Оценка взаимосвязи гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока (31.08.2009)

Автор: Будник Светлана Васильевна

Агрофон влияет на величину диссипации энергии. Так, если при талом стоке агрофона в порядке убывания величины диссипации энергии располагаются следующим образом: озимь, зябь, многолетние травы, то при ливнях - естественное кормовое угодье, многолетние травы, пар, полевая дорога, пропашные и зерновые колосовые.

Тип почва также влияет на величину ?, однако среди подтипов почв расхождения слабеют. Так, при снеготаянии ряд почв в убывающем порядке значений величины диссипации энергии располагается следующим образом: чернозем типичный, серые лесные, чернозем обыкновенный на песках, чернозем обыкновенный на лессе, мергель, чернозем обыкновенный на мергеле; при ливневом стоке: мергель, чернозем обыкновенный на мергеле, чернозем обыкновенный на лессе, серые лесные и чернозем обыкновенный на песках. Если при талом стоке на мергелях и черноземе обыкновенном на мергеле величины ? минимальны, то при ливнях наоборот.

Тип снеготаяния также влияет на величину диссипации энергии. Так, при адвективном типе снеготаяния величина диссипации энергии наибольшая, при солярном типе снеготаяния - наименьшая, при солярно- адвективном типе снеготаяния ? принимает промежуточные значения.

Режим (по числу Рейнольдса Re) и состояние потока (по числу Фруда Fr) влияют на величины ? при обеих типах формирования стока. Так, при числе Рейнольдса Re > 5000 и Fr>1 ? максимально, при Re<700 и Fr<1 - минимально.

Примечательно, что в склоновых водотоках при снеготаянии температура воды при Re>5000 и частично при Fr>1 ниже, чем при других режимах и состояниях потока. При ливнях дифференциации кривых температуры воды по Re не наблюдается, а при Fr>1 температура воды немного ниже (температура воды при ливнях вообще выше, чем при снеготаянии).

Анализ кривых обеспеченностей рН воды и содержания химических элементов в воде склоновых водотоков при снеготаянии дифференцированных по режиму и состоянию потока показали, что при Re>5000 рН и содержание всех элементов в воде водотоков ниже, чем при Re<700. Для Fr>1 на черноземе обыкновенном на лессе рН воды ниже, чем при Fr<1, а для чернозема типичного на легком суглинке наоборот при Fr>1 рН воды выше, выше здесь и содержание в воде водотоков НСО3-. Содержание других элементов, как на черноземе обыкновенном, так и на черноземе типичном безусловно зависит от числа Fr, что отражается в расхождениях в форме кривых для разных состояний потоков. Однако, однозначно сказать при каком состоянии потока содержание веществ выше нельзя (рис.1, 2).

Агрофон и тип снеготаяния также влияют на содержание веществ в воде склоновых водотоков.

При ливнях же, наоборот, при Re>5000, а особенно четко это заметно при Fr>1 рН воды и содержание практически всех элементов выше, чем при ламинарном режиме и при спокойном состоянии, что говорит о преобладающем расходовании диссипирующей энергии при ливнях на химические реакции.

Кроме того, температурная обстановка при ливнях и талом стоке в корне отличается. При ливнях идет поступление холодной воды на прогретую солнцем почву, а при снеготаянии наоборот, более теплая вода поступает на промерзлую почву.

Расход тепла при диссипации энергии при талом стоке направлен, преимущественно, на оттаивание ложа ручейка, а при ливневом стоке - на протекание химических реакций.

При рассмотрении факторов, которые имеют влияние на мутность воды выявлено, что наличие турбулентного режима течения еще не означает интенсивный размыв почвы, тогда как наличие бурного состояния потока практически всегда сопровождает интенсивный размыв (рис.3, 4).

