопичность; т - пористость почвы; В, п - безразмерные эмпирические коэффициенты.

Важной гидрофизической характеристикой почв является зависимость коэффициента влагопроводности от объемной влажности почвы. В разработанной двумерной математической модели влагопереноса была использована следующая формула (Аверьянов С.Ф., Голованов А.И.)

, (5)

где kw - коэффициент влагопроводности почвы; k - коэффициент фильтрации почвы; n - показатель степени.

Рассматриваемое двумерное уравнение влагопереноса относится к нелинейным параболическим уравнениям в частных производных с параметрами, зависящими от искомой функции и со сложными начальными и изменяющимися во времени граничными условиями, учет которых является необходимым при описании специфических особенностей формирования водного режима мелиорируемых агроландшафтов. Аналитических решений этого уравнения в описанной выше постановке в настоящее время нет, решить его можно численными методами с использованием вычислительной техники. Для решения данного уравнения нами был использован метод конечных разностей и составлена разностная схема, описывающая данное дифференциальное уравнение.

Для этого область непрерывного изменения аргумента была заменена областью дискретного его изменения и дифференциальные операторы были заменены конечно-разностными операторами, то есть была осуществлена аппроксимация пространства решений дифференциального уравнения пространством сеточных функций.

Уравнение представлялось в конечно-разностной форме по неявной схеме и записывалось в следующем виде:



(6)

i = 1, 2...N; k = I, 2 ... M; j = 0, 1, 2 ...G

где i,k,j - номера шагов по вертикальной, горизонтальной и временной координате соответственно; N,M,G - общее число шагов сетки по вертикальной, горизонтальной и временной координате соответственно; hI - величина i-го шага пространственной сетки по вертикальной координате; bk - величина k-го шага пространственной сетки по горизонтальной координате; Hi,kJ ; Hi,kJ+1 - напоры в центре блока с координатами ( i, k ) на моменты времени j и j+1 соответственно; cj+1/2i,k - коэффициент влагоемкости блока с координатами (i,k) на момент времени j+1/2; Rx,j+1/2i,k - сопротивление передвижению влаги из блока с координатами (i, k) в блок с координатами ( i + 1, k ) в момент времени j+ 1/2 ; Ry,j+1/2i,k - сопротивление передвижению влаги из блока с координатами ( i , k ) в блок с координатами ( i , k+1 ) в момент времени J+ 1/2 ; еji,к - средняя удельная интенсивность массоизменения влаги (отбора корнями растений) за время л tj в блоке с координатами ( i , k ).

Сопротивления передвижению влаги из блока в блок определялись следующим образом:

(7)

(8)

где Kj+1/2wi,k - коэффициент влагопроводности блока с координатами (i,к) при влажности Wj+1/2i,k .

Конечно-разностное уравнение (6) решалось методом переменных направлений со средней аппроксимацией коэффициентов, для чего оно заменялось следующей системой:

Для расчетов по каждому направлению был использован метод прогонки, для чего система уравнений приводилась к следующему виду:

где

При прямой прогонке определялись прогоночные коэффициенты по рекуррентным формулам

При обратной прогонке определялись сеточные функции, то есть напоры в узлах сетки

Прогоночные коэффициенты и напоры в крайних блоках находились из граничных условий.

Таким образом, в результате решения двумерного уравнения с помощью приведенного алгоритма на любой момент времени рассчитывается распределение напоров в пространстве ландшафтной катены. С помощью зависимости (4) осуществлялся переход от напоров к влажностям, и вычислялось распределение влажности почвы по глубине и по ширине двумерной области.

При расчете коэффициентов влагоемкости и сопротивлений использовался метод итераций на каждом интервале временного шага. Итерации прекращались после выполнения следующего условия сходимости

(13)

где Нi,к - напор в блоке с координатами (i,k); - заданная погрешность вычислений; S = 0, 1, 2 ... N - номер итерации.

Для повышения точности расчетов в численном алгоритме использовался переменный шаг по пространственным координатам.

Для расчетов с помощью приведенного алгоритма нами была разработана программа на алгоритмическом языке Фортран. Программа не предъявляет специальных требований к операционной системе и может быть реализована на персональном компьютере с процессором типа Р-4, и имеющем объем оперативной памяти порядка 512 Мб.

На основе разработанного метода расчета передвижения влаги в элементарных ландшафтах пространства ландшафтной катены можно решать многоцелевые практические задачи, и в частности:

1. Рассчитывать динамику напоров, влажностей, влагозапасов и уровней грунтовых вод в пространстве элементарных ландшафтов ландшафтной катены в естественных условиях.

2. Рассчитывать все составляющие водного баланса элементарных ландшафтов и всей ландшафтной катены в целом: эффективные осадки, эвапотранспирация, водообмен между элементарными ландшафтами (приток и отток воды), а также между ландшафтной катеной и водным объектом.

3. Рассчитывать водообмен между почвенным слоем и нижележащими горизонтами.

4. Производить количественную оценку влияния мелиоративных мероприятий (орошение, осушение) и агромелиоративных мероприятий на функционирование агроландшафтов.

5. Рассчитывать оптимальные мелиоративные режимы и параметры мелиоративных воздействий (орошение, осушение) в агроландшафтах для проектируемых мелиоративных систем.

