Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

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

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 (НА ПРИМЕРЕ.ФЕРГАНСКОЙ. ДОЛИНЫ)"

АгЪОЭбЭ

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*яа соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

1'абота выполнена в Институте водных проблем РАН

Научные руководитель доктор технических наук, ■ _ .;профессор г.X.Исмайылов

Официальные оппоненты -' доктор* термических наук,

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

Ведущая организация;- . Институт географии РАН

Защита состоится. г.' в часов

на'заседании Специализированного совета Д.003.37.01 при Институте водных проблем' РАН по адресу:-1Ь7078, . Моема, ' ул. Ново-Басманная, дом 10.

С диссертацией можно ознакомиться Института ; водных проблем РАН

в библиотеке

Автореферат1 разослан 1994 г;-

Ученый секретаре " Специализированного совета, доктор географических наук, профессор ' ' '

' В.С. Залетавв.

• ' * - 3 - •

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

Для рационального использования водных и земельных- ресурсов необходимо оценить'те изменения гидромелиоративной,обстановки.. .которые могут произойти под влиянием комплекса природно-хозяйстЕенкыК * факторов. Это требует исследования и моделирования механизма Формирования водно-солевого баланса, (ВСЕ) оропаемо.1 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, И. Голованова, Г. X. ;Исмз?.ылова, Д.М. Каца, , Л.С. Кучмента.", В.Г. Пряжинской, ,Л.К. Рекса, . С.Ц.* Хар-ченко", В. В^ Шабанова и других ученых. ■ -

' Б настоящее время разработаны эмпирические и' полуэ'мгглрк^ескиа уравнения и расчетные схемы, описывающие отдельные процессы1 вла-го-солепереноса. Они носят как самостоятельная характер, так и вхо- ,' дят' составными блоками в математические модели разноЛ степени слеж- -ности, созданные для оценки ВСЕ оро^емоЯ.территории^.' * ,

Использование на практике балансовых расчетов для оценки мели--оративного состояния орошаемых земель дает возможность * проакалиэи.-*, ровать ■ изменение структуры ВСБ при'многовариантной проработке проектов водохозяйственного строительства'. Такие расчеты базируитря на стандартной агрогидрометеорологической информации , и,обеспечивают достаточно высокую точность в пределах календарных сроков' относи-, тельно 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.теЖ» следует из необходимости'разработки . теоретических и. пряктичрсн»*- сьттрг^дв оценки ВЛИЯНИЯ Природа о-хозяйствеь ;1е ВСВ_орошаемых. земель.

[■.¡оск. ,соль>;кохоз. акадэмии н:л. К, А! Тад!Р2акэз

' Цели и заду1и исследовав, Основной цель» диссертационной работы является исследование механизма и построение модели формирования' БСБ орошаемой территории для оценки влияния комплекса естественных и- антропогенных.Факторовна гидромелиоративную обстановку. * /. Достижение Данной' целгтребует решения следующих задач:

- анализа закономерностей формирования' водно-солевого режима орошаемой-территории;.

г выделения ведущих природно-хозяйственных , факторов, влияющих на формирование. БСБ;. \

' ",' 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-/«Формирования ВСБ: , '■ .'.'*■ ," ■-' '-

- апробации. разработанной'модели Фор»1рования БСБ на конкретном. объекте, орошения Ферганской' опытной станции хлопководства (ФОСХ) •; .' .;.*; . ■--■'■'•."

— адаптации, модели .для оценки БСБ крупного водохозяйственного района - Ферганской-долины и; руслового сто^ р.Сырдаръи;. , !

: 7 исследования^^ влияния'.водохозяйственных, мероприятий *ка водно-солевой .режим ; орошаемой территорий и-русловой еток дренирующей ее реки. ■■'.,'...,', -'■ ■ ' ■ . ; . ■

Методика,и'-о^ьекты исследования. Методологической основой ра>-боты ^ Является . системный подход к оценке влияния природно-хозяй-: ' ственн&х факторов на формирование водно^солевого режима - орошаемой территорий. Теоретические и практические исследования связаны с использованием методов анализа иерархических структур., математического моделирования, статистического анализа временных рядов,' проведением натурных. шблюлений.и .численных:экспериментов'на ЭВМ;

Б качестве объектов исследования выступают территория ФОСХ и ■ Ферганская долина. - ..'*;.

