WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е.Д. Кошелева, К.Б. Кошелев

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ГРУНТОВЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

В ЗОНЕ БУРЛИНСКОГО

МАГИСТРАЛЬНОГО КАНАЛА

Монография

Барнаул Издательство АГАУ 2010 УДК 744.4:514.18 Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой мате матики и прикладной информатики в экономике Алтайской академии экономики и права А.А. Цхай;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий ка федрой мелиорации и рекультивации земель института природообуст ройства АГАУ А.С. Давыдов.

Кошелева Е.Д. Компьютерное моделирование взаимодействия грунтовых и поверхностных вод в зоне Бурлинского магистрального канала: монография / Е.Д. Кошелева, К.Б. Кошелев. – Барнаул: Изд-во АГАУ, 2010. – 238 с.

ISBN 978-5-94485-175- В научном издании на основе системного подхода рассматриваются объекты исследования, процессы взаимодействия грунтовых и поверх ностных вод, существующие математические модели их совместного движения. Для выбранной системы дифференциальных уравнений предлагается численная и компьютерная реализация. На примере зоны Бурлинского канала детально моделируются проектные режимы его работы, устанавливаются зоны влияния канала на уровни грунтовых вод и водные режимы почв прилегающей территории. Для целей ком пьютерного моделирования исследуются особенности эксплуатацион ного режима работы канала и его состояние перед пуском системы.

Предназначено для специалистов, занимающихся научными иссле дованиями в области гидрологии, гидротехники, гидромелиорации, научных работников в области информатики, решающих прикладные гидролого-экологические задачи, проектировщиков, руководителей эксплуатационных служб, землепользователей и студентов.

Кошелева Е.Д., Кошелев К.Б., ФГОУ ВПО АГАУ, Издательство АГАУ, ISBN 978-5-94485-175- Содержание ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Системный подход – основа научного исследования... 1.2. Система стока на речном водосборе

1.3. Бурлинский магистральный канал как элемент Бурлинской ООС

1.4. Почвы и агроландшафты как системные объекты......... 1.5. Информационная база и методы исследования.............

class='zagtext'>2. ПРИРОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Геоморфология

2.2. Климат

2.3. Геология

2.4. Гидрогеология

2.5. Гидрология

2.6. Почвенно-растительный покров

2.7. Природно-техногенные процессы

3. МЕЛИОРАТИВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Системные проблемы мелиорации

3.2. Состояние и проблемы гидромелиоративных систем на Алтае

3.3. Гидромелиорация в зоне влияния Бурлинской ООС..... 3.4. История проектирования Бурлинской ООС и строительства МК

4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

И ПРОГНОЗЫ

4.1. Проектный режим работы Бурлинского МК.................. 4.1.1. Прогнозируемые гидравлические параметры канала

4.1.2. Прогнозируемые фильтрационные потери............... 4.1.3. Моделирование взаимодействия УГВ с водным потоком

4.1.4. Прогнозируемые зоны влияния канала

4.1.5. Мониторинг агроландшафтов зон влияния Бурлинского МК

4.2. Эксплуатационные режимы работы Бурлинского МК

4.2.1. Этапы воздействия канала на прилегающую территорию

4.2.2. Современное состояние Бурлинского МК................ 4.2.2.1. Изменение рельефа местности и сопутствующие процессы

4.2.2.2. Процессы зарастания канала растительностью

4.2.2.3. Деформация русла под действием экзогенных процессов

4.2.3. Прогнозируемые гидравлические параметры канала

4.2.4. Прогнозируемые фильтрационные потери............... 4.2.5. Моделирование взаимодействия УГВ с водным потоком

4.2.6. Прогнозируемые зоны влияния канала

4.2.7. Планирование измерений УГВ после пуска системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Термины:

ГТК – гидротермический коэффициент А.П. Сляднева КПД – коэффициент полезного действия МК – магистральный канал НС – насосная станция, здесь – насосная станция бывшего массива орошения НС1 – первая насосная станция, здесь – станция водозабора НС2, НС3, НС4 – 2, 3, 4-я насосные станции, здесь – станции перекачки НПУ – нормальный подпертый уровень, характеристика во дохранилища НУВ – нормальный уровень воды в канале, проектная вели чина ООС – оросительно-обводнительная система ПК – пикет, разметка трассы канала по длине через 100 м УВ – уровень воды УГВ – уровень грунтовых вод ЭГП – экзогенные геологические процессы.

Организации:

АГАУ – ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»





АлтГУ – Алтайский государственный университет АлтГТУ – Алтайский государственный технический универ ситет им. И.И. Ползунова ИВЭП СО РАН – Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем Сибирского отделе ния РАН СС – сельский совет ТОО – товарищество с ограниченной ответственностью

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сооружение крупных инженерно-мелиоративных объектов, как правило, сопровождается значительным влиянием на от дельные природные компоненты, что в конечном итоге приво дит к изменению природной среды и, следовательно, к измене нию условий хозяйствования.

Обеспечение сбалансированного решения социально-эконо мических задач, сохранение природно-ресурсного потенциала и благоприятной окружающей среды в целях удовлетворения по требностей человека является весьма сложной задачей. В соот ветствии с законом РФ «О мелиорации земель» осуществление мелиоративных мероприятий не должно приводить к ухудше нию состояния окружающей природной среды [192].

Одним из основных этапов решения экологических проблем в инженерно-мелиоративной деятельности является переход от констатации фактов ухудшения состояния агроландшафтов, объектов мелиорации к экологически обоснованному эффектив ному управлению антропогенными воздействиями на всех уров нях: от поля, агроландшафта до бассейна реки в целом. Необхо димо предвидеть заранее последствия любого вмешательства в природную среду [193].

Моделирование совместного движения грунтовых и поверх ностных вод имеет целью прогноз изменения уровней грунто вых вод вблизи поверхностных водотоков: рек во время павод ков, каналов при их эксплуатации, водоемов, водозаборов. Ре зультаты таких прогнозов востребованы в мелиорации и водном хозяйстве при определении зон подтопления и вторичного засо ления земель вдоль каналов, зон паводковых подтоплений, раз меров депрессионных воронок дренажно-водозаборных сква жин.

Основой компьютерного моделирования взаимодействия грунтовых и поверхностных вод является математический аппа рат, базирующийся на законах гидродинамики подземных вод и методах решения систем дифференциальных уравнений, а также языковая среда, в которой была реализована программа. Под робный обзор математического аппарата и методы решения вы бранной авторами системы дифференциальных уравнений при ведены в первой главе монографии, где также нашли отражение принципы системного подхода к рассмотрению объектов иссле дования.

Объектом компьютерного моделирования является зона строительства Бурлинского магистрального канала, особенности гидрогеологического строения и водообмена которой учитыва ются при модельных расчетах. Природная характеристика объ екта моделирования приводится во второй главе монографии, гидромелиоративная характеристика и история строительства канала – в третьей.

Важной особенностью компьютерных реализаций математи ческих моделей является возможность точного количественного прогнозирования в пространстве и времени не только естест венных природных процессов, но и возможность анализа с их помощью любых инженерных решений. Результаты решения управленческих задач на разработанной модели позволяют оп тимизировать режимы эксплуатации, систему наблюдений, ис ходя из наблюдаемого (либо прогнозируемого) воздействия тех ногенных факторов на природные экосистемы.

Целью создания компьютерной реализации математической модели является мобильные и качественные прогнозы. В связи с возобновлением строительства Бурлинского магистрального ка нала в 2002 г. (Алтайский край, РФ) и планируемой сдачей объ екта в 2010 г. обнаружение противоречий при сравнении буду щих последствий функционирования канала в непосредственной близости от данного инженерного сооружения и задач сохране ния почв земель сельскохозяйственного назначения представля ется вопросом, имеющим правовое и социально-экономическое значение.

Четвертая глава посвящена компьютерному моделированию проектных и эксплуатационных режимов работы канала и про гнозам, основанным на результатах моделирования.

