Карта местных водных ресурсов Омской области

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 556.1

И. В. КАРНАЦЕВИЧ Г. Г. БИКБУЯЛТОВЛ

Омский государственный аграрный университет

КАРТА МЕСТНЫХ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ _

В статье рассматриваются вопросы исследований распределения водных ресурсов Омской области, определения местного стока в южной части области в условиях отсутствия речной сети, предлагается новая карта местного стока, построенная по результатам исследований авторов.

На территории Омской области имеется 2353 реки общей длиной 16000 км, включая реку Иртыш, которая протекает с юга на север и является ланд-шафтно- и экономико-образующим стержнем области. В отличие от остальных рек нашей области Иртыш представляет собой, с точки зрения формирования водных ресурсов, транзитный водоток, который отводит сток, образующийся на территориях Китая и Казахстана во время дождей, снеготаяния и за счет перераспределенных во времени вод (временно задержанных в почвогрун-тах), на север, в Обскую губу и Карское море. Водные ресурсы Иртыша составляют основную долю располагаемых водных ресурсов Омской области. Эта доля составляет 94%. [8]

Традиционно во всем мире издавна сложилась такая система водопользования, когда воду берут в первую очередь из больших рек, так как этой воды всегда много и наладить ее доставку дешевле. Именно поэтому почти все крупные города выросли на берегах больших рек. Однако в связи с загрязнени-

ем, в первую очередь полноводных рек, все чаще возникают экологические проблемы водоснабжения и водопользования. Для решения этих проблем, для разработки альтернативных вариантов водоснабжения крупных населенных пунктов специалистам-гидрологам, экологам необходимо решить задачу оценки водных ресурсов местного стока. Если учесть ещё, что из Иртыша забирают воду три крупнейших в мире сельских групповых водопровода для водоснабжения десятков небольших населенных пунктов, станет очевидной актуальность проблемы.

В настоящей статье приводится карта местного стока Омской области, позволяющая оценить объемы водных ресурсов на её территории.

Особенностью территориального распределения речных водосборов на карте области является то, что в её северной половине существует густая речная сеть, а в южной — помимо практически уже бесприточного участка нижнего течения Оми и также бесприточного участка Иртыша, рек нет. Однако в южной половине территории существует множест-

во озерных котловин с пресными и солеными озерами, а также сотни тысяч микроводосборов блюд-цеобразной формы — западин рельефа, которые во время снеготаяния и во время дождей заполняются водой.

На территории Омской области ресурсы атмосферного увлажнения уменьшаются с севера на юг от 550-600 мм/год до 350 мм/год, а тепловые ресурсы испарения, напротив, увеличиваются с севера на юг от 1590 до 1890 МДж/(м'2тод), то есть максимально возможное испарение увеличивается к югу от 630 до 760 мм/год. Это приводит к тому, что на протяжении всего лишь 5 градусов широты (550 км) сменяют друг друга ландшафты таежной зоны, лесостепи, где располагаются наиболее плодородные земли, и создается основной урожай зерна, и степи, где практически на протяжении десятков километров не растет ни одного дерева. Тем не менее в южных районах области, где нет рек, каждые 20-30 лет весной в период снеготаяния бывают наводнения. Значит, и в южной половине территории есть сток. Этот сток, так же как и сток рек Тара. Оша, Уй, Шиш, Туй, Большой Аёв, образуется за счет атмосферных осадков и представляет собой разность между велячинами общего увлажнения КХ и суммарного испарения Z:

Y = КХ - Z,

где КХ — общее увлажнение , то есть годовые нормы атмосферных осадков, в мм,

Z — суммарное испарение, которое происходит с поверхности почвы, а также через организмы растений (транспирация), которые при созревании создают фитомассу — урожай,

Y — местный сток, образующийся в процессе атмосферного увлажнения поверхности водосборов и неизбежных потерь воды на испарение из почвы.

Процесс испарения происходит под действием тепловой энергии, приходящей к земной поверхности от солнца (коротковолновая радиация). В Омске, например, за летний период на каждый гектар (квадрат со стороной 100 м) приходит столько же тепла, сколько выделится при сжигании 400 т нефти, то есть приход тепловой энергии в долларовом эквиваленте составляет около 140 000 долларов на гектар.

