П.Н. Проездов, Д. А. Маштаков
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова
г. Саратов, Российская Федерация
Водный баланс и
уровень грунтовых вод степных мелиорированных ландшафтов Приволжской возвышенности
Защитные лесные
насаждения, водохозяйственные и селитебные
объекты способствуют трансформированию элементов водного баланса и
изменению уровня грунтовых вод антропогенных ландшафтов.
Исследования по
изучению данного вопроса проводились на типичных водосборах Татищевского района
Саратовской области в период 1964- 2005 гг.
Водосборы
площадью от 0,82 до 9 км2 в различной степени подвержены
антропогенному воздействию:
1.
Ландшафт
Вязовский природный (1964). Водосборная площадь: F=82 га, в т.ч. лес – 55
га. УГВ – 8,4 м. С. Вязовка.
2.
Агролесоландшафт
Вязовский с двумя плотными лесополосами на расстоянии 300 м друг от друга: выше
по рельефу усилена валами по верхней опушке (1964). F=82 га, в т.ч. лес – 6,3 га.
УГВ – 6,3 м. С. Вязовка.
3.
Ландшафт
Вязовый с противоэрозионным прудом на ручье Вязовый с селитебными постройками
(1983). F=90 га. Свыше 85% водосборной площади пруда заняты
лесом. УГВ – 5,5 м. С. Вязовка.
4.
Агролесоландшафт
Красная речка с ажурными лесополосами и валами-канавами на расстоянии 200м друг
от друга (1976). F=108 га. УГВ – 9,6 м. С. Мизино-Лапшиновка.
Геологическое
строение ландшафтов практически
одинаково: под слоем почвы 0,3-1,1 м находится сплошная трещиноватая опока мощностью
0,6-2,3 м, глубже располагаются суглинки
и глины и над водоупором – супеси. Почвы и грунты незасолены: плотный остаток
составляет менее 0,1% с локальным распространением по днищам балок и донных
оврагов глин сульфатного и гидрокарбонатного засоления ( сумма солей 0,2-0,3%).
Грунтовые воды пресные и слабоминерализованные до 1,6 г/л.
Система
уравнений водного баланса зоны аэрации, влагообмена почв с грунтовыми водами
представлены нами в следующем виде (Львович М.И. 1974; Проездов П.Н. 1999,
2001):
Р + М = S + V + E; (1)
WВО = V – dНВ ;
(2)
где Р – осадки, мм; М – водоподача (оросительная норма), мм;
S, V - соответственно
поверхностный и подземный сток, мм;
Е – суммарное испарение (эвапотранспирация),
мм;
W ВО
– влагообмен почв с грунтовыми водами, мм;
dнв –
дефицит влаги до НВ в зоне аэрации, мм.
Эколого–мелиоративное
обоснование систем оросительных, противоэрозионных и лесных мелиораций
учитывало условия природно-антропогенного равновесия автономных (3) или
транзитных (4) ландшафтов как с исходными (исх.), так и преобразованными (пр.)
гидрогеологическими показателями (Айдаров И.П., 1990; Проездов П.Н., 1999,
2001):
( S + V – dнв) исх ≈ ( S + V – dнв) пр, (3)
V - dнв + Ф + VПРТ < VОТ , (4)
(
УГВ исх – УГВпр ) / t < 0.05 м/год, (5)
где Ф – фильтрация из прудов, каналов, мм;
VПРТ , VОТ - соответственно подземный приток и отток, мм;
УГВ – уровень грунтовых
вод, м; t – продолжительность эксплуатации объектов, лет.
Изучение
элементов водного баланса показало, что в естественных ландшафтах поверхностный сток составляет в среднем 36% от осадков, суммарное испарение соответственно– 24%,
подземный сток – 40% (табл. 1). Лесные полосы, усиленные валами, снижают
относительные потери на поверхностный сток и испарение до 4-9%, увеличивают
влагообмен почв с грунтовыми водами в среднем до 59% от осадков. Это приводит к
формированию непериодического вторичного промывного, а при близком залегании
грунтовых вод - гидроморфного или
полугидроморфного режимов почв в антропогенных ландшафтах.
