Способ прогнозирования поверхностного стока талых вод в агроландшафтах на водосборных бассейнах Волги и Дона
METHOD FOR PREDICTION OF SURFACE FLOW OF MELTWATER IN AGRICULTURAL LANDSCAPES IN CATCHMENT BASINS OF THE VOLGA AND THE DON

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области сельского хозяйства, гидрологии и может быть использовано в других отраслях народного хозяйства при разработке мероприятий по регулированию поверхностного стока и защиты почв от эрозии, для оптимизации пропуска паводковых вод на балочных и речных водосборах, при определении мер рационального использования водных ресурсов рек и местного стока различными их потребителями.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно несколько способов прогнозирования поверхностного стока талых вод. Б.А. Аполлов, Г.П. Калинин, В.Д. Комаров (Курс гидрологических прогнозов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с.) предложили следующее уравнение для прогноза весеннего половодья рек:
s/Po
У=S-Po(1-e),
где У - речной сток в период половодья, мм; S - запасы воды в снеге и ледяной корке, мм; Ро - параметр, характеризующий водопоглотительную способность бассейна перед началом снеготаяния, мм. Ими была предложена эмпирическая формула связи этого параметра от глубины промерзания (L) и льдистости 0-100 см слоя почвы или влажности ее в мерзлом состоянии (W):  Недостатком этого способа является то, что водопоглотительная способность почвы зависит от промерзания почвогрунта при любой ее глубине до 60 см. Это не так. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при глубине промерзания почвы до 50 см сток талых вод отсутствует при любом уровне снегозапасов и увлажнения почвы. Эта формула также не предусматривает варианта расчета стока для случаев, когда почва в период снеготаяния талая. Определение влажности почвы на всю глубину промерзшего слоя, то есть вовлечение более глубоких слоев почвы в расчеты приводит к увеличению ошибки. Известно, что за период снеготаяния впитывание талой воды в почву происходит только до 25-30 см, т.е. в процесс водопоглощения вовлечен небольшой слой почвы и его достаточно для оценки влажности, как природного фактора стока.
n
2
oc
ос
Известен способ прогнозирования стока Сурмача Г.П., Ломакина М.М., Шестаковой А.П. (US, АС №1442094, бюл. №45, 1988 г.), основанный на установлении связи коэффициент стока с влагозапасми в снеге и ледяной корке, глубиной промерзания почвы и ее влажности в слое, равном глубине промерзания, по уравнению: Кпр=(axH-bx-cH+L)⋅(1+0,0000055P), где Кпр - прогнозируемый коэффициент стока; х - средняя влажность почвы в мерзлом слое; Н - глубина (толщина) запирающего мерзлого слоя, см; Р - влагозапасы в снеге и ледяной корке, мм; а, b, с, L - коэффициенты в зависимости от типа и уплотненности почв. Этот способ имеет ряд недостатков. Во-первых, при отсутствии снега возможен сток, что физически невозможно. Во-вторых, согласно уравнению чем больше глубина промерзания, тем больше сток. Это тоже противоречит литературным экспериментальным данным (Барабанов А.Т. 1993, 2017; Коммисаров М.А., Габбасова И.М., 2014.) И, в-третьих, влажность почвы определяется на глубину промерзания почвы, а она бывает до 150-200 см. Вовлечение большего слоя приводит к сильному варьированию влажности почвы и к большой ошибке при прогнозировании стока.
i
2
3
4
5
6
1
6
Гидромеицентр (В.М. Мухин, 2014) для прогноза стока талых вод использует следующее уравнение: Y(j)=S(j)-P(j)th[S(j)/P(j)], где th - гиперболический тангенс; S(j) - запасы воды в снежном покрове на момент составления прогноза в j-м году, равный αS(j)αX(j, k)ехр(-αk), X(j, k) - количество осадков в k-м отрезке времени, на который разделен период от даты составления прогноза до конца второго квартала; P(j) - характеристика потерь стока, равная αexp(-αW(j)[1+αL(j)]}, W(j) - характеристика влагозапасов в бассейне накануне составления прогноза, L(j) - глубина промерзания почвы, α, …, α - параметры, величины которых определяются путем применения оптимизационных процедур.