Для прогнозирования влияния мелиоративных мероприятий, таких как орошение и осушение, на функционирование агроландшафтов в методике был предусмотрен блок расчета продуктивности агрофитоценозов по апробированной для территории страны модели продуктивности Шабанова В.В.

Глава 4. Экспериментальная проверка математической модели передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен

В четвертой главе представлены результаты экспериментальной проверки разработанной двумерной математической модели для расчета процесса передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен.

Количественная оценка правильности расчетов по математической модели в первую очередь выполнялась путем вычисления невязки баланса влаги во всей рассматриваемой области (ландшафтной катене) и в подобластях (элементарных ландшафтах ландшафтных катен: супераквальном, трансаккумулятивном, трансэлювиальном, элювиальном) на каждом временном шаге. Программа расчетов составлена таким образом, что за каждый расчетный промежуток времени вычисляются все составляющие водного баланса для всей рассматриваемой двумерной области и ее подобластей, и рассчитывается невязка водного баланса. Уравнение водного баланса для всей рассматриваемой двумерной области (ландшафтной катены) имеет вид:

Oc - ef - ek - D - R + G + m - ?W = 0 , (14)

где Ос - количество выпавших осадков; ef и eK - величина физического испарения и транспирации соответственно; D - величина дренажного стока; R - отток воды в водный объект (реку); G - величина водообмена, вызванного напорным питанием; т - количество поливной воды; ?W - изменение влагозапасов за расчетный период.

Соблюдение материального баланса в двумерной области может служить одним из критериев точности расчетов по математической модели влагопереноса. Как показали проведенные вычисления, невязка водного баланса в результате расчетов не превышала 0,001% от исходной величины влагозапасов, что говорит о высокой точности расчетов.

Важным этапом математического моделирования является выполнение проверочных расчетов и сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными. Если совпадение с данными полевых исследований получается достаточно удовлетворительным, это дает основание использовать модель в прикладных инженерных расчетах водного режима мелиорируемых земель, что в свою очередь открывает большие возможности при проектировании инженерно-мелиоративных мероприятий.

Проверка разработанной модели данными экспериментальных исследований проводилась нами в два этапа. На первом этапе было выполнено сравнение результатов расчетов по модели с результатами полевых исследований, выполненных нами на опытном участке МГУП. Эти полевые исследования включали в себя изучение водного режима осушаемых почв по методике локальных полевых исследований, позволяющей получать характеристики водного режима почв и подстилающих грунтов в пределах водосборной площади отдельного регулирующего элемента - дрены.

На втором этапе было выполнено сравнение результатов расчетов по разработанной математической модели с опубликованными результатами полевых исследований водного режима почв ландшафтных катен, выполненных другими исследователями в Московской области.

Передвижение влаги в почвах является пространственным нестационарным процессом, исследование которого с учетом всех воздействующих природных факторов невозможно в лабораторных условиях. В лабораторных экспериментах не представляется возможным воспроизвести естественное сложение и естественную слоистость почв, влияние растительного покрова на расход влаги, водообмен с нижележащими горизонтами, динамику метеорологических характеристик и другие факторы. Поэтому для исследования процесса передвижения влаги в почвах требуется постановка полевых экспериментов, позволяющих изучать процесс в природных условиях с соблюдением естественного масштаба времени и пространства.

В зависимости от хода метеорологических элементов на одном и том же участке эффекты изучаемых в полевом опыте факторов могут сильно колебаться по годам. Для получения достаточно надежных результатов требуется повторение опыта в разных погодно-климатических условиях. Поэтому для проверки разработанной модели мы на первом этапе использовали результаты наших натурных исследований, выполненных в течение нескольких вегетационных периодов (1979...1982 гг.), различавшихся между собой по условиям естественной влагообеспеченности.

Весь комплекс полевых исследований проводился на опытном участке МГУП, расположенном в Калязинском районе Тверской области. Тверская область граничит с Московской областью и по своему экономическому облику и экономическим связям относится к группе центральных областей Российской Федерации. Геологическое строение и геологическая история территории области в основных чертах сходны с геологическим строением и геологической историей соседних областей: Московской, Новгородской, Псковской. В области почти всюду с поверхности залегают отложения четвертичного периода, лежащие под ними коренные породы обнажаются лишь кое-где, преимущественно по берегам рек. В основном почвенный покров области представлен дерново-подзолистыми почвами, которые составляют 95,6% от общей площади пашни. В области распространены различные по степени оподзоленности почвы: слабо-, средне- и сильноподзолистые. Сопоставление величин испаряемости и атмосферных осадков показывает, что Тверская область находится в зоне избыточного увлажнения, однако вегетационные периоды некоторых лет характеризуются недостатком влаги.