Научна^ 'новизна работы.. В теоретической части.диссертации исследованы ' концептуальные основы механизма и разработана модель формирования водно-солевого режима орошаемых земель, методика выделения ведущих' природао-хозяЙственйх факторов на основе анализа 'иерархической структуры ВСБ; -'

Обоснована и (фактически подтверждена целесообразность создания, информационного',. . алгоритмического и программного обеспечения

модели формирования 8СБ-

Осуществлена параметризация и верификация данной модели для оценки водно-солевого режима территории ФОСХ и Ферганской долины в целом. Сопоставление данных натурных наблюдений и результатов расчетов на ЭВМ показало практическую применимость разработанной подели формирования ВСЕ. , 1

Кроме того, проведены численные эксперименты по исследованию влияния водохозяйственной деятельности на водно-солевой режим орошаемой территории и русловой сток дренирующей ее реки.

Практическая ^чнцость. на основе полученных.в работе результатов разработано методическое и программное обеспечение ■ модели Формирования ВСБ орошаемой территории. Данная модель представляет собой инструмент'научных, исследований и водохозяйственного проектирования, предназначенный для оценки изменения водно-солевого режима мелиорируемых земель под влиянием естественных и антропогенных факторов. Ока может быть использована для выбора оптимальных'вариантов комплекса гидромелиоративных мероприятий. ' . 1 -

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института водных проблем РАН ( 1988-1993 гг.). всесоюзных школах-семинарах "Математическое моделирование в проблемах рационального .природопользования" {Новороссийск.: 1989 -1992 гг.) и на V шкоде-семинаре "Систем--ные исследования водных проблем" (Москва, 1993 г.); ,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. . Структура и объеи? 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: отечественных и зарубеяиых авторов. • " *

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ •

■Вд рведеыуш , обосновывается ' актуальность темы и формулируются •задачи'исследования. '■.'...* ' '■ '

' В рервой глава анализируются закономерности и механизм формирования воднй-содееого режима орошаемой территории аридной'зоны, рассматриваются методические вопросы выделения ведущих природно-хозяйственных факторов, 'рлиящих на составляющие ВСЕ. ' - . .

„. При анализе закономерностей формирования' ВСБ требуется решать ряд задач. Главная'задача заключается в разработке методики определения компонентов БСБ ла 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 учитывать ненадешЬств результатов, измерения _ некоторых составляющих КБ или зге их,отсутствие. . Кроме того. ' требуется переходить от точечных измерений характеристик анализируемых факторов к проотранс--тбекко-осредненным значениям.. ;

;' Обобщение результатов.исследований по отдельным воднобалансо-оыч' участкам -.-для крупных- водохозяйственных районов .'также осложняется в связи со значительной пространственной'изменчивостью природных "факторов.1 ...

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

.Моделирование процессов' в'лаго-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-хоэяйственных факторов на формиро-- ваше водно-с ¿левого режима орошаемой территории возникает .необхо-' димость представления реальных условия 'в виде расчетной схемьг - мо-'дели. Б данном • случае схематизация базируется на выделении существенных природных и искусственных Факторов, влияющих на*язме-• нениег 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-

■' - 7 - ..■ .-.""*

. ческую структуру/Методика выделения ведущих природа о-^хозяйствен них факторов-приведена в приложении 1 диссертационной работы. '■- .

Итера я глава посшииена разработке методики оценки балансовых составляющих и модели формирование водно-солевого режима орошаемого участка на основе анализа генетических связей компонентов. ВСЕ с'.ре-жимообразующими Факторами.. Кроме того, здесь рассматриваются вопросы программной реализации модели формирования ВСЕ на персональных компьютерах. . ■ ■ ■ ' . . ' ■"-..' "

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

Так. как ирригация вызывает усиленный влагр- и солеобмен кежду зоной аэрации (ЗА) и грунтовыми водами ' (ГВ). . главным . структурным элементом орошаемого массива является толща почвогрунтов в пределах исследуемого участка, охватывающая"эти зоны. В ¿вязи с этим'при'моделировании .водно-солевого режима орошаёмых. земель*- необходимо вертикальное деление камеры на'ЗА и ГВ. - - Граница между ними", в каждый, момент времени определяется положением уровня грунтовых вод (УГ8).

