Содержание к диссертации
Введение
1. Системообразующие компоненты природы вододефицитных территорий и методология их исследования 17
1.1. Системообразующие компоненты природы Предуралья и Урала и их зональные особенности 19
1.1.1. Природные воды 23
1.1.2. Зона аэрации 34
1.2. Методология исследований 39
1.3. Фактический материал и его оценка 42
2. Природа Южного Урала 50
2.1. Рельеф и геоморфология ; 50
2.2. Геологическое строение 55
2.3. Климат 58
2.4. Гидрография и речной сток , 63
2.5. Растительность Южного Урала 65
3. Воздействие водообеспеченности на почвы, экосистемы и сельскохозяйственную продуктивность вододефицитных территорий 72
3.1. Развитие почв в условиях водного дефицита 78
3.2. Пахотные земли, особенности их развития и влияния на окружающую среду 88
3.3. Влагообеспеченность и урожайность яровой пшеницы на Южном Урале .-. 97
3.3.1. Влага чистых паров и ее использование 121
3.4. Целинные земли 125
3.5. Эффективность использования влаги и плодородия почв на Южном Урале 130
4. Особенности формирования стока поверхностных и подземных вод на южном урале. методика исследования и расчета 136
4.1. Особенности природных вод во до дефицитных территорий и методика их исследования 139
4.1.1 .Атмосферные осадки и испаряемость. 143
4.2. Поверхностный сток 144
4.2.1. Методика определения поверхностного стока 158
4.2.2. Поверхностный сток талых вод и хозяйственная деятельность на водосборе , 168
4.2.2.1.Поверхностный сток в Южном Предуралье 168
4.2.2.2. Поверхностный сток в Южном Зауралье 205
4.3. Экспериментальные исследования инфильтрации талых вод в мерзлые грунты 234
4.4. Рельеф, поверхностный сток и инфильтрация 259
4.5. Баланс талых вод на различных угодьях Южного Предуралья 262
5. Миграция влаги и химических элементов в зоне аэрации вододефицитных территорий 274
5.1.Общие замечания 274
5.2. Особенности строения зоны аэрации 275
5.3. Режим влаги в зоне аэрации 283
5.4. Водный баланс подзоны активного водообмена 292
5.5. Движение влаги в подзоне транзита 302
5.6. Миграция химических элементов и их соединений в зоне аэрации 335
6. Оптимизация оросительных мелиорации и их влияние на окружающую среду степной зоны 345
6.1. Природные условия орошения и его целесообразность
на Южном Урале 345
6.2. Требования растений к влаге, влажность почв и ее
регулирование... 349
6.3. Режим орошения сельскохозяйственных культур по природным зонам Южного Урала 354
6.4. Орошаемые земли Южного Урала и их мелиоративное состояние 377
6.5. Формирование верховодок на орошаемых землях 384
6.5.1. Развитие верховодки и методика ее расчета 389
6.5.2. Динамика формирования верховодки на поливном участке 400
6.5.3. Влияние верховодки на солевой режим сыртовых глин при орошении 419
Заключение 426
Список использованной литературы 433
- Зона аэрации
- Гидрография и речной сток
- Влагообеспеченность и урожайность яровой пшеницы на Южном Урале
- Поверхностный сток талых вод и хозяйственная деятельность на водосборе
Введение к работе
Актуальность исследований. Природа и человеческое сообщество развиваются, видоизменяются, терпят катастрофы и продолжают развитие, переходя на его новую ступень с учетом изменяющихся внешних условий и внутреннего их состояния. Но пока эти два прогресса идут без взаимной увязки и для них разрабатываются самостоятельные теории. На неизбежность их объединения указывал В.И. Вернадский (1977) путем формирования ноосферы. Однако соответствующих научных разработок по объединению этих процессов пока мало, и они являются в основном отраслевыми: системы земледелия, регулирование численности животных путем их искусственного разведения и охоты, управление водными ресурсами путем строительства водохранилищ и каналов, орошение и осушение земель, и многое другое. Но это взаимодействие с природой имеет преимущественно потребительский характер. Ближайшие интересы человечества в них являются приоритетными, часто в ущерб природе. Необходимо же глубокое единение природы и интересов человека. Требуется высокоэффективное, экологически безопасное природопользование, обеспечивающее развитие природы с участием человека и с учетом его интересов.
Для того, что бы позитивно участвовать в развитии природы, человечество должно сначала познать сложный механизм этого развития, начиная с отдельных биогеоценозов, процессов, идущих в живой и неживой материи на определённой территории.
Вопросам познания процессов, идущих в природе вододефицитного интенсивно эксплуатируемого, но мало изученного по организации научно обоснованного природопользования Южно-Уральского региона, посвящена настоящая работа.
Для вододефицитных территорий необходимость обобщающего анализа результатов изучения природы по различным направлениям уже назрела. Это вызвано рядом причин, основные из которых связаны с тем, что:
- во второй половине XX века значительно возросло воздействие человека на
основные компоненты природы степной зоны: почвы, грунты, факторы,
формирующие сток поверхностных и подземных вод, их баланс и качество и
др-;
возросла потребность в получении комплексных (многопараметрических) оценок состояния природы в естественных и антропогенно изменённых условиях;
усилилась необходимость научного обоснования возможного уровня воздействия человека на природу с прогнозом экологичровдндввввдсл'ВййЯ 1
(
БИБЛИОТЕКА !
С.Петербург. ) 09 *$ awr%Z> У
4 - наблюдается недостаточность фундаментальных научных исследований процессов, идущих на сельскохозяйственно освоенных водосборах степной зоны.