Существующий проект сооружения опирается на нормы про ектирования и не содержит моделирования взаимодействия во ды в канале с грунтовыми водами территории. В результате компьютерного моделирования функционирования четырех бьефов во время первого сезона эксплуатации для проектных гидравлических характеристик канала построены карты гидро изогипс с интервалом в 1 месяц (24 карты), установлены грани цы влияния канала на уровни грунтовых вод (4 карты) и на вод ный режим почв прилегающих территорий (2 карты). Прогнози руемые зоны влияния канала на уровни грунтовых вод и водные режимы почв прилегающих агроландшафтов выходят за преде лы полосы отвода земель по проекту. Установленные площади, подверженные влиянию канала в первый сезон эксплуатации, потребуют ежегодного мониторинга.

Изучение текущего состояния канала было необходимо для целей моделирования его эксплуатационных режимов и мони торинга уровней грунтовых вод. При исследовании учитывался опыт эксплуатации Кулундинского магистрального канала, за проектированного в то же время и теми же проектными органи зациями, а также опыт исследования его зоны влияния и прогно зы, выполненные ИВЭП СО РАН (Винокуров, 1985).

Основываясь на системном подходе, в работе комплексно использовались методы инженерно-геологических исследова ний, гидрологических расчетов, компьютерного (математиче ского) моделирования и прогнозного анализа.

Компьютерное моделирование, теоретические обобщения и выводы выполнены в период сотрудничества с международной кафедрой ЮНЕСКО «Экологическое образование в Сибири» при АлтГТУ в 2004 г. в рамках гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ РФ (№ НШ-22.2003.5), во время работы в АГАУ (2004-2010 гг.) и в ИВЭП СО РАН (2009-2010 гг.).

Экспериментальная часть представленных в монографии ис следований выполнялась: во время полевых испытаний прони цаемости грунтов методом налива в скважины на геолого изыскательской практике в составе второго бурового отряда («Алтайгипроводхоз», 1986 г.);

в экспедициях по ландшафтному планированию (АГАУ, АлтГУ, 2004 г.) и изучению состояния русла Бурлинского магистрального канала и прилегающей тер ритории (АГАУ, 2007 г.);

при рекогносцировочном обследова нии канала в 2009 г. в рамках государственного контракта № 08/20 ИВЭП СО РАН «Исследование современного состоя ния и научное обоснование методов и средств обеспечения ус тойчивого функционирования водохозяйственного комплекса в бассейнах рек Оби и Иртыша» [102]. Установлены коэффициен ты шероховатости русла канала на 01.08.2007 и 27.07.2009 гг., характер эрозионных процессов, протекающих на его откосах и прилегающей территории: составлены карты-схемы шерохова тости русла 4 бьефов и карта эрозионной опасности.

Результатами работы являются численно реализованная ма тематическая модель взаимодействия поверхностных и грунто вых вод в зоне магистрального канала. Модель вошла в сборник региональных программ, предложенных учеными Алтайского края агропромышленному комплексу [295]. Созданная програм ма, прошедшая государственную регистрацию, позволяет моде лировать различные варианты эксплуатации канала и получать карты гидроизогипс территории [252].

Реализация модели взаимодействия потока воды в канале и уровней грунтовых вод на прилегающей территории представ ляет научный интерес, имеющий практическую ценность, и де монстрирует новые возможности в применении информацион ных технологий в водном хозяйстве.

Авторы выражают благодарность А.А. Цхаю, д.т.н., профес сору, заведующему международной кафедрой ЮНЕСКО «Эко логическое образование в Сибири» при АлтГТУ и А.Т. Зиновье ву, к.ф.-м.н., заведующему лабораторией гидрологии и геоин форматики ИВЭП СО РАН за научное обсуждение и содействие в проведении исследований.

1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ

ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

основа научного исследования Системный подход – направление методологии специально научного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем (Блауберг, 1976;

Са довский, 1976).

Наиболее краткое и ёмкое понятие «системы» принадлежит Л. Берталанфи (1968), рассматривающего систему как комплекс элементов, находящихся во взаимодействии. Он же первым предложил термин «системный подход», создавая первую про грамму построения общей теории систем (Берталанфи, 1969, 1973).

«Исследовать какой-либо объект системно – значит исследо вать его как целое, обладающее некоторой структурой, состоя щее из многих взаимосвязанных элементов» [91, с. 33]. Любая система обладает способностью делиться на подсистемы и вхо дить в системы высшего порядка, обладающие большим содер жанием, чем сумма, содержащая подсистему (Аверьянов, 1985).

Система сама по себе – это субъективное образование, зави сящее от наблюдающего за объектом, так как все аспекты ана лиза формируются извне, и получающая при рассмотрении структура определяется целью исследования (Гедич, 1975).

«Принцип системности … требует рассмотрения любого объекта как системы и, в свою очередь, как элемента более масштабной системы, а также учета взаимосвязей между эле ментами и субсистемами, обеспечивающими целостность объ екта – системы» [146, с. 82].

Как отмечал Л.Н. Гумилев, «любая теория или концепция держится на предпосылках, справедливость которых не вызыва ет возражений у научного сообщества» [84, с. 275]. В науке из вестно довольно большое число принципов системного подхода (Вартовский, 1988;

Клир, 1990 и др.). По-разному сформулиро ванные, но в любом изложении они являются абстракциями, т.е.

обладают высокой степенью общности и пригодны для любых приложений. Принципов системного подхода необходимо при держиваться при выполнении любых системных исследований (Гедич, 1975).

В данной работе мы опираемся на следующие принципы, по зволяющие выстроить логику научного познания:

– принцип причинности: всякое изменение состояния систе мы связано с определенной совокупностью условий (причин), порождающих это изменение. Раскрытие причин явлений делает возможным их предсказание и воспроизведение. Причина изме нения состояния системы всегда лежит вне системы. Чтобы по нять поведение системы, необходимо выйти из системы в над систему;

– принцип оптимальной эффективности: максимальная эф фективность функционирования достигается на грани устойчи вости системы, но это чревато срывом системы в неустойчивое состояние;

– принцип квалитета: качество и эффективность системы мо гут быть оценены только с точки зрения надсистемы. Качество системы: обобщенная положительная характеристика, выра жающая степень полезности системы для надсистемы. Под эф фективностью понимается нормированный к затратам ресурсов результат действий или деятельности системы в определенном интервале времени.

Системный подход предполагает вычленение системы из ок ружающей среды, оценивание внешних и внутренних связей, разделение системы на уровни и осуществление поиска ее оп тимальной структуры или обнаружение имеющихся закономер ностей или противоречий.

1.2. Система стока на речном водосборе Грунтовые и поверхностные воды являются компонентами системы стока на речном водосборе, где присутствуют практи чески все основные процессы гидрологического цикла вод су ши. Современные представления о механизме формирования стока раскрываются в ряде работ Л.С. Кучмента, Б.С. Маслова (2009) и др. [154, с. 18-20;

155, с. 9-17].

В самом общем виде на водосборах (рис. 1.1) поступающая в виде жидких осадков вода (1) частично перехватывается расти тельностью – кронами деревьев и травяным покровом (2).

Рис. 1.1. Схема стока на речном водосборе Стекая по стволам деревьев (3), значительная ее часть дости гает поверхности водосбора, а оставшаяся – испаряется (4). До ждевые осадки на поверхности водосбора начинают впитывать ся почвой и просачиваться в более глубокие слои (5). После за полнения поверхностных понижений (поверхностное задержа ние), вода стекает вдоль речных склонов, создавая склоновый сток (6) и попадает в речную сеть (7). Попавшая в почву вода, передвигающаяся вдоль склона, создает внутрипочвенный сток (8) и тоже попадает в речную сеть. Вода, не попавшая в речную сеть, испаряется (9) либо просачивается в более глубокие слои грунта, достигает уровня грунтовых вод и совершает движение вместе с ними, формируя грунтовый сток (10). При образовании талого стока рассмотренная схема дополняется процессами вы падения снега, формирования снежного покрова, испарения, снеготаяния и задержания воды в снеге. Зона A на рисунке 1. демонстрирует взаимодействие грунтовых вод и вод руслового стока.

При строительстве магистральных каналов на водосборах возникают поверхностные искусственные водотоки, опреде ляющие новые составляющие водного баланса данной террито рии: водозабор, транзитный сток, потери воды на фильтрацию с дальнейшим ее просачиванием в грунтовые воды, потери на ис парение с вновь образуемой водной поверхности и т.д.

