Содержание к диссертации
Введение
1. Сток как основа оптимизации адаптивно-ландшафтного земледелия и закономерности его формирования 14
1.1 Сток как ресурс гидромелиоративных мероприятий 14
1.2 Мелиоративная характеристика факторов стока 18
1.2.1 Гидролого-климатические факторы стока 21
1.2.2 Структура водосборной площади и водный режим агроландшафтов 24
2. Мелиоративно-гидрологические особенности ландшафтов Омского Прииртышья 32
2.1 Рельеф и геоморфология 33
2.2 Климатические особенности территории 39
2.3 Гидролого-мелиоративная характеристика природных зон 46
2.4 Почвы и растительный покров как компоненты ландшафтно-мелиоративной системы земледелия 50
2.5 Гидрологический режим исследуемой территории 54
2.6 Гидролого-экологические проблемы Омского Прииртышья 65
3. Гидролого-мелиоративные закономерности территориального распределения ресурсов местного стока на территории Омского Прииртышья 74
3.1 Гидромелиоративные аспекты исследования стока на территориях Западной Сибири и Омской области 77
3.2 Расчеты местного стока по материалам наблюдений за увлажнением и теплообеспеченностыо 82
3.3 Местный сток как ресурс мелиоративного освоения территории Омской области 91
3.4 Гидролого-мелиоративная карта ресурсов местного стока территории Омской области 104
3.5 Оценка ресурсов местного стока в районах области для целей проектирования гидромелиорации 109
4. Мелиоративные аспекты использования ресурсов местного стока в Омской области 114
4.1 Исследование динамики тепловлагообеспеченности на территории Омской области в аспекте гидротехнических мелиорации 114
4.1.1 Текущие водные балансы 114
4.1.2 Оценка естественного увлажнения в районе г.Омска 125
4.2 Расчеты гидромелиоративных норм 127
Выводы и предложения 135
Библиографический список 144
Приложения 159
- Структура водосборной площади и водный режим агроландшафтов
- Почвы и растительный покров как компоненты ландшафтно-мелиоративной системы земледелия
- Расчеты местного стока по материалам наблюдений за увлажнением и теплообеспеченностыо
- Гидролого-мелиоративная карта ресурсов местного стока территории Омской области
Введение к работе
Актуальность темы
При обосновании комплексных мелиоративных мероприятий первостепенное значение имеет совместный анализ важнейших природных ресурсов территории - водных ресурсов и теплоэнергетических ресурсов (ТЭР) суммарного испарения, создающих фитомассу. Теплоэнергетические ресурсы испарения и водные ресурсы являются постоянно возобновляемыми, так как практически неисчерпаема энергия Солнца. Именно соотношения ресурсов тепла и влаги определяют тип и плодородие почв, режим формирования фитомассы и продуктивность естественных фитоценозов. Одной из наиболее существенных характеристик соотношения тепла и влаги является сток. Поэтому исследования стока рек и его изменений важны не только, как исследования собственно природных процессов, но и как средство сельскохозяйственного производства.
При решении вопросов сохранения экологического баланса, проблем рационального водопользования, для обоснования проектов мелиорации земель необходимо иметь точные сведения о важнейших природных ресурсах территории и структурах теплового и водного балансов на поверхности водосборов. Однако, на территории Сибири и Омской области степень изученности гидрометеорологических характеристик недостаточна в силу чрезвычайно слабой заселенности и редкой сети гидрологических станций и постов на реках, а также редкой сети метеостанций, особенно имеющих актинометрические площадки.
Проблема определения водных ресурсов в засушливых областях, таких, как южная половина Омской области, осложняется еще и отсутствием рек, сформированных местным стоком, хотя здесь через каждые 20-30 лет, как это ни парадоксально, случаются наводнения, вызываемые снеготаянием, что свидетельствует о значительных ресурсах местного стока и их большойизменчивости по годам. Актуальность решения этой проблемы определяется исторически сложившимся хозяйственным освоением территории Омской области, тем, что южные районы области являются главными производителями и поставщиками сельскохозяйственной продукции, а соответственно, основными объектами ландшафтно-мелиоративных систем земледелия региона. Нормативные гидрологические документы и научные оценки в специальной литературе дают разноречивые сведения о значениях водных ресурсов для водосборов южной лесостепи и степной зоны, поэтому специалисты часто оказываются в затруднительном положении при выборе расчетных значений нормы стока для определения режимов орошения и при проектировании гидротехнических мелиорации на данной территории.
