Водно-физические свойства и водный режим почв города Ростов Великий

Волгин, Сергей Алексеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Водно-физические свойства и водный режим почв города Ростов Великий
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Водно-физические свойства и водный режим почв города Ростов Великий"

На правах рукописи

Волгин Сергей Алексеевич

ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ ГОРОДА РОСТОВ ВЕЛИКИЙ

06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г. Москва 2008 г.

003450269

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Шеин Е.В.

доктор технических наук Болгов М.В.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Мазиров М.А.

кандидат биологических наук Стома Г.В.

Ведущее учреждение: Владимирский научно-исследовательский

институт сельского хозяйства

Защита диссертации состоится « А ноября 2008г. в 15 ч 30 мин в аудитории М-2 на заседании Диссертационного совета Д 501.002.13 при МГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения, факс (495) 939-36-84 E-mail :phys@soil.msu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения МГУ.

Автореферат разослан « $» октября 2008г.

Приглашаем вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного совета или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, Ученый Совет.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор

Зенова Г.М.

Актуальность исследований. Почвенный покров современного города весьма сложное почвенное образование. Он формируется не столько природными почвами, сколько антропогенными материалами. Это различный смешанный инородный для почв материал, имеющий разную природу: строительные отходы и мусор, многолетние культурные слои. Проблемам исследования городских почв посвящены работы Л. Л. Шилова, М.Н. Строгановой, В.Д. Тонконогова, И.И. Лебедевой, М.И. Герасимовой, Л.О. Карпачевского, Н.В. Можаровой, Т.В. Прокофьевой, , Е.С Дзекер., М.В. Болгова, Т.Ю Голубаш. и др.

Основная проблема центральной исторической части города Ростов Великий - это подтопление почв и располагающихся на них зданий и сооружений, повышенная влажность и анаэробиоз корнеобитаемого слоя почв, используемых в частном секторе.

В настоящее время подтопление городских территорий имеет различные причины, такие как слабая дренированность территории, отсутствие сброса поверхностного стока и многие другие. Проблемы повышенного увлажнения почв необходимо решать с помощью методов математического моделирования, требующих экспериментального почвенного гидрофизического обеспечения. Эти методы являются основой для расчетов прогнозных рисков подтопления. Однако, экспериментальных данных по гидрофизическим свойствам городских почв недостаточно, что не позволяет оценить риск подтопления зданий, сооружений и городских агроугодий.

Цель работы: исследование гидрофизических свойств и элементов водного режима почв города Ростов Великий для оценки риска подтопления. При выполнении работы были поставлены следующие задачи:

1. Изучить гидрофизические и физические свойства почв основных районов г. Ростова Великого.

2.Проанализировать характеристики поступления влаги, распределения ливневых осадков, весеннего стока, отточность грунтовых вод и другие аспекты гидрологии территории (по фондовым данным).

3.Изучить особенности почвенной гидрологии г.Ростова Великого с использованием дистанционных электрофизических методов (метод ВЭЗ).

4.Параметризировать и апробировать прогнозную математическую модель движения влаги для почв основных районов г. Ростова Великого.

5.С помощью поливариантных расчетов проанализировать гидрологическую ситуацию, выяснить причины и оценить риск подтопления зданий, а также риск неблагоприятных агрофизических условий в корнеобитаемой толще (риск переувлажнения корнеобитаемой толщи).

Научная новизна. Разработана методика по оценке риска подтопления сооружений, включающая анализ особенностей атмосферного питания грунтовых вод, экспериментальное исследования гидрофизических свойств и поливариантные прогнозные расчеты динамики уровня фунтовых вод (УГВ) в годы различной обеспеченности, а также расчет риска переувлажнения корнеобитаемой толщи (агрофизический риск), как вероятности появлени

воздухосодержания <10% в течение вегетационного периода в годы различной обеспеченности осадками.

Практическая значимость. Полученные данные свидетельствуют о том, гидрологические условия г.Ростов Великий указывают на наличие риска подтопления за счет слабой отгочности грунтовых вод, зависимости их уровня от количества атмосферных осадков, практически полным отсутствием поверхностного стока и его регулирования. Экспериментальные исследования пространственного распределения гидрологического состояния почв города, проведенное методом ВЭЗ, позволили выделить зоны с близким (менее 1 м) уровнем капиллярной каймы грунтовых вод и зон с повышенным увлажнением (за счет грунтово-атмоферного питания). Апробирована и экспериментально адаптирована для условий г.Ростов Великий математическая прогнозная модель поливариантного расчета водного режима почв и динамики УГВ. Впервые рассчитаны риски повышения увлажненности почв под сооружениями (УГВ<1 м) и переувлажнения агропочв в годы различной обеспеченности. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на III Международном научно-практическом Симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (г. Сергиев Посад, 2006); XIV Международной Конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2006», (г. Москва); IX Всероссийской конференции «Докучаевские молодежные чтения» (г.Санкт-Петербург, 2006); X Всероссийской конференции «Докучаевские молодежные чтения» (г.Санкт-Петербург, 2007); III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (г.Оренбург, 2007); Всероссийской конференции «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии и сельском хозяйстве на пути к инновациям» (г.Москва, 2008). Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ. В том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Объем и структура диссертации. Работа изложена на /¿^ страницах машинописного текста, содержит /0 таблиц, JJ> рисунков. Состоит из введения J¿ глав, выводов и списка литературы из наименований, в том числе иностранных языках, приложений.

Автор работы искренне выражает благодарность за оказание помощи поддержки в выполнении и написании работы Голубаш Т.Ю,.Позднякову А.И., Загребельной Е.В., настоятелю храма Козьмы и Димиана св. отцу Александру.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Особенности гвдрологин городских почв н грунтов

Топография. Ростов Великий расположен в пределах так называемой Ростовской низины. Поэтому считается, что проблема подтопления города связана с его положением, близким к оз. Неро, а также низкой дренированностью. Поверхностный сток на данной территории практически отсутствует, а базисом дренирования является озеро Неро. Такие условия способствуют поднятию УГВ в результате выпадения осадков, что вызывает

разрушение строении города, в особенности исторических церквей и памятников архитектуры

Рельеф территории города схематически представлен на рис. 1.

- местоположения основных разрезов

Рис. 1 Топографическая карта-схема исследуемой территории (по материалам Института Водных проблем РАН)

В настоящее время рельеф имеет весьма низкий показатель общей расчлененности - 1,6 км/км2. Это свидетельствует о неудовлетворительной густоте расчленения и малых уклонах поверхности. Большая часть города расположена на первой озерной террасе (абсолютные отметки 97—103.5 м), сложенной верхнечетвертичными отложениями: зеленовато-серыми суглинками и серыми пылеватыми песками. Поверхность террасы в основном ровная, уклоны не превышают 1°-3°, уступ в сторону озера имеет крутизну около 20°.

Элементы гидрологии. На карте-схеме гидрогеологической характеристики в пределах города выделяются бессточные зоны, где аккумулируется поверхностный сток (рис. 2).

РОСТОВ ВЕЛИКИЙ

-- - каналы

— границы чикроволосборов 1,25 номера микроводосборов

* -у >-!ы канализационной ссги. к которые нос1\мае1 поверхностный сшк

* промежуточные утлы - бессIочные обласгк, аккуму.тиру гошис

поверхностный сток

С-1""

__1 -01

Рис.2 Карта микроводосборов (по материалам Института Водных проблем РАН)

К сожалению, большая часть каналов, которые должны отводить поверхностный сток, в настоящее время действует плохо или не действует вообще. Все это создает особые гидрологические условия для города: слабая отточность грунтовых вод и их прямое питание атмосферными осадками.

В среднем годовые амплитуды уровня грунтовых вод составляют 0,3-1 метр. Результаты анализа данных разовых замеров глубин залегания грунтовых вод показывают, что в среднем глубина залегания УГВ на территории города составляет около 1-го метра. Эмпирическая кривая распределения обеспеченности глубин залегания УГВ (рис. 3 ) показывает, что более чем в 90% случаев глубина залегания уровней составляет менее 2-х метров, в 50% случаев - менее 1-го метра, а в 5% случаев УГВ практически выходят на поверхность.

Климатическая характеристика. Климат Ярославской области умеренно-континентальный. Среднегодовые осадки составляют 523мм. На рис. 4 представлена кривая обеспеченности осадками, составленная нами по данным фондовых материалов.

