НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ \nПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ\n НА МАЛЫХ ЛЕСНЫХ ВОДОТОКАХ\n тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, доктор наук Виноградов Алексей Юрьевич

• Виноградов Алексей Юрьевич
• доктор наук
• 2016

Оглавление диссертации доктор наук Виноградов Алексей Юрьевич

Введение

Глава 1. Оценка обоснованности применения статистических методов обработки рядов наблюдений максимального стока малых

рек

Глава 2. Методика расчета максимальных расходов воды для обоснования проектных решений при строительстве лесохозяйственных инженерных сооружений, с учетом влияния

озерно-болотного регулирования

Глава 3. Информационная база с картографическими, гидрометеорологическими, лесотаксационными материалами, параметрами, отражающие водно-физические свойства почво-

грунтов, ландшафтными характеристиками

Глава 4. Максимальные расходы воды малых водотоков зоны смешанных лесов, оптимизация параметров, сравнительный анализ

различных критериев качества

Глава 5. Методика расчета предельного (вероятного) максимального

расхода паводка

Глава 6. Методика гидрологических ограничений для проектирования инженерных объектов различной степени

ответственности

Основные выводы и результаты

Список использованных источников

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ \nПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ\n НА МАЛЫХ ЛЕСНЫХ ВОДОТОКАХ\n»

Введение

Актуальность работы вызвана неэффективным использованием средств при строительстве водопропускных сооружений через малые водотоки на Европейской территории РФ. Результаты обследований многочисленных инженерных объектов лесного хозяйства (мостовых и трубных переходов, мелиоративных сооружений), показали десятикратный запас пропускной способности максимальных расходов воды. Методики, используемые для расчетов максимальных расходов малых неизученных рек, описанные в СП 33-101-2003 и более ранних модификациях (СНиП 2.01.14-83, ВСН 63-76, метод Союздорпроекта и др.) для зоны смешанных лесов дают расчетные значения, многократно превышающие эмпирические, что приводит к значительному увеличению капитальных затрат на строительство.

В зоне смешанных лесов количество пересекаемых временных и постоянных водотоков в среднем составляет 4-6 переходов на километр дороги. Такие водотоки в 98,8% случаев являются малыми гидрологически неизученными водными объектами.

На этом основании требуются новые методики для расчетов максимальных расходов воды малых рек для обоснования рационального проектирования лесохозяйственных инженерных сооружений.

Современный уровень знаний дает возможность пересмотреть старые, разработанные в 30-70-х годах прошлого века, расчетные методики.

Степень разработанности темы исследования. Разработкой методик расчетов максимальных расходов воды для решения задач строительного проектирования занимались российские ученые: С.Н. Крицкий, М.Ф. Менкель, А.В. Рождественский, Д. Л. Соколовский, М.М. Овчинников и др. С начала 80-х годов наметился переход на методики нового поколения, работой над которыми занимались Б.В. Бабиков, М. В. Болгов, Ю.Б. Виноградов, А.Н. Гельфан, А.Ю. Мануковский, А.Н. Минаев, В. А. Иванов, А. А. Камусин, Ю.В. Карпечко, Л.С. Кучмент, П.М. Мазуркин, Ю.Г. Мотовилов, Э.О. Салминен и

др. Эти разработки создали необходимую теоретическую базу для перехода к новым, как расчетным, так и ограничительным методикам, которые позволяют уменьшить затраты и физически обосновать минимально необходимые размеры инженерных дорожных и мелиоративных сооружений.

Цель работы. Повышение эффективности строительства инженерных сооружений на малых водотоках путем научно обоснованного изменения гидрологических ограничений при их проектировании.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

- анализ обоснованности принятых на практике статистических методов обработки рядов наблюдений для расчетов максимального стока рек;

- разработка методики расчета максимальных расходов воды для обоснования проектных решений при строительстве лесохозяйственных инженерных сооружений, с учетом влияния озерно-болотного регулирования;

- создание информационной базы, включающей в себя картографические, гидрометеорологические, лесотаксационные материалы, параметры, отражающие водно-физические свойства почво-грунтов и ландшафтных характеристик;

- апробация разработанной методики, численные эксперименты, оптимизация параметров, сравнительный анализ результатов, полученных по разным методикам с различными критериями оценки;

- разработка методики расчета максимального вероятного паводка;

- разработка методики гидрологических проектных ограничений для принятия технологических решений для инженерных объектов различной степени ответственности.

Методология и методы исследования основаны на принципах системного анализа физических процессов, происходящих на водосборе с учетом лесорастительных и ландшафтных факторов. Информационную базу исследования составляют материалы лесной таксации, Государственной

гидрометрической сети, картографическая информация, научные, регламентирующие материалы.

Личный вклад автора. Вклад автора состоит в формировании направлений исследований, постановке задач, их решении в соответствии с разработанными методиками, создании информационной базы с целью адаптации методик для центральной части зоны смешанных лесов, анализе и обобщении полученных результатов, формировании предложений по совершенствованию системы ограничений при проектировании лесохозяйственных инженерных сооружений.

В основе диссертационной работы лежат результаты исследований, полученных автором при проведении работ на кафедре промышленного транспорта Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М. Кирова и ООО НПО «Гидротехпроект» в области инженерных изысканий, дорожного и гидротехнического проектирования.

Научной новизной обладают:

1. Методика проведения расчета максимального стока малых рек лесной зоны, учитывающая индивидуальные ландшафтные особенности водосбора и возможность использования обобщенной по территории региональной метеоинформации.

2. Методика расчёта максимального вероятного паводка, основанная на учете редукционных пространственных изменений теоретически возможных максимальных осадков, выпадающих на конкретную территорию.

3. Методика учёта воздействия на окружающую среду хозяйственной деятельности, природных экстремальных явлений, текущих ландшафтных изменений.

4. Методика проведения полевых обследований малых рек лесной зоны, с целью информационного обеспечения расчетов.

5. Информационная база гидрометрических данных и ландшафтных параметров, основанная на разнообразном картографическом материале, полевых обследованиях, данных гидрометеорологической сети (на созданную программу для обработки БД, имеется сертификат).

6. Система проектных гидрологических ограничений в зависимости от степени ответственности проектируемых инженерных объектов.

Теоретическая значимость заключается в разработке методик расчета предельного максимального паводка и расходов малых рек для зоны смешанных лесов. Предложен физически обоснованный подход к изменению существующих принципов проектных ограничений при строительстве лесохозяйственных дорог, мелиоративной сети и других линейных объектов.

Практическая значимость. Разработанная система гидрологических ограничений для проектирования лесохозяйственных инженерных объектов утверждена на НТС ООО НПО «Гидротехпроект», одобрена на заседаниях кафедры Промышленного транспорта СпбЛТУ, Государственного гидрологического института, кафедры гидрологии суши СПбГУ, Сахалинского филиала ДВГИ ДВО РАН и рекомендована к внедрению, поскольку позволяет существенно повысить научную обоснованность и эффективность расчетов.

Основные положения диссертации вошли в научно-методические отчеты СФ ДВГИ ДВО РАН, ГУ ГГИ, ООО НПО «Гидротехпроект», АНО НИЦ «Геодинамика», НП «ЛИЦ». Полученные результаты послужили основой при подготовке нормативных и методических документов:

- СТО в проектно-изыскательской организации НПО «Гидротехпроект»;

- подготовленного отраслевого стандарта проведения гидрологических расчетов при проектировании лесных дорожных и мелиоративных инженерных сооружений;

- учебных пособий по проектированию дорожных водоотводов, мелиоративных систем и проведению водохозяйственных расчетов.

Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации подтверждается:

- научно обоснованной методикой исследования, основанной на законах сохранения вещества;

- применением расчетных параметров, полученных в результате обследования 295 природных объектов;

- высокой сходимостью расчетных и эмпирических данных;

Апробация работы. Основные положения и результаты работы

докладывались на ежегодных научно-технических и научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного лесохозяйственного университета им. С.М. Кирова в 2007-2015гг., III Международной конференции «Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита») в 2014г., II и V международных научно-практических конференциях «European Science and Technology», международной конференции «Modern problems and ways of their solution in science, transport, production and education» 2012, 2013гг., Всероссийском симпозиуме с международным участием, организованным СпбНИИЛХ в г. В. Новгород 2010г., международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» в Хабаровске 2012г., международной научно-практической конференции «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» в Петрозаводске 2011г., 11 международной научно-технической конференции «Леса России в ХХ! веке», Санкт-Петербург 2014г., технических совещаниях НТС в ООО НПО «Гидротехпроект», в ООО «Геопроектизыскания», ОАО «ЛенТИСИЗ» отчеты СФ ДВГИ ДВО РАН, ГУ ГГИ, АНО НИЦ «Геодинамика», НП «ЛИЦ» и других предприятиях.

Соответствие диссертации паспорту научной

специальности. Наиболее существенные результаты, выносимые на защиту, относятся к следующим пунктам паспорта специальности 05.21.01 -Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства:

1. Исследование параметров и показателей предмета труда, деревьев и их частей, природно-производственных условий произрастания лесов и лесопользования, создание информационной базы.

6. Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду.

14. Разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах.

15. Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений.

Глава 1. Оценка обоснованности применения статистических методов обработки рядов наблюдений максимального стока рек.

1.1 Эмпирическая вероятность.

При проектировании любых инженерных лесохозяйственных сооружений, главная задача, от решения которой зависят их линейные размеры и затраты на строительство - определение максимальной водопропускной способности.

Вся методология современных расчетов максимальных расходов воды основана на статистической обработке рядов наблюдений максимального стока. Основоположники этого направления - С.Н. Крицкий и М.Ф. Менкель характеризовали статистический анализ данных наблюдений за речным стоком, как один из основных способов гидрологического обоснования при разработке водохозяйственных систем [1].

Они считали, что «современная наука не располагает возможностями детерминированного прогнозирования речного стока на десятки лет вперед... Вряд ли такое прогнозирование вообще когда-нибудь станет возможным... Статистические методы - единственный... способ раскрыть закономерности, проявляющиеся в многолетних колебаниях стока».

Методика основана на следующей парадигме: если в определенном гидрометрическом створе за определенный период наблюдений максимальный расход составил некоторую величину, то, скорее всего, в последующий такой же период эта величина будет превышена не более одного раза. Для этого измеренные максимальные годовые расходы воды ранжируются в убывающем порядке, и каждому члену такой выборки ставится в соответствие относительная частота его появления.

В случае если расход меньший, чем минимальное значение нашей выборки, считается, что вероятность его превышения равна 1. Прохождение по нашей реке расхода, превышающего по величине максимальное значение выборки, предполагается невозможным (р=0). Вероятность наступления

паводка, который наблюдался m раз среди n значений выборки равно отношению m/ n.

Рассчитанные вероятности наблюденных экстремальных расходов должны совпадать с соответствующими значениями подбираемой теоретической кривой.

Из условия симметрии относительно медианы С.Н. Крицкий и М.Ф. Менкель [1] предложили общий вид формулы вероятности Рт =( т-а)/( n+1-2а), где Рт - оценка вероятности превышения m-го члена в нашей ранжированной выборке, для математического ожидания а=0 (формула Крицкого-Менкеля), для моды а=1, для медианы а=0,2929 (формула Н.Н. Чегодаева). Хазен (Heisen, 1914) предположив, что значения вероятности превышения относятся к серединам n равных отрезков, на которые разделяется интервал вероятности, получил формулу Рт=(т-0,5)М. Е.Г. Блохинов рассчитал, что математическое ожидание членов ранжированных выборок хорошо выражаются рассматриваемой формулой при а=0,4.

Ю.Б. Виноградов [2] рекомендует использовать либо «медианный» вариант формулы эмпирической вероятности (Чегодаева) в связи со свойствами медианы как центра распределения при любых его типах, либо исходную статистическую формулу Рт = m/n при условии преобразования исходного ряда с оценкой крайних членов по Гумбелю (E. J. Gumbel, 1958).

Сравнительные величины эмпирических вероятностей, рассчитанных по различным формулам, представлены в таблице 1.1. Модальное распределение выведено из предположения, что первый член выборки идет после гипотетического максимального (с вероятностью превышения 0), а последний - перед гипотетическим минимальным (с вероятностью превышения 1).

Как видно из таблицы, квантили экстремальных значений стока даже на уровне эмпирической выборки отличаются друг от друга в два раза (например, распределения Чегодаева и Крицкого-Менкеля).

Таблица 1.1 - Величины эмпирических вероятностей выборки

максимальных расходов весеннего половодья реки Медвенка (Подмосковная ВБС), рассчитанные по различным формулам._

макс. Эмпирическая обеспеченность, %, по формуле

расход распределения

весеннего

половодья, Кр.-Менкеля Чегодаева

м3/сек матожидания Модальное медианное Хазена Блохинова Виноградова

8,35 1,61 1,64 0,82 1,15 0,98 1,11

3,49 32,26 33,33 31,97 32,09 32,03 33,87

3,17 40,32 41,67 40,16 40,23 40,20 41,94

2,47 61,29 61,67 61,48 61,40 61,44 61,3

1,95 67,74 68,33 68,03 67,91 67,97 69,4

1,87 74,19 75,00 74,59 74,42 74,51 75,81

1,32 87,10 88,33 87,70 87,45 87,58 87,10

0,676 98,39 98,36 99,18 98,85 99,02 98,89

Тем не менее, на основании полученной описанным образом эмпирической функции распределения, подбирается аппроксимирующая теоретическая функция, экстраполяцией которой определяются экстремальные значения стока редкой повторяемости.

Анализ частоты повторяемости экстремальных паводков в рассматриваемой природной зоне показывает, что на протяжении 100 лет (1895-1994 годы) наблюдалось 16 многоводных лет (1908, 1911, 1926, 1931, 1946, 1951, 1955, 1956, 1957, 1962, 1963, 1966, 1970, 1979, 1983, 1994), причем на семь приходятся две трети всех максимальных зафиксированных расходов (рисунок 1.1). Второй измеренный максимум меньше первого в среднем на 12%. Третий - меньше второго еще на 10%. Все три максимума у 245 (82%) изученных малых рек региона были зафиксированы в эти годы. У оставшихся изученных 53 (18%) рек второй или третий максимумы также приходятся на эти годы. Учитывая точность измерения экстремальных паводков (около 20%) и тот факт, что значительная часть «измеренных» расходов де-факто вычислена задним числом по меткам высоких вод (погрешность оценки может достигать 50%), можно сделать вывод, что расброс двух-пяти наибольших максимумов укладывается в погрешность

измерений. Большинство наблюдений проходило в 50-е - 60-е годы, чем объясняется сгущение точек в этот период.

^ 3.

им 1С

1 ■ ■

10000 ■ ■ 1 ■

■ ■ ■ ■ ■

■ ■ я ■ ■

■ ■ ■ ■ 1

■ 1а ■ 1 ■

1000 | ■ ■

■ 1 ■ 1 " ■ ■ ■ ■ ■

■ 1 1 1 ■ ■ ч ■

1 : . я ? ч! I ■ ■ г

■ ■ ■ И' Ч • • ■

100 ■ ■ ■. ■ я Я и I ■ ■ ■

■ "ш ■ ■ ■ ■ ■ . ■ Г ■ ■ ■ ■ . ■

■ ■ ■ ч ■ ■ ■

10 ■ .Л

■ я ■ ■

■

■ ■

1

1В 94 1904 1914 1924 1934 1944 1954 1964 1974 1934 1994

ГОД Ы

Рисунок 1.1 - Повторяемость максимальных паводков за период 1895-1994 годов.

