Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика природных условий экспериментальных водосборов Богуславской ЛЭГБ, Молдавской и Велико-Анадольской воднобалансовых станций 8
1.1. Краткая физико-географическая характеристика территорий Богуславской ПЭГБ, Молдавской и Велико-Анадольской воднобалансовых станций 12
1.2. Характеристика экспериментальных водосборов Богуславской и Велико-Анадольской воднобалансовых станций . 18
2. Общая характеристика паводкоформирующих осадков на терри тории Богуславской ПЭГБ, Молдавской и Велико-Анадольской воднобалансовых станций 32
2.1. Пространственно-временные характеристики паводкоформирующих осадков 32
2.2. Оценка средних осадков на водосборе 65
3. Перехват жидких осадков растительностью и поверхностное задержание дождевых вод на склонах 75
3.1. Перехват жидких осадков растительностью 77
3.2. Поверхностное задержание дождевых вод на склонах . 88
4. Инфильтрационные потери дождевого стока 102
4.1. Модели инфильтрационных потерь дождевого стока. 102
4.2. Обоснование структуры формулы инфильтрационных потерь 117
4.3. Определение параметра редукции п инфильтрационных потерь во времени 121
4.4. Определение параметра oi 138
4.5. Установившееся впитывание воды в почву и его оценка 141
5. Определение начального увлажнения почв. Индексы увлажнения 158
6. Расчет слоя притока воды со склонов в русловую сеть в период формирования дождевых паводков 186
6.1. Потери склонового стока после окончания водообразования 186
6.1.1. Исходные уравнения для расчета потерь стока после окончания водообразования 186
6.1.2. Определение коэффициентов начального затопления ДО 192
6.2. Общая схема расчета слоев притока воды со склонов в русловую сеть 200
6.2.1. Вычисление среднего по водосбору слоя склонового притока по данным одного плювиографи-ческого пункта 203
6.2.2. Вычисление среднего по водосбору слоя склонового притока по данным нескольких плювиографов 208
6.2.3. Оценка точности вычисления слоев склонового притока по расчетной схеме 212
Выводы 215
Список литературы
- Характеристика экспериментальных водосборов Богуславской и Велико-Анадольской воднобалансовых станций
- Оценка средних осадков на водосборе
- Поверхностное задержание дождевых вод на склонах
- Определение параметра редукции п инфильтрационных потерь во времени
Введение к работе
Актуальность темы. Территория Украины и Молдавии в пределах лесостепной и степной зон относится к области с хорошо выраженной ливневой деятельностью. Охватывая одновременно сравнительно небольшие площади, ливни, тем не менее, на малых водосборах способны сформировать достаточно высокие дождевые паводки, которые могут принести и приносят значительный ущерб ряду отраслей народного хозяйства страны. В результате выпадения интенсивных ливневых осадков часто наблюдаются такие опасные явления как сиыв и эрозия почвы, образование оврагов, разрушение дамб, мостовых переходов и других инженерных сооружений, возводимых на малых водотоках.
По данным Г.И.Швебса ! {19 /, сегодня в мире разрушено около 430 млн.га земель. В земледельческих областях СССР эрозионные земли составляют 30-40% сельскохозяйственных угодий, а в некоторых -достигают 50-60%. Овраги вообще исключают территорию из активного хозяйственного оборота. Только от эрозии ежегодный ущерб сельскому хозяйству в нашей стране превышает 10 млрд.рублей / Н9 /.
Не. случайно, что в принятых на ХХУІ съезде КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I96I-I965 годы и на период до 1990 года" подчеркивается необходимость улучшения использования природной среды, включая мероприятия по борьбе с эрозией почвы, селями, оползнями и т.п. опасными явлениями. Успешное решение этих и других вопросов невозможно без дальнейшего всестороннего и глубокого исследования процессов ливневого стока.
