Содержание к диссертации
Введение
1. ИЗУЧЕННОСТЬ ВОПРОСА ПО ФОРМИРОВАНИЮ МЕСТНОГО СТОКА 8
Выводы 20
2. ПОЧВЕННО-ЮШМАТИЧШКЙЕ УСЛОВИЯ СТШНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЁМНЫХ ОБЛАСТЕЙ 21
2.1. Объект исследования и его характеристика 21
2.2. Территория и её рельеф 21
2.3. Гидрография и гидрология 23
2.4. Геологическое строение и почвообразующие породы 24
2.5. Климат 27
2.6. Почвы 30
2.7. Растительность 32
Выводы 34
3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ МЕСТНОГО СТОКА 36
3.1. Определение запасов воды в снеге на водосборах 36
3.2. Определение влажности почвы водосборов 39
3.3. Определение динамики впитывания воды в почвы водосборов 40
3.4. Определение водопроницаемости мерзлых: почв
3.5. Определение испарения с поверхности снега в зимний период и во время снеготаяния 44
3.6. Условия формирования и учёт местного стока 44
Выводы 47
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ МЕСТНОГО СТОКА И ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЕГО ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 48
4.1. Осадки зимнего периода и их накопление на различных элементах микрорельефа 48
4.2. Влажность почвы водосборов 55
4.3. Влияние влажности и обработки почвы на динамику впитывания воды в почвы водосборов 59
4.4. Влияние промерзания почвы на величину впитывания воды в почвы водосборов 63
4.5. Потери воды на испарение с поверхности снега в период снеготаяния 72
4.6. Формирование местного стока 73
4.7. Водный баланс местного стока 85
4.8. Основные характеристики местного стока и их определение 4.8.1. Продолжительность местного стока 90
4.8.2. Максимальный расход местного стока 95
4.8.3. Гидрографы местного стока 121
Выводы 130
5. РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕСТНОГО СТОКА 134
5.1. Рациональное использование местного стока и методика проектирования участков лиманного орошения 134
5.2. Рациональные схемы использования местного стока 150
Выводы 164
6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МЕСТНОГО СТОКА 167
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Г72
ПРИЛОЖЕНИЯ 1
- Объект исследования и его характеристика
- Определение запасов воды в снеге на водосборах
- Осадки зимнего периода и их накопление на различных элементах микрорельефа
- Рациональное использование местного стока и методика проектирования участков лиманного орошения
Изученность вопроса по формированию местного стока
На значительной части территории нашей страны преобладают реки, на которых в период весеннего половодья проходит от 50 до 80 % годового стока. Поэтому вполне понятно, что весеннее половодье, являющееся существенной частью водных ресурсов, в особенности в районах неустойчивого и недостаточного увлажнения, служит основным источником орошения и обводнения земельных угодий.
Интерес к закономерностям формирования весеннего стока возник в России в конце ХЕС - начале XX вв. йце в 80-х годах прошлого столетия крупнейший русский учёный Воейков А.И. /30, 31, 32, 33 / наметил программу исследований по изучению факторов, влияющих на возникновение стока и формирование высоких и катастрофических половодий. Толчком к дальнейшему изучению весеннего стока послужило катастрофически высокое половодье 1908 года, охватившее обширные пространства Центральной России и нанесшее огромный ущерб. Решение практических задач, связанных с ростом строительства гидротехнических сооружений и железных дорог, требовало знания величин весеннего стока. Однако почти полное отсутствие достаточно продолжительных рядов лет наблюдений сильно ограничивали возможности решения гидрологических вопросов, выдвинутых практикой. Поэтому исследования в области изучения весеннего стока свелись к разработке эмпирических формул для расчёта максимального стока талых вод, не затрагивая генезиса половодья и географических закономерностей изменения основных его характеристик.
В конце прошлого столетия были начаты систематические наблюдения за стоком наиболее крупных рек нашей страны, которые в дальнейшем были использованы Тарловским Г,/159/, Лан-ге Ю.В./ПО/, Спарро Р.П./148/ для вывода по данным немногочисленных наблюдений эмпирических формул, позволяющих определить максимальный сток талых вод. Эти формулы были выведены для отдельных зон и их применимость была ограничена. Для того времени работы этих авторов имели огромное значение, позволившие осуществить инженерные расчёты гидротехнических сооружений, обеспечивающих пропуск весенних половодий. Однако роль этих работ в изучении основных факторов местного стока, генезиса половодий и в выявлении географических закономерностей изменения основных характеристик, незначительна.
