Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование влияния естественных и антропогенных факторов на формирование водно-солевого режима орошаемой территории

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Исследование влияния естественных и антропогенных факторов на формирование водно-солевого режима орошаемой территории"

Ли и д

;; РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи

СЕНЦОВА Надежда Ивановна

УДК 631.6: 556. 114.5:51-001.891.573

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ'И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВОДНО-СОЛЕВОГО РЕЖИМА ОРОШАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ (НА ПРИМЕРЕ.ФЕРГАНСКОЙ ДОЛИНЫ) •

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы,.-

гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

забота выполнена в Институте водных проблем РАН

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Г. X.Исмайылов

Официальные оппоненты - доктор' технических наук,

профессор Л.М.Рекс кандидат технических наук, Л.Я.Джоган

Ведущая организация■- Институт географии РАН

Защита состоится "¿У>уи1Ал{11994 г. в<Й£?часов на заседании Специализированного совета Д. 003.37.01 при Институте водных проблем РАН по адресу:-107078, Москва, ул. Ново-Басманная, дом 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных проблем РАН

Автореферат' разослан 1994 г.

Ученый секретарь. Специализированного совета, доктор географических наук, профессор В. С. Залетаев

- 3 - . '

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Гидромелиоративные- мероприятия в аридной зоне приводят к изменению окружающей природной среды, в первую очередь, естественного водно-солевого режима орошаемой территории. При этом часто возникают негативные экологические последствия. Происходит заболачивание и вторичное засоление мелиорированных земель. Рост водопотребления приводит к сокращению водности рек. Повышается минерализация руслового стока за счет притока.коллекторно-дрена-яых вод. Как следствие, существенно изменяются условия функционирования и продуктивность агроэкосистем. .

Для рационального использования водных и земельных ресурсов необходимо оценить те изменения гидромелиоративной.обстановкн, которые могут произойти под влиянием комплекса природно-хозякстЕекных факторов. Это требует исследования и моделирования механизма формирования водно-солевого баланса (ВСБ) орошаемой территории аридной, зоны' для прогнозирования и управления мелиоративным' состоянием поч-вогрунтов и химическим режимом речного стока.

Решению данных вопросов посвящены работы С.Ф. Аверьянова, И. П. Айдарова, А. И. Будаговского, А. К. Голованова, Г.Х. Исма^ылоза, Д. М. Каца, Л. С. Кучмента; В.Г. Пряжинской, Л.М. Рекса, С.И. Хар-ченко, В.В. Шабанова и других ученых. - ■

В настоящее время разработаны эмпирические и полуэмпирические уравнения и расчетные схемы, описывающие отдельные процессы вла-го-солепереноса. Они носят как самостоятельный характер, так и в'хо- ' дят составными блоками в математические модели разноЛ степени сложности, созданные для оценки ВСБ орошаемой территории..

Использование на практике балансовых расчетов для оценки мели- • оративного состояния орошаемых земель дает возможность ' проанализи- . ровать изменение структуры ВСБ при многовариантной проработке проектов водохозяйственного строительства. Такие расчеты базируются на стандартной arpoгидрометеорологической информации и обеспечивают достаточно высокую точность в пределах календарных сроков относительно большой продолжительности (месяц, сезон, год к т.д..). Это позволяет построить реально работающую модель формирования, водно-солевого режима мелиорируемой территории, основанную на системе балансовых уравнений. ' .

Таким образом, актуальность темы следует из необходимости раз^ работки теоретических и практических вопросов оценки влияния при-родно-хозяйственных факторов на составляющие ВСБ орошаемых земель.

Цеди и задали исследования. Основной целью диссертационной ра боты является исследование механизма и построение модели формирования БСБ орошаемой территории для оценки влияния комплекса естественных и- антропогенных факторов на гидромелиоративную обстановку.

, Достижение данной' цели требует решения следующих задач:

- анализа закономерностей формирования водно-солевого режим-; орошаемой территории;. ...

- выделения ведущих природно-хозяйственных факторов, влияющих на формирование ВСБ;

- разработки методики оценки составляющих ВСБ на основе установления их генетических связей с природными условиями, метеорологическими и водохозяйственными факторами; '

- построения модели формирования ВСБ.орошаемой территории;.'

- разработки.алгоритмического и программного обеспечения моде ли формирования ВСБ;

- апробации, разработанной модели формирования ВСБ на. конкрет ном объекте орошения - Ферганской опытной станции хлопководе-тва(ФОСХ) ; .

- адаптации модели .для оценки ВСБ крупного водохозяйственного района - Ферганской долины и'руслового стока р. Сырдарьи;

т исследования влияния водохозяйственных мероприятий на водно-солевой .режим орошаемой территории и русловой сток дренирующей ее рекй. ■■'._'■ . ^

Методика и-объекты исследования. Методологической основой работы Является . системный подход к оценке влияния природно-хозяйственных факторов на формирование водно-солевого режима орошаемой территории. Теоретические и практические исследования связаны с использованием методов анализа иерархических структур, математического моделирования, статистического анализа временных рядов, проведением натурных наблюдений и численных■экспериментов на ЭВМ.

