Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 6, стр. 710-718

Методы расчета поверхностного стока талых вод разной обеспеченности с рыхлой и уплотненной пашни не находили широкого применения из-за отсутствия многолетних данных исследований. Из-за коротких рядов наблюдений невозможно было рассчитать теоретические кривые обеспеченности стока. Они, как правило, строились по эмпирическим точкам, поэтому их трудно было экстраполировать [12]. В [3, 4] обобщен большой материал по поверхностному стоку талых вод с сельскохозяйственных угодий природных зон (лесостепь, степь, полупустыня), рассчитаны и построены теоретические кривые обеспеченности за периоды 34–42 года. При этом использованы материалы многих российских ученых [1, 8–11, 14–17], в том числе результаты исследований Всероссийского научно-исследовательского института агролесомелиорации (ВНИАЛМИ) и его опытной сети, полученные под руководством Г.П. Сурмача, Е.А. Гаршинева и А.Т. Барабанова.

К сожалению, в последние примерно два десятилетия резко сократилось количество пунктов наблюдений за поверхностным стоком с сельхозугодий. В этой связи особенно ценны сохранившиеся водно-балансовые стационары с длительными периодами репрезентативных наблюдений в опытной сети ФНЦ агроэкологии РАН (бывший ВНИАЛМИ) в лесостепной, степной и сухостепной зонах европейской части России (ЕЧР).

Автор статьи дополнительно к прежнему обобщению добавил материалы по характеристике стока, полученные за последние 26 лет (1991–2016 гг.). Теперь, когда ряды наблюдений за стоком увеличились до 60–71 года, эти данные позволяют рассчитывать и строить более достоверные теоретические кривые вероятности превышения стока на основе статистического анализа. Необходимость дополнительного обобщения продиктована тем, что в предыдущих работах длина рядов наблюдений была недостаточной для вероятностной оценки стока, тем более, что в последние десятилетия произошли существенные изменения как климата (наступил маловодный период), так и хозяйственной деятельности (сокращение площади пашни, изменение структуры посевных площадей, применение новых агротехнологий, снижение общего уровня культуры земледелия и т.д.), что сильно повлияло на его формирование. Эти данные позволили точнее, чем предыдущие, оценить показатели стока и выявить влияние различных факторов на его формирование.

В ФНЦ агроэкологии РАН в результате многолетних исследований на трех опытных эрозионных объектах, расположенных в трех географических зонах (лесостепная с серыми почвами, степная с обыкновенными черноземами и каштановыми почвами и сухостепная со светло-каштановыми почвами), получен уникальный материал, позволяющий дать характеристику поверхностного стока дифференцированно с пашни рыхлой и уплотненной и оценку стокорегулирующей роли зяблевой обработки почвы.

Поверхностный сток на серых лесных почвах в лесостепной зоне (Орловская область) начали изучать в 1923 г. под руководством А. С. Козменко, работы были прекращены во время Великой Отечественной войны и возобновлены в 1958 г. по инициативе Г.П. Сурмача. К сожалению, по результатам исследований за период 1923–1941 гг., проводимым на малых водосборах площадью от 50 до 500 га, нельзя было дать дифференцированную оценку весеннего стока с рыхлой (зябь) и уплотненной (многолетние травы, озимые культуры) пашни. Исследования после 1958 г. позволили дифференцировать данные по стоку на разных видах пашни – рыхлой и уплотненной, что очень важно знать при разработке систем адаптивно-ландшафтного земледелия. Рассмотрим результаты исследований за 1959–2016 гг.

Анализ данных показал, что на отвальной зяби (рыхлaя пашня), по классификации Г.П. Сурмача [14], очень сильный сток был 3 года из 58, сильный – 5 лет, умеренный – 14, слабый – 5, очень слабый – 4 года, а 27 лет сток отсутствовал. На уплотненной пашне (многолетние травы, озимые и др.) сток отсутствовал 10 лет из 58. В другие годы формировался сток разной величины. За эти годы на зяби средние снегозапасы составляли 96 мм, средняя величина стока – 20 мм, коэффициент стока 0.21; с уплотненной пашни несколько выше – соответственно 103 мм, 30 мм, 0.29. Величина стока с уплотненной пашни была всего на 10 мм больше, чем с зяби. Гидрологическая роль зяби здесь выражена значительно меньше, чем в степной и сухостепной зонах. Даже в годы низкой обеспеченности (р = 0.01%) разница величины стока ≤50 мм. Это соответствует данным, полученным ранее в Институте географии РАН [7].

