Влияние влажности и глубины промерзания почв на поверхностный сток талых вод

Влажность почвы и степень ее промерзания, складывающиеся перед началом снеготаяния, способны оказывать существенное влияние на величину поверхностного стока талых вод со склонов. Наряду с дру­гими факторами эти два показателя являются ведущими в определении характеристик весеннего стока. В табл. 1 приведены данные, свидетель­ствующие о возрастании коэффициента весеннего стока с увеличением влажности почвы [8].

О влиянии глубины промерзания почв на сток талых вод можно су­дить по данным НИИ сельского хозяйства ЦЧП им. В.В.Докучаева. Результаты исследований о влиянии кулис из стеблей подсолнечника на снегонакопление, глубину промерзания и сток талых вод приведены в табл. 2 [15]. Они свидетельствуют о том, что с возрастанием глубины промерзания почв одновременно возрастает и коэффициент стока. В естественных условиях эти два фактора действуют одновременно, поэтому необходимо более детально выяснить механизм действия увлажнения и промерзания почв на величину поверхностного стока та­лых вод. В одной из первых работ [12], посвященной изучению этого вопроса, указывается, что мерзлая почва при определенных условиях способна пропускать через себя воду. Показано [11], что в про­цессе замерзания почвы происходит передвижение воды из нижних ее слоев в верхние в виде паров. О характере передвижения влаги из ниж­них слоев почвы в верхние в естественных условиях можно судить на основании исследований, выполненных Аксеновым [1] по табл. 3.

Из этих данных видно, что в период с поздней осени до начала сто­ка происходит дополнительное увлажнение верхнего слоя почв. При этом в процессе промерзания почвы влажность пахотного слоя (0-20 см) почв значительно превышает предельную полевую и полную влагоемкость почвы. Режимные наблюдения за температурой и влаж­ностью черноземных почв в Стрелецкой степи и на Курской сельскохо­зяйственной опытной станции, проведенные автором в 1968-1970 гг. [4, 6], также свидетельствуют о миграции воды из нижних слоев почвы в верхние при ее промерзании и накоплении большого количества воды в самых верхних слоях почвы. Это дает основание полагать, что в опре­делении объема стока талых вод решающее значение приобретает влаж­ность пахотного слоя мерзлых почв. Изложенное также свидетельст­вует о неразрывности единого процесса обмена между массой вещества и энергией.

Табл. 1. Коэффициент весеннего стока в зависимости от влажности почвы

Табл. 2. Влияние кулис на снегонакопление, промерзание почв и сток талых вод

Табл. 3. Динамика изменения влажности черноземных почв, %

Замерзшая переувлажненная почва весной до ее оттаивания являет­ся абсолютным водоупором, в то время как структурная почва, замерз­шая при средних степенях увлажнения, обладает заметной водопрони­цаемостью. Весной 1972 г. в колхозе им. Дзержинского Курского райо­на Курской обл. на темно-серых лесных почвах среднесуглинистого ме­ханического состава мы определяли водопроницаемость именно такой мерзлой почвы. В наших опытах она колебалась в пределах 0,02-0,04 мм/мин. Водопроницаемость мерзлых почв при повышении степени их увлажнения резко снижается, а при определенных значениях влаж­ности и температуры почвы равна нулю. Г.П. Сурмач [9] отмечает, что при замерзании влажной почвы вода под действием капиллярных сил под­тягивается к замерзающему слою и скапливается в верхнем горизонте мощностью до 20-40 см. При этом кристаллы льда заполняют почвен­ные породы, в результате чего почва становится частично или пол­ностью сцементированной, в зависимости от ее влажности и сложения, теряет способность впитывать воду в период снеготаяния. Им также установлена зависимость изменения плотности почвы (Р) от ее влаж­ности (У):

Р = -0,739У+1,29. (1)

Интересны эксперименты, показывающие, что при плотности почвы 0,92 г/см³, и влажности, соответствующей ВЗ и ВРК, водопроницаемость мерзлого чернозема в среднем за 3 ч снизилась по сравнению с талым в 3-3,5 раза, а при наименьшей влагоемкости в 17 раз [14]. При плот­ности 1,10 г/см³ водопроницаемость мерзлой почвы по сравнению с та­лой снизилась при ВЗ в 1,5, при ВРК -–7 раз, при НВ фильтрация мерзлой почвы (0,03 мм/мин) наблюдалась только в 1-й ч опыта. Ис­следуя водопроницаемость мерзлых почв, Цыкин [10] отмечал, что ос­новными параметрами их водопроницаемости являются пористость и температура.