В гидрологии паводков склонам и малым водосборам отводится особая роль, как важнейшим звеньям формирования стока. При прочих равных условиях именно свойствами подстилающей поверхности опре 5 деляются условия стокообразования,а следовательно, и размеры паводков. На склонах происходит подавляющая часть потерь стока, которые сильно изменяются как во времени, так и в пространстве.
Сложность процессов формирования и недостаток полноценных материалов наблюдений на малых водосборах являются причиной слабой изученности паводков ливневого происхождения. Имеющийся пробел в значительной мере удалось восполнить, благодаря многолетним и целенаправленным экспериментальным исследованиям отдельных сторон процесса формирования склонового стока, выполненных сотрудниками Одесского гидрометеорологического института под общим руководством Бефа-ни А.Н., Одесского государственного университета им. И.И.Мечникова, УкрНИИ и ДВНИИ Госкомгидромета и ряда других учреждений. В некоторых из этих экспедиций личное участие принимал и автор.
Целью настоящей работы является построение методики предвычис-ления склонового притока ливневых вод применительно к малым водотокам лесостепной и степной зон Украины и Молдавии. Использованы принципы и методология генетического направления с привлечением современных методов анализа и обработки данных.
Методика исследований. Работа построена на синтезе данных натурных опытов по исследованию процессов формирования стока, а также многолетних наблюдений на Молдавской и Велико-Анадольской водноба-лансовых станциях, Богуславской полевой экспериментальной гидрологической базе и Немешаевской стоковой станции. Ряд параметров модели притока воды со склонов в русловую сеть, в частности, при оценке потерь на перехват и поверхностное задержание приняты главным образом по работам других авторов.
При обосновании инфильтрационной модели автором использован метод размерностей. Входящие в модель параметры получены преимущественно по материалам дождевания малых площадок (размером I х I м).
Опыты проводились на различных типах почв лесостепной и степной зон Украины и Молдавии по единой методике, разработанной А.Н.Бе-фани. Параметры модели потерь на спаде склонового стока устанавливались по материалам наблюдений воднобалансовых станций. Отметим, что данные Немешаевской стоковой станции были использованы только на этапе проверки общей модели притока ливневых вод.
Научная новизна. Основные результаты, которые получены лично автором и составляющие научную новизну исследования также являющиеся предметом защиты, заключаются в построении на основе теоретических проработок отдельных сторон процесса формирования по верхностного стока рядом авторов и реализации модели притока воды со склонов. При этом:
1. Путем использования метода размерностей получена модифицированная формула инфильтрационных потерь и установлены входящие
в нее параметры.
2. Применительно к основным сельскохозяйственным культурам
и угодьям рассматриваемой территории разработан индекс увлажнения почвы. Получена универсальная зависимость между индексом увлажнения и "влажностью почвы.
3. В рамках модели формирования потерь на спаде обоснованы входящие в нее параметры и построена эмпирическая зависимость для коэффициента начального затопления склонов от величины.
4. Построен алгоритм и составлена программа на языке "Фортран", позволяющая оперативно решать задачу вычисления слоя притока со склонов в русловую сеть по данным о ходе осадков.
Практическая значимость и реализация результатов исследования. Работа выполнялась в рамках межкафедральной темы гидрологического факультета "Региональные математические модели речного (паводочно -7-го и среднего) стока и их реализация для целей расчета и прогноза стока",(приказ Минвуза ;г; УССР ( f 02380 от 2o.Xx.I98I г.). Ее практическая значимость определяется возможностью оценки слоя притока воды со склонов в русловую сеть в условиях поверхностного стокообразования степной и лесостепной зон Украины и Молдавии.
Разработанная модель может быть использована при построении методик и прогноза поверхностного стока, исследовании эрозионных процессов, уточнении ряда расчетных параметров формул максимального стока, планировании агротехнических мероприятий.
Некоторые результаты выполненных исследований уже нашли применение в практической работе Отдела комплексного использования водных ресурсов Молдавской ССР (ЦНЙИБИВР), а также в научно-исследовательской и учебной работе кафедры гидропрогнозов и моделирования ОГМИ (главным образом при выполнении курсового и дипломного проектирования).