Исследованиями водных балансов рассматриваемой территории занимались В. А. ТроицкийиИ.П. Не-дорезов (1946), B.C. Мезенцев (1957), К.П. Воскресенский (1967), Г.Д. Эйрих (1973) [16],[9],[7],[14]. Структура водных балансов небольших участков суши и небольших водосборов на территории Омской области выглядит следующим образом (табл. 1). В северных районах из 550 мм осадков стекает 100120 мм воды в год, а 430-450 мм испаряется, создавая лесную и луговую растительность. На юге же области из 350 мм осадков в год испаряется 330 мм, а на сток остается не более 20- 30 мм/год.

Для определения значения гидрометрического стока необходимо знать расход воды в реке и площадь водосбора, для которого определяется значение стока. Если рассматривается в целом речной бассейн, то следует всегда строго определить створ на реке, в котором производились или будут производиться измерения уровней и расходов воды. Площадь земной поверхности, с которой вода собирается к этому створу, может быть определена на карте а том случае, если будет приведена водораздельная линия, отделяющая водосбор исслр-дуемой реки от водосборов соседних рек. Линия эта проходит по самым высоким отметкам местнос-

ти в данном районе. Площадь водосбора реки до данного створа F определяется по карте с точностью не более 3-4 значащих цифр.

В гидрометрическом створе в течение многих лет утром и вечером по специальной программе проводят ежедневные, так называемые режимные измерения уровня воды над постоянной горизонтальной плоскостью, и только 15-20 раз в году измеряют глубины и скорости воды на разных глубинах в нескольких точках на различном удалении от берега. Для каждого створа вычерчивают кривую зависимости расхода О от уровня воды Н. Эта кривая Q = f(H), к сожалению, не остается постоянной даже в разные сезоны одного года, не говоря уже о разных годах.

По кривой Q = f(Н), зная средний суточный уровень, находят наиболее вероятный средний суточный расход воды, который показывает, сколько воды (Q, куб. м) поток проносил в единицу времени (секунду). Сложив за год все 365 суточных расходов и разделив ка число суток (365), получают средний годовой расход данногр года (в куб. м за секунду). Если объем годового стока реки W, равный произведению среднего годового расхода на число секунд в году (31.54 млн) разделить на площадь водосбора, получится слой годового стока в миллиметрах.

В разные годы поток воды в реке проносит разное количество воды. Поэтому-то и приходится производить измерения в течение многих лет. Например, река Омь у г.Омска проносит за одну секунду иногда 0.5 м '/c (лето 1968 г.), а иногда 800 м'/с (весна 1941 г.). Объемы годового стока воды в р.Иртыш в Омском створе в разные годы колеблются от 14 до 41 кубического километра при среднем значении (норма) 28 км '/год. Кубический километр (1 км:| = 1 млрд куб. м) — огромный объем воды; такого количества хватает для водоснабжения в течение целого года огромного города с населением 4 млн человек и сильно развитой промышленностью.

Вышеизложенная схема определения значений гидрометрического стока помогает понять те разночтения, которые иллюстрируют цифры табл. 1, составленной по наиболее известным картам стока, освещающим территорию Омской области. На севере территории Омской области расхождение в значениях стока достигает 60% (Тара), в южной лесостепи и в степной зоне расхождения достигают 500% !

Таким образом, столь значительные несоответствия в значениях стока объясняются неточностью измерений, особенно действующей площади водосбора. В разные по увлажнению годы действующая площадь водосбора разная, и ее значение отличается от значения, указанного в справочниках и используемого при расчетах. Кроме того, каждый спе-

Таблица 1

Значения слоя стока У в мм/год для нескольких пунктов территории Омской области

Пункт 1946 1957 1967 1973 1986 2006

Тара 50 30 50 70 82 86

Большеречье 38 50 24 24 16 39

Омск 24 20 4 < 6 32

Чердак 21 13 3 < 6 26

J_1_1_L

Примечание. Определенные по картам разных авторов: 1946 - Троицкий - Недорезов; 1957 - Мезенцеа; 1967- Воскресенский; 1973- Эйрих; 1986 - Атлас расчетных гидрологических карт; 2006 - Карта авторов статьи