В качестве объектов, исследования выступают территория ФОСХ и Ферганская долина.

Научная новизна работы. В теоретической части диссертации исследованы концептуальные основы механизма и разработана модель фор мирования водно-солевого режима орошаемых земель, методика выделения ведущих природно-хозяйственых факторов на основе анализа 'иерархической структуры ВСБ;

Обоснована и практически подтверждена целесообразность созда нйя. информационного, алгоритмического и программного обеспечения

здели формирования- ВС Б.

Осуществлена параметризация и верификация данной модели для :;енки водно-солевого режима территории ФОСХ и Ферганской долины в злом. Сопоставление данных натурных наблюдений и результатов рас-этов на ЭВМ показало практическую применимость разработанной моде-и Формирования ВСБ. . • • • • .

Креме того, проведены численные эксперименты по исследованию • лияния водохозяйственной деятельности на водно-солевой режим оро-аемой территории и русловой'сток дренирующей ее реки.

Практическая значимость. На основе полученных- в работе резуль-атов разработано методическое и программное обеспечение модели ормирования ВСБ орошаемой территории. Данная модель представляет обой инструмент'научных, исследований и водохозяйственного проекти-ования. предназначенный для оценки изменения водно-солевого режима елиорируемых земель под влиянием естественных и антропогенных Факиров. она может быть использована для выбора оптимальных'вариантов омплекса гидромелиоративных мероприятий.

Апробация работы, основные положения и результата диссертации . -укладывались и обсуждались на научных семинарах Института водных '• [роблем РАН ( 1988-1993 гг.). Всесоюзных школах-семинарах "Матема-■ическое моделирование в проблемах рационального природоподьзова-шя" (Новороссийск, 1989 -1992 гг.) и на У школе-семинаре "Систем-ше исследования водных проблем" (Москва, 1993 г.).'

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основная часть работы содержит 161 страницу машинописного текста, включая 24 рисунка, 14 таблиц.

Список литературы включает 170 наименований работ' отечествеН-шх и зарубежных авторов.

- 6 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается ' актуальность темы и формулируются •задачи исследования.

В первой главе анализируются закономерности и механизм форми-. рования , водно-солевого режима орошаемой территории аридной зоны, рассматриваются методические вопросы выделения ведущих природно-хо-■зяйственных факторов,'влияющих на составляющие ВСБ.

. При анализе закономерностей формирования ВСБ требуется решать ряд'задач. Главная'задача заключается в разработке методики определения компонентов ВСБ на основе установления их генетических связей с особенностями почвогрунтов. гидрометеорологическими и водохозяйственными условиями, а также выделения ведущих факторов.формирования ВСБ орошаемой территории для аридной зоны. При этом необходимо учи-■ тывать ненадежность результатов измерения некоторых составляющих ВСБ или *е их.отсутствие. Кроме того, требуется переходить от то-чзчных измерений характеристик анализируемых факторов к пространс-тьенно-осредненным значениям.

Обобщение результатов исследований по отдельным воднобалансо-зуч участкам для крупных водохозяйственных районов 'также ослоздяе'тся в связи со значительной пространственной'изменчивостью природных "факторов.- ''

Определенные трудности появляются и при расчете компонентов ВСБ,' что., связано с большим объемом вычислительных работ. Поэтому , возникает необходимость автоматизации процесса расчета ВСБ с до-мощью ЭВМ. '

Моделирование процессов вЛаго-солеобмена позволяет оценить , значение и роль каждого естественного и антропогенного фактора в ^ формировании ВСБ и рассчитать их влияние на гидромелиоративную обстановку не только в настоящее время, но и на перспективу.

■ При оценке влияния природно-хозяйственных факторов на формяро-- ваниё водно-солевого режима орошаемой территории возникает необходимость представления реальных условий в виде расчетной схемы - модели. В данном случае схематизация базируется на выделении существенных природных и искусственных факторов, влияющих на изме-• нение ВСБ орошаемой территории.

Для выявления степени влияния естественных и антропогенных факторов на формирование водно-солевого режима орошаемой территории предлагается рассматривать ВСБ как 'систему, которая имеет иерархи-

ческую структуру. Методика выделения ведущих природно-хозяйственкых факторов.приведена в приложении 1 диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке методики оценки балансовых составляющих и модели формирования водно-солевого режима орошаемого участка на основе анализа генетических связей компонентов ВСБ с жимообразующими факторами. Кроме того, здесь рассматриваются вопросы программной реализации модели формирования ВСБ на персональных компьютерах.