Основные итоги докладывались на отчетных научных конференциях Одесского гидрометеорологического института (1976,1977,1983 гг.), на конференциях молодых ученых и специалистов Государственного гидрологического института (г.Ленинград, 1983 г.) и Гидрометеорологического центра СССР (г.Москва, 1983 г.), на Всесоюзных научных конференциях "Теоретические основы противоэрозионных мероприятий" (г.Одесса, ОГУ, 1979 г.) и "Проблемы расчета и прогнозирования паводков" (г.Одесса, ОГМИ, 1980 г.). Главные результаты исследования нашли отражение в 5 опубликованных работах автора, из них одна написана в соавторстве.
I. Характеристика природных условий экспериментальных водосборов Богуславской ПЭГБ, Молдавской и Велико-Анадольской воднобалансовых станций
В соответствии со схемой физико-географического районирования Украинской и Молдавской ССР / ff2 /, Богуславская полевая экспериментальная гидрологическая база (БПЭГБ), Велико-Анадольская и Молдавская воднобалансовая станции находятся в пределах лесостепной (БПЭГБ) и степной (Велико-Анадольская и Молдавская водноба-лансовые станции) зон.
Правобережная, более увлажненная лесостепь, характеризуется сравнительно высокой выщелоченностью почв, преобладанием оподзо-ленных черноземов и серых лесных почв, сформировавшихся под широколиственными лесами на карбонатных лессовых породах. В левобережной и в южной полосе зоны преобладают типичные малогумусные черноземы, образовавшиеся под степной растительностью.
Природные условия зоны благоприятны для развития сельского хозяйства. Земельный фонд УССР отмечается высокой степенью распа-ханности (в 5 раз выше, чем в среднем по СССР) / /// /. В среднем в лесостепи 66% территории распахано. Основным процессом, отри Рис.І.І Схема геоботанического районирования территории Украины и Молдавии.
В отношении растительного покрова лесостепная зона является довольно сложным образованием. Здесь остепненные луга и остатки степей на плакорах чередуются с дубовыми и дубово-грабовыми лесами на правобережье / /// /. Молдавские Кодры представлены в основном дубравами. Для всего растительного покрова этой зоны характерны также мезофитные черты. Лесистость в среднем составляет 11,3%, уменьшаясь с запада на восток в среднем от 30 до 1-3% и менее / /// /.
Степная зона занимает южную часть Украинской и Молдавской ССР. Зона отличается наибольшими тепловыми ресурсами и наименьшей увлажненностью. Так например, для Украины годовой радиационный баланс составляет 50-55 ккал/см2, в степном Крыму возрастает до 60 ккал/см . Среднемесячные температуры июля изменяются от 21,5° на северной границе зоны до 23° - на юге зоны. Наибольшее количество осадков (500-550 мм) выпадает в, северных районах, наименьшее (400-450 мм) - в южных. В пределах Донецкого кряжа происходит увеличение годовой суммы осадков на 30-50 мм по сравнению с окружающей территорией, что связано с усилением турбулентности над возвышенностями I 72 /. На территории Крыма распределение осадков зависит от особенностей рельефа - годовые суммы осадков увеличиваются с увеличением высоты над уровнем моря от 450 мм в степной части до 1000 мм и более - в горах; на Южном берегу Крыма годовая сумма осадков составляет 550-600 мм. Годовой ход осадков харак -II теризуется июньско-июльским максимумом. На теплый период (апрель -октябрь) приходится 60-70% годового количества осадков.
Испаряемость за год составляет 700-800 мм в северной полосе зоны и 900-1000 мм - в южной / /// /. Превышение испаряемости над количеством осадков почти в 2-3 раза определяет наиболее характерную черту природных условий степной зоны.
