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:     | 1 || 3 |

Заиление прудов и водохранилищ как элементов эрозионно-русловых систем в агроландшафтах центрально-черноземного региона

-- [ Страница 2 ] --

Анализ результатов определения количества органического вещества позволяют утверждать, что основным источником заиления прудов и водохранилищ в условиях лесостепи и степи ЦЧР является смыв с их распаханных водосборов.

В донных отложениях обследованных прудов и водохранилищ содержатся вещества органического происхождения в количестве, близком к их содержанию в почвах прилегающих водосборов. Такое количество органики не может образоваться в результате только внутренней жизни водоемов, а поступает в них вместе с эрозионным материалом с водосборов.


2. Функционирование и эффективное использование прудов и водохранилищ Центрального Черноземья зависят от функционирования эрозионно-русловой системы, частью которой они являются.

Рис. 2. Функциональная схема заиления искусственного водоема

Методологической основой нашей концепции является предложенное Н.И. Маккавеевым понятие об эрозионно-русловой системе. Так как водосборы прудов и водохранилищ служат источником эрозионного материала, а сами водоемы его аккумулируют, поэтому они являются элементами ЭРС.

В результате проведения полевых исследований установлено, что значительная часть обследованных прудов и водохранилищ заилена и не выполняет своего проектного назначения. Чтобы лучше понять процесс поступления продуктов смыва с пашни в чашу водоема, мы разработали и используем схему заиления искусственного водоема (рис. 2). Схема показывает пути поступления продуктов почвенной эрозии со склонов в искусственные водоемы, их накопление и последующую трансформацию в илистые донные отложения. Пруды и водохранилища в эрозионно-русловой системе выступают аккумуляторами наносов.

Многочисленными исследованиями установлено, что по сравнению с территориями, занятыми под пахотные угодья, залуженные и залесенные территории, а также нижерасположенные звенья гидрографической сети, представленные оврагами, балками, долинами рек, ручьями и их руслами, дают в сумме незначительное количество эрозионного материала.

Зная интенсивность эрозии на пашне, мы можем рассчитать интенсивность заиления прудов и водохранилищ. Многочисленные данные позволяют оценить склоновый смыв с различных сельскохозяйственных угодий. Менее изучен процесс транспорта этого эрозионного материала по залуженным склонам и в элементах гидрографической сети. Но очевидно, что эти элементы ЭРС также играют важную роль в заилении искусственных водоемов.

3. Методика расчета поступления эрозионного материала с водосборов прудов и водохранилищ по формулам склонового смыва для пахотных угодий с применением коэффициентов доставки наносов в верхних звеньях гидрографической сети.

По разработанным различными авторами зависимостям трудно составить представление о роли отдельных факторов в заилении прудов и водохранилищ. В частности, на большинстве малых рек и временных балочных водотоках ЦЧР никто никогда не изучал твердый сток наносов и мутность воды. А без этой информации невозможно производство расчетов по большинству существующих методик. По нашему мнению, для расчета заиления прудов и водохранилищ более рационально применять методы, учитывающие смыв с пашни. Структура такого подхода предусматривает следующие блоки:

При анализе и обработке данных по заилению 59 прудов и водохранилищ ЦЧР нами было введено новое понятие – эрозионный водосбор искусственного водоема (рис. 3). Известно, что пруды и водохранилища в Центральном Черноземье располагаются часто не одиночно, а в виде сложных каскадов на одном и том же элементе гидрографической сети. Пруды и водохранилища, расположенные выше в гидрографической сети, перехватывают сток наносов, в то время как водоемы, расположенные ниже, его почти не получают с этой верхней части водосбора. Данное обстоятельство позволяет нам рассматривать собственную водосборную площадь пруда или водохранилища, находящегося в каскаде из системы искусственных водоемов, без учета площади водосбора водоемов, расположенных выше и ниже по течению, как эрозионный водосбор (рис. 3).

