Содержание к диссертации
Введение
1. Агроландшафты как природно-антропогенные геоэкосистемы 11
1.1. Особенности структуры и функционирования 12
1.2. Современное состояние 14
1.3. Воздействие на водные объекты 17
1.4. Основные стокоформирующие факторы
1.4.1. Природные условия 21
1.4.2. Антропогенные факторы
1.5. Критерии геоэкологической устойчивости 25
1.6. Выводы. Обоснование задач исследований 30
2. Геоэкологические циклы химических элементов в агроландшафтах как основа их функционирования 32
2.1. Объекты и методы экспериментальных исследований 33
2.2. Результаты исследования динамики содержания основных элементов питания растений в агроценозах 40
2.2.1. Динамика легкогидролизуемого азота 41
2.2.2. Динамика фосфора 49
2.2.3. Динамика калия 55
2.3. Миграция химических элементов в агроландшафтах 64
2.3.1. Внутрипочвенная составляющая 66
2.3.2. Поверхностная составляющая 78
2.3.3. Соотношение биологической и геологической составляющих круговорота веществ в агроландшафтах
2.4. Формирование качества речных вод малых водотоков при загрязнении вследствие сельскохозяйственной деятельности 85
2.5. Выводы 92
3. Научно-методические основы оценки поступления загрязняющих веществ в водные объекты с сельскохозяйственных водосборов 94
3.1. Анализ существующих подходов 94
3.2. Выбор расчетных гидрологических условий 99
3.3. Выделение стокоформирующих комплексов 101
3.3.1. Сельскохозяйственные угодья 101
3.3.2. Территории сельских поселений 104
3.4. Алгоритм расчета массы загрязняющих веществ 112
3.4.1. Поступление поллютантов с сельскохозяйственных угодий 113
3.4.2. Поступление поллютантов с территорий сельских поселений
3.5. Результаты апробации разработанных методов расчета 117
3.6. Выводы 123
4. Прогнозирование качества поверхностных вод при их загрязнении от объектов сельскохозяйственной деятельности 125
4.1. Современное состояние вопроса 125
4.2. Определение расчетных характеристик и принципы их выбора 127
4.3. Типизация сельскохозяйственных водосборов по характеру поступления загрязняющих веществ в водные объекты 130
4.4. Выбор метода прогнозирования качества поверхностных вод .
4.5. Рекомендации по организации наблюдений за качеством вод при их загрязнении вследствие аграрной деятельности 137
4.6. Выводы 144
5. Географические аспекты формирования диффузного стока от объектов сельскохозяйственной деятельности 147
5.1. Территориальные особенности формирования диффузного стока (на примере бассейна р. Тобол) 147
5.1.1. Анализ стокоформирующих факторов и их изменчивость в меридиональном и широтном направлениях 148
5.1.2. Оценка потоков загрязняющих веществ и их пространственной изменчивости 155
5.2. Районирование речных бассейнов по условиям выноса загрязняющих веществ с сельскохозяйственных угодий 163
5.3. Оценка вклада сельскохозяйственно-освоенных водосборов в биогенное загрязнение водных объектов 168
5.4. Выводы 177
6. Оценка природно-хозяйственных условий сельскохозяйственных водосборов для принятия управленческих решений 180
6.1. Анализ существующих подходов к оценке агроландшафтов 180
6.2. Оценка агроландшафтов на основе предлагаемых показателей 184
6.3. Обоснование интегральных показателей, выбранных для оценки 187
6.3.1. Критерии оценки природных условий 188
6.3.2. Критерии оценки антропогенного воздействия 192
6.4. Результаты апробации методики оценки природно-хозяйственных условий сельскохозяйственных водосборов 203
6.5. Выводы 207
7. Концептуальные основы управления диффузным стоком в агроландшафтах на основе геоэкосистемного подхода 209
7.1. Основные причины обострения экологических проблем, обусловленных сельскохозяйственной деятельностью 209
7.2.Планирование управленческих решений 212
7.2.1. Принципы экологизации агроландшафтов 213
7.2.2. Нормирование антропогенных нагрузок наречные бассейны 214
7.2.3. Экономический механизм защиты водных объектов от негативных воздействий сельского хозяйства 218
7.2.4. Организационно-хозяйственные мероприятия по управлению диффузным стоком в агроландшафтах 221
7.2.5. Инженерно-технические мероприятия по управлению диффузным стоком в агроландшафтах 231
7.2.6. Критерии оценки эколого-экономической эффективности водоохранных мероприятий в агроландшафтах 234
7.3. Методология принятия управленческих решений в агроландшафтах...236
7.3.1. Планирование водоохранных мероприятий в масштабе речных бассейнов 237
7.3.2. Планирование водоохранных мероприятий в агроландшафтах 239
7.4. Выводы 243
Заключение и выводы 247
Список использованных источников
- Критерии геоэкологической устойчивости
- Миграция химических элементов в агроландшафтах
- Выделение стокоформирующих комплексов
- Рекомендации по организации наблюдений за качеством вод при их загрязнении вследствие аграрной деятельности
Критерии геоэкологической устойчивости
Проблема оценки влияния на сток различных природных факторов является весьма сложной, поскольку многие природные процессы по-разному влияют на основные стоковые характеристики. Воздействие это осуществляется как непосредственно, так и косвенно, и к настоящему времени изучено недостаточно.
