Склоновый сток талых вод и его трансформация под влиянием природных и антропогенных факторов

Центрально-Черноземные области характеризуются неустойчивым увлажнением, а повторяющиеся через 2-3 года засухи наносят огром­ный ущерб сельскому хозяйству. Коэффициент увлажнения колеблется от 0,25 на юго-востоке Воронежской области до 0,45 на севере Липец­кой области. Гидротермический коэффициент изменяется в пределах 0,9-1,2. По шкале классификации климата это слабозасушливая зона, по шкале ГТК – в основном засушливая.

Влагообеспеченность основных сельскохозяйственных культур в ЦЧО составляет 60-70%. Наиболее острый и часто повторяющийся дефицит влаги наблюдается в конце мая – начале июня. В этот период в жизни растений происходят многие нежелательные и необратимые физиологи­ческие процессы, связанные с дефицитом влаги, которые приводят к рез­кому недобору урожая, к подрыву экономики сельскохозяйственного про­изводства.

В то же время непродуктивные ежегодные потери талых вод в ЦЧО составляют в среднем 30-80 мм (Воскресенский,1948, Гришин,1966, Комаров, Макарова,1972, Мишон,1970, Паршин, Салов,1955, Попов,1969). Вместе с потерями весенних талых вод с полей и сельхозугодий смывается плодородный верхний слой почвы, а вместе с ним гумус и основные элементы питания растени. Поэтому определенный научный и практический интерес пред­ставляют исследования, связанные с анализом условий формирования поверхностного стока и его регулирования в процессе активной хозяй­ственной деятельности человека. Мероприятия, способствующие даже незначительному сокращению потерь талых вод со склонов, способны в существенной мере снизить дефицит влаги в этот наиболее острозасуш­ливый критический период в жизни растений и тем самым сгладить или избежать нежелательные и необратимые физиологические процессы, а также сократить интенсивность эрозионных процессов (Иванов,1982;1986).

Склоновый сток является одной из малоизученных стоковых харак­теристик. Это связано с тем обстоятельством, что на стационарной сети контрольных станций измеряется речной сток, в который включена и подземная составляющая. На современном этапе выделить склоновый сток из речного по методу расчленения гидрографа половодья не пред­ставляется возможным из-за недостаточной точности этого метода.

Использование материалов наблюдений на стоковых площадках воднобалансовых станций также ограничено из-за крайне малого их числа. Например, в ЦЧО расположены только две такие станции. Естественно, что данные двух станций не могут служить фоновой оценкой склонового стока больших территорий. А использование поправочных коэффициен­тов (К = Ускл/Уреч, где Ускл и Уреч — соответственно склоновый и речной стоки), полученных по данным стоковых площадок, не правомерно. В различных физико-географических условиях соотношение между стоком половодья и склоновым стоком неодинаково из-за неоднородно­сти процесса формирования стока на основных элементах рельефа и ландшафта (Вершинина,1972, Мишон,1966; 1971). Все это определяет необходимость разработки косвенных методов расчета склонового стока. В основе их лежат эмпи­рические и генетико-статистические зависимости стока от стокообразующих факторов.

Имеющиеся в настоящее время расчетные карты нормы и коэффици­ента вариации (С_v) весеннего стока (Воскресенский,1948, Паршин, Салов,1955, Сухарев,1967, Указания..,1972) включают в свои ве­личины сток с гидрографической сети, а в отдельных случаях (Комаров,1959, Мишон,1970)и подземную составляющую половодья. Определяемый по этим расчет­ным схемам сток превосходит по своей абсолютной величине сток со склонов в среднем на 20-30%. Поэтому они не могут быть использованы для определения поверхностного склонового стока талых вод. По этой же причине они не могут быть использованы в оценке характера стокорегулирующих мероприятий, проводимых на водосборах, и в расчетах интенсивности поверхност­ного смыва почв талыми водами со склонов.

Необходимость дифференциации поверхностного стока по элементам рельефа представляет не только научный интерес в познании его гене­зиса, но и определенную практическую значимость.

Возможность дифференцированного подхода к условиям формирова­ния весеннего стока и выделение склонового стока талых вод основана на использовании воднобалансового метода. Уравнение водного балан­са за период половодья, используемое для характеристики склонового стока талых вод, имеет вид

у = (S + x) – P, (1)

где у – сток половодья; S - максимальные (суммарные) снегозапасы; x – осадки, выпадающие за период половодья; Р – суммарные потери талых вод на инфильтрацию, поверхностное задержание и испарение.