При моделировании процессов на водосборе в зависимости от решаемых задач может быть различна полнота охвата про цессов 1-10, или акцент может ставиться на моделировании по верхностного (6), речного (7) или талого стока, или на изучении процессов транспирации влаги растениями (4), другими словами – на любом процессе гидрологического цикла (рис. 1.1). Кроме того, модели могут различаться по характеру связи входных и выходных данных и по используемому математическому аппа рату (рис. 1.2) (Кучмент, 1983, 1993;

2008;

Гельфан, 2007;

Ко рень, 1991;

Михайлов, 2000;

Полянин, 2003 и др.).

Рис. 1.2. Классификация моделей стока В детерминированных моделях заданным входным данным соответствует единственное решение, например, в виде времен ной и (или) пространственно-распределенной функции. В гид рологии они представлены следующими видами:

а) модели типа «черный ящик», где устанавливается зави симость между, например, осадками и рядами стока, при этом получаемые коэффициенты уравнений не имеют физической сущности;

б) динамические модели с сосредоточенными параметра ми: модель гидрологического института (Великобритания) для определения часовых значений речного стока;

реакция водосбо ра на выпавшие осадки в горных районах в умеренном климате TOPMODEL (Великобритания);

модель половодья НЕС- (США);

модель формирования дождевого стока, снегонакопле ния и снеготаяния HBV (Швеция);

модель Гидрометцентра Рос сии (Корень, 1991);

модель формирования гидрографа стока на равнинных реках (Жидиков, 1982), горных реках и водохрани лищах Гидрометцентра России [230-232];

модель лесного водо сбора (Назаров, 1988);

модели стока в различных географиче ских условиях (Абальян, 1976;

Бураков, 1978;

Фалько, 2002), модели ИВЭП СО РАН [59, 234-236, 311] и др.

в) динамические модели с рассредоточенными парамет рами: Европейская гидрологическая система (сокращённо – SHE), отражающая процессы гидрологического цикла;

SHETRAN (университет Ньюкасл, Великобритания) и МIKE-SHE (Дат ский гидравлический институт), описывающие процессы гидро логического цикла, транспорт наносов и растворенных веществ;

модель с распределёнными параметрами гидрологического ин ститута Великобритании (IHDM);

двумерная гидрологическая модель САSС2D (США) с распределёнными параметрами, ими тирующая гидрологическую реакцию водосбора на выпадающие осадки с типичным размером расчётных ячеек в 30-150 м;

дву мерная физико-математическая модель В.Н. Демидова и Л.С. Кучмента, учитывающая поверхностный и подповерхност ный сток на склонах водосбора, сток в русловой сети, влагопе ренос в зоне аэрации, перехват осадков растительностью с рас чётными ячейками 1 км2 (Демидов, 1975, 1977, 1978, 1979;

Куч мент, 1983, 1993;

Назаров, 1990).

В стохастическом моделировании на входе используются законы распределения эмпирической или аналитической веро ятности гидрологических характеристик, а на выходе получает ся закон распределения исследуемой величины. Отсюда вытека ет основное применение стохастических моделей – в гидрологи ческих расчётах при водохозяйственном строительстве и проек тировании (СП 33-101-2003).

В стохастическом моделировании может применяться весь набор математических моделей, подобных детерминированному подходу. В последнее время наибольшее распространение полу чили динамико-стохастические модели, где компьютерные программы осуществляют построение кривых распределения вероятностей характеристик речного стока по статистическим характеристикам входных величин и учёте эмпирических связей стока с метеорологическими факторами (Кучмент, 1993, 2008;

Виноградов, 1988;

Болгов, 2005;

Гельфан, 2007 и др.). Модели имеют следующую структуру обработки данных: «генератор по годы» (имитация) – характеристики стока – кривые распределе ния стока. Подробный перечень основных особенностей суще ствующих динамико-стохастических моделей формирования стока со случайными входами приведен в монографии А.Н. Гельфана [62, с. 13-16].

Положительная сторона в использовании данного моделиро вания заключается в том, что статистические характеристики и зависимости, полученные на основе рядов метеорологических элементов более устойчивы, чем характеристики и зависимости, построенные по рядам стока. Кроме того, разнообразное сочета ние метеорологических элементов при сравнительно небольшом диапазоне изменений приводит к существенно большим колеба ниям стока. В связи с этим по сравнительно коротким рядам ме теонаблюдений могут быть установлены величины стока, опре деление которых путём непосредственных наблюдений потре бовало бы гораздо большего периода времени.

В гидрологии изучение, математическое описание и компью терное моделирование движения грунтовых и поверхностных вод может так же выполняться как в рамках моделирования сто ка или выступать в качестве отдельно формулируемой задачи.

Начиная с 60-х годов ХХ в. в практике гидрологических рас четов формирования подземных вод получил распространение аналитический метод, позволяющий определять питание грун товых вод сверху, инфильтрацию осадков, испарение грунтовых вод, разность между притоком и оттоком грунтовых вод в гори зонтальном направлении, перетекание их в вертикальном на правлении (Лебедев, 1963, 1976;

Полубаринова-Кочина, 1977;

Веригин, 1977;

Аверьянов, 1982). В основу аналитического ме тода положено решение дифференциальных уравнений неуста новившегося движения подземных вод в разных геолого гидрологических условиях. В инженерных технологиях сущест вовало много различных приближенных способов интегрирова ния. С.В. Аверьянов нелинейное дифференциальное уравнение заменил линейным, при этом ошибка расчетов не превышала 20% (Маслов, 2009).

В это же время возможности, предоставляемые развитием компьютерных технологий, позволили на основе дифференци альных уравнений плановой фильтрации Буссинеска получать эффективные численные решения. Но при этом влияние поверх ностного стока задавалось заранее или рассчитывалось по неза висимым формулам (Жернов, 1971, Рыбакова, 1980, Ломакин, 1982 и др.).

Аналогично в ряде моделей для расчетов течений в системах открытых русел, основанных на одномерных уравнениях Сен Венана, фильтрационным питанием пренебрегали либо рассчи тывали его по эмпирическим формулам (Атавин, 1975 и др.).

Обзоры трудов по математическому моделированию взаимо действия поверхностных и подземных вод приведены в моно графиях (Кучмент, 1983;

Антонцев, 1986 и др.). Наиболее ран няя работа на данную тему принадлежит Р. Фризу, который предложил трехмерную модель фильтрации вдоль русла реки (1972).

Основываясь на работах [176, 206, 229, 306], С.Н. Антонцев, Г.П. Епихов, А.А. Кашеваров в монографии «Системное мате матическое моделирование процессов водообмена» (1986) рас сматривают принципы построения моделей взаимосвязанных процессов динамики поверхностных и подземных вод в регио нальном масштабе и их основные уравнения:

1) уравнения фильтрации Буссинеска (УФБ) для описания фильтрации несжимаемой жидкости в области G(x, y, z), где z – высота, ограниченная водоупором и положением свободной границы жидкости – уровнем грунтовых вод;

2) одномерные уравнения фильтрации Буссинеска вдоль ли ний тока (ОУФБ), где область фильтрации в плане разбивается на ленты тока i, которые начинаются на водоразделе и закан чиваются на водотоках или водоемах;

3) уравнение влагопереноса в ненасыщенной зоне (УВП), где фильтрация представляется многофазным течением жидкой и газовой фазы и справедливы следующие утверждения: скелет грунта не деформируем, давление газовой фазы принимается равным атмосферному, движение воды в почве происходит под действием гравитационных и капиллярных сил и закон Дарси справедлив при любом насыщении грунта;

4) уравнения течений в открытых водотоках Сен-Венана (УСВ) для описания неустановившегося медленно изменяюще гося течения для двух искомых функций уровня воды в реке z(s, t) и расхода потока Q(s, t), где t – время, s – пространство, опре деляемое координатами x, y;

5) уравнения диффузионных и кинематических волн (УДВ, УКВ), подходящие для большинства рек и каналов, получаются в результате ряда допущений и упрощений уравнения Сен Венана, как-то: представление скорости потока в виде одно значной зависимости от глубины h, совпадение знака уклонов дна и свободной поверхности воды и т.д.;

6) уравнения склонового стока на поверхности водосбора, наиболее полно описываемые двумерными уравнениями Сен Венана.

