Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока

Таблица 5.

Критические величины содержания веществ в склоновых водотоках, формирующиеся при орошении (max - при максимальном содержимом веществ; mіn- при минимальном, max=...и mіn=...-соответственно максимальное или минимальное влияние при указанном содержании веществ)

на почвы (о чем говорилось выше). Наиболее разные между собой критические величины для стока при орошении и талого стока, критические величины для ливневого стока занимают промежуточное положение. Для одних веществ они ближе к талому стоку (как, например, для НСО₃^-) для других - к стоку при орошении (на пример, NO₃^-). Имея уравнение зависимости изменения содержания химических веществ по длине склона, по таблицам критических величин содержания веществ можно определить в каком месте на склоне влияние химической составляющей на размыв максимально.

Полученные выводы говорят о необходимости учета химической активности склоновых водотоков при создании методик проектирования противоэрозионных сооружений. Поскольку на коротких участках склона, которые создаются при противоэрозионной организации территории, химическая составляющая имеет большее влияние на размыв, чем динамическая.

Основной конечной целью исследований изменения характеристик стока и смыва по длине склона является определение мест на склоне с максимальным и минимальным размывом, где вероятность разрушения почв или сооружений соответственно максимальна или минимальна. Для ее решения целесообразно применить методы оптимизации (в частности симплекс- метод) в комплексе с эмпирическими и полуэмпирическими моделями смыва и стока.

Алгоритм решения можно представить в таким образом. Оптимизируется продольная площадь размыва по длине склона. При оптимизации на минимум определяются места на склоне, где размывов не будет. При оптимизации на максимум определяются места на склоне, где будет наблюдаться интенсивный размыв.

Склон по длине, как сказано выше делится на 4 зоны, которые имеют отличия в формировании размыва.

Тогда продольная площадь размыва (W) будет определяться целевой функцией:

W = C1Lv+C2Lo+C3Loт +n(C4Lкp+C5Loт) mіn (max) (6)

Система ограничений включает следующие уравнения:

1) Ограничение по длине склона:

Lv+Lo+Lот +n(Lкр +Loт) = Ls (7)

2. 
   Ограничение по глубине базиса эрозии:
   

C₁ = 0 (9)

0=C₂=h_m1 (10)

0=C₃=h_m1 (11)

C₄=h_m2 (12)

0=C₅=h_m2 (13)

2. 
   Ограничение по транспортирующей способности потока
   

где Сi - коэффициенты, по физическому содержанию соответствующие осередненій максимальной глубине размыва на участке; n - число периодов чередования зон критического размыва и отложения наносов. зависит от длины склона, количества и интенсивности осадков, агрофона и др.; Ls - длина склона; Н - падение склона; hm1 - максимальная глубина размыва в зоне соответствующей начальной длине размыва, переменная величина, которая зависит от химического состава воды, динамики потока, характеристик подстилающей поверхности и др.; hm2 - максимальная величина размыва в зоне критического размыва, также переменная величина, которая зависит от динамики потока, гранулометрического состава почвы, химического состава воды и др.

Данная система уравнений содержит 3 неизвестных, что определяются эмпирическим путем (n, hm1,hm2). В частности, число периодов можно определить по формуле:

n = X₁X₂X₃X₄X₅; (15)

X₁ = 10,04+7,52·10^-7Ls^3,0;

X₂ = 1,078I_min/(0,01166+I_min);

X₃ = 1,179-0,001916Tnn^3,0;

X₄ = 0,8378+0,0004172I_max+222,9/I_max²;

X₅ = 0,9771+0,00922af.

где Іmax - максимальный уклон склона, ‰; Іmіn - минимальный уклон склона, ‰, Tnn- разновидность почв и грунта ( 3-чернозем обыкновенный на лессе, 5 -чернозем обыкновенный на мергеле, 4- чернозем обыкновенный на песках, 6- мергеле; af - агрофон (1 - пар (зябь, для снеготаяния), 4 - естественное кормовое угодье, многолетние травы).

Относительная ошибка модели E = 3,0 %; абсолютная ошибка модели E₁ = 0,117; коэффициент множественной корреляции r= 0,999; критерий качества модели s/σ =0,049.

Поскольку процесс размыва и аккумуляции динамический и места наибольших размывов и отложений меняются в зависимости от количества осадков, их интенсивности, агрофона и т.п. необходимо проводить серию расчетов для выявления зон наиболее вероятного размыва и отложения наносов. Кроме того, при продолжительном периоде стока зоны размывов имеют тенденцию регрессивно передвигаться по потоку, что также может быть учтено эмпирически при последовательном пересчете.

Предложенный метод более динамичен и учитывает прерывистость процесса, в отличие от имеющихся. Привязка к длине склона разрешает использовать его при создании проектов землепользования с применением ГІС - технологий.