Можно совершенно определенно отметить, что водопроницаемость почвы и потери талых вод со склонов, при прочих рав­ных условиях определяются содержанием влаги в верхнем слое почвы перед началом снеготаяния, степенью их промерзания и плотностью верхнего слоя почвы. Так как плотность верхнего слоя почвы, нахо­дящейся в мерзлом состоянии, изменяется в зависимости от степени ее промерзания и увлажнения, то эти два фактора являются определяющими в формировании весеннего стока. Несомненно, что на величину поверхностного склонового стока оказывают влияние и другие факто­ры – снегонакопление и снегораспределение, формирование ледяной корки, продолжительность снеготаяния, уклон, форма склона, экспози­ция, характер подстилающей поверхности и т.д. Каждый из них носит самостоятельный характер и заслуживает специального рассмотрения.

По материалам наблюдений стоковых станций на малых распахивае­мых водосборах степной и лесостепной зоны Украины И.С. Шпаком [13] уста­новлена графическая зависимость коэффициента стока талых вод от влажности верхнего 10-сантиметрового слоя различных почв, глубины их промерзания и степени распространения ледяной корки на водосбо­ре. Степень увлажнения почвы выражалась относительным дефици­том, представляющим собой отношение разности между величиной пол­ной влагоемкости и фактической влажностью к разности между значе­ниями полной влагоемкости и влажности завядания. Во всех случаях при относительном дефиците влажности почвы менее 67% коэффициент стока, независимо от глубины промерзания почвы, был близок к нулю, что еще раз указывает на особо важную роль влажности верхнего слоя почвы в формировании поверхностного стока талых вод. Исследуя ха­рактер зависимости потерь талых вод от промерзания и влажности почвы, В.К. Рязанцев [7] пришел к противоположному выводу о том, что во­допроницаемость мерзлых почв зависит в большей мере от глубины их промерзания. По нашему мнению, автор сделал такой вывод потому, что за критерий увлажнения почв он принял запасы влаги в метровом слое почвы. Если бы автор подошел к изучению влияния влажности почвы на сток талых вод дифференцированно (послойно), то он мог бы прийти к другому выводу, так как при одних и тех же запасах вла­ги в метровом слое почвы при ее промерзании влага передвигается из нижних слоев в верхние. Это очень важное явление в исследованиях В.К. Рязанцева осталось неучтенным.

В отношении количественной оценки влияния влажности почв и их промерзания на сток талых вод особый интерес представляют исследо­вания Н.А.Бажина и К.К.Павловой [З]. Они за интегральный показатель потерь талого стока приняли выражение

φ = 0,13 В^0,29, (2)

где φ – коэффициент стока весеннего половодья;

- запас влаги (мм) в начале весеннего паводка в слое 0-20 см;

Н_пр – глубина промерзания почвы в предвесенний период, см.

Корреляционное отношение зависимости (2) составляет 0,87 при вероятной ошибке 0,057. В этой зависимости положительным моментом является одновременный учет двух факторов – влажности и промерзания почв в предвесенний период. Недостаток заключается в том, что она не учитывает влияния агрофона. Нам представляется, что эта зависимость будет различной на зяби и многолетних травах, озимых и т.д. Особенно важно знать характер подобной зависимости на зяби, так как определение потерь талых вод на зяби неразрывно связано с интенсивностью весеннего смыва почв со склонов, где она проявляется в наибольшей мере.

Исходя из этого, нами на основании изучения материалов наблюде­ний гидрометеорологической обсерватории «Каменная степь» и Нижнедевицкой водобалансовой станции установлена зависимость потерь та­лых вод на зяби тяжелосуглинистых черноземных почв, имеющая сле­дующее аналитическое выражение:

ln φ = -3,553 + 0,042 K_уп , (3)

где φ – коэффициент стока талых вод на зяби черноземных тяжелосуг­линистых почв ЦЧО; K_уп = 0,0003 В² · Н_пр – интегральный гидрометеоро­логический показатель, учитывающий степень увлажнения и промерзания почв в предвесенний период; В – средняя влажность пахотного слоя почв (0-20 см) на водосборной площади, об. %; Н_пр – средняя глубина промерзания почв на водосборной площади, см.

