Введение к работе
Актуальность проблемы. Почвенные годы _являются одним из элементов биосферы., обеспечивая существование жизни на Земле..В последние годи темп эволюции биосферы в связи с активизацией человеческой популяции на планете резко усилился, приводя к экологическим -катастрофам в ряде регионов. .Ускорение изменений биосферы требует постоянного совершенствования научно-инженерного инструментария во взаимодействии с природой. Это совершенствование не всегда успевает за биосферной днамикой. В частности, негативные последствия многих крупных водохозяйственных мероприятий в наши стране объясняются не только издержками комаядно-адмшшстративной системы, но и слабым развитием фундаментальных исследований в учении о водах суши, в частности о почвенных водах. При этом следует отметить тот факт, что само направление учения о почвенных водах, как части вод суши, слс-жилс;сь в последние 10-20 лет. Создание этого учения во многом связано с работами д.г.н. А.И.Будаговского.
Основное внимание исследователей, работающих в области по%енных вод, как правило, уделялось теплому полугодию - периоду вегетации растительного покрова. Закономерности же формирования режима почвенных вод в холодное полугодие, закладывающего условия влагообеспеченности растений в период вегетации, изучены существенно меньше.
Это обстоятельство побудило автора провести ряд исследований, касающихся данного вопроса, и попытаться осуществить теоретическое обобщение результатов таких исследований, проведенных как им самим, так и другими авторами, посвятив его решению крупной научной проблемы - раскрытию закономерностей формирования режима и ресурсов почвенных вод в зимне-весенний период и систематизации полученных результатов в виде комплекса физико-математических моделей.
Под почвенной водой в настоящей работе понимается вода, содержащаяся в корнеобитаемом слое почвы. Вода, пребыващэя в ипостаси почвенной воды,' играет в биосфере исключительно важную роль. [Будаговский, Гусев, 196ЭК Под режимом же почвенных вод понимается временная динамика характеристик, в той или иной мере отражающих их оадїшішаЛвлашіщі лыдстость. температу-
ра, величины и нахф;вл^^;^д^о«ов;^в<^йирег ла). Понятие ре Ш:-л. се/, . падении
ИМ, К. .ч. ; *„..j.|W 1Л„„ \\п Аг~
оурсов почвенных вод, принятое в настоящей работе, обсуждается в ее первой главе.
При рассмотрении проблемы формирования режима почвенных вод целесообразно выделить три направления исследовании, в той или иной мере затронутых в настоящей работе. Первое заключается в раскрытии геофизических и" иногда биофизических закономерностей их формирования на основе сочетания теоретических и экспериментальных исследований. Его условно можно назвать физикой почвенных вод.
Второе направление - географическое. Беж геофизические и биофизические законы, лежащие в основе формирования режима почвенных вод, установлены достаточно точно, то они справедливы для любых условий, Но одни и те же законы, действующие в разных условиях, могут приводить к существенно разным результатам. Таким образом можно прийти к различиям в закономерностях Формирования водно-теплового режима окружающей среды в неодинаковых геосистемах, в разных регионах и географических зонах. В данной работе основными объектами исследования являются полевые водосборы лесной и лесостепной зон.
Третье направление - прикладное. Его можно назвать ивже-нерно-агрономическим. Прикладные исследования в любой области могут быть достаточно успешными, если они будут опираться на результаты, полученные в сфере фундаментальных исследований. В данном случае речь идет о результатах, полученных в исследованиях, связанных с первым из указанных направлений. Вопросы, касающиеся инженерно-агрономического направления, а также подхода к общей стратегии природопользования, затронуты в последней главе работы.
Цель работы: раскрытие закономерностей формирования режима и ресурсов почвенных вод в зимне-весенний период, систематизация полученных знаний в виде физико-математических моделей.
Задачи исследований:
экологическое обоснование концепции ресурсов почвенных вод,
разработка теоретической основы описания переноса воды. в ненасыщенных средах с позиций статистической неравновесной термодинамики,
экспериментальное исследование процессов промерзания почвы, миграции воды в промерзшую почву со стороны талой зоны, впиты-' вания воды в почву в период весеннего снеготаяния, оттаивания и
прогревания почвы после схода снежного покрова,
- разработка комплекса -динамических физико-математических моде-
лей процессов формирования режима почвенных вод в зимне-
весенний период,
разработка способов учета - пространственной вариабельности основных факторов, определяющих интенсивность и общий объем весеннего пополнения влагозапасов почвы,
разработка методов оценки результатов воздействия на режим почвенных вод некоторых агротехнических 'Приемов, улучшакшіх экологическое состояние агроэкосистем, в том числе, мульчирования почвы растительными остатками.
, Методика исследований. Поставленные задачи решались как на основе теоретических разработок, физико-математического моделирования изучаемых процессов, так и на базе экспериментальных исследований.(лабораторных и полевых), проведенных либо непосредственно автором, либо с его участием. ДЯя апробации разработанных моделей использовались также материалы наблюдений сети воднобалансовых станций.
Объект исследований. Почвенные воды как одна из составляй- . щих вод суши. Основной географический район исследований -лесная и лесостепная зони ETC. При этом использованы материалы ''* наблюдений следующих воднобалансовых и биосферных станций.
Подмосковная воднобалансовая станция (лесная зона). Почва
- дерново-среднеподзолистая, среднесуглинистая.
Волховская воднобалансовая станция (лесостепная зона). Почва - серая лесная, среднесуглинистая.
Нижнедевицкая воднобалансовая станция (лесостепная зона). Почва - типичный чернозем, средне- и тяжелосуглинистый.
Придеснянская воднобалансовая станция (лесостепная зоне). Почвы - крупношлеватые серые и светлосерые лесные, средний, суглинок и супесь.