Опытный участок имеет плоский рельеф и геоморфологически приурочен к моренной равнине, местами прикрытой маломощным прерывистый слоем песков, которая в этом районе замещает обширное зандровое пространство - Кимрско-Калязинскую зандровую низину. В геологическом строении принимают участие ледниковые отложения Калининского горизонта, перекрытые покровными отложениями. Литологически ледниковые отложения представлены средними и легкими суглинками. В моренной суглинистой толще повсеместно отмечаются включения гравия, гальки и валунов. Водное питание массива, на котором расположен опытный участок, осуществляется за счет выпадения и застаивания атмосферных осадков. Этот тип водного питания характерен для правобережья р. Волги между г. Кимры и г. Калязин, где преобладают верховые болота атмосферного питания, образовавшиеся вследствие близкого залегания водоупорного горизонта при незначительной дренированности плоских междуречий и обширных пойменных террас. Проведенные на опытном участке пьезометрические измерения показали, что на участке отсутствует грунтово-напорное питание.

Для понижения уровня почвенно-грунтовых вод на участке был построен горизонтальный дренаж в виде системы закрытых дрен, впадающих непосредственно в ограждающие открытые каналы. Водоприемником служит ручей, впадающий в реку Сабля. В вертикальной плоскости закрытый дренаж запроектирован из условия обеспечения минимального уклона дрен 0,003. Устройство траншей для дрен осуществлено экскаватором ЭТЦ-202; параметры траншей: ширина по дну - 0,5 м, заложение откосов - 0,0. Дрены выполнены из гончарных трубок с внутренним диаметром 0,05 м, длина дрен составляет в среднем 160 м. Закрытый дренаж построен на опытном участке с несколькими вариантами междренных расстояний. Глубина закладки дрен на вариантах составляет 1,0 м.

Почвы опытного участка относятся к освоенным дерново-среднеподзолистым среднепахотным поверхностно оглеенным почвам, по механическому составу - к легким суглинкам. Анализы механического состава почвы опытного участка проводились с использованием анализатора размеров частиц (седиграфа), который обеспечивает высокую воспроизводимость результатов, что считается критерием объективности данного метода.

Моделирование процессов передвижения почвенной влаги, позволяющее количественно оценить состояние среды обитания растений, требует всестороннего учета водно-физических свойств почвы. Поэтому были проведены лабораторные исследования с целью изучения физических и водно-физических свойств почвы опытного участка.

Плотность почвы определяли радиоизотопным методом при помощи поверхностно-глубинного плотномера ППГР-1, принцип действия которого основан на явлениях ослабления, рассеяния и отражения гамма-излучения почвенной толщей. При определении плотности почвы гамма-плотномером необходимо вводить поправку, учитывающую влияние почвенной влаги на процесс ослабления гамма-излучения. Для этого параллельно с измерениями плотности проводили замеры влажности почвы радиоизотопным поверхностно-глубинным влагомером ВПГР-1.

Плотность твердой фазы почвы опытного участка определялась пикнометрическим методом с применением дистиллированной воды. Значения плотности почвы и плотности твердой фазы использовались для расчета общей пористости почвы. Максимальную гигроскопичность определяли методом Николаева А.В. Максимальную молекулярную влагоемкость почвы опытного участка определяли методом Долгова С.И. Коэффициент фильтрации почвы опытного участка определяли по методу Канараке.

Для того чтобы проводить расчеты водного режима зоны аэрации с помощью математического моделирования необходимо экспериментально определить также две гидрофизические характеристики почвы: зависимость коэффициента влагопроводности от влажности почвы и зависимость капиллярного напора от влажности почвы (основную гидрофизическую характеристику).

С целью получения более представительных данных об основной гидрофизической характеристике почвы опытного участка ее определение было проведено нами несколькими методами: методом капилляриметра; экспресс-методом (Жернов И.Е., Дзекунов Н.Е., Файбишенко Б.А.); методом сенсоров. Это дало возможность более дифференцированно подходить к оценке водоудерживающей способности дерново-подзолистых почв опытного участка при проведении прогнозных расчетов.

Годы проведения наследований значительно различалась между собой по условиям естественной влагообеспеченности. Расчеты показали, что вегетационные периоды в годы проведения исследований имели различные обеспеченности величин климатического дефицита увлажнения, то есть исследованиями были охвачены различные годы - от очень влажного (1980 г.) до среднего (1981 г.).

Влажность почвы является важнейшей характеристикой условий влагообеспеченности сельскохозяйственных культур, правильное определение которой необходимо также для расчета влагозапасов почвы. В основу методики полевых исследований были положены наблюдения за влажностью почвы в течение периодов вегетации при помощи влагомера ВПГР-1 по стационарным скважинам, армированным тонкостенными дюралюминиевыми трубами марки Д1Т с внутренним диаметром 38 мм.

Наблюдения за влажностью почвы проводились по схеме локальных полевых исследований, позволяющей получать характеристики работы отдельной дрены в пределах ее водосборной площади. В 1979...1980 годах сеть наблюдательных скважин охватывала вариант дренажа с междренными расстояниями 24 м. Наблюдательные скважины располагались по створам, перпендикулярным к дренажным линиям, на разном расстоянии от дрен, что позволяло изучать характерные особенности формирования водного режима почвы в междренном пространстве. Схема расположения наблюдательных скважин давала возможность контролировать влажность почвы на расстояниях 1 м от дрены, В/4 и В/2 (где В - междренное расстояние). Замеры влажности почвы проводились с частотой - 1 раз в 5... 10 дней. По вертикальному профилю почвы была принята следующая схема измерений по скважинам: первое измерение выполнялось на глубине 10 см, остальные - через каждые 20 см, а при необходимости - более часто (через 10 см) до глубины 1,0 м. Параллельно с измерениями влажности почвы проводили замеры уровня грунтовых вод по наблюдательным скважинам, расположенным вблизи от скважин для влагометрии.

