ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 4, с. 44-53
= ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ
УДК 551.480(470.0)+6314:551.3
МЕТОД ОЦЕНКИ ВЫНОСА БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОВРАЖНО-БАЛОЧНУЮ И РЕЧНУЮ СЕТЬ МАЛОЙ РЕКИ1
© 2007 г. С. В. Ясинский, Ф. Н. Гуров, Г. С. Шилькрот
Институт географии РАИ Поступила в редакцию 27.12.2005 г.
Разработан уточненный вариант ландшафтно-гидрологического метода оценки выноса валовых и подвижных форм азота и фосфора в овражно-балочную и речную сеть малой реки в период весеннего снеготаяния. Проведены расчеты и оценка их точности среднемноголетнего весеннего склонового стока и обусловленных им эрозии почвы и выноса этих биогенных элементов с различных типов геосистем для 16 малых водосборов и в целом для всего бассейна р. Истры.
Оптимальное планирование и реализация водо-хранных мероприятий в целях восстановления и охраны водных ресурсов от истощения и загрязнения должны основываться на детальной оценке интенсивности поступления загрязняющих веществ (ЗВ) в водные объекты из всех видов источников. Выделяют точечные и рассредоточенные (неточечные) источники загрязнения водных объектов. Точечные источники отличаются локализацией поступления в водные объекты промышленных и/или коммунально-бытовых сточных вод через подводные или поверхностные диффузоры. К неточечным источникам относится комплекс гидролого-эрозионных процессов, формирующихся в различных природно-антропо-генных геосистемах (лесных, сельскохозяйственных, селитебных, урбанизированных и др.), мозаично расположенных непосредственно на водосборах, обусловливающих миграцию и вынос биогенных элементов (БЭ), ядохимикатов, тяжелых металлов и других загрязняющих веществ. Потоки этих ЗВ, выносимые с водосбора, трансформируются овражно-балочной сетью (ОБС) и совместно с притоком из точечных источников обусловливают ускоренную эвтрофикацию и общее загрязнение водных объектов. Совокупность процессов поступления и трансформации химических веществ с водосбора из неточечных источников в системе "водосбор-водный объект", характеризуется как диффузное (рассеянное) загрязнение водных ресурсов.
Формирование диффузного загрязнения на водосборе - сложнейший процесс, обусловленный совокупностью частных гидрологических и геохимических процессов. К ним относятся формирование поверхностного склонового стока в периоды весеннего снеготаяния (ПВСС) и выпадения ливневых осадков в теплый период года и
1 Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект < 05-05-64884).
обусловленные им эрозия почвы и миграция загрязняющих веществ (ЗВ) с жидким и твердым стоком.
К настоящему времени сформировалось несколько подходов к оценке диффузного загрязнения водных объектов.
1. Наиболее простой, но довольно приближенный метод оценки объема диффузного загрязнения основан на использовании так называемых коэффициентов выноса БЭ [25]. Суть его в том, что на экспериментальных водосборах устанавливаются конкретные величины стока БЭ, выраженные в весовых единицах, на единицу площади речного бассейна. Эти результаты в дальнейшем экстраполируются на неизученные водосборы, ландшафтная структура которых близка к экспериментальному. Однако экспериментальные водосборы не охватывают всего многообразия ландшафтных условий реальных бассейнов, поэтому значения коэффициентов выноса даже для сравнительно однородных водосборов могут различаться на порядок [34].
2. Другой подход объединяет методы, которые можно назвать физико-статистическими. Вынос химических элементов и эрозия почвы оцениваются по объему склонового стока определенной обеспеченности, концентрации БЭ в воде и в смытой почве, с учетом ряда ландшафтных факторов. [28]. Существенным недостатком подхода является его применимость только для оценки сельскохозяйственных водосборов и неучет ими трансформирующего влияния ОБС.
3. Математическое моделирование выноса различных субстанций с водосборов. Основу этого подхода составляют динамические и динамико-стохастические модели процессов формирования талого и дождевого стока со склонов и водосбора, к которым добавляется эрозионная и геохимическая составляющие. За рубежом такие модели подразделяются на детерминированные, в том
числе гидродинамические, и упрощенные, включающие функциональные и стохастические модели [22]. Несомненно, физико-математическое моделирование процессов диффузного загрязнения водных объектов наиболее перспективно. Однако большая трудоемкость разработки и слабая информационная обеспеченность этих моделей данными наблюдений за исследуемыми процессами и определяющими их факторами ограничивают их применение для решения большого круга практических задач.
Отмеченные недостатки современных подходов обусловливают необходимость разрабатывать новые, более простые методы, обеспечивающие адекватность описания и точность расчета характеристик как частных гидролого-геохимических процессов, так и диффузного загрязнения водных объектов. В этой связи цель данной работы - разработка уточненной версии ландшафтно-гидрологического метода (ЛГМ) оценки средне-многолетнего выноса основных БЭ - азота и фосфора - с малого речного водосбора в период весеннего снеготаяния и оценки диффузного поступления БЭ в загрязнение реки. Первая версия этого метода приведена в [33]. В данной работе использована другая методика оценки ПВСС с площади овражно-балочной сети (ОБС), позволившая уточнить его величину, а также оценки поступления БЭ в речную сеть. Сущность этих уточнений изложена ниже.