Раздел 6. Вопросы применения эмпирико-статистических моделей гидродинамических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков при проектировании элементов организации территории землепользования. Оптимальное планирование территории землепользования и севооборотов в ней, рациональное проектирование надежных противоэрозионных мероприятий требуют прогноза количества смыва материала в зависимости от основных факторов, которые обуславливают явление.

Количество смыва материала зависит не только от агрофона, но и от последовательности их расположение. Потоки, которые стекают по склону, как правило, проходят через несколько агрофонов, а также через лесные полосы и дороги (в местах концентрации), изменяя свои параметры.

Анализ зависимости гидродинамических характеристик потоков от условий года и агрофона показал наибольшую зависимость от последних динамической скорости (v*) и коэффициента Шези, величины которых и предлагается использовать для оценки вариантов сочетания агрофонов и организации территории землепользования наряду с величинами стока наносов по длине склона.

Динамическая скорость потока (т.е. продольная составляющая веса столба жидкости, которая характеризует касательное напряжение в потоке) увеличивается в местах перехода к новому агрофону, при движении по агрофону она затухает, по всей вероятности вырабатывается устойчивый режим пульсаций.

Стабилизирующий эффект агрофона выражается на озимых в уменьшении динамической скорости в 1, 08-1 ,06 раз, на зяби - в 1,28 раз; на стерне многолетних трав- 1,25 раз.

При переходе же от одного агрофону к другому динамическая скорость увеличивается для сочетания многолетние травы - озимые в 1, 38-1,34 раза (в том числе и при наличии лесной полосы); при переходе от зяби к зяби (через дорогую) - в 1,15 раза.

По величине роста v* можно судить об эрозионной опасности сочетаний агрофонов, чем больше степень роста v*, тем опаснее сочетание. Критерием эрозионной опасности сочетания агрофонов может служить отношение динамической скорости потока после перехода на следующий агрофон (v*н) к динамической скорости до перехода (v*в):

Kv* = v*н/v*в, (16)

Если v*в>v*н - то опасности усиления эрозии нет, здесь Kv* <1. При v*н= v*у - изменений энергетической активности потока не наблюдается, Кv*=1. При v*в1, тем более опасное сочетание.

Согласно исследованиям талого стока сочетание многолетние травы - озимь имеет величину Kv* = 1, 38-1,34, т.е. оно крайне опасно. Это явление обусловлено тем, что из многолетних трав сбрасывается большой объем осветленной воды по всей ширине полосы посева, так как почва под травами оттаивает меньше и медленнее, чем под другими агрофонами. Осветленная вода имеет значительный эрозионный потенциал.

По результатам исследований можно заключить, что наиболее опасно сочетание: многолетние травы - озимь, а также практически любые сочетания при переходе через дороги, наименее опасным из исследованных есть сочетание: зябь - многолетние травы.

Для прогноза v* по длине склона при разных агрофонах рекомендуется формула (С.В.Будник, В.Т.Малютяк,1997):

v_*=0,0317(0,0828 + 0,662Af + 1,585/Af²)(1,066 - 0,00071L-

- 0,146/L)(1/(1,24 - 0,00893Ic + 0,0000713Ic²)), (17)

где v* - динамическая скорость (v*= , h - глубина воды в водотоке, м; І - уклон водной поверхности; g- ускорение свободного падения, м/с²) м/с; Af - агрофон (его численные значения: 2- многолетние травы, 3- озимь, 4- зябь); L - длина склона,м; Іc - уклон склона, ‰.

Относительная ошибка расчета по формуле составляет 6,8%, коэффициент множественной корреляции 0,88, критерий качества s/σ=0,48.

Сочетание озимые - зябь; многолетние травы - озимые - не устойчиво. Наиболее устойчивое сочетание зябь - многолетние травы.

Определение потенциального стока, смыва и максимальной глубины воды на склонах является основой для проведения ряда проектных выискиваний под строительство гидротехнических и водопропускных сооружений на склонах. Для этих целей, как правило, определение гидрологических элементов проводится для многолетних обеспеченных климатических величин осадков, температур и т.п. Кроме этого, определение гидрологических величин склонового стока важно при эксплуатации искусственных и естественных водоемов. В частности, при расчете водного баланса небольших водохранилищ, количества наносов, которые поступают в них, и т.п. Здесь уже расчеты, как правило, ведутся по месяцам согласно осадкам, которые поступают на водосбор. Четких методик отработанных конкретно для таких целей не существует. Существующие рекомендации для расчета потенциального стока и смыва со склонов с разной степенью эффективности применяются для целей защиты почв от эрозии, здесь в зависимости от скоростей течения, объемов стока, или в зависимости от объемов смытой почвы со склонов определяются расстояния между стокорегулирующими рубежами. Последний способ считается наиболее обоснованным, так как разрешает сразу оценивать результаты почвоохранной системы земледелия и эффективность разных мероприятий.