Для проверки разработанной двумерной математической модели нестационарного влагопереноса было выполнено сопоставление результатов расчетов по разработанной компьютерной программе с результатами полевых наблюдений, выполненных на опытном участке в период 1979...1982 гг. Были использованы данные полевых наблюдений за влажностью почвы и уровнями грунтовых вод, осредненные по шести наблюдательным точкам, расположенным в середине междренья и по шести наблюдательным точкам, расположенным на расстоянии 1 м от дрены. Результаты расчетов по модели положения уровней грунтовых вод и влагозапасов в слое 0,0...0,75 м для варианта с междренным расстоянием 24 м сравнивались с данными полевых наблюдений. Анализ результатов показал достаточно хорошее совпадение рассчитанных характеристик с опытными данными. Максимальное отклонение экспериментальных значений от рассчитанных не превышает для уровня грунтовых вод 10%, для влагозапасов - 5%. Коэффициент корреляции рассчитанных и измеренных значений составляет более 0,97.

Второй этап проверки разработанной математической модели включал сопоставление результатов расчетов с опубликованными результатами полевых исследований водного режима почв ландшафтных катен (Зайдельман Ф.Р., 1969, 1975) на Рузском и Мещерском почвенно-мелиоративных стационарах, расположенных в Московской области. В этих основополагающих работах Зайдельманом Ф.Р. освещен важный вопрос взаимодействия и совместного развития геоморфологических и почвенных процессов, исследован водный режим ландшафтных катен Московской области.

Почвообразующими породами почв Рузского стационара являются тяжелосуглинистые и глинистые лессовидные (покровные) бескарбонатные отложения, подстилаемые на глубине 2…3 м днепровской суглинистой мореной, которая в свою очередь покоится на глинах юры. На литологическом разрезе Рузского стационара были выделены следующие почвы: дерново-подзолистая суглинистая, дерново-подзолистая суглинистая глубокооглеенная, дерново-подзолистая глееватая и дерново-глеевая тяжелосуглинистые почвы (Зайдельман Ф.Р., 1975). Эти почвы расположены соответственно: на вершине холма и склонах с уклонами 2-30, нижней трети склона с уклонами 20, плоском основании склона, в понижении. Таким образом, была дана морфологическая характеристика почв характерных элементарных ландшафтов ландшафтно-геохимической катены: элювиального, трансэлювиального, трансаккумулятивного, супераквального.

Вертикальная расчлененность рельефа составляет 11,0 м, ширина ландшафтного разреза составляет 700 м, средняя мощность почв и подстилающих грунтов (до юрских глин) составляет 18,0 м.

Расчеты по модели значений влагозапасов почвы в слое мощностью 0-70 см и сопоставление результатов с результатами полевых исследований выполнялись для разных участков ландшафтной катены - вершины холма, нижней трети склона, плоского основания склона.

Для проверки разработанной математической модели нами были использованы также опубликованные материалы полевых исследований, проведенных Зайдельманом Ф.Р. на Мещерском почвенно-мелиоративном стационаре, расположенном в Московской области в пределах зандровой равнины Клязьминско-Москворецкого междуречья (Зайдельман Ф.Р., 1969, 1975). Вертикальная расчлененность рельефа составляет 4,0 м, ширина ландшафтной катены составляет 342 м, средняя мощность почв и подстилающих грунтов (до юрских глин) составляет 14,0 м.

Почвообразующими породами являются песчаные флювиогляциальные отложения мощностью 6-12 м, покоящиеся на суглинисто-супесчаной морене, в основании которой залегают юрские глины. На литологическом разрезе Мещерского стационара были выделены следующие почвы: дерново-слабоподзолистая супесчаная, дерново-подзолистая супесчаная глубокооглеенная, дерново-подзолистая глееватая супесчаная, дерново-подзолистая глеевая супесчаная, торфянисто-глеевая (Зайдельман Ф.Р., 1969, 1975). Эти почвы расположены соответственно: на вершине плоского холма, на пологом склоне, на плоском основании склона, в депрессии у основания склона.

Проверка модели проводилась путем сопоставления рассчитанных влагозапасов в расчетном слое почвы 0-70 см и полученных во время полевых исследований. Анализ результатов расчетов показал, что математическая модель адекватно воспроизводит наблюдавшуюся динамику влагозапасов почвы для разных участков ландшафтных катен рассмотренных стационаров. Максимальное отклонение экспериментальных значений от рассчитанных влагозапасов не превысило 10%. Коэффициент корреляции рассчитанных и измеренных значений составляет более 0,97.

Выполненные расчеты и сопоставление их результатов с результатами полевых исследований позволяют говорить о том, что разработанная математическая модель достаточно адекватно описывает динамику влагозапасов в почвах и грунтах с различным геоморфологическим положением, и может быть применена для прогнозов водного режима сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен.