В степной зоне Украины в плакорных условиях на лёссовых породах сформировались почвы черноземного и каштанового типов. Северную полосу зоны занимают обыкновенные средне- и малогумусные черноземы, среднюю полосу - южные малогумусные черноземы. Последние сменяются узкой полосой южных солонцеватых черноземов, которые дальше на юг переходят в темно-каштановые почвы / 2 /.
В целом обыкновенные и южные черноземы характеризуются высоким естественным плодородием. Особое значение в этой зоне имеет борьба с эрозией.
По характеру естественного растительного покрова степная зона характеризуется преобладанием травянистой степной растительности. По склонам балок и тальвегов кое-где сохранились байрачные дубовые перелески, обычно окаймленные кустарниковыми зарослями.
Пахотные земли составляют 70-75% всей площади зоны, т.е. около 48% пахотных земель республики. Недостаточная увлажненность территории, частые засухи, суховеи и пыльные бури, значительная засоленность почв, особенно в южной зоне - главные отрицательные черты природы зоны с хозяйственной точки зрения. В связи с этим, комплекс всех агротехнических, гидротехнических и лесокультурных мероприятий по повышению продуктивности земель степной зоны должен быть направлен на борьбу за влагу. В пределах южной степной подзоны широко распространено орошение на базе не только больших, но и малых рек. Площади орошаемых земель на Украине возросли с 270 тыс.га в I960 г. до 1492 тыс.га в 1975 г. / 72 / и продолжают интенсивно увеличиваться в настоящее время.
Характеристика экспериментальных водосборов Богуславской и Велико-Анадольской воднобалансовых станций
В геологическом отношении район Велико-Анадолья представляет собой область сочленения Приазовского кристаллического массива со складчатым палеозоем южных склонов Донецкого кряжа / SO /. Гребень кристаллического массива приподнят над уровнем моря в районе Волновахи до 228 м. Кристаллическая плита погружается на север под большим уклоном, все более удаляясь от дневной поверхности в районе лесного массива.
Породы Приазовского кристаллического массива и палеозойской толщи в силу тектонической раздробленности во многих местах взаимосвязаны зонами общих тектонических разломов, среди которых прежде всего следует отметить структуру "Донского сброса", идущего параллельно Кашлагачу через площади Велико-Анадольского леса / 83 / . Эти зоны разломов играют важную гидрогеологическую роль: по ним осуществляется дренирование подземных вод. В связи со сложностью тектонического строения и карстовыми явлениями в районе расположения станции образовался разнообразный рельеф в виде расчлененных долин, глубоких балок и оврагов, кряжей из песчаников и известняков /S3 /. Четвертичный покров в районе Велико-Анадолья представлен тяжелыми лёссовидными суглинками переменной мощности от 2 до 28 м.
Чаще всего мощность суглинков на площадях леса находится в пределах 8-15 м. На равнинах и слегка приподнятых формах рельефа как под лесом, так и на поле прослеживается карбонатный иллювий на глубине 1-2 м и сульфатный - на глубине 3-4,5 м, что указывает на отсутствие сквозной инфильтрации осадков до уровня грунтовых вод.
В этом районе важнейшее хозяйственное значение имеет борьба с плоскостным смывом почв. По мнению ряда авторов / 3 /, особое внимание следует уделить развитию полезащитного насаждения. Ярким
примером степного лесоразведения является Велико-Анадольский лес, заложенный в 1843 году в открытой засушливой степи, в 50 км на юго-запад от г. Донецка в верховьях болновахи (2518 га). Этот рас-кошный лесной остров среди степи не только подтверждает возможности широкого степного лесоразведения, но и показывает его большое противоэрозионное и мелиоративное значение для улучшения микроклиматических условий и водного режима почв прилегащих территорий.
По наблюдениям за поверхностным стоком на логах Сухой (расположенного за пределами Велико-Анадольского леса) и Дубовый (расположенного в границах площадей Велико-Анадольского леса) можно отметить, что Велико-Анадольский лес в значительной мере сокращает поверхностный сток по сравнению с открытым полем. По данным / S3 / в лесу даже на участках с большими уклонами поверхностный сток практически отсутствует, это подтверждается и полным прекращением дальнейшего роста оврагов.