B.C. Мезенцев (1993) справедливо отмечал : «В современных условиях, надежное, гидрологическое обеспечение проектов гидромелиоративного и водохозяйственного строительства приобретает особое значение» [109,с.З]. Составление государственных и региональных планов гидромелиоративного освоения территории с учетом перспективы освоения природных ресурсов, разработка методов долгосрочных прогнозов водного, теплового и других режимов на мелиорируемых землях с учетом изменчивости природных условий, моделирования этих процессов, обоснования расчетной обеспеченности невозможны без объективной оценки водных ресурсов территории.
Традиционно сложившаяся практика использования в качестве источников водоснабжения транзитных водных ресурсов крупных рек и рост городов с сильно развитым промышленным производством привели к тому, что к концу 20-го столетия возникла экологическая проблема уязвимости источников водоснабжения целых мегаполисов. Местные водные ресурсы подвергаются сильной антропогенной нагрузке из-за постоянно растущего объема водозабора на коммунальные и производственные нужды, из-за регулирования стока рек и т.д., в результате чего происходит изменение режимов уровней воды, разрушение берегов, заиление русел, загрязнение вод и прилегающих к ним земель и т.п. Решение гидролого-экологических проблем Омского Прииртышья имеет практическую значимость в связи с нарастающим дефицитом чистой воды вообще и в связи с возможным изъятием части стока Иртыша на территории Китая в результате запроектированного ввода в строй в ближайшие годы водохранилища в верховьях Иртыша, а также канала Иртыш -Карамай. Это может вызвать дефицит водных ресурсов в Омском регионе, особенно в маловодные годы.
Настоящая работа посвящена исследованиям гидролого-мелиоративных закономерностей формирования местных водных ресурсов водосборов на территории Омской области.
Вышеизложенное определяет актуальность данного исследования, как в теоретическом, так и в практическом аспектах.
Состояние и степень изученности проблемы
Вопросы теории, практики и методологии, посвященные проблеме исследования важнейшего природного ресурса территории - водных ресурсов, нашли широкое отражение в работах ряда российских и зарубежных ученых: Д.И. Кочерина, К.П. Воскресенского, Б.Д. Зайкова, Л.К.Давыдова, А.В.Огиевского, П.С. Кузина, В.С.Мезенцева и др.
Изучением элементов водного баланса водосборов Западной Сибири и Омской области занимались в разные годы сотрудники Главной геофизической обсерватории А.И. Воейкова, Омского и Западно-Сибирского Управлений Гидрометслужбы СССР, Омского сельскохозяйственного института (Мезенцев B.C., Эйрих Г.Д., Карнацевич И.В., Русаков В.Н., Белоненко Г.В. и др.)
Однако, до сих пор существуют весьма существенные разночтения в оценке местного стока на территории Омской области, как источника гидромелиоративных мероприятий.
Цель исследования
Целью данной диссертационной работы является исследование, разработка и совершенствование теоретических и методических положений комплексной оценки ресурсов местного стока в условиях уникальной с точки зрения гидрографической и гидрометрической неоднородности территории Омской области. Оценка эта должна стать основой рациональной организации их комплексного использования, обеспечения управленческой мелиоративной деятельности, обоснования необходимости и масштабов различных видов мелиорации земель, прогнозов водного, теплового и других режимов на исследуемой территории с учетом изменчивости природных условий. В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:
• выполнить анализ и оценку существующих методов определения ресурсов местного стока;
• исследовать ландшафтно-экологические закономерности формирования ресурсов тепла и влаги в процессе тепловлагооборота и генезиса ресурсов местного стока;
• выполнить массовые расчеты ресурсов местного стока и дефицитов влаги по данным метеостанций с учетом дифференциации структуры теплоэнергетических ресурсов климата и испарения, определить значения ресурсов местного стока в годы редкой повторяемости;
• на основе произведенных исследований разработать технологию картирования нормы местного стока для территории Омской области и построить такую карту;
• на основе карты местного стока произвести оценку водных ресурсов для каждого административно-хозяйственного образования Омской области для целей гидромелиорации;
• выполнить расчеты тепловоднобалансовых элементов и проанализировать динамику тепловлагообеспеченности на территории Омской области по месячным интервалам за несколько десятилетий;
В качестве объекта исследования приняты речные бассейны территории Омской области и обширные бессточные области.
