Способ прогнозирования стока талых вод Советский патент 1988 года по МПК A01B13/16 

10

114А209А

Изобретение относится к сельскому хоэяйству и может быть использовано при разработке мер по регулированию . стока, защите почв,от эрозии, подготовке к паводку различных гидротехнических сооружений, определения ресурсов и перспектив использования местного стока.

Цель изобретения - повышение точности прогнозирования стока талых вод..

На фиг. 1 представлен график зависимости коэффициентов стока с зяби на суглинистых, тяжелосуглинистых и легкосуглинистых почвах от влажности в запирающем слое почвы; на фиг. 2 - график зависимости коэффи- ; циентов стока для зяби и уплотненной пашни на серых лесньпс и дерново-подзолистых почвах и уплотненной пашни на чернозёмных и каштановых почвах от влажности в запирающем слое.

По предлагаемому способу за 1- ,

трав, невспаханные угодья (стерня); к ним приравниваются вагоны и пастбища .

Значения коэффициентов при переменных величи 1ах получены на основании обобщения и обработки экспериментальных данных по сток у с различных угодий с учетом глубины и влажности мерзлого запирающего слоя. Пределы влажности на нижней границе за- : П1 рающего слоя 19-25% связаны с тем, что отражают собою наименьшую влаго- емкость почвы, которая в связи с изменением мехсостава почв от средне- суглинистых до легкосуглинистых варьирует в указанных пределах.

Интенсивность поверхностного талого стока связана с рядом природных 20 и антропогенных факторов, К ним относятся изменяющиеся в зональном разрезе гидрометеорологические (осадки и степень осенне-зимнего увлажнения

5

почвы, глубина ее промерзания, влаго- 1,5 мес до начала снеготаяния измёря-25 запасы в снеге к началу весеннего ют влагозапасы в снегу, глубину проснеготаяния, интенсивность снеготаяния и др.), почвенные условия и агротехнические факторы (зябь, уплотненная пашня, а также выгонные угодья). Как известно, на зяби формируется зна чительно меньший сток, особенно в условиях черноземных и каштановых почв, чем на уплотненной пашне, выгонах и пастбищах. На этих последних практически такой же, как на озимых и много летних травах.

мерзания, влажность почвы в мерзлом запирающем слое с влажностью 19-25% на его нижней границе и находят среднюю влажность в этом запирающем слое. При этом сток прогнозируют по величине коэффициентов стока, вычисленных по уравнению

. К„р (ах Н-Ьх-сН+ Ь) ( 1 +

tO,0000055P2 ;),

где X - средняя влажность почвы в запираюп(ем слое,%; Н - толщина (высота) запирающего

мерзлого слоя, см; Pgg - 1злагозапасы в снеге и ледян ой корке, мм; а,Ь,с, L,n - коэффициенты, значения кото-..

рых в зависимости от типа и

уплотненности почв приведены

в табл. 1.

Величины влажности и толщины мерзлого запирающего слоя, измеренные за 1...1,5 мес до начала стока, являются определяющими при прогнозировании стока наряду с влагозапасами в твер- дьвс осадках (сне ге, ледяной корке). При этом срок 1... 1,5 мес до начала снеготаяния определяет параметры запирающего слоя по глубине и влажности с учетом возможных оттепелей.

К уплотненной пашне относятся УГОДЬЯ с посевами озимых, многолетних

трав, невспаханные угодья (стерня); к ним приравниваются вагоны и пастбища .

Значения коэффициентов при переменных величи 1ах получены на основании обобщения и обработки экспериментальных данных по сток у с различных угодий с учетом глубины и влажности мерзлого запирающего слоя. Пределы влажности на нижней границе за- : П1 рающего слоя 19-25% связаны с тем, что отражают собою наименьшую влаго- емкость почвы, которая в связи с изменением мехсостава почв от средне- суглинистых до легкосуглинистых варьирует в указанных пределах.

Интенсивность поверхностного талого стока связана с рядом природных и антропогенных факторов, К ним относятся изменяющиеся в зональном разрезе гидрометеорологические (осадки и степень осенне-зимнего увлажнения

почвы, глубина ее промерзания, влаго- 5 запасы в снеге к началу весеннего

0

5

0

5

0

5

снеготаяния, интенсивность снеготаяния и др.), почвенные условия и агротехнические факторы (зябь, уплотненная пашня, а также выгонные угодья). Как известно, на зяби формируется значительно меньший сток, особенно в условиях черноземных и каштановых почв, чем на уплотненной пашне, выгонах и пастбищах. На этих последних практически такой же, как на озимых и многолетних травах.

Гидрометеорологические факторы определяют глубину промерзания почвы и накопление в ней влаги в виде льда. Чем больше почва насьпдается влагой и чем сильнее закупориваются льдом водопроводящие поры, образуя слабоводопроницаемый запира ощий слой, тем сипьнее сток талых вод. Под запирающим понимается слой почвы, в порах которого содержится замерзшая влага, вследствие чего в той или иной степени тормозится просачивание талой воды вглубь. Запирающий слой в разные годы распространяется по поверхности на различную глубину, иногда до 80-100 см. Его нижняя граница по влажности характеризуется условно уровнем наименьше: } влагоемкости (НВ) . Дпя тяжелосуглинистых и глинистых черноземных и каштановых почв (на лесовых породах) это составляет около 25%, для средне- и тяжелосуглинистых серых лесных почв - около 19-22%.

