УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье приводятся результаты исследований по оценке факторов весеннего половодья и определению объемов воды поверхностного стока весеннего половодья, поступающих в водохранилища мелиоративного назначения, при известных объемах воды весеннего половодья и осеннего увлажнения, а также криогенного состояния почвы на малых водосборах с большими уклонами и почвогрунтами средней водопроницаемости южной лесостепной зоны Республики Башкортостан. Изучение факторов весеннего половодья на малых водосборах южной лесостепной зоны Республики Башкортостан, рассмотрено на примере водосбора р. Юрмаш.
весеннее половодье, водохранилища мелиоративного назначения, водосбор р. Юрмаш, объем поверхностного стока, объемы воды весеннего половодья, осеннее увлажнение, криогенное состояние
В Республике Башкортостан для нужд орошения построены и находятся в работоспособном состоянии 234 водохранилищ мелиоративного назначения общей емкостью 91 млн. м3, составляющие 50% от общего количества водохранилищ. Из них 35% водохранилищ находятся в южной лесостепной зоне республики и расположены, как правило, на малых водотоках (водосборах) [1,2].
На малых водотоках отсутствуют систематические гидрологические наблюдения, и безопасная эксплуатация водохранилищ на них зависит от знаний особенностей формирования поверхностного стока на водосборах. Доля весеннего половодья рек Башкортостана составляет до 83% годового стока, и безопасная эксплуатация водохранилищ, в первую очередь, предопределяется правильной оценкой объемов поверхностного стока весеннего половодья.
Объемы поверхностного стока весеннего половодья зависят от факторов весеннего половодья. Под факторами весеннего половодья подразумеваются факторы, формирующие поверхностный сток весеннего половодья. Поэтому правильная оценка факторов весеннего половодья и их всесторонний учет при организации пропуска паводка через водопропускные сооружения гидроузла водохранилищ является актуальной задачей.
Целью данной работы является оценка факторов весеннего половодья и их влияние на поверхностный сток, поступающий в водохранилище, на малых водосборах южной лесостепной зоны Республики Башкортостан
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- анализ факторов весеннего половодья и установление их многолетней динамики;
- учет влияния факторов весеннего половодья на поверхностный сток весеннего половодья.
Для изучения факторов весеннего половодья на малых водосборах южной лесостепной зоны Республики Башкортостан, выбрали водосбор р. Юрмаш с площадью - 137 км2.
Водосбор р. Юрмаш относится к южной лесостепной зоне в Правобережном Прибельском округе Прибельского придолинного района. Рельеф - увалисто-равнинный, расчленённый оврагами и балками со средним уклоном 51‰. Почвы – серые лесные и оподзоленные черноземы, грунты – легкие суглинки и супеси. Залесенность – слабая древесно-кустарниковая растительность (менее 5 %) с преобладанием березовых лесов с примесью осины и вяза. Количество среднегодовых осадков составляет 809 мм, из них за вегетационный период - 301 мм (по метеостанции Уфа). Река не пересыхает и не перемерзает, имеет преимущественно снеговое питание. На период весеннего снеготаяния приходится порядка 52% объема годового стока. [3].
Река Юрмаш относится к малым водотокам с ярко выраженным весенним половодьем с одним пиком. Средние сроки половодья: начало - первые числа апреля, пик – конец апреля, конец – середина мая. Максимальные расходы и уровни наблюдаются ночью с продолжительностью несколько часов. Многолетние дождевые паводки по величине стока не превышают весеннее половодье. Сток реки в период летне-осенней межени устойчивый.
Факторами весеннего половодья принято считать запасы воды в объеме снега на водосборе; дождевые осадки, выпавшие на поверхность водосбора в период весеннего половодья; степень осеннего увлажнения и глубина промерзания почв водосбора.
Запасы воды в объеме снега на водосборе определяются на основе данных ежегодных снегомерных съемок. Суть снегомерных съемок заключается в прокладке маршрутов, вдоль которых определяются мощности снежного покрова и плотности снега. Для получения достоверных данных, маршруты прокладываются с охватом всех основных элементов ландшафтов водосбора. При этом запасы воды в снеге вычисляются по стандартной методике [4]. Запасы воды в снеге на водосборе р. Юрмаш за 2015-2023 гг. находятся в пределах 12.3÷29.4 млн. м3, максимальный объем воды в снеге зафиксирован в 2017 г.