Таблица 2

Характеристики тепло-, влагообеспеченности I 2т и КХ) и результаты расчета местного стока Ур по данным метеостанций. Ун - слой годового стока в средний год по гидрометринческим данным! значения определены по картам нзолнннй)

№ станции Имя станции Значения элементов водного баланса в мм слоя № станции Имя станции Значения элементов водного баланса в мм слоя

КХ гт Ур Уи КХ гт Ур Уи

1 Тобольск 567 634 93 85 28 Любино 407 665 27 -

2 Вагайское 515 643 66 76 29 Петропавловск 450 640 43 16

3 Ягыл-Яг 674 600 172 195 30 Исиль-Куль 456 686 38

4 Майск 577 589 114 158 31 Москаленки 485 623 59

5 Усть-Ишим 554 628 88 76 32 Марьяновка 430 623 39

6 Тевриз 547 634 83 79 33 Омск 430 682 32

7 Балахлей 504 642 62 50 34 Калачинск 432 675 32

а Викулово 506 662 59 47 35 Татарск 448 670 37

9 Большие Уки 514 633 68 57 36 Оконешниково 429 650 35

10 Знаменское 544 645 79 90 37 Любимовка 398 691 23

п Тара 560 646 86 100 38 Борисовский 387 689 20

12 Седельниково 499 631 63 100 39 Новоуральский 388 686 21

13 Муромцево 453 637 44 70 40 Таврическое 376 705 17

14 Кыштовка 530 633 76 45 41 Иртыш 377 721 16

15 Северное 506 626 67 42 42 Чистоозерное 351 686 14

16 Ишим 454 666 40 28 43 Возвышенский 370 650 20

17 Крутинское 422 640 34 44 Полтавка 372 702 17

18 Большеречье 447 658 39 55 45 Купино 368 688 17

19 Бердюжье 455 673 39 46 Одесское 404 680 24

20 Тюкалинск 410 668 28 25 47 Павлоградка 413 705 25

21 Казанское 421 677 29 - 48 Нововаршавка 400 650 27

22 Называевка 419 665 30 20 49 Черлак 398 714 26

23 Саргатское 410 678 26 29 50 Карасук 354 719 13

24 Еланское 420 651 32 25 51 Кокчетав 430 743 25 16

25 Горьковское 432 610 42 24 52 Кзылту 380 754 15

26 Нижняя Омка 406 610 34 24 53 Русская Поляна 392 723 19 -

27 Ильинское 397 686 23 - 54 Иртышск 350 744 11 6

циалист, собравшийся построить новую карту, собирает материалы измерений расходов воды до самого последнего года наблюдений, добавляя к предыдущему ряду наблюдений все последующие годы. Это приводит к изменению значений математического ожидания, называемого в гидрометеорологии нормой. К тому же, со временем совершенствуются методы расчетов, появляются принципиально новые возможности для уточнений.

Эволюция методов расчета элементов водного баланса демонстрирует создание во второй половине 20-го века глобальной актинометрической базы данных, позволившей климатологам и гидрологам уточнить понятия и методы количественной оценки теплоэнергетических ресурсов процесса суммарного испарения. [5], [9], [ 10]. Если в первой половине 20-го столетия суммарное испарение с речных бассейнов можно было определить только как разность атмосферных осадков X и измеренного стока У, то с 1950-х гг. испарение Ъ стали вычислять по атмосферным осадкам (влагоресурсы) и величине максимально возможного испарения (энергоресурсы), а затем определять сток по разности X - Ъ. Проф. В.С.Мезенцевым была разработана математическая модель преобразований влаги под

влиянием приходящей коротковолновой радиации, с одной стороны, и гравитации, отводящей воду в понижения рельефа — метод гидролого- климатических расчетов (ГКР) [9],[ 13].

Основой этой модели являются законы сохранения материи (влаги) и энергии на уровне земной поверхности, которые представлены уравнением водного баланса (1) и уравнением связи элементов водного и теплового балансов [9]:

Т = [ 1 + (КХ/гт)-3]""3, (2) где Тт = Тг/Ь — максимально возможное испарение — водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата, показывающий, какой слой воды в мм может испариться в данной местности, если вся энергия Тг будет израсходована на испарение,

2л1 = 7-1Х>0 + 160 мм/год,

где £1:>0 — сумма средних месячных положительных температур воздуха за средний год,

Ь — удельная теплота парообразования, равная 2,51 МДж/(м2-мм).