Глава 5. Схематизация природных условий

При решении мелиоративных задач методами математического моделирования необходима схематизация природных условий: геоморфологических, почвенных, гидрогеологических и др. Необходима также схематизация техногенных воздействий в пространстве и во времени.

Научному анализу и схематизации компонентов ландшафтов посвящены работы А.М. Берлянта, А.Н. Ласточкина, Э.А. Лихачевой, Б.А. Новаковского, Ю.Г. Симонова, И.Н. Степанова, Д.А. Тимофеева, П.А. Шарого и других ученых.

Для расчетов влагооборота в ландшафтах необходимо иметь возможно более полную информацию о ландшафтах: многолетние данные о погодных условиях; геоморфологическую с количественными показателями горизонтальной и вертикальной расчлененности; карту водотоков; геологическую и гидрогеологическую; почвенную и др. В этой связи становится необходимым геоморфологическое исследование территории ландшафтных провинций и районов, определение таких морфологических показателей рельефа, как горизонтальная и вертикальная расчлененность и др. Получение и совмещение такой информации, ее увязка и схематизация природных условий в настоящее время возможны с применением ГИС-технологий.

При схематизации природных условий нами были использованы общегеографические и тематические карты: почвенная, пластики рельефа, гидрогеологическая и др.

Выполненный нами геоморфологический анализ физико-географических районов Московской области по тематическим картам позволил получить численные значения важных для геоморфологической схематизации морфологических показателей рельефа: горизонтальной и вертикальной расчлененности и др.

Горизонтальная расчлененность - это характерное расстояние между расчленяющими линиями, например, между постоянными и временными водотоками. Для характеристики горизонтальной расчлененности часто используют коэффициент горизонтальной расчлененности территории (густоту расчленения), т.е. отношение суммарной длины расчленяющих линий на какой-либо территории к ее площади. Характерное расстояние между расчленяющими линиями является величиной, обратной коэффициенту расчлененности, а ширина катены, примыкающей к водотоку, составляет половину характерного расстояния.

В вертикальном направлении необходимо было оценить характерное для каждого рассматриваемого физико-географического района высотное расположение элементарных ландшафтов, т.е. вертикальную расчлененность рельефа первичными постоянными и временными водотоками (глубину расчленения), под которой понимается характерное превышение местных водоразделов над берегами примыкающих водотоков.

Общегеографические карты эти сведения содержат в скрытом виде. Поэтому очень полезными для решения поставленных задач оказались карта эрозионного расчленения территории страны (Тимофеев Д.А., Былинская Л.Н.), карта пластики рельефа и почв Московской области. Вертикальное расчленение рельефа было определено нами как средневзвешенное из представительных значений для каждого ландшафтного района Московской области. Анализ этих карт и совмещение их с ландшафтной картой (Анненская Г.Н.) позволили получить новую важную информацию. Указанные карты отражают свойства литосферы, педосферы и их компоненты, а ландшафтная карта показывает размещение и структуру природных территориальных комплексов (геосистем).

При схематизации гидрогеологических условий нами были использованы листы гидрогеологической карты СССР (серия Московская) и гидрогеологические разрезы соответствующих листов карты. Для этого по опорным скважинам гидрогеологических разрезов были определены мощности первых от поверхности водоносных горизонтов, комплексов и водоупоров (в пределах рассматриваемых ландшафтных провинций и районов). При построении расчетных схем катен ландшафтных районов использовались средние мощности гидрогеологических подразделений. Литологический состав и коэффициенты фильтрации гидрогеологических подразделений принимались также по данным указанной карты.

Анализ тематических карт позволил получить новую информацию, необходимую для моделирования передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен при обосновании водных мелиораций. Каждый ландшафтный район в пределах Московской области мы характеризовали набором картометрических и морфометрических показателей. В таблице 2 приведены полученные численные значения этих показателей для ландшафтных районов в пределах Московской области.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 3

При схематизации ландшафтной катены необходимо выбрать аналитическую зависимость для описания рельефа земной поверхности. Выпукло-вогнутый профиль земной поверхности рассматривается в качестве равновесного склона и как характерный тип склонов умеренно-гумидных областей (Ласточкин А.Н.).

При схематизации таких профилей земной поверхности от берега водотока до водораздела (от супераквального элементарного ландшафта до элювиального элементарного ландшафта) превышение линии поверхности земли над берегом водотока на расстоянии x от уреза воды можно определить

по следующей зависимости

, , (15)

где - вертикальная расчлененность рельефа; k - коэффициент, равный

,

здесь - угол наклона касательной в точке перегиба; a - значение абсциссы в точке перегиба; В - ширина катены.

Эта формула позволяет учесть основные геоморфологические характеристики: ширину ландшафтной катены, вертикальную расчлененность рельефа, крутизну склона и положение точки перегиба склона, которая отражает асимметричность речной долины.

Тангенс угла наклона касательной в любой точке (первую производную) функции (15) можно определить по следующим формулам

или

Достоинством этой формулы является то обстоятельство, что с ее помощью можно воспроизводить реальные природные геоморфологические условия, поскольку: угловой коэффициент () касательной в точке перегиба (в точке максимального угла наклона уклона) может быть рассчитан и задан по реальным значениям конкретного природного объекта (в радианной или градусной мере), асимметричность речной долины учитывается заданием значения абсциссы в точке перегиба a, вертикальная расчлененность рельефа задается максимально точно, горизонтальная расчлененность рельефа учитывается в формуле путем задания значения аргумента x=B, где B - ширина катены.