Предметом исследования явились закономерности формирования элементов водного баланса водосборов - атмосферного увлажнения, местного элементарного стока и суммарного испарения, как компонентов водного режима мелиорируемых земель, а также совершенствование методов оценки ресурсов местного стока бессточных областей на территории Омской области в аспекте гидромелиоративного освоения.
Методологической основой диссертационного исследования являются: основные законы тепловлагооборота на поверхности суши, выраженные аналитическими и эмпирическими зависимостями и моделями, основанными на законах сохранения материи (воды) и энергии.
В исследовании использованы материалы, собранные и полученные в результате расчетов автором диссертационного исследования.
В работе использованы следующие традиционные методы анализа: статистический, регрессионные методы, картографический метод, метод географической интерполяции, кроме того, впервые в гидролого-экологической работе, связанной с территорией Омской области, широко использовались ГИС с их базами данных, созданными автором работы.
Достоверность полученных результатов подтверждается проверкой статистическими методами, сравнением рассчитанных значений с измеренными, длительностью периодов наблюдений.
Научные положения, выносимые на защиту:
• результаты исследования ресурсов местного стока и дефицитов влаги по данным метеостанций с учетом уточнения понятия о теплоэнергетических ресурсах испарения в средний год и в годы расчетной обеспеченности по теплу и влаге;
• исследование динамики тепловлагообеспеченности на территории Омской области за тридцатилетний период ( для нескольких метеостанций за 70-летиий);
• принципиально новая картографическая электронная нормы местного стока для территории Омской области;
оценка водных ресурсов в административных районах Омской области для целей гидромелиорации • ландшафтно-экологические закономерности формирования ресурсов тепла и влаги в процессе тепловлагооборота и генезиса ресурсов местного стока : гидролого-мелиоративная константа модуль стока М=1л/с-км , индицирующая границу перехода от районов с густой речной сетью ( где наблюдается переувлажнение и необходимость в осушительных мелиорациях) к районам, где гидрографическая сеть отсутствует за исключением транзитных водотоков (потребность в орошении).
Научная новизна исследования заключается:
• в научно-методическом подходе к совершенствованию методов количественной оценки водных ресурсов территорий неоднородных в отношении тепловлагообеспеченности.
• в использовании геоинформационных систем (ГИС) для целей гидролого-мелиоративных картографических построений;
• в принципиально новой картографической модели - электронной карте ресурсов местного стока, основанной на композиции гидрометрических данных и рассчитанных по данным метеостанций;
• в методических рекомендациях по совершенствованию организации использования водных ресурсов области на основе проведенной оценки объемов местного стока по районам области, с целью решения проблем орошения и водоснабжения;
• в установлении существования гидролого-мелиоративной константы значения модуля годового стока М=1(л/с-км2), которая приурочена на местности и на картах к полосе массового разрыва русел постоянных водотоков, что означает границу перехода от зоны переувлажнения (необходимость в осушительных мелиорациях) к аридной зоне (потребность в орошении). Полоса на местности, которой соответствует значение модуля стока М=1(л/с-км2) должна стать объектом ландшафтно мелиоративных схем районирования и рассматриваться как подзона переменного увлажнения, где требуется двустороннее регулирование влаги.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что ее основные положения и выводы сформулированы в виде конкретных методических подходов и рекомендаций, а полученные количественные результаты могут и должны быть использованы специалистами и руководителями районов Омской области, города Омска и других населенных пунктов, территориальными органами Водного кадастра, Министерства природных ресурсов и Министерства чрезвычайных ситуаций в целях формирования стратегии планирования и перспективного использования местных водных ресурсов для суверенного и стабильного развития хозяйства области.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы мелиорации и водного хозяйства Западной Сибири в современных социально-экономических условиях», посвященной 75-летию факультета водохозяйственного строительства ОмГАУ (02 декабря 2004г.), III Всероссийской научной молодежной конференции с участием стран СНГ «Под знаком Сигма» (4-6 июля 2005г.), региональной научно-практической конференции «Инновационные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (16-17 марта 2006г.), посвященной 85-летию образования Института заочного обучения и повышения квалификации ОмГАУ, VI Международной научно-практической конференции «Сибирская деревня» (30-31 марта 2006г.), в журнале «Омский научный вестник» (№2,2006)(№35), (№3,2006)(№36).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборниках научных трудов, материалах конференций. По теме диссертации издано 7 научных работ общим объемом 2,14 печ. л. (подготовлено лично автором 1,81 печ. л.). Внедрение результатов исследования. Результаты исследования используются в учебном процессе на факультете ВХС в ОмГАУ, производстве ФГУ «Омскмелиоводхоз», в Омском филиале ФГУП «СибНИИГиМ».
