5.2. Влияние влажности и глубины промерзания почв

на поверхностный сток талых вод

Влажность почвы и степень ее промерзания, складывающиеся перед началом снеготаяния, способны оказывать существенное влияние на величину поверхностного стока талых вод со склонов. Наряду с дру­гими факторами эти два показателя являются ведущими в определении характеристик весеннего стока. В табл. 1 приведены данные, свидетель­ствующие о возрастании коэффициента весеннего стока с увеличением влажности почвы [8].

О влиянии глубины промерзания почв на сток талых вод можно су­дить по данным НИИ сельского хозяйства ЦЧП им. В.В.Докучаева. Результаты исследований о влиянии кулис из стеблей подсолнечника на снегонакопление, глубину промерзания и сток талых вод приведены в табл. 2 [15]. Они свидетельствуют о том, что с возрастанием глубины промерзания почв одновременно возрастает и коэффициент стока. В естественных условиях эти два фактора действуют одновременно, поэтому необходимо более детально выяснить механизм действия увлажнения и промерзания почв на величину поверхностного стока та­лых вод. В одной из первых работ [12], посвященной изучению этого вопроса, указывается, что мерзлая почва при определенных условиях способна пропускать через себя воду. Показано [11], что в про­цессе замерзания почвы происходит передвижение воды из нижних ее слоев в верхние в виде паров. О характере передвижения влаги из ниж­них слоев почвы в верхние в естественных условиях можно судить на основании исследований, выполненных Аксеновым [1] по табл. 3.

Из этих данных видно, что в период с поздней осени до начала сто­ка происходит дополнительное увлажнение верхнего слоя почв. При этом в процессе промерзания почвы влажность пахотного слоя (0-20 см) почв значительно превышает предельную полевую и полную влагоемкость почвы. Режимные наблюдения за температурой и влаж­ностью черноземных почв в Стрелецкой степи и на Курской сельскохо­зяйственной опытной станции, проведенные автором в 1968-1970 гг. [4, 6], также свидетельствуют о миграции воды из нижних слоев почвы в верхние при ее промерзании и накоплении большого количества воды в самых верхних слоях почвы. Это дает основание полагать, что в опре­делении объема стока талых вод решающее значение приобретает влаж­ность пахотного слоя мерзлых почв. Изложенное также свидетельст­вует о неразрывности единого процесса обмена между массой вещества и энергией.

Табл. 1. Коэффициент весеннего стока в зависимости от влажности почвы

Вариант	Слабое ув­лажнение	Нормальное увлажнение	Увлажнение до НВ
Зябь безотвальная Пар чистый Многолетние травы	0,29 0,54 0,77	0,32 0,73 0,71	0,71 1,00 0,98

Табл. 2. Влияние кулис на снегонакопление, промерзание почв и сток талых вод

Вариант	Запас воды в снеге, мм	Глубина про­мерзания, см	Сток, %	Впиталось воды, мм
Без кулис Кулисы однострочные Кулисы трехстрочные	133 224 379	60 20 3	70 46 0,1	73 121 378

Табл. 3. Динамика изменения влажности черноземных почв, %

Глубина, см	Уход в зиму	Перед стоком	После стока	нВ	Полная влагоемкость
0—5	10,7	59,2	29,1	32,0	48
5—10	12,4	55,9	33,5	31,1	47
10—20	13,0	32,4	38,1	30,1	45
20—30	13.5	26,2	30,9	29,5	49
30—40	14,4	23,1	31,4	29,1	51
40—50	14,9	19,4	31,8	28,7	55