§ 0J-

0.5 - среднее значение вероятности превышения, соответствующее УГВ м

600 560 520 480 440 i 400 360 320 260 240

Рис 4. Кривая обеспеченности осадками г.Ростов Великий (построена по материалам ИБП РАН за 30 лет)

Рис 3 Эмпирическая кривая распределения вероятностей уровней грунтовых вод (построена по материалам ИВП РАН. 451 скважина)

Количество осадков на период май - октябрь составляет от 219 до 589мм. Года 50%-ной обеспеченности в этот период имеют около 380 мм осадков.

Глава 2. Метод математического моделирования для оценки гидрологии почв

В этой главе рассматриваются вопросы использования методов математического моделирования для оценки и прогноза водного режима почв, как основного элемента расчета прогнозного риска. Указывается необходимость установки начальных и граничных условий объектов исследования, а так же экспериментального получения основных почвенных свойств. Показано, что в настоящее время только использование физически обоснованных моделей позволяет предсказывать режим водный почв при

различных метеорологических и гидрогеологических условиях, тем самым являясь основой для расчета рисков.

Глава 3. Объекты и методы

Почвенный покров и основные физические свойства почв. Город Ростов Великий расположен в зоне дерново-подзолистых почв, но территория города представлена специфическими городскими почвами. Их достаточно сложно классифицировать. Культурный слой в этих местах достигает 5 м. Если обратится к классификации Л.Л. Шилова и рассмотреть эти почвы как антропогенно-преобразованные в системе таксонометрических единиц, то можно отнести их к стратоземам. По данной классификации, это почвы, образованные в результате целенаправленного или спровоцированного поступления на поверхность естественной почвы минерального или гумусированного материала. По классификации М.Н. Строгановой рассматриваемые почвы относятся к урбаноземам - почвам антропогенно-глубокофизически-преобразованные. Профиль урбанозема характеризуется отсутствием природных генетических горизонтов до глубины 50 см и более (табл. 1)

Табл 1

Краткое описание некоторых характеристик объектов исследования

№ разреза местоположение Краткое название почвы Краткое описание

Т1 Т2 Т4 Т5 Т6 Монастырский сад(Ростовский Кремль). Монастырский сад (Ростовский Кремль) Хр. Исидора Блаженного Хр. Козьмы и Доминиана Центральный сквер антропогенно-преобразованная (стратозем или урбанозбм) Профиль представлен разнообразным количеством слоев различного гран, состава и плотности, многочисленные включения строительных обломков. Культурный слой УГВ менее 150см

ТЗ Комсомольский парк (Урбо) - дерново-луговая оглеенная Верхняя часть профиля легкосуглинистая, темно- серая, гумусированная, с 28см средний суглинок с признаками оглеения УГВ 152см.

Т7 Частный сектор города («Огород») (урбо, агро)-торфяно-болотная 0-50 см - торф с песком 50-75- - темно-сизовато-серый слой минерального смешанного с торфом грунта, оглеен с уровнем грунтовых вод около 60-70 см

Основные разрезы заложены в характерных частях города - в древней его части (в Кремле), у некоторых церквей, а также в частном секторе и парковой зоне. Отметим, что профиль большинства почв не имеет характерных почвенно-генетических горизонтов, а выделяются лишь слои, различающиеся по морфологии, гранулометрии и другим свойствам.

По имеющимся данным проведенных исследований почв, анализу топографии, растительности и застройки, на территории города было выявлено три основных почвенных разности ( рис 5). Самую большую распространенность имеют почвы, приуроченные к наименее затронутым строительством за вековую историю города участкам. Это территории парков (разрез ТЗ) и огородов (разрез Т7) частного сектора. Вторую группу составляют почвы исторического значения, представленные в основном культурным слоем, который достигает в некоторых местах мощности в 5 метров и более (разрезы

Т1-Т6). Именно эти территории имеют важную историческую ценность, на них расположены исторические здания, испытывающие переувлажнение.

"('"'.■'С'Т" -.1* (сгрчгл '.-н 'Л*

Рис 5 Карта-схема основных почвенных разностей

Методы исследования. Были проведены исследования основных почвенных характеристик по профилям восьми разрезов:

гранулометрический состав - на лазерном дифрактометре Апа1угеИе-22; основные гидрофизические характеристики (ОГХ)— метод центрифугирования, метод тензиостатов, метод десорбции над насыщенными растворами солей; коэффициент впитывания - метод трубок с постоянным напором; содержание органического вещества — метод сжигания в потоке кислорода; плотность сложения - буровой метод; плотность твердой фазы - метод пикнометров; гидрологическое состояние объекта - метод вертикального электрического зондирования. Также использовались математические методы анализа и прогноза: статистический анализ - с помощью программы 8ТАТ18Т1СА; прогноз динамики влажности почвы и уровня грунтовых вод - с помощью программы Нус1гиз Ш.

Глава 4. Результаты и обсуждения

Почвенные характеристики и свойства. Анализ гранулометрического состава показал, что почвы в основном относятся к пылеватым и опесчаненым суглинкам, за редким исключением к суглинистым пескам или суглинкам. По российской классификации - это в основном средние суглинки (табл. 2).

Плотность сложения (табл. 2) этих почв по профилю имеет весьма неоднородный, вариабельный характер, что связано с высокой слоистостьстью этих почв, в поверхностных горизонтах значения варьируют 0.98 до 1.34 г/см1, плотность твердой фазы (табл. 2) имеет величины от 2.48 до 2.7 г/см3. Столь высокая вариабельность значений плотности твердой фазы связана, прежде всего, с высоким варьированием содержания органического вещества (табл. 2), которое накапливалось в этих почвах в результате антропогенных процессов осадконакопления.

Также были исследованы такие физические свойства, как влажность, близкая к насыщению (табл. 2), которая варьировала от 37% до 77%. В полевых условиях методом трубок послойно был исследован коэффициент

впитывания (табл. 2). Распределение коэффициента впитывания по слоям показывает, что этот коэффициент варьирует в профиле почвы весьма заметно, что может приводить к сложным трудно прогнозируемым гидрологическим явлениям. Кроме того, по объектам исследования значения этих характеристик также варьируют в широких пределах: от практически водоупора до провальной водопроницаемости (как разрез ТЗ в Комсомольском парке).

Столь большие различия по водопроницаемости почв указывают на наличие участков на территории города с повышенной фильтрацией, которые будут быстро фильтровать воду и пополнять грунтовые воды. Участки же с низкой водопроницаемостью будут способствовать формированию и концентрированию поверхностного стока.

Среди гидрофизических свойств были исследованы ОГХ. На рис. 6, в качестве примера, представлены ОГХ разреза Т2 (Монастырский сад Ростовского Кремля). По полученным ОГХ можно отметить высокую вариабельность гидрофизических свойств исследуемых почв. Влажность завядания (рр =4.2) варьирует от 2% до 20%, а влажность, близкая к наименьшей влагоемкости, т.е. влажность при давлении 330 см водн.ст (рГ=2.5) - от 8% до 42%. Это указывает на сложность объекта исследований, его слоистость и вариабельность.