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и предложений, библиографического списка и приложений, изложена на 202 страницах, в том числе на 143 страницах основного текста. Рукопись включает 31 таблицу, 29 рисунков. Библиографический список содержит 168 источников.
Структура водосборной площади и водный режим агроландшафтов
Формирование стока любой реки осуществляется в конкретных мелиора-тивно- географических условиях ее водосборного бассейна. В пределах этого бассейна происходит трансформация дискретно поступающих на его поверхность атмосферных осадков в обычно непрерывный процесс речного стока, его естественное регулирование. В то же время многие особенности речного бассейна могут влиять на отклонение количественных характеристик стока от их зональных значений, определяемых климатом. В связи с этим знание этих особенностей позволяет правильно понимать происходящие в бассейне процессы формирования стока и выбирать наиболее адекватные методы оценки его параметров, особенно при отсутствии материалов гидрометрических измерений,
Каждый речной бассейн, большой или малый, это участок литосферы, ограниченный линиями поверхностного и подземного водоразделов. Этот участок характеризуется определенным географическим положением, размерами и формой, геологическим строением, рельефо.м и почвенным покровом, которые в совокупности оказывают большое влияние на формирование стока. Кроме того, на речной сток влияют расположенные на нем элементы биосферы, представленные разными видами флоры и фауны, а также гидросферы. Последняя может быть представлена озерами, болотами, горными ледниками, а также наледями, которые также отличаются разными размерами, особенностями гидрологического режима и т.д. Многие из перечисленных факторов речного бассейна являются отражением климатических условий, другие азональны. Все они, воздействуя комплексно, влияют на величину и режим речного стока.
Представление о любом конкретном речном бассейне начинается с анализа его географического положения, от которого зависят климат, а, следовательно, и водоносность реки, режим ее стока. Основные зональные характеристики стока обусловливаются в пределах равнины широтной климатической зональностью, а на возвышенностях и в горах - сочетанием этой зональности с высотной климатической поясностью. Так, по мере продвижения в глубь материка возрастает континентальность климата, характеризующаяся высокими амплитудами колебаний суточных и годовых температур воздуха и уменьшением атмосферных осадков. В горных районах расположение бассейна с наветренной или подветренной стороны также влияет на формирование стока.
Важно также учитывать общую экспозицию бассейна, особенно большого, по отношению к странам света, которая часто определяет главное направление течения реки. В разно ориентированных по отношению к странам света бассейнах по-разному протекают, например, процессы весеннего снеготаяния и формирования волны весеннего половодья. Более бурно могут проходить эти процессы на реках, текущих на север, где основное направление течения совпадет с направлением движения фронта снеготаяния. Следовательно, при прочих равных условиях модуль максимального стока талых вод здесь может быть больше (Поляков. 1946) [134] . Существенно влияет направление течения реки и на ледовые процессы.
Рельеф - это совокупность форм горизонтального и вертикального расчленения земной поверхности различных размеров. Вертикальная расчленен-ность-это глубина вреза русла, горизонтальная -коэффициент густоты речной сети и овражно-балочной сети в совокупности с уклоном речного бассейна оказывают влияние на распределение твердых осадков, затем стаивание их и, соответственно, на внутригодовое распределение и в определенной степени, на величину стока, так как часть осадков идет па испарение.
В гидрологии речной бассейн и речной водосбор употребляются как синонимы [44]. Бассейн каждой реки делят на поверхностный водосбор, ограниченный линией поверхностного водораздела, и подземный, границы которого определить очень сложно. Поэтому величиной водосборной площади считают площадь поверхностного водосбора. Однако у малых и средних рек, протекающих в геологических условиях, допускающих водообмен с соседними бассейнами, поверхностные и подземные водоразделы могут существенно различаться, что и дает в результате отклонение в значениях стока этих рек от зонального значения.