Исходя из этого можно сделать вывод, что благоприятная для экстремальных паводков (половодья) ситуация складывается не реже, чем раз в пять-семь лет. Вероятность наступления такого события каждый последующий год - 0,1 ^ 0,2. Каждый такой паводок может в результате конкрентных сложившихся условий стать катастрофическим, что никак не учитывается в методике, поскольку считается, что такой паводок имеет повторяемость 2-5% и реже, т.е. не ожидается чаще, чем раз в 20-50 лет.

1.2. Применимость аппарата теории вероятности и математической статистики.

Расчетный расход воды регламентируется вероятностью превышения расчетных гидрологических характеристик для каждого вида строительства, устанавливаемой нормативными документами, утверждаемыми Госстроем России в зависимости от уровня ответственности сооружений (п. 4.8) [3]. Например, согласно [4], каждой категории дорог, должна соответствовать своя нормативная степень надежности инженерных дорожных сооружений -вероятность того, что максимальный расход воды Qp, соответствующий

расчетному случаю Рд, не наступит в течение расчетного срока службы сооружения п.

Вероятность реализации события А [5] равна отношению числа т благоприятствующих событию А исходов опыта, к общему числу исходов опыта п из полной совокупности возможных результатов опыта:

т

Р ( А ) = т

п

Иными словами, в результате проведения определенных СП 33-1012003 [3] расчетов, мы должны получить количественную оценку объективной возможности наступления экстремального события (расхода определенной величины) на каждый интересующий нас отрезок времени.

«Расчеты годового стока и других его характеристик представляются в виде количественной оценки, отвечающие той или иной заданной обеспеченности или повторяемости - в среднем один раз в N лет без указания срока наступления расчетной величины» [6].

«Значения характеристик стока для каждого года можно считать случайными и не зависящими друг от друга, поэтому не представляется возможным прогнозировать срок их появления, но можно оценить лишь вероятность их превышения более высокими значениями» [7].

Таким образом, априори считается, что период, когда наше экстремальное событие с заданной вероятностью может произойти, в результате расчетов не определяется.

Ответ на вопрос о количественном значении вероятности прохождения экстремального события можно получить после оценки правомерности использования предлагаемого математического аппарата.

Для использования аппарата теории вероятности и математической статистики должны соблюдаться следующие условия:

1. Должна быть задана область определения численных значений, случайной величины. В рамках существующей методологии

гидрологических расчетов, не существует ответа на вопрос, в каких пределах реально может изменяться гидрологическая величина на конкретном объекте. Получив расчетный расход, соответствующий обеспеченности 0,1%, мы предполагаем, что по реке может пройти расход, соответствующий 0,01%, и т.д. до бесконечности, обеспеченности. Хвост кривой распределения вероятностей распространяется на всю область положительных величин. Это не соответствует реальным фактам. Максимальный сток регламентируется предельным для каждой географической зоны слоем осадков, который определяется ее климатическими особенностями. В случае катастрофического изменения климата, вся предварительно полученная статистическая информация не будет иметь никакого значения.

В качестве иллюстрации на рисунке 1.2 приведено классическое распределение ранжированных измеренных годовых максимумов расходов лога Таежный, длиной более 70 лет (ВФ ГГИ) и то же распределение, но представленное без логарифмической шкалы. Понятно, что без дополнительных физических обоснований провести хвост кривой распределения не представляется возможным, тем более, что для сооружений 1 уровня ответственности мы, согласно [8] должны проводить расчет на поверочный расход 0,01% обеспеченности, т.е. неопределенная часть правого рисунка возрастет еще в 10 раз.

2. Вероятность распределения значений случайной величины должна быть заранее известна. В нашем случае подбор соответствующей функции распределения вероятностей и определение по ней расчетных гидрологических характеристик является субъективным результатом решения задачи, а не ее предварительным условием.

Вывод. Необходимые условия для возможности использования аппарата теории вероятностей - известность закона распределения и определенность диапазона значений, принимаемых нашей характеристикой,

в нашей ситуации не соблюдено. Следовательно, количественное значение вероятности прохождения экстремального события мы получить не можем.

лит|>ы/сек

-----------140

'Ьчг 120

^ 100

------— 1 30

------1 40

------1 40

------1 20

0.1 0,4 1

обеспеченность, %

Рисунок 1.2 - Эмпирические значения частоты превышения от 0,1%(раз в 1000 лет) до 99% (практически ежегодно) лога Таежный (данные ВФ ГГИ)

1.3 Требования к рядам наблюдений.

Согласно требованиям СП: «п. 4.7. Определение расчетных гидрологических характеристик следует производить по однородным рядам наблюдений» [3].

«Однородный ряд - ряд последовательных значений метеорологического (гидрологического) элемента, полученных из наблюдений за достаточно длительное время, выполненных в данном пункте приборами одинаковой конструкции и одинаковой точности, в одной и той же правильной установке и наблюдателями одинаковой квалификации; при этом окружающая станцию (пост) обстановка изменялась с течением времени не настолько существенно, чтобы это могло заметно повлиять на результаты наблюдений» [9].

Приборы для измерений за время наблюдений на одном и том же посту различаются по конструкции и по физическим принципам определения характеристик. Пример - уровнемеры прямого измерения (рейки), барботажные, гидростатические, акустические, лазерные и т.д. Новые

литры/се к

обеспеченность, %

приборы всегда устанавливаются в новых местах. Погрешность измерения различается от прибора к прибору на порядок. Квалификация и добросовестность наблюдателей и обработчиков первичной информации в силу образования и мотивационных причин резко изменились.

Кардинально изменились и ландшафтные характеристики водосборов. В центральной части зоны смешанных лесов ведутся интенсивные рубки лесов хвойных пород, поля зарастают мелколиственным древостоем. Лесопокрытые площади на рассматриваемой территории увеличились за 50 лет на 30%.

Меняются уклоны водной поверхности малых рек, густота речной сети

[10].

«Выделяется два вида однородности: статистическая и климатологическая. Нарушение статистической однородности ряда возникает при изменении условий измерения, в том числе при установке нового прибора, изменении метода измерения, местонахождения поста или условий окружающей местности.

Нарушение климатологической однородности ряда связано с природными и антропогенными воздействиями» [11].

В 1950 г. средняя водность паводков на реке Медвенке Подмосковной

3 3

ВБС составляла 4,3 м /сек, а в 2000-е годы уже 1,8 м /сек. Этому виной климатологическая неоднородность. Статистическую в данном случае в расчет не берем - различие в годовых слоях стока с одного и того же водосбора при близкой сумме осадков иногда составляет 100 [12] и более раз.

«В основе математического описания многолетних колебаний речного стока и многих других гидрометеорологических процессов лежит гипотеза стационарности рассматриваемого случайного процесса» [13].

«Случайный процесс называется стационарным, если его вероятностные закономерности неизменны во времени. В противном случае, он называется нестационарным. Случайная функция называется

стационарной, если её математическое ожидание и дисперсия постоянны»

«Стационарными называются процессы, законы распределения вероятностей которых и соответствующие числовые характеристики не имеют ни начала, ни конца, т. е. начались бесконечно давно и продолжаются бесконечно долго» [15].

При глобальном потеплении, статистической однородности процесса не может быть, на месте реки Невы десять тысяч лет назад был перешеек, реки Тигр, Евфрат и Карун еще 2,5 тысячи лет назад впадали в Персидский залив, а сейчас образуют реку Шатт-эль-Араб [16].

Вывод - ряды наблюдений за стоком рек не однородны и не стационарны.

1.4 Генетическая теория формирования паводков

Генетическая теория формирования паводков основана на суммировании расходов воды, образовавшихся в различных частях бассейна и последовательно добегающих к замыкающему створу. При этом предполагается анализ физического процесса стока [6,7].

Предполагается, что после естественных потерь осадков на смачивание растительности и почвенного покрова, аккумуляции в толще снега и почвы и заполнения отрицательных форм рельефа, оставшаяся от осадков (снеготаяния) часть воды начнет стекать со склонов и поступать в речную сеть.