Монастырский сад Т2

Обьёмная влажностъ%

—•—0-5 -»—10-15 20-25 30-35 -*— 50-55 —•— 70-75 —(—123-126

Рис. 6. Основные гидрофизические характеристики (ОГХ) разреза Т2 (Монастырский сад)

Табл. 2

Некоторые физические и химические свойства основных исследуемых почв

Глубина Рь. г/смЗ Рз г/смЗ I К впит см/сут С% песок, % пыль,% глина, % Гран.Состав параметры аппроксимации ОГХ

0.05-2 0.002-0.05 <0.002 вг ее а 1/см п

Т1 Монастырский сад (на локальном возвышении) 0-10 0,90 2,48 63,49 288,0 4,02 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,50 0,15 1,59

10-30 0,84 2,58 67,47 252,0 4,10 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,54 0,10 1,55

30-50 0,98 2,59 62,21 333,0 4,58 н.о. н.о. но. Н.о. 0,01 0,49 0,11 1,53

50-70 0,88 2,55 65,49 378,0 2,82 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,52 0,10 1,49

700-100 0,67 2,46 72,83 243,0 5,02 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,58 0,10 1,47

100-146 0,67 2,48 Т2.83 300,0 2,48 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,58 0,10 1,49

146-170 1,05 2,45 57,25 300,0 4,11 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,44 0,10 1,52

170-200 1,05 ^45 57,25 300,0 4,11 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,44 0,10 1,59

Т2 Монастырский сад (в понижении) 0-10 1,51 2,57 41,18 500,0 н.о. 73 25,2 1,8 сугл. песок 0,01 0,50 0,10 1,55

10-20 1,47 2,68 44,96 400,0 н.о. 73,1 24,6 2,3 сугл. песок 0,01 0,53 0,10 1,58

20-30 1,25 2,51 50,09 180,0 Н.О. 66,9 30,2 2,9 опесч.сугл. 0,01 0,50 0,12 1,53

30-50 1,15 2,43 52,86 12,8 н.о. 60,2 36,4 3,4 опесч сугл. 0,01 0,48 0,11 1,51

50-70 1,13 2,48 54,45 46,3 н.о. 60,9 36,1 3 опесч.сугл 0,01 0,49 0,10 1,57

70-124 0,96 2,30 58,37 52,2 н.о. 35,4 61,7 2,9 пыл.сугл. 0,01 0,43 0,13 1,55

124-200 0,97 2,32 58,06 5,0 н.о. 29,5 66,6 3,9 пыл.сугл. 0,01 0,42 0,10 1,94

тз Комсомольский парк 0-18 0,94 2,40 60,88 580,0 4,24 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,60 0,10 1,47

18-30 1,10 2,56 57,07 366,0 4,02 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,56 0,10 1,51

30-50 1,20 2,58 53,36 184,0 3,57 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,55 0,10 1,57

50-72 1,32 2,64 50,11 256,0 1,10 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,52 0,10 1,56

72-106 1,59 2,66 40,10 345,0 0,23 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,40 0,10 1,65

106-140 1,62 2,73 40,70 136,0 0,03 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,41 0,10 1,62

140-200 1,59 2,62 39,43 136,0 0,20 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,39 0,10 1,84

Т4 Храм Исидора Блаженного 0-10 1,11 2,42 54,27 10,4 н.о. 54,2 42,7 3,2 опесч.сугл. 0,01 0,48 0,09 1,59

10-20 1,34 2,48 45,99 41,6 н.о. 57,1 40,7 2,3 опесч.сугл. 0,01 0,49 0,10 1,56

20-30 1,57 2,63 40,33 17,5 н.о. 72,8 24,3 2,8 опесч.сугл. 0,01 0,50 0,09 1,59

30-40 0,94 2,37 60.51 43,6 н.о. 66,9 30,1 3,1 сугл. песок 0,01 0,46 0,10 1,60

40-60 1,35 2,41 43,83 144,0 н.о. 53,3 42,5 4,3 опесч.сугл. 0,01 0,47 0,10 1,57

60-90 1,04 2,47 57,99 144,0 н.о. 55,5 40,5 4 опесч.сугл. 0,01 0,47 0,10 1,66

90-130 1,12 2,49 54,97 234,0 н.о. 57,5 39 3,5 опесч.сугл. 0,01 0,48 0,10 1,80

130-200 1,06 2,54 58,38 144,0 н.о. 52,9 43 4,1 опесч.сугл. 0,01 0,49 0,11 1,58

Табл. 2 (продолжение) Некоторые физические и химические свойства основных исследуемых почв

Глубина Рь, г/смЗ Р5 г/смЗ » % К впит см/сут с% песок, % пыль, % глина, % Гран.состав параметры аппроксимации ОГХ

0.05-2 0.002-0.05 <0.002 вг ев а, 1/см п

0) 0-10 1,24 2,70 53,98 200,6 и.о. 82,3 14,9 1,9 сугл, песок 0,01 0,54 0,10 1.47

н 10-20 1,42 2,20 35,48 16,9 н.о. 61,6 36,1 2,3 опесч.сугл 0,01 0,47 0,07 1,51

01 =г 20-34 1,74 2,59 32,60 508,8 н.о. 60,7 37,1 2,2 опесч.сугл. 0,02 0,46 0,10 1,60

34-50 1,32 2,54 48,23 22,2 н.о. 55,7 41,3 3 опесч.сугл 0,01 0,51 0,10 1,49

50-70 1,39 2,52 44,80 100,0 н.о. 57 39,4 3,6 опесч.сугл. 0,01 0,49 0,10 1,52

о. Д. о 5 70-90 1,62 2,65 38,89 100,0 н.о. 91,6 7,3 1,2 сугл. песок 0,00 0,50 0,10 1,50

ш о ЬС О. |£о о 90-110 1,50 2,62 42,55 41,8 н.о. 82,7 15,6 1,6 сугл. песок 0,01 0,51 0,10 1,50

110-200 1,35 2,50 46,02 13,3 н.о. 62,9 29,2 1,6 опесч.сугл. 0,01 0,50 0,16 1,52

X 0-10 1,11 2,65 57,97 580,0 3,72 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,46 0,09 1,57

л £ 10-30 1,24 2,61 52,44 366,7 4,20 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,43 0,10 1.47

30-50 1,34 2,60 48,54 184,2 5,49 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,37 0,10 1,61

8? * га 50-76 1,37 2,65 48,40 256,7 3,36 н.о. н.о. н.о н.о. 0,01 0,37 0,10 1,63

76-106 1,51 2,80 46,08 345,0 0,50 н.о. н.о. но. н.о. 0,02 0,37 0,10 1,87

г I 106-150 1,02 2,51 59,31 136,4 5,22 но. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,47 0,10 1.44

га | 150-190 1,16 2,61 55,46 136,4 2,75 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,44 0,10 1,67

190-200 1,16 2,61 55,46 136,4 н.о. н.о. н.о. н.о. 0,01 0,44 0,10 1,67

0-10 0,57 2,11 73,24 293,0 н.о. 50,3 48,9 0,8 опесч.сугл. 0,01 0,29 0,04 1,66

(У 10-30 0,58 2,10 72,50 110,0 н.о. 34,6 64,7 0,7 пыл.сугл. 0,01 0,34 0,09 1,46

>5 §. 30-58 0,42 1,84 77,00 106,1 н.о. 21,4 77,2 1,4 пыл.сугл. 0,07 0,41 0,08 1,89

¡2 58-66 0,79 2,18 63,99 106,1 н.о. 21,3 75,9 2,8 пыл.сугл. 0,07 0,41 0,08 1,89

^ * 8- 66-100 1,07 2,48 56,64 106,1 н.о. 20 73,8 6,2 пыл.сугл. 0,07 0,41 0,08 1,89

100-200 1,07 2,48 56,64 106,1 н.о. 20 73,8 6,2 пыл.сугл. 0,07 0,41 0,08 1,89

Примечание: и.о. - не определось; рь~ плотность почвы, р5-плотность твердой фазы почвы, порозность почвы, С - содержание органического вещества; название гранулометрического состава дано по международной классификации

подюпления

Рис 9 Расположение точек проведения ВЭЗ и выделение зон подтопления с выделением зон повышенного увлажнения

Использование метода

вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) для оценки состояния почв грунтовых вод. В условиях города традиционные почвенные исследования очень ограничены. В то же время требуется ландшафтная, т.е. пространственно распределенная информация о состоянии почв и грунтовых вод. В связи с этим были проведены исследования удельного электрического сопротивления методом вертикального

электрического зондирования (ВЭЗ). Этот метод широко внедряется в почвоведение (Поздняков с соавт., 1996 и др.). По изменению величин электрического сопротивления почвенно-грунтовой толщи можно судить об увлажнении или переувлажнении, а, следовательно, подтоплении, так как сопротивление почвы или грунта (естественного или искусственного) в значительной степени зависит от влажности и глубины расположения грунтовых вод. Метод ВЭЗ позволяет

расчленить почвенную толщу и подстилающие породы по вертикали на стратиграфические почвенные и подпочвенные слои.

С целью более детального изучения верхней 2-5 метровой толщи четвертичных отложений и почвенного покрова, применялась модификация ВЭЗ с расстояниями между электродами (разносами электродов) АВ и М>^ - от 10-15 см до 10 метров.