Влажность мерзлой почвы определяют у поверхности (0-3 см) и далее с интервалами 10 см, до нижней границы запирающего слоя, а среднюю влажность рассчитывают как среднее из всех определений.

Прогноз стока дает достоверные и точные показатели при влагозапасах в снеге 80...120 мм. При величине влагозапасов 80 мм или 120 мм найденное значение коэффициента стока следует умножить на коэффициент влагозапасов, соответственно равный

80 120 „д.

-- или --, где P(j - фактические о«

гозапасы в снеге и ледяной корке

(с осадками весны).

Способ осуществляют следующим образом.

Для проведения работ по прогнозированию стока выбирают пункты, где имеются метеостанции (метеопосты). В пределах административной области достаточно иметь пять таких пунктов: по одному в северной, восточной, западной, южной и центральной частях. В каждом пункте определения проводят на различных почвах (черноземных, серых лесных и др.), на склонах северной, южной, восточной и западной экспозиции, отдельно для зяби и уп- .лотненной пашни, при этом на каждом склоне обрабатывают по три точки: в верхней приводораздельной, средней и нижней частях склона. Образцы для определения влажности и глубины промерзания почвы берут в 3-кратной повторности.

Прогнозное предварительное вычисление стока проводится за 1...1.5 ме до начала весеннего снеготаяния.

В намеченных пунктах на массивах зяби и уплотненной пашни (склоны разной экспозиции) определяют влажность мерзлой почвы на глубину, пре- вьппающую на 15-20 см глубину промерзания, выявляют мощность запирающего слоя с влажностью 19-25% на его нижней границе и вычисляют среднюю влажность в этом слое. Одновременно проводят снегомерзлую съемку, замеряют плотность снега и определяют известным способом запасы снеговой воды. К этим запасам прибавляют среднемно- голетнюю величину осадков за время от момента составления прогноза до среднемноголетней даты окончания стока (по данным метеослужбы).

Вычисляют коэф(3)ициенты и величины (слои) стока с зяби и уплотненной пашни для склонов разной экспозиции

и средневзвешенные величины стока для заданного пункта с учетом площадей различных угодий, снегозапасов на них.

Составляют прогноз стока вьшеописанным способом (с использованием математических -зависимостей формулы изобретения).

Если в дальнейшем установится сильная оттепель, обусловливающая частичное стаивание снежного покрова, то после- этого производят корректировку глубины запирающего слоя, влажности почвы и влагозапасов в снеге повторным определением их (в уменьшенном

в 2 - 2,5 раза объеме) и уточняют прогноз стока.

При предвычислении стока с выгонов и пастбищ используют коэффициент стока, найденный для уплотненной пашни.

Сток из леса зачастую отсутствует или бьтает небольшой по сравнению с другими сельскохозяйственными уго- диями, причем он может варьировать в широких пределах, в зависимости от

состояния и хозяйственного использования леса. Имеющиеся эксперименталь- Hbie данные позволяют принять, что .сток из леса в среднем составляет одну четвертую часть стока с уплотвенной пашни.

Пример. Требуется дать прогноз талого стока для северной части Курской области (с выщелоченными тя- желосуглинйстыми черноземами), входящей в зону обслуживания метеостанции Фатеж. Для этих целей подбирают склоны северной, южной, восточной и западной экспозиции с .зяблевой па- хатой и такие же склоны с уплотненной пашней (озимые, многолетние травы) .

В середин.е февраля проводят снегомерную съемку с замерами плотности

снега с охватом выбранных склонов. В ходе расчетов к найденным запасам снеговой воды (и к содержащейся в ледяной корке) прибавляют среднегодовую сумму осадков-за половину февраля и

март (47 мм).

На выбранных склонах в их верхней, средней и нижней частях определяют в 3-кратной повторности глубину промерзания и влажность почвы путем бурения и обора образцов с поверхности (0-3 см) и далее через каждые 10 см. Результаты полевых определений и замеров сведены в табл. 2.

Находят коэффициенты стока для зяби и уплотненной пашни или по приведенному уравнению, снимают их с графиков. Для случаев, где мощность запирающего слоя выражается неполными десятками сантиметров (например, 65 см), коэффициент стока берется как среднее из двух смежных определений, при которых толщина указанного слоя выражена целыми десятками (вдзн

ном случае 60 и 70 см).

Определяют прогнозируемый слой стока со склонов разной экспозиции для зяби 4 и уплотненной пашни 5; вычисляют средние его величины для данного пункта.

