Введение к работе
Актуальность проблемы. Общая современная ситуация территорий России, в том числе и Республики Башкортостан, характеризуется достаточно напряженным экологическим состоянием. Такое положение вызвано прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала обширных территорий (в нашем случае водосборов), усилением на них техногенного воздействия и нарушением взаимосвязей между природными компонентами в геосистемах и в системе «человек-природа».
Анализ состояния земельных угодий водосборов, выполненный многими учеными, показывает ухудшение их экологической устойчивости. Основными процессами, влияющими на состояние сельскохозяйственных угодий водосборов России, являются: подкисление почв, сработка запасов гумуса, водная и ветровая эрозия, техногенное загрязнение почв. По мнению башкирских ученых в Республике Башкортостан преобладают процессы эрозии почв, сокращение лесов, деградация пашен и дегрессия пастбищ. Так, в республике выявлено 1,2 млн. га деградированной пашни (8,7% территории республики); 5,6 млн. га эрозионно-опасных сельскохозяйственных угодий (39,2% территории республики) и распаханность территории составляет порядка 50%. На мелиорированных землях к негативным процессам, указанным выше, добавляются повышенный промывной режим, усиливающий вымывание питательных веществ из почв, и загрязнение рек.
Для решения экологических проблем важно: рассматривать и изучать водосборы в виде геосистем определенного ранга, включающих взаимообусловленный набор компонентов и развивающихся как единое целое; разрабатывать модели, описывающие основные процессы функционирования водосборов с возможно большим набором параметров, учитывающих изменения компонентов геосистем водосборов.
В настоящее время актуально расширение предметной области исследований мелиораций: рассмотрение комплексной мелиорации, как базисного элемента комплексного обустройства; применение мелиоративных мероприятий для повышения экологической устойчивости водосборов; учет при орошении промываемости почв; разработка способов расчета водообмена и обоснования мелиораций.
Одним из основных факторов, снижающих экологическую устойчивость водосборов, является нарушение их экологической инфраструктуры. Распашка земель, сводка лесов и трансформация естественных биоценозов в агроценозы привели к изменению природных потоков вещества и энергии на водосборах и значительному нарушению их экологического каркаса. Комплексное обустройство водосборов должно включать нахождение оптимального сочетания земельных угодий и разработку экологически устойчивой инфраструктуры водосборов. Такие разработки возможны только после: картографических исследований территорий водосборов; выявления техногенных факторов, воздействующих на природные компоненты и сравнительной оценки экологической устойчивости водосборов.
При рассмотрении водосборов, как объектов комплексного обустройства, требуется разработка классификации водосборов по природно-климатическим и физико-географическим показателям. Актуальность таких научных разработок обусловлена необходимостью обоснования методик комплексного обустройства водосборов с учетом ландшафтных зон, физико-географических и природно-климатических особенностей этих территорий. Исследования должны охватывать крупные геосистемы с не менее тремя ландшафтными зонами. Примером такой геосистемы являются водосборы Западного Башкортостана, занимающие общую площадь 114,2 тыс. км2 и расположенные на лесной, лесостепной и степной ландшафтных зонах. Исследования выполнены в рамках научных исследований ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ» по теме: «Оптимизация землеустройства с учетом зональных биоклиматических и ландшафтных условий», (№ гос. регистрации 01200950317).
Объект исследований - водосборы на примере рек Западного Башкортостана.
Предмет исследований – система комплексного обустройства, ее влияние на экологическую устойчивость и продуктивность водосборов.