где Qt -- текущий расход паводка [6,7], / - площадь, с которой в момент времени t к замыкающему створу подается вода и которая является функцией времени добегания, /=уЬЖ, V - скорость движения воды, Ь - ширина площадки /, Л - время добегания, X - слой дождевых или талых вод, Р -

[14].

Тогда текущие расходы паводка

0

суммарные потери воды на смачивание, испарение, аккумуляцию и т.д., к = Х-Р - слой стока за время ? [7].

Проверка предлагаемой зависимости на соответствие размерностей,

3 2 3

расход [м /сек]= [м /сек]х[м сек]= [м ], позволяет сделать вывод, что для практических расчетов эта методика никогда не использовалась.

Главный недостаток генетической теории, изложенной, например, в [6], состоит в том, что весь учитываемый сток, дошедший до замыкающего створа, считается поверхностным. Реально же, особенно в условиях лесной и лесостепной зон, поверхностный сток отсутствует всегда.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Виноградов Алексей Юрьевич, 2016 год

ист ср min

W

К

V V min у

+ 1

3.3

где © ср - среднемноголетний месячный приход солнечной радиации, МДж/м , Ж -

осредненное за рассматриваемый месяц число Вольфа, Кт1П и Кмах - коэффициенты, характеризующие подстилающую поверхность в годы минимальной и максимальной солнечной активности.

В общем случае, © ист= ©ист (1-Л)(1-#), где А - альбедо, N -

облачность [33, 34, 67].

Известен факт, что весной при отрицательных температурах воздуха, на солнечной стороне происходит достаточно интенсивное снеготаяние. Это как раз и объясняется воздействием прямой солнечной радиации. Растительные параметры

Непосредственное влияние на перераспределение осадков лес оказывает с момента попадания последних на поверхность растительности. Чем гуще древостой, тем большая часть дождя останется на ветках и листьях

и испарится непосредственно с них. Густота леса зависит от его возраста, породы и количества деревьев на рассматриваемой площади, их высоты. В результате анализа нижеприведенных литературных данных и материалов собственных наблюдений [68] составлены итоговые таблицы (3.12-3.14) предельной величины перехвата для различных древостоев рассматриваемой природной зоны.

В таблицах 3.7 - 3.11 приведены данные о перехваченной растительностью части жидких осадков в зависимости от породы древостоя, его возраста и полноты.

Таблица 3.7 - Коэффициент перехвата осадков для древостоя различных пород в зависимости от возраста [62]_

порода возраст древостоя, лет

20 40 60 80 100 120 140 160 220

сосна 0,23 0,27 0,25 0,25 0,22 0,19 0,18 0,18

ель 0,27 0,30 0,31 0,31 0,29 0,28 0,25 0,22

береза 0,15 0,13 0,10 0,08 0,07

осина 0,19 0,18 0,14 0,10

дуб 0,12 0,14 0,16 0,14 0,13 0,12 0,11 0,12 0,13

ясень 0,20 0,19 0,16 0,12

Таблица 3.8 - Задержание жидких осадков пологом леса в зависимости от породного состава и полноты, % [58]_

состав насаждения возрастная группа полнота

1 0,8 0,6 0,4

ельник молодняки 68 62 36 24

спелые 44 35 26 17

сосняк молодняки 57 30 23 15

спелые 25 20 15 10

лиственные молодняки 45 27 20 14

спелые 23 18 14 9

Таблица 3.9 - Перехват жидких осадков в зависимости от полноты в зонах смешанных лесов и южной тайги

полнота 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

перехват ель, % 22 28 34 40 45 51 57

перехват лиственные, % 11 14 17 21 24 28 31

В зависимости от породного состава лиственный лес перехватывает 18% годовой суммы осадков, смешанный - 18, еловый - 43% [69].

Таблица 3.10 - Перехват жидких осадков в зависимости от класса возраста в зонах смешанных лесов и южной тайги

возраст, класс 1 2 3 4 5 6 7

перехват ель, % 68 62 56 50 44 38 32

перехват лиственные, % 45 40 34 29 23 18 12

Таблица 3.11 - Южная и средняя тайга. Преобладание хвойных пород.

Возраст леса, лет 5 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140

задержание, % 6 7 14 20 28 30 27 23 19 17 17

Зимние осадки также задерживаются ветками деревьев, однако в связи

с малой величиной испарения в холодный период, эта часть осадков под

действием ветра и оттепелей со временем оказывается на земле. Большее

значение на снегонакопление в зимний период лес оказывает как

снегозадерживающий элемент ландшафта (таблица 3.12).

Таблица 3.12 - Снегонакопление в лесу в зависимости от таксационной характеристики насаждений

высота запас плотность

снежного воды в снега,

подстилающая поверхность покрова, см снеге, мм т/м3

поле 19 60 0,32

хвойный лес 26 67 0,39

лиственный лес 32 88 0,36

поле 16 45 0,36

лиственный молодняк 10 лет 25 63 0,40

березняк 12 лет 26 65 0,40

березняк 15 лет 31 74 0,42

переспелый березняк полнотой 0,5 27 68 0,40

переспелый березняк полнотой 0,8 23 55 0,42

Процентное соотношение перехваченной части к слою выпавших осадков, дает лишь качественную информацию о потерянной для последующего стока воды. Каждый конкретный паводок создается конкретным ливнем и нас в первую очередь интересует количественная составляющая часть этого ливня, оставшаяся на поверхности растительности и прямо с нее испарившаяся в атмосферу.

Известно, что небольшой дождь почти полностью остается на листьях, а с увеличением слоя осадков все большая часть воды попадает в почву. При интенсивных и обложных дождях способность растительности задерживать осадки исчерпывается полностью. Поэтому основным параметром, характеризующим потенциальную способность определенного растительного сообщества задерживать часть осадков, является предельно возможная величина перехвата.

Для реализации предложенной схемы [22] необходима информация о предельной емкости перехвата осадков различными растительными сообществами. Данная информация, почерпнутая из различных источников, представлена в таблицах 3.13 - 3.20.

Таблица 3.13 - Предельное значение перехвата осадков древесной растительностью [62]_

предельное

возраст, задержание,

порода лет полнота мм

осинник 14 1 0,5

осинник 30 0,8 0,5

береза 35 1 1,1

сосна 12 0,8 0,9

сосна 14 0,9 1,3

ель 24 1 2,8

ель 43 1 4,6

Таблица 3.14 - Предельное значение перехвата осадков травяной растительностью [62]_

ширина количество

высота, листа, задержанной

порода см см воды, мм

трава;

приводораздельная часть водосбора 5 0,2 0,6

рожь 15 0,5 0,2

осока 10 0,3 0,4

трава; нижняя часть

склона 7 1 0,7

трава; под березовым

лесом 9 0,5 0,1

Таблица 3.15 - Задержание жидких осадков еловыми насаждениями, % [34

породный состав слой осадков, мм

1,00 5,00 10,00 20,00 30,00

10Е, 90 лет, полнота 0,7 по Федорову, % 66 51 41 27 20

рассчитанный по формуле 2.2, % 83 45 26 13 9

10Е, 35 лет, полнота 0,9 по Федорову, % 69 49 33 21 19

рассчитанный по формуле 2.2, % 86 52 32 17 11

Таблица 3.16 - Перехват жидких осадков сомкнутого 90 летнего елового насаждения, 4 класс бонитета [69]_

слой осадков 0,25 1,5 3,5 4,5 7 10 15 20 30 50

перехват по данным 0,25 1,1 1,85 2,07 2,3 2,6 2,68 2,7 2,7 2,7

перехват, рассчитанный по формуле 2.2, мм слоя 0,24 1,15 1,96 2,19 2,5 2,63 2,69 2,7 2,7 2,7

Таблица 3.17 - Поправочные коэффициенты к базовому (предыдущая таблица) насаждению_

Класс бонитета

возраст 1 2 3 4 5

10 0,52 0,37 0,3 0,27 0,22

20 1,19 0,89 0,72 0,6 0,48

40 1,54 1,45 1,33 1,16 1

60 1,31 1,27 1,22 1,18 1,13

80 1,19 1,13 1,09 1,03 0,98

90 1,21 1,13 1,06 1 0,94

100 1,25 1,13 1,06 1 0,92

120 1,31 1,14 1,07 0,98 0,88

Таблица 3.18 - Задержание осадков лесом и кустарником [70].