Рис. 4 Геоморфологическая схематизация ландшафтной катены: B - ширина ландшафтной катены; ВСА, ВТА, ВТЭ, ВЭ - протяженности соответственно супераквального, трансаккумулятивного, трансэлювиального и элювиального элементарных ландшафтов; - перепады высот соответственно супераквального и элювиального элементарных ландшафтов; 1, 2, 3, 4, 5 - характерные точки

С учетом схематизации элементарных ландшафтов была составлена схема для моделирования водного режима элементарных ландшафтов ландшафтных катен. Детальная послойная дискретизация расчетной толщи, проводящаяся при моделировании, позволяет учесть водно-физические свойства всех генетических горизонтов почвы и подстилающих грунтов. При схематизации гидрогеологических условий территории и выборе расчетной схемы вводятся упрощения в геометрию реального объекта. Основным упрощающим приемом является приведение геометрической формы реального объекта к схематическим гидрогеологическим разрезам или ландшафтным катенам.

Глава 6. Обоснование водных мелиораций агроландшафтов Московской области

Используя разработанную методику моделирования водного режима сопряженных элементарных ландшафтов, можно более объективно оценивать необходимость и интенсивность водных мелиораций - орошения и осушения.

Московская область характерна большим разнообразием природных условий. Увлажненность территории закономерно и значительно изменяется с северо-запада на юго-восток. Следовательно, потребность в орошении и потребность в осушении в пределах области существенно разнятся.

Потребность в орошении необходимо оценивать по возвышенным элювиальным элементарным ландшафтам, где формируется на первый взгляд самый простой баланс влаги: «осадки минус испарение равняется сток». Однако необходимо также учитывать отток влаги в нижерасположенные элементарные ландшафты.

Потребность в осушении необходимо оценивать по водному режиму и водному балансу пониженных элементарных ландшафтов, где к атмосферным осадкам добавляется существенная статья водного баланса - приток грунтовых вод с вышерасположенных элементарных ландшафтов. При этом не всякая пониженная территория может быть при этом переувлажнена. Здесь не в меньшей степени имеет значение отток избыточной влаги, потому что при хорошем подземном оттоке значительный приток на пониженные элементарные ландшафты может не вызывать переувлажнения и заболачивания.

Таким образом, проблема представляется гораздо более сложной, чем это порой принимается во внимание, так как нельзя по средним климатическим данным для какого-либо региона судить о потребности в осушении или орошении, не привязывая эти потребности к определенным элементарным ландшафтам. Поэтому мы использовали разработанную модель влагопереноса в сопряженных элементарных ландшафтах, куда можно «подключать» различные мелиоративные воздействия, то есть определять - достаточно ли дренирования этих совокупностей элементарных ландшафтов только естественным водотоком, или может быть - нужен дренаж пониженных элементарных ландшафтов, или может быть - нужен даже дренаж возвышенных элементарных ландшафтов при замедленном оттоке.

Для оценки водного режима почв и грунтов элементарных ландшафтов и влияния на него мелиоративных воздействий нами было выполнено моделирование функционирования расчетных ландшафтных катен физико-географических районов Московской области по разработанной математической модели влагопереноса. Было рассмотрено четыре расчетных варианта: естественный режим ландшафтной катены, орошение элювиального элементарного ландшафта, осушение супераквального и трансаккумулятивного элементарных ландшафтов, совместное воздействие мелиоративных мероприятий - осушения и орошения.

При моделировании водного режима сопряженных элементарных ландшафтов мы учитывали следующие природные и антропогенные факторы: рельеф земной поверхности, водно-физические свойства почв и подстилающих отложений, атмосферные осадки, испарение с поверхности почвы, транспирацию растениями, переменную во времени мощность корнеобитаемой зоны, интенсивность осушения и орошения элементарных ландшафтов катены. Расчеты были выполнены для лет различной обеспеченности климатического дефицита увлажнения, для чего были использованы данные метеостанций московского региона за период 1959…2000 гг. Результаты моделирования водного режима элементарных ландшафтов расчетной ландшафтной катены для средневлажного года 75% обеспеченности климатического дефицита увлажнения для ландшафтного района IV1 приведены в табл. 3. Составляющие водного баланса в таблице приведены в виде слоя воды (мм) для каждого элементарного ландшафта; для приведения их ко всей ландшафтной катене, эти значения нужно умножить на соотношение ширины элементарного ландшафта и ширины ландшафтной катены. Водный баланс повышенных элювиальных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки - 470 мм, боковой грунтовый отток - 115 мм, суммарное испарение - 324 мм. При хорошей естественной дренированности возвышенности возникает довольно сильная промываемость почв - 221 мм.