К физико-географическим характеристикам водосборов, оказывающим большое влияние на процессы формирования стока, относятся его географическое положение, климатические факторы, гидрогеологические условия, геоморфология, почвенные условия, растительный покров и т.д. Как правило, всю совокупность природных факторов, оказывающих влияние на формирование стока, делят на две основные группы: климатические и факторы подстилающей поверхности. Для каждой из природно-климатических зон характерен комплекс однородных геологических, климатических и почвенно-гидрологических условий, определяющих общие для всех рек зоны особенности формирования стока. Однако на сток с малых водосборов огромное влияние оказывают азональные факторы.
Климатические условия в большинстве случаев являются решающим фактором, определяющим гидрологический и гидрохимический режим водотоков. Особо значимое влияние на формирование стока оказывают атмосферные осадки, а также температура воздуха и почвы, влияющие на величину испарения. Причем, роль осадков зимнего периода в формировании стока и его качества в большинстве регионов более существенна. К важным стокоформирующим факторам относятся также предзимняя увлажненность почв и глубина их промерзания. Стокоформирующее влияние осадков за теплый период года менее значительно, поскольку преобладающая их часть расходуется на испарение и инфильтрацию. На формирование стока и его качество большое влияние оказывает не только общее количество осадков, но и интенсивность, а также продолжительность летних дождей и снеготаяния.
Гидрогеологические условия бассейна определяют характер и объем подземного питания рек и величину потерь осадков на просачивание. Рельеф водосборной территории оказывает воздействие на ее климатические условия, тем самым играя большую роль в процессах формирования стока. С увеличением уклона повышается скорость поверхностного стока, что приводит к усилению эрозионных процессов. Увеличению интенсивности поверхностного стока и усилению водной эрозии приводит высокая степень расчлененности водосборной территории гидрографической сетью.
Важную роль в функционировании водосбора как геосистемы играет почвенный покров. От водопроницаемости почв зависит интенсивность просачивания атмосферных осадков, а следовательно, соотношение поверхностного и подземного стока. Водопроницаемость почв является показателем не только поверхностного стока, но и противоэрозионной стойкости. Устойчивые по отношению к эрозии почвы характеризуются хорошей структурой и высокой водопроницаемостью, а неустойчивые - бесструктурны и слабо водопроницаемы /39/. Наибольшей водопроницаемостью и противоэрозионной устойчивостью обладают почвы лесостепной зоны, отличающиеся высокой степенью гумусированности. Важную роль в комплексе мер по снижению загрязнения водных объектов выполняет лесная растительность. Кроме лесной растительности, на миграцию биогенных веществ оказывают и другие естественные угодья: например, луговые полосы.
Качественный состав диффузных стоков, формирующихся на сельскохозяйственных водосборах, зависит, главным образом, от химического состава почвы: от емкости поглощения и содержания питательных веществ, а также количества, сроков, видов и форм удобрений. Однако под влиянием ряда процессов, протекающих на водосборе, может наблюдаться трансформация состава диффузного стока.