Зависимость (3) можно записать в таком виде:

ln φ = -3,553 + 0,126В² · Н_пр ·10^-4. (4)

Аналитические зависимости (3) и (4) установлены по экспериментальным данным (табл. 4) с помощью ЭВМ. Графическая зависимость между интегральным гидрометеорологическим показателем и коэффициентом весеннего стока на зяби черноземных почв представлена на рис. 1. Корреляционное отношение зависимостей (3) и (4) со­ставляет 0,915 при вероятной ошибке 0,048. Они могут быть использо­ваны для прогнозирования потерь талых вод с малых водосборов на зяби тяжелосуглинистых черноземных почв для условий конкретного года, исходя из запасов воды в снеге перед началом снеготаяния.

Расчеты, выполненные по формулам (2) и (3) для одинаковых усло­вий, показывают, что они существенно отличаются друг от друга. Пока­затель коэффициента стока, рассчитанный по нашей формуле при усло­вии В = 29% и Н_пр = 68 см, в 10 раз ниже значений аналогичного пока­зателя, рассчитанного по формуле Н.А.Бажина и К.К. Павловой. Это еще раз свидетельствует о необходимости учета агрофонов, создающих различ­ные условия снегонакопления, гидротермического режима почв и стока талых вод; необходим дифференцированный подход к оценке потерь талых вод со склонов с учетом, если не всех, то хотя бы основных факторов.

На рис. 2 показана зависимость между интегральным гидрометеоро­логическим показателем и слоем стока талых вод (m) на зяби тяжело­суглинистых черноземных почв, которая аппроксимируется аналитиче­ским выражением вида

ln m = 1,512 + 0,029 К_yп . (5)

Зависимость (5) можно записать и таким образом:

ln т = 1,512 + 0,87 В² · Н_пр 10^-5. (6)

Следует, однако, заметить, что зависимости (5) и (6) менее надеж­ны, чем зависимости (3) и (4). Корреляционное отношение зависимостей (5) и (6) составляет 0,68 при вероятной ошибке 0,075, поэтому их следует считать весьма приближенными.

Установленные зависимости носят региональный характер и право­мерны для поверхностного склонового стока талых вод с зяби тяжело­суглинистых черноземов. Физическая сущность их состоит в том, что в них не только учитывается одновременное влияние влажности почв и глубины их промерзания на сток талых вод, но и отражается способ­ность мерзлых почв пропускать через себя влагу, причем тем больше, чем меньше влажность верхнего слоя почв и глубина их промерзания в предвесенний период. Они помогают лучше понять явление, когда про­исходит поверхностный сток воды со склонов при отсутствии на поверх­ности почвы снежного покрова и выпадения атмосферных осадков.

Если перед началом снеготаяния почвы находятся в талом состоя­нии, то даже при условии полного насыщения их водой они способны профильтровать через себя за период снеготаяния практически любые запасы воды в снеге. Даже при минимальной скорости фильтрации чер­ноземных почв, равной 0,3 мм/мин [2], эти почвы способны профильт­ровать через себя в течение суток 432 мм талой воды. Именно поэтому в отдельные годы, несмотря на большие запасы воды в снеге, не наблю­дается поверхностного склонового стока талых вод; сток в этом случае может быть при условии, если скорость снеготаяния (интенсивность водоотдачи) будет превышать скорость фильтрации почв.

В обработке первичного материала принимала участие В.А.Головина.

Выполнен огромный объем работы с целью установления зависимости между интегральным гидрометеорологическим показате­лем и интенсивностью смыва почв. Апробация многочисленных подхо­дов показала, что ни один из них не позволяет говорить о наличии между ними более или менее приемлемой связи. И все же есть основания полагать, что влажность почв и глубина их промерзания в предве­сенний период оказывают определенное влияние на величину смыва почв со склонов; характер этого влияния в данном случае завуалирован дру­гими обстоятельствами. Дело в том, что показатель смыва почв по своей природе более сложный параметр, чем показатель поверхностного стока талых вод.

Величина смыва почв с водосборной площади зависит не только от количества стекающей с нее воды, но также в значительной степени от скорости движения воды по склону, уклона, длины линии стока, формы и экспозиции склона, свойств самой почвы и т.д. Все это, вместе взятое, а также процессы аккумуляции, происходящие на водо­сборной площади, не позволили вычленить влияние влажности и глуби­ны промерзания почв на величину ее смыва. Еще одна причина заклю­чается в методике изучения стока наносов, которая позволяет определять только практически устойчиво взвешенные частицы почв и поэтому дает заниженные показатели смыва.