Таблица 3 Результаты прогноза водного режима почв и грунтов элементарных ландшафтов ландшафтной катены при различных режимах

Элементарные ландшафты, режимы	Статьи водного баланса, мм	Пр	Ур
	Ос	Этр	Бпг	Бог	Бпп	Боп	Др	Ор
Элювиальный
Естественный режим	470	324	-	115	-	-	-	-	220	0,550
Мелиорация	470	335	-	122	-	-	-	40	240	0,80
Трансэлювиальный
Естественный режим	470	352	116	225	-	-	-	-	204	0,60
Мелиорация	470	352	122	233	-	-	-	-	206	0,60
Трансаккумулятивный
Естественный режим	470	368	225	122	-	106	-	-	42	0,30
Мелиорация	470	368	233	120	-	-	156	-	157	0,70
Супераквальный
Естественный режим	470	368	121	114	106	181	-	-	-208	0,30
Мелиорация	470	368	119	104	-	-	124	-	200	0,70

Обозначения в таблице: Ос - впитавшиеся атмосферные осадки; Этр - суммарное испарение (эвапотранспирация); Бпг - боковой грунтовый приток на элементарный ландшафт; Бог - боковой грунтовый отток с элементарного ландшафта; Бпп - боковой поверхностный приток на элементарный ландшафт; Боп - боковой поверхностный отток с элементарного ландшафта; Др - сток в искусственный систематический дренаж; Ор - оросительная норма; Пр - промываемость почвы, мм; Ур - относительная урожайность.

Результаты расчетов показали, что на возвышенных элементарных ландшафтах дренаж практически не нужен. Хотя в отдельных случаях, которые мы анализировали, даже на возвышенности при слабоводопроницаемых грунтах и наличии мощной морены тоже возможна необходимость в дренаже, задачей которого является ликвидация кратковременной верховодки. Промываемость метрового слоя почвы составляет 220 мм. Относительная урожайность, которую оценивали по методике В.В. Шабанова, составляет в естественных условиях 0,55.

На возвышенных элементарных ландшафтах в средневлажные годы возникает дефицит влажности почвы, который надо компенсировать дополнительным увлажнением. По нашим оценкам оросительная норма находится в пределах 40 мм, что согласуется с рекомендациями других авторов.

Часть поливной воды даже при незначительных поливных нормах просачивается вниз, увеличивая промываемость метрового слоя почвы на 20 мм и боковой грунтовый отток на 5 мм, суммарное испарение возрастает на 11 мм. Компенсировать увеличение промываемости надо дополнительным внесением удобрений. Относительная урожайность увеличивается - до 0,8.

Водный баланс трансэлювиальных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки - 470 мм, боковой грунтовый приток с выше расположенных фаций - 116 мм, боковой грунтовый отток - 225 мм, суммарное испарение - 352 мм, поверхностный сток отсутствует.

Водный баланс трансаккумулятивных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки - 470 мм, боковой грунтовый приток с выше расположенных фаций - 225 мм, боковой грунтовый отток - 122 мм, суммарное испарение - 368 мм, поверхностный сток - 106 мм.

Наличие искусственного дренажа способствует увеличению впитывания воды атмосферных осадков, вследствие этого прекращается поверхностный сток летом. Боковой грунтовый приток увеличивается на 8 мм, боковой грунтовый отток уменьшается на 2 мм, промываемость почв увеличивается на 115 мм. Прирост продуктивности агроценоза элементарного ландшафта за счет оптимизации водного режима составляет 40 %.

Орошение элювиального элементарного ландшафта практически не сказывается на водном балансе и продуктивности агроценоза трансаккумулятивного элементарного ландшафта.

Водный баланс пониженных супераквальных элементарных ландшафтов в естественных условиях складывается следующим образом: впитавшиеся атмосферные осадки - 470 мм, боковой грунтовый приток с выше расположенных элементарных ландшафтов - 121 мм, боковой поверхностный приток с выше расположенного трансаккумулятивного элементарного ландшафта - 106 мм, боковой отток в местный водоток - 114 мм, суммарное испарение - 368 мм, поверхностный сток - 181 мм. Это показывает, что пониженные элементарные ландшафты получают гораздо большее увлажнение за счет бокового притока, чем соседние. Относительная урожайность в естественных условиях составляет 0,30. При осушении прекращается поверхностный сток в теплый период. Осушение изменяет не только величину, но и направленность влагообмена в почвенном слое. До осушения имеет место капиллярное подпитывание - 208 мм в год 75% обеспеченности климатического дефицита увлажнения, а после строительства дренажа ожидается установление промывного режима в размере 200 мм. Это обстоятельство изменяет направленность почвообразовательного процесса, стимулирует сильную промываемость почв, и как следствие - вымыв гумуса и биогенов. Это - неизбежные последствия осушения. Уменьшить их можно, приводя водообмен к скомпенсированному, т.е. когда сумма нисходящих токов примерно равна сумме восходящих токов. В результате осушения относительная урожайность возрастает до 0,7. При этом отток грунтовых вод с этого элементарного ландшафта в систематический дренаж составляет 124 мм.

В среднем относительная продуктивность агроценозов ландшафтной катены в результате водных мелиораций существенно повышается. Этот прирост нужно обеспечить соответствуюшими нормами удобрений, в основном, органическими, как экологически менее опасными.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ опубликованных теоретических исследований в области мелиорации агроландшафтов показал, что в настоящее время для обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций в агроландшафтах применяются, в основном, нульмерные, балансовые или одномерные уравнения передвижения влаги в почвах и подстилающих грунтах. В этих уравнениях не учитываются важные элементы и компоненты природных и антропогенных ландшафтов. Практически не отражен в литературе вопрос учета рельефа земной поверхности при расчетах передвижения почвенной влаги в агроландшафтах, а также вопрос расчета элементов водного баланса в сопряженных элементарных ландшафтах ландшафтных катен.