Изменение влагозапасов. в-ЗА в 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. Почвозгрунтами задерживается количество воды, равное дефициту влажности почвы ДВ, т.е. разности -между наименьшей вла го емкостью и и фактической" влажностью почвы : дв *= - Оставшаяся часть' просьч^аеася воды инфильтруется в ГВ. Таким образок, . инфильтрационкое витание водоносного слоя I, обусловленное "избыточным количеством влагц в зоне аэрации, определяется следующей Зависимостью: ■ • ■ / X. + М'+'1» ' при X + М ♦ V» * ::,

» Я * ИВ л 7. 1тВ *

I - < • • • . (1) • .*

V о. .-при х ♦ м + ий < «ив.

Здесь X - атмосферные осадки, М' - обьеМ водополива.

- е -

Запасы ГВ вод пополняются также за счет Фильтрационных,потерь Фк из каналов оросительной сети. Эта величина определяется в зависимости от величины водозабора К и коэффициента полезного действия КПД коллекторно-дренажиой системы; Фк - И (I - кто.

Через нижнвв границу-идет подпитка ЗА грунтовыми волами 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, Аверьяновым:

( Ео <1 - Н/Нв )* при Н < Н .

К - { ' ■ . <2)

I О '. пр и Н > Н„р1.

где Ео - потенциальное испарение (испаряемость); К - средняя глубина залегания УГ8 за расчетный период: Нвр- критическая глубина залегания ГВ; при которой начинается подпитывание корнеобитаемо-го-слоя; п - показатель степени, зависящий от капиллярных свойств почт/ и изменяющийся от 1 до 3. ' ■ - "

Через верхнею границу камеры происходит расход влаги на суммарное испарение, для-, определения кдторого 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 Л определяется в зависимости от напора над ней, вооно-физических свойств почвогруптов и параметров коллекторно-дренажной сети: ' * . /А Огпр - Н) при Н < Пдр,

Д •{ (3)

I О при Н > (1Ср '

Здесь (1Др,- глубина заложения дренажа, м: А » 0.1 N * Кф 1др / (1п 2/Ь - 1) - величина,- зависящая от параметров коллекторно-дренажной сети и водно-физических свойств поч-вогрунтов орошаемой территории, где Н - число суток в расчетном периоде; ' Кф - коэфиииент 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 «■ ЮОООЛдр - расстояние между дренами, м. - „ ..

В результате вертикального влагообмена и горизонтального оттока происходит изменение запасов грунтовых вод - диг. которое определяется по изменение их уровня <ДН| за расчетный период: лиг- цДН.

Здесь ^ - коэффициент водоотдачи (насыщения) из слоя ;почвог-рунтов 'в-пределах повышения или понижения уровня ЛИ.

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 и расходных элементов баланса. В связи с - этим . в настоящей .'-работе предлагается расчетная модель динамики УГВ.- В ее основе лежит уравнение водного баланса зоны полного влагонасыщенияг . ., '. ' '■• лиг • упг ♦ 1 ♦ Фк « уг - Д - К . . (4)-

где Упг и Уг - горизонтальный приток и отток ГВ, м. ., С учетом зависимостей (1) - (3) уравнение (4) для 1-го периода можно представить в виде ' *

М(Н1.1-К1) т Х, + М,-ДВ,-Ео, (1- й,/Нкр)-А(Гшр-Н,) + Фк, ; (5) . Преобразуя уравнение (5). получаем следующую.зависимость для' расчета УГВ: * "- ■ '. ' '■ "• ' -■! ..'...'■■

Е0,+ ДВ,.,- М,- Х(+ А Кгр + м Н,.,- ФК, :.'.

Н,--;-:-—-—-; ■*,-' (6) '

■ Ео1 /Нкр +-А + /I ■ •

Составляющие солевого, баланса определяются с помощью полученных значений компонентов водного баланса. Алгоритм расчета солбсо-. держания '■ в почвогрунтах огшрается 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 гвдиюе перемешивание.." . . ■ 1 , ■ • .

; Для расчета массы солей.' перенесенных инфильтрашонным потоком из. ЗА;в ГВ, определяется концентрация этого потока.:.при,этом учите- . вается .'предшествующее засоление почвогрунтов ЗА, поступление- солей с поливной водой и атмосферными осадками. Расчетное значение перового раствора С1, для 1-го периода после перемешивания определяется как средневзвешенная величина: Л .