На территории г. Ростов Великий проведено 32 определения ВЭЗ по 9 линиям опробования с точками контрольного бурения и отбора проб почвы на влажность . В каждой линии было по 3-5 ВЭЗ (рис 9). Данные исследования основывались на том , что почвы г. Ростов Великий, расположенного в гумидной зоне с незасоленными почвами, имеют сопротивление верхней, неподтопленной части толщи значительно большее, чем нижней переувлажненной или подтопленной. Здесь формируется двухслойная кривая ВЭЗ. В случае переувлажнения всей почвенной толщи сопротивление по всей глубине зондажа должно быть практически одинаковым и определяется в основном текстурными свойствами почв и грунтов; то есть двухслойная кривая в этом случае вырождается в прямую, и, следовательно, почва переувлажнена по всей изучаемой толще. Удельное электрическое сопротивление переувлажненной, подтопленной почвенной толщи в г. Ростов Великий не

выше [—2 десятков Омм в случае суглинистого или глинистого материала и не более сотни - в случае песчаного.

Анализ ВЭЗ показывает, что зона влияния подтопления собственно оз. Неро не так велика. Она очерчивается изоомой в 25 Ом-м практически в прибрежной зоне с редким выходом грунтовых вод к поверхности в локальных понижениях.

Например, по ул. Московской, судя по ВЭЗам, подтопление проявляется практически непосредственно у озера на расстоянии 100-150 метров - ход I, ВЭ34 и ВЭ35(рис.!0 а,б). Эти два ВЭЗа имеют сопротивление по всей зондируемой толще не более 20-30 ом м в приповерхностных слоях и менее 10 Ом м с глубины 50 см и ниже. ВЭ32 и ВЭЗЗ имеют сопротивление значительно большие (200-300 Ом-м) практически по всей зондируемой почвенно-грунтовой толще. И только на полуразносах АВ от 200 до 400 см, что, примерно, соответствует глубинам 140-280 см, обнаруживается водоносный горизонт, так как сопротивление на этих глубинах не выше 15 Ом м для ВЭ32 и 200 Ом-м для ВЭЗЗ (по-видимому, это песчано-гравийный слой) (рис. 10а).

а) ом-м

0 1 00 2 00 300 0 100 200 300 200 300

§0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 30 60 0 10 20 30

ВЭЭ1 АВ\2|

200

400

Б00

8332 J_

ВЭ34 ВЭ35

100

200

300

400

L, и

500

___L

600

10 1 5 25 50 100 250 500 Ом"м

— ríl Ln-VHZ.- Ij)l

100,0

200,0 300,0 400,0 500,0 рлстоянне, i.i

600,0 700,0

Рис 10 Кривые вертикального электрического зондирования по ходу I (а); изоомы почвенно-электрического разреза по ходу I (б); расчетные глубины грунтовой воды и рельеф относительно уровня оз. Неро (в).

Заметим, что в пределах расположения ВЭ31, хотя он и находится на возвышенной части ул. Московской, с глубины 50-60 см почва подтоплена. Сопротивление по всей глубине зондажа меньше 20-25 Омм. Это свидетельствует о локальном источнике воды. На рис. Юв наглядно представлена глубина залегания капиллярной каймы относительно дневной поверхности, полученная интерпретацией кривых ВЭЗ Сравнение результатов по уровню грунтовых вод (рис. 1 1), полученных методом ВЭЗ, с известными из литературы данными, в частности с картой, указывающей подтопление по дешифрированию условных обозначений топографической карты большого масштаба, показывает, что заболоченные территории с близкими грунтовыми водами в основном сосредоточенны в северной части города

Рис 11 расположение возможных зон подтопления: а) по дешифрированию условных обозначений карты б) по среднему сопротивлению в) по интерпретации ВЭЗ (капиллярная кайма не глубже 1м)

Здесь подтоплены участки в районе ул. Гоголя, ул. Некрасова, район Комсомольского парка и узкая полоса вдоль прибрежной линии оз. Неро. Эти данные хорошо соотносятся с данными, полученными интерпретацией ВЭЗ и по среднему сопротивлению. За подтопленные территории принимались участки, на которых уровень грунтовых вод расположены не глубже 1 м. Однако есть небольшие расхождения, что вероятно связано с разными методическими основами составления карт.

Почвенные электрофизические исследования в г. Ростов Великий показали, что ситуация с подтоплением весьма сложна и разнообразна. Для более детальной оценки и подтопления города требуются более детальные обследования, по-видимому, до сотен точек зондирования с контрольными точками бурения. Грунтовые воды, учитывая их слабоотточный характер, могут изменять свою глубину с выпадающими осадками, снеготаянием. Прогноз их поведения - это весьма важный аспект любых экологических оценок и предпроектных изысканий. Прогноз водного режима городских почв г.Ростова составил одну и из основных задач работы.

Прогноз н расчет риска подтопления и агрофизического риска

Понятие риска используется в различных науках и практике: это экологический риск, санитарно-гигиенический риск, риск применения агрохимикатов и др. Существуют различные определения риска: «Риск - это

вероятность возникновения какого- либо события с предсказуемыми последствиями за определенный промежуток времени» (Онищенко, Новиков, Рахманин и др., 2002), «Риск - сочетание вероятности нанесения ущерба и тяжести этого ущерба» и даже понятийная формула: «РИСК=(опасность) * (доза) * (время)» (ГОСТ Р ИСО/МЭК 51-2002. Аспекты безопасности). Если рассматривать риск в общем, то это вероятность появления неблагоприятных условий. В нашем случае, это вероятность поднятия УГВ до опасных для зданий и сооружений уровней (риск подтопления), а также вероятность появления в корнеобитаемой зоне почв величин воздухосодержания <10%, указывающих на наличие анаэробиоза, пагубно влияющего на рост и развитие растений (агрофизический риск).

Для расчета риска необходимо проведение прогнозных расчетов по динамике влажности для годов разной обеспеченности осадками. Это позволило бы проследить влияние осадков не только на динамику влажности в профиле, но и изменение уровня грунтовых вод. За критический уровень при расчете риска подтопления принят УГВ=1м.

В качестве входных параметров использовались данные экспериментальных определений ОГХ, значения пороз ности и коэффициента впитывания. Кроме того, для сведения баланса требуется точное задание условий на верхней границе почвы и на её нижней границе. Эти условия задавались следующим образом. ВЕРХНЕЕ (на поверхности почвы): испарение с поверхности почвы рассчитывалось по уравнению Будаговского (на основе данных метеостанции «Ростов»), осадки; НИЖНЕЕ (на нижней границе расчетной почвенной толщи): насыщенная почва на глубине 1,5 и 1м, и слабая отточность этих вод — 0.01 см/сут. Основные параметры, используемые в математической модели для различных почв, приведены в табл. 1.

Адаптация модели проводилась на основе полевого эксперимента, по результатам которого настраивали математическую модель. В полевом эксперименте на разные глубины были установлены тензиометры, а на поверхности почвы поддерживался постоянный напор. В процессе проведения эксперимента снимались показания тензиометров во времени. Полученные результаты эксперимента обработаны в программе SURFER и представлены в виде хроноизобар (рис 12а). Видно, как быстро распространялся фронт увлажнения: фронт смачивания достиг глубины 60 см за 29 минут

0.10 0.20 0.30 0.« 0.50

Профили

влажности

-30 mih no Hydrus

30 мин no заливочному эксперименту

Начальная влажность по бурению

Рис 12 Хроноизобары в почвенном профиле во время полевого эксперимента(а) и соответствие влажности экспериментальной и расчетной к 30-ой минуте эксперимента, (б)

При настройке модели была выявлена систематическая ошибка в значениях параметра п и значениях порозности. Параметр п был увеличен на 25%, а значение порозности уменьшено на 20%, что объясняется содержанием защемленного воздуха в порах, и следовательно, эта часть порового пространства не участвует в переносе влаги. Данные изменения в параметрах также были подтверждены сравнением расчетных данных влажности, полученных по модели и реальных величин в заливочном эксперименте. Визуальное совпадение указывает на хорошую идентификацию параметров модели (рис 12 б). Возможно также, что в данных почвах движение влаги частично выражено в виде так называемых «преимущественных потоков» (Умарова, 2008), которые не включены в обоснование использованной модели. Однако, настройка модели по реальным полевым данным позволила учесть и этот эффект за счет отмеченного изменения гидрофизических параметров.