Предлагаемая модель представляет собой уравнения, связывающие последующее состояние с предыдущим, 'управляющими воздействиями и с возмущениями. Для нее указываются боковые, верхние и нижние границы, выделяющие- тот объем, для' которого проводятся балансовые, расче-' ты. Также определяются интервалы времени, указывающие; за какой временной отрезок составляется баланс. В связи с тек-.что большинство натурных наблюдений и соответствующая информация носят дискретный характер, состояние объекта моделирования описывается посредством конечного набора значений показателей, а не их непрерывным распределением в пространстве и во времени. -

Так как ирригация вызывает усиленный влаго- и солеобмен между зоной аэрации (ЗА) и грунтовыми водами (ГВ). главным структурным элементом орошаемого массива является толща почвогрунтов в- пределах исследуемого участка, охватывающая эти зоны. В связи с этим при моделировании водно-солевого режима орошаемых земель- необходимо вертикальное деление камеры на ЗА и ГВ. Граница между, ними в каждый момент времени определяется положением уровня грунтовых вод (УГВ).

Изменение влагозапасов в ЗА р основном определяется приходом и расходом влаги через верхнюю (земная поверхность) и 'нижнюю (УГВ) границы. Через верхнюю границу влагозапасы ЗА пополняются' за счет просачивания атмосферных осадков и поливных вод. Почвогрунтами за-, держивается количество воды, равное дефициту влажности почеы ДВ, т.е. разности между наименьшей влагоемкостью и фактической влажностью почвы : ДВ = И - . Оставшаяся часть' просочившейся

п н в 1\ г

воды инфильтруется в ГВ. Таким образом, {«¡фильтрационное питание водоносного слоя I. обусловленное избыточным количеством влаги в зоне аэрации, определяется следующей зависимостью: ( х.+ м1 + \ _-инв при X + М + \\ I = ( '.(!)•

10 при X + М + № < ДО

г Л нв

Здесь X - атмосферные осадки, М' объем водополива.

- В -

Запасы ГВ вод пополняются такяе за счет фильтрационных потерь Фк из каналов оросительной сети. Эта величина определяется в зависимости от величины водозабора М и коэффициента полезного действия КПД коллекторно-дренажноП системы: Фк - М (1 - КПД).

Через (шхивю границу • идет подпитка Зк грунтовыми водами вследствие их капиллярного поднятия. При близком залегании ГВ от земной поверхности часть их расходуется на суммарное испарение. Для определения этой величины используется эмпирическая зависимость, полученная С.Ф. Аверьянова:

/ Ео (1 - Н/Н )п при Н < Н ,

' >р * кр

К " { (2)

^ 0 при Н ) Н .

где Ео - потенциальное испарение (испаряемость): Н - средня? глубина залегания УГВ за расчетный период: Н - критическая глуби на залегания ГВ, при которой начинается подпитывание корнеобитаемо-го слоя; п - показатель степени, зависящий от капиллярных свойств почвы и изменявшийся от 1 до 3.

Через верхнею границу камеры происходит расход влаги на суммарное испарение, для определения которого используется методика А. И. Будаговского, базирующаяся на учете агрометеорологических и климатических факторов.

Через боковые границы часть воды расходуется.' на дренажный сток. Величина притока воды к дрене Д определяется в зависимости от напора над ней. вояно-физических свойств почвогрунтов и параметров коллекторно-дренажной сети:

I А атр - Н) при Н < Гшр.

Д -{ (3)

\ 0 при Н > Идр

Здесь Ьдр- глубина заложения дренажа, м: А - 0.1 N х КФ 1др / (1п г/Ь - 1) - величина, зависящая от параметров коллекторно-дренажной сети и водно-физических свойств почвогрунтов орошаемой территории, где N - число суток в расчетном периоде; КФ - коэффициент фильтрации почвогрунта, м/сут; ■ 1др •• удельная протяженность дрен, м/га; Ь - ширина дрен по верху при открытом дренаже или диаметр дрен при закрытом дренаже, м; г - 10000/1др - расстояние между дренами, м.

В результате вертикального влагообмена и горизонтального оттока происходит изменение запасов грунтовых вод - А1)г, которое определяется по изменению их уровня (ЛИ) за расчетный период: Л1>г- /1ЛН

Здесь - коэффициент водоотдачи (насыщения) из слоя почвог-рунтов в пределах повышения или понижения уровня ДН.

Специфика модели формирования ВСБ проявляется в учете движения солей и водообмена между ЗА и ГВ. При этом колебание УГВ является интегральной характеристикой реакции рассматриваемой системы на внешние воздействия. По существу это результирующая приходных й расходных элементов баланса. В связи с этим в настоящей работе предлагается расчетная модель динамики УГВ. В ее основе лежит уравнение водного баланса зоны полного влагонасыщения:

Диг = Упг + I + Фк - Уг - Д - К . ' (4)

где Упг и Уг - горизонтальный приток и отток ГВ, м.

С учетом зависимостей (Г) - (3) уравнение (4) для 1-го периода можно представить в виде »КН^-Н,) = Х1+ М4~ДВ,-Ео1 (1- н1 /Нкр)-А(11Др-Н,) + Фк, (5)

Преобразуя уравнение (5). получаем следующую зависимость для расчета УГВ: •

Ео1 + ДВ1 1 - М1 - X, + А Ядр + Фк4

Н, ---' (6)

Ео /Нкр + А + /1

Составляющие солевого баланса определяются с помощью полученных значений компонентов водного баланса. Алгоритм расчета солесо-держания в почвогрунтах опирается на балансовое соотношение элементов водообмена между ЗА и ГВ. На рассмотренные выше процессы водообмена накладываются процессы разбавления и соответствующего переноса солей водными потоками. При этом принимается допущение, что все имеющиеся соли переходят в раствор и происходит их полное перемешивание.