На территории Велико-Анадолья преобладает типичный (невыщело-ченный) обыкновенный среднегумусный чернозем. Он занимает выровненные участки и верхние части пологих склонов. К узким ложбино-образным вершинам пологих балок и их отверткам приурочен чернозем обыкновенный мощный выщелоченный.
Небольшое распространение имеет обыкновенный среднегумусный слабовыщелоченный чернозем, занимающий плоские водораздельные плато и протяженные пологие склоны.
Черноземы Велико-Анадолья испытали на себе долговременно (местами до 140 лет) воздействие лесной растительной формации. Отмечено некоторое уменьшение удельного и объемного веса, увеличение общей скважности и влагоемкости, особенно в верхнем 20-сантиметровом слое почвы.
На Волновахском водоразделе применяется в основном глубокая зяблевая пахота. В 50-60-х годах здесь создана широкая система полезащитных лесных полос, произведена застройка территории, проложены железные и шоссейные дороги.
Оценка средних осадков на водосборе
Для дождевых осадков, особенно в лесостепной и степной зонах, как отмечалось в предыдущем разделе, характерна чрезвычайно высокая пространственная и временная неоднородность выпадения. Это приводит к тому, что даже в пунктах, расположенных на расстоянии в несколько километров друг от друга, дожди могут разительно различаться как по слою, так и форме гиетографа.
В разделе 2.1 в качестве примера приведены схемы распределения значительных осадков по территории ряда воднобалансовых станций. Исследования пространственной структуры полей осадков и точность методов их площадного осреднения получили развитие, главным образом, в последние 10-12 лет /39}S /OS /. Несмотря на на копленный материал, сведения о статистической структуре осадков являются отрывочными, особенно для коротких интервалов времени / S , f06 /. Анализ пространственного распределения осадков на экспериментальном метеорологическом полигоне УкрНИГМИ / 36 / показал чрезвычайно высокую их вариацию на небольшой площади (400 кыг). Установлено, что для измерения количества осадков за дождь со слоем более 5 мм на этой площади с точностью + 8% необходима чрезвычайно высокая плотность осадкомерной сети - один осадкомер на 25 ЮУГ.
В последующих разделах будет показано, что при расчетах стока такая плотность измерительной сети в некоторых случаях оказывается далеко недостаточной.
Погрешности пространственного осреднения осадков служат одной из причин ошибок при математическом моделировании стока. И.Н.Гарц-мал /-&?/, Р.Л.Каган / S8 / и др. считают, что решение задачи может быть достигнуто без предельного сгущения сети осадков путем развития радиолокационных и микроволновых методов измерения осадков и разработки способов комплексирования этих измерений со стандартными осадкомерными данными. В ряде работ / / ? , 27, 36 / показано, что радиолокационный способ измерения интенсивности и количества осадков на больших площадях сравним по точности со стандартным методом или даже превосходит его. При помощи локации возможно получать картину пространственного распределения осадков через каждые 3-5 минут / fO /. Известен ряд стоковых моделей, основанных на использовании радиолокационных данных об осадках. Технически при пространственном осреднении осадков используется несколько методов / 38 /\ среднего арифметического, средневзвешенного и изогнет. Поскольку осадкомерная сеть чаще всего бывает неравномерно размещенной по территории, наибольшее распространение имеют два последних. Р.Л.Каган предложен так называемый метод "взвешивания по площади", учитывающий статистические свойства осредняемых полей.