Замерзшая переувлажненная почва весной до ее оттаивания являет­ся абсолютным водоупором, в то время как структурная почва, замерз­шая при средних степенях увлажнения, обладает заметной водопрони­цаемостью. Весной 1972 г. в колхозе им. Дзержинского Курского райо­на Курской обл. на темно-серых лесных почвах среднесуглинистого ме­ханического состава мы определяли водопроницаемость именно такой мерзлой почвы. В наших опытах она колебалась в пределах 0,02-0,04 мм/мин. Водопроницаемость мерзлых почв при повышении степени их увлажнения резко снижается, а при определенных значениях влаж­ности и температуры почвы равна нулю. Г.П. Сурмач [9] отмечает, что при замерзании влажной почвы вода под действием капиллярных сил под­тягивается к замерзающему слою и скапливается в верхнем горизонте мощностью до 20-40 см. При этом кристаллы льда заполняют почвен­ные породы, в результате чего почва становится частично или пол­ностью сцементированной, в зависимости от ее влажности и сложения, теряет способность впитывать воду в период снеготаяния. Им также установлена зависимость изменения плотности почвы (Р) от ее влаж­ности (У):

Р = -0,739У+1,29. (1)

Интересны эксперименты, показывающие, что при плотности почвы 0,92 г/см³, и влажности, соответствующей ВЗ и ВРК, водопроницаемость мерзлого чернозема в среднем за 3 ч снизилась по сравнению с талым в 3-3,5 раза, а при наименьшей влагоемкости в 17 раз [14]. При плот­ности 1,10 г/см³ водопроницаемость мерзлой почвы по сравнению с та­лой снизилась при ВЗ в 1,5, при ВРК -–7 раз, при НВ фильтрация мерзлой почвы (0,03 мм/мин) наблюдалась только в 1-й ч опыта. Ис­следуя водопроницаемость мерзлых почв, Цыкин [10] отмечал, что ос­новными параметрами их водопроницаемости являются пористость и температура.

Можно совершенно определенно отметить, что водопроницаемость почвы и потери талых вод со склонов, при прочих рав­ных условиях определяются содержанием влаги в верхнем слое почвы перед началом снеготаяния, степенью их промерзания и плотностью верхнего слоя почвы. Так как плотность верхнего слоя почвы, нахо­дящейся в мерзлом состоянии, изменяется в зависимости от степени ее промерзания и увлажнения, то эти два фактора являются определяющими в формировании весеннего стока. Несомненно, что на величину поверхностного склонового стока оказывают влияние и другие факто­ры – снегонакопление и снегораспределение, формирование ледяной корки, продолжительность снеготаяния, уклон, форма склона, экспози­ция, характер подстилающей поверхности и т.д. Каждый из них носит самостоятельный характер и заслуживает специального рассмотрения.

По материалам наблюдений стоковых станций на малых распахивае­мых водосборах степной и лесостепной зоны Украины И.С. Шпаком [13] уста­новлена графическая зависимость коэффициента стока талых вод от влажности верхнего 10-сантиметрового слоя различных почв, глубины их промерзания и степени распространения ледяной корки на водосбо­ре. Степень увлажнения почвы выражалась относительным дефици­том, представляющим собой отношение разности между величиной пол­ной влагоемкости и фактической влажностью к разности между значе­ниями полной влагоемкости и влажности завядания. Во всех случаях при относительном дефиците влажности почвы менее 67% коэффициент стока, независимо от глубины промерзания почвы, был близок к нулю, что еще раз указывает на особо важную роль влажности верхнего слоя почвы в формировании поверхностного стока талых вод. Исследуя ха­рактер зависимости потерь талых вод от промерзания и влажности почвы, В.К. Рязанцев [7] пришел к противоположному выводу о том, что во­допроницаемость мерзлых почв зависит в большей мере от глубины их промерзания. По нашему мнению, автор сделал такой вывод потому, что за критерий увлажнения почв он принял запасы влаги в метровом слое почвы. Если бы автор подошел к изучению влияния влажности почвы на сток талых вод дифференцированно (послойно), то он мог бы прийти к другому выводу, так как при одних и тех же запасах вла­ги в метровом слое почвы при ее промерзании влага передвигается из нижних слоев в верхние. Это очень важное явление в исследованиях В.К. Рязанцева осталось неучтенным.

