Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Охрана водных объектов трансформацией склонового стока водозадерживающими противоэрозионными сооружениями

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Маслова, Алла Владимировна, Чита

V- л

ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Маслова Алла Владимировна

ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ТРАНСФОРМАЦИЕЙ СКЛОНОВОГО СТОКА ВОДОЗАДЕРЖИВАЮЩИМИ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор географических наук Дальков М.П.

кандидат технических наук, доцент Шаликовский А.В.

ЧИТА 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................ 4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОЛОГИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ МАЛЫХ РЕК И МЕТОДАХ ЕГО ПРОГНОЗА................................................ 9

1.1. Изменение режима стока малых рек в результате антропизации бассейна и развития эрозионных процессов.......................................................................................... 9

1.1.1. Малые реки и проблема их деградации............................. 9

1.1.2. Влияние природных и антропогенных факторов на режим стока малых рек............................................................... 11

1.1.3. Роль эрозии почв в формировании стока малых рек и их экологического состояния................................................. 12

1.2. Основные принципы управления стоком малых рек..................... 19

1.2.1. Регулирование стока рек водохранилищами и мероприятиями на водосборах........................................... 19

1.2.2. Противоэрозионные. мероприятия и их влияние на формирование стока........................................................... 22

1.3. Анализ моделей, используемых для прогноза притока в гидрографическую сеть................................................... 32

1.4. Выводы из обзора литературы................................... 37

2. МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДОЗАДЕРЖИВАЮЩИХ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ВОДНЫЙ РЕЖИМ ТЕРРИТОРИЙ И ПРИЛЕГАЮЩИХ ВОДОТОКОВ........................ 39

2.1. Концептуальные основы построения модели...............................• 39

2.1.1. Основная цель и задачи исследований ..............................• 39

2.1.2. Физическая природа трансформации стока водозадерживающими противоэрозионными сооружениями и расчетная схема................................ 41

2.2. Математическая модель формирования стока под воздействием водозадерживающих противоэрозионных сооружений....................................................................................... 43

2.2.1. Основные допущения и предпосылки................................ 43

2.2.2. Основные уравнения формирования притока.................... 46

2.2.3. Взаимосвязь склонового и грунтового стока при наличии водозадерживающих противоэрозионных сооружений .................................................................................................50

2.2.4. Начальные и граничные условия........................................ 56

3. АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА РЕАЛИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИТОКА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДОЗАДЕРЖИВАЮЩИХ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ................................................................................ 59

3.1. Общие положения.......................................................................... 59

3.2. Алгоритм моделирования склонового стока................................ 61

3.3. Алгоритм расчета движения грунтовых вод................................. 64

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДОЗАДЕРЖИВАЮЩИХ ПРОТИВОЭРО-ЗИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ............................................................. 72

4.1. Программный комплекс............................................................ . 72

4.2. Пример моделирования формирования стока для реальных условий.............................•................................................ 76

4.3. Моделирование формирования стока при учете основных стокообразующих факторов.................................................. 77

5. ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОЗАДЕРЖИВАЮЩИХ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА СКЛОНОВ И СТОКА ПРИЛЕГАЮЩИХ ВОДОТОКОВ............................................................................ 87

5.1. Основные положения......................................................... 87

5.2. Определение основных параметров валов-канав....................,... 87

5.3. Оценка воздействия водозадерживающих противоэрозионных сооружений на водный режим 92

5.4. Эколого-экономическая эффективность применения водозадерживающих сооружений 96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................. Ю1

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................... 103

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................ 111

ВВЕДЕНИЕ

Одним из признаков деградации малых рек является антропогенное изменение закономерностей внутригодового распределения стока в результате снижения аккумулирующей способности водосборов. Как правило, эти изменения имеют негативный характер и проявляются в росте паводковых и уменьшении меженных расходов, ухудшении качества воды. Основной причиной снижения водорегулирующей способности водосборов является антропогенное изменение водно-физических свойств почв. Наиболее значительное воздействие на состояние почв полевых водосборов оказывает эрозия.

Для защиты земель от водной эрозии используются различные мероприятия: организационно-хозяйственные, агротехнические, лесомелиоративные и гидротехнические. При их осуществлении обычно учитываются лишь почвозащитные функции противоэрозионных мероприятий, в то время как они значительно трансформируют водный баланс склонов, условия формирования притока в гидрографическую сеть и его качественный состав. В большинстве случаев меры по защите от водной эрозии оказывают положительное воздействие, однако при неблагоприятных гидрогеологических условиях могут и отрицательно воздействовать на водный режим прилегающей территории - приводить к заболачиванию или засолению земель.