Кроме того, для доказательства адекватной работы модели на различных объектах и в годы различной обеспеченности, были использованы данные по режимным наблюдениям влажности антропогенно-преобразованной почвы, предоставленные ИВП РАН за период май-октябрь 2005 года и данных полевых наблюдений по трем разрезам. Визуальное совпадение кривых эпюр влажности в различные сроки наблюдений указывает на адекватность модели, возможность использования её для разнообразных прогнозных расчетов (рис 13)

Рис 13 Сравнение расчетных и реальных данных по влажности (Т1 «Монастырский сад», данные по режиму влажности предоставлены ИВП РАН)

Статистический анализ ошибок расчета показал хорошее соответствие расчетных и реальных параметров (рис 14 ). Коэффициент имитации не превышал 11%, что также говорит об адекватности работы модели, о её высокой точности и возможности её использования для поливариантных расчетов режима влажности и, в конечном итоге, для расчета рисков.

Вот £ П41

оде оре ор*

ОД2 Оро <102 -од* <106

<3.10 -0.12

—1—

П Т*

□ 25*^:54

Рис 14 Статистики различий влажности экспериментальной и рассчитанной по модели Нус^ив Ш.

Табл. 3

Используемые в расчете рисков обеспеченности и соответствующие количества осадков.

Для оценки риска мы прогнозировали водный режим почв (динамику влажности), динамику УГВ для годов различной обеспеченности осадками, в том числе в годы проведения исследований (табл. 3) и для различных

начальных условий стояния грунтовых вод (для ! и 1.5 метров). За расчет риска бралась доля вегетационного периода, когда УГВ превышал критический медианный (УГВ=1 м).

Результаты поливариантных

расчетов с помощью физически обоснованной модели показывают, например, для участка наблюдений «Монастырский сад» (Т1), что водный режим существенно зависит, конечно же, от влагообеспеченности года. В случае начального при начальном

Обеспеченность,% Осадки, мм

близкая к 0% 856

«критическая»

3 (2003 год) 589

4 571

35 428

86 (2005 год) 289

99 (2002 год) 216

УГВ=1.5 м УГВ заметно реагирует на выпадение осадков в условиях их обеспеченности 3 %. В год же катастрофически высоких осадков УГВ поднимается быстро и к концу сезона достигает уровня в 40 см. (рис 13, 14)

Обеспеченность осадками 99% Обеспеченность осадками 35%

Рис 13 Хроноизоплеты влажности Т1 при начальном УГВ 1.5 м в годы различной обеспеченности.

Обеспеченность осадками 99% (216мм) я <-■<<■» Обеспеченность очками 3% (589мм)

Обеспеченность осадками 3% (589мм)

Обеспеченность близкая к 0% (856мм) «катастрофа»

Рис 14 Хроноизоплеты влажности при начальном УГВ 1м в годы различной обеспеченности осадками.

Агрофизический риск переувлажнения корнеобитаемого слоя наблюдается только при катастрофических осадках к концу расчетного периода и составляет всего 1%. А вот в случае начального УГВ, равного 1 м, изменения УГВ очень резки при 3% обеспеченности осадками. В этих условиях заметно изменяется и содержание воздуха в корнеобитаемой толще, риск угнетения растений повышенной влажностью составляет 13% (рис 15, 16)

Обеспеченность осадками 99% Обеспеченность осадками 35%

Обеспеченность осадками 3%

Содержание

воздуха

см^см3

Обеспеченность близкая к 0%

Рис 15 Хроноизоплеты содержания воздуха в поровом пространстве Т1 при начальном УГВ 1.5 м, в годы различной обеспеченности.

Обеспеченность осадками 3%

Обеспеченность осадками 99%

Рис 16 Хроноизоплеты содержания воздуха в поровом пространстве при начальномУГВ 1метр в годы различной обеспеченности.

Результаты расчетов динамики УГВ представлены на рис 17, где наилучшим образом видно, что УГВ особенно резко и высоко поднимается во влажный год, обеспеченность осадками которого равна 3%

•

| —Осадш, им * - УГВ, см нач УГВ 100 см '

Рис 17 Динамика УГВ в года различной обеспеченности Т1 Табл 4

Риски подтопления зданий и сооружений и агрофизический риск в годы различной обеспеченности осадками и с различным начальным уровнем грунтовых вод (УГВ).

Точки Нач. наблюден УГВ ИЙ Риск подтопления зданий (УГВ <1т) Агрофизический риск (содержание воздуха <10%)

Обеспеченность осадками Обеспеченность осадками

99% 35% 3% Близкая к 0 % «катастроф а» 99% 35% 3% Близкая к 0% «катастрофа»

Т1 1,5м 1м 0 0 0.02 0,09 0,09 0,41 0 0 0 0,01 0 0,13

Т2 1,2м 1 м 0 0 0,04 0,28 0 0,19 0 0 0 0,32 0 0

ТЗ 1,3м 1м 0 0 0,04 0,26 0 0,23 0 0 0 0,09 0 0

Т4 1,5м 1м 0 0 0,1 0,19 0,15 0,46 0 0 0 0,09 0 0,21

Т5 1,5м 1м 0 0 0,06 0,27 0,1 0,38 0 0 0 0,15 0 0,07

Т6 1,5м 0,7 0 0,01 0,18 0,32 0,54 0,91 0 0 0 0 0 0,17 0,83

Т7 1,5м 0,7м 0 0 0,05 0,28 0,4 0,67 0,94 0 0 0 0 0 0,38 0,88

Аналогичным образом были проведены расчеты по всем исследованным почвенным разрезам.

Результаты поливариантных расчетов позволили нам рассчитать риск (подтопления и агрофизический) для основных объектов исследования (табл. 4, рис 18). Следует указать, что агрофизический риск невысок для большинства объектов, заметен он только для объекта «Огород» (Т7) и «Храм Козьмы и Даминиана». А вот риск подтопления зданий и сооружений может быть высок при влажном по осадкам годе (с обеспеченностью осадками 3%) в особенности при положении УГВ к началу теплого периода менее 1м.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Обеспеченность осадками %

Рис. 18 Зависимость риска подтопления строений от обеспеченности осадками (при начальном УГВ около 1,5м).

Таким образом, предлагаемая методика прогнозной оценки позволяет проводить как оценку риска подтопления зданий и сооружений так и агрофизического риска, что помогает выявить и предотвратить возникновение неблагоприятных условий, а также дает возможность для прогнозирования изменения водного режима в результате выпадения осадков.

Выводы:

1 .Гидрологические условия г. Ростов Великий указывают на наличие риска подтопления за счет слабой отточности грунтовых вод, зависимости их уровня от количества атмосферных осадков, практически полным отсутствием поверхностного стока и его регулирования.

2. Почвенный покров центральной части города, в непосредственной близости от Кремля и основных храмов и монастырей представлен мощным культурным слоем, в центральной части - дерново-луговыми, а в зоне частного сектора используемого в сельском хозяйстве - торфяно-болотными почвами. Большинство почв характеризуются сложным строением профиля, слоистым распределением водно-физических свойств, отсутствием закономерного профильного распределения водно-физических характеристик, свойственных природным почвам.

3. Экспериментальные исследования пространственного распределения гидрологического состояния почв города, проведенное методом ВЭЗ, позволили выделить зоны с близким (менее 1 м) уровнем капиллярной каймы грунтовых вод и зон с повышенным увлажнением (за счет грунтово-атмоферного питания).

4. Апробирована и экспериментально адаптирована для условий г.Ростов математическая прогнозная модель поли вариантного расчета водного режима почв и динамики УГВ. Параметризация и адаптация модели позволили достичь хорошего совпадения расчетной и экспериментальных величин влажности почвы (коэффициент ошибки имитации модели менее 11%).

5. Впервые рассчитаны риски повышения увлажненности почв под сооружениями (УГВ>1 м) и переувлажнения агропочв в годы различной обеспеченности. Показано, что при обеспеченности осадками <35% резко возрастает риск подтопления зданий при начальном УГВ 1 м, а при начальном УГВ 1.5 м риск возрастает при обеспеченности <3%. Агрофизический риск, как вероятность возникновения воздухосодержания<10% в корнеобитаемой толще, возрастает при обеспеченности осадками <3%.

