авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

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.

Шестой раздел посвящен вопросам применения эмпирико-статистических моделей гидродинамических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков при проектировании элементов организации территории землепользования. Приводятся методы расчета стока воды и размыва склона по длине, а также методика определения эрозионно-опасных сочетаний агрофонов на склоне.

Публикации. Результаты исследований представлены в 69 научных работах, в том числе в 52 статьях, как географического профиля (33), так и почвоведческого (19), в 2 монографиях и брошюре. Из опубликованных работ по теме диссертации 3 статьи и 1 монография написаны в соавторстве (В.К.Хильчевський, В.Т.Малютяк), 16 работ опубликованы в журналах, рекомендуемых для опубликования материалов докторских диссертаций.

Апробация. Материалы работы неоднократно докладывались на научно-практических конференциях: ”Сталий розвиток агроекосистем в умовах обмеженого ресурсного забезпечення”, г.Киев,1998 г.; научно-практический семинар "Вчимося господарювати”, пгт.Чабаны,1999 г.; ГИС – Форум, Киев, 2000 р.; „Кафедрі гідрології та гідрохіміі КНУ ім. Т.Г.Шевченка 50 років”, г.Киев, 2000 г.; „Ведення землеробства в умовах посухи”, г.Одесса, 2001 г.; I Всеукраинская конференция „Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія”, г.Киев, 2001 г.; „Визначення перспективних шляхів науково-методичної підтримки та наукового забезпечення виконання державних комплексних програм”, г.Киев (Госводхоз), 2001 г.; VI съезд почвоведов и агрохимиков, г.Умань, 2002 г.; „Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища-2002”, г.Одесса, 2002 г.; „Екологічні проблеми басейнів транскордонних річок”, г.Луцк, 2002 г., “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очищення природних і стічних вод”, г.Миргород, 2003 г.; “Еколого-економічні проблеми водогосподарського та будівельного комплексу півдня України”, г.Херсон, 2003 г.; II Всеукраинская конференция ”Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія”, г.Киев, 2003 г.; “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку”, г.Киев, 2003 г. ; VI Всеросcийский гидрологический съезд, секция 6. “Проблемы руселовых процессов, эрозии и наносов”, С.-Петербург, 2004 г; ”Стан земельних угідь та поліпшення їх використання”, пгт.Чабаны, 2005 г.; международная конференция “Проблеми лісової рекультивації порушених земель України”, г.Днепропетровск; 2006 г.; III всеукраинской конференции “Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія”, 2006 г.; на международном симпозиуме по речным наносам, г.Москва, 2007 г.; на всеукраинской конференции “Мониторинг природных и техногенных сред”, г.Симферополь, 2008 г.; на международной конференции «Геоэкологические проблемы современности», г.Владимир, 2008 г.; на XXIII Совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, г.Калуга, 2008. Кроме того, материалы диссертации неоднократно докладывались на семинарах Института агроэкологии и биотехнологии УААН, на научно-техническом совете Института гидротехники и мелиорации УААН, на семинарах кафедры гидрологии и гидроэкологии КНУ им..Т.Г.Шевченко, на семинарах Национального аграрного Университета (г.Киев) и Житомирского национального агроэкологического университета (г.Житомир).

Работа выполнялась в рамках следующих научно-технических программ: "Плодородие почв" ("Разработать систему рационального использования земельных ресурсов Луганской области и охраны почв от эрозии") 1996-2000 гг., задание "Разработать критерии агроэкологической оценки земель, естественных и культурных фитоценозов и принципы размещения экосистем в агроландшафтах балочных водосборов" (номер госрегистрации 0196U012534), где автор выступала как исполнитель; "Агроэкологический мониторинг и моделирование устойчивых ландшафтов и агросистем " (по темплану института гидротехники и мелиорации: "Научные основы устойчивых агроэкосистем") 2001-2005 гг., задание 01 "Разработать мероприятия по экологически безопасному использованию и охране естественного ресурсного потенциала ландшафтов на мелиоративных системах" (номер госрегистрации 0101U006508), где автор была ответственным исполнителем, а в 2003 г. научным руководителем темы.

Материалы работы используются в учебном процессе Житомирского национального агроэкологического университета, Восточноукраинского национального университета им.В.Даля, Таврического национального университета им.В.И.Вернадского. Методические рекомендации приняты для ознакомления Государственной гидрометеорологической службой Украины, институтом агропромышленного производства УААН.

Основное содержание работы

Раздел 1. Сток на склонах: факторы формирования и особенности развития процесса. Основным отличием между существующими видами склонового стока (талого, ливневого, стока при орошении дождеванием и напуском) является разница в энергетическом взаимодействии, как потоков воды, так и капель дождя искусственного или естественного, с подстилающей поверхностью. Энергия склонового стока, формирующегося от ливней или при снеготаянии выше энергетических параметров потоков, которые наблюдаются при орошении.

