ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2015, № 4, с. 58-69
ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ ==
УДК 556.51
УСЛОВИЯ ВПИТЫВАНИЯ ВОДЫ В ПОЧВУ И ЕЕ ИНФИЛЬТРАЦИИ В ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ НА ВОДОСБОРАХ РЕК ВОСТОЧНОЙ КУБЫ
© 2015 г. З.К. Иофин
Вологодский государственный университет, Россия; pirit35@yandex.ru Поступила в редакцию 21.01.2013 г.
Для рек Восточной Кубы характерны малые размеры, контрастные орография и увлажнение. Используя генетическую теорию стока и линейно-корреляционную модель, рассмотрены теоретические аспекты условий формирования впитывания, количественные значения впитывания и инфильтрации до уровня подземных вод в бассейнах рек Восточной Кубы. Зависимость слоя впитывания от геоморфологического фактора позволила выделить из общего слоя впитывания до начала водообразования (образование гравитационной воды) и в процессе стока слой поверхностного задержания. Как показали исследования, зависимость слоя инфильтрации от слоя впитывания оказалась достаточно надежной. Однако на оси слоя инфильтрации этого графика оказалась некоторая величина, которая характеризует наличие "скрытого слоя инфильтрации" при отсутствии впитывания. Предполагается, что поверхностный и подземный водосборы не совпадают, и имеет место подземный водообмен между отдельными водотоками.
Ключевые слова: впитывание, инфильтрация, процесс водообразования, геоморфологический фактор, потери осадков на впитывание, виды склонового стока, карст, реки Восточной Кубы.
Постановка проблемы. Выбор географического объекта для исследования - водосборов рек Восточной Кубы - продиктован несколькими предпосылками. Во-первых, наличием большого количества характерных малых водосборов рек в одном месте. Во-вторых, редким сочетанием равнинных и горных орографических условий на ограниченной территории. В-третьих, сочетанием аридных и хорошо увлажненных водосборов. В этой связи представляет интерес формирование взаимосвязанных элементов баланса - впитывания в почву и инфильтрации в подземные воды (проникновение гравитационной влаги до уровня подземных вод).
Согласно существующим традициям, слой впитывания в почву первоначально определяют по материалам экспедиционных исследований, которые в дальнейшем используются для калибровки моделей теоретического и эмпирического содержания. Учитывая объем работ при исследовании даже одного речного бассейна, получение надежных результатов можно ожидать при сравнительно больших затратах времени. В этой связи представляется важным разработать метод учета впитывающей способности почв водосборного
бассейна, оценки временных затрат на расчеты и повышение их точности.
В гидрологии существуют различные предложения для оценки потерь стока, включающих и впитывание [1, 3 и др.]. Однако, применение этих предложений, как правило, требует сравнительно большого объема информации для определения параметров [4].
Вопрос учета величины инфильтрации для водного баланса представлен в гидрологических исследованиях чисто теоретически в балансовых уравнениях. При их практическом применении нужно констатировать, что в существующем трехэлементном уравнении водного баланса (осадки, сток, испарение) величина инфильтрации не учитывается, что негативно сказывается на точности расчетов. Отсутствие слоя инфильтрации в существующем уравнении водного баланса связано с достаточно трудоемкой и многолетней организацией наблюдений.
Что же касается процесса инфильтрации и объективной оценки ее величины при отсутствии режимных наблюдений в скважинах, то этот вопрос вообще не изучен. Публикации по определению
Таблица 1. Параметры связи слоя речного стока и слоя атмосферных осадков
Номера постов Река - пункт Площадь водосбора, ^ (км2) Слой стока, к (мм) Слой осадков, Р (мм) Связь стока с осадками,уравнение регрессии Коэффициент корреляции
20 Чапарра - эль Робле 395 188 1063 У=0.411 Р - 249 0.93
22 Хибара - эль Хобо I 80.0 292 1127 У=0.623 Р - 410 0.93
24 Майяри - ла Эмахагуа 1060 372 1458 У=0.539 Р - 414 0.91
25 Сагуа де Танамо - эль 325 602 1766 У=0.534 Р - 341 0.86
28 Инфиерно Тоа - эль Торро II 326 700 1688 У=0.64 Р - 380 0.88
29 Тоа - эль Агуакате 753 1522 2439 У=0.811 Р - 456 0.91
30 Хагуани - А. Прието 182 1924 2758 У=0.892 Р - 536 0.85
60 Севийя - ла Форталеса 565 256 1372 У=0.454 Р - 367 0.89
62 Кауто - лас Колорадос 64.7 476 1650 У=0.57 Р - 464 0.95
66 Камасан - Лимонсито 54.0 187 1208 У=0.297 Р - 173 0.79
69 Каутийо - ла Фуенте 92.0 553 1553 У=0.79 Р - 669 0.90
70 Баямо - ла Бирхен 143 816 1900 У=0.745 Р - 600 0.92
72 Яреяль - Яреяль 22.5 247 1259 У=0.404 Р - 257 0.83
77 Буэй - Сан Мигель 73.0 917 2065 У=0.718 Р - 566 0.93
79 Хибакоа - Прага 42.0 826 1705 У=0.565 Р - 172 0.79
80 Гуа - Буойна Виста 56.0 675 1640 У=0.63 Р - 362 0.91
81 Восонао - Трукуку 167 356 1442 У=0.52 Р - 394 0.93
83 Гуантанамо - Санта София II 506 219 1380 У= 0.32 Р - 223 0.90
85 Хайбо - Мариональ 163 350 1437 У=0.544 Р - 432 0.96
87 Бано - Санта Роса 126 526 1390 У=0.64 Р - 364 0.93
88 Ятерас - Паленкито 144 367 1380 У=0.364 Р - 135 0.82
89 Ятерас - Яригуана 478 289 1315 У=0.33 Р - 145 0.86
Среднее 575 1545 1590 - 0.89
слоя инфильтрации в отсутствии режимных наблюдений автору неизвестны.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования стали 22 водосбора рек Восточной Кубы, на которых расположено 324 плювиометра. Данные наблюдений включают период с начала наблюдений (1962-1964 гг.) по 1983 г. при продолжительности, в среднем, 15-16 лет. Учитывая короткий период наблюдений за стоком, выполнено приведение коротких стоковых рядов к длительному периоду по данным атмосферных осадков, продолжительность наблюдений за которыми составляет 40-65 лет. Необходимая продолжительность наблюдений контролировалась установлением репрезентативного периода с применением метода скользящих средних.