Эмпирические зависимости мутности воды склоновых водотоков от факторов, которые предопределяют сток и смыв, по годам отличаются как набором факторов так и степенью их влияния. Для талого стока наиболее значимыми оказались такие факторы как длина и уклон склона, глубина оттаивания почвы, температура воды, турбулентное трение, гранулометрический состав почвы. При ливнях наиболее значащими являются турбулентное трение, диссипация энергии, длина склона, агрофон, интенсивность осадков.

При введении в эмпирические модели для определения мутности воды переменных, характеризующих химический состав воды, качество зависимостей существенным образом улучшается. Особенности изменения мутности воды в склоновых водотоках, как при снеготаянии так и при ливнях свидетельствуют о необходимости проводить дифференциацию моделей по агрофонам или типам почв. При этом целесообразно учитывать химический состав воды, которая существенным образом влияет на разрушение почвенной структуры.

Диапазон изменения гидродинамических характеристик в склоновых водотоках при дождевании меньше, чем при выпадении естественных ливней, меньше и их энергетический потенциал. Здесь формируются, в основном, распластанные потоки. Вязкостное трение при орошении дождеванием относительно выше, чем при ливнях и менее изменчиво, чем турбулентное. Разность в их величинах здесь меньше, чем в естественных потоках, не редки случаи превышения вязкостным трением турбулентного. В бурном состоянии такие потоки находятся часто, однако величины чисел Рейнольдса редко достигают 5000.

Потоки, формирующиеся при орошении напуском, как правило, спокойные, режим течения ламинарный или переходной, наносы транспортируются преимущественно в близи дна. Диапазон изменения гидродинамических характеристик при орошении напуском ниже, чем у естественных водотоков, однако сопоставимы с изменчивостью характеристик водотоков, которые сформировались при дождевании. Распластанность русел при орошении напуском меньше, чем при орошении дождеванием, число Фруда в них также ниже, случаев превышения вязкостным трением турбулентного не зафиксировано.

Раздел 4. Гидрохимические процессы в склоновых водотоках. Содержание веществ в склоновом стоке определяется местом отбора проб и динамическими особенностями водотоков на момент отбора проб. Мера тесноты этих зависимостей колеблется, как для разных химических элементов, разных поверхностей, так и для разных погодно- климатических условий. В разных условиях формирования степень влияния факторов на содержание веществ в склоновых водотоках изменяется. Среди динамических характеристик наибольшее влияние на содержание веществ в склоновых водотоках имеют факторы гидравлического сопротивления.

Среди основных особенностей стока химических веществ на склонах можно выделить следующие: 1) по длине склонового водотока химический состав воды трансформируется; 2) минерализация воды по длине водотока в целом увеличивается; 3) изменение содержания веществ по длине склона носит периодический характер; 4) как правило, в водоток с поверхности водосбора поступает вода менее минерализованная в сравнении с водой в водотоке. Минерализация вод, которые поступают из водосбора, изменяется во времени.

Как правило, диапазон изменения содержания веществ в склоновом стоке выше, чем в воде атмосферных осадков (или воде, которая подается на орошение) и выше чем в водной вытяжке из почвы.

Содержание веществ в почве сильнее зависит от длины и уклона склона, чем в склоновом стоке, который определяется большей изменчивостью факторов, влияющих на последний.

Поступление веществ в склоновые воды из почвы во многом определяется составом самой воды, которая поступает на водосбор. Опыты по выщелачиванию веществ из 0-3 см пласта чернозема типичного на легких суглинках и из серой лесной почвы на лессе талой водой с добавлением разных доз удобрений показали, что в некоторых случаях увеличение доз удобрений приводит к уменьшению выхода веществ из почвы. В частности, при обработке почв растворами KCl и (NH4)2SO4 с увеличением концентраций внесенных солей вытеснения фосфора падает. В то время как при обработке почвы растворами NH4OH содержание фосфора в вытяжке увеличивается. В первом случае вытесняются фосфаты из минеральной части почвы, во втором - из органической. При обработке почвы растворами NH4OH также повышается, в сравнении с вытяжками на растворах KCl и (NH4)2SO4, выход хлоридов в 1, 2-20 раза, натрия - в 1,8 раза, кальция - в 2 раза, калия в 1, 3-1,7 раза. Выщелачивание аммония с увеличением концентраций удобрений в растворах, в основном, увеличивается. Все это говорит о том, что при моделировании процессов смыва веществ со склонов, а в конечном итоге и расчет устойчивости почв и сооружений к выщелачиванию необходимо учитывать запланированный для данной территории севооборот и соответствующую ему систему удобрений. В результате модель должна иметь значительную гибкость и чувствительность, как относительно естественных процессов, так и согласно степени антропогенного влияния.