Обобщение знаний о природе вододефицитных территорий и выявление влияния изменений (естественных и антропогенных) в водообеспеченности на ход процессов, идущих в ней позволят понять и выявить ряд причин современных изменений в природе. Однако комплексных исследований взаимозависимостей компонентов природы вододефицитных территорий в естественных и особенно антропогенно измененных условиях с выявлением системообразующих факторов нет. Этим обстоятельством обусловлена актуальность темы данного диссертационного исследования, посвященного разработке основ природопользования в условиях дефицита водных ресурсов. Вода контролирует биогеохимические процессы, а также условия жизни населения. Природные воды Южного Урала мало изучены и претерпели большие антропогенные изменения. Это затрудняет разработку объективно необходимого комплексного природопользования, гармонично объединяющегося с естественными направлениями развития природы зоны. Через управление водообеспеченностью возможно управление многими идущими в природе процессами, обеспечивая её гармоничное развитие с участием человека и с учетом его интересов. Поэтому проблема комплексного изучения процессов, идущих в природных водах вододефицитных территорий в естественных и антропогенно измененных условиях, взаимодействия природных вод с другими компонентами природы, является основополагающей в оптимизации природопользования.
Южный Урал, типичный вододефицитный регион с разнообразными природными условиями, имеет высокий уровень развития промышленности и сельскохозяйственного освоения территории и в связи с этим испытывает двойной пресс антропогенного воздействия на природу: воздействие промышленных зон, тяготеющих к городам, которые занимают около 2% территории региона, и деятельность на сельскохозяйственных землях, занимающих около 90% территории Южного Урала.
Интенсивность антропогенного воздействия на единицу площади используемой в сельском хозяйстве меньше, чем в промышленности. Но в расчете на всю площадь используемых земель сельскохозяйственные нагрузки значительно превышают промышленные. Сельскохозяйственное землепользование на Южном Урале привело к изменению водно-физических свойств и качества почвы. Следствием этого стали изменения в балансе вод зоны активного водообмена и их качестве. Изменения в природных водах повлекли за собой изменения в процессах, идущих в верхней части земной коры, в эволюции растительности, почв, грунтов, в экологии и в природопользовании.
5 Цель исследований: Выявление системообразующей роли водной компоненты в функционировании вододефицитных территорий и разработка научной основы изучения её взаимодействия с их структурой в естественных и антропогенно измененных условиях. Задачи исследований:
1. Изучение роли водной компоненты в развитии аридных территорий;
2. Выявление зависимости между водной компонентой и изменениями земной
* поверхности на водосборах вододефицитных территорий с созданием
комплекса методик для изучения поверхностных и подземных вод и их системообразующей роли в естественных и антропогенно измененных условиях, учитывающего особенности этих территорий, в том числе методик: -изучения закономерностей формирования поверхностного стока талых вод на водосборах малых рек с учетом антропогенных изменений на них;
выявления особенностей инфильтрации талых вод в почву под различными угодьями с учетом мезорельефа;
установления особенностей питания глубоко залегающих подземных вод через иссушенную зону аэрации;
- исследования и расчета инфильтрационного питания подземных вод на
орошаемых землях;
3. Разработка методик и проведение полевых и лабораторных исследований для изучения изменений водной компоненты под влиянием антропогенной составляющей в том числе:
- определения коэффициента фильтрации мерзлых грунтов в лаборатории в
зависимости от их влажности и температуры;
- баланса поверхностного стока талых вод на угодьях водосбора с учетом влияния на него мезорельефа и неравномерности распределения снега;
- расчета паводкового стока и его коэффициента различной обеспеченности
при различных долях зяби на водосборе;
4. Разработка теоретических основ сельскохозяйственного землепользования и прогноза антропогенных изменений в природе степной зоны. Проведение исследований, на основе методик соискателя, учитывающих особенности вододефицитных территорий, с привлечением методик других авторов:
- особенностей формирования стока талых вод засушливых зон и влияния на
него интенсивности сельскохозяйственного использования земель на
водосборах;
- баланса талых вод на водосборах с переменными площадями зяби и
изменений в паводковом и меженном стоке малых рек Южного Урала при
различных её долях с расчётом соответствующих семейств кривых
обеспеченности;
- влияния мезорельефа на водосборе и структуры его угодий на баланс
природных вод;
- зависимости инфильтрации талых вод на различных угодьях от скважности,
влажности и температуры почво-грунтов;
- механизма миграции влаги в грунтах зоны аэрации при глубоком залегании
подземных вод и определение результирующей влагопроводности при их
влажности в пределах НВ-МГ;
- влияния дефицита влагообеспеченности на формирование почв естественных
степей и пашни с учетом интенсивности их эксплуатации и эффективности
использования растительностью гумуса и атмосферных осадков;
- зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от
влагообеспеченности и влияния агротехники и агромелиоративных приемов
на эффективность использования ими атмосферных осадков;
5. На основе проведенных исследований:
произвести расчет прогнозных величин основных составляющих водного баланса малых рек Южного Урала при различных направлениях и уровнях сельскохозяйственного использования их водосборов;
изучить инфильтрацию ирригационных и талых вод на орошаемых землях, их движение через зону аэрации в зависимости от ее строения и выявить влияние орошения на поверхностный и подземный сток и экологическое состояние окружающей среды;
- выявить условия образования верховодок в слоистых грунтах на богаре под
понижениями рельефа склона и на орошаемых землях возле каналов и
разработать методику расчета их баланса;
- составить карту изолиний водообеспеченности территории Южного Урала
и карты изолиний оросительных норм для основных сельскохозяйственных
культур и разработать режимы их орошения с обеспечением высокой
эффективности использования поливной воды.
