УДК 626

УДК 626.86
УЧЕТ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ПРИ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ВОДОРЕГУЛИРОВАНИЯ ОСУШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ С РАЗВИТЫМ РЕЛЬЕФОМ
А.Н. Рокочинский – д-р техн. наук, проф.; Р.Н. Коптюк – ассистент
Национальный университет водного хозяйства и природопользования,
г. Ровно, Украина
Рассмотрены методические подходы к определению величины поверхностного стока
при оценке эффективности водорегулирования осушаемых земель с развитым рельефом
на основе водобалансовых расчетов.
The methodical going is considered near determination of size of superficial flow at the
estimation of efficiency of adjusting of the water mode of the drained earths with the developed
relief on the basis of calculations of water balance
Как показала практика, учет в недостаточной степени неравномерности рельефа в
существующих методах проектирования и расчета мелиоративных систем является одной
из главных причин недостижения проектной эффективности мелиорации земель с
развитым рельефом местности.
В развитие исследований, проведенных в Украине в зоне избыточного и
неустойчивого увлажнения учеными ИГиМ УААН и кафедры гидромелиораций НУВХП в
50-70 гг. прошлого века, сегодня разработаны на основе компьютерных и
информационных технологий современные научные принципы, методы и модели
оптимизации технических и технологических решений по водорегулированию осушаемых
земель при строительстве, реконструкции и эксплуатации мелиоративных объектов,
которые эффективно работают при малых (до 0,0005) уклонах рельефа местности [1…4].
Характерной особенностью осушаемых земель с развитым рельефом местности
является существенная неравномерность формирования водного режима ввиду
образования поверхностного стока и неравномерности режима грунтовых вод по площади
осушаемого массива. Поэтому, если в существующей методике при оценке изменений
баланса продуктивных запасов влаги в расчетном слое почвы (РСП) режим уровня
грунтовых вод (УГВ) выступает как фон, то при реализации такой модели с учетом
рельефа местности обязательным условием выступает необходимость учета величины
поверхностного стока, образующегося в результате выпадения осадков, и расчет баланса
грунтовых вод, который существенно изменяется при различных технологиях
водорегулирования осушаемых земель из-за существенных отличий в их уровенном
режиме.
Традиционно сток на дренируемых территориях рассматривается как состоящий из
дренажного и поверхностного. В условиях равнинного и слаборазвитого рельефа
суммарный поверхностный сток на дренируемых территориях обычно незначительный и
составляет в среднем 10...15% от общего стока [5]. На землях с холмистым рельефом он
значительно больше.
Поверхностный сток наблюдается в период весеннего наводнения и зимних
оттепелей, а также во время летних паводков. Поэтому необходимо отдельно
рассматривать поверхностный сток талых вод и поверхностный сток ливневых осадков,
поскольку условия их образования имеют значительные принципиальные отличия.
Коэффициент поверхностного стока талых вод со склонов значительно больше чем
среднее его значение в пределах бассейна. Сток со склонов, как правило, перехватывается
нагорно-ловчими каналами осушительных систем или попадает на низинные формы
рельефа, осушаемые гончарным дренажом. Поэтому часть поверхностного стока талых
вод через щели в мерзлой почве проникает в дрены и образует дренажный сток.
В большинстве случаев критическим периодом для осушительных систем считается
весна. В это время осушительные системы должны не только вовремя отвести
поверхностные талые воды, но и обеспечить к началу полевых работ требуемое снижение
УГВ до нормы осушения. Однако для условий расчетного года при наличии изменчивого
рельефа нельзя не учитывать поверхностный сток, который формируется после выпадения
обильных осадков в пределах вегетации выращиваемых сельскохозяйственных культур.
Как показали исследования и накопленный опыт эксплуатации мелиоративных
систем в условиях развитого рельефа местности, на формирование поверхностного стока
влияет значительное количество факторов, которые относятся как к природным, так и к
техногенным, что отмечалось многими авторами (А.Н. Костяков, С.Ф. Аверьянов, А.Н.
Бефани, А.М. Янголь, З.Б. Киндерис и др.).