Проведенные нами исследования разрешают также предложить способ определения изменения расходов воды, мутности воды и максимальной глубины воды по длине склона. Предлагаемый способ позволяет определять гидрологические величины, как для конкретных условий года, так и для многолетних обеспеченных величин.

Расходы воды в склоновых водотоках при снеготаянии можно определить по зависимости (порядок расположения факторов в зависимостях определяет их значимость в модели):

Q = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀; (18)

X₁ = 0,006808-0,004214Tnn+0,0006954Tnn²;

X₂ = 115,5h_max^1,461;

X₃ = 0,9523exp(0,009227/t);

X₄ = 0,00161lp^2,013exp(-0,02664lp);

X₅ = 4,083Tch^18,53exp(-7,065Tch);

X₆ = 0,67421,131^af;

X₇ = 1,4060,9944^Ic;

X₈ = 0,99711,001^zo;

X₉ = 1,2560,96^Ob;

X₁₀ = 1,02exp(-0,6703/Ls),

где t - температура воды в водотоке, ^оС, af - агрофон (2- многолетние травы, 3- озимые, 4- зябь); h_max - максимальная глубина воды в водотоке, м; Tnn - разновидность почвы (2- серые лесные, 3 - чернозем обыкновенный на лессах, 4 - чернозем обыкновенный на песках, 5 - чернозем обыкновенный на слабомощном лессе, подстилаемом мергелем, 6 - мергель, 7 - чернозем типичный на легком суглинке; Tch - тип снеготаяния (2 - адвективный, 3- солярный, 4 - солярно- адвективный); lp - максимальная глубина промерзания почвы за зиму, см; Ls - длина склона от водораздела до створа измерения, м; Іc - уклон склона, ‰; XS - сумма осадков за осенне-зимний период, мм.

E = 156,05 %, E₁ = 0,000м³/с, r = 0,91, s/σ = 0,42.

Мутность воды в склоновых водотоках при снеготаянии при наличии информации о химическом составе воды можно определить по следующей зависимости:

P = 0,001X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀X₁₁X₁₂; (19)

X₁ = 5586-168,8HCO+5,68HCO²;

X₂ = -43,81+13,45pHn-1,001pHn²;

X₃ = 1,196-0,09144Nan^0,5;

X₄ = 4,487-4,375pn+1,298pn²;

X₅ = 1,001+6,059Q-0,00002348/Q;

X₆ = 1,182-0,0005074Ls-5,345/Ls;

X₇ = 1,438-0,04507Na-0,07529/Na²;

X₈ = -16,29+15,97Ic^0,02;

X₉ = 0,9204+1,927So^1,5;

X₁₀ = 1,065-0,0189af;

X₁₁ = 0,9136+0,000000145XS^2,5;

X₁₂ = 0,9845+0,004564zo,

де HCO₃ – содержание гидрокарбонатов в воде водотока, мг/дм³; Na – содержание натрия в воде водотока, мг/дм³; pHn – кислотность почвы; Q – расход воды в водотоке, м³/с; pn – плотность почвы, г/см³; Nan – содержание натрия в почве, мг/100 г почвы; So – критерий Траска-Крумбейна , d₂₅, d₇₅ – соответственно диаметр почвенных частиц 25% и 75% обеспеченности (сухое просеивание), мм.

E = 143,9%, E₁ = 1,2 кг/м³, r = 0,82, s/ = 0,58.

Максимальная глубина воды в водотоке может быть определена по следующей зависимости:

h_max = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉; (20)

X₁ = 0,04742Ls/(89,09+Ls);

X₂ = 1/(106,8-29,65pHn+2,071pHn²);

X₃ = 1/(1,519-0,3286zo+0,0375zo²);

X₄ = 1/(0,9581-0,008324Nan+0,0006553Nan²);

X₅ = 1/(1,848-0,07068Ic+0,0009172Ic²);

X₆ = 1/(1,603-0,03258lp+0,0003012lp²);

X₇ = 1,02NO₃n/(0,0002629+NO₃n);

X₈ = 1/(1,034-351700exp(-0,4985Wn));

X₉ = 1/(-0,1211+0,01266XS-0,00003358XS²),

где Wn - влажность почвы, %.

E = 22,04 %, E₁ = 0,001 м, r = 0,88, s/=0,48.

Оценку величины расходов воды склоновых водотоков, формирующихся при ливнях, рекомендуется вести по следующей зависимости.

Q = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀X₁₁; (21)

X₁= 0,001287+3,06?10^-10Ls^3,0;