Решая систему уравнений (1) и (2), получают значения местного стока У и суммарного испарения Ъ в мм слоя воды, равномерно распределенной по площади водосбора. Для этого нужно иметь данные об общем увлажнении КХ и термических пока-

о

О 50 100 150 200

Уи.ш^год

Рис. 1. Сравнение стока климатического (рассчитанного) и гидрометрического (измеренного) в средний год

зателях, которые имеются для каждой метеорологической станции.

На территории Омской области и сопредельных территорий, которые необходимо анализировать для того, чтобы на границах исследуемой области изолинии полей физических величин приняли правильное направление, в настоящее время имеются достаточно полные данные метеонаблюдений за длинный ряд лет, что важно при определении математического ожидания. [ 1 ], [2], [3], (15]

По результатам исследований авторов статьи составлена таблица 2, где приведены годовые нормы атмосферных осадков, нормы максимально возможного испарения, вычисленные по температурным данным, и результаты расчетов местного климатического стока для всех 54 метеостанций исследуемой территории. В последнем столбце табл.2 помещены значения гидрометрического слоя стока, рассчитанные по средним многолетним годовым расходам воды [6],[11],[12). Карта изолиний гидрометрического стока освещает лишь северо-восточный квадрант территории Омской области. Поэтому данные измерений для первых девяти станций определены по карте Лист 1 Атласа расчетных гидрологических характеристик. [4]

С целью проверки корректности расчетных значений стока было проведено сравнение рассчитанного

Коэффициент корреляции связи, равный 0.91, свидетельствует о том, что рассчитанный по данным метеостанций сток на севере области практически соответствует измеренному стоку. Это позволяет надеяться, что и в южной половине области рассчитанный по методу ГКР сток соответствует действительному местному стоку. Дело в том, что в условиях исключительной равнинности территории из-за отсутствия природных рубежей орографического характера все элементы гидрологического режима, равно как и метеорологические характеристики, определяющие сток, изменяются монотонно с изменением широты местности.

Расчетный (климатический) сток, вычисленный для района метеостанции, не зависит от площади водосбора, карта изолиний слоя стока характеризуется исключительно однородным исходным материалом и отличается от карты гидрометрического стока только в зоне недостаточного увлажнения. Южнее границы лесной и лесостепной зон расхождения в значениях стока становятся значительными из-за антропогенных влияний и увеличения доли бессточных поверхностей в общей площади водосбора. Так, например, слой гидрометрического стока р.Узакла - с. Булатово Y= 5 мм/год, а рядом в центре тяжести водосбора р.Угурманка -с.Безменово Y= 20 мм/год. Поскольку слой стока, рассчитанный по номинальным площадям водосборов в северной лесостепи перестает отражать реальность, естественно использовать в этом случае

А

Рис. 2. Композиционная карта местного стока Омской

области, построенная с помощью пакета SURFER 8

поле климатического стока Yp. А из-за отсутствия рек и стоковых площадок в южной половине области расчет слоя стока методом ГКР единственный способ описания пространственного распределения стока.

Композиционная карта местного стока, составленная авторами статьи, представлена на рис. 2.

Изложенная методика построения карты местного стока может и должна быть использована специалистами-гидрологами для оценки водных ресурсов территории в аналогичных природных условиях — в лесостепных, степных и полупустынных зонах всех континентов.

Библиографический список

1. Агрометеорологический бюллетень. 1968- 1975гг.

2. Агрометеорологический бюллетень 1976-1985гг.

3. Агрометеорологический бюллетень 1986-2004гг.

4. Атлас расчетных гидрологических характеристик, 1986

5. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. -Л., 1956

6. Бюллетени ОУГКС. 1981-1999гг.

7. Воскресенский К.П, Норма и изменчивость годового стока рек Советского Союза. Л.:Гидрометеоиздат, 1962.- 546с.

8. Земля, на которой мы живем: Природа и природопользование Омского Прииртышья - Омск: 2002,- 576с.