слой осадков, мм 0,3 0,6 0,9 1,5 2,4 3 4,5 6

перехват кустарником 0,15 0,28 0,36 0,52 0,65 0,72 0,78 0,79

перехват

кустарником

рассчитанный по формуле 2.2, мм слоя 0,25 0,42 0,54 0,67 0,75 0,77 0,79 0,79

перехват сосновым насаждением 0,27 0,53 0,79 1,05 1,2 1,23 1,32 1,32

перехват сосновым

насаждением

рассчитанный по формуле 2.2, мм слоя 0,27 0,48 0,65 0,90 1,11 1,18 1,28 1,31

Таблица 3.19 - Предельная емкость перехвата для хвойных насаждений в зависимости от состава и класса бонитета; 5 класс возраста [68, 71, 72].

бонитет 1 2 3 4 5 6

высота

насаждения 31 27 24 20 16 13

10Е 3,4 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3

1С9Е 3,2 2,9 2,7 2,6 2,3 2,2

£ 2С8Е 3,0 2,7 2,6 2,4 2,2 2,1

к <и 3С7Е 2,9 2,6 2,4 2,3 2,1 1,9

9 о й 4С6Е 2,7 2,4 2,3 2,2 2,0 1,8

5С5Е 2,6 2,3 2,2 2,0 1,9 1,7

К и 6С4Е 2,4 2,2 2,0 1,9 1,8 1,6

й н о 7С3Е 2,3 2,1 1,9 1,8 1,7 1,6

о о 8С2Е 2,2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5

9С1Е 2,0 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4

10С 1,9 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3

Таблица 3.20 - Предельная емкость перехвата, мм, для хвойных и лиственных пород 1 бонитета полноты 1,0 в ^ зависимости от возраста._

возраст, лет к-т для хвойных ель сосна к-т лиственных береза осина ясень к-т дуба дуб

10 0,75 2,6 1,4 1,00 0,9 1,0 1,1 1,00 1,2

20 0,90 3,0 1,7 0,82 0,7 0,8 0,9 1,17 1,4

40 1,16 4,0 2,2 0,64 0,6 0,6 0,7 1,33 1,6

60 1,27 4,3 2,4 0,53 0,5 0,5 0,6 1,17 1,4

80 1,21 4,1 2,3 0,45 0,4 0,5 0,5 1,08 1,3

90 1,13 3,8 2,1 0,42 0,4 0,4 0,5 1,00 1,2

100 1,00 3,4 1,9 0,40 0,4 0,92 1,1

120 0,93 3,2 1,8 0,92 1,1

С учетом распределения количества осадков по слоям, полученные

расчетные значения перехвата хорошо согласуются с таковыми, приведенными в таблицах 3.7 - 3.11.

Влияние корневой системы

Следующим важным параметром воздействия леса на испарение является способность корневой системы древостоя извлекать свободную влагу из почвы. Эта влага идет на поддержание жизнедеятельности растения, его рост. Вода, проходящая через корневую систему растений, несет с собой растворенные питающие растение вещества, регулирует тепловой режим растений. «В целом корневые системы являются одним из важнейших

факторов влагооборота фитоценозов, недоучет которого ведет к существенным ошибкам при оценке гидрологической роли последних» [69].

В зоне тундры масса корней стланика составляет 200-300 центнеров на гектар, корневая система расположена в верхнем почвенном слое 10-20 см, выше отметок вечной мерзлоты. В зонах северной и южной тайги на переувлажненных территориях значительная часть корневой системы древесных растений сосредоточена в поверхностных слоях до глубины 20 см и не превышает по массе 300-500 центнеров на гектар, в случае глубокого залегания грунтовых вод корневая система распространяется на глубину до 1,5 - 2 м и имеет массу до 800 центнеров/га.

В лесостепной и широколиственной зонах, на серых лесных, черноземных и каштановых почвах, значительная часть корневой системы уходит в более глубокие слои. Таким образом, основным фактором в глубинном распределении корневой системы является влажность почвы. Наибольшее разрастание корневой системы растений наблюдается в хорошо аэрируемых, умеренно влажных почвах. В переувлажненной почве корни распространяются мало (таблица 3.21).

«Глубина залегания основной массы корней, хотя и зависит от конкретных условий, является наследственно закрепленным признаком для каждого вида растений» [73].

Таблица 3.21 - Содержание корней по слоям почвы по [75, 76]

участие

слоя

фито содержание почвы в

масса корней по испарении,

содержание тип леса, корней, слоям доли

почва слой гумуса, % бонитет т/га почвы, т/га единицы

0-20 5,2 35 28,9 0,83

21-40 0,6 3,3 0,10

слабоподзолистая 41-60 0,2 1,1 0,03

легкосуглинистая 61-80 0,2 1,1 0,03

на валунном 81- ельник

суглинке 100 0,1 кисличник, 1 0,5 0,01

Продолжение таблицы ^3.21

скрытоподзолистая супесчаная на валунном суглинке 0-20 5,2 ельник разнотравный, 2 23,5 18,0 0,76

21-40 0,4 1,4 0,06

41-60 0,5 1,7 0,07

61-80 0,6 2,1 0,09

81100 0,1 0,3 0,01

скрытоподзолистая супесчаная на супесях 0-22 5 ельник кисличник, 1 50 36,8 0,74

21-42 0,9 6,6 0,13

41-62 0,4 2,9 0,06

61-82 0,3 2,2 0,04

81102 0,2 1,5 0,03

среднеподзолистая супесчаная на супеси 0-20 5,6 сосняк вейниковый с елью, 2 10,5 8,8 0,84

21-40 0,7 1,1 0,10

41-60 0,2 0,3 0,03

61-80 0,1 0,2 0,01

81100 0,1 0,2 0,01

скрытоподзолистая песчаная на песках 0-20 1,8 сосняк бруснично-зеленомошный, 3 10 8,6 0,86

21-40 0,2 1,0 0,10

41-60 0,1 0,4 0,04

61-80 0 0,0 0,00

81100 0 0,0 0,00

торфянисто-подзолистая глееватая на суглинках 0-20 4,4 сосняк багульниково-сфагновый, 4 7,5 4,5 0,59

21-40 1,7 1,7 0,23

41-60 0,8 0,8 0,11

61-80 0,3 0,3 0,04

81100 0,2 0,2 0,03

среднеподзолистая песчаная на супесях 0-21 1,3 ельник зеленомошный, 3 17,5 14,2 0,81

21-41 0,2 2,2 0,13

41-61 0,1 1,1 0,06

61-81 0 0,0 0,00

81101 0 0,0 0,00

торфяник верховой 0-20 1 сосняк чернично-сфагновый, 5 8 5,0 0,63

21-40 0,6 3,0 0,38

41-60 0 0,0 0,00

61-80 0 0,0 0,00

81100 0 0,0 0,00

«Наиболее богатые гумусом, структурные слои... наиболее богаты и корнями растений. Мы не всегда отдаем себе отчет, в каких гигантских количествах корни «пьют» воду, а цифра весьма внушительна: для леса она равна почти 10 тысячам тонн на гектар» [74].

«Огромная часть подземных частей растений размещается главным образом в горизонтах А и В»[77]. Корневой канал диаметром 2,5 мм пропускает в 1 млн. раз воды больше, чем соответствующих размеров пора почвы [70]. Надо иметь в виду, что это движение направлено из почвы вверх по стволу. Таким образом, растение воздействует на скорость испарения следующим образом.

