ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 1, с. 26-30
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.132.6
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ГИДРОМОРФНЫХ ЛАНДШАФТОВ ПО ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА1 © 2015 г. С. Г. Копысов
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН 634055 Томск, просп. Академический, 10/3 E-mail: wosypok@mail.ru Поступила в редакцию 27.02.2012 г.
Предложена методика определения безразмерного параметра, отражающего ландшафтные условия формирования стока в методе гидроклиматических расчетов. Использование данной методики позволяет рассчитывать гидрологические характеристики ландшафтов на различной стадии гидро-морфной трансформации. Определение безразмерного параметра по ландшафтному профилю, проложенному через Круглый рям, представляющий собой один из очагов роста Бакчарского болота, осуществляется по известным величинам наименьшей и полной влагоемкости деятельного слоя почвенного покрова.
Ключевые слова: водный баланс, расчет испарения, заболачивание почв.
DOI: 10.7868/S0321059615010071
В настоящее время в Западно-Сибирских ландшафтах преобладает гидроморфный тренд развития, т.е. происходят заболачивание лесов и гидроморфная трансформация почв [4]. Заболачивание проявляется в увеличении площади заболоченных земель и мощности торфяной залежи.
Влияние гидроморфной трансформации почв на изменение гидрологических характеристик ландшафтов до настоящего времени мало изучено. В [7] отмечено, что не выяснено даже влияние типа почвообразования на величину годового стока рек в гидрологии. Исследователи подчеркивают важную роль почв и напочвенного покрова в формировании стока, но приемлемого практического метода расчета величины стока в зависимости от свойств почв предложено не было.
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ЛАНДШАФТА
Сток и испарение — основные воднобалансо-вые характеристики ландшафта. В методе гидролого-климатических расчетов [9] испарение Z определяется водным эквивалентом теплоэнергетических ресурсов испарения ZM, суммарным увлажнением деятельной поверхности Н, состоящим из суммы исправленных атмосферных осад-
ков X и изменения влажности деятельного слоя за расчетный период (Щ — Щ), а также безразмерными параметрами: п, отражающим влияние ландшафтных условий на формирование стока; г, характеризующим способность почвогрунта подводить влагу к испаряющей поверхности и расходовать ее на испарение (зависит от гранулометрического состава). С учетом данных обозначений формула для расчета стока У записывается в следующем виде [9]:
Y = H - Z = (X + W1 - W2) -
- Z
M
1 + f X + w - W2
ZM
(1)
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-04-01214).
В [9] показано, что параметр п не является климатически обусловленным, как это предполагалось ранее [2]. Параметр п зависит от климата только опосредовано, через рельеф и почву. В работе [9] значение параметра п устанавливается исходя из того, что в природе степень увлажненности деятельного испаряющего почвенного слоя находится на уровне полной соразмерности с теплоэнергетическими ресурсами. Путем решения уравнения для средней за расчетный интервал влажности почвы, равной наименьшей влагоем-кости, в [9] получена следующая формула:
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ГИДРОМОРФНЫХ ЛАНДШАФТОВ
27
18 16 14
И 10
Н
^ 8
С
1000
100
10
1п(Кф)
Рис. 1. Зависимость водоотдачи от коэффициента фильтрации, мм/ч, для почв восточного Васюганья.
1
0
-0.301
n =-, (2)
1g(1 -Пк)
где цк — коэффициент стока в условиях полной соразмерности влаги и тепла, т.е. оптимальный коэффициент стока, при котором обеспечивается наибольшая биологическая продуктивность, имеющий тесную связь с уклоном водосборных площадей и их шероховатостью. Бо льшие значения цк соответствуют большей зарегулированно-сти стока озерами, болотами, лесом и почвенным покровом [10].
Как уже было отмечено, параметр n отражает влияние всех многочисленных физико-географических факторов (ландшафтных условий) на испарение и сток. Все эти факторы определяют также и свойства почвы. Так, в [12] отмечено, что состояние почв и экосистем в конкретном ландшафте определяется современной геоситуацией — исторически обусловленной обстановкой, совокупностью факторов в данной географической точке. Причем, как подчеркивается в [13], имеется набор базовых свойств почвы, в основном и определяющий ее остальные свойства.
Почва — это природная система, сформировавшаяся в результате взаимодействия потоков энергии и вещества. Связующим звеном в этой системе, согласно [8], выступает инфильтрацион-ная способность почвенного покрова, которая одновременно — и морфологическое свойство склона, и пороговый регулятор в каскадной гидрологической системе бассейна реки.
Инфильтрационная способность, характеризующаяся коэффициентом фильтрации (КФ), судя по графику (рис. 1), построенному по экспериментальным данным автора статьи, имеет достаточно тесную связь с водоотдачей для тяжелых по
гранулометрическому составу почв. Водоотдача соответствует активной пористости и определяется разностью величин полной (ПВ) и наименьшей (НВ) влагоемкости, выраженных в процентах объема.
