СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ТАЛЫХ ВОД Российский патент 2009 года по МПК G01N33/24 A01B13/16 

Изобретение относится к гидрологии и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства при принятии управленческих решений для оптимизации пропуска паводковых вод на реках, при разработке мероприятий по регулированию поверхностного стока и защиты почв от эрозии, при определении мер рационального использования водных ресурсов рек и местного стока различными их потребителями.

Известно несколько способов прогнозирования поверхностного стока талых вод. Б.А.Аполлов, Г.П.Калинин, В.Д.Комаров (Курс гидрологических прогнозов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с.) на основе анализа связи водопоглотительной способности почвы бассейна перед началом снеготаяния с природными факторами предложили следующее выражение для определения стока рек за период половодья:

У=S-Po(l-e^S/Po),

где У - речной сток в период половодья, мм;

S - запасы воды в снеге и ледяной корке, мм;

Ро - параметр, характеризующий водопоглотительную способность бассейна перед началом снеготаяния и представляющий собой максимально возможные потери талых вод при таянии снежного покрова с большим, практически бесконечно большим, запасом воды, мм.

Для рек центральной части степной и лесостепной зон Европейской территории СССР ими была установлена зависимость параметра Ро от глубины промерзания (L) и льдистости 0-100 см слоя почвы или влажности ее в мерзлом состоянии (W). На основе анализа многолетних наблюдений за стоком, снежным покровом, промерзанием почвы, ее влажностью и другими факторами половодья получена эмпирическая формула:

Ро=750е^-0,11we^-0,051wL

Глубина промерзания в этой формуле ограничена 60 см, т.е. все большие величины приравнены 60 см.

Этот способ обладает следующими недостатками.

1. Его можно использовать для расчета поверхностного стока с некоторыми допущениями, так как он разрабатывался для речного стока.

2. Формула расчета Ро показывает, что водопоглотительная способность почвы зависит от глубины ее промерзания, начиная с любой величины >0. Это не так. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при глубине промерзания почвы до 50 см сток талых вод отсутствует при любом уровне снегозапасов и увлажнения почвы. Эта формула также не предусматривает варианта расчета стока в том случае, когда почва в период снеготаяния талая.

3. Для установления связи стока с льдистостью достаточно иметь влажность мерзлого слоя почвы 0-30 см, а не 0-100 см, как принято у авторов. Известно, что за период снеготаяния впитывание талой воды в почву происходит только до 25-30 см, т.е. в процесс водопоглощения вовлечен небольшой слой почвы и его достаточно для оценки влажности, как природного фактора стока. Вовлечение более глубоких слоев почвы в расчеты приводит к увеличению ошибки прогноза.

4. Влажность почвы определяется перед началом зимы и делается поправка на увлажнение во время зимних оттепелей. Это тоже приводит к ошибке. Лучше это делать за 1-1,5 месяца до снеготаяния.

Известна (В.В.Демидов. Закономерности эрозии почв лесостепной зоны при снеготаянии как научная основа системы почвозащитных и природоохранных мероприятий: Автореф. дис. ... докт. биол. наук: 11.00.11. - М., 2000. - 47 с.) зависимость стока (С) от снегозапасов (S), интенсивности таяния снега (X), времени полного оттаивания мерзлого слоя почвы (τ_x), параметра, характеризующего долю водонепроницаемого слоя почвы, приходящуюся на единичную высоту снежного покрова (K), суммы положительных температур за период стока (Σt) и продолжительности снеготаяния (Т). Она выражается следующим уравнением:

С=3,23·10^-2·S^0,85·X^0,7·τ^0,58·K^1,15·Σt·Т^0,25.

В этом уравнении завышено значение факторов, которые не играют существенной роли в формировании стока (интенсивность снеготаяния, время полного оттаивания мерзлого слоя почвы, соотношение мощности водонепроницаемого слоя почвы и высоты снега, сумма положительных температур и продолжительность снеготаяния), малая роль отводится снегозапасам и совсем не учитываются такие мощные природные факторы, как увлажнение почвы и глубина ее промерзания.

Известен способ прогнозирования стока (US, AC №1442094, бюл. №45, 1988 г.), заключающийся в измерении влагозапасов в снеге и ледяной корке, глубины промерзания почвы и ее влажности в слое, равном глубине промерзания. По этим показаниям рассчитывают коэффициент стока по уравнению:

Kпр=(ахⁿН-bx-сН+L)·(1+0,0000055Р² _ос),

где Kпр - прогнозируемый коэффициент стока; х - средняя влажность почвы в мерзлом слое; Н - глубина (толщина) запирающего мерзлого слоя, см; Р_ос - влагозапасы в снеге и ледяной корке, мм; а, b, с, L - коэффициенты в зависимости от типа и уплотненности почв (для зяби, черноземов и каштановых почв соответственно 0,000185; 0,0025; 0,0125; 0,03; 1,25; для зяби и уплотненной пашни серых лесных почв, уплотненной пашни черноземов и каштановых почв - 0,000398; 0,0039; 0,0101; 0,075; 1,10).

