Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Противоэрозионная лесомелиорация и эволюция эрозионно-гидрологического процесса
ВАК РФ 06.03.04, Агролесомелиорация и защитное лесоразведение, озеленение населенных пунктов
Автореферат диссертации по теме "Противоэрозионная лесомелиорация и эволюция эрозионно-гидрологического процесса"
РГ6 ОД
- ноя 1995
На правах рукописи
ГАРШИНЕВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ПРОТИВОЭРОЗИОННАЯ ЛЕСОМЕЛИОРАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ЭРОЗИОННО-ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Специальность 06.03.04 - агролесомелиорация и защитное лесоразведение, озеленения населенных пунктов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук
Волгоград -1995
Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском инс титуте агролесомелиорации. .
Официальны^ оппоненты:
Н.Г.Петров, доктор сельскохозяйственных наук.
член-корреспондент РАСХН; А.И.ШаОаев, доктор сельскохозяйственных наук,
член-корреспондент РАСХН; Е. В.Полуэктов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор.
Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский инстит земледелия и защиты почв от эрозии
Защита диссертации состоится » НОЯБРЯ_
в ^^ чяоов на заседании диссертационного совета Д-0<0.11.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте агролесомелиорации
Адрес: 400062. г.Волгоград.62, ул.Краснопресненская. 39. ВНИАЛМИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского науч> исследовательского института агролесомелиорации.
Автореферат разослан
Ученый секретарь -диссертационного совета
Л. А.Петрова
- 1 -
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Функционирование девственных ландшафтов шли определяется, с одной стороны, законами их эволюции (динамики) ¡ледствие естественного хода во времени и пространстве биоклима-[ческой ситуации, а с другой - относительно устойчивым соотноше-[ем (гомеостазом) взаимодействующих компонентов ландшафта. Антро-1Генное вмешательство, как правило, сопровождается нарушением присного равновесия, деградацией и в крайних проявлениях - разрушены (катастрофой) ландшафтных комплексов, т.е. среды обитания чело-!ка. Поэтому особую актуальность приобретает рационализация хо-:йственной деятельности, ослабление и ликвидация неблагоприятных •ропогенных воздействий и их последствий на биосферу. Стратегия тактика рациональной деятельности предполагает знание природы сцессов. управляющих функционированием, ландшафтов, и выработку кмов и средств, обеспечивающих это управление. В их системе обое место принадлежит растительности, в том числе древесной, на м зиждется парадигма лесной мелиорации вообще и противоэрозионюй сомелиорации (ПЭЛМ), в частности.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых В.В.Докучаева, Н.Высоцкого. А.С.Козменко, Г.А.Харитонова. Г.Ф.Басова. И.П.Сухаре-. А.А.Молчанова, Д.Л.Арманда, И.И.Львовича. Г.П.Сурмача, X.Л.Пенна и других выявлено огромное и разнообразное влияние лесной рас-тельности на гидрологический и эрозионно-аккумулятивный (в ссвокуп-стн эрозионно-гидрологический) процессы в ландшафте. Ими обосно-ны и разработаны разного уровня модели процессов и явлений, позпо-ющие выполнять обоснованные расчеты. Продолжение и развитие идей подходов в области инженерной противоэрозионной мелиорации и оео-нно ПЭЛМ с использованием идеологии системного подхода и созданием делей явлений и процессов составляет суть настоящей работы и опре-
деляет ее актуальность в теоретическом и прикладном аспектах.
Работа выполнялась в соответствии с заданиями мех СССР,БАСХ1ШЛ, РАСХН ПО темплаиак ВШАЛШ1 (1962 - 1975, 19ВЗ - 1995 ГГ.). ВНИИЗиЗЛ: (1975 - 1983 гг.) и в порядке личной инициативы.
Целью работы является управление эрозионно-гидрологическим про цессом (ЗГИ) в антропогенном ландшафте приемами и средствами ПЭЛМ Достижение цели осуществлялось по следующей общей схеме взаимосвя закных процедур: анализ и систематизация известных подходов - выра ботка руководящей концепции - теоретическое обоснование модели явлс шш или процесса - факторный анализ экспериментальных данных - фор мирование математической модели к оценка ее адекватности - компы терная реализация модели - инженерный расчет и проектирование.
Для достижения цели требозалось решение теоретических, метод! чзских к прикладных задач разного ранга, а именно:
-разработка общей концепции ПЭЛМ, ее методов и методологии; -обоснование к разработка общей концепции и теории единого эр зиошю-аккумулятивного процесса (ЭАП) и ЭГН и выявление их спей фики в ПЭЛМ;
-обоснование принципов и разработка способов оценки интегра; ной ветролоиной эффективности лесных полос (ЛП). их оптимальнс размещения на территории с учетом ветродомных. стокорегулирущнх противоэрозкониых функций;
-поиск, сбор, систематизация, факторный анализ собственных, . тературных и фондовых экспериментальных данных по характерно™ ветра и ЭГП под защитой ЛП и вне их влияния;
-создание- частных, н общих моделей ветрового режима, ЭАП. Э формы склона. инфильтрации воды в талую и мерзлую почву, водопог щешш в ЛП, зонах их снекных шлейфоЕ и вне их;
-построение классификационных схем ЭГП, генезиса и эволк эрозионных образований, эрозионно-аккумулятивного рельефа, сис
противозрозиопних мероприятий, факторов ¡шфи/гьтрации, эволюции ЗГП в ландшафте:
-расчет морфометрических характеристик рельефа, текущего, интегрального и среднего смыва на склонах при наличии ЯП и без них, положения протпвоэрозионных рубежей (ЛП. залоз-террас и др.) по критерию допустимого смыва;
-разработка л практическая реализация принципов, технологии, компьютерных средств системы автоматизированного проектирования (САПР) ЛП и других элементов противоэроэионного комплекса;
-картографирование гидрологических характеристик, показателей ветроломной эффективности ЛП, компьютерное построение топокарт, линий тока, карт уклонов, текущего смыва. противоэрозионных рубежей;
-создание нормативной базы эрозионно-гидрологических расчетов: таблиц и кривых вероятности превышения, средних величин инфильтрации v. стока на пашне, в массивах и полосных лесонаэденикх, водспоглоще-гая под ЛП при подтоке, в том числе при наличии средств усиления во-д?поглощсния (мульчи, валов, капав, их сочетании и т.п.). стокорегу-лирующего эффекта лесонасаждений.
Объекты исследования п Фактический материал.В основу работь положены экспериментальна данные собственных и выполненных под руководством автора исследований на эрозиэнно-гидрологаческих стационарах (воднобалансовые гоюи.;адки, водосборы, полевые полунедельные ош.ты) ВШАЛМИ и ВНКИЗиЗПЭ в европейской и азиатский части России, а такте результата экспедиций, маршрутных и иных наблюдений и оценок.
Были привлечены литературные источники информации для оценки поглощения талых зод в ЛП (около 500 годовариантов без средств уси~ лзния ЛП и 500 со средствами их усиления); инфильтрации и стоке, на зяби и уплотненной паше (более 6С0 годоваригитов). а. также при ш-полнении агротехнических почвозащитных приемов (около 150 годевариантов) . Характеристика ветрового режима и создание баз данных дня
ЭВМ выполнялись с использованием материалов наблюдений 2000 метеостанций европейской и азиатской территории СССР между 20-90 в.д.
- от западной границы примерно до Енисея, всего около 250000 индивидуальных показателей. Для оценки параметров рельефа и величины смыва выполнен компьютерный анализ около 600 линий тока общей протяженностью 1700 км и создан соответствующий банк информации.
Научной новизной и практической значимостью обладают следующие выносимые на защиту положения и разработки:
1. Концепция о физической и математической адекватности функций формы склона и ЭАП (а.с.1449905). на основе которой разработана теория и математическая модель единого ЭАП, объединяющие частные модели
- гидродинамическую, эмпирическую и геоморфологическую.
2. Универсальная математическая модель (функция) формы склона для расчета морфометрических характеристик рельефа: текущих отметок и уклонов, положения точек перегиба, бровок и т.п.
3. Схема генезиса, эволюции и классификации форм эрозионно-ак-кумулятивного рельефа, проявляющихся в спонтанной последовательности смены, обрыва осыпью и склонами делювиального сноса, пролювиально-делювиальной и аллювиальной аккумуляции.
4. Совокупность методов полевого и лабораторного моделирования ЭГП и ЭАП: управляемого напуска воды (а.с.886766); регистрации напоров и расходов воды и наносов, определения водопроницаемости (а.с.898323) и водно-физических свойств почвы при замерзании-оттаивании (а.с.998901); расчета смыва (а.с.1449905); оценки эрозии-аккумуляции (а.с. 1586531) и др.
5. Концепция образования в почве сплошной менисковой пленки и ледяного экрана как условия (критерия) перехода безнапорной инфильтрации в напорную и формирования стока.
6. Математические модели (функции): водопоглощения при подтоке и без него в лесных насаждениях и на полевых угодьях, ветроломной
эффективности ЛП, эрозионно-аккумулятивного процесса на склонах с ЛП и без них.
7. Оценки парамеч ^ов кривых вероятности превышения максимального водопоглощения о лесных массивах. ЛП и на пашне при подтоке талых вод и без него; средних величин максимального водопоглощения в ЛП в сочетании со средствами его усиления {валы, канавы и т.п.).
8. САПР противоэрозионных ЛП и иных рубежей в системе почвозащитных мероприятий.
Практическая значимость работы к реализация полученных результатов. Теоретические, методические и прикладные разработки автора по широкому кругу вопросов эрозиоведения и ПЭЛМ углубляют и расширяют представления о природе гидрологического, эрозионно-аккумуллтивного, климатического, почвенного процессов, обеспечивают совершенствование методов экспериментальных исследований, повышение точности расчетов, производительности и качества проектных работ и уровня преподавания соответствующих дисциплин.
Методические и прикладные разработки автора отражены в следующих основных документах: "Рекомендации по созданию комплекса агролесомелиоративных мероприятий" (Волгоград. 1973); "Изучение водопогло-щающего и противоэрозионного влияния защитных лесных насаждений в комплексе с другими мероприятиями" (Методические рекомендации.-М., 1975); "Методические рекомендации по проектированию комплекса противоэрозионных мероприятий для проектов внутрихозяйственного землеустройства колхозов и совхозов, входящих в зону крупномасштабного эксперимента" (Курск. 1978); "Защита почв о г эрозии в Центрально-Черноземной зоне" (Рекомендации.-Каменная степь, 1978); "Рекомендации по увеличению производства зерна, кормов, повышению эффективности и устойчивости земледелия в Централыю-ЧерноземноР зоне" (М., 1980); "Система земледелия Курской области" (Курск. 1982); "Планирование и проведение многофакторных опытов по разработке почвозащитных систем
земледелия" (Методические рекомендации.-М.. 1983); "Почвозащитное земледелие на склоновых землях Центрально-Черноземной зоны" (Рекомендации. -М. , 1984); "Корреляционно-регрессионный анализ в противо-эрозионной лесомелиорации с применением программируемых калькуляторов" (Методические рекомендации.-Волгоград. 1986); "Методические рекомендации по составлению проектов внутрихозяйственного землеустройства с комплексом противоэрозионных мероприятий на расчетной основе" (М.. 1987); "Рекомендации по лесной мелиорации при контурной организации территории в районах активного проявления водной эрозии" (Волгоград, 1989); "Методика полевого моделирования, расчета смыва и расстояний между лесополосами" (М.. 1991) и др.