Методика исследования. В основу работы положены материалы фактических наблюдений, систематизация и обобщение полученных результатов, оценка оправдываемое прогнозов изменений в поверхностных и подземных водах, установленных автором в ходе многолетних (1969-2002гг.) исследований на Южном Урале и в Сыртовом Заволжье. Исследования включали стационарные и маршрутные полевые наблюдения за гидрологическими, гидрогеологическими и гидрогеохимическими процессами, погодными условиями, водно-физическими свойствами почв и грунтов зоны аэрации, режимом их влажности в естественных и антропогенно измененных условиях. Выполнялись экспериментальные и теоретические разработки, основанные на использовании методик, научных и практических достижений отечественных и зарубежных авторов по вопросам формирования поверхностного и подземного стока, эффективности использования почв и атмосферных осадков в сельскохозяйственном землепользовании, сравнительного анализа, полевых и лабораторных экспериментов,
7 статистических методов обработки и оценки их результатов, математического моделирования. Для учета особенностей природы вододефицитных территорий и хозяйственной деятельности на них разработан комплекс методик исследования их водной компоненты.
" Научная новизна. Выявлена системообразующая роль водной
компоненты вододефицитных территорий и установлена ее связь с элементами системы: атмосферные осадки - почва - биота - зона аэрации - воды
і поверхностного и подземного стока.
Предложен ряд методик: расчета водного баланса на водосборе с учетом наличия на нем различных сельскохозяйственных угодий, мезорельефа и в зависимости от состояния земной поверхности; исследования процесса инфильтрации в мерзлые грунты различных угодий в зависимости от их влажности и температуры; определения скорости и направления миграции влаги в зоне аэрации; вычисления величины питания подземных вод в зависимости от количества зимних атмосферных осадков, вида угодья, мезорельефа; прогноза и ретроспективного анализа изменений в поверхностном и подземном стоке с вододефицитных территорий в зависимости от естественных и антропогенных изменений на водосборе.
На основе разработанных методик рассмотрены процессы формирования поверхностного и подземного стока с учётом мезорельефа и почвенного покрова склона. Установлена зависимость стока поверхностных вод от антропогенных изменений на водосборе. Выявлена роль мезорельефа в формировании подземного стока и изучен механизм миграции талых вод через гидрогеологические окна в понижениях рельефа в зону аэрации и образования в ней верховодок. Предложена и апробирована методика прогноза поверхностного стока по балансу талых вод на водосборе с учетом изменений в стокообразующих факторах.
Изучен механизм миграции и аккумуляции водорастворимых химических
t элементов и органических соединений в зоне аэрации при глубоком залегании подземных вод с учетом неравномерности их питания по площади.
Рассмотрены вопросы формирования плодородия и водно-физических свойств почв в зависимости от влагообеспеченности и интенсивности
v сельскохозяйственного использования.
Практическая значимость. Выполненные теоретические, методические и экспериментальные исследования позволяют решать научные и практические задачи по изучению поверхностных и подземных вод вододефицитных территорий, их воздействия на природу и хозяйственную деятельность человека.
Комплексные исследования интенсивных антропогенных изменений в балансе вод Южного Урала выявили неправомочность применения в этих условиях в гидрологических расчетах и прогнозах, используемых в настоящее
время, статистических методов по многолетним (25-40 лет) рядам наблюдений без введения в них соответствующих поправочных коэффициентов.
Исследования формирования верховодки на орошаемых землях Сыртового Заволжья переданы Приволжгипроводхозу. Разработанные режимы орошения сельскохозяйственных культур используются проектными организациями и хозяйствами Саратовской и Оренбургской областей. Результаты изучения изменений в поверхностном стоке Южного Урала в зависимости от сельскохозяйственной деятельности на водосборах рек учитываются производственными и административными организациями Оренбургской области при прогнозе паводков. Имеются официально подтверждающие документы. На результаты исследований автора диссертации имеются ссылки в трудах исследователей составляющих водного баланса (Д.М.Кац,1976; АЛ.Гаев,1999 и др.).
Предложенный комплекс методик изучения природных вод и их системообразующей роли в природе вододефицитных территорий в естественных и антропогенно измененных условиях, учитывающий зональные особенности, применён при изучении закономерностей формирования поверхностного и подземного стока талых вод на Южном Урале, установлении механизма питания глубоко залегающих подземных вод через иссушенную зону аэрации, выявлении роли вод в природе аридных зон и эффективности их использования растительностью.
Материалы диссертации могут быть использованы при разработке систем землепользования и агротехники возделывания сельскохозяйственных культур вододефицитных территорий, при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, в проектировании водорегулирующих и водопропускных сооружений, разработке систем водоснабжения населенных пунктов, в мониторинге окружающей среды и разработке территориальных комплексных схем охраны природы и природопользования, а также в учебном процессе в курсах по естествознанию, природопользованию и охране природы.
Исследования водного баланса различных угодий позволяют разрабатывать мероприятия по повышению эффективности использования атмосферных осадков в растениеводстве вододефицитных территорий и повысить качество гидрологических расчетов.
Выявленная возможность регулирования составляющих водного баланса путем изменения хозяйственной деятельности на водосборах позволяет через управление водной компонентой целенаправленно влиять на развитие природы вододефицитных территорий с учетом интересов человека.