Нахождение оптимальных весов для каждой станции предлагается выполнять с помощью пространственной корреляционной функции поля осадков. Однако эта методика применима лишь для "сравнительно однородных и изотропных" полей осадков / & /. Проблема пространственной интерполяции измерений в пунктах наблюдений сумм осадков является наиболее сложной в горных районах, так как сведения о влиянии рельефа на распределение осадков по высотным поясам недостаточны. В.Л.Щульц / /22 / отмечает, что в условиях горных стран количество осадков, кроме высоты местности, зависит также от ориентации хребтов по отношению к влагоносным массам воздуха, доступности их этим массам и особенностей синоптических процессов. В связи с этим, И.Н.Гарцман /40 / считает, что многомерный анализ полей осадков возможен только в многомерном пространстве координат доступности / 40 /. Наряду с высокой пространственной вариацией осадков в горных районах, характер этой вариации меняется и от паводка к паводку /22 /. По данным М.Н.Соседко / f00 /, для бассейна верхнего Днестра на площади 18-20 тыс.км разница в количестве осадков по отдельным пунктам за один и тот же паво-дочный период может превысить 200-300 мм, для суточных сумм осадков достигая 130-220 мм. Коэффициент вариации по площади суточных сумм осадков от паводка к паводку изменяется от 0,20 до 1,25. При этом характер высотного распределения осадков по всему бассейну верхнего Днестра не имеет определенной стабильности, а теснота связи осадков с высотой довольно слабая. В отдельных частных бассейнах притоков Днестра / Ґ06 / подобные зависимости приобретают большую.четкость, например, в бассейне р. Стрый.
Поверхностное задержание дождевых вод на склонах
На поверхности склонов под влиянием естественных неровностей рельефа, а также в результате обработки почвы всегда имеется достаточно большое количество микродепрессий, способных в периоды снеготаяния и дождевых паводков временно аккумулировать склоновые воды. По данным многолетних наблюдений О.И.Крестовского / 64 / за аккумуляцией стока талых вод в микро- и макропонижениях на поверхности водосборов при среднем уклоне Ъ2%о на I га луга приходится около 1600 понижений, на обработанной пашне (озимь,жнивье) при уклоне 74& их около 4700, а на зяблевой пашне с уклоном 6%о - почти 80000. Каждая депрессия имеет свой микроводосбор. Наинизший участок соответствующего микроводораздела служит порогом слива вод. Интересные сведения о задержании воды в микропонижениях обработанного склона степной части Краснодарского края приведены в статье И.С.Бойко /26 /. Так как здесь наибольшие площади занимает озимая пшеница, экспериментальные работы проведены в условиях обработки почвы под озимые культуры плугом с одновременным боронованием. При продольной обработке съемкой освещен склон с уклоном от 1,8 до 70$ 7, при поперечной - от 17 до 100%о . В соответствии с направлением обработки четко обнаруживается система форм рельефа в виде борозд. В каждой борозде выделяется возвышенная часть - гребень и пониженная - ложбина. На эксперимен p тальных площадках размером 3x1 (м ) при поперечной обработке располагается 10—II, а при продольной - 3-4 борозды шириной 25 см. Значения площадей и объемов бессточных понижений зависят как от уклона, так и от характера обработки.
При поперечной вспашке на склоне, имеющем уклон I7% , бессточные понижения занимают площадь от 0,10 до 0,25 иг, а их объем равен 0,34-4,6 л. На участке с уклоном 100%о эти же характе-ристики значительно ниже - площади от 0,06 до 0,16 м , а объемы -от 0,16 до 2,0 л. Водосборная площадь борозды составляет в основном 0,2 - 0,3 м2.
На продольно обработанных склонах площади бессточных понижений и объемы в несколько раз меньше, чем при поперечной вспашке.
Однако, как показали исследования Н.Д.Ещенко / /, не только характер обработки склонов и уклоны влияют на величину задержания. В тех случаях, когда зяблевая вспашка производилась ранней осенью и борозды к зиме успели частично заплыть, при уклонах до 7 задержание при поперечном расположении борозд составило 5 мм; на зяби с поздней пахотой возможна аккумуляция до 12 мм воды. На естественных склонах поверхностное задержание значительно меньше. На лугу с плоским рельефом (территория Придеснянской стоковой станции) в микровпадинах задерживается до 2 мм талой воды, а с крутых склонов вода стекает почти полностью. На полях, покрытых озимью, при уклонах до 2 в неровностях рельефа аккумулируется 4-5 мм воды при вспашке поперек склонов и до 2-3 мм -при вспашке вдоль склонов /SS /. Н.Д.Ещенко произведена также оценка задержания на полях после уборки картофеля лопатой. На таких полях остаются ямки, диаметром 25-30 см и глубиной 15-20 см, расположенные в шахматном порядке на расстоянии около 40 см друг от друга, в которых может задерживаться при малых уклонах свыше мм воды, а при уклонах, превышающих 10, эта величина уменьшается до б мм.