Список работ опубликованных по теме диссертации.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ

1. Поздняков А.И., Шеин Е.В., Смерников С.А. Идентификация и оценка подтопления городов методами полевой электрофизики.(на примере г. Ростова Великого) // Вестник Оренбургского государственного университета, специальный выпуск (№75), 2007 с.269-273

2. Смерников С.А., Шеин Е.В., Поздняков А.И. Поливариантный прогноз миграции солей в песках при техногенных загрязнениях с помощью физически обоснованных моделей// Вестник Оренбургского государственного университета, специальный выпуск (№75), 2007 с.328-330

3. Дембовецкий A.B., Поздняков А.И., Смерников С. А. Оценка миграции солей рассолов электрофизическими методами при техногенном загрязнении песчаных бурых пустынных почв// Вестник Оренбургского государственного университета, специальный выпуск (№75), 2007 с.104-108

4. Смерников С.А., Шеин Е.В., Поздняков А.И. Оценка и изучение особенностей почвенного покрова при подтоплении городов электрофизическими методами.// Почвоведение №10,2008 (в печати) Публикации в других изданиях

5. Болгов М.В., Голубаш Т.Ю., Шеин Е.В., Смерников С.А. Оценка неоднородности гидрофизических характеристик почвогрунтов по экспериментальным данным для моделирования водного режима в районах расположения памятников православной культуры г. Ростова Великого// Сборник трудов 3-го Международного научно-практического Симпозиума «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси», г. Сергиев Посад, 2008. с. 85-87

6. Смерников С.А. Особенности водно-физических свойств почв г. Ростова Великого// Тез. докл. XIV Междунар. Конференции студентов и аспирантов по

.....23

, фундаментальным наукам «Ломоносов 2006», г. Москвас. 143-144

7. Смерников С. А. Физические свойства городских почв (на примере почв города Ростов Великий)// Сборник материалов. IX Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения, Санкт-Петербург, 2006 с.305-306

8. Смерников С.А. Исследование почвенно-гидрологических условий почв г. Ростова Великого с использованием электрических методов.// Тез. докл. X Всероссийской:; конференции Докучаевские молодежные чтения, Санкт-Петербург, 2007. с. 135 г

Д Болгов М.В., Голубаш Т.Ю., Шеин ЕВ Смерников С.А. Оценка неоднородности гидрофизических характеристик почвогрунтов по экспериментальным данным для модешфования водного режима в районах расположения памятников православной; культуры г. Ростова-Великого// Сборник тезисов. 3-го Международного научно-практического Симпозиума - «Природные условга строительства и сохранения храмов православной Руси», г. Сергиев Посад, 2006 с.39-41

10. Смерников С.А. Методика определения риска подтопления городских территорий// Сборник тезисов Всероссийской конференции «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии и сельском хозяйстве на пути к инновациям», г.Москва, 2008. с.314-315 ;

Подписано в печать 02.10.2008 Формат 60x88 1/16. Объем 1.5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 741 Отпечатано в ООО «Соцветие ¡фасок» 119991 г.Москва, Ленинские торы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Волгин, Сергей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИИГОРОДСКИХ ПОЧВ И ГРУНТОВ

1.1. Город Ростов Великий как объект гидрогеологической опасности

1.1.1. Исторические аспекты развития города в связи с его инженерной защитой от подтопления

1.1.2. Особенности существующей застройки

1.2. Особенности природно-геологических условий территории г.Ростова

1.3. Опасные инженерно-геологические и гидрогеологические процессы в городе

1.4. Причины и факторы подтопления территории города

1.5. Объекты опасности, требующие защиты

Глава 2 МЕТОД МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ГИДРОЛОГИИ ПОЧВ

2.1. Современное состояние математических моделей, описывающих водный режим почв.

2.2. Экспериментальное обеспечение моделей.

Глава 3 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

3.1. Геоморфологическое описание местности.

3.2. Методы исследования

3.2.1. Полевые методы.

3.2.2. Лабораторные методы.

Глава4 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

4.1 Анализ почвенных характеристик

Использование метода вертикального электрического зондирования для оценки состояния почв грунтовых вод.

Прогноз и расчет риска подтопления, и агрофизического риска

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Водно-физические свойства и водный режим почв города Ростов Великий"

Проблемам исследования городских почв посвящены работы Л.Л. Шилова, М.Н. Строгановой, В.Д. Тонконогова, И.И. Лебедевой, М.И. Герасимовой, Л.О. Карпачевского, Н.В. Можаровой, Т.В. Прокофьевой, , Е.С Дзекер., М.В. Болгова, Т.Ю Голубаш. и др.

Цель работы: исследование гидрофизических свойств и элементов водного режима почв города Ростов Великий для оценки риска подтопления.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи: 1. Изучить гидрофизические и физические свойства почв основных районов г. Ростова Великого.

Научная новизна. Разработана методика по оценке риска подтопления сооружений, включающая анализ особенностей атмосферного питания грунтовых вод, экспериментальные исследования гидрофизических свойств и поливариантные прогнозные расчеты динамики уровня грунтовых вод (УГВ) в годы различной обеспеченности, а также расчет риска переувлажнения корнеобитаемой толщи (агрофизический риск), как вероятности появления воздухосодержания <10% в течение вегетационного периода в годы различной обеспеченности осадками.

Практическая значимость. Полученные данные свидетельствуют о том, что гидрологические условия г.Ростов Великий указывают на наличие риска подтопления за счет слабой отточности грунтовых вод, зависимости их уровня от количества атмосферных осадков, практически полном отсутствии поверхностного стока и его регулирования. Экспериментальные исследования пространственного распределения гидрологического состояния почв города, проведенные методом ВЭЗ, позволили выделить зоны с близким (менее 1 м) уровнем капиллярной каймы грунтовых вод и зоны с повышенным увлажнением (за счет грунтово-атмосферного питания). Апробирована и экспериментально адаптирована для условий г.Ростов

Великий математическая прогнозная модель поливариантного расчета водного режима почв и динамики УТВ. Впервые рассчитаны риски повышения увлажненности почв под сооружениями (УГВ<1 м) и переувлажнения агропочв в годы различной обеспеченности осадков. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на III Международном научно-практическом Симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (г. Сергиев Посад, 2006); XIV Международной Конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2006», (г. Москва); IX Всероссийской конференции «Докучаевские молодежные чтения» (г. Санкт-Петербург, 2006); X Всероссийской конференции «Докучаевские молодежные чтения» (г.Санкт-Петербург, 2007); III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (г.Оренбург, 2007); Всероссийской конференции «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии и сельском хозяйстве на пути к инновациям» (г.Москва, 2008). Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ. В том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Объем и структура диссертации. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 33 рисунков. Состоит из введения 4 глав, выводов и списка литературы из 128 наименований, в том числе 53 на иностранных языках, приложений.

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Волгин, Сергей Алексеевич

выводы

1 .Гидрологические условия г. Ростов Великий указывают на наличие риска подтопления за счет слабой отточности грунтовых вод, зависимости их уровня от количества атмосферных осадков, практически полном отсутствии поверхностного стока и его регулирования.

4. Апробирована и экспериментально адаптирована для условий г.Ростов математическая прогнозная модель поливариантного расчета водного режима почв и динамики УТВ. Параметризация и адаптация модели позволили достичь хорошего совпадения расчетных и экспериментальных величин влажности почвы (коэффициент ошибки имитации модели менее 11%).

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Волгин, Сергей Алексеевич, Москва

1. Аверьянов С.Ф. Зависимость водопроницаемости грунтов от содержания в них воздуха. // Докл. АН СССР, 1949. Т. 69, № 2, с. 141-144

2. Айдаров И.П. Регулирование водно-солевого и питательных режимов орошаемого земледелия. М., "Агропромиздат", 1985, 304 с

3. Барбер С.А «Биологическая доступность питательных веществ в почве» Москва ВО «Агропромиздат» 1988г.

4. Будаговский АМ. Испарение почвенной влаги. М.: Наука, 1964. 242 с.

5. Будаговский АМ. Испарение почвенных вод.// физика почвенных вод. М. Наука 1981., с. 13-95.

6. Будаговский А.И., Голубаш Т.Ю. Влияние водного фактора на продукционный процесс растительного покрова // Водные ресурсы. 1994. Т. 21. № 2. С. 133143.