Преобразование поверхности водосборных территорий и перестройка естественных ландшафтов вследствие активной хозяйственной деятельности в бассейнах рек повлекли за собой усиление деградационных процессов почвенного покрова, которые, в свою очередь, не могли не отразиться на гидрологическом и гидрохимическом режимах рек, особенно средних и малых. Распашка почвы естественных массивов приводит к усилению процесса физико-химического выветривания минералов, вследствие чего легкорастворимые вещества становятся более доступными для вымывания паводковыми водами. В настоящее время из всех неблагоприятных процессов, происходящих в почвах, наибольшее распространение получили эрозионные процессы, которые являются, с одной стороны, следствием антропизации водосборов и нерационального использования природных ресурсов, а с другой, обусловливают активизацию ряда других негативных процессов.
Масштабы проявления эрозии зависят от многих факторов: количества атмосферных осадков, их интенсивности и распределения в годичном разрезе; крутизны поверхности, величины водосбора, типа почвы, особенностей строения почвенного профиля, характера и состояния растительного покрова.
Территориальное распределение современной эрозии почв в сельскохозяйственных зонах Российской Федерации является сложным и определяется совокупностью природных и антропогенных факторов, ведущими среди которых являются поч-венно-климатическая зональность, тип сельскохозяйственного использования и рельеф. Наблюдается общее увеличение интенсивности эрозии в направлении с севера на юг в соответствии со сменой географических зон, на фоне которого выделяются пятна ускоренной эрозии. Эти пятна приурочены к районам, где преобладает действие азональных факторов, - широкомасштабное земледелие в лесостепной и степной зонах, или рельефа - в высокогорных районах /40/.
Усиление эрозии и дефляции почв, характерное для последних десятилетий, связано не только с увеличением площадей пахотных земель и ростом нагрузки на пастбища, но и с появлением тяжелой техники, уплотняющей почву при обработке и разрушающей ее структуру. Развитию эрозионных процессов способствовало применение в условиях расчлененного рельефа традиционных приемов землеустройства и почвообработки, пригодных лишь для ровных водораздельных пространств.
Наибольшую опасность для водных объектов представляет поверхностный сток с сельскохозяйственных угодий, где применяются удобрения. Количественная оценка антропогенной составляющей стока, выполненная в ГХИ /41/, показывает, что с начала 70-х годов (времени, к которому приурочено усиление химизации народного хозяйства) произошло устойчивое увеличение антропогенного стока биогенных элементов. Однако необходимо отметить, что за последнее десятилетие 20-го века из-за кризиса агропромышленного комплекса объемы вносимых удобрений на территории России резко сократились. Несмотря на это, происходит вынос биогенных веществ самой почвы, часто обусловленный нерациональными приёмами обработки почв.
Усилению внутрипочвенной миграции химических веществ и активизации эрозионных процессов, как правило, способствует проведение гидромелиоративных мероприятий с целью оптимизации почвенных режимов. В результате проведения этих мероприятий нередко наблюдается активизация и деградационных процессов. Орошение черноземов приводит к снижению их потенциального плодородия (приближает их к серым лесным и подзолистым почвам). Орошение дерново-подзолистых почв еще в большей степени усиливает подзолообразовательный процесс, снижает содержание гумуса, способствует ухудшению структуры. Осушительные мелиорации также могут оказать негативное влияние на водно-физические и агрохимические свойства почв. На торфяных почвах после осушения наблюдается уплотнение почвенных агрегатов и уменьшение коэффициента фильтрации в 10-50 раз. В супесчано-песчаных почвах в результате осушения также происходит общее уплотнение горизонтов выше уровня грунтовых вод и уменьшение их коэффициента фильтрации. Таким образом, формирование стока на сельскохозяйственных водосборах определяется комплексом природных и антропогенных факторов. В отличие от антропогенных факторов, воздействием которых на формирование стока можно управлять, действие природных факторов не поддается регулированию, но их влияние необходимо учитывать при выработке и принятии управленческих решений.