В данной работе при моделировании совместного движения грунтовых и поверхностных вод использовалась система урав нений фильтрации Буссинеска (УФБ) и уравнения диффузион ных волн (УДВ).

1.3. Бурлинский магистральный канал Бурлинская оросительно-обводнительная система относится к незавершенным крупным мелиоративным системам Алтайско го края и имеет несколько проектов разных лет создания с отли чающимися проектными показателями (рис. 1.3) [11, 12, 103].

Рис. 1.3. Схема Бурлинской ООС в 1978-1991 гг.:

1 – часть территории Алтайского края;

2 – магистральный канал;

проектные массивы орошения очередей строительства: 3 – первой, 4 – второй;

5 – третьей;

6 – лиманное орошение Изменения в экономических возможностях, мелиоративных потребностях землепользователей и в структуре собственности к 2003 г. по сравнению с 1990 г. привело к пересмотру институ том «Алтайводпроект» целей системы, объемов и местоположе ний площадей орошения. Русло реки Бурлы будет использовать ся в качестве водотока для перераспределения обской воды в целях наполнения системы Бурлинских озер (подача расхода 5 м3/с), а также в перспективе в Немецком районе возможен пе реход с подземных вод на озерные воды в качестве источника орошении (подача расхода 10 м3/с) [274].

Зона влияния Бурлинской ООС располагается в пределах Бурлинского речного бассейна, части Обского бассейна (рис. 1.4) и характеризуется сложным сочетанием, взаимной вложенностью и пересечением природных, технических и соци ально-экономических, административных систем [25, 26].

В административном отношении зона влияния Бурлинской ООС на территории Алтайского края лежит в пределах 4 рай онов: Крутихинский, Панкрушихинский, Хабарский, Бурлин ский. Магистральный канал, являющийся началом Бурлинской ООС, соединяющий Обской и Бурлинский бассейны, располага ется в Крутихинском районе Алтайского края.

Рис. 1.4. Административное районирование и водосборные бассейны 1 – бассейн р. Бурлы;

2 – бассейн р. Оби;

3 – другие речные бассейны;

4 – среднегодовой поверхностный сток, мм;

5 – граница РФ;

6 – граница Алтайского края;

7 – граница административных районов Алтайского края;

8 – Бурлинский магистральный канал В случае перехода Немецкого национального района с под земных вод на озерные источники орошения для уже имеющих ся площадей, зона влияния системы будет захватывать северную приграничную часть Кулундинской бессточной области, и она будет функционировать не только как обводняющая система, но и оросительная (мелиоративная).

1.4. Почвы и агроландшафты как системные объекты Системный подход к изучению природных объектов и начало формирования ландшафтного подхода в сельскохозяйственной деятельности были заложены в 1883-1889 гг. естествоиспытате лем, основателем генетического почвоведения В.В. Докучаевым в представлениях о природных единствах. Им сформулированы следующие основные положения.

1. Почва – это естественно-историческое тело, которое обра зуется при взаимодействии факторов почвообразования: мате ринской породы, растительности и животных, климата, рельефа, геологического возраста страны.

2. Если известны факторы почвообразования, то границы тех или иных почв могут быть выявлены с подлинно научной точ ностью (Докучаев, 1883).

3. Изучать почвы, их генезис, свойства и управлять их пло дородием необходимо в неразрывной связи с факторами почво образования (Докучаев, 1892).

Учение о широтных (горизонтальных) и вертикальных «есте ственно-исторических» зонах составило главное содержание русской научной школы в физической географии (Докучаев, 1899а, 1899б). В.В. Докучаев настаивал на необходимости раз работки комплекса агрономических и лесомелиоративных ме роприятий, которые соответствовали бы особенностям той или иной зоны (Докучаев, 1951). В 1892 г. в книге «Наши степи прежде и теперь» был изложен план борьбы с засухой, поразив шей черноземную полосу России в 1891 г., который предусмат ривал комплекс мер воздействия на всю природу степной зоны (Докучаев, 1892).

Данные исследования были продолжены многочисленной плеядой его учеников и последователей (Неуструев, 1930;

Ра менский, 1938;

Фридланд, 1972;

Николаев, 1987;

Каштанов, 1974, 1992, 1994 и др.).

Используя современные понятия, можно резюмировать, что в основе почвообразовательного процесса лежит совокупность процессов взаимодействия почвенных фаз (твердой, жидкой, га зовой и живой), а также обмен веществ и энергий между почвой и другими природными телами (растительность, атмосфера, грунтовые воды, почвообразующие породы) (Роде, 1947, 1972).

В результате активной деятельности человека появился еще один фактор почвообразования – хозяйственная деятельность человека, и в конце ХХ в. он стал носить глобальный характер (Ганжара, 2001). Воздействие на почвообразовательный процесс осуществляется как прямо (например, мелиоративные меро приятия), так и опосредованно через влияние на биосферу, ат мосферу и гидросферу.

Оросительно-обводнительные системы, в том числе и Бур линская ООС, являются частью хозяйственной деятельности че ловека и влияют в первую очередь на водный режим, затем, опосредованно, – и на остальные режимы почв (рис. 1.5).

То, что является факторами почвообразования для целостной системы «почвы», при переходе к надсистеме приобретает вид компонентов.

Природной надсистемой по отношению к почвам является ландшафт, включающий в себя и систему «почвы». Одно из первых научных определений ландшафта дал в 1913 г. россий ский географ Л.С. Берг, понимая под ландшафтом гармоничное сочетание природных компонентов (рельефа, климата, почв, растительного покрова), очерченное естественными границами (Берг, 1958).

В дальнейшем представление о ландшафте развивалось (Troll, 1950;

Раменский, 1938;

Григорьев, 1956;

Саушкин, 1946;

Солнцев 1963;

Сочава, 1963;

Арманд, 1975 и др.). На настоящий момент понятие географического ландшафта может быть описа но следующим образом: конкретная территория, однородная по своему происхождению и истории развития, обладающая еди ным геологическим фундаментом, однотипным рельефом, об щим климатом, единообразным сочетанием гидротермических условий, почв, биоценоза и закономерным набором морфологи ческих частей – фаций и урочищ.

СВОЙСТВА И

РЕЖИМЫ ПОЧВ

ФАКТОРЫ

ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

ОРОСИТЕЛЬНО

ОБВОДНИТЕЛЬНЫЕ

СИСТЕМЫ

Рис. 1.5. Влияние оросительно-обводнительных систем на факторы почвообразования и режимы почв Хозяйственная деятельность человека внесла изменения в большинство природных ландшафтов Земли, сохранив, однако, естественные факторы развития. Для обозначения ландшафта, измененного деятельностью человека, используется термин «ан тропогенный ландшафт». Разновидностью антропогенного ландшафта является культурный (Cаушкин, 1946) и техноген ный (Федотов, 1985) ландшафты. А если деятельность человека связана с сельскохозяйственным производством, то использует ся термин «агроландшафт», под этим подразумевают антропо генно измененные природные ландшафты, в пределах которых наблюдается тесное взаимодействие природных компонентов с элементами систем земледелия и организации территории.

Под агроландшафтом также понимается участок земной по верхности, обычно ограниченный естественными рубежами, со стоящий из комплекса взаимодействующих природных компо нентов и элементов системы земледелия с признаками единой экологической системы. На рисунке 1.6 представлена структура агроландшафта, составленная в соответствии с исследованиями (Лопырев, 1995, 2001;

Преображенский, 1972;

Диденко, 1999;

Каторгин, 2002).

А.Н. Каштанов (1992) определяет агроландшафт как «слож ную территориальную экологическую и биоэнергетическую систему, где все взаимосвязано и сбалансировано. Одновремен но же это и база для сельскохозяйственного производства».

Компонентная Морфологическая Компонентная Морфологическая Подстилающие грунтовые воды Растительный В отличие от природного комплекса агроландшафт формиру ется в результате взаимодействия косной, биокосной естествен ной основы и антропогенного использования с искусственно на лагаемыми и поддерживаемыми агроценозами (Зворыкин, 1984).