СИа,., Иа,.,* СМД+ СХ,Х, , -

С1,-----:-—— V (7)

. V х,

Здесь Ка^ _1 _ начальные влагозапасы ЗА, , мм: СМа1_1 -, исходная концентрация поровог.о' раствора. 1Ул;' СМ1 и СХ1 - соответственно . концентрации оросительной воды и атмосферных осадков^ г/л.

. ' . - 10 - ■ Минерализация ГВ вод в зоне'перемешивания СГ, (г/л) для 1 - го периода определяется уравнением . .'■....*-'-';

СГ,.,)1 (Hmax-H,M> ♦ 01,1,+ СФкАCkt

СГ1? --;-----;—:-—--• (8) /'.

ц (Ншах -Н,_,) + I,* «к; Здесь Ншах - максимальное понижение УГВ за время эксплуатации оросительной системы после ее выхода на близкий к стационарному режим ГВ. Величина ji (Hmax-H,.,) 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.1 ' ; ■' ; ■ \ .•' ' .* Концентрация, потока, . поступающего из. водойосн'ого .слоя в зону, аэрации СК,: принимается равной_минерализации ГВ. т.е. сн,- СГ,,; Также концентрация дренажного стока СД, - СГ,*.' ' . " ■

Таким образом, баланс.солей.в^ЗА к.концу Ir го периода, складывается из количества солей, ' оставшихся с предыдущего Н-1) -го расчетного шага к постушвших 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 ий-" фильтрационным. потоком нз. ЗА а ГБ, '.можно^ определите 'минерализации поровогораствора CWa,' к концу 1-го периода о 'помощью зависимости.

CWa, _, Wa, _, + СМ, М, + СХ,X,♦ СК, К, - 01,1,.

.- ■ ■ CWa - г——--:--г——--——' .. (9)'. .

. / • :,".■' -.* . ,wa, -..'V1'.';' .

• .Здесь Wa, - влагозапасы 3Á к концу i -го периода. ... , Количество солей, ■ вымытых из ЗА.'в ГЕ.инфильтрационным. потоком SI, и унесенных из водоносного "слояв зону аэрации - SK,/. ¿ также находящихся в ЗА в концё расчетного периода ^Ха,,' вычисляется согласно "формуле SV:.- О.;01 V С F. Здесь* ЗУ * величина составляющей со-' левого.баланса,, т: V - величина составляющей водного баланса.-мм; С - минерализация воды, находящейся в объеме vt г/л; F - площадь ис-* следуемого участка, та. "

• Определив балансовые составляющие по вышеописанный' 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 Vi+ х! +Л + Ynri " Сб»" Yri " Л - Ei (Ю)

- уравнение общего водного» балаяса, _____ __г

«а,- «a,-!* xi+ V" cct " El"It+ ki ' . (И)"

г- уравнение водного баланса ЗА. ■ ■ "',-

; иг,- иг,., ♦ упг,' + I,- к, - уг,- JL+ «к, • (12)

•'уравнение баланса ГВ. ::'.;*■■-.'-■■■ SW^SW,:^ 5Х,+ £Н( +.SYnrt- SCfi, -SYr,r БД, ; , ; (13)

- уравнение общего солевого баланса..

SWa^ SWa,,,* SX,> SM, +SK,-SC01 -SI, •.. (14)

- уравнение солевого баланса ЗА. . V '■)'. = -,'¡'г.: ■ \ sur,» Sür,:,* SYnr, 'SI,- SK, - SYr,- s«k, • (15).

'. -. - уравнение солевого/баланса ГВ. '-. ' ' v -.

Здесь W,, w,.,. Ur, и Or,., - .общие влагоэапасы и запасы ГВ в .1 и 1-1 периоды.соответственно; SW,. .. <' SVía,. SWa( 1.*,Stir, и SUr,., --солезапасы в соответствующих расчвтаыхтолщах почвогрунтов в 1 и 1—1 периоды. Сб, и SC6, - вынос воды и солей с поверхностным . сбросом,- SYnr, и sVr,: горизонтальный;приток Солей с гв, отток солей'.5Д,у- вынос солей с,коллекторно-дренажным стоксн. ■..'■:■}•'■''■ '.■,■, '•' >' Далее процесс вычисления компонентов ВСБ проводится ктерашюн-; ным. путем. . . ''. . ' : ■'■■;;■' /'Oy^-.v".'. г.-'-.