Для расчета пассы солей, перенесенных инфильтрационным потоком из ЗА в ГВ, определяется концентрация этого потока.. При этом учитывается предшествующее засоление почвогрунтов ЗА, поступление солей с поливной водой и атмосферными осадками. Расчетное значение поро-вого раствора С14 для 1-го периода после перемешивания определяется как средневзвешенная величина:

СИа^, СМД+ СХ1Х1

с1Г-:-:---(7)

V Х!

Здесь _ начальные влагозапасы ЗА, мм; СИа -исходная

концентрация порового раствора, г/л; СМ1 и СХ1 - соответственно концентрации оросительной воды и атмосферных осадков, г/л.

Минерализация ГВ вод в зоне перемешивания СГ4 (г/л) для 1-го периода определяется уравнением

СГ^'м (Ншах-Н1М) + 0^1,+ СФк-,®^

СГ^'--;--(8)

(Ншах -Н _ ) + ^ +. Фк1

Здесь Ншах - максимальное понижение УГВ за время эксплуатации оросительной системы после ее выхода на близкий к стационарному режим ГВ. Величина ц (Нтах-Н1_1) характеризует тот объем ГВ, который участвует р водообменных процессах с поровым раствором'и для которого принято допущение о -полном перемешивании ГВ с поступающими водными потоками.

Концентрация, потока, поступающего из. водоносного.слоя в зону аэрации С^ принимается равной минерализации ГВ, т.е. СК^ СГГ Также концентрация дренакного стока СД1 СГГ . • ■

Таким образом, баланс солей.в ЗА к.концу 1- го периода, складывается из количества солей, оставшихся с предыдущего ..]Ь1) -го расчетного, шага и поступивших с.оросительной водой'и атмосферными осадками, а также с грунтовыми водами за счет их капиллярного поднятия в 1-й период. С учетом'того, что часть солей выносится ин-'.¿ лльтрационным потоком из. ЗА в ГВ, можно определить минерализацию норового. раствора СИа1 к концу 1 -го периода с помощью зависимости. СМа1-1Ма1-1+ СМД + СХ^н- скд- а^.

СИа1= -1-;—:-:----'. (9)

. У.'а1

Здесь Иа - влагозапасы ЗА к концу 1 -го периода.

Количество солей,, вымытых из ЗА в ГВ-.инфильтрационным. потоком • и внесенных из водоносного слоя-в зону аэрации - БК а'также находящихся в ЗА в конце расчетного периода БЮа^ вычисляется сог- ■ . ласно формуле БУ = 0;01 V С Г. ЗДесь ЗУ - величина составляющей оо-' левого баланса, т; V - величина составляющей водного баланса, • мм; С - минерализация воды, находящейся в объеме V, г/л; -Г - площадь исследуемого участка, га.

■ Определив балансовые составляющие по вышеописанным' зависимое-' тям, . рассчитывается ВСБ орошаемой территории на конец 1-го периода в соответствии с системой балансовых уравнений в пределах расчетной толщи почвогрунтов, которая имеют следующий вид:.

V Х1 + V ¥пг1 " Сбг'Уг1 ~ Д1 " Е1 (10)

- уравнение общего водно№ баланса,

Ч-1+ V МГ " Сб1 " Е1_11+ К1 <И)

- И

- уравнение водного баланса ЗА,

1)г,- Ur,.j + Ymy + I,- К, - Уг,- Д,+ Фк, (12)

- уравнение баланса ГВ,

SWi"SWi-i+ SV SMi + SYnr," sc6, ~SYr,— БД, (13)

- уравнение общего солевого баланса,

SWa,= SWa, _, + SX,+ SM, +SK,-SC6,-SI,. - ■ (14)

- уравнение солевого баланса ЗА,.

SUr,= SUr,.,+ SYnr, +SI,- SK, - SYr,- БД,+ БФк, С15j

- уравнение солевого баланса ГВ.

Здесь W,, W,, Ur, и Ur,_, - обвде влагозапасы и запаса ГВ в 1 и 1-1 периоды соответственно; SW,, SWa,, SWa,_, , SUr, и

SUr, _, -солезапасы в соответствующих расчетных толвдс почвогрунтов в 1 и 1-1 периоды, Сб, и SC6, - вынос воды и солей с пойерхностньа сбросом, SYnr, и SYr, -.горизонтальный.приток солей с ГВ,.. и отток солей'Si, - вынос солей с.коллекторно-дренажным стоком. •.

Далее процесс вычисления компонентов ВСБ проводится итерационным, путем.

Таким образом, в работе предлогена модель формирования ВС?, позволяющая имитировать процессы влаго-солеперен'оса в толще почвогрунтов , ЗА. и водоносном слое. Для практической реализации модели формирования ВСБ разработана' программа расчета составляющих водного и солевого, балансов орошаемого участка,. Функционирующая на- персональных. компьютерах типа IBM PC/AT.