Второй фактор - дождевые осадки, выпавшие на поверхность водосбора в период весеннего половодья. Определяются на основе данных ФГБУ «Башкирское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», в нашем случае - по метеостанции Уфа. Часть осадков, выпавших на водосбор до снегомерных съемок, учитывается результатами этих съемок. Дополнительно учитывается только часть осадков, выпавших на водосбор, за период после снегомерной съемки и до окончания весеннего половодья. По водосбору р. Юрмаш за 2016-2023 гг. величины осадков колеблются в пределах 1,2÷13,6 млн. м3 с максимумом в 2020г.
Многолетние динамики запасов воды в снеге и дождевых осадков, выпавших в период половодья, на водосборе р. Юрмаш за 2016-2023 гг. приведены в диаграмме их изменений (рисунок 1).
Рисунок 1 Многолетние динамики запасов воды в снеге, дождевых осадков и их суммарных объемов воды в период половодья
на водосборе р. Юрмаш
Анализ диаграммы показал, что величины суммарных объемов воды на водосборе в основном зависят от запасов воды в снеге. Но при этом, так же, необходим учет осадков, выпадающих после снегосъемки. Так, для 2020 г. не учёт дождевых осадков уменьшает объем воды на водосборе на 32%, а в среднем за 2016-2023 гг. на 24%.
Долю поверхностного стока, поступающей с водосборной площади в водохранилище, можно прогнозировать через коэффициент поверхностного стока (далее КПВ). КПВ определяется как отношение объема стока весеннего половодья, поступающего в водохранилище (в нашем случае Юрмашевское) к суммарному объему воды на водосборе (таблица 1).
Таблица 1. Объем стока весеннего половодья, поступающего в Юрмашевское водохранилище Wст и суммарный объем воды на водосборе Wсум, коэффициенты поверхностного стока КПВ по исследуемым годам
|
Годы |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
2022 |
2023 |
|
Wст, млн. м3 |
22,2 |
12,8 |
10,6 |
10,3 |
35,9 |
11,7 |
13,2 |
14,9 |
|
Wсум, млн. м3 |
29,9 |
36,7 |
20,9 |
17,9 |
42,0 |
22,7 |
33,0 |
25,6 |
|
КПВ |
0,74 |
0,35 |
0,51 |
0,57 |
0,85 |
0,52 |
0,40 |
0,58 |
Зная КПВ и суммарный объем воды на водосборе можно прогнозировать объем воды, поступающего в водохранилище в период весеннего половодья.
Средние значения осеннего увлажнения (третий фактор) и глубин промерзания почвы (четвертый фактор) на малых водосборах, относящихся к бассейну реки Белая, можно принимать по опубликованным бюллетеням №8 «Прогнозы элементов ледового и водного режима рек и водохранилищ в период весеннего половодья в бассейне p. Белая». В нашем случае, значения осеннего увлажнения приняты по бюллетеню №8, а значения глубин промерзания почвы на конец декады на период 2016-23 гг. выбраны по данным метеопоста водобалансовой станции (Уфимский район) Уфимского УЭМВС ФГБУ «Управление «Башмелиоводхоз» (таблица 2).
Таблица 2. Средние значения объемов осеннего увлажнения Wоу, глубин промерзания почвы hпп и суммарных объемов воды на водосборе Wсум
|
годы |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
2022 |
2023 |
|
Wоу, млн. м3 |
15.6 |
8,2 |
10,3 |
10, |
16,8 |
13,2 |
7,0 |
9,9 |
|
hпп, см |
-15 |
-21 |
-79 |
-37 |
-30 |
-48 |
-25 |
-38 |
|
Wсум, млн. м3 |
29,9 |
36,7 |
20,9 |
17,9 |
42,0 |
22,7 |
33,0 |
25,6 |
С целью выявления зависимости суммарных объемов воды на водосборе от объемов осеннего увлажнения и глубин сезонного промерзания почвы за исследуемый период. провели сравнительный анализ таблицы 2. Анализ показал, что между сравниваемыми параметрами нет прямой зависимости и для объективной оценки процесса формирования весеннего половодья необходим учет дополнительных факторов весеннего половодья. На наш взгляд, таким фактором может быть криогенное состояние почвы (мерзлое или талое) на водосборе в период весеннего половодья. Состояние почвы в период весеннего половодья можно установить, сопоставляя даты оттаивания (размораживания) почвы и начала весеннего половодья.