Личный вклад соискателя. В работе использованы результаты экспериментальных исследований автора в 19б9-2000гт. Основные темы НИР: в Саратовском СХИ "Водный баланс орошаемых яровой пшеницы и люцерны
9 в условиях Сыртового Заволжья" по договору с Приволжгипроводхозом (1969-1971 гг., ответственный исполнитель); в НИИ сельского хозяйства Оренбургской области "Режим орошения культурных пастбищ на Южном Урале" (1973-1975гг., научный руководитель и ответственный исполнитель); в НИИ ОРИПР "Предварительная оценка возможностей и экономической эффективности орошения в бассейне р. Урал волжской и сибирской водой" (1977г. ответственный исполнитель) и "Анализ зависимости урожайности зерновых культур от метеорологических условий с целью уточнения целесообразных режимов орошения в условиях степной зоны Оренбургской области" по договору с институтом Гипроводхоз (1980г., научный руководитель и ответственный исполнитель), "Комплексная оценка мелиоративного фонда Оренбургской области для целей регулярного орошения" по договору с УралНИИВХом (1978г. ответственный исполнитель); в Оренбургском филиале Горного института УрО РАН "Комплексные исследования геологической среды горнодобывающих районов с применением наземных и аэрокосмических методов для обоснования территориальных схем охраны окружающей среды и оптимизации природопользования на примере Южно-Уральского региона" ( ГР №01920001753, 1990-1995, ответственный исполнитель), "Комплексные исследования характера техногенного воздействия на верхнюю часть земной коры и гидросферу Южно-Уральского региона" ( ГР №01.96.036.44., 1996-2000, научный руководитель и ответственный исполнитель), "Изучение закономерностей формирования ресурсов подземных вол вододефицитных территорий в условиях техногенеза" (ГР №01.02.00106714., 2001-2003, научный руководитель и ответственный исполнитель), "Выявление влияния региональных особенностей природных и антропогенных факторов на сток талых вод Оренбуржья" по договору с администрацией Оренбургской области (2000г., научный руководитель) и др.
Реализация результатов исследований. Основная часть результатов исследований изложена в отчетах, которые переданы Приволжгипроводхозу (1969-1971гг.),УралНИИВХу(1978п), институту Гипроводхоз (1977 и 1980гг.), Горному институту УрО РАН (1994-2002гг.), в ЦБНТИ (1996 и 2001гг.), администрации Оренбургской области (1974, 1979, 1994-2002гп) и др.
Результаты исследований использовались при разработке по заданию администрации Оренбургской области рекомендаций по учету влияния региональных особенностей природных и антропогенных факторов на сток талых вод и водные ресурсы Оренбуржья. Исследования природных вод региона и антропогенные изменения в них учитываются при разработке природоохранных мероприятий и оптимизированного водопользования государственными службами по охране природы, использования поверхностных и подземных вод в системе Оренбургского областного комитета по природным ресурсам.
Апробация идей и результатов исследования, публикации. Основные теоретические и практические положения исследований докладывались в Саратовском ГАУ (1970, 1971, 1972, 1973, 1999), на президиуме УрО РАН (1998,2000) и региональных конференциях: Оренбург, (1998, 1999,2000,2001, 2002), Екатеринбург (1994,1997); представлялись на восьми международных конференциях: Москва-Пермь (1997), Уфа (1998), Саратов (1999), Волгоград-Пермь (2001), Санкт-Петербург (1999, 2000), Сан-Франциско (1999), Рио-де-Жанейро (2000).
По теме диссертации изданы монография (1999,28 п.л., в соавторстве) [1] и два учебных пособия (1985, 6 п.л. в соавторстве) [2,3], опубликовано более 80 статей из которых 40 в центральной печати и зарубежных изданиях.
Исходные материалы. Основным исходным материалом научных исследований в диссертации являются результаты выполнения автором госбюджетных и хоздоговорных тем в институтах: Саратовский СХИ, Оранбургский НИИ сельского хозяйства, НИИ ОРИПР при Оренбургском политехническом институте и Оренбургский отдел (ныне филиал) Горного института УрО РАН. Большой фактический материал получен на созданных под руководством автора диссертации стоковых площадках общей площадью 428 га и при проведении полевых и лабораторных опытов по изучению и регулированию влажности почв на сельскохозяйственных землях под различными культурами на богаре и при орошении в 1969-2000 гг.
При оценке и прогнозе последствий сельскохозяйственной деятельности на водосборах рек Южного Урала наряду с собственными материалами и разработками использованы опубликованные и фондовые материалы гидрометеослужбы (сведения о речном стоке, атмосферных осадках, температуре и влажности воздуха и почвы), управлений сельского хозяйства и статистики (сведения о структуре сельскохозяйственных угодий и урожайности на них в 1936-2000гг.), публикации исследователей водного баланса суши и почв, на которые в диссертации имеются соответствующие ссылки.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Системообразующая роль водной компоненты в природе аридных территорий, её воздействие на почвы и экосистемы.
-
Особенности формирования стока поверхностных и подземных вод на Южном Урале и антропогенные изменения в нём. Методика исследования и расчета.
3.. Методы исследования миграции влаги и химических элементов в зоне аэрации вододефицитных территорий и геоэкологичекий прогноз.
4. Оптимизация оросительных мелиорации и их влияние на окружающую среду степной зоны.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 470 страницах, состоит из введения, 6 глав и заключения, включает 86 таблиц, 84 рисунка и список литературы из 427 наименований.
»
Зона аэрации
Климатическая характеристика основных природных зон восточной части Европейского материка от р.Волги до Уральских гор в границах, установленных при агроклиматическом районировании (СХЭ, т.5, 1974) показана на рис.1.1., составленном автором по материалам, агроклиматических справочников по Башкортостану (1972), Пермской (1959) и Оренбургской областей (1971), БЭС (1969-1978 ) и СХЭ (1969-1975).
