ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2008, том 35, № 3, с. 348-357
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.332 +631.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВ ВОДОСБОРА ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА1
© 2008 г. Е. М. Гусев *, В. Штекауерова **, К. Стеглова **, Ю. Майерчак **,
А. Г. Кочарян *, К. Е. Никитская *
*Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 **Институт гидрологии Словацкой академии наук 83102 Братислава, ул. Рачянска, 75 Поступила в редакцию 22.02.2007 г.
Экспериментально получены зависимости капиллярно-сорбционного потенциала и коэффициента влагопроводности почвы от ее влажности для лесной, луговой и сельскохозяйственной экосистем водосбора Иваньковского водохранилища. Для этих же почв определены параметры уравнений ван Генюхтена-Муаллема на основе данных о гранулометрическом составе почвы и ее плотности. С использованием компьютерной программы HYDRUS-1D и полученных данных рассчитаны значения наименьшей влагоемкости почв лесной, луговой и сельскохозяйственной экосистем в районе водосбора Иваньковского водохранилища.
В системе водоснабжения г. Москвы главенствующую роль играет Иваньковское водохранилище. Благодаря ему Волжская водная система обеспечивает гарантированную водоотдачу в 81 м3/с. Гарантированная водоотдача двух других водных систем -Москворецкой и Вазузской составляет 32 и 19 м3/с соответственно.
Экологическое состояние и качество воды Иваньковского водохранилища в значительной степени определяется состоянием и характером использования его водосборной территории, поскольку именно на ней протекают основные процессы, формирующие химический состав вод водных объектов. На водосборной площади сосредоточены все источники загрязнения поверхностных и подземных вод: как точечные, так и распределенные по всей площади водосбора. Сосредоточенные сбросы сточных вод промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных предприятий легко поддаются регулируемому воздействию. Талые же и ливневые стоки с городских территорий, промышленных площадок, животноводческих комплексов поддаются регулирующему воздействию только в случае их канализования и стопроцентной очистки. В отличие от сосредоточенных, рассредоточенные или диффузные источники загрязняющих веществ (ЗВ) отличаются большой динамикой функционирования и значительной нестационарностью воздействия, что создает проблемы с количественной
1 Работа выполнена при финансовой поддержке фонда
VEGA (проекты 2/5018/25, 2/6018/26).
оценкой их влияния на водный объект и трудности с их контролем. Поэтому для адекватной оценки поступления загрязненных вод в водохранилище необходимо уметь достаточно точно рассчитывать характеристики стока с водосбора и влагопереноса в почвах.
Один из наиболее перспективных методов получения такой оценки - физико-математическое моделирование процессов массообмена в почвенном профиле рассматриваемых объектов. Осуществление данного типа моделирования требует задания почвенных параметров, идентифицирующих соответствующие экосистемы, в первую очередь гидрофизических параметров почвы, используемых при описании влагообмена в ненасыщенных средах на основе решения уравнения влагопереноса Ричардса [26]. Настоящая работа посвящена экспериментальному определению указанных параметров для основных типов подстилающей поверхности (лесной, луговой и сельскохозяйственной) водосбора Иваньковского водохранилища.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ
ОБЪЕКТОВ НА ВОДОСБОРЕ ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Водосбор Иваньковского водохранилища представляет собой довольно большой по площади (42 тыс. км2) объект. Для проведения достаточно точных расчетов формирования на нем гидрохимических процессов требуется определение гидрофизических характеристик почвы целой сети точек на
Рис. 1. Карта-схема Иваньковского водохранилища и местоположение на его водосборе исследовательского полигона. Черные прямоугольники с числами - почвенные разрезы и их номера.
водосборе. Авторы пока имели возможность получить почвенные параметры только для одного из его участков (рис. 1), и данная работа - только начальный этап формирования такой базы данных. Тем не менее, она позволяет в определенной мере иметь ориентировочные оценки почвенных параметров для экосистем в районе водосбора, что дает возможность в дальнейшем осуществить моделирование динамики гидрохимических процессов на водосборе хотя бы в первом приближении.
На рис. 1 показано местоположение исследовательского полигона на водосборе Иваньковского водохранилища вблизи г. Конаково и расположение на полигоне почвенных разрезов, в которых были отобраны образцы почв, а в табл. 1. дано краткое описание почв и растительного покрова в районе соответствующих разрезов. Полигон характерен тем, что на его площади представлены все три указанные выше экосистемы. Кроме того, в табл. 1 представлена информация, содержащая сведения о номерах образцов почв, взятых в районе расположения соответствующих почвенных разрезов, глубинах, на которых взяты образцы, и стандартных физических характеристиках почвенных образцов: их механическом составе (при этом границы фракций распределения почвенных частиц по их размерам соответствуют фракционному делению почвенных частиц, принятому в Словакии), плотности почвы, плотности твердой фазы почвы. Для отобранных в районе каждой экосистемы почвенных образцов в лабораторных условиях были определены их гидрофизические характеристики.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ДЛЯ РАЗНЫХ ЭКОСИСТЕМ ВОДОСБОРА ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
В качестве гидрофизических характеристик почвы, используемых в модельных расчетах водного, теплового и химического режимов почвы, обычно принимаются зависимости капиллярно-сорбци-онного (матричного) потенциала почвенной воды и коэффициента влагопроводности почвы К от влажности почвы 6. Таким образом, идентификатором соответствующей почвы (ее гидрофизическим паспортом) служат функции Тг(6) и К(6). В качестве основной единицы измерения потенциала принимают энергию на единицу массы (Дж кг-1). В некоторых случаях удобнее (авторы используют данный подход) потенциал выражать как энергию на единицу веса (гидравлический напор). В этом случае он имеет размерность длины (м или см водн. ст.). Зависимость капиллярно-сорбционного потенциала почвенной воды от влажности почвы или грунта 6 является очень важной характеристикой, отражающей особенности структуры и состава почвенного горизонта или слоя грунта. Поэтому ее часто называют основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) почв [4].