Другая причина несовпадения площади водосбора и площади бассейна -это наличие в условиях равнинного рельефа большого числа замкнутых бессточных понижений. Так, на юге Обь-Иртышского бассейна такие участки занимают более 500 тыс.км2, а их доля в отдельных районах достигает 40-60% [93]. В условиях плоского рельефа бессточные области увеличиваются по мере усиления аридности климата и снижения речного стока. Однако учесть все эти бессточные площади часто бывает очень сложно, неправильное определение площади бассейна часто приводит к искусственному занижению слоя зонального стока и искажению правильного представления о соотношении в таких районах основных элементов водного баланса [93].
В условиях южной лесостепи и степи - то есть в зоне недостаточного увлажнения многочисленные замкнутые понижения являются бессточными, что безусловно сказывается на процессе формирования и величине стока, и водном режиме экосистемы в целом.
В равнинных местностях при исчезающе малых уклонах земной поверхности на водосборе рек образуются и существуют сотни и тысячи озер и микроводосборов (понижений рельефа, заполненных водой после дождей и во время снеготаяния). В этих понижениях задерживаются большие количества воды, не доходящие до реки. Вода из этих понижений испаряется с водной поверхности или впитывается в почву, а затем испаряется с поверхности почвы. А.И.Чеботарев (1975) пишет; «В пределах бассейнов, расположенных на плоских равнинных пространствах засушливых районов, могут располагаться области значительных размеров, не имеющие стока в основную реку, полностью расходующие поступающую в виде осадков воду на испарение и питание подземных вод, уходящих за пределы речного бассейна. Такие бессточные области не должны включаться в величину водосборной площади реки.»[160, с.222].
Размеры бессточных областей могут меняться в зависимости от водности года: в многоводные годы они сокращаются, в маловодные увеличиваются. Применительно к различным задачам приходится принимать во внимание водосборную площадь или всей реки, или отдельных ее частей. На Рис. 1.2. приведена схема распределения бессточных площадей в бассейне р.Иртыш, составленная Б.П.Ткачевым и В.И. Булатовым (2002) [153].
Почвы и растительный покров как компоненты ландшафтно-мелиоративной системы земледелия
Рассмотрение структуры почвенного покрова на территории Омской области непосредственно связано с обоснованием необходимости планирования и реализации различных видов мелиорации земель.
Омская область располагает значительными площадями земельных ресурсов - 14,1 млн.га. По данным Комитета по земельным ресурсам и землеустройству по Омской области на 1.01.2004г. 64,9% ее территории использовались как земли сельскохозяйственного назначения [62]. Особенностью географического распределения почвенных типов на территории Омской области является четко выраженная широтная зональность, обусловленная гидротермической зональностью [36,37].
Изучение почв Западной Сибири началось в конце 19 века. Черноземные почвы южной части равнины привлекали внимание многих крупных почвоведов - В.В.Докучаева, С.С.Неустроева и др.[63,46]. Систематическое изучение почв юга Сибири на протяжении полувека ведется омской школой почвоведов К.П.Горшенина, который наряду с типичными черноземными выделяет особые солонцеватые почвы, переходные от черноземов к луговым и степным солон-цам[46-48]. Распределение почв связано с характером растительности.
Схема агропочвенного районирования (Рис.2.6.), составленная Я.Р. Рейн-гардом [139], позволяет выделить на территории Омской области 10 районов: водораздельный южнотаежный слабодренированный сильно заболоченный район болотных и глеево-подзолистых почв, не используемых в сельском хозяйстве; II - правобережный южнотаежный, увалисто-волнистый значительно дренированный район подзолистых и дерново-подзолистых почв с сельскохозяйственной освоенностью территории 30-50%; III - Ишим- Иртышский водораздельный заболоченный район болотных, глеево-подзолистых и серых лесных почв с сельскохозяйственной освоенностью территории 30-40%; IV - севе-ро-лесостепной равнинно-редкогривный очень слабодренированный район серых лесных почв по гривам, луговых и болотных (часто засоленных) почв в межгривных пространствах с сельскохозяйственной освоенностью территории 50-60%; V - Прииртышско- Тарский террасовый хорошо дренированный район лугово-черноземных и черноземных почв с сельскохозяйственной освоенностью территории 70-90% ; VI - Приомский хорошо дренированный район с широкой гидротехнической мелиорацией лугово-черноземных и черноземных почв с сельскохозяйственной освоенностью территории 70-80%; VII - лесостепной водораздельный бессточный район черноземно-солонцовых комплексов, солодей и луговых почв с сельскохозяйственной освоенностью территории 50-70%; VIII - равнинный южно-лесостепной район лугово-черноземных почв часто в комплексе с солонцами и солодями с сельскохозяйственной освоенностью территории 70-80%; IX - южный равнинно-степной слабо-дренированный район с лугово-черноземными, черноземами обыкновенными и южными с сельскохозяйственной освоенностью территории 85-95%; X - пойма Иртыша и крупных его притоков, район с различными аллювиальными почвами с сельскохозяйственной освоенностью территории 85-95%о.