 Схема расположения стоковых и эрозионных водосборов в каскадах прудов и-3

Рис. 3. Схема расположения стоковых и эрозионных водосборов в каскадах прудов и водохранилищ

Условные обозначения: А – верхний в каскаде искусственный водоем; Б – нижний в каскаде искусственный водоем; 1 – стоковый и эрозионный водосборы для верхнего водоема; 1+2 – стоковый водосбор для нижнего водоема; 2 – эрозионный водосбор для нижнего водоема; 3 – водотоки

Анализ методов расчета поставки эрозионного материала со склонов в гидрографическую сеть по формулам склонового смыва показал, что для расчета заиления прудов и водохранилищ в условиях Центрального Черноземья наиболее приемлемой является методика расчета смыва почвы с пахотных угодий, разработанная в лаборатории гидрологии ВНИИЗиЗПЭ РАСХН под руководством В.П. Герасименко и М.В. Кумани. По этой методике производился расчет весеннего смыва почвы со склонов прудов и водохранилищ (Мт, т/га) по формуле:

Мт = Мср L sin() S Кэ Кп (1)

где – коэффициент, зависящий от степени увлажнения территории; Мср – зональный средний многолетний смыв почвы с зяби или с уплотненной пашни (т/га); L – расстояние от водораздела до створа для которого определяется смыв почвы (м); – уклон склона в градусах на расстоянии L м от водораздела; – коэффициент, учитывающий влияние на смыв профиля склона; S – показатель, характеризующий влияние на эрозию типа (подтипа) почвы; – коэффициент, отражающий влияние на эрозионные процессы степени эродированности пашни; Кэ – коэффициент, показывающий воздействие на смыв экспозиции склона; Кп – коэффициент снижения смыва применяемыми почвозащитными агротехническими или гидромелиоративными приемами на пашне.

Средняя многолетняя интенсивность ливневой эрозии (Мл, т/га) на склонах прудов и водохранилищ оценивалась по формуле:



Мл = i L sin() S A Кп (2)

где i – 30-минутная интенсивность ливней 50%-ой обеспеченности (мм/мин); А – параметр, зависящий от вида агрофона в вегетационный период. Значения других показателей формулы (2) аналогичны применяемым в формуле (1).

На основе данных, полученных по формулам (1) и (2) вычисляется средневзвешенный средний многолетний весенний и ливневой смыв почвы в севообороте с учетом площадей возделываемых культур и агрофонов. При расчетах смыва почвы со склонов искусственных водоемов за основу нами был взят усредненный стандартный четырехпольный севооборот, применяемый большинством сельхозпроизводителей в ЦЧР. Он представлен озимыми зерновыми, пропашными, яровыми зерновыми и чистым паром.

Рассчитанный по формулам среднегодовой эрозионный смыв почвы был перемножен на время существования искусственных водоемов и получен усредненный расчетный объем эрозионного материала, смытого с пахотных склонов эрозионного водосбора каждого искусственного водоема за время его существования (рис. 4).

 Связь фактического заиления и расчетного склонового эрозионного смыва со-4Рис. 4. Связь фактического заиления и расчетного склонового эрозионного смыва со склонов обследованных водоемов за период эксплуатации

При сравнении расчетного склонового эрозионного смыва с фактическим заилением, определенным по промерам глубин тех же самых искусственных водоемов, точность связи получилась недостаточная (R =0,80) (рис. 4.). При анализе связи мы пришли к выводу, что в гидрографической сети происходит русловая аккумуляция части смытого материала. Поэтому необходимо каким-то образом учесть, какая часть эрозионного материала достигает чаши искусственных водоемов и приводит к их заилению. Для учета этого процесса В.Н. Голосовым были предложены коэффициенты доставки наносов.

Для наших расчетов мы использовали зависимость коэффициента доставки наносов от размера площади водосбора, предложенную В.Н. Голосовым для водосборов-накопителей. Обследованные нами пруды и водохранилища по существу ими и являются, так как сброс воды через паводковые водосбросы непродолжителен по времени и происходит в основном во время весеннего половодья путем поверхностного перелива через водопропускные сооружения. Значения коэффициента доставки можно снимать с линии связи на диаграмме, построенной В.Н. Голосовым, или производить расчет по аппроксимирующей ее формуле. Зависимость коэффициента доставки наносов от размеров эрозионной площади водосбора представлена на рис. 5.

 Связь фактического заиления и расчетного склонового эрозионного смыва со-5Рис. 5. Связь фактического заиления и расчетного склонового эрозионного смыва со склонов обследованных водоемов за период эксплуатации с учетом коэффициента доставки

Далее, при производстве расчетов мы умножали среднемноголетний склоновый эрозионный смыв со склонов эрозионного водосбора пруда или водохранилища на коэффициент доставки наносов, то есть использовали зависимость:

Wз = (Мт`+Мл`) N Кд, (3)

где Wз – объем заиления водоема за период эксплуатации, м3; Мт` – средний многолетний весенний смыв почвы с эрозионного водосбора, т/га; Мл` – средний многолетний ливневой смыв почвы с эрозионного водосбора, т/га; N – продолжительность эксплуатации водоема, лет; Кд – коэффициент доставки.