Миграция химических элементов в агроландшафтах
Цикл натурных экспедиционных исследований охватывал вегетационные периоды, существенно различающиеся по метеорологическим условиям: как очень влажные (1993, 1994 гг.), так и засушливые (1995 г.). Остальные годы по влагообес-печенности были близки к норме.
Рассматриваемые водотоки относятся к бассейну р. Оби (реки Арамилка и Теплая) и р. Волги (реки Вязовка, Кунгурка, Раскуишка, Красногорка). В соответствии с лесорастительным и геоботаническим районированием, исследуемая территория относится к зоне тайги, подзоне южной тайги.
Как было указано выше, р. Арамилка является правым притоком р. Исети. Ее длина составляет 32 км, площадь водосбора 194 км2. На р. Арамилке наблюдения проводились по 4 створам (приложение 5), замыкающим частные водосборы, характеризующиеся различной структурой хозяйственного использования: - водосбор N1 (площадь 11.4 км2), примыкающий к верховьям реки, представлен естественными угодьями (лес, луга), часть которых вовлечена в сельскохозяйственный оборот (используется в качестве сенокосов), но распашке не подвергается; - водосбор N2 (площадь 6,3 км ), помимо естественных угодий (лес, луга), включает сельскохозяйственные угодья, в том числе осушаемые массивы торфяных и минеральных почв. В структуре земледелия преобладают сенокосы и пастбища; - водосбор N3 (площадь 4,8 км2), наряду с естественными и сельскохозяйственными угодьями (в том числе объектами гидротехнических мелиорации), включает также селитебную территорию (часть пос. Шабры); - водосбор N4 (площадь 7,2 км2) характеризуется повышенной антропогенной нагрузкой, поскольку на его территории находятся 2 животноводческих комплекса и 2 населенных пункта (пос. Шабры и п. Сысерть, или ОПХ «Свердловское»). Общая численность населения составляет 5 тыс. человек. В структуре земель, используемых в сельском хозяйстве, преобладает пашня.
На р. Тёплой (приток р. Шиловки, бассейн р. Исети) наблюдения также проводились по 4 створам (приложение 6), которые замыкают элементарные водосборы с разной степенью антропогенной нагрузки. Площадь водосбора реки Теплой, про-текающей в 7,5 км южнее Екатеринбурга, составляет 46 км , а длина - 8,5 км.
Элементарный водосбор, ограниченный створом №1, представлен как естественными угодьями (березово-сосновый лес, болото), так и площадями, подвергшимися антропогенной нагрузке (земли, включенные в сельскохозяйственный оборот, и небольшой поселок - подсобное хозяйство Северского завода). Следующий водосбор ограничен створом № 2, расположенным выше пос. Горный Щит. Река здесь протекает по землям, занятым сельскохозяйственными угодьями. Створ № 3 находится в пос. Горный Щит, а створ № 4 - ниже села. Река Теплая протекает с юго-запада на северо-восток по территории п. Горный Щит. В реку поступает сток с части поселка площадью 1,97 км2. Число наличных хозяйств - 1525, численность населения - 4399 человек. Территория поселка представлена в основном (на 90%) индивидуальной застройкой с приусадебными садово-огородными участками, часть которых спускается к реке. Средний уклон склонов вдоль р. Теплой составляет 2,5 .
Река Вязовка - левый приток р. Чусовой. Длина реки 20,0 км, площадь водо-сбора 84,3 км (приложение 7). Основную роль в загрязнении р. Вязовки играют диффузные стоки, поступающие с территории г. Дегтярска, земель совхоза «Дегтяр-ский» и коллективных садов. Створ на р. Вязовка, по которому проводились наблюдения, расположен ниже д. Дегтярская Вязовка, являющейся юго-западной частью г. Дегтярска. Деревня представлена двумя улицами домов с приусадебными огородами, часть которых спускается к реке. Уклон склона, на котором расположена деревня, составляет 3. Поэтому сток талых и дождевых вод с территории индивидуальной застройки осуществляется в основном в реку.