Для определения весеннего склонового стока необходимо установить пространственно-временные характеристики приходной и расходной со­ставляющей водного баланса. Необходимо выявить также зависимости стокообразующих факторов от характера влияния на них внешних усло­вий. С этой целью были проанализированы материалы 52 метеорологи­ческих и агрометеорологических станций с периодом наблюдений за температурой воздуха, осадками, снежным покровом, влажностью и промерзанием почв более 50 лет. Кроме того, использованы материалы наблюдений Нижнедевицкой воднобалансовой станции, гидрометеороло­гической обсерватории «Каменная степь», а также экспериментальные исследования гидромелиоративной лаборатории Воронежского СХИ с учетом геологических, геоморфологических и почвенных обследований террито­рии ЦЧО.

На основе полевых и стационарных наблюдений были определены пространственно-временные характеристики суммарных (максималь­ных) снегозапасов на склонах (Рязанцев, Жердев, 1976, 1976а). Анализ показал, что они подчи­нены зональным закономерностям. Проанализированы также простран­ственно-временные характеристики осадков, выпадающих за время поло­водья. Исследование пространственно-временных характеристик потерь талых вод проводили по методу В.Д.Комарова и Т.Т.Макаровой (1972). Методиче­ские подходы к определению составляющих водного баланса и потерь талых вод со склонов за время весеннего половодья более подробно из­ложены ранее (Рязанцев, 1978, 1981).

Рис. 1. Нормы поверхностного склонового стока талых вод,мм

Сток талых вод со склонов, рассчитанный по уравнению водного ба­ланса (1), представлен на рис. 1. Отличительные особенности карты поверхностного склонового стока состоят в том, что она построена не по данным гидрометрических измерений, а расчетным путем с использо­ванием материалов наблюдений агро- и метеостанций с большим охватом территории ЦЧО, исключающей влияние подземной составляющей половодья и стока овражно-балочной сети на основе учета специфики распределения снежного покрова по элементам рельефа.

Материалы исследований показывают, что на приводораздельных склонах составляющие водного баланса подчинены зональному закону распределения. Их разность (поверхностный склоновый сток) также подчиняется этому закону. Широтное зональное распределение нормы весеннего склонового стока отчетливо прослеживается на всей терри­тории ЦЧО, с некоторыми отклонениями от широтного направления под влиянием Среднерусской, Калачской и отрогов Приволжской возвышен­ностей. Максимальные значения нормы весеннего склонового стока от­мечаются на севере территории ЦЧО (70 мм), а наименьшие – на юге (30 мм).

Временная изменчивость весеннего стока зависит от изменчивости определяющих его факторов. Она может быть выявлена на основе урав­нения водного баланса с помощью методов математической статистики (Комаров,1959), которая имеет вид

(2)

где C_vy; C_vx; C_vp – коэффициенты вариации соответственно стока, при­ходной и расходной составляющей водного баланса за половодье; - средний многолетний коэффициент весеннего стока; r_рх – коэффициент корреляции между приходной и расходной составляющей водного ба­ланса за половодье.

На основе формулы (2) были рассчитаны коэффициенты вариации весеннего склонового стока для пунктов, по которым имелись материа­лы наблюдений за элементами водного баланса. Это дало возможность картографировать не только среднемноголетние характеристики водного ба­ланса за половодье (Рязанцев,1981), но и их коэффициенты вариации (рис. 2). Рас­пределение склонового стока С_v носит близкий к зональному характер и изменяется по территории от 0,7 на севере до 1,5 на юге ЦЧО.

Приведенные карты нормы весеннего склонового стока и коэффици­ента его вариации являются первой попыткой для данной территории описать пространственно-временную изменчивость этой стоковой харак­теристики на основе уравнения водного баланса. С их помощью можно рассчитать также объем или слой стока талых вод заданного уровня вероятности. Для этого по таблице ординаты биноминальной кривой обеспеченности (при Cs = 2C_v) (Воскресенский,1948) и соответствующему коэффициенту изменчивости конкретного пункта находят коэффициент ординаты биноминальной кривой (Кр). Величину склонового стока талых вод задан­ной вероятности превышения (Мр, %) для соответствующего пункта определяют путем умножения нормы склонового стока талых вод (М) на соответствующий коэффициент (Кр), т. е.

Мр,% = М·Кр. (3)

В условиях каждого конкретного года и местности на величину поверхностного склонового стока талых вод оказывает существенное влия­ние комплекс природных и антропогенных факторов. Поэтому для крат­косрочного прогнозирования склонового стока талых вод для конкрет­ного года и местности, например, исходя из запасов воды в снеге перед началом снеготаяния, их необходимо учитывать.

Из природных факторов наибольшее влияние на перераспределение поверхностного стока талых вод оказывают геоморфологические усло­вия – длина, крутизна, форма, экспозиция склонов, их расчлененность овражно-балочно-ложбинной сетью.

Рис. 2. Значения коэффициента изменчивости поверхностного