Динамика весеннего стока представлена на рис. 1, по которому видно, что поверхностный сток в значительной степени колеблется по годам и явно наблюдается тенденция его устойчивого снижения от 1959 к 2016 г., особенно в последние почти 20 лет.

По полученным многолетним данным рассчитаны и построены теоретические кривые вероятности превышения склонового стока (рис. 2). Особенность рядов наблюдений за поверхностным стоком – наличие нулевых значений. Для математической обработки таких неоднородных совокупностей данных по стоку применен способ, изложенный в [13]. Он предусматривает построение кривой обеспеченности по ряду данных наблюдений без нулевых значений на основе определения средней величины стока, коэффициента вариации и коэффициента асимметрии с использованием таблицы Фостера–Рыбкина. Для перехода к кривой обеспеченности, соответствующей совокупности с нулевыми значениями, предложено использовать специальную формулу:

где ${{P}_{{(x)}}}$, ${{P}_{{1(x)}}}$ – вероятности превышения, соответствующие суммарной совокупности с нулевыми значениями и без них; $~{{n}_{1}},{{n}_{2}}$ – объем совокупности без нулевых и с нулевыми значениями.

Такой способ обработки данных позволил построить теоретические кривые вероятности превышения стока, которые хорошо аппроксимируют эмпирические точки исследуемых рядов, и вычислить показатели стока разной вероятности превышения.

На рыхлой пашне сток 20%-й вероятности превышения составляет 39 мм, 70%-й ~1 мм. На уплотненной пашне сток 70%-й обеспеченности >7 мм, 20%-й обеспеченности >50 мм. Таким образом, уплотненная пашня обусловливает небольшое увеличение стока по сравнению с рыхлой пашней.

Итак, в результате многолетних исследований выявлены величины поверхностного стока на рыхлой и уплотненной пашне. Эти материалы могут использоваться при разработке проектов адаптивно-ландшафтных систем земледелия.

На темно-серых лесных почвах и на выщелоченном черноземе в лесостепной зоне (Курская область) для анализа связи стока талых вод с природными факторами были использованы материалы Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и защиты почв от эрозии (ВНИИЗ и ЗПЭ), полученные в опытном хозяйстве института (Медвенский район Курской области), обобщенные и опубликованные в работе [5]. К сожалению, для этого региона нет данных инструментальных наблюдений за стоком талых вод дифференцированно по разным видам пашни за период 1982–2016 гг. на темно-серой лесной почве и за 1989–2016 гг. на выщелоченном черноземе. Поэтому авторы статьи восстановили их на основе корреляционных связей, полученных на серых лесных почвах Орловской области. Это допущение несколько снижает точность определения величины стока, хотя динамика его сохраняется. Отсутствие стока определяется с высокой точностью. Осредненные данные по стоку и запасам снеговой воды опубликованы в работе [5]. Они показывают, что на рыхлой пашне сток формируется значительно реже, чем на уплотненной пашне, и величина его меньше. Так, на темно-серой лесной почве на рыхлой пашне стока не было 23 года, а на уплотненной – 18 лет из 45. На выщелоченном черноземе сток не формировался на рыхлой пашне 26 лет из 47, а на уплотненной пашне – 15 лет из 41. Средняя величина стока с рыхлой пашни на темно-серой лесной почве за 45 лет составила 20 мм, а с уплотненной – 37 мм. На выщелоченном черноземе эти показатели были 15 и 37 мм соответственно. В значительной степени величина стока колебалась по годам. На рис. 3 приведена динамика стока талых вод за 45 и 47 лет соответственно. Линии тренда показывают, что в целом величина стока с годами уменьшается, а последние почти 20 лет он совсем не формировался.

Теоретические кривые вероятности превышения поверхностного стока для темно-серых лесных почв и выщелоченных черноземов с рыхлой и уплотненной пашни приведены на рис. 4. Они позволили определить показатели стока разной обеспеченности, необходимые для расчета стока при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия. На графиках видны большие различия величин стока с рыхлой и уплотненной пашни. Они также показывают, что на уплотненной пашне поверхностный сток формируется почти ежегодно (7–9 лет из 10), а на рыхлой пашне – только каждые 3–4 года и его величина значительно меньше. В многоводные по стоку годы сохраняется существенное различие величин стока. Сток 10%-й вероятности превышения с рыхлой пашни составляет 25, с уплотненной – 75 мм.