Разработки автора, в т.ч. САПР, использованы при составлении проектов внутрихозяйственного землеустройства и противоэрозионных мероприятий в хозяйствах Курской. Орловской, Волгоградской.Челябинской областей и Алтайского края на общей площади около 300 тыс.га. а также при создании систем стокорегулирующих ЛП в Курской и Волгоградской обл.
Апробация работа. Основные положения диссертации по вопросам защиты почв от эрозии, почвозащитного контурного земледелия, охраны окружающей среды обсуждались на конференциях, совещаниях, семинарах, школах, курсах:
всесоюзных (Каменная степь.1969: Москва. 1977.1981. 1987,1991; Курск, 1978, 1980, 1991: Одесса. 1969; Челябинск, 1980; Новочеркасск, 1982; Полтава, 1983; Волгоград. 1984; Минск, 1987); республиканских и региональных (Курск, 1980, 1981, 1982, 1984; Волгоград. 1985. 1987, 1989; Ворошиловград. 1985); международных (Волгоград, 1988; Москва,1993); кроме того, на заседании секции защитного лесоразведения отделения лесоводства и агролесомелиорации ВАСХНИЛ; ! Проблемной лаборатории эрозионных и русловых процессов географического факультета МГУ (1988) и в лаборатории охраны почв от эрози
Института почвоведения и фотосинтеза АН СССР (Пущино-на-Оке. 1987): на общем собрании членов Курского отделения Всесоюзного общества почвоведов (1989).
Материалы докладывались и экспонировались на ВДНХ,использованы при съемках фильма.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 138 печатных работ объемом около 100 п.л. Имеется 6 авторских свидетельств и патент. Из публикаций в соавторстве в диссертацию включены разработки, принадлежащие лично автору. Материалы ссавторов использовались в обобщении наряду с другими литературными данными.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения. Работа изложена на 673 стр., содержит 55 таблиц. 116 рисунков, список литературы из 879 наименований, в т.ч. иностранных 111. из них 42 на иностранном языке, приложений на 46 стр.
Автор неоценимо признателен своему ныне покойному учителю д.с.-:.н. профессору Г. П. Сурмачу, идеи которого явились стимулом в самостоятельных исследованиях и, как. надеется автор, получили дальнейшее развитие. Автор особенно благодарен д.с.-х.н. А.Т.Барабанову за многолетнее тесное сотрудничество, поддержку и плодотворное обсуждзние проблематики. Сотрудничество с к.ф.-м.н. А. Н. Салугиньм позволило прояснить и реализовать некоторые фундаментальные физические подходы в разработке теории ЭАП. а с к.ф.-м.н. А.И.Ивановым и 0.В.Балагурой - выполнить математически? расчеты, численные эксперименты и обсудить их результаты.
Автор благодарит д. с.-х. н. профессора В. М. йвонина. к. с.-х. н. В.П.Борца, Ю.В.Бондаренко, В.В.Демидова, Н.Е.Новикова, любезно предоставивших неопубликованные материалы.
В подготовке материалов, разработке программ для ЭВМ и осуществлении расчетов большая работа выполнена О.Е. Базавовой. Т.А.Зу-ровой, Н.Н.Ганаевой. И.Н.Андреевым, 3.А.Кострюковой. Т.П.Заруднэй.
- а -
Н.Г.Сапрыкиным.
В экспериментах при методическом руководстве автора в разные периоды 1971-1Э95ГГ. сотрудничали К. В. Арнаутов. В. П. Борец. С.А.Бот-нева, Г.И.Васенков, Е.Н.Грязнова, Т.Я.Зарудная, Я.К.Зарудный,С.Г.Кириченко, А. В.Колесннченко, В.М.Лешш, А.П.Ложкин. О.В.Ложкина, H.H. Масютенко, Н.Е.Новиков. Н.Е.Петелько, Н.Г.Сапрыкин. Ю.М. Суковатов. А.В.Терешкин, В.М.Уваров. С.И.Шкулев. Их труд позволил получить значительную часть использованных в диссертации фактических материалов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Методологические аспекты исследований
Специфика процессов и явлений. Методология ПЭЛМ определяете! как система средств исследования, обеспечивающая получение адекватного образа - модели объекта. Объектом исследований в ПЭЛМ служи' физика явлений и процессов в зоне влияния защитных лесных касажденш (ЗЛН). Многообразные ветроломные, стокорегулнрующие, противоэрозион ные и иные мелиоративные средообразующие функции ЗЛН обусловлен; взаимодействием древесной растительности с атмо-,-гидро- и педосфе рой. Спецификой мелиоративного влияния ЗЛН является "зональность" т.е. четко выраженная его зависимость от расстояния до ЗЛН.
Существенными специфическими моментами воздействия ЗЛН на тер ряторию являются следующие.
1. ЗЛН "обитают" в двух средах - атмосфере и почве. Отсюда про истекают и два главных способа их воздействия на среду: через ат мосферу (надземной частью древесных растений) - азромелиоративное через почву (корнями растений) - педомелиоративное.
2. Имеет место локальное и пространственное влияние ЗЛН. Прост раиственное влияние (внешняя лесная пертиненция, по Г. Ii. Выеоцкс му.1928) и является основным свойством ЗЛН. обеспечивающим их терр'
ориальный эффект. Локальное и пространственное влияние ЗЛН сущест-енно разные. Локальное есть непосредственное влияние на территорию од пологом ЗЛН. определяемое свойствами лесной растительности, ространственное влияние косвенное: его эффект обусловлен главным бразом аэро- и гидродинамическими процессами, специфически прелом-яемыми ЗЛН.
3. При переходе по вертикали от атмосферы к ЗЛН и по горизонта-;и от ЗЛН к полю происходит трансформация (в.тем числе инверсия) ка-.есгвенных характеристик энергомассопереноса. Графики изменения аэ-ю-, гидрологических, агрометеорологических характеристик (рис.1) ;меют специфический вид с наличием особых точек: экстремумов (макси-[умов и минимумов) и перегибов в непосредственной близости от ЗЛН обычно до 5-Ю их высот). Это обусловлено прямым (скорость ветра и ■урбулентность) и (или) косвенным (снегоотлояение, промерзание и 'Елажнение почвы, эрозия-аккумуляция) воздействием ЗЛН на ветровой юток. Таким образом, ближайшая к. ЗЛН зона является ареной наиболь-ш>; закономерных (детерминированных) изменений (точки перегиба) аэ-югидрологических характеристик и их знака (точки экстремумов). При щижении в глубь насаждения и к открытому пространству кривые прини-taют асимптотический вид с усилением и полным переходом к случайной зариации характеристик, т. з. процессы стремятся к. стационарному ре-шму. Преобладание детерминированного характера процессов в переход-гоП зоне, в отличие от вероятностно-стохастического на ее границах (ЗЛН-открытое поле), определяет специфическую особенность лесомелиоративного эффекта.
Своеобразная "физика" лесомелиоративного влияния ЗЛН не скопится к "локальным" физикам поля или леса, а является Физикой перекода в подсистемах "атмосфера - ЗЛН - поверхность почвы - почво-грунт" по вертикали и "ЗЛН - опушка - приопушечное пространство -открытое поле" по горизонтали. Вследствие нелинейности эти переходы
- 10л
Рис.1. Концептуальная модель (схема) мелиоративного действие протизоорозионпых ЛП: Ул."'! - скорость ветра; Нл.Нп - высота снега; hup.л Лшр.п - глубина промерзания почвы; у;н - водопоглощение; he -сток талых вод; Vît - скыб почви текущий; К - кольматаж мелкозема; ил. г. - урожайность. Индекс "п" означает открытое поле вне влияния ЛГ и "л" - защищенное лесополосам! поле илп лесополосу (лес-Ло).
по могут быть описаны простой экстраполяцией явлений и процессов i направлении атмосфера - почва, ЗЛИ - поле и обратно. Таким образом сущность лесомелиоративного эффекта хотя и не образует качествен«' особого класса физических явлений и процессов, требует специально ее разработки и не может быть получена путем простого соединени. "локальных" физик атмосферы. педосФеры. гидросферы открытого поля леса. Речь идет, однако, но о бесперспективности поиска лесомелиора тиышх Физических, феноменов, а об использовании и углублении полоне ний фундаментальных наук в теории лесомелиорации.
Особое положение "лесомелиоративной Физики" значительно услоз
- и -
няет задачу исследований вследствие сложности самой физики переходных. пограничных процессов и явлений. К тому :-;;е создание адекватного теоретического аппарата лесомелиорации предполагает его "стыковку" с "обычными" Физиками, их взаимопроникновение. Это имеет решающее мотодологическое значение для лесомелиорации. Если земледелие или лесоведение вполне могут обходиться локальными оценками характеристик, то в лесомелиорации этого недостаточно. Здесь они оцениваются на профилях, трансектах.•динамических площадках на разном удалении от ЗЛН (з открытом поле, приспуиечной зоне, насаждении). В лесомелиорации применяются физические методы сопредельных научных дисциплин, но необходима их модификация, приспособление к специфике лесомелиоративного объекта.
Методы опенки ЭГП в ПЭЛЯ. Задачи теоретических исследований и прикладных разработок б ПЗЛМ предопределяют широкое применение разнообразных и. взаимосвязанных экспериментальных методов (лаборатор-но-полевых установок, воднобалансовых площадок, репрезентативных и комплексных водссбсрсв).
Ведущим в ПЭЛМ до настоящего времени является полевой эксперимент с применением комбинированных стоковых (воднобалансовых) плзща-док в сочетании "поле+ЗЛН" (Г.А.Харитонов, 1937; А.Л.Молчанов, 1.)62; Г. ШСурмач и др., 1975).Еззмен этого метода автором разработан метод управляемого напуска - подтока (а.с.886776). Он основан на задержании склонового стока горизонтальным валом и напуске затем г. русла ручьев и на опытные делянки (ОД), в т.ч. лесные, водч системой сифонов или прямоугольных водосливов с разной длиной порога Зто обеспечивает имитацию на ОД паводков разной водности и интенсивности эрозии и получение за один экспериментальный сезон (паводок) информации, эквивалентной нескольким годам.-' Подток в комбинации с дошиванием малых плсдадок позволяет дэзать раздельную оценку влияния на эрозию капельного диспергирования почвы и гидродинамического (веду
щего при подтоке) фактора, а также имитировать ЭГП на ОД в реальных условиях поступления воды с вышележащих склонов. Таким образом, сочетаются преимущества модельного и натурного экспериментов.
Разработано приспособление к водосливу, позволяющее регулировать положение его порога, что обеспечивает при напуске установку системы водосливов на одной высоте и уравнивает напоры.
На базе термографа сконструирован компактный устанавливаемый на водосливе временных стоковых площадок самописец с поплавком на вертикальном штоке и записью напоров на ленте в М 1:1 и диапазонах 0-10 и 0-40 см.
Предложен способ и сконструирована установка для оценки инфильтрации (а.с.898323). На монолит почвы помещается заполненный водоР цилиндр с эластичной растянутой мембраной на его дне. Перфорации мембраны создает практически мгновенный контакт воды с почвой, обеспечивая регистрацию на ленте самописца текущей скорости инфильтрацш с начала эксперимента.