Наблюдается зависимость содержания химических элементов в воде склоновых водотоков от гидродинамических характеристик потоков. Направленность и теснота этих взаимосвязей изменяется, как для разных элементов, так и разных динамических характеристик. Так, при дождевании содержание хлоридов имеет прямую зависимость от турбулентного трения и обратную от вязкостного. Содержание веществ в склоновых водотоках определяется характером снеготаяния, агрофоном, глубиной оттаивания почвы и рельефом местности. По длине склона, в основном, увеличивается содержание HCO3-, NO3-, Mg2+, Cl-, Ca2+, pН и сухого остатка. Содержание NH4+ по длине склона, в основном, уменьшается, исключения составляют участки возле лесных полос и гидротехнических сооружений, где их содержание немного увеличивается. Однако, пройдя лесную полосу тенденция к уменьшению содержания аммония сохраняется (рис.5).

Раздел 5. Взаимодействие гидродинамических и гидрохимических факторов эрозионно-акумулятивного процесса в склоновых водотоках. Содержание веществ в воде склоновых водотоков разного генезиса зависит от динамических характеристик потоков. Сравнение разных зависимостей содержания веществ в воде склоновых водотоков при снеготаянии построенных по данным наблюдений 2003 года от содержания веществ в почве и снеге , а также от гидравлических характеристик потока показали (табл. 1-3), что общие модели, которые содержат комплекс разнообразных показателей (гидрохимических, гидравлических, почвенных) имеют большую

?l?0???&?

?l?0???&?

?l?0???&?

'адекватность исходным данным: в них относительная ошибка на 6, 5-52 % ниже, абсолютная ошибка на 0- 77% ниже, коэффициент корреляции на 0, 8-66% выше, критерий качества на 3, 8-77% ниже. Изменчивость коэффициента корреляции наименьшая, а относительной ошибки и критерия качества - наибольшая, что говорит о том, что оценка зависимостей только по коэффициенту корреляции нежелательна, она не будет достаточно отображать изменение качества модели. Между абсолютной ошибкой модели и критерием качества существует тесная зависимость, однако они по-разному характеризуют адекватность зависимостей, поэтому желательно использовать оба показателя.

Таблица 1.

Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей, построенных по гидрохимическим показателям (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

Показатели адекватности рН НСО3- Cl- NO3- Ca2+ Mg2+ Na+ NH4+ Сухой остаток P hmax

Относительная ошибка 36,1 8,64 31,5 6,47 8,26 30,4 16,3 39,7 21,11 41,5 51,95

Абсолютная ошибка 34,6 34,11 18,3 5,05 18,8 10,9 30,6 3,33 0 76,9 -50

Коэффициент корреляции 2,13 1,52 12,6 1,12 0,77 9,24 7,62 2,06 0,81 66,5 26,27

Критерий качества 35 34,15 18,4 5,05 18,7 11,1 30,8 3,8 32,03 76,9 35,12

Таблица 2.

Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей, построенных по гидравлическим характеристикам (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

Показатели адекватности pН Сухой остаток P hmax

Относительная ошибка 49,37 73,77 47,69 21,34

Абсолютная ошибка 50 66,67 44,27 -50

Коэффициент корреляции 4,63 11,06 5,7 -2,54

Критерий качества 49,53 75,1 44,29 -8,32


загрузка...