На реке Кунгурка (левый приток р. Чусовой) наблюдения проводились по двум створам (приложение 8). Длина реки Кунгурка 15,8 км, площадь водосбора 90,6 км . Створ № 1 расположен ниже пруда, находящегося в д. Кунгурка. Он замыкает участок реки, на частном водосборе которого преобладающую роль играют диффузные источники загрязнения (селитебные территории, сельскохозяйственные угодья), створ № 2 расположен ниже деревни, у пансионата «Звездный». Часть д. Кунгурки, ограниченная створом № 2, представлена двумя параллельными улицами, включающими 64 частных хозяйства с индивидуальной застройкой и огородами. Площадь этого участка деревни, примыкающего к реке ниже плотины Кунгурского пруда, составляет 280 га.
Река Раскуишка также является левым притоком р. Чусовой. Площадь водо-сбора реки - 38 км , длина составляет 11 км. Створы наблюдений показаны на схеме (приложение 9). 1-й створ находится выше пос. Зеленый Лог, который расположен в 150 м от р. Раскуишки, а 2-й - ниже поселка. В пос. Зеленый Лог имеется лишь 11 хозяйств (30 человек). Однако здесь расположена молочно-товарная ферма (800 голов). Навоз складируется на бетонированной площадке, затем вывозится на поля. Ливневая канализация на ферме отсутствует. Стоки поступают на заболоченную территорию вблизи фермы, оттуда происходит отток в р. Раскуишку. Склон, на котором располагается поселок и ферма, имеет уклон 3 .
Река Красногорка - левый приток р. Чусовой. Площадь водосбора реки - 22 км , длина составляет 4,6 км. Наблюдения проводились по трем створам (приложение 9): створ №1 находится выше пос. Красная Горка, створ № 2 расположен в поселке и створ № 3 - ниже поселка (у Полевского тракта). На территории поселка находится 99 хозяйств, представленных индивидуальной застройкой с садово-огородными участками. Ведется активная коттеджная застройка. В пойме реки почти на всем ее протяжении имеются прибрежные древесно-кустарниковые насаждения.
В течение вегетационного периода (с апреля по октябрь) по указанным створам проводились гидрометрические замеры и осуществлялся отбор проб речных вод на химический анализ. Исходя из концентрации биогенных веществ в расчетных створах и объема речного стока, была рассчитана масса их выноса русловым стоком. По разнице между величиной выноса биогенных веществ речными водами через сечения двух соседних створов было определено количество веществ, поступающих с единицы площади водосбора (удельный вынос). В период весеннего половодья выполнялась также оценка химизма диффузных стоков, формирующихся на различных структурных элементах сельскохозяйственных территорий.
Особое внимание в процессе выполнения исследований было уделено изучению содержания биогенных веществ в речном стоке как приоритетных поллютантов, вызывающих интенсификацию процессов евтрофирования водных объектов. Поэтому в пробах речных вод и склонового стока систематически определялись концентрации соединений групп азота и фосфора, в то время как химические анализы на содержание других ингредиентов выполнялись эпизодически.
Выделение стокоформирующих комплексов
Весной концентрация нитратов в стоке, как правило, была выше, чем в последующие месяцы, а по мере активизации жизнедеятельности растений их количество уменьшалось. Максимальная концентрация нитратного азота в дренажных водах (13,7 мг/л) наблюдалась в конце апреля 1990 г., когда глубина промерзания составляла еще 65 см. Это можно объяснить процессами восходящей миграции нитратов с потоком влаги, вызываемой подтягиванием ее к фронту промерзания. Обнаружена тесная корреляционная связь между нитратным азотом и слоем стока для весеннего периода (г=0,9), которая подтверждает высокую подвижность нитратов, особенно при высокой влажности почвы и нарастании суммы положительных температур.
Содержание аммония в воде варьировало от 0,07 до 1,07 мг/л при ПДК=0,39 мг/л. Повышенная его концентрация наблюдалась исключительно в первые годы после строительства дренажа. Затем она уменьшалась, что объясняется переходом от анаэробных условий в почве к активизации процессов нитрификации при оптимизации водно-воздушного режима под влиянием процесса осушения. Наибольшей величиной выноса азота отличался влажный 1990 год (табл. 11), так как в этот период наблюдались наибольший слой стока и повышенная концентрация нитратного азота.
Содержание фосфора в дренажных водах варьировало от 0,006 до 0,08 мг/л. Низкая концентрация фосфатов обусловлена слабой подвижностью и высокой степенью закрепления почвой.