Для повышения точности учета слоя аккумулированного мелкозема разработан способ, использующий контрастное вещество, которым марки руется граница раздела почва-нанос (а.с.1586531).
Совокупность разработанных методов и устройств существенн расширяет арсенал средств исследования ЭГП.
2. Инфильтрация и сток
i
ИнДильтрашя ррды в талую почву. Согласно уравнению водного б; ланса Ro-Wp+S (упрощенно "осадки - инфильтрация (водопоглощение) • сток "). Сток не является независимой переменной и обусловлен к Фильтрацией. В свою очередь, инфильтрация есть функция не толь почвенных условий, но и осадков • (R. Е. Horton. 1933; Ф.П.Серик, 194 С.А.Коль, 1950; А.И.Будаговский, 1955; Г.П.Сурмач, 1955; Ю.Б.Вин
градов,1988 и др.), т.е. взаимодействия почвы и осадков. До настоящего времени это недооценивается. Необходим учет трансформации - характеристик осадков (слоя, интенсивности, спектра капель, их скорости падения и энергии) уже в приземном слое задолго до контакта с почвой.
При контакте воды осадков с поверхностью почвы происходит ее впитывание внутри- и межагрегатными обычно капиллярными порами (диаметром до 2-3 мм. по нашим определениям). После насыщения агрегатов водой впитывание и гравитационное просачивание осуществляются по межагрегатным капиллярам, а также пристенным отеканием по крупным капиллярам и некапиллярным пустотам. Очень важным моментом является смыкание воды в просвете г.ср с образованием сплошной менисковой пленки (СМП). предшествующим формированию капиллярно-подвешенной (по А.А.Роде.1965) влаги и насыщению ею почвы при инфильтрации. Образование СМП есть необходимое условие смены безнапорной инфильтрации напорной и возникновения стока на начальной фазе скрытого (внутри-ношеного) водсобраг.ования. Существование СМП' подтверждено опытом в сосуде с сетчатым дном и размером ячеек 1x1 мм. СМП обладает важными свойствами. Она обеспечивает: 1) гидравлическую ¡вертикальную проводимость (в опыте - 6000 мм/мг.н) и 2) отекание воды по ее наклонной поверхности (в том х:е опыте при интенсивности подачи ;:оды всего около 10 мм/мин).Соотношение этих свойств и обусловливает превышение интенсивности поступления осадков над интенсивностью и»{оь-трации и начало стока (сперва на уровне агрегатов). Диаметр пор варьирует, и сток возникает "точечно" на участках с минимальным просветом пор, а затем локально на участках, для которых в среднем интенсивность осадков 1о больше интенсивности инфильтрации 1в.В зависимости от соотношения размеров пустот и капель, скорости их падения (1 см/с = 600 мм/мин, что сбкчно" во много раз больше 1з). водопрочкости агрегатов образование СМП происходит быстрее пли кед-
леннее на разной глубине в почве и даже на ее поверхности. В экспериментах автора с дождеванием крупными каплями (диаметр 2 мм) при 1о 0,5 - 1.2 мм/мин сток на серых лесных почвах начинался почти независимо от интенсивности доасдя после выпадения 1.4 - 15 мм осадков (б среднем 4-6 мм). При исходной естественной влажности (ЕВ) 10 -17% в слое 0-10 см, наименьшей влагоемкости (HB) 21-35%, полной влагоемкости (ПВ) 50-60%, объемной массе (ОМ) 1.2-1.4 г/см3 это количество влаги могло насытить слой почвы толщиной в несколько миллиметров или сантиметров. В других опытах на черноземах Каменной степи (E.H.Цыкин,1956; 0.Г.Котлярова.1990) слой бессточных осадков достигал сотен и тысяч миллиметров. Это свидетельствует об образовании СМП на большой глубине (десятки сантиметров от поверхности почвы). СМП обусловливает формирование внутрипочЕенного стока, насыщение водой всего слоя почвы • от СМП до поверхности, появление нг ней луаиц, заполнение микропонижений водой и их переполнение - начало формирования поверхностного стока. Таким образом, микрорельес выступает обычно как фактор не задержания транзитного стока, а инфильтрации до его начала. Вначале интенсивность стока резко возрастает, а затек стабилизируется на уровне, тем большем, чем выше 1о На более высоком уровне стабилизируется и интенсивность "реальной инфильтрации, возрастая до " максимальной" при сплошном затоплени поверхности почвы водой (Г.П.Сурмач,1955).
Функция водопоглошения при подтоке в лесонасаждение. Авторо адаптирована предложенная Ю. Б. Виноградовым (1988) модель инфильтра ции к условиям водопоглощения в лесных насаждениях при подтоке Р во да с вышележащего склона. Интегральное (за весь паводок) абсолютно водопоглощение выражается уравнением
W = Wm [l-exp(-P/Wm)J, (1
а относительное - коэффициент водопоглощения -
К» = W/P = Wm [l-exp(-P/Wm)]/P . (i
Выражения (1.2) для Рп = Бп*Ьп/Вл и Рс - йл +Рл, .т.е. соответственно при подтоке полевого стока слоем Sn со склона длиной In з насаждение шириной Вл ' с учетом собственных осадков в насаждении Ил . имеют тот зке вид с заменой W и Р соответственно на Wп . Wc, Рп. Рс и являются функцией максимального водопоглощения Wm з насаждении и полевого (Wn » f(Pn.Wm)) или суммарного (Wc = Wn+lui = f(Рс.Wm)) подтока. Эти же функции применимы и при. отсутствии подтока в тесные насаждения и на полевых склонах при дождях и весеннем снеготаянии.
Инфильтрация воды в мерзлую почву. Процесс инфильтрации определяется тепломассообменом в системе "талая вода - мерзлая почва " (В.Д.Комаров.1957; А.М.Глобус. 1962; И.Л.Калюжный,Н.С.Морозова. К.К. Павлова, В.Д.Романов, 1972; В.Я.Кулик, 1973; Ю.Г.Мотовилов. 1977; A.C. Кучмент. 1980;. А.Н. Гельфан, 1989 и др.) и формированием так называемого "запирающего" слоя (И.Л.Калюжный и др., 1972.1981). Для мерзлых почв характерно также то, что количество усваиваемой талой золы обычно равно дефициту влавности талого слоя Д » ПВ - ЕВ (И. Л. Яаляк-шл1 и др., 1972; А. Т. Барабанов. 1986). Концепция запирающего слоя базируется на равенстве запасов холода мерзлого слоя и количества тепла в объеме усвоенной почвой талой влаги без учета скорости теплообмена. Дополнением к теории запирающего слоя является концепция ледяного экрана (ЛЭ), образующегося на границе раздела талого слоя и мерзлой почвы при поступлении в почву талой воды. Чрезвычайно низкая скорость снеготаяния обуславливает начальный теплообмен в очень тонком слое (пленке) води с малым, запасом тепла при температуре ^коло 0 градусов. Пленка быстро отдает избыток тепла и превращается в лед, полностью закупоривающий почвенные поры. В дальнейшем теплообмен осуществляется механизмом термодиффузии (без учета вертикальных турбулентных токов воды) в пограничном слое. Это замедляет размораживание почвы, в том числе из-за низкой теплопроводности льда. В пределах ЛЗ влажность почвы равна ПВ, как и в вышележащем слое та-
- 1Б -
лой почвы, в отличие от уровня ЕВ в- нижележащем мерзлом,- Это и обусловливает неводопроницаемость ЛЭ и формирование талого стока. Общее правило: при наличиии ЛЭ формируется талый сток и .наоборот, наличие талого стока означает формирование ЛЭ.
ЛЭ формируется практически всегда даже при неглубоком и пятнистом промерзании почвы и при ее влажности примерно от уровня влаж ности завядания и более. По мере снеготаяния и теплообмена почвы I водой и воздухом, инфляционного прогревания почвы ЛЭ постепенш опускается, а пространство над ним заполняется новыми порциями воды. Этот процесс по физической природе коренным образом отличается о' обычной летней инфильтрации из-за отсутствия впитывания, просачивания. гравитационного и напорного тока. Его следует считать "термоинфильтрацией" (инфильтрацией оттаивания) почвы.
Аргументами в пользу концепции ЛЭ служат легко наблюдаемые явления: образование под снегом в начале снеготаяния льда на поверхности почвы, оледенение границы между оттаявшей и мерзлой почвой, наличие льда в днищах ручьев на склонах, резкий скачок влажности о' ПВ до ЕВ при переходе от талой почвы к мерзлой (означает отсутствш признаков проникновния влаги под ЛЭ), равенство ее количества в оттаявшем слое почвы дефициту его влажности , отсутствие влияния глу; бнны промерзания более 30 - 50 см на усвоение влаги. Мощность этоп слоя в годы со стоком варьирует в пределах 3-70 см. составляя ! среднем 9 - 27 см на зяби и 8 - 10 (до 24) см на уплотненной пашне, и убывает на пашне от 15 - 27 см в лесостепи до 9 - 19 см в сухо! степи. Таким образом, усвоение влаги мерзлой почвой определяется самым верхним (приповерхностным) слоем почвы незначительной мощности,
Концепции запирающего слоя и ЛЭ объясняют главные парадокс! поступления влаги в мерзлую почву: формирование стока при очень высоком уровне свободной капиллярной межагрегатной и внутриагрегатно! пористости и исключительно низкой интенсивности снеготаяния, точно!
равенство усвояемой влаги дефициту влагосодержания оттаявшего слоя.
ЛЭ не формируется вовсе или быстро опускается и разрушается при очень сухой и слабомерзлой почве с незначительным запасом холода, а также при рыхлом сложении пахотного слоя на зяби с крупными некапиллярными пустотами и неглубоким промерзанием (до 30 - 50см). В этих условиях, а также из-за суточной цикличности снеготаяния поступающая вода успевает только заполнить пустоты почвы, способствуя ее энергичному протаиванию; сток при этом отсутствует или бывает очень небольшим - порядка 1 - 5 км.
Использование имеющейся совокупности данных по глубине промерзания, влажности -верхнего слоя почвы, снегозапасам, инфильтрации и стока талых вод. обстоятельно проанализирована и обобщеных А.Т.Ба-рабановым (1993), позволило на основе функции водопоглощения разработать уравнение для прогноза инфильтрации и стока талых вод на паше и- в лесных насаждениях.
. Предложена классификация ведущих факторов инфильтрации талых вод влажности и глуб.шы промерзания почвы, выявлен экспоненциальный вид функции влажности мерзлой почвы по глубине. Показана возможность прогноза талого стока по оценкам (в том числе дистанционным) поверх-ностой влажности мерзлой почвы. .
3. Эволюция эрозиснно-гидрологического процесса при противо-эрозионной лесомелиорации
В уравнении водного баланса "сток * осадки - инфильтрация" инфильтрация есть независимая переменная и подлежит независимой оценке, Однако в гидрологических расчетах делается наоборот:осадки и сток оцениваются непосредственно в экспериментах, а инфильтрация как зависимая величина, т.е. то разности осадков и стока, поскольку.гря-мых методов оценки инфильтрация нет или они несовершенны и не »гол-
не отвечают физической сути процесса (как, например, метод сплошного затопления поверхности почвы водой, особенно для мерзлых почв с учетом динамики снеготаяния и оттаивания почвы). Оценка инфильтрации по разности осадков и стока даже при приведении осадков к одинаковой величине (Г.П.Сурмач,1976) не дает о ней адекватного представления, поскольку существует связь между инфильтрацией и осадками.