Коэффициент влагопроводности (коэффициент пропорциональности между градиентом почвенной воды и потоком воды в почве) играет не менее важную роль, чем потенциал почвенной влаги. В первую очередь, он зависит (помимо влажности почвы) от механического состава почвы, ее типа,
Таблица 1. Информация о местоположении отбора почвенных образцов и характеристики их механического состава
Номер почвенного Глубина отбора, см Плотность Распределение почвенных частиц по размерам (доли фракций в %)
Тип почвы, растительность разреза образца почвы твердой фазы г < 0.01 0.01 < г < 0.05 0.05 < г < 0.1 0.1 < г < 2
г/см3 мм
Дерново-подзоли- 4 1 2-7 1.44 2.27 16.8 36.3 35.6 11.3
стая пахотная легкосуглинистая, многолетние травы 99 180 32-37 44 49 1.57 1.49 2.60 3.13 16.2 19.0 37.7 38.9 23.1 15.1 23.0 27.0
Дерново-подзоли- 6 58 4-9 1.23 2.86 16.0 30.7 27.5 25.9
стая пахотная легкосуглинистая, многолетние травы 12 53 41-46 70-75 1.57 1.57 2.86 1.92 4.7 12.8 12.8 4.9 21.8 27.7 60.8 54.7
Дерново-подзоли- 2 157 1-6 0.7 2.91 15.1 26.6 14.1 44.2
стая легкосуглинистая, ельник-кисличник 224 55 26-31 42-47 1.38 1.59 2.63 2.44 13.2 16.4 27.7 31.5 25.3 26.9 33.8 25.2
Дерново-подзоли- 11 222 5-10 0.74 2.56 8.2 40.0 23.8 28.1
стая супесчаная, ельник-кисличник 135 105 17-22 40-45 1.04 1.28 2.38 2.91 16.6 5.7 33.2 41.4 30.9 21.8 19.4 31.1
Дерново-подзоли- 8 72 4-9 1.09 2.40 19.3 23.8 27.1 29.9
стая легкосуглинистая, луговые травы 83 35-40 1.67 3.03 10.8 35.7 21.1 32.4
Дерново-подзоли- 9 130 10-15 1.12 2.33 10.8 24.5 23.3 41.4
стая легкосуглинистая, луговые травы 932 42-47 1.59 2.40 5.2 7.5 22.2 65.1
агрегатности, количества органики в почве. При задании величины потенциала в м или см К имеет размерность потока м/с или см/сут.
На основе теоретических и экспериментальных исследований указанных характеристик для различных как по генетическому признаку, так и механическому составу типов почв разработан ряд параметризаций функций Т/0) и К(0), т.е. получены обобщенные математические формулировки связи Тг и К с 0, использующие ряд параметров, идентифицирующих конкретную почву. В настоящее время наиболее удачной, достаточно универсальной и очень часто используемой при решении агрофизических, гидрологических, климатических и экологических задач является параметризация ван Генюхтена-Муаллема зависимостей Тг(0) и К(0) [26]. Данная параметризация основана на модели распределения почвенных пор по их размерам, предложенной Муалле-мом. В этом случае связи Т/0) и К(0) выглядят следующим образом:
= (0 - 0Г) / (0, - 0Г) = [ 1+(аТг )п ]1/п-1, (1)
Т п/п 1 1 — 1/п 2
К(^) = К{1- [ 1- ^п/п — 1 ] }, (2)
где 0Г, 0,, а, п и Ь - параметры связей Тг(0) и К(0) (для краткости - параметры ван Генюхтена), идентифицирующие конкретную почву (значение Ь обычно принимается равным 0.5 [24]) и зависящие в основном от ее механического состава, содержания в ней органического вещества и некоторых других показателей, К(0) - коэффициент фильтрации почвы (коэффициент влагопро-водности при полном насыщении почвы).
Имея параметризации гидрофизических характеристик почвы в форме ван Генюхтена-Муаллема, можно получить на их основе и другие, иногда теоретически обоснованные [16], а иногда менее универсальные, эмпирические, но болеее простые параметризации связей Тг(0) и К(0), в частности, параметризации Р. Клэппа и Д. Хорн-бергера [15], Р. Брукса и Э. Кори [13] и др. Поэтому в данной работе наряду с задачей экспериментального определения зависимостей Тг(0) и К(0) для экосистем водосбора Иваньковского водохранилища стави
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.