Лесостепная зона Омской области на большей части территории представлена недренированными водоразделами с очень пестрым почвенным покровом. Зональными почвами здесь являются выщелоченные и оподзоленные черноземы и серые лесные почвы, которые приурочены к периферическим, более приподнятым частям равнины и хорошо дренированным приречным пологам. Широкие плоские недренированные междуречья заняты лугово - черно-земно - солонцовым почвенным комплексом, в котором преобладают лугово -черноземные солонцеватые почвы. В плоских понижениях и приозерных котловинах значительные площади занимают солончаки, Кроме этого, на крайнем юге зоны небольшими пятнами встречаются обыкновенные черноземы, а под березовыми колками чаще всего солоди.
Подзолистые и дерново-подзолистые почвы занимают более 17% территории области. .Подзона дерново-подзолистых почв на 40-50 % занята верховыми и низинными болотами. Болотные почвы занимают свыше 2 млн.га [42]. Это и подзолисто-болотные, перегнойно - торфяно - болотные и торфяно-болотные почвы. Характерным признаком болотных почв является наличие торфяного горизонта (до 50см). Выщелоченные черноземы характерные для северной лесостепи занимают около 300 тыс.га [48,69]. Для сельскохозяйственного использования такие почвы требуют мелиорации.
Серые лесные почвы часто имеют признаки оглеения. Верхний горизонт этих почв имеет черную окраску, высокое содержание гумуса (6-9%) и мощность до 60 см, в отдельных случаях до 80-100см (Саргатский район) [147].
Использование этих почв возможно после проведения ряда агротехнических мероприятий, повышающих их плодородие, - глубокой вспашки, внесения органических и минеральных удобрений, борьбы с ветровой эрозией, посева почвоулучшающих трав.
Площади, занятые лугово-черноземными почвами, в естественном состоянии представляют ценные луговые угодья. Мощность перегнойного слоя в этих почвах меняется в широких пределах - от20-30 до 60-80 см, а содержание его - от 6 до 13% [42]. Почвы пригодны для сельскохозяйственного использования. Для улучшения их плодородия применяются следующие приемы: осушение, удобрение, раннее снегозадержание, глубокая вспашка, подбор скороспелых сортов сельскохозяйственных культур.
Степная зона на юге Омской области характеризуется почвенным покровом, состоящим из следующих основных компонентов: I) черноземы обыкновенные и южные разного механического состава, распространенные на более возвышенных элементах рельефа; 2) лугово-черноземные почвы, замещающие черноземы на наиболее низких недренированных территориях; 3) различные солонцы и солончаки, образующие небольшие пятна в озерных котловинах, на водораздельных понижениях, и встречающиеся также в комплексе с черноземами и лугово - черноземными почвами; 4) солоди, приуроченные к западинам под березовым колками, довольно широко распространенные на Обь -Иртышском водоразделе; 5) подзолистые почвы на песках и супесях, располагающиеся массивами на Обь - Иртышском водоразделе (под ленточными борами); 6) серые лесные почвы, встречающиеся на затененных склонах балок; 7) солонцеватые черноземы на выходах третичных глин, приуроченные в виде крупных или небольших массивов к западной половине зоны [48,149].
Расчеты местного стока по материалам наблюдений за увлажнением и теплообеспеченностыо
Помимо измерения стока в створах рек, существует принципиально другой метод определения стока - расчет по данным метеорологических станций на основе совместного решения уравнений водного и теплового балансов методом гидролого-климатических расчетов (ГКР) В.С.Мезенцева [113]. Преимущества метода в том, что, во-первых, расчетный сток совершенно не зависит от площади водосбора, он не трансформирован бассейном и руслом, во-вторых, сеть метеостанций по крайней мере вдвое гуще сети гидропостов, а трудоемкость метеоизмерений меньше трудоемкости гидрометрических работ.