В третьей- главе приводятся . результаты, практического использования методики расчета составляющих ВСБ для территории Ферганской опытной ' станции хлопководства (ФОСХ) й апробации модели формирования' водно-солевого режима по данным натурных, наблюдений и имитационных экспериментсЭв на ЭВМ.

Опытная ■ станция административно входит, в состав Кубинского района Ферганской области Узбекистана и территориально' расположена в ее восточной части (юго-восточная часть Ферганской долины). Поля опытной станции орошаются из канала Дехканабад, .получающего воду через систему промежуточных каналов из реки Карадарья. При этом ведется. постоянный учет поступления и сброса воды. Территория ФОСХ дренируется -сетью крупных открытых коллекторов' и мелкого закрытого дренажа. Коллектора окаймляют станцию со всех сторон, глубина их 3-i м. Общая дренируемая площадь составляет 239.2 га. Удельная протя-кенность всей коллекторно-дренажной сети - 63 м/га.

Для установления генетических связей между компонентами ВСБ и

определяющими их природно-хозяйственными Факторами проведен анализ водно-солевого режима территории опытной станции. При этом на основании полученных экспериментальных данных натурных исследований' формирования ВСБ произведен расчет водного и солевого балансов за многолетний период по предложенной в диссертационной работе методике определения балансовых составляющих.

Предлагаемая модель была апробирована на материалах экспериментальных наблюдений, проведенных . нами совместно с. сотрудниками ■ Ферганской-опытной станции в 1987-1988 гг.

В качестве входной информации модели были использованы следующие данные: параметры орошаемого комплекса (водно-физические свойства почвогрунтов. характеристики технического.состояния оросительной системы и применяемой техники полива); профили влажности и засоления почвогрунтов зоны аэрации на момент начала„расчётов; начальный. уровень/и минерализация грунтовых вод; • структура-земельных угодий. Входными переменными при этом являются:., объем .оросительных вод- и их минерализация, а также данные по метеоэлементам (атмосферные осадки, температура воздуха, абсолютная и относительная влажность, скорость ветра, • облачность, составляющие радиационного ба-/:1?1"са и пр.) Значения' водно-физических характеристик, осреднялись : .'П'.л всей территории станции путем их взвешивания..йб площади. Для расчета суммарного испарения использовались' данные . метеостанции "£едченко". При этом различная' структура сельскохозяйственного использования земель.учитывалась с"помощью переходных.коэффициентов. Расчетный шаг по времени принимался , равным месяцу". ' .

Для оценки точности расчетных значений составляющих. ВСБ произ-, ведено сопоставление их с соответствующими фактическими величинами (рис.1). Относительная ошибка при этом в среднем не превышает 20 %.

Для-выявления степени точности измерения (или расчета) исходных данных, а также'для.оценки-необходимости включения тех или иных параметров в процесс моделирования проведено исследование' чувствительности модели формирования ВСБ к изменениям природно-хозяйствен-ных факторов; Результаты анализа чувствительности модели ВСБ показали, . что она наиболее отзывчива на изменения 'оросительных норм, коэффициента фильтрации почвогрунтов и уровня заложения дренажа. * При этом самым чувствительным на вариации исходных данных модели является уровень залегания грунтовых вод. Изменение входных переменных и параметров модели в среднем на 5-1.0% (в пределах точности их .измерения и пространственно -временного осреднения) .сказывается

Годы

19«?

Рис. 1. Сравнительные хронологические графики .элементов ВСБ-территории ■ •' ФОСХ, построенные, по фактическим и-расчетным значениям- •'

.1:--фактические значения ; .•

• : ■>----расчетные 'значения. • .

- н -

на изменениях расчетных величин не более, чем на 15Х (в пределах точности балансовых расчетов).

В четвертой г^аее рассматриваются вопросы применения разработанной модели формирования ВСЕ мелиорируемых земель для анализа изменения водно-солевого режима крупного водохозяйственного района и руслового стока реки, дренируещей его территорию. Кроме того, в данной главе анализируются различные варианты гидромелиоративных мероприятий по степени воздействия на природную среду.

Предложенная модель формирования ВСБ использовалась для оценки водно-солевого режима Ферганской долины. При этом для рассматриваемой территории был проведен анализ пространственного распределения гидрометеорологических элементов и произведена оценка их средних по площади значений с помощью различных методов.

В связи с тем, что основным приемником стока поверхностных и грунтовых вод с орошаемой территории, как правило, является участок русла реки, в работе также исследован водно-солевой режим руслового стока р.Сырдарьи в пределах Ферганской долины.

В соответствии с разработанной вычислительной схемой были оп-\ оделены месячные величины составляющих ВСБ территории Ферганского водохозяйственного района и руслового стока.дренирующего ее участка ¡- Сырдарьи за период 1968/69 - 1975/76 гг.- По результатам, балансо-¡;,.1х расчетов за этот период установлена зависимость коллектор-¡ю-дренажного стока от УГВ, которая аппроксимируется' следующим уравнением связи: Д ■ 221 - 96 Н. .Данные наблюдений 'за период с 1976/77 по 1985/86гг. послужили основой для верификации модели.. .