Таким образом. • в работе ,.рре!ло*ёна: модель формирования■ ВСБ,' позволяющая .имитировать процессы', влаго-солеперекоса в. толщепочвог-рунтов . ЗА и; водоносном слое. Для практической реализаций'модели .. формированиям ВСВ разработана" программарасчета1,'состаеи™^ водного и. с одев oró; балансов орошаемого участка^;-: функционирующая нащерсо-: нальных компьютерах типа IBM PC/AT; . . ' '. '.;':••:>;•'.. '

• В третьей ' ' -грая? 4 приводятся : • результата ' практического использования методики расчета составляющих ВСБ для территории'Ферганской ' опытной ' станции хлопководства ;(ФОСХ) и апробации'модели формирования водно-солевого, режима, rio данным' натурных, наблюдений}» . имитационных экспериментов.на V ■ С: V: V'■■ ^

.; Опытнаястанция административно', входит в состав Кувинского района "Ферганской области' Узбекистана и территориально расположена в ее • восточной части (его-восточная часть' Ферганской:долины) ;.'.-Поля: ' опытной станции орошаются пз канала, ^ Дехканабад. получающего.. воду ' через систему: промежуточных кайалов из реки Карадарья; При этом ведется. постоянный учет поступления и сброса вода. .Территория ФОСХ дренируется / сетью крупных открытых коллекторов'и мелкого закрытого дренажа'.^; Коллектора окаймляют станцию со всех сторон, глубина их-3-4 м. Общая дренируемая_площадь составляет 239.2 га.; Удельная протяженность всей коллекторно-дренажной сети'- 63 м/га. .V' ■'/>'.:} ■ ■ Для установления генетических связей.между компонентами ВСБ«

определявшими их природно-хозяйственными факторами * проведен ! анализ водно-солевого режима территории опытной станции. При этбм 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 е, сотрудниками Фергадской.рпыгаой. станции ;в19137-:905 гг.: ;' '

В,'качестве ; входной информации модели были использованы' следующие данные: параметры:орошаемого комплекса (водно-физические'свойства почвогрунтов. ,' характеристшш технического: состояния ороситель-^ ной :' системы;- и применяемой техники полива);', продли влажности-и засоления почвогрунтов эоны.йэрацин На момент начала,расчетов; начальный : уровень/и минералйзавдя грунтовых вод; • структура-земельных угодий. Входными переменными при .этом являются:.. обьем, оросительных вод и их минерализация, а также данные по,-метео элементам (атмосферные осадки. ^температура воздуха,' абсолютная ■ и ■ относительная влажность; скорость Ьетра,'. > облачностью составляющие,'радиационного/ба-ланса'и пр^) Значения" водно-ФизйчесКих: характеристик, осредняли'сь для .всей ' территории, станций путём их:взвешивания'.йй площади'.Для расчета суммарного испарения * использовалисьХданные . метеостанции. "Федченко".. При этом'различная структурасельскохазяйствевйого йс-, пользования ¡земель.учитывалась с*помочь» ..Переходных,коэффициентов. Расчетный шаг по' времени .'принимался', равным месяцу': ■' ■ - ■.'.••■.*

" Для оценки точностирасчетных значений составляющих, ВСЕ прои^-1 ведено сопоставлений их с соответствующими фактческики величинами (рис.1). .Относительная ошибка при этом в среднем нё превышает 20.Ж.;

; Для- выявления, степени точности измерения (или:расчета) исходных данных, а также'для,оценки.необходимости включения тех-или иных параметров в процесс моделирования проведёнр исследование чувствительности модели формирования ВСЕ к изменениям природно-1хозяйствеч-ных факторов: Результаты анализа чувствительности мо'дели ВСЁ показали. ■ что сна'наиболее отзывчива на изменения 'оросительных норм, коэффициента^ фильтрации * почвогрунтов1 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 5-10%. (в пределах точности их .измерения и пространственно -временного Осреднения) .сказывается

~>»'а» ' '■.....^ V' -; ■ .....-.1(5!»^ * ' .

л) .• . • ; • • у .;•'•

Рис. 1. Сравнительные хронологические графики элемехов ВСБ-территории; ФОСХ. построенные, по. фактическ1(М Й -расчетнь1М значен^М--:.:-;У.*

*" ■'." ' .ц' '—---" фактические знамений' " ' [ л" ■

:— — - расчетные ■ значения •''*.•";./'.'; . Я"V...