Динамике содержания водорастворимого калия свойственны колебания концентрации в основном от 0,3 до 2 мг/л. Повышение его содержания до 10,8 мг/л наблюдалось только в июле 1990 года (после внесения осенью 1989 года в почву 180 кг/га хлористого калия). А это является подтверждением слабой миграции калия по профилю почв тяжелого гранулометрического состава.
Наиболее интенсивно среди катионов выносится кальций и, в меньшей степени, магний, что обусловлено полной насыщенностью этими основаниями почвенно 69 поглощающего комплекса серых лесных глееватых почв. Содержание кальция в дренажных водах составляло от 42 до 156 мг/л (ПДК =180 мг/л), а количество магния - 23-105 мг/л (при ПДК=40 мг/л). Вынос кальция и магния дренажным стоком значителен: в среднем за 4 года он составил 168 кг/га и 88 кг/га соответственно (табл. 11).
Содержание натрия в дренажных водах слабо зависело от слоя стока. Исходя из этого, можно сделать вывод о поступлении натрия только из почвообразующих пород, из-за чего и происходит обогащение почвенно-грунтовых вод натрием.
Результаты наших исследований показали, что в условиях Зауралья при систематическом окультуривании осушаемых почв дренажные воды с мелиоративных систем не представляют опасности для водоприемника. Лишь в отдельные периоды года наблюдаются случаи превышения ПДК по некоторым элементам (магний, железо, аммонийный азот). Однако, следует отметить, что при концентрациях биогенных элементов в дренажном стоке даже ниже предельно допустимых значений в водоемах возникает угроза активизации процессов евтрофирования. Поэтому вероятность попадания химических веществ в водоисточники должна быть сведена до минимума.
В связи с тем, что химические элементы в почве передвигаются главным образом в форме растворов, то динамика и масштабы их миграции во многом зависят от соотношения величины инфильтрации осадков и расхода грунтовых вод в зону аэрации. Важнейшим фактором, определяющим величину составляющих водного баланса (инфильтрация, расход, водообмен), а также характер и интенсивность внутрипоч-венной миграции химических элементов является УПГВ.
Использование воднобалансовых лизиметров позволяет не только исследовать влияние глубины залегания почвенно-грунтовых вод на составляющие водного баланса, но и оценить масштабы поступления биогенных элементов в грунтовые воды, а также получить ряд других величин, имеющих важное практическое значение.
Водообмен в целом уменьшался с увеличением глубины залегания почвенно-грунтовых вод. Для лизиметров с глубиной грунтовых вод 1,5 м (1988 г. и 1989 г. с увлажнением), около 1 м (1990 г.) и 2,0 м (1989 г. без увлажнения) инфильтрацион-ное питание возрастало (водообмен со знаком «минус»). Глубина, при которой кривая водообмена переходит от «плюса» к «минусу», является оптимальной, поскольку в этом случае нисходящие и восходящие потоки влаги компенсируются, а суммарное поступление воды полностью расходуется на суммарное водопотребление.
Поддержание оптимальной глубины, при которой водообмен сбалансирован, является актуальным не только с позиции экономии оросительной воды, но и с позиций поддержания экологического равновесия. Как доказано исследованиями Н.П. Буниной /140/, при уравновешивании восходящих и нисходящих потоков в зоне аэрации почва находится в более устойчивом экологическом состоянии по сравнению с вариантом неравновесного водообмена: образуется повышенное количество биологического азота, уравновешиваются подвижные формы азота, снижается интенсивность разложения органического вещества на единицу урожайности.
Анализ взаимосвязи содержания выносимых нитратов и величины инфильтрации показал, что количество нитратов в почвенно-грунтовых водах повышается с увеличением инфильтрационных потоков, причем тесная связь обнаружена во влажный 1990 год, при преобладании инфильтрации (г=0,7).
В сухие годы (1988 и 1989) содержание нитратного азота в почвенно-грунтовых водах лизиметров с мелким осушением было максимальным, а с понижением почвенно-грунтовых вод уменьшалось. Для аммонийного азота наблюдалась обратная тенденция: повышение содержания с увеличением глубины залегания грунтовых вод. Такое соотношение окисленных и восстановленных форм азота в почвенно-грунтовых водах объясняется различной насыщенностью почвенных растворов кислородом в зависимости от глубины почвенных горизонтов.