В природопользовании, где предметом исследования являет ся характер использования человеком природы, применяется термин «природно-антропогенная система» (Бауэр, 1971;

Ку ражсковский, 1969). Различают рациональное и нерациональное природопользование, которое отличается по содержанию, когда речь идет о неисчерпаемых, исчерпаемых (невосполнимых – восполнимых) ресурсах (Реймерс, 1990). Почвы относятся к ис черпаемым восполнимым ресурсам. С точки зрения охраны ре сурсов (охраны земель) необходимо направлять усилия на под держание их продуктивности, плодородия, а эксплуатация (зем леделие, сельское хозяйство) должна обеспечивать экономиче ски эффективную, комплексную безотходную технологию и со провождаться мероприятиями по предотвращению ущерба смежным видам ресурсов и заниматься вопросами улучшения земель (мелиорация, рекультивация земель).

Подобно понятиям природных и природно-антропогенных систем в географии также разрабатывались положения о геосис темах (Сочава, 1963;

Исаченко, 1965;

Арманд, 1975 и др.).

В.С. Преображенский расширяет понятие геосистемы, создавая учение о геотехнических системах и агроценозах. Открывается возможность понимать и исследовать земли, используемые в сельском хозяйстве как природно-производственные объекты, состоящие из двух взаимодействующих блоков: природного и сельскохозяйственного (Преображенский, 1966, 1988;

Ретеюм, 1972).

В терминах «природно-антропогенной системы» и «геосисте мы» агроландшафт является интегральной территориальной гео системой культивационного (сельскохозяйственного) типа, со стоящей из двух взаимодействующих подсистем – природной и антропогенной, а также набора более мелких природно-сельско хозяйственных геосистем, в совокупности решающих проблемы продовольственного обеспечения (Шальнев, 1997;

Диденко, 1999).

В результате хозяйственной деятельности природная подсис тема антропогенезируется, происходит изменение ее структуры, возникают зачастую негативные ответные реакции на хозяйст венное воздействие: эрозия почв, вторичное оглеение, вторич ное засоление почв, замена видового состава растительности и т.д. В идеале оптимизация природно-сельскохозяйственной сре ды должна приводить к высокой продуктивности и к динамиче ской устойчивости сельского хозяйства. Рядом исследователей отмечается усиливающаяся зависимость природной подсистемы агроландшафта от постоянно увеличивающейся антропогенной энергии (Pimentel, 1980, 1983;

Шальнев, 1998).

Почвоведение, агробиология, агроклиматология, агрохимия, агрофизика, агрономия, мелиорация и другие сельскохозяйст венные науки, так или иначе, занимаются изучением компонен тов агроландшафта.

В нашей стране в последнее время часто используется ланд шафтно-региональная основа в исследованиях (Мильков, 1978;

Рябчиков, 1972;

Сомова, 1979;

Николаев, 1987 и др.), ланд шафтный подход в изучении агросистем (Володин, 1999;

Ки рюшин, 1996;

Котлярова, 1999;

Постолов, 1999 и др.). Почвен ная съемка в США уже многие годы проводится с ландшафтных позиций (Kellog, 1951, Stallings, 1957).

В целом, ландшафтный подход является ветвью общего сис темного подхода, в основе которого лежит идея целостности ис следуемых объектов и единства их внутренней динамики (Пре ображенский, 1988;

Демек, 1977). Суть ландшафтного подхода состоит в системном анализе взаимодействия природной и ан тропогенной составляющих в современных ландшафтах и оцен ке результатов изменений и последствий в окружающей среде.

В результате интеграций подходов разработан ряд концепций на ландшафтной основе: формирования высокопродуктивных экологически устойчивых агроландшафтов и совершенствова ния систем земледелия на ландшафтной основе [123];

ланд шафтной контурно-мелиоративной системы земледелия (Каш танов, 1992);

ландшафтного земледелия (Храмцов, 1996);

адап тивно-ландшафтных систем земледелия (Кирюшин, 1996). На копленный опыт позволяет вывести сельскохозяйственное зем лепользование на качественно новые уровни, названные ланд шафтными (Храмцов, 1996), ландшафтно-экологическими (Теп лицын, 1995), системно-экологическими (Годзевич, 1993).

Бурлинский магистральный канал, являясь гидротехниче ским сооружением, выполненным на отчуждаемых под канал землях, представляет собой геотехническую систему. На грани це отвода земель происходит взаимодействие двух систем: агро ландшафтов хозяйств Крутихинского района и геотехнической системы – магистрального канала. Карта-схема, приведенная на рисунке 1.7, выполнена с использованием работ [24, 25, 32, 108].

Для специфических задач по прогнозированию воздействий магистрального канала, проходящего через земли сельскохозяй ственного пользования, важно выявить закономерности взаимо действия компонентов агроландшафта и геотехнической систе мы и смоделировать результаты такого взаимодействия при раз личных режимах работы канала.

При этом под агроландшафтами понимаются антропогенно измененные природные ландшафты, в пределах которых наблю дается тесное взаимодействие природных компонентов с эле ментами систем земледелия и организации территории (обозна чения землепользователей 1-6, 8 на рис. 1.7).

Поскольку характер землепользования в пределах ландшафт ной однородности определяет характер антропогенного измене ния территории в процессе производства сельскохозяйственной продукции, то границы фермерского землепользования будут дробить территорию на более мелкие однородные агроланд шафтные «единства» (обозначение «Ф» на рис. 1.7). В связи с этим мы можем характеризовать агроландшафты прилегающих территорий, структурируя их по двум критериям: по землевла дению и внутри землевладений – по характеру использования земель (12А и 12Б на рис. 1.7). Кроме того, рассматривание аг роландшафтной структуры на уровне почвенных контуров по зволяет решать вопросы охраны земель. Выявление несовпаде ния границ природных ландшафтов и сложившихся агроланд шафтов имеет большой практический потенциал для оптимиза ции землепользования (Кочергина, 2007;

Смоленцева, 2007), но не являются предметом текущего исследования.

1 – пашня;

2 – залежи;

3 – сенокосы;

4 – сенокосы коренного улучшения;

5 – пастбища;

6 – пастбища коренного улучшения;

7 – леса;

8 – лесополосы;

9 – колки;

10 – кустарник;

11 – болота низинные осоковые;

1 – ТОО «Рассвет»;

2 – ТОО «Яблочное»;

3 – ТОО «Подборный»;

4 – ТОО «Боровое»;

5 – администрация Крутихинского СС;

6 – администрация Подборнинского СС;

7 – администрация Прыганского СС;

8 – Панкрушихинский мехлесхоз;

Ф – крестьянское (фермерское) землепользование В связи с вышесказанным термин «агроландшафт» будет ис пользоваться далее для обозначения природного комплекса, со стоящего из природных фаций (уровень почвенных контуров), закономерно сочетающихся в пространстве и антропогенно из мененных сельскохозяйственной деятельностью.

Структура использования земель, прилегающих к Бурлин скому магистральному каналу, выглядит следующим образом (преимущественный вид землепользования указан первым):

ТОО «Рассвет» – пашня, залежи, пастбища, лесополосы;

ТОО «Яблочное» – пашня, залежи, сенокосы, лесополосы;

ТОО «Подборный» – пашня, сенокосы, пастбища, пастбища коренно го улучшения, лесополосы;

ТОО «Боровое» – пашня, пастбища;

администрация Крутихинского СС – пастбища, залежи;

админи страция Подборнинского СС – пастбища;

администрация Пры ганского СС – пастбища, пашня;

фермерские хозяйства – пашня.

Агроландшафтами не являются земли Панкрушихинского мех лесхоза (землепользователь 8 на рис. 1.7), селитебные террито рии населенных пунктов Крутиха, Подборное, Прыганка. По скольку одной из целей данной работы является установление границ зон влияния канала, то в данном разделе площади угодий не приводятся.

