Влияние поверхностного стока дождевых вод на эрозию различных типов почв и загрязнение водных объектов

Приводятся показатели поверхностного стока дождевых вод в зависимости от уклона на различных типах почв и методика расчёта ущерба от заиления поверхностных водных объектов. разработанные формулы, алгоритм и автоматизированная модель расчетов рекомендуется применять для определения объема и массы ила привнесенного стоком в поверхностные водные объекты.

сток дождевой почва заиление.

The indicators of a surface runoff of rain waters depending on a slope on various types of soils and a design procedure of damage from silting to surface water objects are resulted. The developed formulas, algorithm and the automated model of calculations are recommended to apply to determine volume and mass of silt added by a runoff in surface water objects.

Поверхностный сток дождевых вод наибольший вред наносит землям сельхозназначения, где в результате водной эрозии теряется верхний, самый плодородный слой почвы. Это приводит к деградации почвенного покрова и снижению ее плодородия.

В научной литературе и наши исследования показывают, что в отдельных случаях смыв почвы талыми и дождевыми водами может достигать 100 т/га и более [1, 2, 3].

Исследования по определению объемов стока, коэффициентов стока, размеров смыва почвы поверхностным стоком проводились в ФГНУ «РосНИИПМ» по общепринятым методикам [1, 2, 3 и 4]. Для создания дождя различной интенсивности и продолжительности использовались дождевальные установки конструкции РосНИИПМ. Слой осадков создавался равным 10%-ной обеспеченности.

Исследования проводились в 2006;2010 гг. на шести ключевых участках, расположенных в различных регионах России с различными типами почвы: черноземы обыкновенные (п. Степной Ростовской области); черноземы южные (ст. Тацинская Ростовской области); светло-каштановые (п. Дубовка Волгоградской области); бурые пустынно-степные (п. Джангр, Республика Калмыкия); темно-серые лесные (п. Кижеватово Пензенской области) и дерново-подзолистые (п. Чуркино Нижегородской области).

В процессе исследований нами были установлены показатели и закономерности поверхностного стока и смыва почвы от влияния объемов стока талых и дождевых вод с рыхлой и уплотненной пашни, уклона поверхности почвы, водно-физических свойств почв, типа почв, способов обработки почвы и выращиваемых сельскохозяйственных культур на различных типах агроландшафтов.

Анализ результатов исследований за последние 39 лет показал, что смыв почвы происходит в большей степени от стока дождевых вод, чем от стока талых вод, как по рыхлой пашне (пар или зябь), так и по уплотненной пашне (посевы однолетних или многолетних трав, целина). Ниже приводятся данные о результатах исследований поверхностного стока и смыва почвы дождевыми водами по рыхлой пашне (пар) (табл. 1).

Математический и статистический анализ данных позволил установить, что при всех других равных условиях эксперимента наибольшее влияние на коэффициент стока и на объем смыва почвы имеет уклон поверхности на всех типах почвы. Для примера, ниже приводятся полиноминальные уравнения регрессии связи коэффициента стока и уклона поверхности почвы на черноземах обыкновенных (У черн.) и бурых пустынных (У бур. полупустын.):

У черн. = 0,007х² + 0,060х, R² = 0,97;

Убур. полупустын. = - 0,002х² + 0,077х, R²=0,96.

Таблица 1 — Влияние уклона поверхности почвы на поверхностный сток на различных типах почвы

Данные табл. 1 показывают, что черноземные почвы более устойчивы к размыву поверхностным стоком дождевых вод, чем, например, бурые полупустынные. Так, если при уклоне 1−4 градуса коэффициент стока примерно одинаковый, то при возрастании уклона до 7−8 градусов коэффициент стока на черноземах достигает 0,7−0,8, а на бурых полупустынных коэффициент стока доходит до 0,9 и приближается к 1,0.

По литературным источникам и по нашим данным, наличие в черноземах большего количества гумуса способствует повышению устойчивости почвы к размыву и масса смытой почвы снижается. Это подтверждается данными, приведенными в табл. 2.

Данные табл. 2 показывают, что при всех прочих равных условиях проведения эксперимента со стоком дождевых вод на бурых полупустынных почвах смывается до 135,7 т/га почвы против максимальной величины на чернозёмах 67,9 т/га, т. е. в два раза больше. Причем увеличение массы смытой почвы происходит большими темпами, начиная с уклона поверхности более 4 градусов. Получены полиноминальные уравнения (Учерн. = 1,0756х² + 0,6261х, R² = 0,85; Убур. полупустын. = 1,9553х² + 3,9566х, R² = 0,91). Зависимости имеют высокую достоверность, коэффициент детерминации для черноземов равен R² = 0,85, а для бурых полупустынных R² = 0,91.

Таблица 2 — Влияние уклона поверхности почвы на смыв почвы стоком дождевых вод, по пару

Аналогичные закономерности получены и при анализе данных по коэффициентам стока и смыву почвы стоком дождевых вод по уплотненной пашне, но коэффициенты стока и масса смытой почвы значительно ниже.

В процессе анализа полученных данных нами была установлена степень влияния на сток дождевых вод и смыв почвы других наиболее значимых факторов. Математическая обработка данных, полученных на чернозёмах обыкновенных, позволила установить, что кроме уклона (I, град.), следующими по степени влияния на величину смыва почвы (W, т/га) являются такие показатели, как водопроницаемость почвы (d, мм/мин) и интенсивность осадков (Pin, мм/мин).

Зависимость смыва почвы от нескольких факторов описывается уравнением вида:

W = - 34,5025 + 9,7660 I + 10,544 d + 7,0264 Pin, (1).

R² = 0,92.

Полученная математическая модель связи массы смытой почвы от уклона, интенсивности дождя и водопроницаемости почвы имеет высокий коэффициент аппроксимации (детерминации), равный R² = 0,92, и может быть использован при расчетах возможного смыва почвы при слое дождевых осадков 10%-ной обеспеченности. При использовании коэффициентов пересчета можно провести расчеты на любой другой слой осадков и для различных типов почв.

Так же нами проводились исследования по определению влияния удаленности сельхозугодий от водного объекта на объем стока наносов в водные объекты с поверхностным стоком и по определению массы осаждения смытой почвы, начиная от поля до ближайшего водного объекта. При проведении исследований расстояние от ближней границы поля до границы водного уреза (берег) изменялось от 3- 4 м до 3 000 м. Массу наносов определяли по объему стока, мутности стока и массы осажденной почвы на склонах и в самой балке от конца поля и через каждые 100 м до уреза воды водного объекта. Слой дождя 10%-ной обеспеченности создавался дождевальными машинами.

Наблюдения, математическая и статистическая обработка полученных данных показали, что с удалением от опытного участка количество наносов в поверхностном стоке дождевых вод уменьшается пропорционально удаленности. Причем при расстоянии более 3 км количество наносов (смытого мелкозема и ила) уменьшается в 10 раз и более по сравнению с массой наносов на границе опытного участка. Полученные данные позволили нам получить зависимости и рассчитать поправочные коэффициенты (К_L) на массу наносов, поступающих в водный объект в зависимости от удаленности (L) от участка. Зависимость описывается уравнением вида.

К_L = 2,2758e ^-0,6663x, R² = 0,93. (2).

На основе анализа полученных данных была разработана методика, алгоритм и автоматизированная программа расчета ущерба поверхностным водным объектам от заиления [4, 5, 6].

Ущерб от заиления поверхностных водных объектов (ПВО) определяется по формуле (3):

У_заил. = W_тв.св · З_оч · К_ин, (3).

где У_заил — ущерб от заиления, тыс. руб.;

W_тв.св — объем стока наносов (смытой почвы, определяется по формулам (2), (3) и (4)), м³;

З_оч — затраты на очистку водных объектов от ила и мелкозема (определяются по СНиП при подготовке проекта очистки водного объекта), тыс. руб.;

К_ин — коэффициент индексации, учитывающий инфляционную составляющую экономического развития. Принимается на уровне интегрального индекса-дефлятора, который на соответствующий год определяется как произведение индексов-дефляторов по годам, устанавливаемых решением органа исполнительной власти субъекта Российской Федерации.

Объем стока наносов W_тв.св определяется двумя методами:

1) в проточных водных объектах (реки) определяется по объему поверхностного стока талых или дождевых вод и мутности стока по формуле (4):

W_тв.св = О_стока · К_мутн · 10^-6/б, (4).

где О_стока - объем поступившего в ПВО диффузного стока, м³;

К_мутн — показатель мутности стока, мг/дм³;

б — объемная масса ила, т/м³;

• 10^-6 — коэффициент перевода мг/дм³ в т/м³.
• 2) в непроточных водных объектах (пруды, водохранилища) по фактически поступившему объему ила и мелкозема в ПВО за определенный период. Определяется натурными наблюдениями и измерениями слоя осадков и их объема или рассчитывается как разность объема воды в ПВО в начале и в конце периода отсчета при нормальном подпорном уровне воды в ПВО (формула (5)):

W_тв.св = W_{пво. нач} — W_{пво. кон}, (5).

где W_{пво. кон} — объем воды в ПВО в конце периода отсчета, м³;

W_{пво. нач} — объем воды в ПВО в начале периода отсчета, м³.

При необходимости транспортировки ила в процессе очистки ПВО и расчета затрат (У_з.т)_., объем ила пересчитывают на массу ила по формуле (6):

М_тв.ст. = W_тв.ст · б, (6).

где б - объемная масса ила, т/м³.

Для автоматизации процесса расчета затрат на заиление нами был разработан алгоритм и автоматизированная модель расчета массы смытой почвы от водной эрозии и ущерба от заиления ПВО, которая представлена на рисунке 1.

Таким образом, на всех типах почвы масса смытой почвы стоком дождевых вод в большей степени зависит от уклона поверхности почвы, водопроницаемости и интенсивности дождя. С увеличением содержания гумуса в почве от 2% на бурых полупустынных почвах до 4−5% на черноземах обыкновенных устойчивость почвы к размыву стоком дождевых вод повышается, и масса смытой почвы уменьшается вдвое. Полученные зависимости и уравнения имеют высокую достоверность и могут быть использованы для расчета массы смытой почвы при проектировании природоохранных мероприятий по защите почв от водной эрозии.

Рис. 1 — Блок-схема алгоритма для разработки автоматизированной модели расчета ущерба ПВО от заиления.

Библиографический список

• 1. Каштанов А. Н., Лисицкий Ф. Н., Швебс Г. И. Основы ландшафтно-экологического земледелия. — М.: Колос, 1994. -127 с.
• 2. Володин В. М. Экологические основы оценки и использования плодородия почв. — М.: ЦИНАО, 2000. — 336 с.
• 3. Сурмач Г. П. Водная эрозия и борьба с ней. — Л., 1976. — 256 с.
• 4. Принципы и методы организации орошаемых земель на агроландшафтной основе / А. В. Колганов [и др.]. — М.: ООО «Эдэль-М», 2001. — 108 с.
• 5. Методические указания по назначению компенсационных мероприятий по снижению размера ущерба от поверхностных стоков / В. Н. Щедрин [и др.]. — М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2009. — 66 с.
• 6. Методические указания по определению ущерба, наносимого поверхностным водным объектам поверхностным стоком / В. Н. Щедрин [и др.]. — М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2009. — 76 с.