К концу вегетационного периода содержание воднорастворимых соединений азота в почвенно-грунтовых водах лизиметров понижалось как следствие их потребления растениями и ослабления биологических и биохимических процессов.
В результате изучения корреляционной связи содержания питательных элементов в пахотном слое почвы с их выносом в почвенно-грунтовые воды для лизиметров обнаружены некоторые тенденции. Для калия и азота выявлено наличие тесной корреляционной связи содержания в пахотном слое почвы и концентрации в почвенно-грунтовых водах (табл. 12) для трех лет наблюдений в целом. Это говорит о том, что вынос этих элементов питания фильтрационными водами в первую очередь зависит от их содержания в пахотном слое почвы. Зависимость выноса азота и калия от их содержания в почве выражается степенной функцией.
Рекомендации по организации наблюдений за качеством вод при их загрязнении вследствие аграрной деятельности
Расчет выноса биогенных веществ с сельскохозяйственных угодий проводится для неблагоприятных периодов раздельно для жидкого и твердого стока.
При этом за основу принимается следующее: пропорциональность выноса биогенных веществ запасам их подвижных форм в почве и дозам внесения удобрений; влияние состава культур; возможность учета эффекта водоохранных и почвозащитных мероприятий; зависимость массы выноса от модуля естественного стока с водосбора и непроизводительных потерь поливной воды.
Объем стока талых и дождевых вод на единицу площади для водосборов рассчитывают по формуле: Wpo/o=10hpo/o, (3) где Wpo/o - объем стока талых и дождевых вод вероятностью превышения Р% на единицу площади, м7га; hpo/o - слой стока той же вероятностью превышения, мм. Слой стока за период весеннего половодья и дождевых паводков заданной вероятностью превышения определяется согласно /195, 205/. Модуль стока наносов за период весеннего половодья рассчитывают по формуле /196/: MSjp«/6=hnp%aklj (4) где Ms?po/o - модуль стока наносов вероятностью превышения Р% за период весеннего половодья, т/га; hpo/0 - слой стока за период весеннего половодья (той же вероятностью превышения), вычисляется по формуле, мм; а, п - параметры, зависящие от агрофона и типа почв (для зяблевой вспашки), принимаются по таблицам /196/; к! - коэффициент, учитывающий крутизну склона. Модуль стока наносов со склона за дождевой паводок рассчитывают по формуле, аналогичной (4). Сток с орошаемых сельхозугодий определяется с учетом техники полива, приема дождевания и водопроницаемости почв /207, 208/. При отсутствии данных по технике полива и видам почвы принимается 10% на сток от нормы водопотребности брутто в зависимости от района и культуры для 95 %-ной обеспеченности (кроме оросительных рисовых систем). Для пропашных и густопокровных культур принимается среднее значение по всем имеющимся во до-потребностям. Определение выноса биогенных веществ с жидким стоком производится по формуле: Pж=10-3CWpo FKpKrюл, (5) где Рж - вынос биогенных веществ с жидким стоком, кг; С - концентрация биогенных веществ в стоке, мг/л; 115 Wpo/o - объем весеннего или дождевого стока вероятностью превышения Р%, м3/га; F - площадь сельскохозяйственных угодий, га; Кр - коэффициент переноса и попадания биогенных веществ в водные объекты в соответствии с рекомендациями /187/; КПол - коэффициент снижения стока при наличии водопоглотительных лесополос, принимается равным в среднем 0,4 /208/; 10"3 - коэффициент размерности. Концентрация биогенных веществ в стоке определяется в соответствии с рекомендациями ВНИИЗиЗПЭ /188, 209/ по формуле: С=(аДп + вДу)Ка, (6) где С - концентрация биогенных веществ в стоке, мг/л; а - параметр растворимости биогенного элемента в стоке, кг/л (для азота а=0,144, для фосфора а=0,002); Дп - содержание подвижных форм питательных веществ в пахотном слое, мг на 1 кг почвы; в - параметр перехода удобрений в сток, мг га /л кг (для азота в=0,01; для фосфора в= 0,0013); Ду - доза минеральных и органических удобрений, кг/га д.в. (действующего вещества); для пересчета доз внесенных органических удобрений в минеральные используют следующее соотношение /209/: считают, что 1 т навоза эквивалентна 2 кг минерального азота и 2 кг фосфора; Ка - коэффициент, характеризующий влияние агротехнического фона на концентрацию биогенных элементов в стоке. Определение выноса биогенных веществ с твердым стоком производится по формуле: PT=10-3mMspO/oFKCH, (7) где Рт - вынос биогенных веществ с твердым стоком, кг; m - содержание биогенных веществ в твердом стоке, мг на кг наносов; Msp%- модуль стока наносов за период весеннего половодья или дождевых паводков вероятностью превышения Р%, т/га; F - площадь сельскохозяйственных угодий, га; 116 "З 10" - коэффициент размерности; Ксн - коэффициент снижения смыва при расположении на водосборе лесных полос, принимается в среднем равным 0,2 /210/.