■■'■■.'.-;,.■■■■ - 14 -

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

В четвертое! где^е .рассматриваются вопросы применения разрабо-¡ танной модели формирования ВСБ мелиорируемых земель для анализа из-' ненения водно-долевого режима крупного водохозяйственного района и руслового '.стока реки.' :дренируещейего 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 нх.средних по' площади значений с;помощью различны* методов. • ■ V;-'; .■ j В связи; с тем, что основнымприёмником стока поверхностных и П>унтовых вод с орошаемой территории, мк правило,- является участок русла.реки,' в работе также; исследован водно-солевой реззш руслового стока р.Сырдзрьи в-пределах Ферганской долины. . . . .

'В соответствия с разработанной вычислительной схемой Сшш определены месячные величины составляющих ВСБ территории" Фе'ргакского водохозяйственного района и руслового стока дренирующего ее участка р.'СырдарЬи за период 1968/69 - ,1975/76 гг. По результатам балансовая расчетов за .'■ этот ."период установлена зависимость;коллектор-' но-дрёнажного стока от УГБ.1 которая аппроксимируатся ' следующим: уравнением связи: ■ ■ Д - - 22196 Н.: .Данные наблюдений 'за период'с 1976/77 по 1985/вбгг. послужили основой'для верификации модели...; ,* Сравнение фактических и ' расчетаых , величин позволяет сделать-вывод о том,; что разработанная модели с достаточной точностью, описывает природно-мелиоративные" процессы и' может/ Сыт.ь использована для исследования' ВСБ крупного водохозяйственного района../ -.'- Л .""--. Как видно из рис. 2а. за период е 1968/69 по 1986/87 гг.. прой-' зошло понижение УГВ. Это связано с увеличением' стока; коллектор-ио-ярёяажных вод (см, ■ рис. 26): Концентрации порового растворапри. этом резко возросла (рис.2в)> Анализ ВСБ руслового стока р.СырдарьИ-в пределах "Ферганской долины показывает, -что годовой водозабор и сток коллекторио-дреиажных вод в середине. 80-х годов увеличился по сравнению с 70-ми годами.; При этом интенсивность прироста коллек-торно-дренааиого 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

- "' - 16 - . ■.■■.'-".. изменился, / За исследуемый период произошло уменьшение руслового ■ стока в замыкающем створа 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 гияромелиорациями, являются затраты стока - интегральный показатель "безвозвратного4 водопотреблекия. Суммарные затраты стока, в пределах.Ферганской долины определена по разности поступления стока в р.Сьрдарьп 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 1985/66 гг

1--Г- тт*— " _ г——т. г - Т~-Г-—Г 1 . 1

(. | Площадь Водозабор Сток КДС. Г Затраты 1 Русловой Минерали-1

1 Годы (орошения. ь . . 'стока. ) отток. эация |

1 1 ■• ( | млн.и5 руслового 1

I | тыс.га млн.м* * нлн.м3 | млн. к* стока.г/л1

( ■ ч 11968/69) 1045 .. 16171 7102 | 8294 ( 17151 . 0.7$ |

11969/70 1060 . 17183 8189 | 8699 I 32229. 0.71 |

11970/711* 1033 19078 8237. . 1 8729 1 21259 0.64 1

(1971/72) 1081 19992 7583 ( 9303 ( 16687 0,68 (

11972/731 1106 19342 "6998 : ( 8149 ( 16093 0.69 |

11973/74) 1105 20576 7713 I 10610 (18429 .0.72 (

Ц974/751 1114 , 16205 5511' ( 7113' ( 8423 : 0.93 1

11975/76|, 1121 17029 6073 ( 8673 1 8545 1,23 |

I1976/77| 1147 16659 10039 | 7307 1 ; 12664 ' 1,14 )

11977/78(' 112(5 15358 ' 10862 I 7547. 1 12417 1.22 (

(1978/791 1139 18669' 12144 ( -8144 ( 11213 .1.28 . I

(1979/801 -1158 16490 10579 ( 8296 ( 14300 1.15 1

(1980/8Ц 1195 22701 12430 ( 10390 I 11797 1.36 (

[1981/821 1232 ■24586 11450 | 10902 I 15895 1.16 )

