Влияние растительного покрова на сток реки Актай

Вопрос о непосредственном влиянии растительного покрова водосборов на величину стока рек остается в течение долгого времени дискуссионным. Распространение растительности и поверхностный сток на водосборах зависят в первую очередь от климата данной территории. При одинаковых климатических условиях эта зависимость определяется рядом других причин, в частности, ландшафтными условиями территории. Основным элементов ландшафта в данном случае является геоморфология местности, обуславливающая процессы стекания воды по поверхности земли, уровень залегания грунтовых вод, состав и генезис почв, типы биогеоценозов и др.

Влияние на сток этих не климатических факторов затушевывается для крупных речных бассейнов, на которых выявить влияние растительности на сток в «чистом» виде гораздо труднее вследствие совместного компенсирующего действия других факторов.

Целью данного исследования явилась возможность определения степени влияния растительности на речной сток бассейна малой реки с помощью компьютер- ных программ, моделирующих влияние различных природных факторов на величину поверхностного стока. Среди большого количества компьютерных разработок была выбрана специализированная программа под названием «Комплексная программа распределенной гидрологической модели «Гидрограф» [Макарьева…, 2018]. Данный программный комплекс представляет собой математическую систему, которая может быть использована для любого географического района и речного бассейна любого размера. Параметры, отражающие процессы формирования всех видов стока, в данной системе распределены по площади бассейна (упорядоченная система репрезентативных точек), а также по вертикали в пределах почвенно-растительной колонки – лито-педо-фитона (расчетные слои почвы). «Гидрограф» является универсальным, поскольку дает возможность в рамках целостной системы моделировать процессы формирования стока, позволяя спрогнозировать зависимость стока от отдельных стокообразующих природных факторов, будь то климат, геолого-почвенные условия или характер растительности на водосборе.

Программный комплекс разработан под руководством профессора Ю.Б. Виноградова в Государственном гидрологическом институте г. Санкт-Петербурга [Hydrograph model].

Материалы и методы . В основе данного исследования, направленного на выявление взаимосвязи растительного покрова водосбора малой реки и величины речного стока, лежат статистические методы, позволяющие определить тенденцию изменения стока и установить причины ее вызывающие.

Объектом данного исследования является малая река Актай (75.3 км длиной), протекающая по территории Алькеевского и Алексеевского муниципальных районов Республики Татарстан. В работе использованы данные стационарных наблюдений за гидрологическим режимом реки (19802016 гг.), которые ведутся на гидрологическом посту, расположенном на 35 км от устья у с. Караваево, замыкающего площадь в 690 км². Водосбор реки представляет собой склоновый тип местности (приводораздельные, средние и нижние части склонов долины) [Атлас…, 2005]. В ландшафтах водосбора «скрещиваются взаимные влияния общего и местного климата с одной стороны, рельефа, геологических условий с другой, растительности и животного мира с третьей и т.д.» [Ландшафты…, 2007]. Рельеф территории характеризуется как слаборасчлененный. Это определяется небольшой высотой местности и молодостью слагающих ее отложений. Для территории характерно сравнительно небольшое количество осадков, рассредоточение поверхностного стока по длинным, уплощенным склонам и хорошая проницаемость грунтов.

По средней многолетней величине го основу расчетов, были построены наблюденные (фактические) суточные гидрографы стока, отражающие средний сток со всего водосбора. Для определения влияния растительного покрова на сток р. Актай на исследуемой части водосбора были выделены однородные по типу формирования стока участки, так называемые стокоформирующие комплексы (СФК), которые в модели «Гидрограф» представлены набором репрезентативных точек, расположенных в пределах водораздельного контура и упорядоченных в виде гексагональной сетки. Каждой репрезентативной точке приписывается тяготеющая к ней площадь водосбора, для которой определены географические координаты, ориентация, уклон и расстояние по русловой сети до замыкающего створа, а также сочетание типов почв, растительности и топографических условий. Особое внимание было уделено почвенно-растительному покрову, который был проанализирован на уровне преобладающих типов ассоциаций – лесных и степных. На изучаемой территории выделено два вида СФК, представленных на рисунке 1.