На обыкновенном черноземе в степной зоне (Воронежская область) исследования проводились НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева в Каменной степи. Результаты обобщены автором статьи за период с 1948 по 1981 г. В последующие годы инструментальных наблюдений за стоком на сельскохозяйственных угодьях, к сожалению, не было. Почти все эти годы склоновый сток отсутствовал в связи с тем, что почва на всей европейской части России была талая или промерзала на небольшую глубину. По этим показателям восстановлены годы без стока по пунктам-аналогам: на обыкновенном черноземе на Поволжской АГЛОС (Волжский район Самарской области) и на выщелоченном черноземе в ОПХ ВНИИЗиЗПЭ (Медвенский район Курской области). Таким образом, ряды по стоку были удлинены на 21 год [5]. Из анализа этого материала видно, что сток на обыкновенном черноземе Воронежской области формируется реже и величина его меньше, чем на выщелоченном черноземе. Средняя величина его за 54 года составила на рыхлой пашне 9, а на выщелоченном черноземе – 15 мм. На уплотненной пашне он был соответственно 32 и 37 мм. На рыхлой пашне 29 лет из 54 сток отсутствовал, 5 лет он был сильный (48–97), 4 года умеренный (14–24) и 13 лет слабый (1–6 мм). На уплотненной пашне 10 лет из 49 сток был очень сильный, 4 года сильный (25–38), 3 года умеренный (21–25) и 5 лет слабый (7–14 мм).

Из анализа динамики весеннего склонового стока (рис. 5) видно, что он сильно меняется по годам и отмечается тенденция его устойчивого снижения от 1948 к 2016 г., особенно в последние два десятилетия.

По полученным многолетним данным рассчитаны теоретические кривые обеспеченности стока для обыкновенного чернозема (рис. 6). На рыхлой пашне сток 10%-й обеспеченности составляет 38 мм, 50%-й – 3 мм, а на уплотненной пашне – соответственно 78 и 19 мм.

В степной зоне (Волгоградская область) получены многолетние данные, характеризующие закономерности формирования поверхностного стока талых вод на темно-каштановых почвах (Нижневолжская станция по селекции древесных пород, г. Камышин) за период с1946 по 1990 г. и на каштановых почвах (Клетский опорный пункт ВНИАЛМИ, ст. Клетская) за период с 1996 по 2016 г.

Анализ этих данных показал, что на отвальной зяби (рыхлая пашня) сток отсутствовал 54 года из 66 или был очень слабый (до 7 мм), слабый и умеренный сток был 12 лет. На многолетних травах и озимых (уплотненная пашня) 27 лет из 63 сток не формировался совсем или был очень слабый, 14 лет – слабый, 13 лет – умеренный, 7 лет – сильный и очень сильный. Средние показатели стока с рыхлой пашни – 5, а с уплотненной – 17 мм. Разница – всего 12 мм. Анализ динамики стока за 71 год (рис. 7) показывает, что он по годам сильно меняется: от 0 до 38 мм на зяби и от 0 до 88 мм на уплотненной пашне. В изменении стока за 1946–2016 гг. виден тренд значительного снижения, особенно в последние два десятилетия, когда поверхностного стока не было совсем на всех видах пашни.

Рассчитанные теоретические кривые обеспеченности стока хорошо аппроксимируют эмпирические данные (рис. 8). Они показывают, что на рыхлой пашне сток бывает 5 лет в десятилетие, а на уплотненной – 8 лет.

Показатели склонового стока разной вероятности превышения с рыхлой и уплотненной пашни по природным зонам приведены в табл. 1: величины стока разной вероятности превышения уменьшаются с С на Ю и ЮВ, а разница стока на рыхлой и уплотненной пашне увеличивается. Такая тенденция обнаружена и при анализе величин стока по годам. Однако в отдельные годы, когда в лесостепной зоне сток бывает меньше, чем в степной и сухостепной зонах, наблюдается его инверсия. Это указывает на то, что на формирование стока более мощное воздействие оказывают природные факторы: глубина промерзания, влажность почвы и снегозапасы, которые формируются в разных зонах под влиянием разных метеорологических условий, меняющихся по годам. Средние величины стока с уплотненной пашни от серых лесных почв (лесостепь) к каштановым (сухая степь) снижаются с 30 до 17 мм. На рыхлой пашне темпы снижения значительно ниже.