(1982/831 1270 21757 11135 | 9574 I 13499 1:28 1

(1983/84) 1307 20829 .11205 ( 9624 1 12750 1.31 1

(1934/85| 1345 18980 9925 ' | 9055 1 12638 1.27 (

(1985/861 • ■ 1382 19191 ■ 9854 ) 9337 1 11323 1 * 1.54 | ■ 1

Изменение затрат стока 8 пределах Ферганской: долины определят; ется как антропогенными, так и природными факторами;.Как видно из табл.1, • затраты стока в Ферганской долине после 1960 года увеличились. 'Это вызвано в большой,степени введением новых площадей-орошения. Последнее, соответственно, вызывает увеличение объема волгл-, бора из речного* русла*. По мере,'расширения плок^оей opobú^iro земледелия сток в замыкавшем створе р. Сырдарьи постепенно уменьп-ется. За счет роста водозабора на. увеличения'шюиади орошаемых земель, введения в севооборот более влаголюбивых сельскохозяйственных культур увеличивается доля притока коллектор«? -дренажных вод в об-1£«м стоке, что приводит к лошяетш минерализации речных вод. Изменения площади оросения, водозабора из реки, стока коллекторно-дрет нажннх вод, руслового оттока в замыкавшем створе Ферганской .долины и'его минерализации за период с 1963 по 1905 гг; также приведены в табл. 1. ' ; *; ; ■. •;V /'. '

• • Таким образом, в условиях ороюения естественный водно-солевой режим почвогрунтов Ферганской долины и руслового стока дреннруюкего ее участка р. Сырдзрьи резко нарушается. Влияние.водохозяйственных ■мероприятий на воднотсолевой режим в зоне орошаемого земледелия определяется совокупным воздействием природных и хозяйственных факторов. В числе последних важнейшими являются величины водозабора на орошение. КПД оросительных систем,- плогади орошаемых земель;: тип «' техническое состояние коллекторно-дренажной сети. В комплексе. зти факторы создают .определенна тсромелисративную/овстаноеку.в исследуемом решоне."

Предлагаемая модель формирования ВСБ орошаемой территории мажет; быть использована для оценки различных вариантов комплекса . ме-" ропрнятий по рациональному использованию. ..охране и воспроизводству' водных ресурсов с целью выбора наиболее предпочтительных, из !

tía основе балансовых рэсчетсв проведен анализ влияния водо)£о-зяйстиенных мероприятий • на составляешь ВСБ Ферганской долина и русловой сток р. Сырдзрьи в пределах исследуемой территория. Для достижения данной цели производилось варьирование параметрами, от-, ■ражакшми техническое, состояние коллекторно-дренажной и оросительной сетей, а также.кормами и минерализацией оросительных вод. & результате были ■ построены графики зависимости' уровня ; залегания грунтовых вод, дренажного стока, влагозапасов ЗА, концентрации по-' poporo раствора, концентрации дренажного стока и оттока речной воды из Ферганской долины, от КПД оросительной сети, глубины заложения

■' ' - 18 -

дренажа, удельнбй протяженности коллекторао-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.Сырдзрьи. ■.'■ '.

. 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 уровня . грунтовых вод- и уменьшение .дренажного стока и влагозапасов зоны аэрации. а также незначительное уменьшение оттока речной йоды по руслу р: Сырдарьи в замыкающем створе Ферганской долины. В то же время „концентрация коллекторно-дренажннх вод и порового раствора увеличивается; ''■"."'■'■■

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

повышение^минерализации поливных вод ведет к .увеличению кон-! центрации.порового раствора и коллекторио-дренажных вдД..

Таким образом . процедура расчета ВСЕ 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. Яри этом необходимо учитывать определенные требования к качеству экологической обстановки окружающей территории. В частности, к уровню .залегания грунтовых вод» величине стока коллекторно-дренажных воя 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. -

"«».»•¿щ.и' Д, ММ - -■ Wa.wt. И.к ,

12000

»000

10000

9000

. . ' ййоо

7000 ¡6 00 6000 4íü

5000

1000

3000

2000

100

350

300

аяу

э. о: 2.5

2.0 í'.íj t.ó 0.5

Wft.r™ СЛ,г/JT ,

1.0

о.е

0.6

0.«

о. г

1.В

1,7

1.6

1.1

-

d.s i,ó ■ t,5 г.о г.5 з.о Oía. р/л

■»Ид. >í

4Д- . Uí.. '. 1.5 ■ 2.0 . г,5- ■ 3.0

Ряб. з. Графики зависимости среднегодовых .величин • уровня грунтовых . ^ вод (Н), дренажного сто fea <Д).и его минерализации (СД).вла-го- и солезапасов зоны аэрации (»а и CWa). руслбйого стока в аамыкащем створе р. Сырдарьи к eró минерализации (W и ..... CW^.p) 33 многолетний период в пределах,-Ферганйкой доданы