К основным природным факторам относят: гранулометрический
состав и
водопроницаемость почв, степень их увлажнения, крутизну и длину склонов,
растительный покров, метеорологические условия, степень залесенности и распаханности
территории, пору года, наличие понижений, болот и др. Кроме того, на формирование
поверхностного стока существенно влияют такие антропогенные факторы:
агромелиорация и гидромелиоративные мероприятия, обработка поверхности почвы и
возделование сельскохозяйственных культур. Такое наличие множественного числа
факторов различной природы происхождения, влияющих на формирование
поверхностного стока, определяет необходимость рассматривать его как сложное явление
и значительно усложняет точное определение его величины для использования в
прогнозно-оптимизацонных расчетах при проектировании нового строительства,
реконструкции и эксплуатации мелиоративных систем.
Многочисленными наблюдениями и исследованиями установлено, что в условиях
развитого рельефа местности поверхностный сток, который образуется при выпадении
осадков, сначала возрастает до некоторого максимума, а затем постепенно уменьшается
и в последствии затухает окончательно [5…8 и др.]. Таким образом, гидрограф
формирования поверхностного стока в общем случае представляет собой график,
описывающий характер изменения расходов воды Q в разные периоды времени t
(рисунок).
В начальный период выпадения осадков после
завершения
процесса
перехвата
влаги
растительным покровом капли дождя попадают на
поверхность почвы. В этот момент при наличии
свободной аккумулирующей емкости происходит
быстрое насыщение почвы влагой с последующим
поглощением воды и перераспределением влаги в
тонком
слое
поверхности
почвы.
Инфильтрационная способность почвы в этот
Гидрография поверхностного стока
начальный момент слишком большая и, как
правило, превышает интенсивность
дождя. До тех пор, пока влажность поверхности остается меньше влажности насыщения,
скорость поглощения воды определяется интенсивностью дождя и поверхностный сток
возникнуть не может. При последующем выпадении осадков или увеличении их
интенсивности верхний слой почвы напитывается влагой до полной влагоемкости и
создаются условия для возникновения поверхностного стока за счет превышения
интенсивности дождя над поглощающей способностью почвы. При длительном
выпадении осадков на сильно увлажненную почву процесс приобретает стационарный
характер, определяемый соотношением интенсивности дождя и коэффициентом
влагопроводности насыщенного слоя почвы [6].
Согласно [7], в зависимости от метода положенного в основу, определение величины
поверхностного стока осуществляется по эмпирическим, объемным формулами и
формулам предельной интенсивности.
В мелиорации земель водный режим и факторы, которые определяющие влияют на
него, традиционно выполняются на основе водобалансового метода.
Поэтому эффективные осадки в водобалансовых расчетах по формуле А.М. Янголя
определяются как:
N е  101  s hр  10kв hр ,
(1)
(2)
kв 1  s ,
3
где
10 – переводной коэффициент от слоя осадков в мм к объему воды, м /га;
h р – расчетные осадки за вегетационный период, мм; s– коэффициент стока; kв –
коэффициент использования осадков (для зоны Полесья и Лесостепи Украины
принимается в зависимости от обеспеченности осадками: для среднего года (50%-й
обеспеченности) – 0,65, для сухого (75%) – 0,7, для очень сухого года (90%) – 0,8).
По А.Н. Костякову, коэффициент стока является фактором, который характеризует
водосборную площадь, и определяется по формуле
 1  ,
(3)
где  – коэффициент насыщения почвы водой и задержания ее на поверхности
водосбора, оцениваемый в долях от общего объема осадков.
Поэтому для определения коэффициента стока А.Н. Костяков предложил
следующую зависимость
1 
k
k l
  1  0 t 1   1  0   .
(4)
p
p v
где k0 – средний слой воды, который впитывается в почву и задерживается на
поверхности водосбора в первую единицу времени стока; p – суточное количество
осадков; t – длительность выпадения осадков; l – длина поверхности водосбора; v –
средняя скорость стока воды на водосборе.
Согласно исследований вышеупомянутых авторов, основными факторами, которые
оказывают значительное влияние на формирование поверхностного стока на
мелиорируемых землях в условиях развитого рельефа, являются уклон поверхности и
гранулометрический состав почвы.
Гранулометрический состав почвы – одна из основных характеристик,
определяющая потери стока на впитывание в почву. Поглощающая способность почвы
определяется ее микро- и макропористостью, которые зависят от гранулометрического
состава и структуры почвы. Поэтому формулы впитывания должны учитывать
гранулометрический состав и тип почвы.