Цель и задачи исследований. Цель исследований – разработка целостной системы комплексного обустройства водосборов на примере рек Западного Башкортостана на основе моделирования процессов влагопереноса в катенах, обоснования водных мелиораций, оптимизации структуры земельных угодий, создания экологически устойчивой инфраструктуры водосборов.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- осуществить анализ имеющихся научных предпосылок и методологических подходов к комплексному обустройству территорий, и на этой основе разработать целостную методику комплексного обустройства водосборов;
- выполнить математическое описание влагопереноса в катенах водосборов на основе дифференциального уравнения двумерного передвижения влаги в почве и подстилающих грунтах;
- провести картографический анализ водосборов Западного Башкортостана и определить их морфометрические характеристики;
- разработать методологию моделирования катен и геоморфологического анализа водосборов, составить морфометрические схемы для водосборов Западного Башкортостана;
-выполнить анализ имеющихся подходов к физико-географическому и ландшафтному районированию территории Республики Башкортостан и разработать классификацию водосборов по физико-географическим и природно-климатическим показателям;
- разработать модель функционирования катен водосборов и составить компьютерные модели водосборов Западного Башкортостана;
- выполнить прогнозные расчеты водного режима и продуктивности катен водосборов Западного Башкортостана при водных мелиорациях с целью обоснования экологически безопасных оросительных и осушительных норм применительно к ландшафтным зонам;
- исследовать влияние орошения и осушения на составляющие местного стока и водный режим катен водосборов на основе моделей водосборов Западного Башкортостана;
- изучить баланс гумуса на водосборах до и после мелиораций;
- оценить экологическую устойчивость водосборов Западного Башкортостана, установить рациональные соотношения земельных угодий и оптимизировать экологическую инфраструктуру водосборов;
- разработать инженерный метод расчета водообмена и обоснования мелиораций;
- составить обобщенную функционально-технологическую схему комплексного обустройства водосборов и практические рекомендации по повышению эффективности работ при комплексном обустройстве.
Методология исследований. Системное изучение комплексной природоохранной деятельности по обустройству территорий выполнено с использованием всей совокупности методологических подходов, применяемых в мелиорации. В качестве приоритетной методологической основы использованы геосистемный и катенарный подходы, для описания природных процессов - математические модели, опирающиеся на геосистемный (ландшафтный) подход. Геоморфологический анализ и морфометрическая схематизация водосборов выполнены на основе картографического метода. Сбор информации по тематическим картам для исследования экологической устойчивости водосборов осуществлен с применением ГИС-технологий. Картографический материал дополнялся и уточнялся графическим, табличным и иллюстративным материалами. Процессы функционирования водосборов при их обустройстве исследовались численными экспериментами по компьютерным программам на ЭВМ, разработанными на основе математических моделей. Верификация математических моделей проводилась по критерию сходимости рассчитанных значений стока с соответствующими значениями, приведенными на официальных картах стока.
Научная новизна заключается в использовании геосистемного подхода при научном обосновании комплексного обустройства водосборов:
-предложено рассматривать структуру водосборов в виде иерархического ряда: фация, катена, микро-, мезо-, макро-, и мегаарена. Установлено, что у водосборов границы мегаарен совпадают с границами ландшафтных зон по ГТК Селянинова, а макроарен – по коэффициенту увлажнения; границы мезоарен связаны с границами провинций, а микроарен – округов; границы катен совмещаются с границами физико-географических районов; границы фаций устанавливаются по морфометрическим схемам водосборов;
-разработаны морфометрические модели катен водосборов, состоящие из четырех сопряженных фаций: элювиальной, трансэлювиальной, трансаккумулятивной и супераквальной;
-разработана компьютерная модель функционирования катен водосборов, позволяющая определить параметры водного режима и продуктивность катен водосборов, моделируя почвенно-геологические, геоморфологические и многолетние метеорологические условия, различные мелиоративные режимы на водосборах;
-составлена классификация водосборов по природно-климатическим (по тепловлагообеспеченности) и физико-географическим показателям;
-обоснованы изменения составляющих местного стока и статей водного баланса на водосборах при водных мелиорациях по лесной, лесостепной и степной ландшафтным зонам и, применительно к ним, определены экологически безопасные оросительные и осушительные нормы;
-установлены рациональные соотношения земельных угодий, обеспечивающие экологическую устойчивость водосборов по ландшафтным зонам;
-разработан инженерный метод расчета водообмена и обоснования водных мелиораций при комплексном обустройстве водосборов;
-впервые для водосборов Западного Башкортостана рассмотрена целостная система комплексного обустройства, в том числе:
- проведена комплексная оценка их современного состояния;
- оценена степень экологической устойчивости, оптимизирована экологическая инфраструктура и соотношение земельных угодий;
- разработаны морфометрические модели и модели функционирования водосборов;
- выполнены модельные исследования влияния орошения и осушения на водный режим, урожайность и баланс гумуса;
- установлены экологически безопасные мелиоративные режимы.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Научное обоснование комплексного обустройства водосборов, повышающее продуктивность земель водосборов при сохранении их экологической устойчивости и плодородия почв.