Находят средневзвешенный слой стока для всей водосборной площади. При таком распределении сельскохозяйственных угодий, когда под пашней нахо дится 80% площади, сенокосами и выгонами занято 15,5% и лесом 4,5% и та- кой структуре посевных площадей, при которой зябь в среднем занимает в севообороте 67%, уплотнённая пашня 33% а относительно всей площади землепользования соответственно 53,6% и 26,4%, средний слой прогнозируемого стока с пашни равняется 75,3 мм, а со всех.сельскохозяйственных угодий 78,8 мм.

Площадь бессточных участков (заболоченные части долин, всевозможные депрессии и блюдца на плоских водо- разделах и др.) может составлять 2,5%. В связи с этим в расчете на всю площадь слой стока составляет 76,8 мм, Точность по способу прогнозирования стока талых вод Гидрометеослужбой, основанный на балансовых расчетах, не превьшает 30-70%, в то время как предлагаемый способ обеспечивает точ;ность прогноза в пределах 80-95%

Формула изобретения

Способ прогнозирования стока талых вод, включакнций измерение влаго- запасов в снеге, ледяной корке, влажности и глубины промерзания почвы и учет прогнозируемых осадков, отличающийся тем, что, с целью

Q nnoOOSSP- } д рд к °

209А6

повьш;ения точности прогнозирования, влажность почвы определяют за 1 ... 1,5 мес до начала снеготаяния на глубину промерзания почвы отбором проб с интервалом З..,10 см, выделяют запирающий мерзлый слой с влажностью 19...25% на его нижней границе, находят среднюю влажность запирающего мерзлого слоя и сток прогнозируют по

10

величине коэффициентов стока, вычисленных по уравнению

nnoOOSSP- } к °

K(ax H-bx-cH+L) (1 +

Q nnoOOSSP- } д рд к °

0

0

5

5

X Н ос

а,Ь,с, L,n

прогнозируемый коэффициент стока;

средняя влажность почвы в запирающем слое,%; толщина запираюрдего мерзлого слоя,.см;

влагозапасы в снеге и ледяной корке, мм;

коэффициенты/ которые, в зависимости от типа и уплотненности почв, принимают дпя зяби черноземных и каштановых почв ,000185; ,0025, ,0125, , п--1, 25, а для зяби и уплотненной пашни серых лесных и дерево-подзолистых почв, уплотненной пашни черноземных и каштановых почв а -0,000398, ,0039, ,0101, ,075, ,10.

Т а б л и ц а 1

Таблица 2

Изобретение может быть использовано при разработке мер по регулированию стока, защите почв от эрозии, подготовке к паводку различных гидротехнических сооружений, при определе. НИИ-ресурсов и перспектив использования местного стока. Цель изобретения- повышение точности прогнозирования стока талых вод. Прогноз осуществляют на основании коэффициентов, вычисленных путем измерения за 1-Т,5 мес до начала снеготаяния, влагозапасов в снеге, глубины промерзания и влажности почвы на глубину промерзания почвы отбором проб с интервалом 3-10 см . При этом вьщеляют запирающий мерзлый слой с влажностью 19-25% на его нижней границе и находят среднюю влажность запирающего мерзлого слоя, а . сток прогнозируют по величине коэффициентов стока, вычисленных по уравнению: Кр|,(а.х -H-b-x-c-H+ot) (1 + +0,000005Р ос ) . где - прогнозируемый коэффициент стока; х - средняя влажность почвы в запирающем слое, %; Н - толщина запирающего мерзлого слоя, см; P(jg - влагозапасы в снеге и ледя- Щ ной корке, мм; а,Ь,с,вб,п -коэффици- . енты, которые принимают значения в за- у// висимости от типа и уплотненности почв: для зяби черноземных и каштановых почв ,000185; ,0025; ,025; ,03; п - 1,25; дпя зяби и уплотненной пашни серых лесных и дерново-подзолистых почв, уплотненной пашни черноземных и каштановых почв ,000398; ,0039; с- 0101;oi 0,075; п 1,10. 2 ил., 2 табл.

Запас, воды в снег е норма осадков за половину февраля- март Рд мм

Мощность запирающего слоя Н, .мм

Средняя влажность почвы в запирающем слое х, %

Прогнозируемый коэффициент стока Кц

Приведенный коэффициент

стока К

11 П

Прогнозируемый слой стока У, мм

Запас воды в снеге + норма осадков за половину февраля - март Р, мм

НощНосгь запирающего слоя Н, см

Средняя влажность почвы в запирающем слое х,% .

Прогнозируемый коэффициен стока KU

п

Приведенный коэффициент стока К„ „р

Прогнозируемый слой стока

У, мм .

111,4

Л9 0.8

|«7- 1Ч6- |РДI |(t3

о.г

Л (

nepfMte MUfufo/ouff mffCiv

MffsoiosB so -w

so 4(750 , 68 70

Bj}tUKf{6ctni 8 запирающем слое поч8ы, /«

«8j

Ptt.2

да 2( Jff 4ff Jff fiC 7ff .Влажность S слое почвы, /о

MffsoiosB so -w

75 5ff ff

4i

Jf