В природе степень увлажненности деятельного испаряющего почвенного слоя находится в полной соразмерности с теплоэнергетическими ресурсами, как указывается в [9]; по мнению автора, именно это обстоятельство и делает почву "зеркалом ландшафта", отражающимся в водо-удерживающих свойствах деятельного слоя,выра-женным в оптимальном коэффициенте стока из этого слоя. Поэтому, если предположить, что водоотдача ПВ—НВ соответствует наибольшей возможной величине стока воды с деятельного слоя почвы, а ПВ — отражает наибольшее возможное суммарное увлажнение деятельного слоя, то вполне справедливым будет следующее выражение, определяющее оптимальный коэффициент стока:
ПВ - НВ , НВ
Пк =-= 1--.
к ПВ ПВ
(3)
Подставив это выражение в формулу (2), получаем:
n =
-0.301
* (HB)'
(4)
Таким образом, располагая данными о наименьшей и полной влагоемкости деятельного слоя, можно рассчитать параметр п, выражающий влияние ландшафтных условий на сток. Значит, обладая необходимой климатической информацией, по формуле (1) можно выполнить расчет среднемноголетнего испарения и стока для любого ландшафтного элемента.
46.8
260
240
220 200 Расстояние, м
180
160
Торф
Глина Гумусовые горизонты f Испарение
Рис. 2. Фрагмент ландшафтно-экологического профиля через Круглый рям.
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ЛАНДШАФТА НА РАЗНОЙ СТАДИИ
ГИДРОМОРФНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ
Для оценки изменения гидрологических характеристик ландшафтов при их гидроморфной трансформации был выполнен расчет элементов водного баланса по ландшафтному профилю, проложенному через Круглый рям — заросшее сосной болото (названый так за свою форму), представляющий собой очаг роста Бакчарского болота, входящего в Большое Васюганское болото, на расстоянии 650 м от р. Бакчар. Координаты профиля: 56°53'02.4" с.ш., 82°34'48.5" в.д. -56°53'00.2" с.ш., 82°34'34.6" в.д.
Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов испарения (ZM) для исследуемой территории оценивался по сумме среднесуточных температур, превышающих 10°С, и составил 612 мм. Осадки - с учетом поправок на смачивание и недоучета влияния ветра и испарения (X) — составили 572 мм в год [11]. Без учета двух последних поправок величина среднемноголетних осадков составляет 476 мм.
Для получения распределения по месяцам среднемноголетних водно-балансовых величин использовался метод гидроклиматических расчетов [9], реализованный в Microsoft EXEL с использованием встроенной в него функции подбора параметра для определения начальной относительной увлажненности деятельного слоя.
На профиле (рис. 2) были выделены четыре расчетных элемента: лес, лесной экотон (лэ), болотный экотон (бэ) и болото (рослый рям). Для каждого элемента в таблице приведены показатели мощности деятельного слоя, его наименьшей и полной влагоемкости, а также рассчитанные по вышеприведенным формулам: безразмерный параметр п, среднемноголетние значения испарения и стока воды.
Результаты расчетов внутригодового распределения элементов водного баланса за апрель-сентябрь представлены на рис. 3. Сток за октябрь-апрель составляет в среднем 8.7% годового стока. Речной сток в данном случае включает в себя поверхностную и подповерхностную составляющие.
Сравнение графиков распределения водноба-лансовых величин по месяцам за вегетационный период (рис. 3; таблица) в первую очередь выявляет рост средней увлажненности метрового слоя деятельной поверхности (W) с 389 мм в лесу до 716 мм на болоте, что отражает процесс гидроморфной трансформации ландшафта. Это объясняется увеличением влагоудерживающей способности деятельного слоя в результате увеличения органических горизонтов, состоящих из гидрофильной растительности, и увеличением удельной поверхности минеральных горизонтов за счет накопления в них мелкотекстурных частиц и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов из-за отсутствия условий для их выноса из почвы.
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ГИДРОМОРФНЫХ ЛАНДШАФТОВ
29
Все это сопровождается увеличением водорегулирующей способности деятельного слоя за счет роста водоотдачи (ПВ—НВ) и приводит к тому, что в течение всего летнего периода сток с болота более равномерен, чем из леса — где основной сток приходится на май.
Описанные процессы приводят к тому, что испарение воды с рослого ряма примерно на 14 мм меньше испарения из леса. Наибольшие величины испарения характерны для экотонов, т.е. краевых переувлажненных участков болот и леса: на 9—16 мм больше, чем с незаболоченных участков, и на 23—30 мм больше, чем с рослого ряма. Такие величины согласуются с данными [11].
Величина стока имеет обратное распределение, т.е. наибольший слой стока (112 мм в год) дает рослый рям (болото), характеризующийся наибольшей водоотдачей и более глубоким залеганием грунтовых вод (0.5 м), обуславливающим произрастание сосны.
Рослый рям — не типичный вид болота на рассматриваемой территории (занимает всего 5% площади).
Полученные расчетные характеристики водного баланса укладыва
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.