В рамках данной работы будут рассматриваться вопросы фильтрации воды из канала, прогнозы изменения УГВ на приле гающей территории, прогнозы изменения водных почвенных режимов прилегающих земель. Учитывая принцип причинности в системном подходе, для выявления связей, осуществления предсказаний необходимо обозначить и обязательно рассматри вать целостную «надсистему», в которую входят в качестве «элементов» почвы и грунтовые воды данной территории. Рас смотрение проблемы на уровне агроландшафтов позволяет вы ходить на уровни управления, которые определяют в конечном итоге морфологическую составляющую антропогенной подсис темы агроландшафтов (рис. 1.7).

1.5. Информационная база и методы исследования Данная работа опирается на следующие научные источники:

- данные из научных статей, книг, журналов, монографий, опубликованных тезисов и докладов научных конференций, ав торефератов и диссертаций;

- официальные документы – кодексы, законы, бассейновые со глашения, целевые программы правительства РФ [55, 93, 192, 193];

- статьи сотрудников ИВЭП СО РАН по Бурлинской ООС [86, 87, 227];

- проектная документация институтов «Ленгипроводхоз», «Алтайгипроводхоз», «Алтайводпроект» по строительству Бур линской ООС разных лет исполнения [162-168, 173, 225, 253-255, 273, 274];

- отчеты по НИР выполненные ЛГМИ для опорных разрезов на ключевых участках для 1 и 2 очередей орошения, материалы ЛГВХ, ЗСГВХ РФ [222, 223];

- материалы литологических разрезов, карт, научных статей сотрудников Сибирского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации (СибНИИГиМ), выполненные для мелиоративных систем зоны Сибири: Алейской ОС, Барлыкской ОС, Боргойской МС, системы Хакасии и проектируемой Бур линской ОС [65];

- почвенные карты АлтайНИИГипрозема (1:500000, 1:100000), почвенные описания к картам и материалы почвенных разрезов, полуразрезов, прикопок, выполненные в 1986 году Львовским госуниверситетом для хозяйств Крутихинского района Алтай ского края [210-212];

- сельскохозяйственные карты Сибземкадастрсъемки и из данные на их основе атласы с картами различного масштаба [24-27];

- гидрологические ежегодники Западно-Сибирского регио нального научно-исследовательского гидрометерологического института наблюдений с 1936 по 2007 гг.;

- материалы гидрогеологических изысканий на территории Крутихинского района под проектировавшиеся массивы ороше ния, выполненные автором в составе 2-го бурового отряда экс педиционной партии института «Алтайгипроводхоз» (1986 г.);

- полевые материалы 6 экспедиций по изучению трассы Бур линского магистрального канала и прилегающих территорий в апреле-июле 2007, июле 2009 гг.;

- космические снимки Земли 2005-08 гг. на сайтах http://maps.

google.com, http://earth.google.com.

На основе системного подхода, в работе комплексно исполь зуются методы аналогов, топографического дешифрирования снимков, инженерно-геологических исследований, расчетно аналитические и методы математического моделирования и прогнозного анализа.

Метод аналогов предполагает изучение аналогичных систем и каналов, строительство которых уже завершено и имеется многолетний опыт их эксплуатации.

Алейская оросительная система с 1934 г. взаимодействует с природными системами различного уровня (Казанцев, 1976).

Длительный и успешный опыт эксплуатации выявил и ряд со путствующих негативных явлений: подъем уровня грунтовых вод, вторичное засоление, подтопление инженерных сооруже ний, жилых районов;

заболачивание. Начиная с 1984 г. учеными АГАУ разрабатывались программы мелиоративных исследова ний на территории Алтайского края. Объектами исследований были черноземы южные, каштановые, лугово-черноземные поч вы Алейской оросительной системы I и II очереди (Бурлакова, 1986, 1988;

Морковкин, 1991 и др.).

Рядом ученых и научных коллективов выполнялось различ ное мелиоративное районирование области влияния Кулундин ского канала: почвенно-мелиоративное (Ковалев, 1967;

Угланов, 1979), гидрогеолого-мелиоративное (Акуленко, 1979), гидроди намическое (Федосова, 1978б), агрогеологическое (Мосиенко, 1972), ландшафтно-индикационное (Викторов, 1976;

Винокуров, 1985, 1986;

Цимбалей, 1983, 1985 и др.), природно-мелиоратив ное (Винокуров, 1988). Это позволило взглянуть на объект ис следования с точки зрения многоотраслевой направленности.

Кроме того, выполнялся анализ гидрографии и водных ресурсов в зоне Кулундинского канала и рек Алтайского региона, а также анализ влияния водохозяйственных объектов на окружающую среду (Чураков, 1982, 1991, 1993).

Гидрогеолого-мелиоративные особенности Бурлинской ООС и проектировавшихся ранее участков орошения освещались в работах О.Г. Воробьева, Э.Г. Крылова, Г.А. Скобина, Ю.Н. Аку ленко, М.И. Рыжковского, П.А. Ляшенко, Е.Д. Кошелевой [11, 12, 222, 223]. Аспекты гидрологии и поверхностного стока р. Бурлы рассматривались в трудах [134, 222, 227, 272, 273].

Обширный фактический и многосторонний материал по Алейской ООС и Кулундинскому каналу способствовал форму лированию научной проблемы работы, а наработанные подходы были учтены в анализе структуры будущего влияния Бурлин ского канала. При изучении разных аспектов взаимодействия Бурлинского магистрального канала с прилегающими террито риями использовались как методы полевых наблюдений, так и вычислительные методы и методы математического моделиро вания.

Картографирование, применяемое в данном исследовании в средах ГИС (ArcGIS) и САПР (Компас 3D), отображающее мно гофакторную ландшафтную и геотехническую информацию, да ло возможность наиболее удобного обзора характеристик на большой площади и сопоставления их значений в разных частях рассматриваемой территории. С другой стороны, путём интер поляции становится возможным определение значения характе ристик в любой отдельной точке. Итогом картографического анализа в обозначенной области исследования является уста новление ареалов воздействий антропогенных и природных факторов. Формой прогноза являются тоже соответствующие карты ситуаций будущего.

В соответствии с ландшафтно-интерпретационным картогра фированием производство работ по изучению овражной эро зии на склонах Приобского плато нами выполнялось в 4 этапа (Коновалова, 2005). На 1-м этапе создавалась ГИС территории исследования, основанная на топографических картах, космиче ских снимках различного разрешения. На 2-м – готовились мате риалы для проведения экспедиционных работ, производится пер вичная обработка данных, затем на 3-м этапе создавалась легенда карты в соответствии с поставленными научно-прикладными за дачами. В заключении реализовывались алгоритмы совместной обработки данных этапов 1 и 3 в среде ArcGIS.

Поскольку крупные овражные системы различимы на косми ческих снимках, то в качестве ГИС в первом шаге использова лась версия Google Earth (http://earth.google.com), предназначен ная для свободного пользования. При топографическом дешиф рировании цветных космических снимков спутника QuickBird компании Digital Globe UTM (GoogleMaps) нами были выявлены границы четырёх овражно-балочных систем. Подготовленные материалы были использованы для планирования и проведения экспедиционных работ. При реализации четвертого этапа ис пользовались также результаты почвенных анализов (грануло метрический состав, гумус, pH водное, рН солевое) исследуемой территории [210].

При проведении полевых исследований склонов Бурлин ского канала измерение эрозионных, суффозионных и проса дочных форм рельефа производилось рулеткой и геодезической рейкой, измерение углов наклона и азимутов простирания – с помощью горного компаса. При детальном изучении отдельных форм рассматривались их продольный и поперечный профиль, линейные размеры, глубина и стадия развития. Стадия развития и степень активности эрозионных форм определялись в соответ ствии с методическими рекомендациями, изложенными в рабо тах [198, 242, 256]. Координаты точек наблюдения определялись с помощью GPS-приёмника (точность ±5 м). В группе эрозион ных форм рельефа нами учитывались крупные промоины, эро зионные рытвины и овраги. При определении опасности разви тия и распространения эрозионных и просадочных форм мы придерживались подхода, заложенного в рекомендациях из СНиП 22-01-95 «Геофизика опасных природных воздействий»

(СНиП 22-01-95). Предложенные в рекомендациях критерии были адаптированы исходя из особенностей развития процессов водной эрозии на склонах берм канала.