Основой этого метода являются законы сохранения материи (влаги) и энергии на уровне земной поверхности, которые представлены уравнением водного баланса (1) и уравнением связи элементов водного и теплового балансов [113]: максимально возможное испарение - водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов испарения, показывающий, какой слой воды в мм может испариться в данной местности, если вся энергия Tz будет израсходована на испарение, где Xt 0 - сумма средних месячных положительных температур воздуха за средний год, L - удельная теплота парообразования, равная 2,51 МДж/(м2-мм).
Решая систему уравнений (1) - (3), получают значения местного стока Y и суммарного испарения Z в мм слоя воды, равномерно распределенной по площади водосбора. То есть, местный элементарный климатический сток - это сток с элементарных водосборов размером в несколько гектаров, окружающих метеорологическую станцию, и формирующийся в условиях тепловлагообеспе-ченности, которые характеризуются измерениями этой метеостанции. Таким образом, ресурсами местного стока являются тепловые ресурсы (температуры), атмосферное увлажнение (атмосферные осадки), измеряемые на метеостанции.
В этом методе не использовались гидрометрические данные, привязанные к водосбору, результаты же расчета характеризовали сток элементарный, местный, тот сток, который определяют всецело атмосферное увлажнение и теплоресурсы местности, а также характеристики водосбора (почвогрунты с их вводно-физическими свойствами, уклоны и шероховатость поверхности). Значения полученного таким путем стока относятся к точкам - метеостанциям и могут быть использованы для генерации поля величины Y. Именно таким путем были построены карты стока В.С.Мезенцевым (1957) [113], Мезенцевым и Карнацевичем (1969) [116], использовавшими метод ГКР.
В монографии [116] приводится карта стока (Рис.3.4.), построенная по материалам 150 речных бассейнов Западной Сибири за период с 1936 по 1960 гг. (большая, северная часть территории до изолинии 50 мм) и по расчетным данным (34 метеостанции к югу от линии Тюмень-Тара-Колывань). Рис. 3.5. Карта среднего многолетнего слоя годового стока Y в мм [138, с.124] Нормативная карта Атласа основных гидрологических характеристик (1986) [13] характеризует территорию Омской области значениями слоя стока от 90-100 мм/год на севере до 5-10 мм/год на юге . Южнее г.Омска изолиний нет.
На севере территории Омской области крайние расхождения в значениях стока по картам разных лет издания достигают 60% - 200% , в южной лесостепи и в степной зоне расхождения в значениях стока достигают 500%.
Столь значительные несоответствия объясняются следующими причинами: в первую очередь, неточным определением действующей площади водосбора, значение которой зависит от водности года и часто отличается на сотни процентов от значения, указанного в гидрологических ежегодниках. Кроме того, каждый исследователь собирает материалы измерений расходов воды до самых последних лет наблюдений, добавляя к предыдущему ряду наблюдений данные за все последующие годы. Это приводит к изменению значений математического ожидания, называемого в гидрометеорологии нормой. К тому же, со временем совершенствуются методы расчетов, появляются принципиально новые возможности для уточнений, особенно это относится к теплоэнергетическим характеристикам.
Первые карты стока гидрологи составляли на основе многолетних гидрометрических измерений в десятках и сотнях створов рек определенной территории. Зная объем годового стока Wo в средний год в данном створе и имея значение площади водосбора реки до створа F, можно определить слой стока как частное Y= WQ/F Следующим этапом в технологиях создания карт стока были расчеты стока по данным метеостанций об атмосферных осадках и температурном режиме, который определяет теплоэнергетические ресурсы процесса испарения Zm. Вычислив сначала суммарное испарение Z=f(X,Zm) , затем определяли сток по уравнению водного баланса (1).
Гидролого-мелиоративная карта ресурсов местного стока территории Омской области
На территории Омской области и сопредельных территорий, которые необходимо анализировать для того, чтобы на границах исследуемой области изолинии полей физических величин приняли правильное направление, имеются достаточно полные данные метеонаблюдений за длинный ряд лет, что важно при определении математического ожидания.[5,150,151,152]. В Табл.3.6. приведены нормы атмосферных осадков, вычисленные по температурным данным годовые нормы максимально возможного испарения и результаты расчетов местного климатического стока для всех 54 станций исследуемой территории.
В последнем столбце Табл.3.6. помещены значения гидрометрического слоя стока, рассчитанные по средним многолетним годовым расходам воды [49-56],[26]. Карта изолиний гидрометрического стока освещает лишь северовосточный квадрант территории Омской области. Поэтому данные измерений для первых девяти станций определены по карте Лист I Атласа расчетных гидрологических характеристик. [13].