В отношении количественной оценки влияния влажности почв и их промерзания на сток талых вод особый интерес представляют исследо­вания Н.А.Бажина и К.К.Павловой [З]. Они за интегральный показатель потерь талого стока приняли выражение

φ = 0,13 В^0,29, (2)

где φ – коэффициент стока весеннего половодья;

• з апас влаги (мм) в начале весеннего паводка в слое 0-20 см;

Н_пр – глубина промерзания почвы в предвесенний период, см.

Корреляционное отношение зависимости (2) составляет 0,87 при вероятной ошибке 0,057. В этой зависимости положительным моментом является одновременный учет двух факторов – влажности и промерзания почв в предвесенний период. Недостаток заключается в том, что она не учитывает влияния агрофона. Нам представляется, что эта зависимость будет различной на зяби и многолетних травах, озимых и т.д. Особенно важно знать характер подобной зависимости на зяби, так как определение потерь талых вод на зяби неразрывно связано с интенсивностью весеннего смыва почв со склонов, где она проявляется в наибольшей мере.

Исходя из этого, нами на основании изучения материалов наблюде­ний гидрометеорологической обсерватории «Каменная степь» и Нижнедевицкой водобалансовой станции установлена зависимость потерь та­лых вод на зяби тяжелосуглинистых черноземных почв, имеющая сле­дующее аналитическое выражение:

ln φ = -3,553 + 0,042 K_уп , (3)

где φ – коэффициент стока талых вод на зяби черноземных тяжелосуг­линистых почв ЦЧО; K_уп = 0,0003 В² · Н_пр – интегральный гидрометеоро­логический показатель, учитывающий степень увлажнения и промерзания почв в предвесенний период; В – средняя влажность пахотного слоя почв (0-20 см) на водосборной площади, об. %; Н_пр – средняя глубина промерзания почв на водосборной площади, см.

Зависимость (3) можно записать в таком виде:

ln φ = -3,553 + 0,126 В² · Н_пр ·10^-4. (4)

Аналитические зависимости (3) и (4) установлены по экспериментальным данным (табл. 4) с помощью ЭВМ. Графическая зависимость между интегральным гидрометеорологическим показателем и коэффициентом весеннего стока на зяби черноземных почв представлена на рис. 1. Корреляционное отношение зависимостей (3) и (4) со­ставляет 0,915 при вероятной ошибке 0,048. Они могут быть использо­ваны для прогнозирования потерь талых вод с малых водосборов на зяби тяжелосуглинистых черноземных почв для условий конкретного года, исходя из запасов воды в снеге перед началом снеготаяния.

Расчеты, выполненные по формулам (2) и (3) для одинаковых усло­вий, показывают, что они существенно отличаются друг от друга. Пока­затель коэффициента стока, рассчитанный по нашей формуле при усло­вии В = 29% и Н_пр = 68 см, в 10 раз ниже значений аналогичного пока­зателя, рассчитанного по формуле Н.А.Бажина и К.К. Павловой. Это еще раз свидетельствует о необходимости учета агрофонов, создающих различ­ные условия снегонакопления, гидротермического режима почв и стока талых вод; необходим дифференцированный подход к оценке потерь талых вод со склонов с учетом, если не всех, то хотя бы основных факторов.

На рис. 2 показана зависимость между интегральным гидрометеоро­логическим показателем и слоем стока талых вод (m) на зяби тяжело­суглинистых черноземных почв, которая аппроксимируется аналитиче­ским выражением вида

ln m = 1,512 + 0,029 К_yп . (5)

Зависимость (5) можно записать и таким образом:

ln т = 1,512 + 0,87 В² · Н_пр 10^-5. (6)

Следует, однако, заметить, что зависимости (5) и (6) менее надеж­ны, чем зависимости (3) и (4). Корреляционное отношение зависимостей (5) и (6) составляет 0,68 при вероятной ошибке 0,075, поэтому их следует считать весьма приближенными.

Установленные зависимости носят региональный характер и право­мерны для поверхностного склонового стока талых вод с зяби тяжело­суглинистых черноземов. Физическая сущность их состоит в том, что в них не только учитывается одновременное влияние влажности почв и глубины их промерзания на сток талых вод, но и отражается способ­ность мерзлых почв пропускать через себя влагу, причем тем больше, чем меньше влажность верхнего слоя почв и глубина их промерзания в предвесенний период. Они помогают лучше понять явление, когда про­исходит поверхностный сток воды со склонов при отсутствии на поверх­ности почвы снежного покрова и выпадения атмосферных осадков.

Если перед началом снеготаяния почвы находятся в талом состоя­нии, то даже при условии полного насыщения их водой они способны профильтровать через себя за период снеготаяния практически любые запасы воды в снеге. Даже при минимальной скорости фильтрации чер­ноземных почв, равной 0,3 мм/мин [2], эти почвы способны профильт­ровать через себя в течение суток 432 мм талой воды. Именно поэтому в отдельные годы, несмотря на большие запасы воды в снеге, не наблю­дается поверхностного склонового стока талых вод; сток в этом случае может быть при условии, если скорость снеготаяния (интенсивность водоотдачи) будет превышать скорость фильтрации почв.

В обработке первичного материала принимала участие В.А.Головина.

Выполнен огромный объем работы с целью установления зависимости между интегральным гидрометеорологическим показате­лем и интенсивностью смыва почв. Апробация многочисленных подхо­дов показала, что ни один из них не позволяет говорить о наличии между ними более или менее приемлемой связи. И все же есть основания полагать, что влажность почв и глубина их промерзания в предве­сенний период оказывают определенное влияние на величину смыва почв со склонов; характер этого влияния в данном случае завуалирован дру­гими обстоятельствами. Дело в том, что показатель смыва почв по своей природе более сложный параметр, чем показатель поверхностного стока талых вод.

Величина смыва почв с водосборной площади зависит не только от количества стекающей с нее воды, но также в значительной степени от скорости движения воды по склону, уклона, длины линии стока, формы и экспозиции склона, свойств самой почвы и т.д. Все это, вместе взятое, а также процессы аккумуляции, происходящие на водо­сборной площади, не позволили вычленить влияние влажности и глуби­ны промерзания почв на величину ее смыва. Еще одна причина заклю­чается в методике изучения стока наносов, которая позволяет определять только практически устойчиво взвешенные частицы почв и поэтому дает заниженные показатели смыва.

Поскольку в формуле расчета интенсивности смыва почв с пахот­ных склонов [5] последняя находится в прямой зависимости от величи­ны стока талых вод, то в расчетах применительно к местным условиям конкретного года целесообразно ввести в формулу относительный коэф­фициент (К_гм), который учитывал бы влияние степени увлажнения па­хотного слоя почв и глубины их промерзания в предвесенний период на величину поверхностного стока талых вод. Относительный гидрометео­рологический коэффициент (К_гм) определяется отношением

(7)

где (φ – коэффициент стока применительно к условиям конкретного года и места, рассчитанный по зависимости (3) или (4); φ – средне-многолетний коэффициент стока для данного пункта, рассчитанный по этой же зависимости.

Физическая сущность этого коэффициента состоит в том, что с его помощью представляется возможным характеризовать отклонения сто­ка талых вод в конкретном году от его среднемноголетних значений для данного пункта, а по запасам воды в снеге, влажности и глубине промерзания почв в предвесенний период прогнозировать величину по­верхностного стока талых вод со склонов. Его можно также использо­вать в расчетах интенсивности смыва почв со склонов в целях его прог­нозирования применительно к условиям конкретного года.

Таким образом, выполненные исследования позволяют более полно познать природу весеннего стока талых вод и механизм смыва почв со склонов. Установленные зависимости величины стока талых вод от влажности и глубины промерзания почв в предвесенний период могут быть использованы в прогнозирование поверхностного стока и в решении целого ряда решении практических задач.