Основы ЛГМ оценки выноса БЭ с водосбора в овражно-балочную и речную сеть. Концептуальную основу метода составляет бассейновый подход. Согласно ему, водосбор и сам водный объект, особенно малая река, рассматриваются как единая целостная автономная геосистема, все компоненты которой связаны между собой вертикальными и горизонтальными потоками вещества и энергии. В этом подходе водосбор любого водного объекта представляет собой каскадную ландшафтно-геохимическую систему, состоящую из малых водосборов «-порядка, объединенных между собой поверхностным, почвенным и грунтовым стоком [7, 13].
Среднемноголетний объем эрозии почвы и выноса БЭ за год является основной расчетной характеристикой в ландшафтно-адаптивном проектировании противоэрозионных мероприятий [17]. Основу метода его оценки составляет уже упоминавшийся физико-статистический подход [28]. Согласно ему, оценка выноса биогенных веществ с жидким стоком (Вж) производится по формуле:
Вж = 10-3С^, (1)
где Вж - вынос биогенного вещества, в кг; С - концентрация БЭ в стоке, мг/л; - объем стока заданной вероятностью превышения, м3/га; -площадь, га.
Расчет выноса БЭ с твердым стоком (Вт) производится аналогично:
Вт = Ю^тМ^, (2)
где т - содержание биогенного вещества в твердом стоке, мг/кг наносов, определяется по их концентрациям в верхнем 10 см слое почвы; Мр - модуль твердого стока за период весеннего половодья заданной вероятности превышения, т/га. Общий вынос БЭ с водосбора рассчитывается как сумма их потоков с жидким и твердым стоком: Вс = Вж + Вт.
Для оценки входящих в (1)-(2) параметров наиболее перспективно использование ландшафтно-гидрологического подхода, основы которого разработаны В.Г. Глушковым и развиты во многих других исследованиях [6, 8, 11, 16, 24 и др.]. Применительно к рассматриваемой задаче сущность этого подхода заключается в следующем. Полагается, что на участках водосбора, различающихся по характеристикам рельефа, почвенного и растительного покровов, особенностям хозяйственной деятельности, формируются различные по объему потоки воды и твердого стока с различной концентрацией взвешенных и растворенных веществ. Сумма потоков с этих участков, трансформированных овражно-балочной сетью, формирует диффузное загрязнение рек и других водных объектов.
Объектами исследования выступали водосбор р. Истры, ^ = 2100 км2, расположенный на северо-западе Московской области и 16 малых речных бассейнов, образующих его гидрографическую сеть. Физико-географические и хозяйственные условия водосбора р. Истры достаточно подробно освещены в литературе [4, 24, 30, 32]. Отметим только, что ландшафтная структура водосбора представлена в основном елово-березовыми лесами (55% территории), часть которых заболочена, сельскохозяйственными полями (24%), и урбанизированными территориями (11%). В отдельный тип ландшафта выделена овражно-балочная сеть (ОБС), площадь которой принята равной 10% от площади водосбора [23, 24]. Площадь основного водного объекта - Истринского водохранилища 33.6 км2, что немного больше 1% всего водосбора р. Истры. Исследуемый водосбор также достаточно хорошо изучен по условиям проявления эрозионных процессов. Из проектных материалов Росгипроводхоза (1992 г.) следует, что в отдельные годы эрозия почвы в этом речном бассейне составляет от долей до 15 т/га в год. В среднем для большей части территории бассейна величина эрозии определена в 10 т/га, при критерии допустимого смыва, равного 2.5 т/га в год. Наиболее эрозион-но-опасны земли, расположенные вдоль рек и дорог. Доля эрозионно-опасных земель в бассейне р. Истры составляет 50-70%. Густота овражно-балочной сети 1.5-2.0 км/км2.
Таблица 1. Водосборы малых рек бассейна р. Истры
5 с/х, км2
№ Водосбор 5, км2 км2 зябь упл. почвы 5 урб., км2 5 ОБС, км
1 р. Истра 420 180 38.3 80.0 80.0 41.7
2 р. Малая Истра 229 122 20.2 42.3 20.8 23.6
3 р. Молодильня 70 21.9 11.4 23.7 5.93 7.22
4 р. Маглуша 184 107 9.62 19.9 29.3 19.0
5 р. Нудоль 397 290.1 10.1 21.0 36.2 39.7
6 р. Раменка 58 36.2 3.35 7.00 5.7 5.80
7 р. Черная 77 36.4 8.6 17.9 6.5 7.70
8 р. Каменка 22 15.3 0.47 0.97 3.06 2.20
9 р. Катыш 128 87.8 3.82 7.97 15.6 12.8
10 р. Песочная 152 64.7 17.6 36.7 17.3 15.7
11 р. Грязева 91 42.1 8.34 17.4 13.8 9.40
12 р. Беляна 87 37.1 10.7 22.3 7.9 9.00
13 р. Лопца 62 28.9 7.13 14.9 7.4 3.70
14 р. Палишня 33 24.5 1.07 2.22 3.20 2.00
15 р. Катышка 26 14.6 1.90 3.95 2.97 2.60
16 р. Чернушка 14 2.8 2.77 5.78 1.26 1.40
Сумма 2050 1111 155 324 257 204
2
Методы оценки характеристик гидролого-геохимических процессов в бассейне р. Истры. Разработка ЛГМ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.