2. Подход к водосборам, как объектам комплексного обустройства, состоящим из иерархического ряда: фаций, катен и арен. Установлены взаимосвязи между ними и физико-географическими районами, ландшафтными зонами по ГТК Селянинова и коэффициенту увлажнения.
3. Классификация водосборов по природно-климатическим (по тепловлагообеспеченности) и физико-географическим показателям.
4. Способ схематизации катен водосборов, моделирующий катену в виде четырех сопряженных фаций с учетом морфометрических параметров водосборов.
5. Статьи водных балансов при водных мелиорациях и их динамики по ландшафтным группам водосборов, определенные на основе компьютерного моделирования функционирования катен с учетом почвенно-геологических, геоморфологических и многолетних метеорологических условий на водосборах.
6. Зависимость водообмена от крутизны откоса и коэффициента поверхностного стока, позволяющая разработать инженерный метод расчета водообмена при комплексном обустройстве водосборов.
7. Экологически безопасные мелиоративные режимы и экологически устойчивые соотношения земельных угодий водосборов по лесным, лесостепным и степным ландшафтным зонам Русской равнины.
Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты открывают новые перспективы комплексного обустройства водосборов, а именно:
-разработанная обобщенная функционально-технологическая схема, включающая комплекс мероприятий по регулированию всех основных процессов и режимов, представляет собой последовательность практических действий, направленных на обеспечение и при необходимости повышение экологической устойчивости водосборов;
-рекомендуемые мелиоративные режимы позволяют повысить урожайность сельскохозяйственных культур за счет водных мелиораций без снижения экологической устойчивости земель водосборов;
-учет баланса гумуса позволяет поддерживать плодородие почв после водных мелиорации за счет внесения органических удобрений;
-инженерный метод расчета водообмена при комплексном обустройстве водосборов позволяет оперативно и достаточно быстро проводить оценку экологической устойчивости мелиорируемых земель и корректировать их мелиоративные режимы.
Апробация и реализация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях (Уфа, 1990-2010 гг.), всероссийских и межрегиональных научно-практических конференциях (Уфа, 2001-2010 гг.), международных научно-практических конференциях (Уфа, 2003 г., 2005 г.; Пенза, 2006 г.; Барнаул, 2008 г.; Улан-Удэ, 2008 г.; Омск, 2009 г.; Москва, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2010 г.).
Результаты исследований обсуждены и одобрены Научно-техническим Советом Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан. По материалам исследований разработан ряд практических рекомендаций для сельскохозяйственного производства. Научно-технические разработки экспонировались на ХI российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (Москва, 2009 г.), где два инновационных проекта по комплексному обустройству удостоены серебряных медалей и дипломов. Полученные результаты внедрены в проектную документацию проектно-изыскательского института «Башгипроводхоз» (г. Уфа) и используются ГУП Управлением «Башмелиоводхоз» (г. Уфа) в практике эксплуатации мелиоративных систем Республики Башкортостан. Результаты работы внедрены в учебный процесс Башкирского государственного аграрного университета (БашГАУ) и включены в курсы лекций: «Мелиорация и рекультивация земель», «Природоохранные сооружения». Автором создана дисциплина «Комплексное обустройство водосборов Башкортостана», которая Ученым советом БашГАУ принята в качестве дисциплины регионального компонента.
Публикации. Научные результаты исследований по рассматриваемой проблеме опубликованы в 42 работах автора, включая 14 работ в восьми различных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ; одну монографию и два учебных пособия.
Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 273 страницы, включая введение, 6 глав, выводы, список литературы и два приложения. Диссертация содержит 242 страницы основного текста, 84 таблицы и 20 рисунков. Библиография включает 293 наименований, в том числе 8 иностранных источников.
Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Голованову Александру Ивановичу за неоценимые советы и помощь при проведении научных исследований, а также глубокую признательность всем сотрудникам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП, оказавшим помощь и поддержку при работе над диссертацией.