Конструкция
лесных полос имеет большое значение в изменении элементов водного баланса: в
ландшафтах с лесными полосами ажурной конструкции весенний влагообмен почв с
грунтовыми водами в среднем меньше в 4 раза по сравнению с плотными
лесополосами ( табл. 1).
Противоэрозионные
пруды в верховьях гидрографической сети с постоянными или временными водотоками
увеличивает подземную составляющую водного баланса за счет фильтрации, что
сказывается на динамике уровня грунтовых вод (табл. 2). Фильтрационные потери прудов в антропогенных ландшафтах составляют от 18
до 25% от осадков, а строительство населенных пунктов приводит к резкому
увеличению подземной составляющей водного баланса: по сравнению с естественными
ландшафтами в 14-20 раз, а агро-лесоландшафтами – в1,2-1,8раза.
Интегральным
показателем воздействия человека на ландшафты является динамика уровня
грунтовых вод со значительным подъёмом от 17,0 до 38,5 см/год при создании прудов и объектов промышленного
и гражданского строительства в верховьях овражно-балочной сети (табл. 1 и 3). Плотные лесные полосы,
усиленные земляными валами, способствуют подъему УГВ в среднем 6,5 см/год, а
ажурные – 2,0 см/год. Весной после схода снега под лесными полосами и валами
образуются верховодка и (или) купол грунтовых вод высотой до 1,0м и более с
различной продолжительностью стояния.
Вместе с дождем
и снегом в поверхностные и грунтовые воды попадают растворенные в них
химические элементы. В среднем за период снеготаяния со стоком в лесные полосы
и пруды поступает минерального азота – 0,77 кг/га, фосфора – 0,21, калия –
0,10, кальция – 0,91, магния – 0,39 кг/га.
Таблица 1.– Элементы водного
баланса степных ландшафтов
Приволжской возвышенности
(1964-2005 гг.) и вероятность их
превышения (1, 10, 50%)
(числитель – весенние
половодья, знаменатель - дождевые
паводки)
Ландшафт степной |
Элементы водного баланса, мм |
Дефицит влаги до НВ в зоне аэрации при исходных запасах 0,7 НВ, мм |
Влагообмен почв с грунтовыми водами, мм |
Подъем УГВ, см/год |
|||||||||||
запасы воды в
снеге осадки за сутки |
поверхностный сток |
суммарное испарение |
подземный сток |
||||||||||||
1% |
10% |
50% |
1% |
10% |
50% |
1% |
10% |
50% |
1% |
10% |
50% |
||||
Ландшафт Вязовский природный (1964 г.) УГВ – 8,4 м |
214 127 |
153 42 |
86 16 |
116 55 |
71 6 |
31 3 |
21 5 |
77 67 |
61 31 |
34 8 |
283 |
0 0 |
0 0 |
0 0 |
0,1 |
Агролесоландшафт Вязовский (1964 г.): плотные ЛП + валы. УГВ–6,3 м |
940 445 |
710 296 |
510 277 |
50 11 |
21 1 |
4 0 |
16 7 |
874 427 |
673 288 |
490 269 |
187 |
687 240 |
486 101 |
303 82 |
6,2 |
Агролесоландшафт Красная речка (1976 г.): ажурные ЛП + валы. УГВ – 9,6 м |
770 445 |
555 296 |
370 277 |
50 11 |
21 1 |
4 0 |
16 7 |
704 427 |
518 288 |
350 269 |
293 |
411 134 |
225 0 |
57 0 |
2,0 |
Таблица 2.– Весенний водный
баланс зоны аэрации различной вероятности превышения (1; 10; 50, %)
и уровня грунтовых вод в
степных ландшафтах Приволжской возвышенности (1964-2005 гг.)