7. Ю.Дзекер Е.С. Упрвление водным режимом исторического города Ростов Великий. Геоэкология.2003. №6 с. 487-497

8. Болгов М.В., Голубаш Т.Ю., Лазарева Е.В. Ж. Ривар. Моделирование режима поверхностных вод исторической части Ростова Великого. Геоэкология. М. Наука. 2003. с. 508-518.

9. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. i13Вахрина В.И. Ростовская земляная крепость 1632 года // ПРОВИНЦИЯ. Независимая ростовская газета. № 32. 26 августа, 1999 г.

10. Ведерников В.В. Прогнозирование водного режима зоны аэрации застроенной территории / Авто-реф. дис. д-ра техн. наук. М.: МГУП, 1997. 72 с.

11. Владыченский С.А. Сельскохозяйственная мелиорация почв. Изд-во МГУ, 1972г. с. 397

12. Водные ресурсы и водный баланс территории Советского Союза. JL: Гидрометеоиздат, 1967. 199 с.

13. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: МГУ, 198

14. Гаель А.Г. Смирнова Л.Ф. Пески и песчаные почвы. М.:ГЕОС, 1999г. 173с

15. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы (генезис, география, рекультивация) Москва. 2003 г.

16. Глобус A.M. Почвенно-гидрофизическое обеспечение эгроэкологических математических моделей. Л. Гидрометеоиздат, 1987. 428с.

17. Грин Р.Э. Предсказание подвижности пестицидов в почвах //Труды II совецко-американского симпозиума «прогнозирование повеления пестицидов в окружающей среде». Л.: Гидрометеоиздат, 1984г., с 42-72

18. Губер А.К., Шеин Е.В. Адаптация и идентификация математических моделей переноса влаги в почвах // Почвоведение, 1997, №9, с. 1107-1119.

19. Дзекцер Е.С. Концепция защиты исторического города от подтопления (на примере г. Ростова Великого). М.: Госстрой России, ПНИИИС, 1999

20. Дзекцер Е.С. Система контроля подтопления в историческом городе // Промышленное и гражданское строительство. 1999. № 8. С. 28-31.

21. Дзекцер Е.С. Система комплексной защиты памятников архитектуры от подтопления (на примере г. Ростов Великий) // Промышленное и гражданское строительство. 1998. № 7. С. 42-44.

22. Зайдельман Ф.Р. Особенности режима и мелиорации заболоченных почв.1. М. 1969.

23. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. Издательство Московского университета. 1996г. с 187-192.

24. Концепция защиты исторического города от подтопления (на примере г. Ростов Великий) / Госстрой России, ПНИИИС, автор Е.С. Дзекцер. М.: ГУПЦПП, 1999. 52 с.

25. Кошелева Н.Е «Моделирование почвенных и ландшафтно-геохимических процессов» Издательство московского университета 1997г

26. Кулик В Л. Инфильтрация воды в почву. М. Колос. 1978 с. 93.

27. Куприянов ВВ. Урбанизация и проблемы гидрологии // Гидрологические аспекты урбанизации. М.: МФГО, 1978. С. 5-15.

28. Леонтьев А.Е. Историческая топография и культурный слой г.Ростова Великого Ярославской области. Проект режимных зон культурного слоя. М., 1985

29. Лихацевич А.П. Определение наименьшей влагоемкости по физическим характеристикам почв// Мелиорация и водное хозяйство НТИ Минск. Урожай, 1984 вып. 12.

30. Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Шестаков В.М. Численное моделированиегеофильтрации. М.: Недра, 1988. 228 с.

31. Тверской JI.M. Русской градостроительство до конца XVII в. JI.-M., 1953. 212 с.

32. Львович М.И., Черногаева Г.М. Изменение водного баланса территории под влиянием урбанизации// Проблемы гидрологии. М: Наука, 1978. С. 222229.

33. Микроклимат церковных зданий. М.: РИО ГосНИИР, 2000. 120 с.

34. Моделирование процессов засоления и осолонцевания почв. Изд-во «Наука», 1980Л

35. Опись Ростова 1664. Ростов. Материалы для истории города XVII-XVIII столетий. М, 1884. 37 с.

36. Остряков А.Н. Несколько опытов вытеснения из почвы раствора жидкостью. Казань, 1912.

37. Панков A.M. Влияние природных факторов на формирование режима грунтовых вод в историческом городе // Промышленное и гражданское строительство. 2000. № 8. С. 42-43.

38. Пашкин Е.М., Болгов М.В., Поздняков С.П. и др. Пилотный проэкт «Возрождение Ростова Великого» (опыт инжинерно-геологического. сопровождения градостроительного проэкта). Геоэкология. ,М Наука. 2003 с. 483-486.

39. Пашкин Е.М. Инженерно-геологическая диагностика деформации памятников архитектуры. М.: Высшая школа, 1998. 225 с.

40. Пашкин Е.М., Дзекцер Е.С. Особенности изменения баланса влажности грунтов в основании памятников архитектуры // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1998. № 5. С. 69-75.

41. Пашкин Е.М., Ануфриев A.A., Кувшинников В.М., Пономарев В.В., Телин О.В. Высолы и инженерно-геологические аспекты их формирования на памятниках архитектуры // Геоэкология. 1998. № 5. С. 70-80.

42. Пачепский Я.А. Математические модели процессов в мелиорируемых почвах. М. изд-во МГУ. 1992г. 85 с.

43. Поздняков А.И., Гюлалыев Ч.Г. Электрофизические свойства некоторых почв. Москва-Баку 2004г, ООО «Адильоглы» с.239

44. Поздняков А.И. Позднякова JI.A. Позднякова А. Д. Стационарные электрические поля в почвах. КМК Scientific press. Москва, 1996г.

45. Поздняков С.П. и др. Геофильтрационное моделирование подтопления территории Ростова Великого. Геоэкология. М. Наука. 2003. с. 498-507

46. Роде A.A. Основы учения о почвенной влаге. Т. 2. Методы изучения водного режима почв. Д.: Гидрометеоиздат, 1969. 287 с.

47. Смагин A.B., Садовникова Н.Б, Хайдапова. Д.Д. Шевченко Е.М. Экологическая оценка биофизического состояния почв. М.: МГУ. 1999г.

48. Сметник A.A. Шеин Е.В. Спиридонов Ю.А. Миграция пестицидов в почах. М.: РАСХН-ВНИИФ, 2005г 239с.

49. Соколов А.И. Город Ростов и его уезд. Ярославль, 1881. 23 с.

50. Сысуев В.В. «Моделирование процессов в ландшатфно-геохимических системах» Издательство «Наука» 1986г.

51. Филипп Дж.Р. Теория инфильтрации.// Изотермическое перед вижение влага в зоне аэрации. Л., Гидрометеоиздат, 1972, С. 6-81

52. Чернышев Е.П., Автонеев В.А. Изучение изменений водного баланса под влиянием городов //Гидрологические аспекты урбанизации. М.: МФГО, 1978. С. 27-35.

53. Чураев Н.В., Ильин Н.И. Радиоиндикаторные методы исследования движения подземных вод. М., «Атомиздат», 1967.

54. Шеин Е.В., Карпачевский Л.О. Толковый словарь по физике почв. М.: ГЕОС, 2003.

55. Шеин Е.В., Марченко К.А. Преимущественные пути миграции влаги // Почвоведение, 2002, №1, с.45-49.

56. Шеин Е.В., Губер А.К., Кухарук Н.С. Перенос воды и веществ по макропорам в дерново-подзолистой почве // Почвоведение, 1995, №2, с.22-32.

57. Шеин Е.В., Капинос В.А. Сборник задач по физике почв. М. Изд-во МГУ.1994г. с.79.

58. E.B. Шеин, Т.А. Архангельская, В.М. Гончаров, А.К. Губер, Т.Н. Початкова, М.А. Сидорова, A.B. Смагин, А.Б. Умарова «Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв» Изд МГУ, 2001г.

59. Шеин Е.В., Губер А.К., Кухарук Н.С. Перенос воды и веществ по макропорам в дерново-подзолистой почве // Почвоведение, 1995, №2,

60. Шеин Е.В., Дембовецкий A.B., Губер А.К. Педотрансфункции: получение, обоснование и использование // Почвоведение, 1999, №11, С.1323-1331.

61. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1995. 368 с.

62. Шилов JI.JI. и пр. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Окумена. 2004г.

63. Al-cone. S. A. Lawson. D. Е. Delaney. A. J. Strasser, J. С & Strasser, J. D. ( 1998). Ground-penetrating radar reflection profiling of groundwater and bedrock in an area of discontinuous pema-frost. Geophysics, 63. 1573

64. A. W. Adamson, Physical Chemistry of Surfaces, 2nd ed. (Interscience, New York, 1967), p. 126.

65. Banton, 0. Seguin. M. K. & Cmion, M. A. ( 1997). Mapping field-scale physical properties of soil with electrical resistivity. Soil Sa Soc Am J. 61. 1010-1017.

66. Barker. R. D. ( 1989). Depth of investigation of colknear symmetrical four-electrode arrays. Geophysics, 54. 1031-1037.

67. Beck. A. E. (1981). Physical principles of exploration methods. New York: Wiley.

68. Borchers, B., Urarn, T., & Hendnckx. J. M. H. (1997). Tikhonov regulanzation of electrical conductivity depth profiles in field soils. Soil Sa Soc. Am. J., 61 1004-1009.

69. Beven K, German P. Water flow in soil macropores. II/ A combined flow model. // J. Soil Sci. 1981. V.32. pp. 15-29

70. Bouma J.A. A.Songerius? d.Scoonderbeek. Calculation of saturated hydraulic conductivity of some pedal clay soils using micromorphometric data. Soil Sci.Soc.Am.J., 1979. Vlo. 43 P.261-264

71. Cook, P. G., & Walker. G. R. (1992). Depth profiles of electrical conductivity* from linear combinations of electromagnetic induction measurements. Soil Sa Soc. Am. J., 56:1015-1022.

72. Corwin. D. L., & Rhoades, J. D. ( 1984). Measurement of inverted electrical conductivity profiles using electromagnetic induction. Soil Sd Soc. Am. J. 48, 288-291

73. Corwin, R. F. ( 1990). The self-potential method for environmental and engineering applications. In: S. H. Ward (Ed.). Geotechnical and environmental geophysics Vol. I. Review and tutorial (pp. 127-143). Soc. Expl. Geophysics. OK: Tulsa.

74. Corwin, R. F., & Hoover, D. B. (1979). The self-potential method in geothermal exploration. Geophysics. 44, 226-235,

75. Cox. M., <fc Hillier. J. ( 1994). Impacts on groundwater resources by urban expansion: the Brisbane case. In Proceedings of "Water down under" conference, pp. 267-270). Adelaide. Australia

76. Ciaul, P. J. ( 1990). The urban soil environnlent: properties of natural and distusbed soils. In Proceedings of the meeting "Are forests the rawer" July 29-Auguet 1 (pp. 219-224). Washington. DC. Soc. Am. Foresters Nat. Convx.

77. Cull, J. P. ( 1985). Self potential and current channelling. Geophysical Prospecting. 33. 460-467.

78. Chiang W-H., Kinzelbach A.W. 3-D Groundwater modeling with PMWIN, Springer1. Verlag publ., 2001.

79. Dinui. V ( 1992). Deconvolution and inverse theory. Application to geophysical problems. In Methods in geochemistry and geophysics. (Vol. 29). Amsterdam: Elsevier-.

80. Banton, M.-K. Seguin, and M.-A. Cimon, "Mapping Field-Scale Physical Properties of Soil with Electrical Resistivity," Soil Sci. Soc. Am. J. 61, 1010— 1017(1997).

81. G. J. Bouyoucos, "Nylon Electrical Resistance Unit for Continuous. ^ Measurement of Soil Moisture in the Field," Soil Sci. 67, 319-330 (1948).

82. N. E. Edlefsen and A. B. C. Anderson, "The Four-Electrode Resistance Method for Measuring Soil-Moisture Content under Field Conditions," Soil Sci. 51, 367-376(1941).

83. C. S. Hirtzel, and R. Rajagopalan, Colloidal Phenomena: Advanced Topics (Noyes, Park Ridge, 1985).

84. S. Iwata, T. Tabuchi, and B. P. Warkentin, Soil-Water Interactions: Mechanisms and Applications (Dekker, New York, 1995).

85. D. Kirkham and W. L. Powers, Advanced Soil Physics (Krieger, 1972).

86. Keller, G. V. & Frischknecht. F. C. ( 1966). Electrical methods in geophysical prospecting, Oxford: Pergamon Press.

87. Koefoed, 0. ( 1979). Geosoundingprinciple of resistivity sounding measurements. Elsevier: Almsterdam.

88. M. R. Laverdiere and R. M. Weaver, "Charge Characteristics of Spodic Horizons," Soil Sci. Soc. Am. J. 41, 505-510 (1977).

89. Leaner. D. N. ( 1996). Urban groundwater an asset for the sustainable ciiy. Journal of European Water Pollution Control. 6. 43-51.

90. Methods of Soil Analysis, Part 1. Physical and Mineral-ogical Methods, 2nd ed. (ASA, Madison, Wisconsin, 1986).

91. B. N. Michurin and I. A. Lytayev, "Relationship between Moisture Content, Moisture Tension, and Specific Surface Area in Soil," Soviet Soil Sci. 8, 10931103 (1967).

92. R. F. Miller, I. S. McQueen, F. A. Branson, et al., "An Evaluation of Range Floodwater Spreads," J. Range Manage. 22, 246-257 (1969).

93. C. B. Monk, Electrolytic Dissociation (Academic, New York, 1961

94. McDonald, M.C., Harbaugh A.W. 1988. MODFLOW, A modular three-dimensional finite difference groundwater flow model, U. S. Geological Survey, Open-file report 83-875, Chapter Al.

95. A. Nadler, "Estimating the Soil Water Dependence of the Electrical Conductivity Soil Solution/Electrical Conductivity Bulk Soil Ratio," Soil Sci. Soc. Am. J. 46, 722-726 (1982).

96. R. M. Pashley and J. P. Quirk, "Co-ion Exclusion by Clay Surfaces: I. Equation for 1 : 1, 2 : 1, and 3 : 1 Electrolyte Solutions," Soil Sci. Soc. Am. J. 61,58-63 (1997).

97. Pasasuis. D. S. 1997). Principles of applied geophysics. London: Chapman & Hall.

98. Pekesis. C. L. ( 1940). Direct method of interpretation m resistivityprospecting. Geophysics. 5, 31- 42.

99. Pellerin. L., & Allumbaugh. D. L. ( 1997). Tools for electromagnetic investigation of the shallow subsurface (pp. 1631-1637). The Leading Edge. November.

100. Posdnyakova Larisa, Anatoly Pozdnyakov, Renduo Zhang. Application of geophysical methods to evaluate hydrology and soil properties in urban areas. Urban Water 3(2001) p.p. 205-216

101. Pozdnyakov A.I., Pozdnyakova L.A., Karpachevskii L.O. Relationship between Water Tension And Electrical Resistivity in soil. Eurasian Soil Science, 2006, Vol. 39, Suppl. 1, pp.S78-83

102. Soil Water, Ed. by D. R. Nielsen, R. D. Jackson, J. W. Cary, and D. D. Evans (ASA-SSSA, Madison, WI, 1972).

103. Rhoades, J. ( 1979). Inexpensive four-electrode probe for monitoring soil salinity. Soil Sci. SK. Am J., 43,81778 18.

104. The HYDRUS-1D Software Package for Simulating theOne-Dimensional Movement of Water, Heat, and Multiple Solutes in Variably-Saturated-Medz'a/DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCESUNIVERSITY OF CALIFORNIA RIVERSIDE/ RIVERSIDE, CALIFORNIA/ 2005

105. S. A. Taylor and G. L. Ashcroft, Physical Edaphology: The Physics of Irrigated and Nonirrigated Soils (Freeman, San Francisco, 1972).

106. Wayne C. Huber, Robert E. Dickinson. Storm water management model. User's manual. Version4. Athens, Georgia, 1992. 502 p.

Информация о работе

Волгин, Сергей Алексеевич
кандидата биологических наук
Москва, 2008
ВАК 06.01.03

Диссертация

Водно-физические свойства и водный режим почв города Ростов Великий - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы