Мониторинг земель малых водосборов: На примере Воронежской области

Актуальность темы

исследования. Увеличение общей антропогенной нагрузки на природную среду, сопровождающееся интенсификацией сельскохозяйственного производства, привело в последнее десятилетие к значительному ухудшению состояния земельных ресурсов. В результате низкой культуры земледелия, использования мощной техники с большим удельным давлением на грунт, недостаточного внесения минеральных и органических удобрений в пашню происходят процессы деградации сельскохозяйственных земель, выражающиеся в низкой биологической активности почв, обеднении их плодородного слоя, проявлении процессов эрозии, переувлажнения и заболачивания земель.

Важнейшими причинами деградации почв являются ускоренное развитие почвенной эрозии и «утомление почв» при их многолетнем использовании в сельскохозяйственном производстве. Очень большое разрушительное воздействие на почвенный покров оказывают процессы водной и ветровой эрозии. По данным Комитета Российской Федерации по земельным ресурсам они проявляются на 63% сельскохозяйственных угодий в России. В Центрально-Черноземном, Уральском и Волго-Вятском регионах подверженные эрозии земли занимают 50−70% площади сельхозугодий. При этом повсеместно преобладает водная эрозия, которая в наибольшей степени ухудшает состояние пахотных земель. Кроме того, в настоящее время 42,8% пахотных угодий в России характеризуется низким содержанием гумуса, ежегодная убыль которого в Центрально-Черноземном регионе достигает 0,66 т/га.

Учитывая, что земельный фонд сельскохозяйственных земель в основном приурочен к приводораздельным склонам малых водосборов, на которых формируется местный сток, весьма актуальной является задача, решение которой направлено на изучение процессов формирования местного стока и смыва почв с земель малых водосборов.

Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является геоэкологическая оценка местного стока и смыва почв и организация мониторинга земель малых водосборов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ структуры малого водосбора.

2. Организация мониторинга земель малых водосборов.

3. Разработка методики расчета местного стока и смыва почв.

4. Оценка влияния хозяйственной деятельности человека на местный сток и смыв почв с земель малых водосборов.

5. Разработка рекомендаций по защите и рациональному использованию земель малых водосборов.

Объект исследования — земли малых водосборов Воронежской области, относящиеся к бассейну реки Дон.

Предмет исследования — организация мониторинга земель малых водосборов Воронежской области.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты изучения эколого-ландшафтной структуры малых водосборов.

2. Методика расчета местного стока и смыва почв с земель малых водосборов.

3. Результаты геоэкологической оценки воздействия хозяйственной деятельности человека на местный сток и смыв почв. Рекомендации по рациональному использованию земель малых водосборов Воронежской области.

4. Система мониторинга земель малых водосборов.

Методы исследования базируются на использовании географического анализа, математического аппарата статистической обработки результатов оценки, применении для количественной оценки факторов, влияющих на местный сток и смыв почв, водного и теплового балансовых методов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1) Предложена схема эколого-ландшафтной структуры малого водосбора.

2) Разработана методика расчета местного стока и смыва почв с земель малых водосборов.

3) Проведено районирование по условиям формирования местного стока и оценке смыва почв с земель малых водосборов Воронежской области.

4) Произведена оценка воздействия хозяйственной деятельности человека на местный сток и развитие процессов почвенной эрозии.

5) Разработаны рекомендации по организации мониторинга земель малых водосборов Воронежской области.

Практическая ценность работы. Результаты исследований и выводы могут быть использованы в проектных организациях, в комитетах экологии и природных ресурсов для землеустроительных расчетов и противоэрозионной оценки состояния сельскохозяйственных земель и проведения природоохранных мероприятий.

Характеристика исходных материалов наблюдений. В диссертации использованы материалы наблюдений по 29 метеорологическим и 22 гидрологическим станциямнаблюдения за стоком по воднобалансовым станциям (Нижнедевицкая, Каменная степь) — экспериментальные исследования Воронежского государственного агроуниверситетаматериалы Воронежского облводхоза, гипроводхоза, комитета по охране природных и водных ресурсов, а также материалы полевых исследований автора.

Достоверность результатов работы подтверждается качеством материалов наблюдений, получаемых на основе стационарных наблюдений государственной сети и проведения экспериментальных исследований в соответствии со стандартными требованиямистрогостью методов исследования при решении поставленных задачпроведением проверки полученных результатов наблюдений.

Реализация и апробация работы. Результаты исследований, полученные автором, использованы при разработке «Рекомендаций по расчету инженерных характеристик при проектировании противоэрозионных комплексов в условиях Воронежской области», а также внедрены в учебный процесс Воронежского авиационного инженерного института и Воронежского военного института радиоэлектроники по дисциплине «Геоэкология».

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции посвященной памяти С. С. Семенова-Тяныианского (Липецк, 2002 г.), Межвузовских конференциях Воронежского госпедуниверситета, Воронежского военного института радиоэлектроники и Воронежского военного авиационного инженерного института (Воронеж, 1997;2002 г. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Личное участие автора в работах, опубликованных в соавторстве и использованных для написания диссертации, заключается в теоретическом и методологическом обосновании постановки проблемы и обобщении результатов, полученных при проведении исследований, а также при обработке полученных данных и формулировании выводов работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 123 наименований, а также 11 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На территории центра ETC, где имеются благоприятные природные условия и развитая многоотраслевая сырьевая база и значительные трудовые ресурсы, перспектива развития этого региона прежде всего связана с водными ресурсами. Рациональное ведение хозяйства исходит как из практических запросов всех отраслей народного хозяйства, так и из наличия самого ресурсного водного потенциала региона, с учетом экологической ситуации.

В то же время сельскохозяйственное использование земель приводит к усилению эрозионных процессов, главной причиной которой является местный сток. Несмотря на пристальное внимание со стороны ученых, местный сток и процессы смыва почв с малых водосборов до сих пор относятся к малоизученной проблеме. Главными причинами этого обстоятельства являются слабая изученность местного стока, ввиду фактического отсутствия стационарных наблюдений (в Воронежской области функционируют всего два поста на водосборах с площадью менее 50 км2) на малых водосборах и вследствие этого факта надежных методов расчета и смыва.

Вышесказанное приводит к выводу о насущной необходимости организации в Воронежской области мониторинга земель, направленного на изучение процессов формирования местного стока и смыва почв с сельско-хозяйственных угодий.

Мониторинг сельскохозяйственных земель лучше всего вести по бассейно-ву принципу. При конкретизации для каждого отдельно взятого хозяйства задача исследования локализуется. Поэтому наиболее оптимальным решение данной задачи осуществляется на мониторингах земель, организованных на малых водосборах.

Информационная обеспеченность мониторинговых исследований складывается из: 1) материалов наблюдений сетевых метеорологических и гидрологических станций и постов Гидрометаспециальных станций и постов мониторинговых исследований- 2) космических мониторинговых наблюдений- 3) результатов теоретических и эмпирических исследований- 4) географической информации.

Важной задачей при организации мониторинга является увязка перечня контролируемых геофизических параметров на действующих полигонах Воронежской области с практическим содержанием мониторинга земель малых водосборов.

Система мониторинга земель малых водосборов разработана в работе с учетом определения земли как важной части окружающей среды. Данный вид мониторинга проводится в рамках целостного природного образования — малого водосбора, составными частями которого являются компоненты ландшафта. Особенно важное внимание при выявлении негативных явлений при развитии водной эрозии, деградации почв, пастбищ, подтоплений, заболачивании, переувлажнении, засолении и загрязнении почв различными веществами требуется прежде всего знание гидрологических характеристик малых водосборов. В этой связи, в соответствии с основными задачами, поставленными в работе, анализу формирования местного стока и смыва почв в работе уделено большое внимание.

Результаты исследований, проведенных в работе, позволили сделать следующие выводы:

Существующая на настоящий момент методика изучения местного стока и смыва не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней со стороны практики ведения сельского хозяйства. Это наглядно иллюстрирует точность современных расчетных и прогнозных методов (в особенности это касается малых водосборов). Она крайне низка и как правило, превышает 20%, а в отдельных случаях достигает 400%. Поэтому возникла реальная необходимость создания новой методики изучения процессов формирования местного стока и смыва.

В работе предложена методика расчета местного стока и смыва почв Концептуальную основу данной методики исследования составляет положение: малые водосборы являются частным видом более общей категории геосистем и поэтому к ним правомерно применение общей теории систем. Теоретическую базу метода составил научный синтез частных приемов современных моделей объяснения (структурно-генетического, функционального, причинно-следственного и стохастического), применяемый в рамках системного анализа и направленный на изучение малых водосборов. Принятие геосистемной концепции предопределяет структурную схему самого методики, а также обоснование и использование конкретных приемов при решении поставленных задач в работе.

В рамках своего содержания, геосистемный метод ставит перед исследователями решение следующих проблем: анализ структуры, установление иерархических уровней организации, особенностей характера функционирования и режима, ритмики и географических закономерностей пространственно-временной изменчивости основных параметров местного стока и смыва. Важной общеметодологической проблемой исследований является создание модели представления об агроландшафтной структуре малого водосбора.

В соответствии с проведенным морфологическим анализом в работе, установлено, что по вертикали у малого водосбора выделяются три яруса, а по горизонтали: элементы и подсистемы. Элементы водосбора образованы сопряженными рядами фаций. Они характеризуются разорванным ареалом распределения в пространстве и не существуют самостоятельно. Между собой различаются не только по морфологическим, но и по морфометрическим показателям. Разнородность в их строении предопределяют неоднородность формирования на них стока. Морфометрические параметры обнаруживают достаточно тесную зависимость от литологии пород и типа рельефа. По особенностям функционирования элементы объединяются в подсистемы, которые представляют собой более высокий уровень организации. Между собой они различаются по генезису стока. В первой подсистеме формируется водоподача, а во второй — русловой сток. Выделение у малых водосборов элементов и подсистем обусловлено объективной необходимостью, в связи, с неоднородностью условий формирования на них стока. Морфоструктурные категории деления малых водосборов сами по себе не являются самостоятельными системами, так как не обладают независимостью существования и функционирования, а только в комплексе образуют единую функционирующую систему.

Неоднозначность уровней организации водосборов предопределяет проведение их ранжироваия по: размеру и порядку главного водотокарежиму функционированияхарактеру взаимосвязи между поверхностным и подземными ярусами. Всего выделено шесть иерархических рангов, которые соответствуют трем основным уровням исследования глобальному, региональному и локальному. Структурно-ландшафтные категории деления водосборов, не являются членами иерархического ряда, поскольку являются только их морфологическими частями, а не выступают как самостоятельные системы с законченным циклом формирования стока.

Состав, строение, структура и компонентный состав малых водосборов обусловлены макро и мезомасштабом факторных условий. По этой причине параметры малых водосборов обнаруживают пространственную изменчивость своих ландшафтно-природных свойств. Поэтому возникает необходимость проведения типологии малых водосборов на основе их классификации. В качестве ведущих признаков выделены: ландшафтно-климатические и геолого-геоморфологические.

Сложность и многогранность природных явлений обусловливает многоплановость задач исследований, важнейшими из которых являются формирование местного стока и смывараспределения ресурсного потенциала местного стока на элементах малого водосбора и оценка состояния сельскохозяйственных земель. Для этого необходимо организовать мониторинговые наблюдения в целях изучения гидрофизических процессов потерь талых вод, снеготаяния и водоотдачи из снежного покрова, режима местного стока и смыва.

На распределении снежного покрова и глубины промерзания почв, а, следовательно, и потерь талого стока, оказывает большое влияние морфострук-тура элементов. Поэтому и все процессы, формирующие местный сток, происходят неоднозначно на разных элементах малых водосборов.

Из всех элементов малого водосбора только на приводораздельных склонах характер изменения приходной и расходной составляющих водного баланса подчиняется зональному закону распределения. На остальных элементах под действием их ландшафтно-морфологического строения происходит перераспределение воздействия на них факторов. Поэтому условия формирования на них стока и смыва — азональны. Отличие в площадных соотношениях между основными элементами у разных малых водосборов приводит к неодинаковым объемам, сформированных на них стока и смыва.

Азональность формирования стока и смыва в оврагах и балках, а также в лесу и лесополосах относительна. Это обусловлено тем, что так зональное изменение климатических факторов способствует и изменению количественных показателей влияния азональных факторов на местный стоки смыв. В различных природно-ландшафтных зонах проявление азональности какого-либо элемента малого водосбора будет проявляться по разному. Степень этого влияния на отклонение местного стока и смыва с данного малого водосбора от зональной величины будет или ослабляться, или усиливаться, в зависимости от природно-климатических условий. Азональность влияния факторов подстилающей поверхности в большой степени обусловлена геолого-геоморфологическими и почвенными особенностями строения местности. Поэтому количественные показатели коэффициентов стокообразования для этих элементов водосбора могут быть районированы, в соответствии с геолого-геоморфологическим строением региона.

Поскольку азональность стокообразующих факторов, стока и смыва наблюдается только на приводораздельных склонах, то, следовательно, производить картирование данных характеристик можно только для этих элементов водосбора.

Для остальных элементов в работе были введены коэффициенты стокообразования (отношения между стоковыми показателями, сформированными на каком-либо элементе и приводораздельным склоне).

В работе предложено районирование Воронежской области по характеру состояния земель малых водосборов и характеру протекания на них процессов стока и смыва. Всего выделено 7 районов.

Условия формирования местного стока и смыва на ландшафтно-структурных элементах малых водосборов качественно разнородны. Поэтому методы расчета основных стоковых характеристик местного стока и смыва разработаны для них раздельно.

Предлагаемые в работе методы расчета, стока и смыва дают хорошую сходимость с фактическими данными (погрешность расчета не выходит за пределы 10%), достаточно просты и легко применимы на практике.

Анализ влияния факторов хозяйственной деятельности на местный сток и смыв показывает, что большинство хозяйственных мероприятий, проводимых на малых водосборах, как правило, оказывают лишь незначительное влияние на величину водных ресурсов местного стока, а приводят в основном к его перераспределению во времени или по территории речного бассейна. Агролесомелиоративные мероприятия оказывают довольно значительное влияние не только на величину местного стока, но и на смыв почв.

Установлено также основными факторами смыва почв являются: величина местного стокауклон поверхности и состояние почв земель малого водосбора. В весенний период величина смыва почв определяется глубиной промерзания почв и их влажностью.

При проектировании гидротехнических сооружений на малых водосборов и проведении противоэрозионных мероприятий, рекомендуемые в работе расчетные методы определения местного стока и смыва позволяют получать более обоснованные параметры, чем по СН-2.01.14−83. Поэтому использование в землеустроительных расчетах, рекомендуемые в работе расчетные методы, приводит как повышению гарантированной надежности работы гидротехнических сооружений, так и к снижению экономических нецелесообразных затрат на их сооружение.

Поставленные в работе задачи не могли, естественно, полностью исчерпать всю глубину данной проблемы. Дальнейшие мониторинговые исследования на малых водосборах, основываясь на разработанной методике изучения процессов местного стока и смыва, позволят глубже проникнуть в механизм формирования этих явлений и пойти от познания общих закономерностей к их детализации. Это во многом облегчит задачи моделирования явлений и процессов формирования местного стока и смыва почв с сельскохозяйственных земель. too.