В этих подходах применен балансовый метод. Величина стока равна разнице между запасами воды в снеге и потерями ее на впитывание P(j) (объем воды, просочившейся в почву). Самым сложным является определение потерь воды на впитывание. По уравнению (10) они зависят от запасов воды в почве и глубины ее промерзания. При этом, чем больше запасы влаги в почве, тем больше сток, и чем больше глубина промерзания, тем больше сток. Эта методика не позволяет получить высокоточный прогноз стока по следующим причинам:
используется очень много факторов, часть из которых не играют существенной роли в формировании стока, но способствуют значительному увеличению ошибки его расчета;
часть факторов стока (глубина промерзания, влажность почвы и др.) рассчитываются по косвенным показателям, а не определяются непосредственно в поле. Например, глубина промерзания определяется по сумме отрицательных температур и высоте снега. Это может приводить к большим ошибкам. Если снежный покров установился на талой почве, то она останется талой, какой бы ни была сумма отрицательных температур. Для расчета стока берется предзимняя влажность почвы и затем делаются расчетным путем поправки на ее изменение в течение зимы за счет оттепелей. Это тоже приводит к большим ошибкам; увлажнение почвы также рассчитывается по косвенным показателям.
Близким является изобретение (патент №2347222 А01В 13/16, G01N 33/24 Способ прогнозирования поверхностного стока талых вод / Барабанов А.Т. (РФ), Гаршинев Е.А. (РФ), Кулик К.Н.) (РФ); которое предусматривает техническое решение, включающее известный прием - использование при прогнозировании поверхностного стока природных факторов (влагозапасы в снеге, в почве и глубину промерзания) - и новый -определение влажности почвы только в слое 0-50 см, и оригинальную оценку роли глубины промерзания и увлажнения почвы в формировании стока.
По этому способу до ожидаемого начала весеннего снеготаяния измеряют запасы воды в снеге (осадки, выпавшие после этого, добавляются к запасам воды в снеге), глубину промерзания и запасы воды в слое почвы 0-50 см. Если за этот период произойдут глубокие оттепели, то эти показатели корректируются.
Величину стока определяют по сочетанию этих показателей. При этом, если почва талая или глубина промерзания менее 0,5 м или (и) запасы влаги в слое почвы 0-50 см меньше или равны 0,2-0,4 от общей порозности, прогнозируется, что сток будет отсутствовать, если же глубина промерзания больше 0,5 м и влагозапасы в почве выше 0,2-0,4 от общей порозности, то сток будет зависеть только от запасов воды в снеге, ледяной корке и почве, а величину его рассчитывают по формуле
где У - величина поверхностного стока, мм;
1
n
2
c
n
c
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Уi - сток с i-того агрофона, мм (рассчитывают по уравнению Уi=a+bW+bW, в котором W - запасы воды в почве, мм; W - запасы воды в снеге и ледяной корке, мм; а, b и b - коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от вида пашни и типа почв: на зяби - серая лесная почва а=-161, b=0,93, b=0,38; типичный чернозем а=-50, b=0,25, b=0,25; обыкновенный чернозем а=-53, b=0,51, b=0,04; каштановая а=-27, b=0,38, b=0,37; светло-каштановая а=-11, b=0,23, b=0,37; на уплотненной пашне - серая лесная почва а=-11, b=0,12, b=0,33; типичный чернозем а=-116, b=0,71, b=0,41; обыкновенный чернозем а=-24, b=0,17, b=0,40; каштановая а=-4, b=0,19, b=1,14; светло-каштановая а=-20, b=0,29, b=0,13); Si - площадь i-того агрофона, га; Уэл, Уэа, Уэг, Уэот - стокорегулирующий эффект от применения лесомелиоративных, агротехнических, гидротехнических и организационно-хозяйственных (фактор севооборота) приемов, мм (учитывается, если применен комплекс противоэрозионных мероприятий).
В том случае, если почва талая или промерзла на глубину до 50 см, или (и) запасы воды в почве ниже или равны 0,2-0,4 от общей порозности точность прогноза высокая, так как он получен на генетической основе, т.е. обоснован теоретически. Если эти показатели выше указанных, то величина стока прогнозируется на основе статистического анализа и точность прогноза бывает 80-90%, а в ряде случаев значительно ниже.
Из анализа способов прогноза можно сделать заключение, что сток в основном зависит от снегозапасов, хотя в этих уравнениях учитывается и водопоглотительная способность почвы через глубину промерзания и ее увлажнение, но судя по коэффициентам, эти показатели либо играют незначительную роль, или очень большую.
При разработке прогноза по существующим методикам либо используется один фактор (например, снегозапасы), либо десятки факторов. Ни то, ни другое неприемлемо, т.е. все предложенные способы полностью проблемы не решают. Таким образом, рассмотренные способы прогнозирования поверхностного стока не всегда дают возможности дать точный его прогноз. При некоторых условиях применение статистического подхода может приводить к большим ошибкам.