При наложении карт гидрометрического и элементарного климатического стока становится очевидным, что от крайних северных рубежей Омской области до границы лесной и лесостепной зон отсутствуют расхождения карт измеренного и рассчитанного стока, южнее расхождения становятся значительными из-за антропогенных влияний и увеличения доли бессточных поверхностей в общей площади водосбора. Однако и в Северном Казахстане, т.е. на территориях, расположенных южнее Омской области, расхождения в значениях гидрометрического стока, (там где он имеется) и климатического не значительны [124].
На территории Западной Сибири изменение соотношений тепла и влаги происходит монотонно с плавным увеличением количества тепла и уменьшением количества влаги с севера на юг. Проведенные исследования показали тесную связь между значениями гидрометрического и климатического стока. Отсюда следует важный вывод о том, что и на юге Омской области значения измеренного стока и рассчитанного не могут существенно отличаться друг от друга.
По результатам проведенных исследований была составлена карта нормы местного стока, характеризующая территориальное распределение и значения местного стока на исследуемой территории в средний год в мм.
Для построения векторной карты была использована Геониформационная система (ГИС) - программный пакет Golden Surfer 8. В программе Surfer в качестве базовой основы было взято растровое изображение карты Омской области и прилегающих территорий, затем была проведена оцифровка объектов, находящихся на карте: реки, озера, границы области, метеостанции области и прилегающих территорий. Затем на оцифрованную карту с помощью специальных процедур были нанесены значения местного стока, что позволило получить векторную карту изолиний нормы местного стока в мм (Рис.3.14.)
Анализ карты показывает, что значения нормы местного стока меняются от ПО-120мм на севере- северо-востоке до 20 мм на юге Омской области. При этом очевидно, что при чрезвычайно равнинном рельефе и плавном изменении соотношений тепла и влаги, которыми характеризуется исследуемая территория, и существовании стока на сопредельных территориях, как показали многочисленные предшествующие исследования, на территории юга Омской области сток отсутствовать не может, как на карте Воскресенского-Бочкова [31]. Значения нормы стока в районе города Омска и южнее несколько выше (на 7-10мм), чем на картах Мезенцева- Карнацевича [116,138]. Различия обусловлены тем, что ряды данных метеорологических и гидрометрических наблюдений, используемые при расчетах разные.
Полученная карта местного климатического стока характеризует территорию Омской области значениями нормы стока 90-110 мм на севере и 20-30мм на юге. Градиенты характеристики местного стока в северной половине области составляют 50 мм на 100км, а в южной части - 10мм на 100км.
Таким образом, ресурсы местного стока на территории Омской области распределены крайне неравномерно: в северных районах области слой годового стока в средний год достигает 110-130 мм, в то время, как в южных степных районах, слой местного стока равен 15-20 мм в год. При построении карты (1974) [138] были использованы данные наблюдений за период с 1936 по 1970гг., в ходе диссертационного исследования ряды данных наблюдений были продлены по отдельным станциям до 2004гг. (Приложения А,Б). Соответственно, изменились значения нормы стока и математического ожидания, т.е. повысилась точность расчетов, и вероятность ошибки уменьшилась с 30% до 12-15%.
На карте можно отчетливо проследить изменения значений нормы стока и распределение гидрографической сети. Там, где значения нормы местного стока меньше 40 мм постоянные водотоки за исключением транзитных рек Омь и Иртыш отсутствуют. Эта же закономерность была обнаружена и при анализе карт нормы стока других территорий: карты нормы стока Африки, Австралии, Азии (Приложения С-С2). На территориях, где значения нормы стока меньше 30-40 мм, существуют только временные и транзитные водотоки. Преимущественно это аридные территории : степи, полупустыни, пустыни.
Таким образом, была установлена мировая гидромелиоративная констан-та модуль стока М=1л/скм , которая является индикатором граничной полосы на поверхности континентов, отделяющей территории с густой гидрографической сетью, где наблюдается переувлажнение и обоснованы осушительные и комплексные мелиорации, и территории, где существуют только временные водотоки, в силу чего из-за недостатка влаги необходимы оросительные и почво-улучшающие мелиорации. Агро- и лесомелиорации необходимы для улучшения почв, поскольку на засушливых территориях почвы представлены преимущественно солонцовыми и песчаными видами.