Применение функции водопоглощения (1) позволяет методом последовательного приближения рассчитать параметр Ига в качестве независимой оценки гидрологического режима (ГР).
Анализ и обобщение собственных и литературных фактических материалов выявили высокую адекватность функции (1). Получены оценки 1Чт при отсутствии подтока в девственных ландшафтах - для леоов и травянистой целины, антропогенных их модификаций (современные массивные леса. ЛИ. основные сельхозугодья - уплотненная пашня и зябь, сенокосы и пастбища), агротехнических стокорегулирующих приемов, а также при подтоке - для ЛП без средств усиления водопоглощения и при их наличии (мульча, валы, канавы и т.п.. их сочетания), гидротехнических и полных комплексов стокорегулирующих приемов. Кроме того, для сельхозугодий и лесных насаждений получены традиционные параметры Функций вероятности превышения величин талого стока, а для зяби и уплотненной паши совместно с А. Т. Барабановым построены карты поверхностного талого стока на европейской территории РФ, Белоруссии, Украины.
Девственные ландшафты отличаются гомеостазом ГР основных угодий (лесов и травянистой целины) - исключительно высоким уровнем инфильтрации,отсутствием поверхностного стока б лесах или незначительной его величиной (5-10мм) на травянистой целине. Антропогенное вмешательство уже на ранней стадии резко (на несколько порядков) уменьшает инфильтрационную способность почв и увеличивает поверхностный сток, особенно на пастбищах и уплотненной пашне.
Улучшение водного баланса ландшафтов агротехническими приемами с целью повышения инфильтрационных свойств мерзлых почв, их во-довместимости и поверхностного водозадержания является недостижимым вследствие невозможности этими средствами ликвидировать ледяной экран. Физическое задержание существенных масс воды возможно только гидротехническими приемами. Наиболее радикальное решение проблемы заключается в выполнении приемов, обеспечивавших контакт воды с талой почвой (отепление почвы, щелевание до талого слоя, устройство канав с талым дном). Щелеватели не позволяют устраивать щели на доста-■ точную глубину,а отепление пахотных склонов даже полосами трудоемко, требует значительных объемов теплоизоляционных материалов. Поэтому для поглощения талой воды актуально создание лесных насаждений (в первую очередь ЛП), особенно в сочетании с валами и канавами.
Обобщение полученных в 1937-1994 гг. на гидрологических стационарах данных Г.Ф.Басова, Г.А.Харитонова, А.А.Молчанова. И.П. Сухарева, Л.Г.Онуфриенко, А.В.Рудометова. В.Н. Каулина, М.И.Львовича, A.M. Грлна, Г.П.Сурмача.. З.Н.Дьякова, В.И.Панова. Е. А.Гаршинева, А.В.Ко-това, В.Е.Величкина, Е.И.Куницкого, В.В.Воронова, В.М.Ивонина. .0.В. Бондаренко, Я.К. и Т.Я.Зарудных, Б.В.Демидова, В.П.Борца. Е.Я.Ту-больцева. Н.Е.Новикова, Е.В.Полуэкгова. И.Г.Зыкова и В.И.Антонова. Н.М.Шелякина и др., полученных в НЖСХ ЦЧП, ГКО "Каменная степь", ЗНИАЛМИ. Институте географии АН СССР. ВНИИЗиЗПЭ, Укр НШЗПЭ и др. НИИ, позволило получить следующие основные вывода.
1. Суммарное водопоглощение в насаждениях адекватно определяемся функцией Wc(Pc,Wm).
2.Индивидуальные значения Wm е весенний период варьируют в диапазоне 0-5000 мм и более, в среднем составляя 370-2900 мм' с тенденцией возрастания при увеличении ширины насаждения и улучшении его состояния и почвенных условий (табл.1).
3.Зональные различия водопоглощающей способности ЛП относичехьно
Таблица 1
Параметры и величины разной вероятности функции превышения максимального водопоглощения Ни в лесных насаждениях при подтоке талых вод, мм
Ширина насаждения. м 1
■ | Вероятность превышения, %
10 ■ 25 50 60 70
Cv
CS
Wm
4-10 12.5-20 24-30 35-45 4-45
2,5-10 12-20 24-30 31-60 2.5-60
8-10 11-30 8-30
8600 3500
6500 2800
4400 1900
4600 2200
6400 2500
6000 3000
8200 3600
5800 2900
11000 6500
8900 4100
1300 810
3100 1600
2700 1400
Нечерноземная зона 1500 400 150 -1400 400 160 1000 330 180 54 1300 500 290 120 1200 320 170 60
29 18
Черноземная зона 1700 710 400 140 6 1900 680 400 160 54 1400 340 120 - -4400 2500. 1900 1200 910 2200 ' 780 430 120 -Каштановая зона 560 320 250 270
2,5-60 7800 3300
1000 450
820 370 -230
Все зоны
1500 480
170 130 100 17 120 60
1,7 2.6 1100
1,7 2.2 900
1.5 2.3 670
1.3 1.8 810
1.6 2,8 860
1.4 1.6 1100 1,4 2.3 1300 1,7 2.5 910 0.9 0,9 2900 1.4 2,1 1400
0.9 0,9 370
1,3 1,2. 600
1.2 1.6 530
250 75 5 1,6 2.6 1100
невелики и в значительной степени обусловлены различиями в продолжительности снеготаяния: чем короче период снеготаяния, тем меньше ш.
4. Относительное водопоглощение Kwc смещено в область больших (0.7-1.0) значений - 30-70Х случаев, в том числе Kwc-1,0 (при полном поглощении талой воды) в 10-503Е случаев с увеличением в более широких насаждениях хорошего состояния.
Уравнения (1.2) позволяют выполнять расчет эффекта Wc и эффективности Kwc водопоглощения в стокорегулирующих ЛП в зависимости от их ширины, длины полевого склона и слоя талого стока (табл.2). npv этом обнаруживается, что эффективность уменьшается с увеличение!
Таблица 2
Зависимость расчетных величин суммарного вбдопоглощения Мс, мм. коэффициента суммарного водопоглощения Кис, слоя сокращения полевого стока ДБп.мм. от длины полевого склона Ьп. ширины ЛП и слоя стока с поля Зп (УГт-ЮООмм. Шш-150мм)
Ширина лесополосы, м
5 10 20 30
У/с Кыс ДБп У/с КИС 'дэп Ус Кис ДБп У/С Кис дйп
Ьп - 250 м
10 480 0.74 6.6 330 0.82 7.2 240 0.87 7.2 210 0.89 7.0
25 750 0.54 12,0 540 0,70 16.0 370 0,80 18,0 300 0,84 18,0
50 930 0,35 16,0 750 0,54 24,0 540 0.70 31.0 430 0,76 34,0
Ьп - 500м
10 680 0.59 5.3 480 0,74 6,6 330 0,82 7,2 270 0. 86 7,3
25 930 0.35 7.8 750 0, 54 12, 0 540 0.70 16.0 430 0. 76 17.0
50 990 0.29 8.4 930 0,35 16,0 750 0,54 24,0 630 0.64 29.0
Ьп - 750м
10 810 0,49 4.4 590 0,66 5,9 410 0,78 6.9 330 0.82 7.2
25 : 980 0,25 5.5 870 0,43 10,0 660 0.61 14.0 540 0.70 16.0
53 1000 0,13 5,1, 980 0.25 11.0 870 0.42 19,0 750 0.54 24.0
длины полевого склона, слоя стока и с уменьшением ширины насаждения. С увеличением ширины ЛП прирост эффекта и эффективности убывает, поэтому целесообразно ограничение предельной ширины ЛП. оптимальная эффективность ЛП может быть обеспечена разным сочетанием ширлны ЛП и расстояний между ними (более частое размещение узких ЛП или увеличение ширины ЛП и расстояний между ними) что позволяет строить гибкую систему ЗЛН при минимуме отвода пашни и максимуме стокорегу-лирования.
Разрыв между величиной реального и потенциально возможного водопоглощения диктует необходимость применения средств усиления водопоглощения в ЛП (Г.П.Сурмач.1971). сообщение имеющихся данных о во-допоглощении в ЛП показало (табл.3), что биологические методы усиления водопоглощения относительно мало эффективны в сравнении с гидро-
Таблица 3
Зональные осрэдненные величины весеннего максимального водопоглощения Ит.мм, при различных способах усиления водопоглощения в лесных полосах
Приемы усиления водопоглощения Зоны
нечерноземная черноземная каштановая
Биологические (в междурядьях): мульча (м). люпин (л). 100 500.800 100.300 хворост(хв) ы м ' л м ' хв Гидротехнические: ; борозды(Б);валы-ВНе ЛП(В), 1100.1200.2200 3300(9500) 900 в ЛП (В+ЛП) канавы:вне ЛП (К), в ЛПСК+ЛП) валы+канавы: вне ЛП в ЛП
Сочетание биологических н гидротехнических: плетневые запруды(ЗП); валы+канавы+мульча, люпин (ВКМ)
Примечания:'' фактическое среднее водопоглощение Ис; в скобках - с учетом экстремально высоких значений Ш.
техническими, а максимальный эффект обеспечивает сочетание приемов. Гидротехнические приемы вне ЛП менее эффективны.
Пространственный эффект водопоглощения в зоне снежных 'шлейфа по сравнению с локальным (непосредственно под пологом ЛП) меньше: 1/й варьирует от 0-200 до 500-1000 мм и более. В отдельные годы с небла гоприятными погодными условиями (сильное переувлажнение верхних ело ев мерзлой почвы) он мал или отсутствует.что приводит к повышенном сбросу талых вод из шлейфов.В среднем же снежные шлейфы ЛП позволяю регулировать до 10-20 мм и более талых вод полевого стока.
Обнаружены явления возрастания Ш как функции слоя подтека его временная динамика (внутрисуточная и по дням паводка), обуслов
Б " В 'В+ЛП В+ЛП В+ЛП
1500.3100(17000) 3600
К ' К+ЛП к+лп
2200(7000) 2600
3800 4400 2300
5000" (12000) . 1100 ВКМ ЗЛ
ленная теплообменом и размерзанием почвы. С учетом этого модель во-допоглощения может быть усовершенствована.
Совокупность полученных характеристик эволюции Ш на разных угодьях и в зависимости от вида и типа стокорегулнрующих приемов {рис.2, табл.4) позволяет сделать ряд важных заключений.
1. Начальный этап деградации девственных ландшафтов даже при незначительном антропогенном воздействии отличается максимальными темпами (скоростью) изменения Ш, хотя и с сохранением относительно высоких значений, особенно в лесах. Это определяется еысоким уровнем организации естественных ландшафтов и их высокой чувствительностью к пороговым возмущениям. Стратегией действия в естественных ландшафтах должны быть охранные и профилактические мероприятия. На этом этапе возвращение ландшафтов к гомеостазу требует минимальных средств воздействия на ГР.