Из рисунка видно, что показатели, характеризующие тепловые ресурсы в Предуралье (сумма биологически активных температур +10С и испаряемость - Ео мм), синхронно возрастают по мере продвижения с севера на юг рассматриваемой территории от величин минимального обеспечения холодостойких растений до величин, достаточных для многих теплолюбивых растений.
Влагообеспеченность территории определяется соотношением величины атмосферных осадков и испаряемости, т.е. коэффициентом увлажнения, вычисляемому по формуле 1.1. Годовая сумма осадков (А) в тундре и лесотундре равна сумме осадков в лесостепной зоне, но по причине малых тепловых ресурсов величина А в 1.3-1.4 раза превышает возможности тепловых ресурсов. В результате этого тундра испытывает избыточное увлажнение, обусловливающее высокое положение грунтовых вод, заболачивание равнинных территорий и преобладание в земной коре бес кислородных процессов при интенсивном выносе растворимых соединений из активной зоны водообмена.
В северной тайге при сравнительно больших тепловых ресурсах имеем и значительное увеличение атмосферных осадков. Это обусловило сохранение большого коэффициента увлажнения (на уровне 1.3-1.4) и преимущества бес кислородных процессов в живой и неживой материях в зоне активного водообмена территории, но при более высоких температурах, интенсифицирующих эти процессы.
В лесостепной зоне имеем оптимальное соотношение и достаточное количество атмосферных осадков и тепловых ресурсов. При Кув = 1.0 - 0.7, относительно высоких температурах и большей газообеспеченности зоны активного водообмена процессы в ней не только еще более интенсифицируются, но и изменяются качественно, вовлекая в качественные изменения и более глубокие горизонты земной коры.
Степная зона качественно отличается от достаточно увлажненных зон заменой избыточности или достаточности водных ресурсов на их дефицитность при значительном увеличении тепловых ресурсов. По этой причине в степной зоне ускоряется и увеличивается доля возврата атмосферных осадков в атмосферу за счет испарения, что при уменьшении доли их стока ведет к увеличению соленакопления в зоне аэрации за счет поступления солей с атмосферными осадками, имеющими в степной зоне повышенную минерализацию.
Приведенные на рисунке (1.1.) данные показывают, что в тундре и лесной зоне скорость развития растений ограничивается ресурсами тепла при избыточном увлажнении (Кув 1) территории.
В лесостепной зоне условия увлажнения и тепловые ресурсы соответствуют друг другу, и интенсивность развития растительности ограничивается их общим уровнем.
В степной зоне и зоне полупустынь главным фактором, ограничивающим рост растительности, становится обеспечение влагой. Коэффициент увлажнения уменьшается до 0.7-0.2 при значительном увеличении тепловых ресурсов. Сумма температур более +10С увеличивается до 2500 - 4000С.
Согласно представлениям о развитии растительности, минимальный по уровню обеспеченности фактор, является определяющим в этом процессе (Ли-бих,1959;Добенек, 1892 и др.). Следовательно, для тундры и лесной зоны изменения в тепловых ресурсах являются ведущими в развитии природы. В зонах недостаточного увлажнения изменения в обеспеченности водными ресурсами в наибольшей мере влияют на развитие природы. По этой причине нам представляется целесообразным, принять обеспеченность влагой основным фактором (системообразующей компонентой), ограничивающим развитие природы, считать его основополагающим в исследованиях, а другие факторы рассматривать во взаимосвязи с обеспеченностью водными ресурсами.
В зоне избыточного увлажнения превышение величины атмосферных осадков над испаряемостью обеспечивает высокую влажность почвы и близкое залегание грунтовых вод или верховодок и значительное их участие в суммарном испарении. Близкое залегание грунтовых вод в период снеготаяния или выпадения большого количества атмосферных осадков в теплый период года обусловливает быстрый их подъем к поверхности и это приводит к увеличению поверхностного стока независимо от впитывающей способности земной поверхности.
Главным отличительным признаком зон недостаточной водообеспечен-ности является значительное превышение испаряемости (Ео) над количеством выпадающих атмосферных осадков. Соотношение годовой суммы атмосферных осадков и испаряемости определяет зональную водообеспеченность и создает принципиальные отличия последующего распределения атмосферных осадков по расходным статьям водного баланса.
Соотношение атмосферных осадков и тепловых ресурсов определило также типы почв по зонам. В степной зоне в условиях дефицита природных вод образовался мощный почвенный покров из черноземов, а в зону аэрации вовлекаются более глубокозалегающие отложения верхней части земной коры (рис. 1.2).
На Южном Урале коэффициент увлажнения 0.3-0.7, что характерно для водо-дефицитной зоны, где, однако, имеются территории с достаточным и даже избыточным увлажнением. К площадям с недостаточным увлажнением относятся водоразделы, склоны и другие территории, для которых сумма приходных статей водного баланса меньше испаряемости. Затапливаемые части пойм
Гидрография и речной сток
В Уральской складчатой системе верхнепротерозойские отложения часто выходят на дневную поверхность в антиклинальных структурах. Отложения ордовикской системы известны в крыльях ее крупных антиклинальных структур. В Уральской складчатой системе имеются также силурийские, девонские, каменноугольные, пермские, мезозойские, неогеновые и четвертичные отложения. Интрузивные образования проявляются в различных отложениях. Пло-щадь, занимаемая интрузивными комплексами, составляет около 1 тыс.км (Га-ряинов, 1972).