Ландшафт степной транзитный |
Подземный
сток (U),
мм Фильтрация прудов (Ф), мм |
Дефицит влаги до НВ в зоне аэрации при исходных запасах 0,7 НВ (dнв), мм |
Динамика (±) водного баланса зоны аэрации (U + Ф + Uпрт – dнв), мм |
Подземный отток (Uот), мм |
Подъем УГВ в среднем, см/год |
||||
1% |
10% |
50% |
1% |
10% |
50% |
||||
Ландшафт природный Вязовский. УГВ – 8,4 м. Вязовка (1964). |
77 0 |
61 0 |
34 0 |
283 |
–197 |
–213 |
–240 |
230 |
0 |
Агролесоландшафт Красная речка: ажурные лесополосы + валы. УГВ – 9,6 м. М.-Лапшиновка (1976). |
704 0 |
518 0 |
350 0 |
293 |
411 |
225 |
57 |
280 |
2,0 |
Ландшафт Вязовский: селитебные объекты и пруд. УГВ – 5,5 м. Вязовка (1983). |
1074 167 |
873 132 |
690 93 |
148 |
1093 |
857 |
635 |
210 |
38,5 |
Примечание. Условия водно-балансового равновесия ландшафтов: 1) U + Ф + Uпрт-dнв < Uот (Uпрт – подземный приток, Uпрт = 0);
2) подъем УГВ при минерализации до 3 г/л ≤ 5 см/год.
Исходное
содержание солей в почве: НСО3- и Cl - – до 0,020%, SO4 2- – до 0,008%, Ca 2+, Mg 2+, Na+ – до 0,004%. Вносимые
удобрения и извлекаемые из почвы жидкими токами химические вещества в
результате промывного режима, а при близком залегании грунтовых вод (ГВ)
гидроморфизма, являются основной причиной изменения химического состава
последних.
Общая минерализация
грунтовых вод на глубине 5,5–8,4 м при гидрокарбонатно-сульфатном засолении
составляет 0,9-1,6 г/л (табл.3). Под
лесными полосами, усиленными
валами, минерализация ГВ составила 1,13 – 1,21 г/л, в открытой местности – 0,9
г/л. Селитебные объекты и противоэрозионные пруды в верховьях гидрографической
сети способствуют накоплению солей в зоне аэрации и ГВ в 1,5-1,8 раза больше по
сравнению с природными ландшафтами ( табл.3 ).
Таблица 3. –Влияние лесных полос, водохозяйственных и селитебных объектов на гидрохимические показатели степных ландшафтов Приволжской возвышенности (1964-2005гг).
Ландшафт степной транзитный |
Уровень грунтовых вод (УГВ), м |
Подъём УГВ в среднем, см/год |
Минерализация ГВ, г/л |
||
исходный |
2000-2005гг. |
||||
весна |
осень |
||||
Ландшафт природный Вязовский. |
8,4 |
8,2 |
8,4 |
0,1 |
0,9 |
Агролесоландшафт Вязовский : плотные лесные полосы + валы |
8,4 |
7,1 |
6,3 |
6,2 |
1,3 |
Агролесоландшафт Красная речка: ажурные лесополосы + валы. |
9,6 |
8,5 |
9,0 |
2,0 |
1,1 |
Ландшафт Вязовский: селитебные объекты и пруд. |
12,5 |
4,0 |
5,5 |
38,5 |
1,6 |
Антропогенные
воздействия на природные ландшафты ограничиваются следующими
эколого-мелиоративными требованиями: недопустимо создание прудов в
гидрографической сети, на склонах которой находятся объекты промышленного и
гражданского строительства, особенно животноводческие фермы ; усиление лесных
полос валами-канавами проводится по нижней опушке с высотой вала при крутизне : до 1° – 0,3 м; 1-3° – 0,3-0,6 м;
3-5° – 0,6-0,8 м; 5- 6° – 0,8-1,0 м; водозадерживающие валы строятся на склонах крутизной до 5-6° и высотой не
более 2,0 м, в ином случае создаются сдвоенные валы; подъем уровня грунтовых
вод не должен превышать 5 см/год при минерализации до 3 г/л и глубине их
залегания 4 - 9 м в зависимости от гранулометрического и солевого состава почвогрунтов
зоны аэрации.