Оценка взаимосвязи гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока (31.08.2009)

Автор: Будник Светлана Васильевна

Будник Светлана Васильевна

ОЦЕНКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СКЛОНОВОГО СТОКА

Специальность 25.00.27 – Гидрология суши, гидрохимия, водные ресурсы

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени

доктора географических наук

Воронеж - 2009

Работа выполнена в Луганском институте агропромышленного производства

Научный консультант: доктор географических наук, профессор

Хильчевский Валентин Кириллович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Коронкевич Николай Иванович

доктор географических наук, профессор

Мишон Виталий Михайлович

доктор технических наук, профессор

Дебольский Владимир Кириллович

Ведущая организация: Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «24» ноября 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86, ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работников Воронежского государственного педагогического университета (394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86, к. 34).

Автореферат разослан «____» ________ 2009 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86. Естественно-географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс: 8 (4732) 55–19–49. Е-mail: shmykov@vspu.ac.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат географических наук,

доцент В. И. Шмыков

Актуальность темы. При решении многих теоретических и практических задач возникает вопрос о необходимости учета гидравлических или гидрохимических особенностей водотоков на склонах. В частности, знание особенностей процессов стока и смыва веществ на склонах важны при прогнозировании наводнений, при проектировании противоэрозионных и дорожных сооружений и т.п.. Особенности гидравлики склоновых потоков изучаются учеными уже давно. Этими вопросами в разной степени занимались Г.И.Швебс, К.М.Зубкова, А.В.Караушев, В.П.Лидов, Н.И.Маккавеев и др. В данное время это направление исследований интенсивно развивают В.Я.Григорьев, М.С.Кузнецов, Г.А.Ларионов, М.А.Неаринг (M.A.Nearіng), Ж.Э.Моррисон (J.E.Morrіson) и др. Детальные исследования гидрохимии склоновых потоков проводили в свое время А.А.Алекин и П.П.Воронков. В последние годы, в основном, ведутся исследования стока биогенных веществ со склонов в связи с экологическими проблемами применения удобрений (П.С.Пастернак, В.Э.Явтушенко и др). Комплексных исследований гидродинамических и гидрохимических процессов в склоновых водотоках до сего времени не проводилось.

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось оценить взаимосвязь гидродинамических и гидрохимических факторов стока со склонов, обосновать концепцию гидрохимического влияния воды на формирование рельефа склона. В задачи исследований входило: 1) моделирование гидравлических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков с учетом особенностей их формирования и изменчивости по длине склона, 2) разработка моделей показывающих взаимосвязь между гидродинамическими особенностями водотоков и химическим составом воды; 3) разработка концепции формирования эрозионно-аккумулятивного рельефа как результата взаимодействия гидродинамических и гидрохимических процессов; 4) создание способов прогнозирования эрозионно и экологически опасных ситуаций на склоне.

Объектом исследований были процессы, протекающие в склоновых водотоках и отвечающие за формирование содержания веществ и размыв склона.

Предметом исследований был сток воды, смыв почвы и растворимых веществ в склоновых водотоках, формирующихся, как в естественных условиях от ливней и при снеготаянии, так и сток при орошении в производственных условиях.

Методология и методы исследований содержат в себе полевые наблюдения за исследуемыми процессами в натурных условиях, математический анализ и построение теоретических концепций формирования процессов. В математический анализ входит статистическое оценивание, вероятностный анализ, математическое моделирование и оптимизация.

Основные защищаемые положения: 1) зависимость содержания химических элементов от динамики потоков; 2) зависимость эродирования склонов от состава воды; 3) существование двух механизмов химического влияния воды на почву; 4) схема дифференциации склона по характеру эрозионных форм и факторам, определяющим размыв; 4) возможность планирования сочетаний агрофонов на склоне на основе анализа изменчивости гидродинамических характеристик при переходе с агрофона на агрофон; 6) модели расчета расходов воды, максимальной глубины воды и мутности воды при снеготаянии и ливнях.

Научная новизна и практическая значимость. Разработаны модели показывающие существование связи химического состава воды с гидродинамическими характеристиками потоков. Выдвинута и обоснована гипотеза о влиянии химического состава воды на эродированость склонов. Миграцию веществ на склоне рекомендуется рассматривать вместе с определением критических доз содержания веществ в воде, при которых происходит интенсивный выход веществ из почвы, обеспечивающий возможность определения мест на склоне с критическим влиянием. Выдвинута гипотеза о наличии двух механизмов химического влияния воды на размыв почвы. Предложена схема дифференциации склона по характеру эрозионных форм и факторам, которые определяют размыв. Определены критические величины содержания некоторых веществ в воде склоновых водотоков, при которых размыв склона усиливается.

Практическая значимость работы заключается, как в представлении анализа натурного материала особенностей стока от ливней и снеготаяния, которые частично раньше никогда для склоновых водотоков не рассматривались (оценка характеристик турбулентности, изменчивость морфометрических характеристик, взаимодействие химических и гидравлических процессов), в определении гидравлических характеристик потоков для юго-востока Украины, где они раньше не определялись, так и в применении материалов исследований к оценке допустимости сочетания агрофонов на склоне, прогнозировании мест на склоне, где вероятность и величина размыва максимальны. Предложены методики определения расходов воды, максимальной глубины воды и мутности воды в склоновых водотоках по длине склона в период снеготаяния и ливней.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов проверена путем статистического оценивания однородности рассматриваемых рядов, расчетом диапазонов варьирования основных статистических показателей оцениваемых характеристик, получения характеристик адекватности моделей исходным данным (по 4 критериям: относительная ошибка, абсолютная ошибка, коэффициент корреляции, критерий качества (критерий Гаусса)). Выдвинутые теоретические гипотезы подтверждаются результатами наблюдений. На основе результатов наблюдений также выведены статистически достоверные эмпирические закономерности.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 446 страницах машинописи, содержит 53 таблицы, 54 рисунок, список литературы включает 646 наименований. Приложения представлены отдельным томом на 79 страницах.

Диссертация состоит из 6 разделов. В первом разделе рассматриваются генетические отличия стока на склонах разного происхождения и анализируются существующие представления о гидравлике и гидрохимии стока на склонах.

Во втором разделе рассматриваются основные проблемы и задачи исследований эрозионных процессов на склонах, приводится методика исследований, характеристика объектов исследований и анализируется полнота и репрезентативность исходных данных.

В третьем разделе рассматриваются гидродинамические процессы в склоновых водотоках, приводятся эмпироко-статистические модели: режимы течений, кинетичность, гидравлические сопротивления, касательные напряжения, изменчивость морфометрических характеристик склоновых водотоков, характеристики турбулентности.

В четвертом разделе рассматриваются гидрохимические особенности стока на склонах, особенности моделирования и агрессивность водных растворов относительно почв, приводятся эмпирико-статистические модели для расчета содержания химических элементов в воде склоновых водотоков.

Пятый раздел посвящен оценке взаимосвязи гидрохимических и гидравлических процессов в склоновых водотоках. Проводится анализ особенностей эрозионно-акумулятивного процесса в склоновых водотоках, который представляется как синтез гидродинамических и гидрохимических процессов в водотоках. Представлены критические величины содержания растворимых веществ в воде склоновых водотоков, при которых наблюдается интенсивный размыв почвы. Предлагаются методы прогнозирования размыва склона.


загрузка...