Геологический разрез Западно-Уральской зоны складчатости близок к платформенному в интервале пород эйфельско-нижнепермского возраста. Центрально-Уральское поднятие сложено метаморфическими и осадочными породами доордовикского возраста, простирающимися субмеридианально. В ядрах антиклинориев залегает серия обломочных и метаморфических пород, преимущественно рифейского возраста. Синклинальные складки сложены ордовикско-нижнекаменноугольными песчаниками, сланцами, карбонатно-терригенными и карбонатными разностями с подчиненным развитием глинистых сланцев. На ряду с субмеридиональным простиранием структур и тектонических нарушений установлены разломы и структуры субширотного простирания, исследованные геофизическими методами В.А.Наливкиным, 1956; А.А.Малаховым, П.П.Желобовым, 1963; А.Я.Ярошем, 1965, 1968; И.С. Огариновым, 1968 и др.).
Южное Зауралье представлено восточной половиной Магнитогорского прогиба и Восточно-Уральским поднятием. Магнитогорский прогиб состоит из ряда синклинориев, сложенных вулканогенно-осадочными толщами среднеде-вонско-нижнекаменноугольного возраста. В центральных частях синклинориев залегают известняки среднекаменноугольного возраста, а в грабенах и мульдах - мезозойские угленосные образования. Восточно-Уральское поднятие состоит преимущественно из антиклинориев. Синклинальные структуры сложены вулканогенными породами ордовикского и силурийского возраста, а также угленосными осадками, известняками и сланцами нижнекаменноугольного возраста.
Наиболее интенсивные поднятия в неоген-четвертичное время произошли в северной части Южного Урала с амплитудой до 500-800 м и более. В платформенном Предуралье движения были крайне неравномерными, более активными на сводах кристаллического фундамента и крупных поднятиях. Во впадинах и прогибах они были незначительными и даже отрицательными. Благодаря неотектоническим движениям происходит обновление и гидрогеологическое возрождение тектонической трещиноватости.
Климат Южного Урала определяется его географическим положением, рельефом, большим удалением от морей и океанов и отсутствием значительных преград в виде гор для движения воздушных масс к нему со всех сторон. Лето здесь жаркое, а зима холодная. Внутриматериковое его положение и близость к пустыням Казахстана обусловили континентальность климата, которая увеличивается с северо-запада на юго-восток. Это подтверждается увеличением го довых амплитуд среднемесячных температур, уменьшением количества атмосферных осадков, более редким проникновением северо-западных и западных циклонов в юго-восточные районы региона. Большую часть года удерживается антициклонический тип погоды, зимой, связанный с сибирским антициклоном, а летом — с Казахстанским максимумом давления.
Существенное разнообразие в климат Южного Урала вносят рельеф и значительные его размеры. С запада на восток протяженность региона около 1000 км, а с севера на юг — до 500 км. Уральские горы, рассекающие в центре рассматриваемую территорию с севера на юг, являются значительным барьером для проникновения циклонов на восток в Зауралье.
Температура воздуха. Южный Урал имеет положительную среднегодовую температуру от +1С на северо-востоке до +4С на юге. Характеристика термического режима в зависимости от рельефа и высоты местности по данным гидрометеослужбы (Агроклиматические ресурсы, 1971) показана в табл.2.1.
Атмосферные осадки и коэффициент увлажнения распределяются по территории Южного Урала неравномерно. На рис.2.2 видно, что наибольшее количество атмосферных осадков выпадает на западном склоне горной части Южного Урала. Здесь их увеличение идет как с запада на восток, так и с юга на север, подчиняясь общим закономерностям увеличения атмосферных осадков с повышением отметок местности и широтному их распределению. Совместное действие этих закономерностей обусловило увеличение годовой суммы атмосферных осадков с 350 мм на южной оконечности Уральских гор до 600 мм на севере рассматриваемого региона.
В Предуралье годовое количество атмосферных осадков постепенно увеличивается с запада на восток по мере приближения к горной части, сохраняя общую тенденцию их увеличения с юга на север. Годовая сумма осадков в Южном Предуралье находится в пределах 350-450 мм. В Южном Зауралье по мере удаления от гор годовая сумма осадков быстро уменьшается до 300 мм на Таблица 2.1. Характеристика термического режима Южного Урала (Аг роклиматические ресурсы Оренбургской области, 1971)
Показатели термического режима Возвышенности выше 250 м Невысокие вершинысыртов и равнин Долины рек
Однако сведения только о количестве атмосферных осадков не могут дать объективной оценки обеспеченности ими территории. Показателем обеспеченности территории атмосферными осадками является коэффициент увлажнения (Кув), который определяется как отношение годовой суммы атмосферных осадков к годовой величине испаряемости по формуле (1.1).
Изолинии коэффициента увлажнения на рис.2.3. показывают, что в Преду-ралье обеспеченность влагой относительно быстро увеличивается с 0.40-0.45 на юге до 0.65-0.70 на севере, т.е. от острозасушливого климата к мало засушливому. В северной горной части Южного Урала коэффициент увлажнения увеличивается до 0.85 и климат становится достаточно влажным. В Южном Зауралье увлажненность территории не поднимается выше 0.50, обусловливая продвижение степи далеко на север.