• Увеличивает площадь испаряющей поверхности.

• В разы ускоряет подводку влаги к ней и задействует в процессе испарения воду из более глубоких горизонтов почвы.

В упрощенном виде интенсивность транспирации пропорциональная дефициту влажности воздуха и площади листьев растения.

Испарение с поверхности почвы линейно зависит от увлажнения верхнего почвенного слоя (для единичной площади).

^ = _ £ 3.4

Ж

В случае транспирации, со всего почвенного слоя, пронизанного корневой системой, идет забор влаги, причем нижний порог влажности слоя почвы, выше которого транспирация еще будет наблюдаться, равен ИВЗ. Вклад транспирационной доли испарения с нижележащих почвенных слоев в нашем случае учитывается коэффициентом к3, доступная влага в емкости слоя почвы изменяется в пределах Нм >Н> Нвз.

Почвенные параметры

С гидрогеологической точки зрения наибольшее значение для формирования стока имеют следующие водно-физические свойства почв [45, 79, 80]:

• ВЗ (мм) кВЗ - влажность завядания, запас непродуктивной влаги -максимальное содержание в почве прочносвязанной пленочной воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности почвенных частиц. Соответствует величине полного физического иссушения.

• МВС (мм) кмвс - максимальное количество влаги, которое может удерживаться почвой после стекания избытка влаги под действием гравитационной силы.

• ПВ (мм) НМАХ - полная влагоемкость - наибольшее количество влаги, которую может вместить почва, численно близка ее пористости.

Вышеупомянутые константы задают пределы изменения содержания влаги, интересующей нас с точки зрения формирования стока. Ее не может содержаться в почвенном горизонте больше, чем ПВ и меньше, чем ВЗ. После попадания в почвенный слой количества влаги, большей НМВС, та ее часть, которая превышает НмВС, стекает под действием силы тяжести и в дальнейшем участвует в стоке.

Определение размеров этих констант вызывает определенные трудности.

Пространственная изменчивость влажности почвы [45], без учета особенностей рельефа, для суглинков в зависимости от увлажнения колеблется от 10% при высоком увлажнении, до 20% при низком. Роде [79] оценивает причины пространственной изменчивости в микрорельефе, механическом составе, неоднородности растительного покрова и корневого проникновения с верхний слой, наличии в почве трещин, щелей, ходов животных и т.п. Некоторые исследователи [81, 82] для исключения такой неоднородности рекомендовали брать влажность почвы в одной повторности.

Большинство авторов склоняется к использованию при определении влажности «статистического» метода. Такой метод позволяет свести «местную» пространственную изменчивость к определенной погрешности. В

резюме развернутого анализа данной проблемы, Роде [79] определяет эту погрешность в 10% определяемой величины, а [81] оценивают разброс отклонений от среднего, больший 20 мм слоя влаги в метровом слое почвы, для полевых маршрутов в 4, а для лесных в 2,6 % случаев.

При многолетнем моделировании стока необходимо иметь в виду, что водно-физические свойства меняются не только в пространстве, но и во времени [83, 84, 85].

Процесс изменения водно-физических характеристик почв происходит очень медленно, что затрудняет возможность его детального описания и прогнозирования. Американские авторы [32, 70] считают, что влияние растущего леса на изменение состава почвы происходит крайне медленно, с периодом в 500 лет. Выявленные при этом в результате анализов влияние леса сказывается всего на глубину 15,2 см, что не соответствует нашим данным [84].

Многолетний эксперимент, проводимый на базе Валдайского филиала Государственного гидрологического института с искусственными лесонасаждениями на экспериментальной стоковой площадке, на водосборах Синяя Гнилка и лог Таежный, за шестьдесят лет наблюдений показал, что в процессе развития хвойных и лиственных насаждений происходит изменение среды произрастания: растительного покрова, агрохимических и водно-физических характеристик почв.

Эксперимент предполагал выявление влияния облесения водосбора на условия формирования стока и преобразований, которые вносит в почвенный покров лес по мере своего роста.

Посадка леса на стоковой площадке на двух участках произведена в 1950 году. Состав посадок на хвойном участке - 7С3Е, возраст саженцев 3 года. В настоящее время (2006г., таксация проведена нами) состав древостоя 9Е1С+Ос, бонитет 2, полнота 1.2, на лиственном - 10Б+0лс, бонитет 2, полнота 1,3.

На водосборе Синяя Гнилка посадки проводились в 1961 году с дополнениями 63 и 65гг. До 1957 г. водосбор распахивался, с 1958 находился в естественном состоянии, покрыт луговой растительностью. Первоначальный состав насаждения 5С5Е, в настоящее время (2006 г.) 10Е+С, только в верхней части водосбора вблизи водораздела состав 10С (10% площади всего водосбора), бонитет 1, полнота 0,9.

Наблюдения на водосборе Таежный начаты в начале 50-х гг., возраст леса в то время составлял 60 лет, для сопоставления взяты участки с близким гранулометрическим составом почв и режимом увлажнения. Состав леса 9Е1С, бонитет 1-2. В настоящее время насаждение находится в стадии интенсивного выпадения, полнота на расстроенных участках составляет 0.2, почва задерновывается, лесная подстилка в этих местах отсутствует. Самосев редкий, 50-100 экз. на гектар, густой малинник.

На основании того, что усредненные почвенно-растительные колонки на всех трех участках схожи, уклоны и экспозиция склонов близки, можно предположить, что условия произрастания леса почти идентичны. По старым планам 80-х годов 19 века, на месте исследуемой площадки водосбора Таежный, как и двух других, находились покосы и пашни.

Итак, мы имеем три площадки, засаженные хвойным лесом, на первой (Таежный) период наблюдений охватывает возраст леса от 60 до110 лет, на второй - (Синяя Гнилка) 0-50 лет, на третьей - (стоковая площадка) 0-60 лет.

Таким образом, на трех площадках наблюдениями охвачен весь период роста насаждения от посадки леса до расстройства насаждения. По материалам таксации, проведенной на водосборе лога Таежный в 2015 году, продолжается интенсивное выпадение переспелого леса, местами образовались поляны, площадью до 0,2 га, зарастающие березняком и осинником (возраст 3-5 лет); количество сухостоя на высокополнотных участках (с полнотой 0,5-0,7), составляет до 30%.

По материалам многолетних наблюдений, изменения объемного веса почво-грунтов по мере роста леса составили в верхнем 10 сантиметровом слое до 0,3 т/м3, пористости - 20% (табл. 3.22). На водосборе лога Таежный заметен тренд к повышению плотности верхнего почвенного горизонта с 1,1 до 1,16 т/м . Это связано с естественным выпадением переспелого леса и уменьшением его полноты в среднем с 0,8 до 0,5 в настоящее время.

Величина МВС количественно взаимосвязана с содержанием в почве глинистых, пылеватых и гумусовых фракций. Увеличение содержания гумуса в почвенном горизонте на 10% влечет повышение МВС на 3-7 мм.

В качестве примера приведем данные по изменению содержания гумуса в лесной почве за период жизни леса и в течение вегетационного периода (табл.3.23).

3

Таблица 3.22 - Изменение объемного веса (т/м ), содержания гумуса (%) и водно-физических свойств верхнего слоя почвы с возрастом леса._

возраст леса, лет 0 10 30 50 70 90 110 130

объемный вес верхнего слоя почвы, т/м3 1,4 1,3 1,22 1,18 1,13 1,1 1,14 1,18

содержание гумуса в верхнем слое почвы, % 2,6 0,8 1,5 1,75 3,3 5,9 8,2 12,3

ПВ, % от

первоначального состояния 100 116 130 138 149 156 147 138

МВС, % от

первоначального состояния 100 97 98 99 101 106 108 112

Таблица 3.23 - Внутригодовое изменение содержания гумуса в верхнем почвенном горизонте (0-15 см) в % от максимального содержания (апрель). Составлен по материалам наблюдений на пл. 15, строки 2, 3 - [68].