При изучении степени зарастания русла канала в закон сервированном, нерабочем состоянии использовались рекомен дации для определения коэффициента шероховатости по харак теру растительности, изложенные во «Временной методике оценки ущерба, возможного вследствие аварии гидротехниче ского сооружения» (2001). Данная методика разработана ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооруже ний», «Научно-техническим центром энергонадзора за плотина ми и энергосооружениями», АО институтом «Гидропроект», ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева».

При проектировании каналов в соответствии с требованиями СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения» гид равлический расчет каналов в зависимости от принятой схе мы водораспределения необходимо производить для устано вившегося (равномерного или неравномерного) или нестацио нарного режима движения воды. Для определения гидравличе ских характеристик потока для новых проектных расходов при заданной геометрии канала, в соответствии с подходами приня тыми в гидравлике, использовались итерационные методы (Чоу, 1969;

Железняков, 1981;

Чугаев, 1982). Нормальные глубины наполнения канала hн = f (m, b, n, i, Q) при известных значениях заложения откоса m, ширины канала по дну b, коэффициента шероховатости русла n, уклона i и расхода Q при равномерном движении воды были найдены расчетно-итерационным спосо бом с использованием современных компьютеров и программ ного обеспечения класса «электронные таблицы» (Excel).

Моделирование неравномерного безнапорного установивше гося движения воды в канале выполнялось в пять этапов:

1 – выбор математической модели движения воды в русле и ее численная реализация;

2 – программирование и подготовка электронного рельефа местности;

3 – моделирование процесса движения воды в компьютерной среде;

4 – разработка формы представления результатов;

5 – итоговый анализ.

Выбрана модель течения на основе одномерных нестацио нарных уравнений Сен-Венана, для решения которых постанов ка задачи содержит уравнение неразрывности:

и уравнение движения:

где t – время, с;

x – продольная координата вдоль русла, м;

W – площадь живого сечения, м2;

Q – расход, м3/с;

g – ускорение свободного падения, м2/с;

– отметка дна, м;

h – глубина потока, м;

n – коэффициент шероховатости;

R – гидравлический радиус, м.

Для решения этих уравнений (1.1) и (1.2) должны быть из вестны функции:

где w – площадь сечения, м2;

x – продольная координата вдоль русла, м;

h – глубина, м.

Заданные начальные условия:

Заданные граничные условия:

Для численной реализации использовался один вариантов неявного метода расщепления по физическим процессам, имеющий второй порядок аппроксимации по пространственной переменной. Расчеты проводились с шагом по x – 4,9 м и с ша гом по t – 20 с. Установление процесса при стационарных гра ничных условиях достигалось за 2000000 с.

Написанная программа предназначена для определения гид равлических параметров потока и может быть использована:

1) для определения гидравлических параметров каналов;

2) для оценок потока на заиляющие и размывающие скоро сти;

3) для расчета гидравлических параметров потока естествен ных водотоков.

При определении прогнозируемых потерь использовались подходы разных авторов (Костяков, 1960;

Зайдельман, 1996;

Ба кашев, 1973), в том числе и методика расчета фильтрационных потерь, предложенная в монографии ИВЭП СО РАН (Винокуров, 1985). При этом для приведения неоднородного грунта к одно родному слою рассчитывались средневзвешенные коэффициенты фильтрации для зоны аэрации по рекомендациям, изложенным в справочном пособии ВНИИ ВОДГЕО к СНиП 2.06.15-85 «Инже нерная защита территории от затоплений и подтопления» [224].

В завершение подсчитаны потери по формулам Н.Н. Павловско го в соответствии с рекомендациями СНиП 2.06.15-85 [262].

В прогнозном анализе опирались на разработанную терми нологию и методологию прогнозирования в природопользова нии (Емельянов, 2004), вводя временные и территориальные единицы прогнозирования. Выполняемый в работе прогноз по своему характеру является исследовательским, нацеленным на определение характера изменений природной подсистемы агро ладшафтов в зоне влияния канала исходя из тенденции развития ситуации в прошлом и настоящем. Поскольку исследование прошлого и настоящего является неотъемлемой частью про гнозного анализа, это предопределило необходимость рассмот рения проекта «Орошение в бассейне р. Бурлы. 1-я очередь строительства» в исторической ретроспективе.

Численное моделирование совместного движения по верхностных и грунтовых вод было начато в 2004 г. для моде лирования течения р. Оби по гранту Президента РФ для под держки ведущих научных школ РФ (№ НШ-22.2003.5) (Цхай, 2002). Математическая модель, которой придерживались в рам ках данной работы, основана на численных моделях процесса водообмена в гидролитосфере [6, 20, 92]. Предложенное мате матическое описание движения подземных и поверхностных вод является, во-первых, достаточно полным, во-вторых, реализуе мым на доступных компьютерах, в-третьих, позволяющим в ус ловиях Алтайского края собрать необходимую эмпирическую информацию. Полученные результаты приведены в авторских публикациях [131-133, 136-139, 141, 143].

Пространственная схема расчетной области приведена на ри сунке 1.8, разностная сетка численного решения краевой задачи – на рисунке 1.9.

Рис. 1.8. Пространственная схема расчетной области:

Г – граница расчетной области;

P1-P4 – русла рек;

B1, B2 – водоемы Рис. 1.9. Разностная сетка численного решения краевой задачи Модель. Для описания фильтрации грунтовых вод использу ется уравнение Буссинеска в следующем виде:

где x, y – декартовы координаты вдоль поверхности Земли, м;

H – абсолютная отметка уровня подземных вод, м;

Tx, Ty – водопроводимость в направлениях x и y, м2/сут.

Tx, Ty определяются как:

где kx, ky – коэффициенты фильтрации в направлениях x, y, м/сут.;

zn – отметка подошвы слоя, м;

zkp – отметка кровли слоя, м.

где µ* – коэффициент упругоемкости горизонта – количество воды в единице объема водоносного пласта, которое может быть выделено при снижении гидростатического µ** – коэффициент гравитационной водоотдачи;

V(x,y,t) – известный источник (сток), м3/с.

Характеристики приводились к единой размерности времени и длин – секунды и метры соответственно.

Для определения течения в реках и каналах используется уравнение диффузионных волн, являющихся упрощением урав нений Сен-Венана и применяемым для расчетов уровня воды в равнинных реках. При этом предполагается, что сеть рек можно представить в виде дерева (но не в виде графа).

где s – координата вдоль русла реки, м;

z – уровень воды в реке, м;

– площадь поперечного сечения потока, м2.

где n – коэффициент шероховатости Маннинга;

R – гидравлический радиус, м.

Боковой приток d:

где d1 – склоновый сток;

d3 – осадки и испарение.

Для моделирования уровня воды в водоемах используется балансовое соотношение, где суммирование ведется по всем ре кам, впадающим в водоем и вытекающим из него:

где z – уровень воды в водоеме, м.

Граничные условия для H выглядят следующим образом:

а) на границе Г:

где n – нормаль к границе Г;

B0 – коэффициент водообмена;

HG – постоянное значение абсолютной отметки.

б) на руслах рек:

где индексы «–» и «+» соответствуют левому и правому берегам n – нормаль к руслу реки.

Граничное условие для уравнений течения в реках записыва ется в виде:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 




Похожие материалы:

«УДК 349.6(075.8) ББК 67.407я73 Э40 Рецензенты: Красов О. И. — доктор юридических наук, профессор кафедры экологического и земельного права юридического факультета Мо- сковского государственного университета им. М. В. Ломоносова; Кафедра экологического и земельного права юридического факультета Оренбургского государственного университета. Экологическое право : учебник / под ред. С. А. Боголюбова. — Э40 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство Юрайт ; ИД Юрайт, 2011. - 482 с. - (Основы наук). ...»

«ОСОБО ОХРАНЯЕМЫЕ ПРИРОДНЫЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ современное состояние и перспективы развития ОСОБО ОХРАНЯЕМЫЕ ПРИРОДНЫЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ: современное состояние и перспективы развития Москва 2009 УДК 502/504 ББК 28.088 Особо охраняемые природные территории России: современное состояние и перспективы развития, авторы-составители В.Г. Кревер, М.С. Стишов, И.А. Онуфреня Книга подготовлена в соответствии с обязательствами Российской Федерации по выполнению Программы работ по особо охраняемым природным ...»

«ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО СЕЛЬСКО­ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Санкт-Петербург 2002 Б Б К 65.32-5 С 89 Сулин М. А. С 89 Землеустройство сельскохозяйственных предприя­ тий: Учебное пособие. — СПб.: Издательство Лань, 2002. — 224 с. — (Учебники д л я вузов. Специаль­ ная литература). ISBN 5-8114-0422-0 Настоящее учебное пособие написано в соответствии с об­ щ е й п р о г р а м м о й у ч е б н о г о к у р с а п о м е ж х о з я й с т в е н н о м ...»

«1 2 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НОВОЧЕРКАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕЛИОРАТИВНАЯ АКАДЕМИЯ (ФГБОУ ВПО НГМА) ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДООХРАННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЛАНДШАФТОВ Материалы международной научно-практической конференции посвященной 100-летию выпуска первого мелиоратора в России (24-25 апреля 2013 г.) часть 1 Новочеркасск Лик 2013 3 УДК 502.5 (06) ББК 26.7.82:20.18я43 П781 ...»

«Муниципальная информационная библиотечная система г. Томска Экологические проблемы Томской области Сборник дайджестов Выпуск 1 Томск - 2004 ББК 20 Э40 Составители: гл. библиограф Е. А. Сибирцева (МБ Северная МИБС); гл. библиотекарь В. Г. Белицина (МБ Северная МИБС) Экологические проблемы Томской области: сборник дайджестов / Сост. Е. А. Сибирцева, В.Г. Белицина.- Томск: МИБС Вып. 1. – 2004.- 172 с.: ил. В первый выпуск включены следующие дайджесты: Здоровье человека и окружающая среда (вып.1,2) ...»

«д. с. ОРЛОВ ХИМИЯ ПОЧВ Допущено Министерством высше­ го и среднего специального обра­ зования СССР в качестве учеб­ ника для студентов высших учеб­ ных заведений, обучающихся по специальности Агрохимия и поч- воведение ИЗДАТЕЛЬСТВО московского УНИВЕРСИТЕТА 1985 УДК 631. Орлов Д. С. Химия почв: Учебник. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985. — 376 с. ил. В учебнике последовательно излагаются вопросы истории химии почв, ее ис­ пользования в практике сельского хозяйства, химические свойства и состав ...»

«Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Международный государственный экологический университет имени А.Д. Сахарова Факультет мониторинга окружающей среды Кафедра экологического мониторинга, менеджмента и аудита С. Е. Головатый, С. В. Савченко, С. С. Позняк, О. В. Чистик МОНИТОРИНГ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗЕМЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ Под общей редакцией доктора сельскохозяйственных наук, профессора С. Е. Головатого Учебное пособие Минск 2009 УДК 631:504.054 ББК 40:26.2 М77 ...»

«Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Международный государственный экологический университет имени А.Д.Сахарова О. В. Чистик, С. Е. Головатый, С. С. Позняк ОБЩАЯ И РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ МОНОГРАФИЯ Минск 2012 1 УДК 631:504:054 ББК 40:26.2 Ч68 Рекомендовано к изданию научно-техническим советом Учреждения образования Международный государственный экологический университет имени А.Д.Сахарова (протокол № 1 от 25 января 2012 г.) А в то р ы : О. В. Чистик, д.с/х.н., ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН ФГБОУ ВПО БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ООО БАШКИРСКАЯ ВЫСТАВОЧНАЯ КОМПАНИЯ ИННОВАЦИОННОМУ РАЗВИТИЮ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА – НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Часть I ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, ОХРАНА И ВОСПРОИЗВОДСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ ЖИВОТНОВОДСТВА И ВЕТЕРИНАРИИ ...»

«ГИДРОФИЛЬНЫЙ КОМПОНЕНТ В СРАВНИТЕЛЬНОЙ ФЛОРИСТИКЕ БОРЕАЛЬНОЙ ЕВРАЗИИ Научный редактор А. И. Кузьмичев Рыбинск, 2005 УДК 581/9(47+57)+581/524/444/3 ГИДРОФИЛЬНЫЙ КОМПОНЕНТ В СРАВНИТЕЛЬНОЙ ФЛОРИСТИКЕ БОРЕАЛЬНОЙ ЕВРАЗИИ Научный редактор А.И. Кузьмичев Сборник научных статей включает работы по структуре флоры и растительности водоемов. Анализируется таксономия, синтаксономия и динамика гидрофитов. Обсуждаются ареалогические и генезисные связи, эколого-биологические особенности. Внимание уделено ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРОБЛЕМЫ ЭКОНОМИКИ Сборник научных трудов Основан в 2005 году Выпуск 1 (10) Именный указъ, данный Сенату Изыскивая способы къ постепенному усовершенствованiю земледълiя въ Имперiи нашей, яко главнъйшаго источника богатства частнаго и общаго, учредили Мы … особый Комитетъ …, но какъ главный способъ къ достиженiю столь желаемой цъли состоитъ въ ...»

«Государственное научное учреждение ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РАДИОЛОГИИ И АГРОЭКОЛОГИИ Государственное научное учреждение ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ И ЗАЩИТЫ ПОЧВ ОТ ЭРОЗИИ Открытое акционерное общество АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ _ МЕТОДЫ ОРГАНИЗАЦИИ И ВЕДЕНИЯ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ В ЗОНАХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ В РЕГИОНАХ РАЗМЕЩЕНИЯ ...»

«Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет Н.П. ЮМАШЕВ, И.А. ТРУНОВ ПОЧВЫ ТАМБОВСКОЙ ОБЛАСТИ Мичуринск – Наукоград РФ 2006 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК 631.4 (471.326) ББК 40.3 (235.45) Под общей редакцией профессора И.А. Трунова Рецензенты: доктор с.-х. наук, профессор Л.В. Бобрович (Мичуринский государственный ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет В.А. СОЛОПОВ РАЗВИТИЕ РЕГИОНАЛЬНОГО РЫНКА ЗЕРНА И ХЛЕБОПРОДУКТОВ Мичуринск - наукоград РФ 2006 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК 338.439.5:633.1:332.142.4 ББК 65.32:42.112:65.04 С 60 Р е ц е н з е н т ы: Доктор экономических наук, профессор В.В. Текучев ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет Л.А. САБЕТОВА, А.В. ЗЮЗЯ ФОРМИРОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБОРОТНЫХ СРЕДСТВ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Мичуринск - наукоград РФ 2006 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК 338.43:658.153 ББК 65.32 – 5 С 12 Рецензенты: доктор экономических наук, профессор Н.И.Прока доктор ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет А.А. КУЗНЕЦОВ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ РОССИИ В ФОРМАХ ОРГАНИЗАЦИИ ОБЩЕСТВЕННОГО ТРУДА И ПРОИЗВОДСТВА Мичуринск - наукоград РФ 2006 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК ББК К89 Р е ц е н з е н т ы: доктор экономических наук, профессор А.С. Квасов доктор ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет В.И. Горшенин, Н.В. Михеев, Ю.А. Тарабукин, С.В. Соловьев МАШИНЫ ДЛЯ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР Допущено Учебно-методическим объединением вузов по агроинженерному образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 110300 – Агроинженерия Мичуринск – ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет Н.В. АНТОНЕНКО ИДЕОЛОГИЯ И ПРОГРАММАТИКА РУССКОЙ МОНАРХИЧЕСКОЙ ЭМИГРАЦИИ Мичуринск - наукоград РФ 2008 1 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК 325.252:321.Э27 Рекомендовано к печати методическим советом ББК 66.1(2)6:67.400.6 социально-гуманитарного факультета ...»

«Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет Б. И. СМАГИН ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА Мичуринск – наукоград РФ 2007 1 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК 338.432:519.237 ББК 65.32:65.051.03 С50 Рецензенты: доктор экономических наук, профессор Б.И. Герасимов доктор ...»






 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.