Сравнение фактических и расчетных . величин позволяет сделать вывод о том, что разработанная модель с достаточной точностью, описывает природно-мелиоративные процессы и может быть использована для исследования ВСБ крупного водохозяйственного района.

Как видно из рис.2а, за период с 1968/69 по 1986/87 гг. произошло понижение УГВ. Это связано с увеличением стока коллектор-но-дренажных вод (см. рис.26). Концентрация порового раствора при этом резко возросла (рис.2в). Анализ ВСБ руслового стока р.Сырдарьи в пределах Ферганской долины показывает, что годовой водозабор и сток коллекторно-дренажных вод в середине 80-х годов увеличился по сравнению с 70-ми годами. При этом интенсивность прироста коллек-торно-дрёнажного стока значительно меньше роста водозабора. Суммарный приток воды из р.Карадарьи и Нарына, а также боковой сток местных притоков в р.Сырдарью за рассматриваемый период почти не

2.5

О > 11111 м 11 м''1 м I' 111 и 111 м 11111111 и > 1111 м м (I м 11111 и I т и 11 ч ч I) м I и и 111 т 11 и ш I т I -«19«8 1970 1972 197* 1976 1978 1980 1882 19Я 1998 >• в) Годы

1,1

■гли»

.. ............................................................................-..,.

^1968 ,1970 1972 1974 1978 1978 1950 1982 1984- 19вв ») Голи

5000

1988.....1вУ6.....ИЧг.....¡97+.....1вУв" 1978.....(9В0.....1982.....1»М ''ЧвКв"

г) Гсида

) 2.0 ■

! 0.0 '11 11 И М > I М I II I I М I М I I М I I М I I I » М I ■ И 11 I М М » I I И 1 1'1 I I I т I I И М I ■ I I | I I ......I || || II I И I Т Е III I

1968 1970 1972 197+ 1978 1978 1980 1982 1984 1966

Д).

Годи

Рис.2. Динамика водно-солевого режима территории Ферганской долины и руслового стока дренирующей ее р.Сырдарьи

изменился. За исследуемый период произошло уменьшение руслового стока в замыкающем створе Ферганской долины (п. Бекабад) и увеличение его минерализации, что иллюстрируется рис.2г. д.

Результирующей водного баланса территории, характеризующей взаимодействие комплекса природных и хозяйственных процессов, связанных с гидромелиорациями, являются затраты стока - интегральный показатель "безвозвратного" водопотребления. Суммарные затраты стока в пределах Ферганской долины определены по разности поступления стока в р.Сырдарью и оттока из нее (табл. 1).

Таблица 1

Динамика показателей водно-земельных ресурсов в пределах Ферганской долины в годовом разрезе за период.с 1968/69 по 1985/86 п

1 Площадь Г ' " - — Водозабор Сток КДС, .....— -" Затраты ■ " 1 Русловой Минерали-

1 Годы орошения. стока, отток, зация руслового

тыс. га млн, м3 млн.м3 млн.м3 млн.м3 стока.г/л

11968/69 ' 1045 16171 7102 8294 17151 0.71

11969/70 1060 . 17183 8Í89 8699 32229. 0.71

11970/71 1033 19078 8237 8729 21259 0.64

11971/72 1081 19992 7583 9303 16687 0.68

11972/73 1106 19342 699.8 8149 16093 0.69

11973/74 1105 20576 7713 10610 18429 0.72

11974/75 1114 16205 .5511' 7113* 8423 " 0.93

¡1975/76 1121 17029 6073 8673 8545 1.23

11976/77 1147 16659 10039 7307 12664 1.14

11977/78 112Ö 15358 10862 7547 12417 1.22

11978/79 1139 18669. 12144 ' 8144 11213 1.28

11979/80 1158 16490 10579 8296 14300 1.15

11980/81 1195 22701 12430 10390 11797 1.36

11981/82 1232 .24586 11450 10902 15895 1.16

11982/83 1270 21757 11135 9574 13499 1.28

11983/84 1307 20829 11205 9624 12750 1.31

11984/85 1345 18980 9925 ' 9055 1263.8 1.27

11985/86 » 1382 19191 i, 9854 i 9337 11323 1.54

Изменение затрат стока в пределах Ферганской долины определяется как антропогенными, так и природными Факторами. Как видно из табл. 1, затраты стока в '1ерганской долине после 1980 года увеличились. Это вызвано в большой степени введением новых площадей -сросо-ния. Последнее, соответственно, вызывает увеличение объема вод-. бор-1 из речного русла. По мере, расширения плошдлей орошаем.го земледелия сток ¡3 замыкающем створе р.Сырдарьи постепенно уменьшается. За счет роста водозабора на. увеличения площади орошаемых земель. введения в севооборот Солее влаголюбивых сельскохозяйственных культур увеличивается доля притока коллекторно -дренгшшх вод в об-стоке, что приводит к ловиаени» минерализации речных вод. Изменения площади орошения, водозабора из реки, стока коллекторно-дре-нажных вод. руслового оттока в замкк-чгзем створе Ферганской долины и его минерализации за период с I968 по 1985 гг; также приведены в табл. I.