от глубины'заложения дренажа (Цд)

' - '20 -ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выявлены закономерности и механизм формирования ВСБ 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' V природно-хозяйственных факторов. .влишщих-на водно-солевой режим мелиорируемых земель. Она основана на рассмотрешщ ВСБ как сложной системы, имеющей'иерархическую структуру.

3.' Разработана методика расчета составляющих ВСБ орошаемой .территории аридной зоны-на основе теоретических построений и анали-/. аа данных'натурных наблюдений. Так как ирригация вызывает усиленный елэгог и солеобмен между'зоной аэрации и грунтовыми водами, главным структурным элементом орошаемого массива является толиф 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 предложенный 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 1 натурных наблюдений и результатов расчетов продемойстриромло их хорошую сходимость. Относительная ошибка при этом в среднем не превышает 20%. ' ■:■-■'.-. • •■:*' -■'

6. Для выявления степени.точности исходных данных, а также для оценки необходимости- включения тех или иных параметров в процесс моделирования проведен анализ чувствительности .модели формирование ВСЕ к.изменениям,природно-хозяйственных Факторов. . При этом модель ВСЕ наиболее'отзывчива на изменения оросительных'норм, коэффициента

■ фильтрации.почвогруитоа и уровня заложения дренажа, .Самым'чувстгя-• тельным на вариации исходных данных «одели является уровень залега-- ния грунтовых вод; • —. ■ '■■'*',

7. Произведена^ адаптация модели формирования, воднсксолевого режима' для.оценки ВСЕ крупного водохозяйственного-'района уФергане- " кой долины.. На основе сопоставления фактических и расчетных далных ' показана практическая приемлемость этой модели для-оценки ' гидромелиоративного состояния земель на региональном уровне. ■*. .-V -;<, ': ^ . 8. Одновременно, с оценкой ВСЕ:Ферганской долйны проведен ана-. лиа водно-солевого режима руслового стока' р.Сырдарьи. которая является' основным приемником.поверхностных и грунтовых; вод с ¿ломаемой территории. Гидромелиоративное строительство в бассейне р.Сррдарьи превратило ■ его ■ в сложную водохозяйственную систему, существенно* трансформирующую в. своих пределах речной .сток, 'поступающий.из, -об- . ласти его 'формирования,. . ' ,, .. \ - *"■ ■,'■;. , *■ -

. На основе предложенной модели проведены многочисленные' ишт 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--еого 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 ВСЕ по предложенной методике1 позволяет оценить влияние' водохозяйственных факторов (На фоне .естественных условий) на водный- и солевой режим территории.- '•

.10. Создано методическое,' программное и информационное обеспечение модели формирования ВС6. Это позволило автоматизировать тру' доемкие расчеты и* создать инструментарий, для проведения имитационных. экспериментов на ЭВМ.' ' ' * . - • .

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

,1. Имитационная модель водно-солевого баланса орошаемых зе- ■ мель//. Математическое моделирование в проблемах - рационального при- ■ родопользования: Тез.-докл.— Ростов-на-Дону, 1989.- е. 166-167. .

'2, Об одном методе выделения существенных показателей в зада-* чах 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. Вороне», ун-т.: - Вороне», . 11992. 36С.- Деп. В ВИНИТИ 02.12.92. Н 3428 -ВЭ2.

■. 4. Автоматизированная методика выделения ведущих-ПРИРодно-хозяйственных факторов на основе анализа иерархических структур. Воронеж. " УН-т: Воронеж, 1993. ■ - 27с. - Деп. в ВИНИТИ 2{). 08.93, ■ }} 2300-В93,./В соавторстве С В.и! Умыва'киным/; . .. :

- * 5. Модель' перспективной оценки водно-оолевого баланса орошаемой территории /У Водные, ресурсы, 1994,' Н 3. ■'. ' ■

Заказ 82 от 21.03.94 г. Тир. 100-»ка. Формат,60.2 90 1/16. Объем I п.л. Офсетная лаборатория BIT;