Это уравнение имеет ряд недостатков. Во-первых, при отсутствии снега возможен сток, что физически невозможно. Во-вторых, согласно уравнению чем больше глубина промерзания, тем больше сток. Это не так, на что указывается в работе: Б.А.Аполлов, Г.П.Калинин, В.Д.Комаров. Курс гидрологических прогнозов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с.). И, в-третьих, влажность почвы определяется на глубину промерзания почвы. В этом нет необходимости, достаточно определять ее в слое 0-50 см. Вовлечение большего слоя (а глубина промерзания почвы бывает до 150-200 см) приводит к сильному варьированию влажности почвы и к большой ошибке при прогнозировании стока.

П.А.Шеппель (Специальный весенний попуск паводковых вод Волги. - Нижне-Волжское изд-во. - Волгоград, 1990. - 191 с.) на основании математической обработки 25-летнего ряда наблюдений получил следующие уравнения расчета притока паводковых вод (Wп) к каскаду водохранилищ Волжско-Камского бассейна в зависимости от максимальных снегозапасов (h):

, км³ и Wп=0,94h+54, км³.

Из этих уравнений видно, что поверхностный сток с бассейна Волги находится в прямой связи со снегозапасами, т.е. чем больше снега, тем больше сток. Это противоречит многочисленным данным. Сток зависит не только от снегозапасов, но и от других факторов, которые находятся в сложном взаимодействии.

Таким образом, рассмотренные способы прогнозирования поверхностного стока не дают возможности дать точный его прогноз.

Из приведенных выше уравнений можно сделать заключение, что сток в основном зависит от снегозапасов, хотя в этих уравнениях учитывается и водопоглотительная способность почвы через глубину промерзания, и ее увлажнение, но судя по коэффициентам, эти показатели либо играют незначительную роль, или очень большую.

При разработке прогноза по существующим методикам либо используется один фактор (например, снегозапасы), либо десятки факторов. Ни то, ни другое неприемлемо, т.е. все предложенные способы проблемы не решают.

Предлагаемое изобретение предусматривает техническое решение, включающее известный прием - использование при прогнозировании поверхностного стока природных факторов (влагозапасы в снеге, в почве и глубину промерзания) - и новый - определение влажности почвы только в слое 0-50 см, и оригинальную оценку роли глубины промерзания и увлажнения почвы в формировании стока.

Цель изобретения - повышение точности прогнозирования поверхностного стока талых вод.

Поставленная цель достигается следующим образом. По предлагаемому способу за 30-40 дней до ожидаемого начала весеннего снеготаяния измеряют запасы воды в снеге, глубину промерзания и запасы воды в слое почвы 0-50 см. Глубину промерзания почвы определяют путем бурения скважин или выкопки шурфов. Если за этот период произойдут глубокие оттепели, то эти показатели корректируются. Осадки, выпавшие за это время, добавляются к запасам воды в снеге.

Величину стока определяют по сочетанию этих показателей. При этом, если почва талая или глубина промерзания менее 0,5 м или (и) запасы влаги в слое почвы 0-50 см меньше или равны 0,2-0,4 от общей порозности, прогнозируется, что сток будет отсутствовать, если же глубина промерзания больше 0,5 м и влагозапасы в почве выше 0,2-0,4 от общей порозности, то сток будет зависеть только от запасов воды в снеге, ледяной корке и почве, а величину его рассчитывают по формуле

где У - величина поверхностного стока, мм;

Уi - сток с i-того агрофона, мм (рассчитывают по уравнению Уi=a+b₁W_п+b₂W_с, в котором W_п - запасы воды в почве, мм; W_с - запасы воды в снеге и ледяной корке, мм; а, b₁ и b₂ - коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от вида пашни и типа почв: на зяби - серая лесная почва а=-161, b₁=0,93, b₂=0,38; типичный чернозем а=-50, b₁=0,25, b₂=0,25; обыкновенный чернозем а=-53, b₁=0,51, b₂=0,04; каштановая а=-27, b₁=0,38, b₂=0,37; светло-каштановая а=-11, b₁=0,23, b₂=0,37; на уплотненной пашне - серая лесная почва а=-11, b₁=0,12, b₂=0,33; типичный чернозем а=-116, b₁=0,71, b₂=0,41; обыкновенный чернозем а=-24, b₁=0,17, b₂=0,40; каштановая а=-4, b₁=0,19, b₂=1,14; светло-каштановая а=-20, b₁=0,29, b₂=0,13);

Si - площадь i-того агрофона, га;

Уэл, Уэа, Уэг, Уэот - стокорегулирующий эффект от применения лесомелиоративных, агротехнических, гидротехнических и организационно-хозяйственных (фактор севооборота) приемов, мм (учитывается, если применен комплекс противоэрозионных мероприятий).