Использованные данные наблюдений на реках Восточной Кубы являются уникальными, поскольку в условиях тропиков и на малых реках Кубы, где время концентрации стока мало, методика измерения расходов воды имеет своеобразный характер.
В данной работе в качестве метода исследования принята линейно-корреляционная модель
[7], позволяющая оценить величины впитывания, инфильтрации в подземные воды, суммарное испарение и испарение с водной поверхности, величины поверхностного задержания на склонах водосбора.
Для демонстрации существования связи генетической теории стока с параметрами линейно-корреляционной модели изложим некоторые теоретические соображения, затрагивающие процесс впитывания.
Процесс впитывания зависит от ряда факторов. Согласно А.Н. Бефани [4], рост интенсивности дождя сопровождается ростом интенсивности впитывания, имея своим нижним пределом момент, в который затапливается вся поверхность. На увеличение площади стекания и, соответственно, уменьшение площади впитывания оказывает влияние и уклон склонов, способствующий уменьшению глубин ручейков и площади затопления. Структура поверхности стекания, вид сельскохозяйственной обработки почв оказывают влияние на процесс впитывания и поверхностного задержания.
У, мм 600
5004003002001000-100-200-
У = х-100
и = 1^
х-100
К"
1-к4^
0, /Ь 0--е2<! Ю 3(1 О 4( Ю 5( 10 6<! 10 1(
Рис. 1. Схема формирования суммарного впитывания Ь4 и
1- к4
потерь на впитывание на спаде стока ¿4 -после конца
к4
водообразования
Водообразование начинается с накоплением некоторой величины впитывания, которая сохраняется до начала стока и пополняется при недостаточном увлажнении вплоть до его окончания. После окончания стока также продолжается процесс впитывания некоторого объема воды, который сохранился в понижениях.
К потерям на впитывание относятся непосредственно тот слой воды, который аккумулирует почва, и слой воды, аккумулированный на поверхности бассейна. Заметим, что индекс у приводимых параметров связан с последовательностью вывода уравнений при разработке линейно-корреляционной модели [7]. Математически в линейно-корреляционной модели сказанное о слое впитывания можно записать через некоторый параметр Ь4 как:
Ь4 — Ят + Я0,
(1)
где Ь4 - свободный член уравнения прямой, связывающей слой речного стока и слой атмосферных осадков (табл. 1); Ят - суммарное впитывание за период водообразования [4]; Я0 - впитывание после конца стока за счет объема воды, оставшегося в замкнутых понижениях [4].
Эти потери формируются в процессе активного водообразования, а также в процессе впитывания и задержания в формах микрорельефа после окончания стока.
В работе [7] выполнен анализ нескольких видов уравнений прямой линии как разновидности уравнения водного баланса. В частности, рассмотрены уравнения, отличающиеся друг от
друга коэффициентом регрессии к4:
У = Р - ¿4, (2)
У = кр - ¿4. (3)
Обратимся к графическому представлению уравнений (2) и (3) (рис. 1). Поскольку уравнение (2) имеет коэффициент регрессии равный 1, то отрезок по оси У от нуля до -100 и отрезок от нуля до +100 по оси X равны. Оба уравнения выходят из одной точки Ь4. В этой связи необходимо отметить, что если следовать записи уравнений (2 и 3), то можно сказать, что сток начинается с некоторым запаздыванием по отношению к началу выпадения атмосферных осадков. Это запаздывание выражается отрезком Ь4, а в генетической теории стока - суммой двух параметров:
Ят и Я0, т.е. Ь4 — Ят + Я0.
(4)
Здесь Ь4 - накопление слоя впитывания за период существования стока Ят, а также впитывание после конца стока за счет объема воды, оставшейся в замкнутых понижениях Я0.
В уравнении (2) учитываются потери воды на впитывание в процессе стока Ят и потери после конца стока Я0, но не учитываются потери на впитывание на спаде стока после конца водообра-зования Ях. В противоположность уравнению (2) потери на впитывание на всех стадиях формирования стока и учет инфильтрации предусмотрен в уравнении (3).
Так, кроме Ь4 — Ят + Я0, учитываются потери
г 1-кд _
на впитывание на спаде стока Ь 4-— Ях за
к4
счет воды, накопившейся на склонах. Накопившаяся влага на склонах, выраженная суммой
1 - к4
Ь 4 + Ь 4 —:-
к4
испарение Е:
(табл. 2), сост
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.