Курская биосферная станция (лесостепная зона). Почва типичный чернозем,, средне- и тяжелосуглинистый.
Научная новизна.работы.
Предложена концепция экологической роля почвенных вод, связывавшая одно из звеньев гидрологического цикла суши с кругооборотом биоэлементов наземных экосистем. Дано экологическое обоснование меры оценки ресурсов почвенных вод, основанной на величине суммарного испарения фитоценозов.
На основе статистической теории неравновесных процессов получено общее уравнение даревоса воды в ненасыщенных средах, являющееся теоретическим обоснованием используемых в настоящее время методов описания движения воды .в ненасыщенной почве. Теоретически обосновано использование в случае слабонестацио-нарвдх процессов переноса волн в почве уравнения Дарси- Букин-гема.
Разработан комплекс физико-чнатематических моделей формирования гидротермического режша почвы в зимне-весенний период. К ним относятся модели промерзания почвы и миграции воды в. мерзлую зону со стороны талой, модель формирования температурного профиля почвы перед снеготаянием, модели впитывания талых вод в нерадую почву, модели оттаивания и прогревания почвы. Математической основой моделей является метод интегрального баланса.
предложены варианты учета пространственной микромасштабной стохастичности распределения снегозапасов на склонах и коэффициента фильтрации почвы при моделировании процессов впитывания талых и дождевых вод и склонового поверхностного стока.
Разработаны методы оценки влияния мульчи из растительных остатков на формирование гидротермического режима почвы в зимне-весенний период и на пополнение ее весенних влагозапа-сов. Экспериментально определены тешогидрофизические параметры соломенной мульчи.
Основные яяпррдявмце положения:
уравнение нестационарного переноса воды в ненасыщенных средах;
комплекс физико-математических моделей формирования гидротермического режима почвы в зимне-весенний период (модели промерзания почвы в холодный период, формирования температурного профиля почвы к началу снеготаяния, впитывания талых вод в почву в период весеннего снеготаяния и зимних оттепелей, оттаивания и весеннего прогревания почвы);
методы учета пространственной микромасштабной стохастичности распределения снегозапасов и коэффициента фильтрации при моделировании .процессов впитывания талых и дождевых вод и поверхностного склслвого стока;
концепция экологической роли почвенных вод, заключающаяся в том, что в процессе своего движения в системе почве-
- s -
растительный покров-атмосфера они удаляют большую часть энтропии, производимой растительным покровом в процессе его метаболизма, тем самым позволяя зеленым растениям, суши поддерживать свою упорядоченность;
методы оценки влияния растительной мульчи аа гидротермичес-кий режим почвы в зимне-весенний период.
метода определения коэффициентов эффективной теплопроводности и эффективной диффузии пара в мульче.
Црактическая значимость работы.
Полученные в работе результаты были использованы:
в плановых работах института водных проблем АН СССР и представлены в отчетах по плановой тематике Академии наук СССР (тема "Водные ресурсы и водный режим страны в отдаленной перспективе", 1985 г., гос. регистрац. JJOI8270I8477; тема "Изменение ресурсов и режима вод суши под влиянием природных колебаний климата и антропогенной деятельности", 1990 г., гос. регистрац. Л0І.9.0О0І8345);
при реализации Программы биосферных и экологических исследований (Блок "Экология сельскохозяйственного производства"), 1989г.;
при выполнении темы "Прогноз природопользования и экологии до 2015 г.", разрабатывавшейся по заданию ГКНТ СССР и Госкомприрода СССР, 1991 г.;
при разработке международных проектов, проводившихся по заданию Международного комитета по планетарным геофизическим исследованиям (КАПП (субпроект 17.I "Физика почвенных вод", 1980-1985 г.г.,* субпроект 111-3.1 "Изучение переноса воды в системе атмосфера - растительный покров - ненасыщенная зона -грунтовые воды в целях разработки научных основ управления почвенными водами", 1986-1990 г.г.).
Часть результатов послужила основой для составления учебно-методической программы экологического образования учащихся средних школ (экологического лицея, экологического кружка), Г99І-І99Й г..
Результаты работы также могут быть использованы при оценке эффективности различных мелиоративных приемов, а также в практике гидрологических расчетов и прогнозов.
Апробация. Результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих семинарах, совещаниях, конференциях.
- в '
Московский городской гидрологический семинар, 1977 г.); рабочие встречи участников субпроекта 17.1 Международного комитета по планетарным геофизическим исследованиям (КАПП "Физика почвенных вод" (1978 г., СССР, Курск; 1982 г., ЧССР, Требишов; 1983 г., НРБ, София); Всесоюзная школа-семинар "Моделирование гидрологических процессов", (Звенигород, 1982 г.}; Чехословацко-польский симпозиум "Шизика почвенных вод* (I960 г., ПНР. Закопане); П-ая Всесоюзная конференция по применению математических методов и ЭВМ в почвоведении (1963 г., Пуйино); Доклады в Отделе гидродинамики пористых сред института гидрологии и гидравлики САН (1985, 1986 г.г., ЧССР, Братислава); рабочая встреча участников проекта ІП-3 КАПГ "Геофизические основы управления водами суши" (1986 г., ЧССР, Стара Лесна); XX Совещание КАПГ (1989 г, ВНР, Шопрон); международный семинар "Движение воды в системе атмосфера-ненасыщенная зона-грунтовые воды и его моделирование" (1990, ЧОФР, Стара Лесна); Всесоюзное совещание "Определение и использование параметров влаго- и солепереноса в почвах" (1991 г., Пущино), Заседание кафедры физики и мелиорации почв МГУ (1992 г., Москва); Секции Ученого совета МВП АН СССР (1985 - 1992 г.г.).
Структура и объем работы.