Под зябью понимается глубоко (20-27 см) обработанная с осени пашня плугом, плоскорезом и другими орудиями. К уплотненной пашне относятся посевы озимых, многолетних трав, невспаханные поля (стерня). Залежные участки (пастбища и сенокосы) приравниваются к уплотненной пашне.

Точность прогноза составляет 100% в том случае, если почва талая или промерзла на глубину до 50 см, или (и) запасы воды в почве ниже или равны 0,2-0,4 от общей порозности. Если эти показатели выше указанных, то величина стока прогнозируется с точностью 80-90% в зависимости от точности измерения глубины промерзания и влажности почвы.

Изобретение относится к области защиты почв от эрозии. Способ включает измерение за 1-1,5 месяца до начала снеготаяния глубины промерзания почвы, определение влагозапасов воды в снеге, ледяной корке и почве только в слое 0-50 см. Если почва талая или глубина ее промерзания менее 0,5 м или (и) запасы влаги в слое почвы 0-50 см меньше или равны 0,2-0,4 от общей порозности, то прогнозируют, что сток будет отсутствовать. Если же глубина промерзания почвы больше 0,5 м и влагозапасы в слое почвы 0-50 см выше 0,2-0,4 от общей порозности, то сток будет зависеть только от запасов воды в снеге, ледяной корке и почве, а величину его рассчитывают по формуле

где У - величина поверхностного стока, мм; Уi - сток с i-того агрофона, мм (рассчитывают по уравнению Уi=a+b₁W_п+b₂W_с, в котором W_п - запасы воды в почве, мм; W_с - запасы воды в снеге и ледяной корке, мм; a, b₁ и b₂ - коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от вида пашни и типа почв: на зяби - серая лесная почва а=-161, b₁=0,93, b₂=0,38; типичный чернозем а=-50, b₁=0,25, b₂=0,25; обыкновенный чернозем а=-53, b₁=0,51, b₂=0,04; каштановая а=-27, b₁=0,38, b₂=0,37; светло-каштановая а=-11, b₁=0,23, b₂=0,37; на уплотненной пашне - серая лесная почва а=-11, b₁=0,12, b₂=0,33; типичный чернозем а=-116, b₁=0,71, b₂=0,41; обыкновенный чернозем а=-24, b₁=0,17, b₂=0,40; каштановая почва а=-4, b₁=0,19, b₂=l,14; светло-каштановая а=-20, b₁=0,29, b₂=0,13); Si - площадь i-того агрофона, га; Уэл, Уэа, Уэг, Уэот - стокорегулирующий эффект от применения лесомелиоративных, агротехнических, гидротехнических и организационно-хозяйственных (фактор севооборота) приемов, мм. Способ позволяет повысить точность прогнозирования поверхностного стока талых вод на водосборах.

Способ прогнозирования поверхностного стока талых вод на водосборах за 1-1,5 месяца до начала снеготаяния, включающий измерение глубины промерзания почвы, определение запасов воды в снеге, ледяной корке и почве, отличающийся тем, что влагозапасы в почве определяют только в слое 0-50 см, при этом, если почва талая или глубина ее промерзания менее 0,5 м или (и) запасы влаги в слое почвы 0-50 см меньше или равны 0,2-0,4 от общей порозности, прогнозируется, что сток будет отсутствовать, если же глубина промерзания почвы больше 0,5 м и влагозапасы в слое почвы 0-50 см выше 0,2-0,4 от общей порозности, то сток будет зависеть только от запасов воды в снеге, ледяной корке и почве, а величину его рассчитывают по формуле

где У - величина поверхностного стока, мм;

Уi - сток с i-го агрофона, мм (рассчитывают по уравнению Уi=a+b₁W_п+b₂W_с, в котором W_п - запасы воды в почве, мм; W_с - запасы воды в снеге и ледяной корке, мм; a, b₁ и b₂ - коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от вида пашни и типа почв: на зяби - серая лесная почва а=-161, b₁=0,93, b₂=0,38; типичный чернозем а=-50, b₁=0,25, b₂=0,25; обыкновенный чернозем а=-53, b₁=0,51, b₂=0,04; каштановая а=-27, b₁=0,38, b₂=0,37; светло-каштановая а=-11, b₁=0,23, b₂=0,37; на уплотненной пашне - серая лесная почва а=-11, b₁=0,12, b₂=0,33; типичный чернозем а=-116, b₁=0,71, b₂=0,41; обыкновенный чернозем а=-24, b₁=0,17, b₂=0,40; каштановая почва а=-4, b₁=0,19, b₂=1,14; светло-каштановая а=-20, b₁=0,29, b₂=0,13;

Si - площадь i-го агрофона, га;

Уэл, Уэа, Уэг, Уэот - стокорегулирующий эффект от применения лесомелиоративных, агротехнических, гидротехнических и организационно-хозяйственных (фактор севооборота) приемов, мм.