9. Мезенцев В. С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Сибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспечен-ности: Труды/ОмСХИ. —Омск, 1957,—Т. 27,—121с

10. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. —Л. ,1969

11. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Т. 1.РСФСР.Вып.11. Бассейн Иртыша. Л.:Гидрометеоиздат, 1986

12. Основные гидрологические характеристики, Т. 15, вып.З, 1971 1980г.

13. Режимы влагообеспеченности и условия гидромелиорация степного края/Под ред.проф.В.С. Мезенцева. -М.Колос, 1974.-239с.

14. Ресурсы поверхностных вод СССР,Т. 15,Вып.3. Л: Гидрометеоиэдат, 1973-423с.

15. Справочник по климату СССР., Вып. 17. 1974

16. Троицкий В.А. Гидрологическое районирование СССР -М.,1948г.

КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии. Бикбулатова Гульнара Гафуровна, ???? кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии.

Дата поступления статьи в редакцию: 20.05.06 г. © Карнацевич И.В.

УДК 631.445.53:631.6:551.579

И. А. ТРОЦЕНКО Л. В. БЕРЕЗИН

Омский государственный аграрный университет

ВЛИЯНИЯ

ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ИЗМЕНЕНИЕ ЗАСОЛЕНИЯ МЕЛИОРИРОВАННЫХ СОЛОНЦОВ_

В статье рассматривается влияние цикличности солнечной активности и периодичности изменения гидротермических условий по пятилетиям на изменение солевого режима солонца, на глубину залегания грунтовых вод и их минерализацию на гипсованных и негипсованных вариантах.

В Омской области солонцы и солонцеватые почвы занимают около 2 млн га, и большая часть этих земель требует специальных приемов повышения плодородия, которые определяются мощностью надсолонцового горизонта, содержанием обменного N3, гидрологическим режимом, составом солей, а также глубиной и степенью засоления.

Особенности формирования солонцов и эффективность их мелиорации зависит от ряда причин, в том числе от обеспеченности теплом и влагой и периодичности колебания климатических условий [ 2 ].

Климат — наиболее ритмичный природный фактор. Ещё в 1973 году сибирским климатологом А.П. Слядневым по средним данным за десятилетия выявлена связь между величиной урожая и коэффициентом увлажнённости, установлены синхронные периодические колебания, которые оказались циклическими с периодом в 32 — 35 лет. Автор указывает, что природа этих периодов связана с 11-летними циклами геоактивной радиации солнца. Другой признак общности происхождения периодов и циклов обнаруживается в периодическом изменении гидротермических условий по пятилетиям. По наблюдениям Сляднева, первое пятиле-

тие в каждом десятилетии более неблагоприятно в агрометеорологическом отношении, чем второе.

Исходя из этого, можно предположить наличие цикличности почвенных процессов, определяющих засоление или рассоление почв, усиление их со-лонцеватости или рассолонцевания.

Изучение данного процесса проведено по материалам многолетнего опыта, заложенного Л.В. Бере-зиным, В.Е. КушнаренкоиЗ.И. Воропаевой в 1972 году в Голубковском совхозе Любинского района Омской области. [3] Было проведено гипсование расчетной нормой гипса 32 т/га. Через 13 лет в 1985 году провели повторное гипсование поперек гипсованных и негипсованных вариантов. Результаты изменения солевого режима мелиорированного многонатриевого коркового солонца содового засоления солонца после повторного гипсования показаны на рис.2.

Первая пятилетка 11 -летнего цикла солнечной активности — 1987- 1992 год (рис.2). Среднее количество выпавших осадков составляет 319,8 мм. Грунтовые воды в этот период располагались выше 2 метров (табл.1). Тем не менее в первую пятилетку после повторного гипсования на всех вариантах

5С0 5С£

\ /

250 •.с: |

к г

/ У ^ у ^ у / / / / \\ ч

|пяттсрчс! гипсэйапие В5'5»0'|25т:>«5« ГОГ.ОЛОКЬОй С1!М

Яа6»окрзтн<  *о<-т сгль

— а<тмвк>сть ' -гсяа оСЛа^Н

Рис. 1- Периодичность солнечной активности и количество выпавших осадков

Рис. 2. Солевой режим коркового солонца в слое 0 - 20 см при разных дозах мелиоранта, т/га