научная статья по теме ОЦЕНКА ЭВАПОТРАНСПИРАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ПОМОЩИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Геология

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ЭВАПОТРАНСПИРАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ПОМОЩИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2009, № 5, с. 457-469

УДК 631.432.21; 631.432.1; 556.136

ОЦЕНКА ЭВАПОТРАНСПИРАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ПОМОЩИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2009 г. С.П. Поздняков, А.Е. Преображенская

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра гидрогеологии

Поступила в редакцию 9.09.2008 г.

Рассмотрена численная модель эвапотранспирационной разгрузки. Проведено моделирование процесса влагопереноса в зоне аэрации на основе фактических данных по территории уникального Самурского природного комплекса (Южный Дагестан). Проанализированы закономерности формирования среднемноголетней эвапотранспирационной разгрузки подземных вод в разных ландшафтных условиях. Проведена количественная оценка эвапотранспирации подземных вод на территории Самурского природного комплекса.

ВВЕДЕНИЕ

Процессы эвапотранспирации играют существенную роль в водном балансе в областях, где величина испаряемости превышает среднегодовое количество осадков. На подобных территориях эвапотранспирация - один из видов разгрузки подземных вод при их неглубоком (до 4 м) залегании, важный элемент баланса подземных вод, нуждающийся в количественном определении.

Существуют прямые экспериментальные методы определения эвапотранспирации грунтовых вод по данным батареи лизиметров, моделирующих заданную глубину залегания уровня. Отрицательные стороны этих методов -сложность реализации и проведения лизиметрических экспериментов в полевых условиях, а также неопределенность в алгоритме перехода от данных лизиметрической батареи в точке к представительному элементу ландшафта, на котором происходит эвапотрансирационная разгрузка.

Суммарную эвапотранспирацию за заданные промежутки времени можно оценить на основе тепло- и воднобалансовых расчетов по другим измеряемым характеристикам, таким как радиационный поток тепла, температура, скорость ветра и др. [3]. При этом сначала рассчитывается потенциальная эвапотранспирация (испаряемость), а затем осуществляется переход к реальной эвапотранспирации. В различных вариантах перехода используются различные лимитирующие зависимости, определяющие доступность

почвенной влаги для эвапотранспирации, сформулированные через критическую влажность [3] либо критическую высоту всасывания в почве [6]. Введение таких зависимостей позволяет учесть влияние динамики процессов влагопе-реноса в зоне аэрации, ее строения, глубины залегания уровня грунтовых вод на формирование эвапотранспирации. Для оценки реальной эвапотранспирации целесообразно использовать моделирование трансформации осадков на поверхности и влагопереноса в почве с калибра-цией модели по натурным данным, полученным в ходе полевых исследований. Это позволяет учесть динамику формирования водного баланса зоны аэрации, влияющего на доступность влаги для реальной эвапотранспирации. При таком подходе величина потенциальной эвапотранспи-рации рассчитывается из измеряемых метеорологических данных, а реальная эвапотранспира-ция, включая поток влаги от уровня грунтовых вод к корнеобитаемой зоне, рассчитывается при помощи моделирования влагопереноса в зоне аэрации, в котором потенциальная эвапотранс-пирация используется при задании граничных условий на поверхности земли и отбора влаги корнями [6].

В данной статье проводится оценка эвапо-транспирации грунтовых вод, складывающейся за счет физического испарения влаги из почвы и транспирации корнями растений, на основе моделирования цикла трансформации осадков на поверхности и миграции влаги в зоне аэрации при неглубоком залегании уровня грунтовых вод.

Цель статьи - изучение эвапотранспирации грунтовых вод на территории Самурского природного комплекса (СПК) и выявление основных факторов, влияющих на неё, а также практическое применение моделирования влагопереноса для оценки суммарного расхода эвапотранспирации в пределах СПК.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

Самурский природный комплекс (СПК) расположен на территории Магарамкентского и Дербентского районов Республики Дагестан, в южной части Приморской низменности в дельте р. Самур. СПК - уникальный уголок природы, где на площади 72 га сформировались специфические экологические условия, обеспечивающие сохранение здесь реликтового третичного лесного массива. СПК характеризуется большим разнообразием видов растений. Среди них 15 видов средиземноморских лиан, 14 третичных реликтовых, 16 реликтовых и эндемичных видов. В Красную книгу России и Дагестана занесены 53 вида растений [2].

Существование данного редкостного леса связано с особенностями водного режима территории. Неглубокое залегание уровня грунтовых вод (до 4 м) на большой площади, наличие многочисленных родников и ручьев создали весьма редкие условия, при которых благополучно развился и существует СПК. Влаголюбивая растительность СПК формирует весьма высокие расходы эвапотранспирации, которая во многом поддерживается за счет подтягивания влаги из подземных вод. Таким образом, подземные воды определяют влажностной режим леса, а эвапотранспирация играет важную роль в их балансе.