месяц март апрель май июнь июль август

смешанный лес 99 100 83 67 58 48

сосняк елово-

гумус, % от черничный 95 100 58 55 47 45

максимального ельник орляково-

содержания мшистый 86 100 94 43 84 52

Таким образом, при многолетнем моделировании стока малых рек необходимо учитывать изменения водно-физических свойств верхнего

горизонта почвы, связанное с зарастанием полей (при покрытии дерном пахотных участков, ПВ уменьшается на 15-20%, при появлении леса - ПВ растет на 25 и более %).

При моделировании годового гидрографа, для оценки величины МВС становится значимой и внутригодовая изменчивость содержания гумуса. Эти выводы подтверждаются исследованиями на территории Истринского гидрологического опорного пункта ВНИИЛМа [87].

Таблица 3.24 - Завышение значений водно-физических характеристик почвы при погрешностях пробоотбора. ОВ - объемный вес_

объемный вес г/см3 водно-физические

слой, характеристики, мм

см ОВ1 ОВ2 ПВ1 ПВ2 МВС1 МВС2

0-5 0,91 0,81 33 35 12 10

5-10 1,18 0,81 28 35 14 10

10-20 1,32 1,02 50 62 33 25

20-30 1,42 1,24 46 53 33 29

30-40 1,46 1,42 45 46 31 30

40-50 1,46 1,42 45 46 32 31

Таблица 3.25 - Максимальная водоудерживающая способность почв (мм слоя влаги/100 мм слоя почвы)_

Почвенный го Бассейн р. Власиха, уч. 0

ризонт п. 1 лес п. 2 поле п. 3 поле п. 4 поле п. 5 лес

0-10 33 34 34 34 35

10-20 30 31 33 31 31

20-40 28 31 33 31 30

40-50 26 31 32 32 31

50-60 28 30 31 31 31

60-70 29 29 30 30 30

70-80 29 30 29 30 29

80-90 27 29 29 28 29

90-100 27 27 28 27 28

Почвенный горизонт Уч.1 поле Уч. 2 лес Уч. 3 лес Уч. 4 поле Уч. 5 поле Уч. 6 поле Уч. 7 поле Уч. 8 лес Уч. 9 лес

0-10 27 34 33 28 28 24 25 27 33

10-20 25 31 31 27 25 23 24 25 31

20-30 25 25 29 26 25 23 23 22 31

30-40 24 27 29 26 23 22 20 22 30

40-50 25 28 30 26 24 20 19 22 30

50-60 26 30 30 27 26 20 19 20 30

60-70 25 30 28 28 25 20 20 20 28

70-80 25 28 28 30 25 19 19 18 27

80-90 24 28 27 30 25 19 18 17 27

90-100 24 28 27 30 24 18 18 17 27

Есть еще один важный момент, обычно недоучитываемый при полевых исследованиях водно-физических характеристик почво-грунтов. Согласно данным [88], осредненные по разрезам объемные веса и водно-физические характеристики суглинистых почв с проникновением корневой системы до глубины 0,4 м, завышены на 10-30% (таблица 3.24).

В зависимости от механического состава почв (градации: песок, супесь, суглинок, глина, торф) составлены таблицы водно-физических свойств почвы (таблицы 3.25-3.26 по данным [89]).

Эмпирические данные по непродуктивной влагоемкости почв (влажности завядания), максимальной водоудерживающей способности и полной влагоемкости представлены в таблице 3.26. Таблица 3.26 - Водно-физические характеристики почв

Слой почвы, см Удельный вес, г/см3 Объемны й вес, г/см3 ВЗ, мм МВС, мм Общая скважинность, % объема

Лог Полевой, участок 1, пашня. Почва дерново-среднеподзолистая, среднесуглинистая, на покровном суглинке, до 21 см пахотный слой, ниже 72 см тяжелый суглинок по материалам [89].

0-10 2,66 1,30 7 29 51

10-20 2,64 1,37 8 22 48

20-30 2,70 1,48 9 22 45

30-40 2,72 1,46 13 15 46

40-50 2,74 1,57 15 16 43

50-70 2,74 1,59 17 16 42

70-80 2,74 1,62 18 15 41

80-90 2,72 1,66 18 16 39

90-100 2,72 1,70 18 17 38

Лог Лесной, участок 3, лиственный лес, Почва дерново-слабоподзо суглинок на тяжелом суглинке, Первый столбец по материалам [90" листая, средний , второй - [89].

0-10 2,57 1,18 7 5 29 16 51,54

10-20 2,57 1,45 8 8 22 31 48,44

20-30 2,64 1,50 9 14 22 21 45,43

30-40 2,67 1,56 13 17 15 15 46,42

40-50 2,72 1,56 15 17 16 15 43,43

50-60 2,72 1,56 17 18 16 14 42,43

60-70 2,61 1,61 18 20 15 15 42,38

70-80 2,69 1,62 18 19 15 17 41,40

80-90 2,62 1,60 18 20 16 16 39,39

90-100 2,62 1,58 18 19 17 16 38,40

Продолжение таблицы 3.26

Ручей Прогоны, 4 участок, луг, Почва дерново-среднеподзолистая, слабосмытая,

среднесуглинистая на покровном пылеватом суглинке, 0-20 дернина, 20-64 см -

среднесуглинистый, ниже - тяжелый суглинок [89,90].

0-10 2,66 1,38 8 30 48

10-20 2,66 1,38 8 28 48

20-30 2,68 1,50 8 28 44

30-40 2,70 1,56 14 19 42

40-50 2,72 1,56 14 20 42

50-60 2,72 1,58 17 18 42

60-70 2,71 1,56 17 16 42

70-80 2,72 1,61 18 18 41

80-90 2,71 1,58 18 18 42

90-100 2,72 1,62 18 19 40

Лог Лызлово, участки 6 и 7, пашня, Почва дерново-сильноподзолистая, супесчаная

на опесчаненной морене, 0-20 см пахотный слой, до 46 см далее супесчаный, далее

до 80 см песчано-суглинистый, ниже - опесчаненный суглинок. От глубины 130 см

рыхлый песок; 1 столбец - 6 участок по данным [89], 2 столбец - 7 участок [90].

0-10 2,64 1,56 5 4 27 27 40,41

10-20 2,66 1,71 5 4 21 30 37,36

20-30 2,67 1,82 4 3 15 27 33,32

30-40 2,68 1,75 3 2 9 23 42,35

40-50 2,67 1,82 4 5 23 15 32,32

50-60 2,68 1,84 3 6 27 10 35,31

60-70 2,68 1,88 9 9 24 9 30,30

70-80 2,67 1,78 10 4 21 11 26,33

80-90 2,66 1,88 14 2 16 14 30,29

90-100 2,66 1,67 19 2 5 14 33,37

Оценка результатов наблюдений. Водно-физические характеристики почв под лесом приняты одинаковыми для всех водосборов, для луговины и пашни отличаются друг от друга только полной влагоемкостью верхнего почвенного горизонта (до глубины 0,2 м). Количество ВЗ влаги в почве и ее МВС, вне зависимости от хозяйственной деятельности на полях, принято постоянным.

Влажность почв измерялась для верхних горизонтов в шестикратной повторности, для слоев глубже 0,5 м - в трехкратной. Точность измерений составляет по данным конкретных измерений [89] - 5-8%.

В материалах Московской ВБС имеют место результаты, когда значение ВЗ по численному значению превосходит МВС, или текущая

измеренная влажность меньше ВЗ. Этот факт объясняется в [89, 90] пестротой и неравномерностью распределения слоев почвы (таблица 3.20, лог Лызлово). Нами в последующих расчетах, такие данные во внимание не принимались.