При производстве расчетов заиления обследованных прудов и водохранилищ мы сравнивали рассчитанный по формулам В.П. Герасименко-М.В. Кумани объем эрозионного материала, смытого с их склонов, с фактическим заилением, определенным по промерам тех же самых искусственных водоемов. По результатам определения фактического заиления и расчетов склонового эрозионного смыва была построена связь между фактическим объемом заиления (Wф) и расчетным склоновым смывом (Wз) (рис. 5).

В результате было получено регрессионное уравнение вида:

Wф = 0,9397 * Wз * Кд (4)

где Wф – фактическое заиление; Wз – расчетное значение склонового эрозионного смыва, Кд – коэффициент доставки.

Анализ рис. 5 показывает, что разработанный метод дает хорошие результаты. Коэффициент корреляции Wз и Wф составляет 0,90. Наблюдаемый в верхней части диаграммы разброс точек объясняется тем, что при увеличении площади водосбора увеличивается возможность ошибки при расчете транспорта эрозионного материала, так как появляется много факторов, которые трудно точно учесть. Поэтому данный метод расчета заиления чаш прудов и водохранилищ дает наиболее точные значения при размерах площади эрозионного водосбора до 100 км2.

Мы сравнили точность произведенных нами расчетов заиления обследованных прудов и водохранилищ, с расчетами по методам, предложенными другими специалистами и лабораториями. Для этого были проведены расчеты заиления тех же самых прудов и водохранилищ по «Указаниям по расчету заиления при строительном проектировании» и по методу И.А. Кузника. Оказалось, что среднее квадратичное отклонение рассчитанных объемов заиления искусственных водоемов по методу, предложенному «Указаниями» составляет 66%, по методу И.А. Кузника – 82%. По предложенному нами методу средняя квадратичная погрешность расчетов составляет 39%, что гораздо ниже.


4. Алгоритм и результаты моделирования процессов заиления прудов и водохранилищ с целью управления этим процессом.

Кроме определения объема поступающего в чаши искусственных водоемов эрозионного материала важно знать характер его распределения по акватории. Поэтому мы решили провести моделирование процесса заиления некоторых из обследованных нами искусственных водоемов.

Основу методики моделирования составляет разработанная В.П. Бондаревым модель для прогноза эволюции старичных озер. Уравнение седиментации В.П. Бондарева имеет вид:

h = hmax –(hmax –h0)e–kt (5)

где h – глубина воды; h0 – начальная глубина воды в момент времени t = 0; hmax – глубина воды в момент времени t ; k – постоянная; t – время.





Для проведения моделирования заиления прудов и водохранилищ нами был принят ряд допущений. Мы считаем, что в весенний период объем чаш прудов и водохранилищ намного меньше объема весеннего половодья. Поэтому во время половодья чаши искусственных водоемов полностью заполняются водой вместе с принесенными с водосборов наносами. Искусственные водоемы с глухой плотиной, без каких-либо пропускных сооружений часто наполняются водой до бровки плотины с последующим ее переливом в нижний бьеф. На прудах и водохранилищах, имеющих паводковые водосбросы, излишек воды сбрасывается через них в нижний бьеф. Во время половодья застойные зоны в акватории искусственных водоемов отсутствуют, взвешенные в воде частицы наносов равномерно распределяются по глубине, ширине и длине водоемов. В течение последующего периода происходит плавное осаждение поступивших наносов на дно. Большее количество наносов оседает в тех местах, где водная толща больше, так как, чем толще слой воды, тем большее количество взвешенных частиц в нем содержится. Проведенная работа по определению мощности иловых отложений подтверждает данное предположение (рис. 6).

 Поперечный створ водохранилища на руч. Боровка в 50 м выше плотины На рис. 6-6

Рис. 6. Поперечный створ водохранилища на руч. Боровка в 50 м выше плотины

На рис. 6 видно, что в чаше водохранилища на ручье Боровка, в его наиболее глубоководной части у плотины отложился трехметровый слой седиментов. В то время, как в верховье того же самого водоема и в его периферической мелководной прибрежной зоне, то есть там, где глубины минимальные, за тот же период эксплуатации слой отложившихся седиментов составил не более 1,2 м. Аналогичные результаты нами получены для большинства обследованных водоемов.

Построенные нами зависимости толщины наилка от начальной глубины акватории прудов и водохранилищ наглядно демонстрируют, что хотя и наблюдается некоторое смещение и переотложение оседающих на дно минеральных частиц, процесс их осаждения не прекращается, и сброс осевших на дно частиц в нижний бьеф практически не происходит (рис. 7, 8).