Нормальное функционирование леса напрямую зависит от режима подземных вод, а его нарушение может привести к негативным последствиям, таким как полная деградация СПК. Данная территория очень перспективна в плане использования подземных вод, в связи с этим встает вопрос величины нанесения ущерба СПК при их эксплуатации. На изучаемой территории ГУП РЦ "Дагестангеомониторинг" в рамках гидрогеологического мониторинга проводил наблюдения за динамикой влажности пород в зоне аэарции. На основе этих наблюдений проведена верификация модели эвапотрансприционной разгрузки подземных вод.

ГЕОГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭВАПО-ТРАНСПИРАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКИ

Модель состоит из двух расчетных блоков (рис. 1). Первый блок - трансформация осадков на поверхности. Второй блок - влагоперенос в зоне аэрации от поверхности земли до уровня грунтовых вод с учетом отбора влаги корнями растений.

ТРАНСФОРМАЦИЯ ОСАДКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ

В данном блоке проводится расчет трансформации осадков на поверхности земли с учетом их накопления в виде снега, таяния, поверхностного стока и их задержки растительностью.

Входные данные для этого блока - это ряды суточных осадков, температур, солнечной радиации, номер кривой стока, по которой рассчитывается поверхностный сток и динамика индекса развития поверхности листьев растительности.

Трансформация осадков на поверхности рассчитывается по следующему ниже алгоритму.

Рассмотрим баланс влаги в вертикальной колонке, имеющей единичную площадь, ограниченной сверху условной поверхностью, проведенной по кровле растительности, а снизу - поверхностью земли. При пренебрежении горизонтальным переносом влаги внутри колонки уравнение баланса влаги в ней имеет вид

— = О - Е - Я - V, Л

(1)

где V = ¥т +УГ - слой влаги в рассматриваемой колонке, состоящий в общем случае из слоя влаги, задержанного растительностью Vtr, и эквивалентного слоя влаги, накопленного в снегу Vsn; О - интенсивность осадков; Я - интенсивность поверхностного стока; V - интенсивность впитывания влаги в почву; Е - интенсивность испарения из расчетной колонки, состоящая из испарения с поверхности растительности Ег и поверхности

снега Esn.

В общем случае интенсивность поверхностного стока Я и интенсивность впитывания в почву V зависят от гидрофизических параметров и влажности почвенного слоя, т.е. от параметров и протекания процесса влагопереноса во втором блоке модели.

Интегрирование уравнения (1) проводится с постоянным временным шагом равным 1 сут.

ОЦЕНКА ЭВАПОТРАНСПИРАЦИОННОИ РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД О

I- Трансформация осадков на поверхности

Уровень грунтовых вод

П - Влагоперенос в зоне аэрации

Рис. 1. Схема моделирования влагообмена в зоне аэрации.

Выражение для впитывания влаги в почву при этом имеет вид

V = О'' + Д ^ + Д^ - Е - Е\п - Е1

(2)

ку1 = V' - V'+1 = -О'' + Е'

'—ь-'ВП г ВП г ВП ^ БП

Е = 0; ДГ^ = 0; Е= 0.

(3)

ся, что суточный поток талой влаги УтеН равен произведению среднесуточной температуры Т на коэффициент снеготаяния с [3]:

где Д^, ДVtr - суточное изменение слоя влаги в снегу и на растительности, а индекс г означает номер дня с начала года.

Если среднесуточная температура отрицательна, то выпавшие в данный день осадки могут только накапливаться на поверхности в виде снега, а уменьшение эквивалентного объема воды в снегу происходит главным образом за счет сублимации, т.е.

Д V = V' + Е'

ДУ вп ^ твЬ ^ вп 1

V'твЫ сТ

(4)

Если температура положительна, то изменение слоя влаги в снегу происходит за счет снеготаяния и испарения с поверхности снега. Для вычисления интенсивности снеготаяния предполагает-

При этом, если суточный слой таяния и испарения превышает запас влаги в снегу на определенные сутки, то запас влаги в снегу на следующий день приравнивается к нулю, т.е. диагностируется полное стаивание снега (ДVsn = V'вп, Vls+l = 0), пока не возник новый снежный покров в результате выпадения осадков. В период с отрицательными температурами воздуха снежный покров не участвует в расчетах трансформации осадков.

Динамика задержки и расходования влаги растительностью описывается уравнением

Д V = V' - V'+1 = -Р + Е'

г т г т 1 1г ^ т

где Ptr - задержание влаги растительностью, определяемое по зависимости Ю.Б. Виноградова [3] как

Pi _ Pi

* tr * max

1 - exp

Oi

Pi

■*■ m

(6)

где Pmax - максимальное водоудержание влаги на поверхности растительности, зависящее от индекса развития листьев LAI

Pmax KiLAI

(7)

Величина коэффициента пропорциональности KL, связывающего максимальное водоудержание с индексом развития листьев согласно [5], равна 0.2 мм.

Для задания в модели внутригодовой динамики данного индекса вводится следующая информация: LAImin - минимальное значение индекса развития листьев в невегетационный период, LAImax - максимальное значение индекса развития листьев в вегетационный период, tvegstart - время, отсчитываемое от начала года, когда начинается вегетационный период, tvegend - время, отсчитываемое от начала года, когда кончается вегетационный период.

В течение го

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.

Показать целиком