Коэффициент увлажнения территории определяет общую характеристику условий бытия живой и неживой материи. Согласно общему закону природы, закону о роли фактора находящемуся в наибольшем минимуме, значимость
Влагообеспеченность и урожайность яровой пшеницы на Южном Урале
Первичными условиями в развитии живой и неживой материи окружающей среды являются верхняя часть земной коры, ресурсы тепла и і воды. В естественных условиях состояние земной коры меняется медленно с участием воды и тепла. Тепловые и водные ресурсы, имея сезонную, годовую и многолетнюю цикличность, в среднем за многолетия также меняются медленно. Это обеспечивает временную возможность биогеоценозам, развиваясь, приспосабливаться к новым условиям, не разрушаясь. Однако на эти основные составляющие природы все в большей мере влияет деятельность человека. Общее его воздействие на природу во второй половине XX века значительно усилилось. Часто превышая адаптационные возможности природных биогеоценозов или даже, целенаправленно разрушая их, он создает на их месте другие искусственные биогруппы или неживые объекты. Уровень и виды антропогенного воздействия на основные составляющие природы на исследуемых территориях вододефицитного Южного Урала различны. Антропогенное влияние на его верхнюю часть земной коры района целесообразно разделить на промышленно-селетебное воздействие (техногегез) и воздействие сельского хозяйства. Техногенез имеет относительно меньшую распространенность по площади, но часто радикально изменяет свойства земной коры на большие глубины (добыча полезных ископаемых, забор водных # # ресурсов и сброс сточных вод, планировки местности, строительство и т. п.). Сельское хозяйство в процессе взаимодействия с земной поверхностью, располагая на ней сельскохозяйственные угодья меняет ее облик. Сельское хозяйство Южного Урала, находясь в условиях дефицитного водообеспечения, интенсивно воздействует на расходные составляющие его естественного водного баланса, имеющего ряд значительных отличий от водного баланса водообеспеченных зон. Его системы землепользования направлены на увеличение продуктивных запасов влаги на полях за счет уменьшения стока поверхностных вод.
О величине дополнительного изъятия природных вод на пахотных землях можно судить по данным табл. 3.20. На пашне, занимающей половину территории Оренбургской области, среднее многолетнее весеннее увеличение запасов влаги в активном (1.5 м) слое почво-грунтов составляет 80 мм и почти полностью прекращается поверхностный сток. На выбитой целине, преобладавшей на Южном Урале до освоения целинных земель, оно было всего 29 мм, а остальные талые воды расходовались в основном на сток. Распашка 2-х млн.га (около 20% площади региона) целинных земель и увеличение доли зяби на водосборах рек региона до 40-60 % не могли не повлиять на их сток.
Исследования влияния пашни на речной сток В.Е.Водогрецкого (1973, 1979, 1981), М.И. Львовича (1967, 1979), Г.В. Назарова (1969) проводились в основном в зонах с более высокой водообеспеченностью, в которых системы обработки пахотных земель ориентированы на ускорение отвода вод с них. В этих условиях верен вывод о незначительном влиянии пашни на поверхностный сток.
Имеющиеся исследования воздействия пашни на сток в сухих степях Заволжья (Кузник, 1963), в Западной Сибири и Северном Казахстане (Мосиенко, 1984), выявляют существенные расхождения в оценке влияния пахотных земель на сток по причине различий в природе этих регионов, удаленных друг от друга на тысячи километров и имеющих свои системы сельскохозяйственного землепользования. Природа расположенного между ними Южного Урала значительно отличается от природы этих регионов и здесь соответственно другие системы обработки пахотных земель, и другие подходы к использованию целинных земель.
Комплекс особенностей природных условий в совокупности с соответствующими особенностями антропогенного воздействия на стокообразующие факторы обусловили многие существенные отличия в формировании природных вод Южного Урала и несоответствие по ряду наблюдаемых антропогенных изменений в них результатам научных исследований в других природных зонах и регионах. Все это обусловливает необходимость проведения соответствующих комплексных исследований процессов, идущих в природных водах Южного Урала в естествейных и антропогенно измененных условиях. Они позволят разрабатывать систему высокоэффективного использования природных вод в сельском хозяйстве с учетом удовлетворения потребностей в них других отраслей хозяйственной деятельности человека, обеспечивая при этом развитие природы региона. Однако таких исследований на Южном Урале до настоящего времени не было.
Региональные проблемы природных вод, их хозяйственное освоение и антропогенные изменения в них решали многие ученые. Водный баланс СССР и его преобразование изучал большой коллектив под руководством М.И.Львовича (1969, 1986). Мировые водные ресурсы и их будущее, закономерности их распределения исследовали М.И.Львович (1967, 1969, 1974, 1979), В.С.Мезенцев (1982, 1974) и другие. Территориальные водные балансы и балансы отдельных бассейнов рек и изменения в них изучали Г.В.Назаров (1966), И.А.Герарди (1977), Л.В.Дунин-Барковский (1976), Б.Д.Зайков (1941, 1954), Г.В.Воропаев (1981, 1982). Д.М.Кац, В.А. Урываев (1953), П.Я. Полубарова-Кочина (1969), СИ. Харченко (1968), И.А. Шикломанов (1979)., M.Roche (1963), M.Parde (1955) и многие другие.
Составляющие водного баланса и тенденции его изменений в засушливых и аридных зонах изучали В.Е.Водогрецкий (1974), Ю.Б.Виноградов (1959, 19676, 1985), Н.А. Мосиенко (1984), В.Н.Кунин (1947, 1949), И.А.Кузник (1963), В.Н.Чубаров (1972), Д.Л.Соколовский (1959, 1968) и другие. Исследование водных ресурсов в засушливых зонах на орошаемых землях проводили М.Н.Багров (1965, 1988), И.Е.Жернов (1969), Н.Г.Воронин (1966), С.И.Харченко (1973) и другие.
Поверхностный сток талых вод и хозяйственная деятельность на водосборе
Эти принципиальные отличия условий формирования паводка в степной зоне обусловливают необходимость выявления зональных зависимостей между поверхностным стоком и факторами на него влияющими. Влияние влажности почвы на поверхностный сток в Нижнем Поволжье по исследованиям И.А.Кузника (1963) определяется запасами влаги в ее метровом слое. Он считает, что при очень сухой почве и влажности равной 1-1.5 максимальным гигроскопичностям, сток талых вод невозможен в любых условиях сельскохозяйственной эксплуатации и глубины промерзания почвы.