К числу первых работ по изучению факторов весенних половодий относятся труды Гейнца Е.А./45, 46 /, в которых впервые опубликованы данные о коэффициентах весеннего стока и определены основные его факторы. К этим факторам Гейнц Е.А. отнес запасы воды в снежном покрове, температуру воздуха и почвы, наличие ледяной корки на поверхности почвы, влажность почвы и площадь одновременного снеготаяния.
Большой вклад в исследование процессов формирования весеннего стока для всей территории Европейской части СССР был сделан Кочериным Д.И. / 94, 95 /.
Им были предложены три возможные формы схематизации расчётных гидрографов стока - треугольник, трапеция и криволинейный график, отвечающий кривым распределения Пирсона Ш и У типов /96/. Предложение Кочерина Д.И. о схематизации гидрографов по уравнениям кривой распределения Пирсона Ш и У типов не получило практического распространения для малых водотоков ввиду сравнительной сложности расчётов.
Объект исследования и его характеристика
Сельское хозяйство степной зоны ЦЧО в основном животноводческого и зернового направления.
Развитие сельскохозяйственного производства в этой зоне происходило под влиянием естественно-исторических условий, определяющих необходимость освоения в первую очередь естественных пастбищ и сенокосов, которые занимают от 30 до 50 % сельскохозяйственных угодий колхозов и совхозов. Дальнейшее повышение продуктивности животноводства и его рост лимитируются неустойчивой кормовой базой в засушливые годы.
Природно-климатические условия степной зоны Центральночерноземных областей ( плодородные почвы, большое количество тепла и света ) во влажные годы обеспечивают получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур. В засушливые годы урожайность сельскохозяйственных культур резко понижается из--ва недостаточного увлажнения. Засушливые годы здесь на редкость, исключить вредные последствия засух представляется возможным только с помощью орошения из рек и прудов с многолетним регулированием местного стока, с полным его задержанием в балках и лощинах, перегороженных плотинами.
Поэтому орошение здесь имеет большое народнохозяйственное значение и является еще неиспользованным резервом в деле увеличения производства сельскохозяйственной продукции.
Территория и её рельеф Территория степной зоны Центрально-Черноземных областей расположена в пределах Среднерусской возвышенности, которая включает в себя Калачскую возвышенность, расположенную на левобережье р.Дон, Придонскую возвышенную равнину и Донскую гряду-на правобережье.
Калачская возвышенность характеризуется значительной оврражностью ( 0,5...1,2 км/км ).
Придонская возвышенная равнина частично находится в зоне максимального ( днепровского ) оледенения. В связи с этим на севере преобладающими типами рельефа являются средне и сильно расчлененные ( с овражностью 1,5...1,8 км/км ), относительно пониженные - ( 210... 230, редко 240 м ), поло го-волнистые, ро-зионно-денуданионные равнины, на юге - пониженные, сильно расчлененные, полого-волнистые и полого-холмистые, эрозионнодену дапионные равнины, с овражностью 0,5...1,2 км/км . Глубина долинного расчленения колеблется от 80 до 140 м / 168 /.
Юго-восточнее Придонской равнины располагается, отделенная от неё долиной, р.Черная Калитва, вытянутая вдоль правобережья Дона, сравнительно узкая и невысокая ( 200...220 м, местами до 230...238 м ) Донская гряда. Превышение её северо-восточных крутых склонов над долиной р.Дона достигает 140...150 м. Крутизна балочных склонов колеблется в широких пределах - от слабо покатых до крутых с уклоном от 10 до 45. Наиболее широкое распространение в исследуемом районе получили склоны выпуклой формы, реже прямой и вогнутой / 3 /.