Поскольку в формуле расчета интенсивности смыва почв с пахот­ных склонов [5] последняя находится в прямой зависимости от величи­ны стока талых вод, то в расчетах применительно к местным условиям конкретного года целесообразно ввести в формулу относительный коэф­фициент (К_гм), который учитывал бы влияние степени увлажнения па­хотного слоя почв и глубины их промерзания в предвесенний период на величину поверхностного стока талых вод. Относительный гидрометео­рологический коэффициент (К_гм) определяется отношением

(7)

где (φ – коэффициент стока применительно к условиям конкретного года и места, рассчитанный по зависимости (3) или (4); φ – средне-многолетний коэффициент стока для данного пункта, рассчитанный по этой же зависимости.

Физическая сущность этого коэффициента состоит в том, что с его помощью представляется возможным характеризовать отклонения сто­ка талых вод в конкретном году от его среднемноголетних значений для данного пункта, а по запасам воды в снеге, влажности и глубине промерзания почв в предвесенний период прогнозировать величину по­верхностного стока талых вод со склонов. Его можно также использо­вать в расчетах интенсивности смыва почв со склонов в целях его прог­нозирования применительно к условиям конкретного года.

Таким образом, выполненные исследования позволяют более полно познать природу весеннего стока талых вод и механизм смыва почв со склонов. Установленные зависимости величины стока талых вод от влажности и глубины промерзания почв в предвесенний период могут быть использованы в прогнозирование поверхностного стока и в решении целого ряда решении практических задач.

Литература

Аксенов П.И. Щелевание мерзлой почвы и перспективы его применения // Механизация работ по защите почв от водной эрозии. М., 1969, с. 170-176.

Аристов И.Ф., Иванов В.Д., Дощечкина Г.В. Некоторые физико-химические и водно-физические свойства почв склонов и днищ балок. – Науч.-техн. Бюл. По проб­леме «Защита почв от эрозии». Курск, 1974, вып. 2, с. 30-35.

Бажин Н.А., Павлова К.К. Интегральные показатели водопоглотительной способ­ности почв. – Метеорология и гидрология, 1978, № 6, с. 71-76.

Иванов В.Д. О температурной активности целинного и окультуренного типичного мощного чернозема. –Науч. Тр. Курской с.-х. оп. Ст., 1971, т. 7, ч. 1, с. 138-148.

Иванов В.Д. Метод расчета интенсивности поверхностного смыва с пахотных скло­нов в ЦЧО. – Геоморфология, 1980, № 4, с. 61-66.

Михайлова Н.Ф., Иванов В.Д. Продуктивность плакорных участков Стрелецкой степи в зависимости от внешних условий. – Тр. Центрально-черноземного гос. за­поведника им. проф. В.В.Алехина, 1977, вып. 13, с. 14-22.

Рязанцев В. К. Зависимость потерь талых вод от промерзания и влажности почво-грунтов на малых водосборах в ЦЧО. – Науч. Тр. Воронежем СХИ, 1978, т. 97, с. 215-228.

Серых Г.И., Леконцев Б.А., Черепанов М.Е. Снижение стока талых вод — неот­ложная задача. – Земледелие, 1979, № 1, с. 31-32.

Сурмач Г.П. К вопросу об изучении весеннего стока в сети лесных полос на чер­ноземах Куйбышевского Заволжья. – В кн.: Вопросы земледелия и борьбы с эро­зией почв в степных и лесостепных районах СССР. Саратов, 1959, т. 2, с. 489-497.

Цыкин Е. Н. Водопроницаемость талых вод и ее динамика во время снеготаяния. – В кн.: Снег и талые воды. М., 1956, с. 101-111.

Чириков Ф.B., Малюгин А.Б. Ход влажности в подзолистой почве при замерзании и оттаивании. – Научно-агроном. ж., 1926, № 1, с. 40-51.

Шалабанов А.А. Пропускает ли воду мерзлая почва? – Почвоведение, 1903, т. 5, № 3. С. 269-274.

Шпак И.С. Зависимость коэффциента стока от влажности и глубины промерзания почвы. – Почвоведение, 1969, № 12, с. 57-61.

Юшкевич Л. Водопроницаемость таломерзлого прииртышского чернозема л возмож­ности ее улучшения. – В кн.: Тезисы докл. на IV зональной науч.-произв. конф. молодых ученых и специалистов с. х. - Тюмень, 1978, с. 144-145.

Яровенко В.В. и др. Эрозия почв и меры борьбы с ней. Курск: Курское кн. изд-во, 1962. 98 с.

Иванов В.Д.Влияние влажности и глубины промерзания почв на поверхностный сток талых вод. – Почвоведение, 1982, № 6. С. 80-86.