2. Глубина "деградационной ямы" при интенсивном антропогенном вмешательстве для лесных насаждений меньше, чем для травянистой
PüHDÍCi • ГАСТНЬИ Мйя& J¡*t CPtJI-4'ttiSe пах .ve
üttLTA soccиnolí i**e
(CUCrtfH.bf. искусственные
jfecA
ста» ШКТ-timt ~НЛЧ».ЧЬНЫ1 t*raw-ntt> rüHtu \'1H,*
*i»VU/tHHAH
естестьемнАв fc*wí
Tr.t»*H*CTte »Acnrt/bxccn
К"**'! ** кул/?-
/
^ШЛМГ-ГгЯA? Í Л"'
WfWWi ) g О С с Г Л h06At.»»t
AHfponzre иная (искусстве мил я )
Рис. 2. Принципиальная схема антропогенной эволюции максимального поглощения талых вод Wm: в лесах (а), на лугах (б), пашне (в) и на склонах с системой стокорегулирук "дих и противоэрозненных мероприятий (г) при нарушении и восстакозлении гидрологического режима ландшафта. Условные обозначения: j диапазон Wm: о ° о о при восстановлении лесных насаждений (на рубежах при подтоке).
Таблица 4
Антропогенная эволюция осредненяых величин максимального водопоглощения Ют. слоя стока Б и его изменения ЛЗ (-уменьшения, + увеличения) в ландшафте, мм
Угодья, агрофоны. при- Почвен- Wm S AS
емы. местонахождение ные зоны
1 2 3 4 5
1. Девственный и антропогенно нарушенный ландшафт
1.1. Девственный
Лес естественный | ' 800-8000 0-10 -40... -50
Целина некосимая Г 1300... 0-10 -40... -50
1 ■ 1.2. Нарушенный
Целина косимая 50-170 40-45 - 5... -10
-выпасаемая:склоны 170 60 +10
лощины 50-130 240 +190
Современные сенокосы
и пастбища 50-130 60-100 +10... +50
Пашня : уплотненная 1 ■ 60-90(ДО 380) 85-70 +15... +20
2 60-110(до 240) 70-35 +20..: +25
3 70-110 до 460 35-20 +15... +25
отвальная зябь 1 105-260(до 320) 70-50 0
2 60-110(ДО 240) 50-10 0
3 230-370(ДО 660) 10-5 0
2. Антропогенно улучшаемый ландшафт ■ 2.1. Агротехнические приемы
2.1.1. Неконтурные ...
Приемы поверхностного регулирования стока
(без обработки почвы, "
снегозадержание,микрорельеф на зяби и т. п. ) 30-90 < 40-90 +40...-10 Приема повышения водо-' поглощения (глубокая вспашка, окультуривание и т. п.) 90-270 35-40 -10. ..-15
2.1.2. Контурные Полосные посевы и по- .
лосное рыхление, щеле- •
вание " . 75-80 43-35 -5...-7
Окончание табл.4
1 2 3 4 5
2.2. Лесомелиоративные приемы (без подтока с поля)
Леса:молодые (1-5) 180 80 +30
(6 - 10) 3300 10-40 -40
ср.возраста (>10) 440-7000 0-10 -40...-50
ЛП ср.возр. и взрослые 2200-6000 0-5 -45...-50
Шлейфы у ЛП (подток) 500-1000 . 30-60 -20. . .+10
2.3. Гидротехнические приемы
Водозадерживающие валы 300-500 20-30 -20. . .-30
Валы-террасы (ВТ)через
20-30 м 300-700 10-20 -30...-40
Водопоглощающие канавы 2600-4800 5-15 -35. .. -45
2.4. Комплексные контурные приемы* >
ЛП шириной Юм 1 900 35 -15
через 400-500М 2 1300 15 -20
3 400 10 - 5
То же + валы в ЛП 1 ' 2200 V 20 -30
2 3300 Ю -25 •
3 900 -10
То же + канавы в ЛП 1 3800 15 -35(50)
2 4400 ' 5 -30(45)
3 2300 2 -10(25)
То же+ВТ через 80м на 300-700(ВТ)
поле между ЛП 4000 (ЛП) 0-10 -40...-50 (100)
Примечания. *) Слой сокращения стока приводится по 1-3 зонам: 1 - нечерноземная, 2 - черноземная, 3 - каштановая; в остальных случаях - относительно стока с зяби в лесостепи (50мм). В скобках: графа 1 - возраст,лет; графы 3 и 5 - сокращение стока в годы с вероятностью превышения 10%. Для снежных шлейфов, гидросооружений и комплексных приемов Мп - локально в пределах рубежа; в остальных случаях - для склона в целом.
растительности, что обусловлено различиями в интенсивности их хозяйственного использования. На этом этапе важно максимальное сохранение и расширение "анклавов" растительности, уменьшение интенсив-
ности их эксплуатации. Лесовосстановление обеспечивает максимальные темпы реградации ландшафтов.
3. Агротехнические мероприятия не обеспечивают восстановление гомеостаза ГР ландшафтов. Максимум эффекта дает применение системы мероприятий, в первую очередь лесомелиоративных и гидротехнических рубежей. Бодопоглощающие рубежи являются не альтернативным приемом, а органически неотъемлемой частью стокорегулирующего и противоэро-зионного комплекса.
4. Эрозионно-аккумулятавный процесс
Эрозионно-аккумулятивный процесс по своей физической природа един (А.С.Козменко, 1909; Н.И.Маккавеев, 1955; Г.П.Сурмач. 1976 и др.) и определяется законами гидродинамики двухфазных потоков. Единство ЭАП в пространстве - на склонах, в суходольной гидрографической сети и рзчных долинах - предполагает также взаимосвязь текущего, исторического и геологического процессов . в том числе при генезисе рельефа. Наиболее общее, что объединяет любые проявления ЗАП. есть тот очевидный факт, что эрозия (смыв и размыв) понижает, а аккумуляция повышает поверхность субстрата . Это находит адекватное выражение в его внешней форме , в товдественности функций формы склона (ФФС) и ЭАП. Последовательное рассмотрение проявлений делювиального смыва на склонах и размыва в гидрографической сети приводит к пониманию эво-люьии исходной поверхности субстрата в ряду обрыв - обвально-осыпной - делювиально-пролювиальный - аллювиальный склоны. Итогом ЭАП является выпукло-вогнутый склон, выпуклая часть которого формируется в результате делювиального смыва, а вогнутая - аккумуляции (рис.За). Форма склона с высокой степенью точности (обычно менее ть% ) аппроксимируется логистической функцией (ЛФ)
Н = ( Ншах - Нт1п) / (1 + ехр (-а + Ы)) + Нш1п , (3.
где Н, Hmax, Hmln - текущая отметка и асимптоты водораздела и базиса эрозии; L - длина склона; а и b - параметры.
Применение уравнения диффузии (W.Culling,1960; А. С. Девдариани. 1967; А.И.Трофимов, В.М.Московкин. 1983; А.В.Поздняков. 1988; Б.А.Казанский, 1990 и др.) dH/dt » К(бгН/й12) . где t - время, К - коэффициент диффузии, с учетом уравнения Шези V=(Cgh(-dH/dL))1/!!, пропорциональности расхода наносов соотношению (V/Vkp)3(V/Vkp-1) и слоя потока h ~ Lm приводит к решению
dH/dt-(а(И-s®/VKp4)• .{[(PL)ra/z(-3H/aL)1/3-VKp]L1'Sm(-aH/3L)}. (4) В этих выражениях V и Vkp - средняя и критическая (эродирующая) скорости течения; g-ускорение; гп-параметр; и, 0, с- константы.
Решение уравнения (4) численным методом по явной схеме на двумерной сетке дает результат (рис.36), удовлетворительно алпроксими-
Рис. 3. Пространственно-временная эволюция формы склона в ходе ЭАП: а) логико-графическая схема, б) результаты численного компьютерного эксперимента, 0-1-1'.. .ОЧЧ-' (а), 0. ..700(6) - последова-- тельные положения поверхности склона во времени и на шаге счета ЭВМ.
руемый Л4>. При К-const решением уравнения диффузии является интеграл функции плотности распределения (Гаусса), а ЛФ - высокоточным его приближением с оши^л-Й не более ±0.01.
Общеизвестная фундаментальность уравнения диффузии в описании эвплвпии рельефа (Дж.Б.Торнес.Брунсден,1981; Б. А. Казанский,1990) и отмеченные соответствия придаст также и ЛФ статус фундаментального приближения функции ЭАП и подтверждают гипотезу о тождественности функций ЭАП и ФФС в физическом.геометрическом и математическом смыслах этого понятая.Таким образом, для текущего Wt и суммарного Ws смыва справедливы соотношения Ws ~ H(L) и Wt - Ws' ~ dH/dL.
На этой основе и в целях сохранения преемственности с уравнениями Вишмайера-Смита и Г.П.Сурмача разработано уравнение для расчета текущего смыва
Wt - аШ (he)' (<р,Рг)пьр . (5)
где а - коэффициент размерности и пропорциональности; СК]-произведение коэффициентов, характеризующих противоэрозионные свойства почв и агрофонов: lie - слой стока; ¡р, - bap/ДР, q> - exp(-bL), с « ехр(а), Р - ДНР0 - ДН[1-(Н-Нт1п)/ДН] - АН/(1+Сф), ДН = Нтах-НтШ. PD - 1/(1+сф); n.p.s - параметры (п * 1-2, р » о, 5-2, s - 0,95).
Установлена высокая степень соответствия уравнения (5) уравнению Вишмайера-Смита и ФФС:
Уравнения (3-5) имеют широкую область практического пр менения. Выражение (3) позволяет определять многие морфометрические характеристики рельефа. Так, его первая производная есть функция уклона I - dH/dL - bcipP2 /АН: расстояние от водораздела до точки перегиба Lnr a/b или определяется из выражения d2 P/dL2 -bz ctp (сч>-1) Р3 /ДН-0; расстояния до бровки и точки перехода берегового склона в днище -. из выражения d3P/dL3 - Ьэс(р[(сч>-1)г-2сф]И/ДН - 0. Эти последние характеристики более корректны при использовании понятия пластики рельефа (П.К.Соболевский,1932; И.Н.Степанов и др..1987) для карто-
графирования генетически однородных элементов рельефа и составления почвенных карт, особенно в автоматизированном компьютерном режиме. Интегральная ФФС Рз=(ДН/Ь)1п(с+1/ф) есть характеристика суммарного объема (массы) геологической денудации территории.
Рассмотрена пространственно-временная эволюция первичного размыва (водороины) в последовательности форм подбровочных склонов (обрыв-осыпь и т.д.) и разработана генетическая классификация форм их поперечного профиля (сечения): прямоугольная (обрыв), прямоугольно-треугольная (обрыв-осыпь), треугольная (осыпь, делювиальный склон), трапециевидная (при подмыве основания откоса),выпукло-вогнутая (за счёт закругления бровки и делювиальной аккумуляции).Эта последовательность инвариантна относительно размеров (глубины) размыва во всем диапазоне - от мельчайшей- водороины (первые сантиметры) до ущелий (сотни и тысячи метров) вследствие универсальности гидродинамического процесса, формирующего размыв. Эволюция размыва объясняет генезис элементарного водосбора.