По мнению З.Б. Киндериса [5], удобная для практического применения формула
впитывания, которая наиболее полно отражает физическую суть рассматриваемого
явления, была предложена А.Н. Костяковым
A
kt  k0  n .
(5)
t
k t – интенсивность впитывания в момент t при I  ; k0 – интенсивность
где
впитывания, установившаяся для данного типа почвы;
A – параметр, зависящий от
гранулометрического состава и влажности почвы; n – показатель редукции, который
практически можно принять в интервале 1/3…3/4 в зависимости от гранулометрического
состава и влажности почвы.
Уклон поверхности также имеет существенное влияние на формирование
поверхностного стока, что давно отмечалось многими авторами [5…10]. Он влияет на
распределение стока во времени и обусловливает более ранний и высокий максимум стока
на крутых склонах в сравнении с пологими. Уклон поверхности склона влияет не только
на форму гидрограммы стока, но и на интенсивность впитывания, которая уменьшается с
ростом уклона.
Для практических расчетов влияние уклона удобнее всего учитывать введением
общей поправки к формуле впитывания
A
kt  (k0  n ) ( I ) .
(6)
t
где
kt – интенсивность впитывания в момент t при уклоне поверхности I;
(I) – поправка на уклон.
На величину начального впитывания определенное влияние оказывает
неравномерность поверхности (микрорельеф), поскольку в замкнутых микропонижениях
аккумулируется определенный слой воды. Величина зааккумулированного слоя воды в
микропонижениях зависит от общего объема микропонижений и уклона поверхности.
Поэтому, чем больше уклон склонов, тем меньше влияние неравномерности поверхности
на интенсивность потерь.
Интенсивность впитывания изменяется в зависимости от характера почвы, ее
обработки и от принятого расчетного момента времени. При описании влияния уклона на
впитывание нельзя использовать линейный закон, так как при  = 1 значение I  0 , а при
 = 0, соответственно, I   . Тогда более правильно будет принять затухающий закон
влияния уклона на впитывание [5]
(7)
  e I ,
где
 – эмпирический показатель степени, полученный по экспериментальным
данным (установлено, что   0,03 ); I – расчетное значение уклона в %.
С учетом полученной поправки на уклон известную формулу (6) можно представить
в следующем виде
A
kt  (k0  n )e  0, 03I .
(8)
t
Используемая модель прогнозной оценки водного режима и технологий
водорегулирования осушаемых земель на основе водного баланса [1…4] описывает
квазистационарный процесс, когда все изменения исследуемого сложного явления
происходят мгновенно в конце расчетного интервала времени. Она, в принципе, позволяет
выполнять водобалансовые расчеты при моделировании в динамике (в дискретном виде)
изменения водного режима и определяющих его составляющих на мелиорируемом поле
для возможных множественных изменчивых природно-агромелиоративных условий
реального
объекта
(различные
почвы,
сельскохозяйственные
культуры,
гидрометеорологические режимы, технологии водорегулирования и т.д.).
При этом природно-мелиоративные условия должны рассматриваться как
усредненные за счет типизации метеорологических режимов относительно расчетных
периодов вегетации (по условиям тепло- и влагообеспечености), а также схематизации и
параметризации возможных способов водорегулирования осушаемых земель [1…4].
Обобщенные значения коэффициента поверхностного стока в зависимости от
водопроницаемости почв и уклона поверхности
Водопроницаемость
почв
Хорошая
Коэффициент
фильтрации
м/сут
2,0
Коэффициент поверхностного стока в зависимости
от уклона водосборной площади
незначительный
(меньше 0,01)
средний
(0,01…0,05)
большой
(свыше 0,05)
0,10...0,20
0,15...0,25
0,20...0,30
Средняя
1,0
0,15...0,25
0,20...0,30
0,25...0,40
Ниже средней
0,5
0,20...0,30
0,25...0,45
0,35...0,60
Слабая
0,1
0,25...0,40
0,30...0,60
0,50...0,75
Мерзлая почва
—
0,30...0,60
0,40...0,75
0,80...0,95
На основе данных исследований А.Н. Костякова и других авторов (таблица),
рассматривающих зависимость образования поверхностного стока на мелиорированных
территориях с развитым рельефом, представленный как коэффициент стока ( k s ), в
зависимости от двух определяющих факторов: водопроницаемости почвы, которая
характеризуется коэффициентом фильтрации ( kô ), и уклоном поверхности почвы ( i ), –
что регламентируется ДБН В.2.4-1-99 «Мелиоративные системы и сооружения», нами
была проведена многофакторная нелинейная статистическая обработка обобщенных
данных за рассмотренными факторами.