Изложенное выше в наибольшей степени относится к гидротехническим водозадерживающим противоэрозионным сооружениям, которые, перехватывая весь объем склонового стока, наиболее сильно влияют на формирование притока в гидрографическую сеть. Поэтому применение водозадерживающих сооружений должно сопровождаться прогнозом их воздействия на водный баланс склонов и режим прилегающих

водотоков. Исследования, направленные на разработку методов такого прогноза, являются актуальными, так как применение их результатов позволит использовать водозадерживающие сооружения как сооружения многоцелевого природоохранного назначения - для защиты почв от эрозии, восполнения запасов подземных вод, снижения паводковых расходов, сокращения загрязнения водных объектов.

Целью диссертационной работы является разработка способа охраны водных объектов путем управления формированием стока с полевых водосборов водозадерживающими противоэрозионными сооружениями.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

- выполнить анализ изученности процесса формирования стока и используемых для этого математических методов;

- разработать математическую модель формирования стока с полевого водосбора, защищенного от эрозии водозадерживающими сооружениями;

- разработать алгоритм, реализующий математическую модель и программное обеспечение;

на основе численных экспериментов оценить воздействие водозадерживающих противоэрозионных сооружений на водный режим склонов и прилегающих водотоков при различных физико-географических условиях;

- установить условия применения водозадерживающих сооружений, при которых обеспечивается оптимальное регулирование склонового стока и отсутствуют негативные последствия.

Объектом исследований являются склоны полевых водосборов, подверженные водной эрозии.

Предмет исследований - закономерности формирования стока и способы управления им путем воздействия на аккумулирующую емкость водосбора.

Методика исследований заключалась в математическом моделировании формирования стока малых рек с участков водосбора с водозадерживающими сооружениями. При обработке результатов численного эксперимента использовался аппарат математической статистики.

Научная новизна.

Дано описание и объяснение физической природы трансформации стока под воздействием водозадерживающих противоэрозионных сооружений.

Разработана математическая модель процесса формирования стока с учетом восполнения подземных вод через водозадерживающие сооружения.

Разработаны алгоритм и программное обеспечение, проведены численные эксперименты и на их основе установлен уровень влияния основных факторов на закономерности формирования стока.

Определены условия, при которых гарантируется отсутствие негативных последствий применения водозадерживающих сооружений.

Установлены численные значения снижения паводкового стока под воздействием водозадерживающих сооружений.

Определены условия расположения сооружений, обеспечивающие рост меженных расходов за счет сработай сформированных запасов грунтовых вод.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель процесса формирования паводкового и меженного стока с учетом его регулирования водозадерживающими противоэрозионными сооружениями;

- установленные на основании математического моделирования условия применения водозадерживающих сооружений, обеспечивающие комплексный природоохранный эффект и отсутствие негативных последствий;

- методика учета трансформации водного баланса склонов и притока в гидрографическую сеть при проектировании валов-канав.

Практическая ценность работы. Доказана эффективность применения водозадерживающих сооружений не только для защиты земель от водной эрозии, но и для предотвращения деградации водных объектов. Установленные в процессе исследований условия применения водозадерживающих сооружений могут быть использованы при их проектировании для повышения водоохранной роли водосбора, регулирования паводков и предупреждения заболачивания склонов. Разработаны рекомендации по применению водозадерживающих противоэрозионных сооружений с учетом их воздействия на водный режим территорий и прилегающих водотоков.

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели взаимосвязи поверхностных и подземных вод через водозадерживающие противоэрозионные сооружения, разработке алгоритма и отдельных блоков программного комплекса, выполнении численных экспериментов формирования стока, обобщении их результатов, участии в разработке «Рекомендаций по применению водозадерживающих противоэрозионных сооружений для регулирования стока малых рек».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции "Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования" (г. Екатеринбург, 1996 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Управление устойчивым водопользованием" (г.

Екатеринбург, 1996 г.), Международной конференции "Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление" (г. Чита, 1997 г.), Международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (г. Чита, 1999 г.), на постоянно действующих семинарах кафедры водного хозяйства и инженерной экологии Читинского государственного технического университета в 1995 - 1999 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано семь печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 110 страницах, включая 20 рисунков, 17 таблиц, список использованной литературы из 101 наименования и 1 приложение.

Диссертационная работа состоит из 5 глав.