Анализ натурных наблюдений за формированием стока на склонах позволяет принять следующую схему процесса стока на склонах: 1) сток на склоне подразделяется на ручейковый и межручейковый (G.R.Foster, 1982, С.Ю.Булыгин; М.А.Неаринг, 1999 и др.); 2) инфильтрация на сток во время ливней влияет слабо, при снеготаянии инфильтрация происходит преимущественно в оттаявшем слое почвы в горизонтальном направлении; 3) мутность бокового притока при снеготаянии невысока в сравнении с ручейковой, ее можно приравнять к нулю, при ливнях она будет зависеть от взмучивающего воздействия капель дождя и транспортирующей способности потока. При прекращении выпадения дождя мутность бокового притока уменьшается; 4) поверхностная аккумуляция является одним из ведущих факторов стока; 5) неравномерное поступление воды в ручейковую сеть вызывает волновое перемещение жидкости (Н.И.Макавеев, А.М.Калинин, 1968 и др.). Волновое перемещение жидкости можно учесть функцией расширения- сужения русела (И.Ф.Карасев, В.В.Коваленко, 1992).

Энергетика и русловые процессы в водотоке формируются на протяжении всего пути его прохождения и видоизменяются по его длине. Причем, путь прохождения воды по склону даже на одном и том же участке исследований от года до года изменяется, так как микрорельеф участка изменяется, изменяются и условия формирования стока (наличие ледяной корки или оттаявшей почвы и т.п.). Поэтому, методической основой измерений стока на склонах являются измерения, как характеристик стока, так и факторов его формирования в нескольких местах по длине склона.

Гидрохимические характеристики склоновых водотоков, как и динамические подвержены изменению по длине склона и изменяются также при изменении природно-климатической ситуации и хозяйственного использования земель. Изменение состава воды по длине склона ведет к изменению ее способности растворять разные соединения. Различают несколько видов агрессивности воды по составу растворителей и по характеру влияния. Интенсивное перемешивание растворов усиливает их растворяющие свойства.

Раздел 2. Методические особенности исследований стока на склонах. Технология проведения наблюдений предусматривает несколько этапов: 1) выбор участка исследований; 2) выбор водотока; 3) разбивка створов по длине водотока; 4) собственно проведение измерений и отбор проб в створах наблюдений; 5) нивелирование участка исследований после прохождения стока. Основные требования к выбору водотока: относительная прямолинейность и отсутствие бокового оттока. В створе наблюдений водотока измеряются следующие характеристики: а) скорость и глубина воды, ширина водотока по урезу воды, уклон водной поверхности, температура воды, отбор проб на мутность и химический состав, б) на линии створа: температура воздуха, температура почвы, глубина оттаивания агрофона, отбор проб на влажность и плотность почвы и гранулометрический и химический состав почвы. При ливнях и дождевании дополнительно определяется количество осадков, выпавшее на момент измерения.

Исследования проводились в следующих природных зонах: Степной и Лесостепной, соответственно в Луганской и Киевской областях, на разных агрофонах и почвенных разностях. Талый сток изучался на черноземе обычном на лессах, песках и мергелях, на мергелях, на черноземе типичном на легком суглинке и серых лесных почвах на лессах на зяби, озими и многолетних травах. Наблюдения за ливневым стоком проводились на черноземе обычном на лессах, песках и мергелях, на мергелях и серых лесных почвах.

В период наблюдений (1996-2003 гг.) условия формирования стока значительно отличались по годам. В весенний период сток формировался как в результате интенсивной солнечной радиации при резких перепадах температур на протяжении суток (1996 г.) так и в результате вторжения теплых воздушных масс с одновременным выпадением осадков (2002 г., 2003 г.). Сток проходил по хорошо промерзшей почве (2003 г.) и по слабо промерзшей (2000 г.). В отдельные годы (1998г., 1999 г.) на протяжении зимнего периода наблюдалось 3 и более оттепели, на протяжении которых успевал сформироваться сток. В летний период сток также формировался в разных условиях: дожди выпадали на влажную уплотненную и не уплотненную почву, на сухую переуплотненную почву и т.п. Всего был замерен сток от 25 дождей. При разных сочетаниях факторов формирования сток был замерен от дождей с количеством осадков 0,4-49,6 мм, интенсивностью выпадения осадков максимальной 0,15-1,73 мм/мин, средней - 0,0138-0,55 мм/мин, продолжительностью 5- 569 мин.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.