Определение запасов воды в снеге на водосборах
При рассмотрении процессов формирования весеннего стока особое внимание необходимо уделять изучению снежного покрова. Из характеристик снежного покрова в первую очередь необходимо знать величину запаса воды в снеге перед началом таяния и характер распределения этого запаса по площади водосбора. Существующие карты норм снегозапасов дают лишь общее представление о распределении запасов воды в снеге по территории СССР. Для определения величины снегозапасов малых водосборных площадей пользоваться этими картами нельзя, так как в каждом конкретном случае их величина зависит от характера рельефа и растительности водосбора.
В 1977 году на территории колхоза им.Кирова Павловского района Воронежской области были начаты наблюдения по определению средних запасов воды в снеге и характера его распределения по площади. Эти наблюдения проводились на 6-ти стоковых площадках и водосборе ( рис.3.1 ).
Три стоковые площадки расположены на целинной степи в северо-западном направлении от поля 6. Почвенный покров здесь представлен обыкновенным чернозёмом. Растительный покров представлен травянистой растительностью. В его составе преобладают : типчак, овечья полынь, чабрец, шалфей и др.
Две площадки расположены на пахоте поля 6 и еще одна стоковая площадка расположена в лесополосе вдоль поля 6. Лесополоса состоит из лиственных пород ( дуба, ясеня, клёна и др.) 20-летнего возраста.
Размер площадок 50 м х 20 м. Рельеф площадок и водосбора пологий с общим уклоном к балке Гадючка.
Стоковые площадки на пахоте ежегодно распахивались и на них высевались различные сельскохозяйственные культуры. Водосбор выражен небольшой потяжиной и расположен на пахоте, в лесополосе, а концевая часть - на целине. Запас воды в снеге перед началом таяния является одним из основных факторов, на основании которого можно сдать о величине предстоящего весеннего стока. Исходными данными для определения максимального запаса воды в снеге являются материалы снегомерных съёмок. Снег на местности залегает неравномерно, поэтому задача состоит в получении среднего по водосбору слоя воды, содержащегося в снежном покрове. Определение среднего запаса воды в снеге и его распределение на стоковых площадках и водосборе производилось по данным снегосьёмок. Снегосьёмки проводились по параллельным, заранее намеченным маршрутам, пересекающим исследуемые участки стоковых площадок. Направление маршрутов снегосьёмок выбиралась таким образом, чтобы они были перпендикулярны осям валов площадок. Расстояние между маршрутами составило 50...100 метров, а между точками наблюдений - I м. В каждой точке маршрута замерялась высота снежного покрова и его плотность в трехкратной повторности. Высота снежного покрова измерялась с помощью переносной снегомерной рейки, а плотность снега - весовым снегомером ВС-43.
Осадки зимнего периода и их накопление на различных элементах микрорельефа
Основным источником формирования водных ресурсов в Центрально-Чернозёмных областях являются осадки, выпадающие на поверхность земли в виде дождя и снега. Осадки зимнего периода, аккумулирующиеся на поверхности земли в виде снежного покрова, играют большую роль в гидрологических процессах. Их распределение на земной поверхности происходит неравномерно и зависит от местных условий : рельефа, высоты над уровнем моря, направления влажных ветров, близости океана и растительного покрова. Неравномерность распределения снега зависит от рельефа местности и вызывается явлениями переноса его ветром. В итоге происходит перераспределение снега, надувание его в понижения микрорельефа, снос их с открытых ровных поверхностей»
Важной характеристикой снежного покрова является его плотность, которая определяет геометрические размеры пласта, а также и запас воды. Под влиянием увеличения давления при снегопадах, сильных ветрах и смерзания снежинок после оттепелей происходит изменение плотности снежного покрова. Плотность свежевыпавшего снега зависит от скорости ветра. Кроме того, плотность снега зависит от температуры воздуха, при которой падает снег, от территории, где он находится / 55 /.
С ростом числа дней с положительными температурами и скоростями ветра, большими или равными б м/с, возрастает и плотность снега. Вышеотмеченное приводит к значительным отклонениям величины осадков на малых водосборах по сравнению со средними осадками в данном климатическом районе / 10 /. Основной задачей снегомерных наблюдений является получение достаточно точных характеристик снежного покрова. Основные характеристики снежного покрова, получаемые в результате снегомерных съёмок, следующие : а) средние значения высоты, плотности и запаса воды в снеге; б) характеристика распределения снежного покрова на различных элементах ландшафта в районе исследований; в) данные о динамике снегонакопления во времени.