При работе над диссертацией автор пользовался научными консультациями кандидата технических наук, доцента Н.М.Шарапова.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФОРМИРОВАНИИ СТОКА МАЛЫХ РЕК И МЕТОДАХ ЕГО ПРОГНОЗА

1.1. Изменение режима стока малых рек в результате антропизации бассейна и развития эрозионных процессов

1.1.1. Малые реки и проблема их деградации

Малые реки - наиболее многочисленные водотоки любого бассейна. В Российской Федерации насчитывается более 2,5 млн. малых рек [88]. В то же время до сих пор отсутствует единый подход к определению самого термина "малая река":

Например, в [72] под малой понимается "река с резко колеблющимся стоком, имеющая площадь водосбора порядка 1000 - 2000 км^ и протяженность 100 км". Согласно гидрологическому словарю [86], это река, "имеющая сток в течение всего года-или кратковременно прерывающийся вследствие истощения запасов дренируемых подземных вод. Сток реки может иногда значительно отличаться от зональной его величины в данном районе вследствие влияния местных факторов. Он может быть как больше, так и меньше зонального. Условно к малым рекам относят реки, имеющие площади водосбора в пределах 1000 - 2000 км^". ГОСТ 17.1.1.01 - 77 [20] к малым рекам относит водотоки с площадью водосбора от 200 до 20000 км^ и средним расходом воды от 2 до 5 м^/с.

Но также существует и другой подход, где в качестве критерия деления рек на классы принята их длина. Так в справочнике [28] малыми названы реки длиной 26 - 100 км, а в практике Министерства природных ресурсов малыми считаются реки длиной 10 - 200 км.

Малые реки используются для обеспечения водой населения и промышленного производства, орошения, отдыха и других целей. Интенсивная хозяйственная деятельность, осуществляемая на водосборах, оказывает отрицательное воздействие на малые реки и приводит к их деградации.

Деградация малых рек проявляется в:

- изменении величины и режима их стока;

- нарушении гидрохимического режима;

- их заилении и обмелении.

Изменение режима и величины стока малых рек происходит в результате преобразования поверхности водосбора, а, следовательно, и факторов формирования стока [55]. Данные факторы, а также их воздействие на формирование стока охарактеризованы в гл. 1.1.2.

Ухудшение качества воды и нарушение гидрологического режима малых рек обусловлено тем, что многие из них являются приемниками сточных вод промышленности, коммунального сектора и сельского хозяйства. Большой вклад в загрязнение малых рек вносит поверхностный сток с селитебных территорий и с сельскохозяйственных угодий, годовой вынос азота с которых может достигать 100 - 180 кг/га, а фосфора 20 - 50 кг/га [53].

Разрушение почвенного горизонта приводит к выносу в гидрографическую сеть большого количества наносов, в результате чего происходит зарастание и заиление русел рек.

В наибольшей степени деградация малых рек характерна для территорий с активным сельскохозяйственным производством. Причины деградации малых рек освещены в работах Маслова Б.С., Водогрецкого В.Е., Шикломанова И.А., Харченко С.И., Крестовского О.И. и др. [57, 15, 87, 42]

1.1.2. Влияние природных и антропогенных факторов на режим стока малых рек

Водный режим рек формируется под действием разнообразных факторов. Основными факторами, определяющими формирование стока, являются климатические (зональные) [62]. Климат воздействует на сток не только непосредственно через осадки и испарение, но и через почву, растительность, рельеф. Все эти факторы находятся в постоянном взаимодействии. Закон гидрологической зональности носит общий характер, но справедлив только для водосборов площадью свыше 5-25 тыс.км2 [80]. Чем меньше площадь водосбора, и чем ниже величина стока, тем больше его отклонения от зональных значений. Это объясняется тем, что водосбор состоит из большого числа элементарных площадок, имеющих различные условия формирования стока. При осреднении стока со всех площадок получается устойчивая зональная характеристика стока. Таким образом, закон зонального распределения стока справедлив лишь для крупных водосборов, в то время как на сток с малых водосборов значительное влияние оказывают азональные факторы (мезо- и микрорельеф, геологическое строение, особенности почвенного покрова, хозяйственная деятельность человека и т.д.). Чем меньше водосбор, тем сильнее влияние азональных факторов [21].

Азональные факторы формирования стока принято разделять на природные и антропогенные. К природным факторам принято относить условия, отличающиеся от основных зональных характеристик. Так, водосборы малых рек одного и того же бассейна средней реки могут значительно отличаться по залесенности, заболоченности, геологическому строению и т.д.

Анализ исследований, посвященных влиянию природных азональных факторов, свидетельствует об отсутствии единой оценки воздействия некоторых факторов на сток. В наибольшей степени это относится к оценке воздействия на годовой сток залесенности и заболоченности бассейна.

В табл.1 представлено обобщение наиболее общих закономерностей воздействия природных антропогенных факторов на формирование минимального, максимального и годового стока.

В последнее десятилетие большое внимание уделяется влиянию на формирование стока антропогенных факторов. В литературе наиболее освещены вопросы воздействия на сток сельскохозяйственного производства [91], гидромелиорации [56] и вырубки леса [34, 42]. В табл.2 представлены результаты обобщения многочисленных работ по воздействию антропогенных факторов на формирование минимального, максимального и годового стока [61].

Влиянием азональных факторов на