Из приведенных изобретений можно взять за основу следующие основные принципы: необходимо чтобы разработанный способ был доступен для реализации широким кругом пользователей, разработка способа прогноза должна осуществляться на теоретической основе с исследованием генезиса процесса.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является прогнозирование весеннего поверхностного (склонового) стока талых вод на агроландшафтах разных водосборных бассейнов при сложившихся определенных уровнях природных факторов формирования стока: глубине промерзания почвы больше 0,5 м, влагозапасах в слое почвы 0-30 см выше 70-120 мм (по природным зонам), а снегозапасах больше свободной порозности в слое почвы 0-30 см. При этих уровнях факторов всегда создаются условия для формирования весеннего стока и количество его зависит от запасов воды в снеге и верхнем (0-30 см) слое почвы. Этот слой при оттаивании увлажняется до полной влагоемкости. В нем может поглотиться количество талой воды равное объему свободных пор (разницы между полной влагоемкостью и фактическими запасами воды), который в свою очередь зависит от запасов влаги в нем. Объем стока зависит от снегозапасов и объема свободных пор.
Известно, что мерзлая почва способна впитать и удерживать талую воду, количество которой потенциально может быть равно объему свободных пор оттаявшего сверху слоя, то есть свободная порозность обусловливает объем поглощения талой воды в почву [2]. Нами экспериментально установлено, что почва за весь период снеготаяния в разных природных зонах и по годам успевает оттаивать за весь период паводка на небольшую глубину - от 3 до 30 см. Таким образом, водопоглощение в мерзлую почву определяется самым верхним слоем. Это означает, что количество впитавшейся талой воды максимально может быть равно объему свободных пор этого слоя почвы небольшой мощности.
Общая схема взаимодействия талой воды с мерзлой почвой иллюстрируется на чертеже (Фиг. 1). В исходном состоянии перед снеготаянием часть пор в мерзлой почве занята влагой, а остальные свободны. Когда начинается процесс снеготаяния, талая вода, имея положительную температуру, поступает на поверхность почвы. Она за счет запаса тепла воды оттаивает и заполняются свободные поры. Между оттаявшим и мерзлым слоями образуется ледяной экран. По мере дополнительного поступления воды и тепла, протаивания почвы и опускания ледяного экрана свободные поры над ним заполняются до уровня полной влагоемкости, то есть этот процесс продолжается в виде термоинфильтрации. На каждом этапе количество впитавшейся воды в оттаявшем слое выше ледяного экрана равно объему свободных пор или дефициту влажности - разности между полной влагоемкостью и фактическими влагозапасами.
Таким образом, общий объем водопоглощения за период снеготаяния равен объему свободных пор верхнего (0-30 см) слоя почвы. Если запасы снеговой воды больше этого объема, то излишки ее стекают, то есть из них формируется поверхностный сток талых вод. На основе изложенного автором предложен новый способ расчета стока (У, мм) для условий когда глубина промерзания больше 50 см, запасы влаги в почве больше 70-120 см (по природным зонам), а снегозапасы больше свободной порозности в слое почвы 0-30 см.
Предлагаемое изобретение предусматривает техническое решение, включающее известный прием - использование при прогнозировании поверхностного стока природных факторов (влагозапасы в снеге, в почве и глубину промерзания) - и новый - определение влажности почвы только в слое 0-30 см и общей порозности почвы в этом слое, которая рассчитывается на основе определения удельной и объемной массы.
Цель изобретения - повышение точности прогнозирования поверхностного стока талых вод в агроландшафтах на водосборах бассейнов Волги и Дона.
Поставленная цель достигается следующим образом. По предлагаемому способу за 30-45 дней до ожидаемого начала весеннего снеготаяния измеряют запасы воды в снеге, глубину промерзания, влагозапасы в почве только слое 0-30 см, удельную и объемную массу почвы в этом слое через каждые 10 см. Величину стока определяют по сочетанию этих показателей.
При этом, если почва талая или глубина промерзания менее 0,5 м или (и) запасы влаги в слое почвы 0-50 см меньше или равны 70-120 мм (по зонам) или запасы воды в снеге меньше свободной порозности, то сток будет отсутствовать, если же эти показатели больше указанных, то сток формируется, он будет зависеть только от запасов воды в снеге, ледяной корке и почве, а величину его рассчитывают по формуле:
c
n
v
3
3
где W - запасы воды в снеге, мм; W - запасы воды в почве, мм; h - мощность почвенного слоя, м; d - объемная масса почвы, г/см; d - удельная масса почвы, г/см