Пространственно-временная изменчивость снежного покрова, как и любого другого метеорологического элемента, обусловливается физико-географическими особенностями той или иной территории. Обычно при оценке средней величины снегозапасов на площадях использртся данные снегосъёмки.
Вопрос о точности снегомерных наблюдений связан с точностью отсчёта рейки и весового снегомера, точностью отдельных измерений, средних величин, репрезентативностью / типичностью окружающей местности / отдельных измерений как во времени, так и в пространстве, репрезентативностью полученных средних во времени и в пространстве. Погрешность измерения высоты снега посредством снегосъёмок составляет 3...6 %, а погрешность измерения снегозапасов 4...9 % / 105 /.
Существующие карты норм снегозапасов дают лишь общее представление о распределении запасов воды в снеге по территории СССР. Для определения величины снегозапасов малых водосборных площадей пользоваться этими картами нельзя, так как в каждом конкретном случае их величина зависит от характера рельефа и растительности водосбора.
Рациональное использование местного стока и методика проектирования участков лиманного орошения
Полное и рациональное использование вод местного стока в сельском хозяйстве может быть осуществлено путём комплексного выполнения агротехнических и гидромелиоративных мероприятий на землях колхозов и совхозов. К агротехническим мероприятиям относятся : зяблевая пахота поперек склона; поделка временных земляных валиков поперек склона; крестование; щелевание, кротование и различные виды почвоуглубления; снегозадержание на полях разными приёмами ( поделка снежных валиков снегопахами, уплотнение снега катками, посевы кулисных культур, расстановка щитов, стеблей, снопиков соломы и т.д. ); полезащитные полосы.
Все агротехнические мероприятия своей главной целью имеют накопление и сохранение влаги в почве за счёт задержания снега на полях и уменьшения или полного прекращения стока талых вод с полей.
С помощью агротехнических и агромелиоративных приёмов пока невозможно использовать все осадки для сельского хозяйства. Наиболее полное использование местного стока может быть обеспечено гидротехническими приёмами /43/.
Особенностью местного стока является крайне неравномерное его распределение за год. Это затрудняет его использование для орошения полей, обводнения и водоснабжения. Так, в лесостепной и степной зонах Европейской части СССР более 70...80 % годового стока атмосферных осадков с малых водосборов ( до 100 км ) приходится на период весеннего снеготаяния, а в летние месяцы, когда особенно необходимы поливы, сток составляет около 10 % годового. Для перераспределения стока во времени прибегают к его регулированию, задерживая весенний сток в различных водоёмах-прудах и водохранилищах, из которых он расходуется по мере надобности.
Однако бессистемное задержание местного стока в балках не дает полного эффекта в водоиспользовании при проектировании оросительной сети из-за незначительного количества воды в одиночных прудах, не имеющих постоянного водотока. Для более рационального использования местного стока нами было предложено приведение серии прудов в единую водохозяйственную систему с таким расчётом, чтобы один-два " главных " пруда, по мере надобности, могли пополнять водой 5... 10 прудов, приведенных в эту систему.
В соответствии с топографическими, геологическими и гидрологическими условиями, а также исходя из минимального затопления земель, регулирование стока целесообразно выполнять путём строительства нескольких крупных регулирующих - аккумулирующих водохранилищ, а между ними мелких водохранилищ -прудов, аккумулирующих оставшийся свободный сток, выполняющих роль распределителей воды между хозяйствами и являющимися надёжными водозаборами для орошения. Крупные и мелкие водохранилища и пруды наполняются в весенний паводок, а в меженный период производятся попуски из крупных водохранилищ для поддержания необходимых уровней и объёмов воды в малых водохранилищах. Строительство водохранилищ следует вести сверху вниз по уклону для того, чтобы в межень путём попусков поддерживать уровень воды в нижележащих прудах. Крупные водохранилища строятся с устройством донного водовыпуска, через который осуществляются меженные расчётные попуски и катастрофические сбросы. При регулировании стока путём строительства плотин, должно быть достигнуто максимальное аккумулирование стока и затем планомерное его расходование в засушливый период.