В основу моделирования заиления искусственных водоемов нами положены зависимости толщины наилка от глубины участка водоема. При обработке полученных результатов по каждому конкретному искусственному водоему становится очевидно, что для маленьких прудов с простой конфигурацией береговой линии достаточно построение одной зависимости интенсивности заиления от глубины. В то время как для больших прудов и водохранилищ сложной конфигурации, разделенных дамбами путепроводов, принимающих в себя крупные овраги и балки с конусами выноса, необходимо выделение нескольких участков. Для каждого участка строится своя зависимость интенсивности заиления от глубины водоема.

 Зависимость мощности наилка от начальной глубины в створе № 4 для-7

Рис. 7. Зависимость мощности наилка от начальной глубины в створе № 4 для водохранилища на руч. Боровка

 Зависимость мощности наилка от начальной глубины в створе № 1 для-8

Рис. 8. Зависимость мощности наилка от начальной глубины в створе № 1 для водохранилища на руч. Олешня

Для расчета интенсивности заиления искусственных водоемов за период от их сооружения до момента проведения замеров толщины наилка, нами были рассчитаны регрессионные уравнения вида:

H = ah0 + b (6)

и

H = a1h02 + b1h0 (7)

где H – толщина слоя донных отложений водоема за расчетный период (м); h0 – начальная глубина водоема в расчетной точке (м); a, a1, b и b1 – безразмерные параметры уравнения, которые зависят от условий осадконакопления в акватории водоема.

Эти эмпирические уравнения были рассчитаны на основании проведенных промеров глубин и толщины накопившегося наилка в прудах и водохранилищах. Проанализировав особенности распределения наносов в чашах водоемов, мы пришли к выводу, что для одних створов характер распределения наносов может быть описан линейной зависимостью, для других – квадратичной (рис. 7,8). Например, процесс заиления в створе на рис. 7 может быть описан линейной зависимостью. Уравнение связи для данного створа имеет вид:

H = 0,4062h0+1,8692 (8)

Для створа на рис. 8 процесс заиления лучше характеризуется квадратичной зависимостью, которая описывается уравнением:

H = 0,0007 h02+0,0545 h0 (9)

Точность построенных нами зависимостей может быть проверена величиной достоверности аппроксимации и значением коэффициента корреляции R. Для зависимости на рис. 7 R = 0,94; для зависимости на рис. 8 R = 0,90. Высокие значения коэффициента корреляции свидетельствуют о том, что наши предположения верны, между глубиной и мощностью наилка обнаруживается тесная связь.

Можно использовать и единую зависимость H = f(h0) для всего водоема. Это упрощает расчеты, но несколько снижает их точность. Такая обобщенная зависимость для всех участков моделируемого искусственного водоема представлена на рис. 9 для водохранилища на руч. Боровка.

 Зависимость мощности наилка от начальной глубины (для всех створов) для-9

Рис. 9. Зависимость мощности наилка от начальной глубины (для всех створов) для водохранилища на руч. Боровка

На рис. 9 видно, что для обобщенной зависимости для водохранилища на руч. Боровка по всем створам используется линейное уравнение вида:

H = 0,5459 h0 (10)

Коэффициент корреляции зависимости составляет 0,92 вместо 0,94-0,97 для отдельных створов. Это показывает хотя и меньшую точность расчетов, но вполне приемлемую в данном случае.

Построенные нами связи начальной глубины с мощностью отложившихся на дне искусственных водоемов наносов хорошо описывают процесс заиления, что подтверждается высоким коэффициентом корреляции. Поэтому мы использовали их для расчетов толщины наилка по всей акватории с помощью ГИС-технологий.

Для моделирования процесса заиления были выбраны шесть искусственных водоемов в Курской области: водохранилища на реке Чернь и ручье Рясник в Железногорской районе, на ручье Бычок в Фатежской районе, два каскадных водохранилища на ручье Олешня в Суджанском районе, и на ручье Боровка в Горшеченском районе.

Рис. 10. Современная расчетная поверхность дна водохранилища на руч. Рясник (через 39 лет после заполнения) (А). Современная фактическая поверхность дна водохранилища на руч. Рясник (через 39 лет после заполнения) (Б). В легенде слева – расстояние от плотины (м), справа – шкала глубин (м)



Pages:     | 1 || 3 |
 

Похожие работы:







 
© 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.