Тот же результат дает рассмотрение системы (ансамбля) первичных параллельно-струйчатых ("шнурковых",по Р.Хортону, 1948) размывов-во-дороин. бифуркирующих по простому закону геометрической прогрессии ¡¡'г*'1 (п - порядок русла при счете снизу вверх, N - суммарное число русёл). Угол К между бифуркирующими руслами зависит от углов наклона склона по падению шщ и простиранию сспр и определяется соотношением гет^апд/апр). Бифуркация приводит к формированию русла-лидера, растущего попятно от устья к водорозделу. В ходе ЭАП бровки закругляются, склоны приобретают выпукло-вогнутую форму, а водосбор привычные топографические очертания. В горах при больших уклонах водосборы длительное время сохраняют облик элементарных.
Важной характеристикой водосборов является критерий К,. -2ДН/Вт, где Вт - расстояние между тальвегами. Он определяет образование водораздельного гребня-ребра между соседними водосборами как линии пе-
ресечения двух смежных осыпных склонов-граней с углом естественного откоса в. При Кс<гвв водоразделы относительно стабильны и преобладают "боковая" педимстация и субпараллельное отступание склонов по В.Пенку (а также по Л.Кингу и Г.П.Сурмачу); при Ке-гнв территория разрушается "сверху" - по Б.Девису. Таким образом, критерий Ке позволяет объединить две ведущие конкурирующие геоморфологические концепции - В.Дениса и В.Пенка.
Расчеты рассмотренных морфометрических характеристик могут найти широкое применение во многих областях знания и прикладной деятельности. в том числе в ПЭЛМ при планировании и проектировании противо-эрозконных насаждений, определении границ земельных фондов и укрупненных параметров систем ЛИ на водосборах (количество ЛП. их протяженность, лесистость и т.п.). составлении бассейновых и иных схем противсэрозионных мероприятий, разработке нормативов, типовых проектных решений и т.п.
Выражение (5), в отличие от всех известных уравнений, позволяет получать "точечные", а не интервальные (для отрезков склона) оценки смыва, строить по ним карты изолиний, а не контуры интерзалов его
В2Л1ЧИН.
5. Расчет ветроломных и противоэрозионных лесополос
Ветролсмные лесополосы. В районах совместного проявления вредоносного действия вода и ветра применение критерия предельной крутизны склока при выборе способа ориентации ЛП (размещение с учетом рельефа при крутизне более 1-3°) некорректно, ибо смыв почвы определяется не только крутизной склона, но и его длиной. Более приемлем критерий минимума проявления вредоносного явления. Минимум эрозии достигается при контурном размещении ЛП. Для ветроломных ЛП требуется оценка изменения ветроломного эффекта при разной их ориентации
относительно преобладающего направления (румба или оси) вредоносного ветра.Изменение дальности влияния ЛП описывается зависимостью (Я.Д.Панфилов. 1936; Я.А.Смалько. 1963)
La - Lcunax « cosa , (6)
где Lamax - максимальная дальность влияния ЛП при перпендикулярном к ней направлении ветра (а -0*). а - угол между перпендикуляром к ЛП и направлением ветра.
Для оценки интегральной' ветроломной эффективности ЛП с учетом розы ветров (Г.И. Горохов.1939) предложено выражение (для 16-румбовой градации направлений ветра )
R-KoZnli9 + Кгг.5^пг. е. ю. je + К*5Хп3-т. п. и *
+ К«7. s^.e. и. +К901п5>13 . (7)
где К - cosa (индексы при К - углы a в градусах), п - повторяемость направлений . % (индексы при п - порядковые номера румбов при счете по часовой стрелке от северного румба). Для 8 румбов применяется то же выражение с нумерацией румбов от 1 до 8 и градацией угла a - 45° . Разработана шкала для оценки степени прёобладания повторяемости направлений ветра.
Характеристика R рассчитывается в двух вариантах: " абсолютная" Ra6c по выражению (7) и "относительная" Roth - 100Ra6c/Rn. где Rn -оценка для преобладающей оси с максимальным значением R.
■ Установлена тесная корреляция между повторяемостью метельных, суховейных ветров, их энергетической характеристикой inV2. InV3 и повторяемостью "общих" ветров (для "энергетических" роз ветров коэффициент корреляции г=0.92-0,94). Установлены также связи (экспоненциальные) между повторяемостью и скоростью ветра по румбам.
Расчет по выражению (7) для всей совокупности 2000 метеостанций Сев. Евразии позволил выполнить ее районирование по ориентации оси Rn (рис.4, табл.5). Установлено, что на большей части Сев.Евразии 703S>Rn>605S (Rn - 60% при "круговой" розе равновероятностных направ-
Ишши йа Гынщы: ('мИоно» горных сгш та. „ ^~кцяч>ота
V Цряентлят ссгй А шссото землшлт
Рис.4. Карта изолиний характеристики максимальной интегральной аетроломной эффективности лесополос Кп и районов по ее ориентации. На врезке в кружках - шифр района (подрайона) и величины йабс по осяь> направлений ветра. -
лений'ветра по всем румбам). Лишь на небольших территориях и , как правило, в непосредственной близости к горным странам и в их преде-. лах.ип>{75-802). Отсюда следует.что направление преобладающих ветров на рассматриваемой территории выражено слабо и отклонение трасс ЛП от перпендикуляра к оси Ип на угол 45° и даже 90° не приводит к существенному уменьшению их ветроломной эффективности. Это уменьшение составляет в среднем обычно 2-1635 (максимум 24) при а = ±45° и 6-20% (максимум 37) при а - ±90\
Для. практики это означает, что размещение лесополос с учетом
Таблица 5
Районирование Сев. Евразии по интегральной характеристике ветроломной эффективности лесополос Ип абс (числитель ) и Ип отн (знаменатель ). %
Районы и подрайоны Количество метеостанций Значения I? по осям направлений
шифр > и наименование .С-Ю Ю-С СВ-ЮЗ ЮЗ-СВ В-3 3-В ЮЗ-СЗ СЗ-ЮВ
1 2 3 4 5 6
1Е Прибалтийско - 248. 61±0,8 63+0, 8 60+0,8 57+0.8
юз-св Печорский 97 100 95 90
2Е Северо - 546 6310.4 61+0,4 58±0,5 59±0, 4
Ю-С Европейский 100 97 92 94
2А Северный Запад- 90 64+1,2 63+1,3 57±1.3 57±1,5
Ю-С но-Сибирский 100 98 89 89
ЗЕ Средне - 22 59+2.3 69±2,9 63+2.1 50+3,4
юз-св предуральский 86 100 92 72
ЗА Южный Запад- 286 61±0,7 67+0.7 61±0,7 53±0, 8
ЮЗ-СВ но-Сибирский . 91 100 .91 79
4Е Полесско-Централь- 192 58+0.5 58+0.5 64+0,5 61+0,5
3-В ночерноземный 91 91 100 95
5Е Окско - 11 60±3.7 ■ 58±1,8 61+3.0 62±1,4
ЮВ-СЗ Донской 97 94 98 100
6Е Предкарпатский 78 61±1.1 50+1.8 61+1.2 69+1,4
СЗ-ЮВ 88 72 88 100
7Е Причерноморский 33 67+2.2 59+1.4 53±2.6 61+1,6
С-Ю 100 88 79 91
8Е Западно - И 59+1.4 67+3,0 62±1,3 53+3,9
СВ-ЮЗ Крымский 88 100 93 79
9 Е Южный 266 50+1. 1 61+0,8 70+0. 9 61+0,8
В-3 европейский 71 87 100 87
9А Прикаспийский 72 54+1.4 58+1.1 67+1.2 63±1,1
В-3 81 87 100 94
10А Арало - 60 60+1.6 66+1.6 61+1.6 54±1,9
СВ-ЮЗ Туранский 91 100 ' 92 82
Окончание табл.5
НА Центральный 37 53+3,8 64±2. 0 68±3.2 57+2,2
В-3 Среднеазиатский 78 94 100 84
12А Прибалхашский 16 61±4.2 70±6,1 63+3,6 47+6.3
СВ-ЮЗ 87 100 90 67
13А Предалтайский 8 75±4,8 63±12 47+7,4 57+11
С-Ю 100 84 63 76
14А Каракумский 17 63±4,6 54±5.5 58±4,6 66+4.8
СЗ-ЮЗ 95 . 82 82 100
Примечания.*) А - азиатская . Е - европейская часть; в знаменателе гри обозначении оси для 12п первым указан преобладающий румб.
рельефа позволяет в подавляющем большинстве случаев оптимально использовать и их ветроломные функции.
Еыявленные особенности ветрового режима и обусловленная ими специфика ветроломных функций ЛП при разной ориентации объясняются вероятностно-детерминированной природой циркуляции воздушных масс Сев. Евразии. Вследствие этого формируется "пучок" векторов направлений со случайной вариацией повторяемости по прилегающим к преобладающему румбу (оси) направлениям и закономерным (детерминированным) уменьшением повторяемости по направлению, перпендикулярному к преобладающему румбу или оси рум'бов.
Шюгивозрозионные лесополосы. Выражение (5) . помимо • асчетов текущего, суммарного (интегрального) и среднего смыва со склонов и воде оборов , используется также для определения положения противо-эрозиокных рубежей: ЛП, валов-террас, наклонных водоотводящих борозд и т. п. Расчет рубежей выполняется так, чтобы величина Ит не превышала допустимого уровня смыва (1-2 т/га. рис!5). Положение ЛП определяется с поправкой на величину пояса отсутствия эрозии в зоне снежных шлейфов и на изменение дальности ветроломного влияния ЛП на склонах.
Выявлена специфическая динамика изменения величины Ит в межпо-
Рис.5. Характеристики формы склона (А), смыва почвы (Б) и его трансформации рубежами (В - валы-террасы, Г - лесные полосы). I - зябь; II - озимые; Ша. б - многолетние травы 1-го и следующих лет жизни.
лосном пространстве (рис.5): на выпуклых склонах экспоненциально возрастает от верхней ЛП к нижней до предельно допустимого значения Кд. На вогнутых склонах Vît сначала возрастает, часто не достигая Ид, а затем уменьшается. В среднем же его величина между ЛП обычно не превышает 0,3 - 0.6 от Мд.
- 36 -
6. Проектирование системы лесомелиоративных противоэрозионных мероприятий
"■>эработка молили ЭГП с учетом его специфики при противоэрози-онной .сомелиорации территории обеспечивает прогнозирование эволюции процесса, планирование и проектирование средств управления им. В проектировании систем противоэрозионных мероприятий узловым вопросом является организация рубежей - в первую очередь ЛП и особенно на приводораздельных и присетевых склонах. Из разных вариантов трассирования ЛП - контурного, прямолинейного параллельного и контур-но-щямолинейного параллельного - предпочтителен последний вариант, обеспечивающий высокий мелиоративный эффект и оптимальную организацию зельхозработ.
Оценка стокорегулирующего и противоэрозионного эффектов кон-туркых и контурно-прямолинейных систем ЛП, выполненная автором и под его руководством на водосборах Новосильской ЗАГЛОС и в ОППХ ВНИИЗиЗПЭ, а также обобщение данных показывают, что сокращение слоя талэго стока узкими (1-2 ряда) ЛП в сочетании с канавами и валами составляет в среднем 20-30 (в многоводные годы 70-80) мм. Смыв уменьшается от 9-13 до 1-1,5 мЗ/га. Аналогичные результаты получены В.и.Пановым, А.И. ШаСаевым, И.П.Здоровцовым и другими.