Для учета и анализа вышеизложенных факторов половодья составлена сводная таблица параметров, характеризующих процесс формирования весеннего половодья на водосборе р. Юрмаш (таблица 3).
Таблица 3. Сводная таблица параметров, характеризующих процесс формирования весеннего половодья на водосборе р. Юрмаш
|
Го-ды |
Объемы, млн. м3 |
даты |
глубина промер-зания почвы, см |
осеннее увлажнение почвы |
Сток поло-водья, поступающий в водо-храни-лище, млн м3 |
Сос-тоя-ние поч-вы** |
Коэффи-циент поверх-ностного стока |
||||
|
воды в снеге на водо-сборе |
дож-дев-ых осад-ков* |
сумм-арной воды на водо-сборе |
нача-ла половодья |
нача-ла оттаи-вания грунта |
мм |
млн м3 |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
2016 |
19.5 |
10.4 |
29.9 |
27.03 |
10.02 |
-15 |
114 |
15.62 |
22.2 |
т |
0.742 |
|
2017 |
29.4 |
7.3 |
36.7 |
01.04 |
10.02 |
-21 |
60 |
8.22 |
12.8 |
т |
0.349 |
|
2018 |
12.3 |
8.6 |
20.9 |
10.04 |
30.04 |
-79 |
75 |
10.28 |
10.6 |
м |
0.507 |
|
2019 |
16.7 |
1.2 |
17.9 |
25.03 |
31.03 |
-37 |
73 |
10.00 |
10.3 |
м/т |
0.575 |
|
2020 |
28.4 |
13.6 |
42.0 |
16.03 |
20.01 |
-30 |
123 |
16.78 |
35.9 |
т |
0.855 |
|
2021 |
19.6 |
3.1 |
22.7 |
01.04 |
10.04 |
-48 |
96 |
13.22 |
11.7 |
м |
0.515 |
|
2022 |
24.4 |
8.6 |
33.0 |
01.04 |
31.03 |
-25 |
51 |
6.99 |
13.2 |
м/т |
0.400 |
|
2023 |
22.7 |
2.9 |
25.6 |
20.03 |
31.03 |
-38 |
72 |
9.86 |
14.9 |
м |
0.580 |
Примечания: * - дождевые осадки, выпавшие на водосбор за период после снегомерной съемки и до окончания весеннего половодья; ** - т – талое, м – мерзлое, м/т – в начале половодья - мерзлое, к концу половодья – талое.
Данные таблицы 3 хорошо подразделяются на три группы по состоянию почвы в период половодья:
- первая: талые почвы, у которых КПВ зависит только от осеннего увлажнения и не зависят от глубины промерзания (2016, 2017, 2020 гг.);
- вторая: мерзлые почвы, у которых КПВ зависит только от глубины промерзания и не зависят от осеннего увлажнения (2018, 2021, 2023 гг.);
- третья: почвы, которые в начале половодья - мерзлые, к концу половодья – талые (2019, 2022).
Анализ первой группы дает возможность установить зависимость КПВ от осеннего увлажнения почвы в мм Hоу. Значения Кпв для талых почв при слое осеннего увлажнения в пределах 60÷123 мм меняется от 0,346 до 0,855. По данным таблицы 3 (графы 8 и 12) построен график Кпв=f(Hоу) при граничных условиях: КПВ=0 при Hоу=0 и КПВ=1 при Hоу=Hппв, где Hппв – слой воды, необходимого для полного заполнения пор почвы водой (рисунок 2).
Рисунок 2. Зависимость коэффициента поверхностного стока Кпв
от осеннего увлажнения почвы в мм Ноу
По графику на рисунке 2 выведена аппроксимирующая зависимость в виде полиномиальной функции второй степени:
Кпв=0.005·Hоу2+0,0047· Hоу+0,012.
где Hоу – осеннее увлажнение почвы на водосборе в мм.