Таким образом, в условиях орошения естественный водно-солевсй режим почвогрунтов Ферганской долины и руслового стока дренирующего ее участка р. Сырдарьи резко нарушается. Влияние водохозяйственных мероприятий на водно-солевой режим в зоне орошаемого земледелия определяется совокупным воздействием природных и хозяйственных факторов. В числе последних важнейшими являются величины водозабора на орошение, КПД оросительных систем, площади орошаемых земель, тип и! техническое состояние коллекторно-дренажной сети. В комплексе эти факторы создают определенную гидромелиоративную обстановку в исследуемом регионе.

Предлагаемая модель ^ормирсванил ВСБ орошаемой территории может быть использована для оценки различных вариантов комплекса мероприятий по рационалтену использованию. . охране и воспроизводству, водных ресурсов с целью выбора наиболее предпочтительных из них.

На основе балансовых расчете в проведен анализ влияния водохозяйственных мероприятий на составляете ECK Ферганской долины и русле вой сток р. Сырдарьи в пределах исследуемой территории. Для достижения данной цели производилось варьирование параметрами, отражающими техническое состояние коллекторно-дренажной•и оросительной сетей, а также нормами и минерализацией'оросительных вод. В-результате были построены графики зависимости уровня 'залегания грунтовых вод. дренажного стока, влагозапасов ЗА. концентрации по-рового раствора, концентрации дренажного стока и оттока рёчноП воды из Ферганской долины, от КПД оросительной сети, глубины заложения

дренажа, удельной протяженности коллекторно-дренажной сети, ширины дрен, объема оросительных вод и их минерализации. Так, на рис.3 показано влияние глубины заложения дренажа на водно-солевой режим территории Ферганской долины и русловой сток р. Сырдарьи.

Анализ построенных графиков связи позволил сделать выводы о том, что:

при увеличении удельной протяженности дренажа, его ширины и глубины заложения происходит понижение уровня грунтовых вод и увеличение дренажного стока, за счет которого увеличивается сток в русле р. Сырдарьи. Влагозапасы зоны аэрации при этом понижаются и возрастает концентрация порового раствора;

повышение КПД оросительной сети вызывает понижение ур'овня грунтовых вод и уменьшение дренажного стока и влагозапасов зоны аэрации, а также незначительное уменьшение оттока речной воды по руслу р. Сырдарьи в замыкающем створе Ферганской долины. В то же время концентрация коллекторно-дренажных вод и порового раствора увеличивается; - _

увеличение норм орошения приводит к повышению уровня грунтовых вод,- увеличению'дренажного стока и, соответственно, руслового стока р. Сырдарьи. При этом концентрация порового раствора понижается;

повышение минерализации поливных вод ведет к увеличению концентрации, порового раствора и коллекторно-дренажных вод.

Таким образом , процедура .расчета ВСБ по предложенной методике позволяет оценить влияние водохозяйственных факторов . (на • фоне естественных условий) на' водный и солевой режим территории.

- Для рационального использования водно-земельных ресурсов необходимо выбирать оптимальные гидромелиоративного строительства. При этом необходимо учитывать определенные требования к качеству экологической обстановки окружающей территории. В частности, к уровню ..залегания грунтовых вод, величине стока коллекторно-дренажных вод и его минерализации, объему руслового стока и его концентрации в нижнем створе реки.

Заключение содержит основные выводы и результаты работы. Здесь же указывается практическая направленность и область возможного применения результатов выполненного исследования.

В приложения вынесены методика выделения ведущих природно-хо-зяйственных факторов на основе анализа иерархической структуры ВСБ орошаемой территории аридной зоны и таблицы результатов расчета ВСБ территории Ферганской долины.

Чт.р-МЛН.М3 Д,мм

СИа. г/л.

3.3. Графики зависимости среднегодовых величин ■ уровня грунтовых вод (Н), дренажного стока (Д) и его минерализации (СД).вла-го- и солезапасов зоны аэрации № и СИа). руслбвого стока в замыкающем створе р. Сырдарьи и его минерализации (И и с"от.р) 33 многолетний период в пределах-Ферганской долины от глубины заложения дренажа (Ьд).

- 20 -

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выявлены закономерности и механизм формирования ВСЕ орошаемой территории аридной зоны.

При этом направленность природных процессов определяется соотношением нисходящего потока - инфильтрацией поливных вод и атмосферных осадков из зоны аэрации в водоносный слой и восходящего -расходом грунтовых вод на испарение. Интенсивность влагообмена зоны аэрации и водоносного слоя определяется уровнем залегания грунтовых вод. Величина аккумуляции влаги и ее роль в формировании водного режима возрастает с увеличением мощности зоны аэрации. В то же .время величина расхода грунтовых, вод на испарение уменьшается.