Как справедливо отмечает Н.И.Коронкевич / б3 / , оценить влияние хозяйственных мероприятий на сток не всегда удается из-за отсутствия надлежащих сведений об агротехнике. Так, по данным A.M. Грина / 4s f % в центрально-черноземных районах коэффициент стока с зяби, вспаханной конным плугом на глубину 12-15 см, в 1,5 раза больше, чем при зяблевой пахоте на тракторной тяге. Конечно, относительная эффективность зяблевой пахоты не остается одинаковой из года в год. Она повышается в маловодные годы и снижается - в многоводные.
По оценке ряда авторов / /J f /7 9 & / при хорошо расчлененном рельефе и значительных уклонах склонов, особенно в степных районах, поверхностное задержание составляет небольшую долю общих потерь. Ведущая роль в формировании потерь здесь принадлежит инфильтрации. Но при плоском рельефе задержание существенно возрастает, а на равнинных с малой инфильтрационной способностью почв становится преобладающим. Очень часто, в силу сложности постановки экспериментов по оценке поверхностного задержания, его рассматривают совместно с инфильтрацией. Более того, на естественных бассейнах точно разделить общее количество поглощения на собственно инфильтрацию и поверхностное задержание практически невозможно. Тем не менее, как справедливо отмечается в работе / $2 /, при теоретическом анализе водопоглощения рассматривать их совместно нецелесообразно из-за разных факторов и соотношения в различных бассейнах. Особенно это относится к весеннему половодью. Процесс задержания талых вод на водосборе при сильном увлажнении и промерзании, указывает С.И.Харченко / //4 /, практически сводится к заполнению различного рода понижений. В мягкие зимы, наоборот, главным процессом в рассматриваемых условиях является инфильтрация, а временное задержание выступает в качестве сопутствующего фактора, увеличивающего период просачивания.
Для расчета величин поверхностного задержания и его динамики во времени требуется знать характер распределения объемов и площадей микродепрессий по длине и ширине склонов. Как правило, за исключением небольших экспериментальных участков, съемки микрорельефа на значительных площадях, необходимые для статистической оценки структуры поверхности, не производились. Поэтому большинство авторов / В , (7 , 22 , 73 % 92 и др./ при разработке модели поверхностного задержания используют разные способы схематизации строения поверхности и возможных типов распределения депрессий по площади.
Определение параметра редукции п инфильтрационных потерь во времени
Обоснование структуры формулы инфильтрационных потерь дано в предыдущем разделе. В нее входит три параметра - два безразмерных: Л и с и один размерный - установившаяся интенсивность инфильтрации R0 . Для определения искомых параметров необходимо располагать кривыми впитывания, желательно для различных типов и сельскохозяйственного использования. Возможности получения инфильтрационных кривых весьма ограничены. Данные опорной гидрологической сети для этой цели мало пригодны, так как они дают представление только о суммарных потерях, определяемых по разности осадков и стока. Даже по материалам стоковых станций не всегда удается воспроизвести ход инфильтрации во времени из-за разных колебаний интенсивности осадков. По этой причине на практике получили распространение экспериментальные методы построения кривых впитывания. Наиболее широко применяются, инфильтрометры (типа Нестерова конструкции Зна-менского-ПВН и с игольчатым репером), а также различных размеров дождевальные установки.