Исследования Н.А.Мосиенко (1984) впитывания талых вод на сельскохозяйственных угодьях Западной Сибири и Северного Казахстана также выявили ряд характерных для них отличий во влиянии влажности почвы и ее промерзания на поверхностный сток в сравнении, как с другими природными зонами, так и в пределах обширной степной зоны. Существенные зональные отличия во влиянии этих факторов на сток выявлены нами и на Южном Урале. При изучении влияния влажности почво-грунтов на поверхностный сток мы учитывали свободную скважность, а не их влажность, так как свободная скважность и ее особенности непосредственно взаимодействуют с инфильтрующейся водой и образование льда в ней создает водонепроницаемый слой. На рис.4.15 показано соотношение коэффициента поверхностного стока и свободной скважности метрового слоя пахотных земель до снеготаяния по содам за 1958-1975 годы исследуемого водосбора на р. Самаре. Распределение точек связи между этими показателями без учета других стокообразующих факторов не выявляет существенной зависимости поверхностного стока от свободной скважности в метровом слое почво-грунтов.
Для выяснения причин неустойчивости зависимости коэффициента стока от влажности почво-грунтов в метровом слое рассмотрены изменения их влажности по глубине.
Важной отличительной особенностью вододефицитных территорий является неравномерное увлажнение почвы по глубине осенними дождевыми осадками. Они увлажняют почву с поверхности на небольшую глубину, оставляя иссушенной нижележащие ее горизонты. На исследуемом водосборе за 18-летний период влажность почвы до снеготаяния на зяби в слое 0-10 см изменялась в пределах от 10 до 29% от веса сухой почвы (от ВЗ до НВ), в слое 0-20 см, также от 10 до 29%, в слое 0-100 см от 10 до 16% (от ВЗ до 70% НВ) и в слое 50-100 см от 10 до 14% (от ВЗ до 64% НВ). Приведенные данные подтверждают слабую изменчивость влажности почв до снеготаяния на глубине более 0.5 м и по этой причине эти небольшие изменения во влажности этого слоя не могут оказать существенного влияния на большие колебания коэффициента поверхностного стока талых вод по годам. Сравнение максимальных запасов воды в снеге до снеготаяния и свободной емкости почво-грунтов до разных глубин показывает, что при максимальных за 18-летний период запасах влаги в почве до снеготаяния в исследуемых верховьях р. Самара (1959 г.) в оставшейся свободной до ПВ ее скважности могут разместиться в слое 0-10 см - 26 мм, в слое 0-20 см — 48 мм, в слое 0-30 см —70 мм, в слое 0-40 см — 100 мм, в слое 0-50 см - 136 мм, в слое 0-60 см - 170 мм и в слое 0-70 - 200 мм.
В этих условиях средние многолетние зимние осадки равные 129 мм (без учета их испарения зимой и при полном отсутствии поверхностного стока) могут разместиться в 0.5-метровом слое почвы и фильтрационные свойства нижерасположенных грунтов не смогут повлиять на коэффициент поверхностного стока.
Выявленные за 50-ти летний период максимальные осадки 234 мм (1957 год) при фактической в этом году свободной скважности грунтов при отсутствии поверхностного стока могли бы разместиться в слое 0-70 см.
Из изложенного можно сделать вывод, что состояние грунтов исследуемого водосбора глубже 50 см практически не может влиять на величину поверхностного стока. В связи с этим рассмотрим наличие зависимости поверхностного стока талых вод от свободной скважности верхних слоев почвы. На рис.4.16 показаны соотношения коэффициентов поверхностного стока талых вод (Кет) исследуемого водосбора за 1958-1980 годы со свободной скважностью верхнего 0.1-метрового и 0.2-метрового слоев почвы.
Распределение точек связи показывает наличие определенной зависимости Кет от свободной скважности для обоих слоев почвы. Но эта зависимость не обеспечивает требуемой точности прогноза паводков. Большой разброс точек на графике зависимости подтверждает наличие других факторов, оказывающих значительное влияние на коэффициент стока талых вод. Таким фактором по мнению ряда ученых является глубина промерзания почво-грунтов (Кузник,1963; Грин, Босс, Назаров, 1969 и др.). На рис. 4.17 показаны соотношения коэффициента поверхностного стока талых вод и глубины промерзания почво-грунтов исследуемого водосбора р.Самары. Размещение точек связи на этом рисунке показывает наличие малой зависимости Кет от глубины промерзания почво-грунтов. В 7 из 20 лет наблюдения при глубине промерзания от 0.30 до 1.50 м Кет был практически одинаков (0.24-0.35). При глубине промерзания почво-грунтов более 1 м в распределении точек связи также не прослеживается какой-то связи между глубиной промерзания и Кет, изменяющемся от 0.24 до 0.69.
Совместный анализ рис.4.16 и 4.17 показывает необходимость учета комплексного влияния глубины промерзания и свободной скважности почво-грунтов на Кет, так как при талой почве и влажности близкой к НВ скорость впитывания в нее, как правило, превышает скорость снеготаяния (табл.4.2), а при сухих почво-грунтах и большой свободной скважности глубокое промерзание не может создать водонепроницаемый слой за счет замерзания инфильтрующейся талой воды. Для учета совместного влияния свободной скважности и глубины промерзания на поверхностный сток введем значение коэффициента промерзания и скважности (Км/скв),