Считается, что измеренные значения той или иной гидрометеорологической характеристики - истина в последней инстанции. Как мы уже писали [12, 91], даже выражение сомнения в качестве наблюдений - неверный тон, а задача оспорить их очень сложная и неблагодарная.

Только наличие дополнительных наблюдений за более точно измеряемыми элементами водного баланса, дает возможность оценить величину ошибок измерений слоя влаги в почве. В таблице 3.27 приведены данные за 1962 и 1963 годы по логу Лызлово. Эти годы, как и приведенные примеры ниже (табл. 3.28-3.30), с наихудшей критериальной оценкой качества моделирования.

Например, с 12 по 21 июня 1962 года измеренное влагосодержание метрового слоя почвы возросло на 143 мм. При этом слой осадков составил 17 мм, а расчетный слой испарения - 30. За последующую неделю у нас, согласно измерениям, испарилось 142 мм слоя воды из почвы. Такие несуразности позволяют оценить хотя бы наличие ошибок измерений.

Подобные ошибки наблюдались и при измерениях влажности на других водосборах. Измеренная влажность лога Полевого с 9 по 18 сентября 1963 года увеличилась с 267 до 292 мм слоя влаги в метровом слое почвы, т.е. выросла на 25 мм. При этом в течение рассматриваемого периода выпало 15 мм осадков, испарение за этот же период составило 13 мм, т. е. влагосодержание слоя, при условии влажности, меньшей МВС, должно оставаться на прежнем уровне, что и показывает расчет.

Такая же ситуация с измеренной влажностью сложилась с 29 июля по 8 августа 1963 года, когда влагосодержание метрового слоя почвы увеличилась

с 229 до 243 мм слоя. Осадков в рассматриваемый период не отмечено, испарение составило около 8 мм, т.е. влагосодержание слоя должно уменьшиться, а не возрасти.

Таблица 3.27 - Невязка водного баланса при измерениях влагосодержания

Период Измеренное влагосодержание почвы на начало и конец периода, мм Измеренные осадки за период, мм Расчетное испарение за период, мм Невязка баланса, мм

04.05.62 241 17 15 -51

11.05.62 294

12.06.62 165 17 30 -156

21.06.62 308 4 28 118

29.06.62 166

09.08.62 184 53 33 -35

23.08.62 239 40 15 94

31.08.62 170 24 18 -61

11.09.62 237 9 10 37

19.09.62 199 10 9 -49

28.09.62 249 7 10 47

09.10.62 199

30.05.63 128 22 25 -70

08.06.63 195 50 36 -59

20.06.63 268 10 25 146

28.06.63 107

09.08.63 45 35 25 -96

20.08.63 151 4 20 53

30.08.63 82

01.10.63 90 4 8 -56

09.10.63 142 10 5 -78

18.10.63 225

Далее, с 18 по 28 августа 1978 года, влажность выросла с 299 до 319 мм, т.е. на 20 мм. Слой осадков составил 13 мм, испарение - 23 мм. С 27 июля по 8 августа 1979 года увеличение влажности составило 54 мм при слое осадков 29 мм и испарении 30 мм.

В данных измеренной влажности лога Полевой с 9 по 18 июня 1980 года, увеличение влагосодержания составило 50 мм, при осадках 17 мм, а испарении - 25 мм, т.е. влагосодержание слоя должно было уменьшиться на

10 мм. В последующие дни к 27 июля слой воды в почве упал на 62 мм. За этот период испарилось около 31 мм, сумма осадков составила 63 мм.

Гораздо ниже качество измерений влажности почв лога Лызлово в период 1957-1964 гг. [89, 90, 92]. С 11 по 19 сентября 1958 года влагосодержание почвы выросло на 42 мм, при этом слой осадков составил 6 мм, а испарение около 15 мм. Далее влажность понизилась к 30 сентября на 38 мм при слое осадков 23 мм. В последующий период к 10 октября влажность выросла на 114 мм при полном отсутствии осадков и испарении около 14 мм. С 30 октября по 10 ноября того же года влагосодержание увеличилось на 70 мм, также при отсутствии осадков.

В период с 21 мая по 2 июня 1959 года влажность почвы возросла на 91 мм слоя при слое осадков 95 мм и расчетном испарении 89 мм. С 3 по 30 января 1960 года влагосодержание увеличилось на 112 мм, при этом снеготаяния не было, температура воздуха держалась в пределах от -5 до -15 градусов.

Мы сознательно не акцентировали внимание на многочисленных случаях, когда измеренная влажность почвы была резко занижена, поскольку этот факт, в принципе, можно оспаривать неточностью в оценке основного гидрофизического параметра - МВС, и, как следствие, возможным оттоком гравитационной влаги.

Назначение почвенных параметров СФК. На примере р. Медвенки Подмосковной ВБС.

По типу подстилающей поверхности водосбор реки Медвенки поделен на два основных СФК - полевой и лесной, с одинаковым типом почв, с разной степенью оподзоленности (суглинок на суглинке с различным содержанием песчаной фракции). Кроме того, для последующих расчетов выделен еще один тип почв: дерново-подзолистая, супесь на песке, (участок 7 - лог Лызлово, средняя часть левого склона в нижней части, и участок 8 -река Медвенка, нижняя часть левого склона в нижней части).

Для всех указанных типов назначены водно-физические параметры и проведены расчеты влажности.

Правильность подбора водно-физических характеристик почвы проверена путем сравнения измеренного и рассчитанного рядов влажности. Результаты корреляционного и графического сравнений представлены на рисунках 3.2-3.4 и в таблицах 3.27-3.29.

1. СФК поле, участок 1. Почва дерново-среднеподзолистая, среднесуглинистая, на тяжелом суглинке. Водно-физические характеристики метрового слоя почвы приняты следующие: ПВ - 440, МВС - 330, ВЗ - 145 мм. Погрешность измерений [62, 89] влажности метрового слоя почвы в среднем составляет от 15 до 25 мм, иногда может достигать 150 мм.

2. СФК лес смешанный, участок 3. Почва дерново-слабоподзолистая, средний суглинок на тяжелом суглинке. Водно-физические характеристики метрового слоя почвы приняты следующие: ПВ - 450, МВС - 356, ВЗ - 150 мм.

3. СФК поле, участок 7. Почва дерново-сильноподзолистая, супесь на песке. Водно-физические характеристики: ПВ - 385, МВС - 215, ВЗ - 45 мм.

Принципы отбора СФК и назначения ландшафтных параметров

Чаще всего в распоряжении изыскателя имеются только топографические карты масштаба 1:100000, реже - 1:50000 и 1:25000.

Рассмотрим последовательность выделения СФК на конкретном примере. Возьмем створ гидрометрического поста реки Томна пос. Луговое Кинешемского района Ивановской области. Согласно описанию [93] пост (№2 75271) открыт 24.02.1962 года и действует по настоящее время. Площадь водосбора реки составляет 32,2 км2, длина реки 9 км. По результатам картирования (рис. 3.5) мы оцениваем площадь водосбора в 36 км2.

После определения местоположения исследуемого замыкающего створа и линии водораздела, наша задача выделить главный водоток и основные притоки (рис. 3.5). Следующий шаг - выделение однородных

участков, тяготеющих к тому или иному притоку (табл. 3.31). В верховьях водосбора таковыми являются лесопокрытые участки №№ 1 и 2, площадью 7 и 5,5 км2 соответственно.

Таблица 3.28 - Значения критериев сопоставления измеренных и рассчитанных суточных значений влагосодержания метрового слоя почвы 1 СФК.

годы СФК поле, участок 1, Полевой

среднеквадратичное отклонение по Нэшу-Сатклиффу по Виноградову к-т парной корреляции

1983 22,4 0,11 0,06 0,83

1984 14,1 0,59 0,04 0,81

1985 23,8 0,36 0,07 0,89

■ влагосодержаниеметрового слоя почвы измеренное, мм rлягпгпдрржапир метрового глоя почвы раггчитаиное, мм

02.08.83