С учетом выявленной пространственной динамики смыв;-, а также особенностей снегоотложения и формирования стока в межполосном пространстве ЛП предложены (в соавторстве с А.Т. Барабановым, А. И Крупчатниковым и М.К.Пружиным) приемы, обеспечивающие дальнейшее уменьшение смыва путем дифференцированного крупнополосного размещения почвозащитных и стокорегулирующих фонов (а.с. 1404000) и регули-ровглие снегоотложения изменением ветропроницаемости ЛП в сочетании с кулисами из высокостебельных растений (патент 1799234).
Создание системы ЛП на расчетной основе с использованием
способов повышения их стокорегулирующих и противоэрозионных Функций позволяет многократно уменьшить смыв почвы, з ряде случаев исключить вынос мелкозема и загрязнителей с территории зодосборов. существенно увеличить расстояние между ЛП и соответственно уменьшить отвод пашни.
Разработаны и реализованы в пакете оригинальных прикладных программ (с использованием систем Surfer, AutoCAD) основные процедуры системы автоматизированного проектирования (САПР) лесомелиоративных и иных противоэрозионных мероприятий. Технология САПР включает создание соответствующих баз нормативных данных, компьютерного (сканированного) образа топокарт, перевод графического изображения в текстовый код, прокладку линий тока, расчет уклонов, смыва, положения рубежей (лесополос и др.), построение карт уклонов, текущего смыва, выполнение сметно-финансовых расчетов, тиражирование документации. САПР существенно повышает качество и производительность проектных работ при минимальных потребностях з услугах специалистов высокой квалификации.
Заключение
Анализ и обобщение фактических данных и известных теоретических положений позволили выдвинуть и разработать ряд концепций и моделей, определяющих существенно новую трактовку важных моментов эрозионно-гидрологического процесса (ЭГП) и его специфики в связи с противоэрозионной лесомелиорацией территории, уточнить особенности ветроломного эффекта ЗЛН, а также прояснить аспекты парадигмы лесной мелиорации и ее методологии.
Анализ многообразных локальных и пространственных функций ЗЛН позволяет выявить их специфичный сложный характер - детерминированный в приопушечной зоне и прикроновом пространстве и вероятностный
- 38 -
квазистационарный вне зоны влияния насаждений.
Объектом лесомелиоративной науки является физика неравновесного (переходного)-о--:;;томассообмена в приземном слое атмосферы и поч-вогрунтах. а ведущей методом - метод градиентных сечений (трансект). Разработка системы новых более точных и производительных (в 3-5 и более раз) методов, приборов и устройств для исследования ЭГП, в том числе в полумодельных экспериментах с применением разработанного метода напуска воды, позволила получить ранее недоступные оценки явлений процессов и накопить в сжатые сроки обширный фактический материал для верификации разнообразных моделей.
Важное значение для теории инфильтрации имеют выдвинутые концепции образования сплошной менисковой пленки и ледяного экрана. Они оказались весьма плодотворными в раскрытии природы взаимодействия осадкоз с почвой, установлении критериев перехода безнапорной инфильтрации в напорную и начала стокообразования, определении особенностей усвоения влаги мерзлой почвой, специфики процесса термоинфильтрации талых вод. связанной с энергомассопереносом на границе раздела талой и мерзлой почвы. Анализ условий формирования талого стока привел к установлению правила: сток Формируется при наличии ледяного экрана, и наоборот, наличие стока есть диагностический признак формирования ледяного экрана. Предложено уравнение для прогноза инфильтрации и стока талых вод на пашне и в лесных к падениях. Полазака возможность использования при прогнозировании площадной дистанционной оценки поверхностной влажности мерзлой почвы взамен ручного отбора ее образцов, что существенно повышает оперативность и точность прогноза.
Концепция образования ледяного экрана, определяемого скоростью тепломассообмена, его протаивания и обусловленного этим поступления влаги в почву объясняет многие известные явления, в том числе эффект "запирающего слоя" (И.Л.Калюкный и др.) и главные парадоксы усвоения
влага оттаивающей почвой - формирование стока при исключительно низкой интенсивности снеготаяния (тысячные и сотые доли мм/мин) и значительном свободном меж- к внутриагрегатном норовом пространстве, а также равенство количества усвоенной почвой влаги ее дефициту (разности между полной влагоемкостью и естественной влажностью в талом слое). С этих позиций ясна бесперспективность рыхления, щелеват:;!, кротсвания, поделки микрорельефа на пашне и т.п. приемов, не обеспечивающих контакта с талыми слоями почвы, и необходимость разработки приемов, уменьшающих промерзание почвы до глубины 30-50 см, а также устройства рубежей с талой почвой.
Модель инфильтрации (водопоглощения) Ю.Б.Виноградова, адаптированная автором к условиям подтока вод полевого стока в лесные насаждения, позволяет адекватно обобщить всю обширную эксперименталь-тэльну» информации по стокорегулирующему эффекту лесополос, уплотненной пашни и зяби с подтоком и без него. Лесополосы обеспечивают сокращение слоя талого полевого стока п среднем на 5-35 мм, в сочетании с гидротехническими приемами на 10-65 мм (в годи с очень высокой водностью до 70-80), с применением'валов-террас на межполосных полях - на 40-50 мм (до 100) в сравнении с 5-7 мм (максимум до 10-15) стокорегулирующего эффекта наиболее совершенных агротехнических приемов. Снежные шлейфи лесополос способствуют поглощению до 30-60 мм слоя полезого стока. Вне лесополос гидротехнические приемы менее эффективны. Биологические средства усиления водопоглощения в лесополосах (мульча и др.) менее эффективны, но при сочетании с гидротехническими обеспечивают максимально возможный стокорегулирующий эффект лесополос.
Установлены основные закономерности изменения максимального водопоглощения VJm талых вод в лесополосах: его величины наибольшие (в среднем 1400 ш) в черноземной и меньшие в нечерноземной (860 мм) и каштановой (530 ш) зонах; слабая связь с шириной лесополосы при
тенденции возрастания с ее увеличением (максимум до 2900 мм) на черноземах при хорошем состоянии насаждения. Сочетание лесополос с гидротехническими и другими приемами способствует увеличению Wm в среднем до 3300-5000 мм (в отдельных случаях до 12000 и более), т.е. до уровня в девственных лесах, без заметных зональных различий.
■ Получены параметры функций вероятности превышения величины Wm, построены карты стока талых вод на пашне (в соавторстве с А.Т. Бара-бановым). Это позволяет выполнять надежные расчеты водопоглощения и стока на пашне, а также сгокорегулирующего эффекта ЗЛН с применением функида водопоглощения при разнообразном сочетании слоя полевого стока, длины полевого склона, ширины насаждений, почвенно-климати-ческчх условий. Выявлены закономерности повышения стокорегулирующего эффекта (увеличения слоя суммарного водопоглощения и сокращения слоя полевого стока) и снижения стокорегулирующей эффективности (отношения водопоглощения к подтоку) о уменьшением ширины лесополос, увеличением слоя полевого стока и длины склона. Они позволяют строить гибкую оптимальную систему при разном сочетании ширины лесополос и расстояний между ними: узкие лесополосы с частым размещением на склонах и широкие - с редким.
Б результате анализа гидрологического режима ландшафтов обосновано положение о гомеостазе основных гидрологических характеристик: высокой инфильтрационной способности почв девстьм их лесов и травянистой целины (Wm до 8000 мм и более), слабого (0-5-Ю мм) поверхностного стока или его отсутствия, что обусловлено уникальным сочетанием высокой скважности и исключительной водопрочности почвенной структуры, а также наличием лесной подстилки и степного войлока. Антропогенное вмешательство резко снижает инфильтрационную способность почвы (на'пашне Ш , обычно 50-100, реже 100-400, максимум 700-1300 мм) и повышает талый сток на пашне (в среднем до 5-35 мм в .сухой степи и 50-85 в лесостепи и лесной зоне) и на пастбищах (до
60-100 и даже 240 км в балках). В сравнении с травянистой целиной темпы деградации и глубина "деградационной ямы" в лесных насаждениях меньше и практически полное восстановление высоких инфильтрашютшх свойств их почв возможно уже через 5-1С лет после посадки насаждений. Это определяет приоритет профилактических мер при освоении новых территорий, а также сохранения и создания "анклавов" лесной и травянистой растительности. В антропогенно нарушенном ландшафте радикальное улучшение гидрологического режима агротехническими приемами недостижимо; требуется комплекс мероприятий, в первув очередь контурных совмещенных лесомелиоративных и гидротехнических рубежей -не альтернативы другим приемам, а безусловной составной части их системы.
Разработана эрозионно-гидрологическая классификация системы почвоводоохранных мероприятий. Такая система в обозримой перспективе может, быть только рубежной. Это значит, что на всей земледельческой территории возвращение гидрологического режима к естественному гомео-стазу недостижимо; оно возможно лишь локально в анклавах лесной и травянистой растительности с особым режимом их охраны и поименением специальных антропогенных средств. Такова дань, которую платит человек за право вести земледелие.
На основе предложенной концепции тождественности функций формы склона н зрозионно-аккумулятивного процесса (ЭАГ1) разработана теоретически обоснованная математическая модель единого ЭАП. В ее основу положены фундаментальное уравнение диффузии, законы гидравлики и гидромеханики взвесенесущих потоков. Получена универсальная высокоточная Функция (логистическая) формы выпукло-вогнутых склонов . выявлена их эволюция при денудации,впервые рассчитаны текущие ("точечные") значения отметок склонов, уклонов, смыва, морфометрических характеристик рельефа, выполнены расчеты противоэрозионных рубежей на допустимый смыв (1-2 т/га). Эти разработки позволяют выполнять гео-
морфологическое, почвенно-эрозионное, ландшафтное картографирование, районирование и др. процедуры в автоматическом режиме с применением ЭВМ. Установленная .:;ифика динамики ЭАП в межполосном пространстве призела к разработке (в соавторстве с А.Т. Барабановым, А.И.Крупчат-никовым и М.К. Пруииным) приемов и средств совершьлствования систем ЗЛН. обеспечивающих дополнительное снижение эрозии.
Разработана теория генезиса пространственно-временных форм эрозионных размывов (водороин, промоин, оврагов, долин) и их классификация на основе эволюции склонов в спонтанной последовательности "обрыв - обвально-осыпной склон - делювиальный - склоны делювиаль-но-прэлювиальной и аллювиальной аккумуляции". Обоснованы теоретические положения формирования плановых очертаний и трехмерной конструкции элементарных лощинно-балочно-долинных водосборов в ходе ЭАП. Причины обмеления рек объясняются эволюцией параметров водосборов, т. е. этапом их геоморфологического и биоклиматического развития (незавершенностью валдайского эрозионно-аккумулятивного цикла), на фоне действия антропогенного фактора. Сформулированы математические критерии, объединяющие геоморфологические концепции Девиса и Пенка. Параметры водосборов позволяют оценивать характеристики систем ЗЛН при перспективном планировании и составлении региональных и генеральных схем лэоомелиоративных и иных почвоводоохранных мероприятии.