Содержание подвижных биогенных веществ в твердом стоке определяется в соответствии с рекомендациями ВНИИЗ и ЗПЭ /188, 209/.
Поскольку исследованиями МГУ /211/ установлено, что до малых рек доходит 10% твердого стока, а остальная часть переотлагается по пути следования поверхностного стока, в полученные значения массы твердого стока вносят соответствующую поправку.
Величину суммарного выноса биогенных веществ за период весеннего половодья получают путем сложения значений их выноса с жидким и с твердым стоком для каждого агрофона (зябь, озимые, многолетние травы), а затем определения их суммарной величины.
Величину суммарного выноса биогенных веществ за период дождевых паводков получают путем сложения значений их выноса с жидким и с твердым стоком для каждого агрофона (пропашные и густопокровные культуры) отдельно для богарных и орошаемых земель, а затем определяют их суммарную величину.
С целью автоматизации определения массы выноса была разработана программа расчета по данной модели для персональных компьютеров типа IBM PC в табличном редакторе Microsoft Excel 97. В результате работы были составлены формы таблиц (приложение 12), при заполнении которых производится расчет выноса биогенных веществ с сельскохозяйственных угодий.
Основными расчетными гидрологическими характеристиками, необходимыми для определения массы выноса загрязняющих ингредиентов с территорий населенных пунктов сельского типа, являются: объем стока за период весеннего половодья, объем стока за период дождевых паводков, максимальные срочный, часовой и суточный расходы ливневого стока.
Расчетные гидрологические характеристики определяются в соответствии с нормативной литературой / 195, 205, 212/.
При определении массы загрязняющих воду веществ целесообразно использовать значения концентраций, полученные в результате натурных наблюдений на конкретных территориях в различные периоды водности.
При отсутствии натурных данных приближенные концентрации загрязняющих веществ в поверхностном стоке талых и дождевых вод, поступающем с площади конкретного объекта хозяйственной деятельности, принимаются по табл. 26 и 27 (соответственно).
При определении концентрации загрязняющих веществ в стоке, поступающем с различных структурных элементов селитебной территории, необходимо учитывать уровень благоустройства территории и ее санитарное состояние (при удовлетворительном санитарном состоянии принимаются значения концентраций, соответствующие нижней границе указанного диапазона, а при высоком уровне загрязненности территории - верхней границе).
Площадь территории сельских поселений, на которой формируется сток, должна включать площади территорий жилой застройки, в том числе площади крыш домов, асфальтированные дороги, грунтовые поверхности.
При наличии водопоглотительных прибрежных полос в расчетные формулы вводится дополнительный коэффициент - коэффициент снижения стока, который принимается равным в среднем 0,4 / 208/.
Для облегчения расчетов разработана программа в Microsoft Excel. Она состоит из 5 шаблонов (приложение 13), четыре из которых позволяют рассчитать массу загрязняющих веществ, поступающих в водные объекты за определенный расчетный период, а 5-й объединяет отдельные блоки в один шаблон, а следовательно, его использование дает возможность осуществления расчетов за любой период.