Приведенные данные свидетельствуют, что влияние уклона поверхности и
коэффициента фильтрации на формирование поверхностного стока нельзя отражать
линейным законом, поскольку при уклоне i  0 по принятым условиям поверхностный
сток не возникает, а при i   он принимает максимальные значения относительно
расчетной величины осадков. Соответственно, при коэффициенте фильтрации kф  0 все
осадки переходят в поверхностный сток, а при kф  0 часть осадков пополняет
влагозапасы РСП.
Таким образом, коэффициент поверхностного стока на мелиорируемых территориях
в зависимости от водопроницаемости почвы и уклона его поверхности может быть
определен по следующей эмпирической зависимости
0,171 k ф 
ks  1  0,07  kф  i
, ( R 2  0,96 ).
(9)
Проверка сходимости между фактическими и рассчитанными по формуле (9)
значениями коэффициента поверхностного стока по рассмотренным условиям показала,
что уровень достоверности модели, определенный по общепринятым статистическим
методам и критериям (относительная ошибка, средняя квадратичная ошибка,
коэффициент корреляции, корреляционное отношение) составляет 70…90% и полностью
отвечает необходимому уровню точности выполнения водобалансовых расчетов при
прогнозной оценке водного режима в структуре прогнозно-оптимизационных расчетов в
проектах нового строительства и реконструкции мелиоративных систем на осушаемых
землях с развитым рельефом местности.
Библиографический список
1. Технические указания по проектированию на ЭВМ расчетных режимов увлажнения
сельскохозяйственных культур на системах двустороннего действия Украинской ССР:
НТД 33.63-089-89 / Лазарчук Н.А., Рокочинский А.Н., Черенков А.В., Нагорная В.П.,
Дорошук А.Н. – Ровно: УИИВХ, 1990. – 53 с.
2. Технические указания по разработке с помощью ЭВМ системных планов
водопользования для осушительно-увлажнительных систем Украины: НТД 33-04-0191 / Лазарчук Н.А., Рокочинский А.Н., Гус В.М., Зубик Я.Я., Бежук В.М., Черенкова
Л.П., Сташук В.А., Полякова М.И., Нагорная В.П., Дорошук А.Н. – Киев:
Укргипроводхоз, 1991.- 40 с.
3. Рокочинський А.М., Сташук В.А., Зубик Л.В. Вихідні передумови до розробки моделі
водного режиму осушуваних земель за змінних природно-меліоративних умов //
Вісник Рівненського державного технічного університету. Гідромеліорація та
гідротехнічне будівництво.: Зб. наук. праць.–Спецвипуск. - Рівне, 1999.–С. 53-58.
4. Рокочинський А.М., Зубик Л.В. Модель з прогнозної оцінки ефективності різних
технологій водорегулювання осушуваних земель в проектах будівництва,
реконструкції та експлуатації гідромеліоративних систем // Вісник Рівненського
державного технічного університету:Зб.наук.праць.–Рівне,2000.–Вип.2.-С.63-71.
5. Киндерис З.Б. Осушение земель в условиях холмистого рельефа. – М.: Колос, 1983.
175 с.
6. Прошляков И.В. Имитационная модель водоотдачи склонов для расчета
поверхностного дождевого стока и водной эрозии. //Эрозия почв, селевые потоки и
методы борьбы с ними. Сб. научн. трудов. – Тбилиси: ГрузНИИГиМ, 1985.
7. Мольчак А.Я. Дождевой сток зоны избыточного увлажнения Украины (исследования и
расчеты). – Львов: Вища школа, 1984. 144 с.
8. Костяков А.Н. Основы мелиорации. – М.: Сельхозгиз, 1960. 622 с.
9. Аверьянов С.Ф. О расчёте осушительного действия горизонтального дренажа в
условиях напорного питания. //Научные записки МИИВХ им. В.Р.Вильямса. – М.,
1960. Т. 22. С.3-13.
10. Бефани А.Н. Теория формирования дождевых паводков и методы их расчета. //В кн.:
Международный симпозиум по паводкам и их расчетам. – Л., 1969. Т.1.
11. ДБН. В 2.4-1-99 Меліоративні системи та споруди. – Киев, 1999. 174 с.