Для обоснования систем ЗЛН в районах совместного п; явления вредоносного действия воды и ветра требуется разработка критериев, определяющих ориентацию ЗЛН с учетом рельефа или направления ветра. Пре;ложен и реализован метод расчета реальной ветроломной эффективности ЗЛН. Картографирование и районирование территории выявили, что на большей части основных земледельческих районов Сев.Евразии размещение ЗЛН с учетом рельефа обеспечивает вместе с тем высокую реализацию их ветроломных функций. Это обусловлено объективными законами ветрового режима средних широт и спецификой ветроломного эффекта
ЗЛН, слабо изменяющегося при их отклонении от преобладающего направления ветра. Установлено , что преобладающая ось направлений ветра Формируется в виде "колеблющегося" вектора (пучка) и определяется взаимным положением центров низкого и высокого давления, а его вариация - также динамикой этих центров и свойствами подстилающей поверхности.,'
Совокупность сформулированных принципиальных подходов, предложенных моделей,' полученных оценок характеристик ЭГП с учетом его специфики в зоне влияния ЗЛН позволили разработать и реализовать основные процедуры системы автоматизированного проектирования (САПР) лесомелиоративных и иных противоэрозионных мероприятий.
Выполненные теоретические, методические и прикладные разработки могут быть использованы при решении обширного круга вопросов научной, учебной и практической деятельности (планирование, проектирование, осуществление почвозащитных мероприятий) в лесомелиорации и других сферах, относящихся к рационализации взаимоотношений человека и природы: экологии, физической географии, геоморфологии, эрозиове-дении, почвозащитном земледелии.
По материалам диссертации опубликованы.следующие основные работа:
1. Водорегулирующая эффективность насаждений на серых лесных почвах // Докл. на н.-т. конф. асп. и мол. ученых. - Волгоград. 1965. - С. 44-45.
2. Изучение водопроницаемости серых лесных почв при искусственном дождевании // Мат-лы н.-т. конф. асп. и мол. ученых. - Волгоград, 196Т. - С.26-29.
3. Величина водопоглощения в насаждениях и некоторые Факторы, ее определяющие // Мат-лы н. -т. конф. асп. и мол. ученых. - Волгоград, 1968. - С. 33-38.
4. Изучение водопроницаемости серых лесных почв полевых и лесных угодий при искусственном дождевании // Бюл. ВНИАЛМИ. - Волгоград, 1970. - Вып ¿'(60). - С. 44-46.
5. Повышение эффективности водорегулирующей роли лесонасаждений на серых лесных почвах // Вестник с.-х. науки. - 1971. - С. 93-99 (соавт. - Г.П.Сурмач). ' •
6. Противоэрозионную агротехнику - полям // Степ, просторы. -1975. - С. 17-18 (соавт. - А.Т.Барабанов, В.П.Борец).
'. Гидрологическая и противоэрозионная роль лесных насаждений //Науч. тр. ВАСХНИЛ. -И.: Колос, 1975. - С. 220-299 (соавт. -Г. П. Сурмач. В. И. Панов, А. В. Котов).
8. Перспективы развития агролесомелиоративных и других мер борьбы с водной эрозией в Нечерноземной зоне СССР// Науч. тр. ВАСХНИЛ. -М.: Колос, 1Е76. - С. 342-346 (соавт. - Г.П.Озолин).
9. Сохранять и умножать плодородие почвы.Опыт Курской области по борьбе с водной эрозией почв // Земледелие. - 1977. - N 12. -С. 33-35 (со.шт. - А.П.Рукавпцын, Д. Е. Ванин и др.).
10. О влиянии уклона на поверхностный сток // Научн. тр. ВАСХНИЛ,- М.: Колос. 1977. - С. 56-65.
11. Умножать богатства черноземов // Сельские зори. - 1978. -N1. - С. 26-30 (соавт. - Д.Е.Ванин, Л.Я.Захарченко и др.).
12. Пути повышения водорегулирующей и противоэро: иной эффективности лесных насаждений /Лез. докл. Всесоюз. конф. - Одесса, 1979. - 4.2. - С. 10-11.
13. Самописец уровня воды. - Инф. листок ЦНТИ. - Курск, 1979. -« 356-79. - 4 С.
14. Расчет реальной дальности ветролошого влияют лесных полос // Гез. докл. конф. - Челябинск. 1980. - С. 34-35.
15. Пути совершенствования лесомелиоративных противоэрозионных мероприятий // Мат-лы совещ. лесоводов... - М.. 1980. - С. 29-34.
16. Пути повышения стокорегулирущей эффективности искусственного микрорельефа на зяби // Мат-лы Всесоюз. н.-т. конф. ВЙСХОМ-ВНИИЗиЗПЭ. - М., 1980. - С. 17-19 (соавт. - А.Т.Барабанов).
17. Почвозащитная система земледелия Курской области // Земледелие. - 1981. - N 8. - С. 5-9 (соавт. - Д.Е.Ванин. A.B.Посохов, А.Т.Барабанов и др.).
18. Организационно-методические подходы к исследованию противо-эрозионных комплексов на водосборах малых рек // Мат-лы III Всесоюз. науч. конф. - М.. 1981. - С. 131-133 (соавт. Д.Е.Ванин. A.B.Посохов, А.Т.Барабанов).
19. Картирование осей преобладающих направлений ветров на основе количественного' анализа их повторяемостей//Н.-т. бюл. ВНИИЗиЗПЭ.-Курск. 1981. - Вып. 2(29) - 81. - С. 62-68.
20. Методика предварительного изучения эффективности почвозащитных приемов // Земледелие. - 1982 - N 2. - С. 60-61. (соавт. -М. К. Пружина. Н.И.Картамышев, А.В.Посохов, И.Т.Бардунова).
21. Лесомелиорация - важное звено системы почвозащитных меро-Яриятий в Центральном Черноземье // Земледелие. - 1982. - N 5. -С. 26-28.
22. Способ оценки эффективности противоэрозионных и стокорегу-лирующих приемов на склонах. - Изобр. и рац. предложения, рекомендуемые МСХ СССР для внедрения в производство. - М.. 1982. - Вып. 4. -С. 11-12 (соавт. - М.К.Пружина, Н.И.Картамышев и др.).
23. Размещение противоэрозионных лесонасаждений при контурной организации территории // Проблемы и резервы контурного земледелия. - М.: КОЛОС. 1982. - С. 87-98.
24. Эффективность созданных на зяби микронеровностей // земледелие. - 1983. - N8. - С. 12-14 (соавт. - А.Т.Барабанов).
25. Классификация форм эрозионного размыва на основе генетического анализа их пространственно-временной эволюции // Бюл.
- 46 -
МШАЛМИ. - Волгоград. 1984. - Bun. 2(43). - С. 11-15.
26. Расчет смыва на основе анализа формы склона // Тез. докл. -Ворошиловград. 1935. -Т.1. -С. 57-58.
27. Принципиальные подходы к методике определения водопоглоще-ния е лесонасаждениях при подтоке // Рац. использ. эродир. земель. -Тула. 1985. - С. 30-36.
28. Аналитическое описание формы горизонталей // Бюл. ВНИАЛМИ.-Волгоград. 1987. - Вып. 2(51). - С. 55-56.
29. Применение логистической функции как универсальной зависимости для описания продольного профиля склонов разной формы // Бюл. ЕНИШШ. - Волгоград, 1987. - Вып. 3(52). - С. 51-54.
30. Основные направления в противоэрозионной мелиорации // Весш. с.-х. науки. - 1988. - К 1. - С. 145-151 (соапт. - А.Т.Барабанов, И.Г.Гиков).
31. Выбор способа размещения лесополос на водосборах с учетом направления вредоносных ветров // Сб. науч. тр. ВНИАЛМИ. - Волгоград. 1988. - ВЫЛ. 1(93). - С. 30-42.
3:2. Формально-ггнетический анализ горизонталей (рельефа местности) в связи с контурным размещением противоэрозипнных лесонасаждений // Там же. - С. 79-91.
33. Анализ вариантов математической модели эволюции Ф^рмы скло на в результате эрозионно-аккумулятивного процесса // Ср. иауч. тр ЗНИАЛКй. - Волгоград, 1989. - Вып. 3(98). - С. 70-84 (соам.-A.H.Ca лугин).
34. Оценка эффективности ветроломных лесополос на юго-восток ЕТО на основе регрессионно-статистического анализа повторяемое! направлений ветра // Сб. науч. тр. ВНИАЛМИ. - Волгоград. 1989 Вып. 3(98). - С. 70-84.
35. Ориентация лесных полос в Алтайском крае с учетом преоблг дающего направления ветра // Бюл. ВНИАЛМИ. - Волгоград. 1990. - Вьп
2(60). - С. 8-14.
36. Обоснование способа расчета смива и расстоянии между лесными полосами по критерию допустимой эрозии//Сб. науч. тр. ВНИАЛКИ. -Волгоград. 1990. - Вып. 1(99). - С. 96-105.
37. Accumulation de l'eroalon et methodes de son etude // Recueil de conferens. - PNUE - IKRAF. - Moscou. 1990. - P. 376-392.
38. Аналитическое выражение единого эрозионно-аккумулятивного процесса универсальной функцией формы склона // Сб. науч. тр. НИИПиФ. - ПущИНО, 1990. - С. 121-126.
39. Единый эрозионно-аккумулятивный процесс (ЭАП): концепция, модель, расчет // Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - М. : МГУ, 1991. -С. 38-39.
40. Полевое моделирование эрозионно-гидрологического процесса в лесокелиорашга. - ИнФ. листок ЦНТИ. - Волгоград. 1992. - M 507 - 92. -Зо.
41.Технология проектирования стокорегулирующих лесополос на расчетной основе. - Инф. листок ЦНТИ. - Волгоград, 1992. - N 519 -92 - 3 с.
42. Концептуально-методологические аспекты лесомелиорации // Сб. науч. тр. ВНИАЛКИ. - Волгоград. 1993. - Вып. 1(105). - С. 12-24.
43. Контурная организация территории и лесомелиорация // Земледелие. - 1993. - И 7. - С. 9-10 (соавт. - А. Т. Барабанов).
44. A Model of Erosion and Accumulation Processes (EAP) // Intern. Workshop Soil Erosion. - Moscow. Russia Sep. 20-24. 1993. -Purdue Univ. West Lafayette. - 1994. - P. 118-135.
45. Водопоглоцение при подтоке в лесное насаждение // Сб. науч. тр. ВНИАЛКИ. - Волгоград, 1995. - Вып. 1(106). - С. 158-173.
№ Г 020763 24.03.93. Подписано в печать 9.10.95. Тираж 100. Заказ 10 Печят.лист 2. 400062 г.Волгоград ул.Кгачнопрезнензкая, 39. Печатко-множительный участок МИШМИ.
-
Гаршинев, Евгений Александрович
-
кандидата сельскохозяйственных наук
-
Волгоград, 1995
-
ВАК 06.03.04
- Роль стокорегулирующих лесополос во взаимодействии природных и антропогенных факторов эрозионно-гидрологического процесса в Нижнем Поволжье
- Обоснование и разработка методов борьбы с водной эрозией на водосборах малых рек Саратовского Правобережья
- Почвоводоохранная роль мелиоративных мероприятий на водосборах малых рек Приволжской возвышенности
- Системы адаптивно-ландшафтных мелиораций водосборов малых рек Нижнего Поволжья
- Противоэрозионная эффективность защитных лесных насаждений в агроландшафтах юго-востока Украины