Анализ второй группы показывает, что Кпв не зависит от значения глубины промерзания грунта и для мерзлого грунта колеблется в пределах 0.507÷0.581. Для предварительных прогнозных расчетов рекомендуется принимать среднее значение, равное 0,534.
Процессы, формирующие половодье у почв третей группы, достаточно сложные, так как в период половодья меняется криогенное состояние грунта. Для предварительных прогнозных расчетов рекомендуется принимать среднее значение, полученное по первой и второй группам.
С учетом полученных зависимостей, рекомендуется следующий порядок оценки факторов весеннего половодья и определения доли поверхностного стока на малых водосборах, поступающей на водохранилища:
1 На основе данных снегомерной съемки определяются объемы воды в снеге на водосборе;
2 По данным ФГБУ «Башкирское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» принимаются:
2.1 объемы дождевых стоков, выпавшие на водосбор за период после снегомерной съемки и до окончания весеннего половодья;
2.2 слой осеннего увлажнения почвы на водосборе;
2.3 по прогнозируемым датам начала половодья и оттаивания (размораживания) почвы устанавливается криогенное состояние почвы на водосборе;
3 В зависимости от криогенного состояния почвы (талое или мерзлое) в период весеннего половодья определяется КПВ: для талой почвы вычисляется по формуле /1/, для мерзлой почвы принимается равным 0.534;
4 Прогнозируемый объем воды весеннего половодья, поступающего в водохранилище, находится как произведение суммы объемов воды в снеге (п. 1) и дождевых осадков (п.п. 2.1) на КПВ (п. 3).
Очевидно, КПВ также будет зависеть от уклона рельефа местности и типа почвы и подстилающих грунтов (почвогрунтов) на водосборе. Для подразделения КПВ от этих факторов можно воспользоваться классификацией А.Н. Костякова:
- по уклону местности: малый - <0.01, средний – 0.01÷0.05, большой >0.05;
- по типу почвогрунта: хорошо водопроницаемые – пески, супеси, средние водопроницаемые – легкие суглинки, ниже средней проницаемости – средние суглинки, слобоводопроницаемые – тяжёлые суглинки, глины. Зависимость КПВ от этих факторов можно установить при обработке факторов весеннего половодья малых водосборов, имеющих различные уклоны рельефа местности и почвогрунты по предложенной методике.
Таким образом, полученные результаты исследований позволяют оценить факторы весеннего половодья и определить объемы воды поверхностного стока весеннего половодья, поступающие в водохранилища мелиоративного назначения, при известных объемах воды весеннего половодья и осеннего увлажнения, а также криогенного состояния почвы на малых водосборах с большими уклонами и почвогрунтами средней водопроницаемости южной лесостепной зоны Республики Башкортостан.
1. Комиссаров А.В., Хафизов А.Р., Ишбулатов М.Г., Хазипова А.Ф. Современное состояние и перспективы развития орошаемого земледелия в Республике Башкортостан / Мелиорация и водное хозяйство. -2022.-№1.-с.22-26.
2. Ишбулатов, М.Г. Пруды и водохранилища РБ [Текст] / М.Г. Ишбулатов, А.В. Комиссаров, О.Н. Лыкасов //Состояние и перспективы увеличения производства высококачественной продукции сельского хозяйства: материалы VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Уфа, 2016. - С.45-48.
3. Khazipova A., Сhafizov A., Komissarov A., Mustafin R., Zubairov R. Choice of Melioration Facies Regimes Using Catenary-facies Models of Watersheds of the Forest-steppe Zone of the Republic of Bashkortostan / Asian Journal of Water, Environment and Pollution, vol. 17, no. 1, pp. 19-26, 2020.
4. Комиссаров А.В. Снегозапасы, как фактор формирования весеннего половодья в бассейне реки Таналык / А.В. Комиссаров, Ю.А. Ковшов // Устойчивое развитие территорий: теория и практика. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции.- Уфа, 2011. - С. 213-215.
5. Бюллетень №8. Прогнозы элементов ледового и водного режима рек и водохранилищ в период весеннего половодья в бассейне p. Белая. - ФГБУ УГМС «Башгидромет»: Гидрометеорологический центр. - Уфа, 2016-2023. - 4 с