2. Разработана автоматизированная методика выделения ведущих' природно-хозяйственных факторов, .влияющих на водно-солевой режим мелиорируемых земель. Она основана на рассмотрении ВСБ как сложной системы, имеющей' иерархическую структуру.

3. Разработана методика расчета составляющих ВСБ орошаемой территории аридной зоны на основе теоретических построений и анализа данных натурных наблюдений. Так как ирригация вызывает усиленный влаго- и солеобмен между зоной аэрации и грунтовыми водами, главным структурным элементом орошаемого массива является толща почвогрун-тов .в пределах исследуемого участка, охватывающая 'зону аэрации и зону полного влагонасыщения.

' 4'. Построена модель формирования ВСБ орошаемого участка. Она использует как известные , так и предложенные автором зависимости балансовых составляющих от режимообразующих факторов. В связи с тем, что уровень залегания грунтовых вод является интегральной характеристикой гидромелиоративного состояния земель, в данной модели предлагается расчетная схема оценки изменения уровня водоносного ' горизонта.

Основное назначение модели формирования ВСБ состоит в имитации режима и минерализации грунтовых вод, динамики влагозапасов и засоленности почвогрунтов зоны аэрации, оттока солей с дренажными водами при различных уровнях сельскохозяйственного производства на орошаемых землях.

5. Предложенная модель формирования ВСБ апробирована на конкретном объекте орошения - Ферганской опытной станции хлопководства.

Исходная информация для расчетов была получена в результате экспериментальных исследований, проведенных автором совместно с

- 21 -

Сотрудниками ФОСХ в 1987-1988 гг.

Сопоставление данных натурных наблюдений и результатов расчетов продемонстрировало их хорошую сходимость. Относительная ошибка при этом в среднем не превышает 2055.

6. Для выявления степени точности исходных данных, а также для оценки необходимости включения тех или иных параметров в процесс моделирования проведен анализ чувствительности модели формирования ВСБ к изменениям природно-хозяйственных факторов. . При этом модель ВСБ наиболее отзывчива на изменения оросительных норм, коэффициента фильтрации.почвогрунтов и уровня заложения дренажа. Самым чувстви-. тельным на вариации исходных данных модели является уровень залегания грунтовых вод.

7. Произведена адаптация модели формирования водно-солевого режима для оценки ВСБ крупного водохозяйственного района - Ферганской долины. На основе сопоставления фактических и расчетных данных показана практическая приемлемость этой модели для оценки гидромелиоративного состояния земель на региональном уровне.

8. одновременно с оценкой ВСБ Ферганской долйны проведён анализ водно-солевого режима руслового стока-р.Сырдарьи. которая является основным приемником поверхностных и грунтовых-вод с орошаемой территории. Гидромелиоративное строительство в бассейне р. Сырдарьи превратило его в сложную водохозяйственную систему, существенно' трансформирующую в своих пределах речной сток, поступающий из -области его формирования. ' ' . ■

9. На основе предложенной модели проведены многочисленные'.ими-г тационные эксперименты по исследованию влияния водохозяйственных факторов на водно-солевой режим орошаемой территории и русловой ■ сток дренирующей ее реки. В результате были построены'графики.зависимости УГВ, дренажного стока, влагозапасов ЗА. концентрации поро--вого раствора, концентрации дренажного стока и оттока речной воды-из Ферганской долины от КПД оросительной сети, глубины заЛожения дренажа, удельной протяженности коллекторно-дренажной сети, ширины дрен, объема поливных вод и их минерализации.

Таким образом , процедура расчета ВСБ по предложенной методике-позволяет оценить влияние водохозяйственных факторов (на фоне естественных условий) на водный и солевой режим территории.

10. Создано методическое,' программное и информационное обеспечение модели формирования ВСБ. Это позволило автоматизировать трудоемкие расчеты и-создать инструментарий, для проведения имитационных экспериментов на ЭВМ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих .работах:

1. Имитационная модель водно-солевого баланса орошаемых земель// Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования: Тез. докл. - Ростов-на-Дону, 1989. - с. 166-167.

2. Об одном методе выделения существенных показателей в задачах природно-хозяйственного районирования// Математическое моделирование в прблемах рационального природопользования: Тез. докл. -Ростов-на-Дону, 1990.- с. 43-44. /В соавторстве с В.М. Умывакиным/.

3. Методические аспекты ' перспективной оценки водно-солевого баланса орошаемой территории. Воронеж, ун-т. - Воронеж, 1992. -36с,- Деп. в ВИНИТИ 02.12.92, N 3428 -В92.

4. Автоматизированная методика выделения ведущих•природно-хо-зяйственных факторов на основе анализа иерархических структур. Воронеж. ун-т. - Зоронеж, 1993. - 27с.'- Деп. в ВИНИТИ 2Q.G8.93. N 2300-В93,. /В соавторстве с В.М. Умывакиным/. • ..

5. Модель перспективной оценки водно-солевого баланса орошаемой территории // Водные, ресурсы, 1994, N 3.

Заказ 82 от 21.03.94 г. Тир. 100 экз. Формат 60 X 90 1/16. Cdieu I п.л. Офсетная лаборатория ВГУ.