2. Для совершенствования методов расчета мелиоративных мероприятий необходимым является разработка методов расчета передвижения влаги в почвах и грунтах элементарных ландшафтов (фаций) ландшафтных катен с наиболее полным учетом действующих природных и антропогенных факторов, с учетом единства гидрохимических потоков на водосборах.

Наиболее точно расчет мелиоративных режимов в условиях агроландшафтов можно выполнить на основе моделирования передвижения почвенной влаги и прогноза водного режима в элементарных ландшафтах ландшафтных катен с помощью двумерной математической модели влагопереноса.

3. Разработана новая методология научного обоснования, на основе ландшафтного, катенарного подхода необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошение, осушение) агроландшафтов, обеспечивающих высокую продуктивность сельскохозяйственных культур, с учетом влияния на природную среду, которая была применена в условиях Московской области.

Предложена новая методология изучения мелиоративных воздействий на агроландшафты, заключающаяся в комплексном рассмотрении взаимосвязанных потоками вещества, а также единством происхождения сопряженных элементарных ландшафтов, позволяющая изучить взаимное их функционирование.

4. Для соответствия современным требованиям к точности принимаемых решений при мелиорации агроландшафтов нами была разработана новая методика расчета водного режима и обоснования мелиоративных режимов мелиорируемых агроландшафтов на основе двумерной математической модели нестационарного влагопереноса в почвах и подстилающих грунтах сопряженных элементарных ландшафтов - ландшафтных катенах.

Новая методика позволяет рассчитывать водный режим почв и подстилающих грунтов ландшафтных катен с учетом следующих природных и антропогенных факторов: рельефа земной поверхности, водно-физических свойств почв и подстилающих отложений, атмосферных осадков, испарения с поверхности почвы, транспирации растениями, переменной во времени мощности корнеобитаемой зоны, осушения и орошения элементарных ландшафтов катены.

Создана имитационная система моделирования в виде комплекса компьютерных программ, позволяющая моделировать процесс передвижения влаги в элементарных ландшафтах (фациях) ландшафтных катен и рассчитывать значения составляющих водного баланса элементарных ландшафтов.

Разработанный комплекс компьютерных программ, позволяет рассчитывать передвижение влаги в пространстве элементарных ландшафтов ландшафтных катен, обосновывать необходимость применения мелиоративных мероприятий в агроландшафтах и их интенсивность и служит целям обоснования мелиоративных режимов агроландшафтов.

5. Показано, что круговороты воды в сопряженных элементарных ландшафтах существенно связаны между собой, т.к. элементарные ландшафты не существуют изолированно. Обоснование мелиорации элементарных ландшафтов невозможно без учета этой связи, так как отток воды с возвышенных элементарных ландшафтов в пониженные коренным образом меняет соотношение статей водного баланса.

Представлены результаты расчетов водного режима ландшафтных катен (сопряженных элементарных ландшафтов) по ландшафтным районам Московской области. Составлены водные балансы по элементарным ландшафтам, в которых учтены атмосферные осадки, испарение, отток и приток воды в элементарные ландшафты, отток в реку, сток в дренаж, оросительные нормы, изменение влагозапасов в почвах и грунтах.

Представлены результаты расчетов водообмена почвенного слоя с нижележащими горизонтами (промываемости почвенного слоя) - одного из главных критериев экологической и природоохранной оценки мелиоративного режима.

6. Определены оросительные нормы для многолетних трав применительно к ландшафтным районам Московской области с учетом геоморфологических, гидрогеологических и почвенных параметров расчетных катен.

7. Разработанная новая методика расчета водного режима почв и грунтов агроландшафтов может быть использована: для обоснования необходимости применения мелиоративных мероприятий (орошения, осушения) на территории агроландшафтов и их интенсивности; для оценки промываемости почвенного слоя, как одного из важнейших показателей устойчивости природных и антропогенных ландшафтов; как основа при прогнозах водного и гидрохимического режимов почв и грунтов агроландшафтов; для оценки продуктивности растительного покрова элементарных ландшафтов и влияния на нее мелиоративных мероприятий; для проведения численных экспериментов и сценарных исследований влияния мелиоративных мероприятий на составляющие водного баланса сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен и функционирование агроландшафтов; для обоснования расчетных и эксплуатационных мелиоративных режимов агроландшафтов; для системы поддержки принятия решений применительно к водным мелиорациям; для системы расчетного мониторинга мелиорируемых агроландшафтов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Голованов, А.И. Влияние ирригации и дренажа на функционирование агроландшафтов (на примере низовий р. Сырдарьи) [Текст] / А.И. Голованов, С.И. Кошкаров, Ю.И. Сухарев // Мелиорация и водное хозяйство: теорет. и науч.-практ. журн. - М., 2004 - Двухмес. - ISSN 0235-2524. 2004, № 4. - с. 11-15.

...