Инфильтрометр ПВН состоит из 2-х цилиндрических колец высотой 150 мм. Диаметр внутреннего кольца равен 226 мм, внешнего - 450 мм. Кольцо в почву забивается на глубину 8-Ю см. Как во внутреннем, так и во внешнем кольцах при проведении опытов над поверхностью почвы при помощи сосудов Мариотта поддерживается постоянный уровень воды, глубиной 5 см. Этим инфильтрометром проведено большое количество экспериментальных исследований водопроницаемости почвы (И.С.Шпак, 1955; А.И.Субботин, 1967; С.И.Харченко и С.С.Роо,1963; Г.В.Назаров, 1981; А.М.Грин, 1965; Н.И.Болокан, 1978; автором, I960 и др.).
Инфильтрометры с игольчатым репером состоят из металлического кольца диаметром около 30 см, забиваемого в грунт на максимально возможную глубину, При постановке опыта первоначально в кольцо заливается определенный объем воды, взятой из расчета таким,чтобы
уровень воды был несколько выше острия игольчатого репера, установленного в центре кольца. После того, как игла проколет зеркало воды, производится долив известного объема и регистрация времени его впитывания. Такого типа инфильтрометры многие годы (начиная с IS63 г.) успешно применялись учеными Одесского гидрометеорологического института под руководством А.Н.Бефани и Н.Ф.Бефани для определения впитывающей способности почв. Хорошо зарекомендовали себя эти инфильтрометры не только в условиях равнинного рельефа, но и на горных склонах, где почвы отличаются хрящеватостью и наличием обломочного материала. Не отличающиеся высокой прочностью металла инфильтрометры ПВН для горных условий вообще неприменимы.
Хотя работа с инфильтрометрами проста и не требует громоздкого оборудования, полученные при их помощи величины впитывания зачастую являются искаженными. Причин здесь несколько. Прежде всего, особенно при сухой почве , не удается избежать значительного бокового растекания, в том числе и связанного с нарушением структуры грунта при забивке инфильтрометра. Это обстоятельство существенно влияет не только на начальную стадию процесса впитывания, но и на величину установившейся инфильтрации. С другой стороны, как справедливо отмечают С.И.Харченко и С.С.Роо / /Л5" /, показания инфильтрометров в большинстве случаев не соответствуют физической сущности процессов впитывания при выпадении дождя и меняются в зависимости от характера почвогрунта. При повышенной водопроницаемости почвогрунтов инфильтрометры мало пригодны. По наблюдениям А.И.Субботина / 1W /, интенсивность инфильтрации по ПВН значительно выше, чем по дождевальным установкам.
Оценивая инфильтрометры с точки зрения получения характеристик впитывания воды в почву, нельзя не согласиться с мнением Г.В.Назарова f 86 f относительно того, что инфильтрометры целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо иметь сравнительные данные о впитывающей способности различных почв на разных сельскохозяйственных угодьях. И все же, несмотря на столь серьезные возражения против применения инфильтрометров, они себя еще не исчерпали до конца и могут быть весьма полезными при решении многих практических задач. Так, при высокой проницаемости верхнего слоя, когда имеет место значительное боковое растекание, А.Н.Бефани и Н.Ф.Бефани рекомендуют инфильтрационную съемку производить послойно, т.е. с постепенным снятием верхних горизонтов, пока не будет достигнут относительный водоупор. Ими же предложен способ построения действительной обобщенной кривой впитывания для условий послойного измерения инфильтрации. Более того, Н.Ф.Бефани /20, считает, что экспериментальные исследования инфильтрации должны быть комплексными и включать в себя дождевание малых площадок для учета поверхностного впитывания, а больших - для установления элементов контактного и общего стока и инфильтрационные съемки на разных высотных горизонтах. Комплексные эксперименты взаимно контролируют и дополняют друг друга, обеспечивая достоверность выводов.
Метод искусственного дождевания состоит в капельной подаче воды на площадку, размеры которой определяются структурой дождевальной установки, условиями подстилающей поверхности и задачами эксперимента.