* Гидропост Каравасво

• Репрезентативные точки

— Река Актай

Стокоформирующие комплексы

■ Черноземы выщелоченные, лесостепные, разнотравно-ковыльные луговые степи

■ Темно-серые лесные почвы, широколиственно-лесные, осиновые леса

Рис. 1. Стокоформирующие комплексы в бассейне р. Актай

СФК №1 представляет собой степную территорию, в почвенном покрове которой преобладают выщелоченные черноземы, являющиеся основными почвами территории, под разнотравно-ковыльными луговыми степями. Доминирующим видом растительного покрова является ковыль перистый (Stipa pennata), адонис весенний (Adonis vernalis), василёк русский (Centaurea ruthenica), резак обыкновенный (Falcaria vulgaris).

СФК №2 представляет собой территорию, относящуюся к району семигумид-ных широколиственных, осиновых (Populus tremula) неморальнотравяных ос-тепненных лесов, в почвенном покрове которых преобладает темно-серая лесная почва.

Для каждого СФК были построены расчетные суточные гидрографы стока.

Результаты исследования. Наблюденные или фактические гидрографы суточного стока, построенные по данным гид- ропоста Караваево, были сопоставлены с рассчитанными гидрографами суточного стока, полученными в результате моделирования для каждого СФК. Для такого моделирования были выбраны года с наилучшим значением критерия качества Нэ-ша-Сатклиффа, который используется в гидрологическом моделировании для оценки сходимости рассчитанных и наблюденных рядов стока, которые выбирались из ряда гидрографов, смоделированных при естественных условиях водосбора. Наилучшее совпадение рассчитанных и наблюденных гидрографов стока отмечается в период 1999-2001 гг. Результаты моделирования для каждого СФК представлены на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Рассчитанные и наблюденные гидрографы стока СФК №1

Рис. 3. Рассчитанные и наблюденные гидрографы стока СФК №2

На водосборе с преобладанием разнотравно-ковыльных луговых степей (СФК №1), рассчитанные пики половодья (1999, 2001 гг.) превышают наблюденные (фактические) значения. Причем в 2001 году отмечается целая волна нарастающих по времени и величине пиков с максимумом значений. В 2000 году наблюденный и расчетный гидрографы практически совпадают. Рассчитанные гидрографы отражают более быстрое прохождение половодья по времени.

На водосборе с преобладанием осиновых неморальнотравяных, иногда остеп-ненных лесов (СФК №2) наблюдается обратная картина. Рассчитанные пики половодья меньше, чем наблюденные (фактические), кроме 1999 года, когда отмечается максимальное половодье выбранного периода. По времени прохождения половодья и объемам стока половодье 1999 года проходило практически одинаково на территории обоих СФК. Половодье 2001 года характеризуется не плавным как в другие годы, а таким же скачкообразным нарастанием расходов с формированием нескольких пиков, но их величина оказывается ниже, чем в СФК №1.

Сопоставление наблюденных (фактических) и рассчитанных гидрографов показывает, что время наступления основных фаз гидрологического режима, и в частности, весеннего половодья, на р. Актай и на степных и на лесных территориях совпадает. Но отмечено четкое отличие в величине пиков (максимальных расходов) половодья.

Сопоставляя рассчитанные гидрографы, построенные для двух видов территории (степь и лес) и представленные на рисунке 4, отметим, что максимумы половодья на степных территориях выше, чем на лесных водосборах.

Рис. 4. Рассчитанные гидрографы стока для СФК №1 (синяя кривая) и СФК №2 (красная кривая)

Это подтверждает и рассчитанный среднемноголетний водный баланс территории, который показал, что слой стока при условии покрытия водосбора степной растительностью составляет 172 мм, а при условии произрастания леса всего 120 мм.

Следовательно, смоделированная ситуация подтвердила общее признание многих исследователей о том, что лес замедляет снеготаяние, весьма эффективно поглощая воду, стекающую по поверхности, чем способствует снижению объема и высоты пика весеннего половодья.

Заключение. Для выявления изменения речного стока под воздействием растительного покрова была использована специализированная «Комплексная програм- ма распределенной гидрологической модели «Гидрограф», с помощью которой были смоделированы процессы формирования стока для степных и лесных водосборов.

Для данных типов водосборов были получены расчетные гидрографы стока, сопоставление которых с гидрографами наблюдаемого (фактического) стока гидропоста Караваево показали, что рассчитанные параметры стока, полученные для степных водосборов, превышают наблюденные значения, а для лесных водосборов они ниже фактических значений. На степных водосборах весеннее половодье начинается немного раньше, чем на лесных территориях. При одинаковых размерах водосборов малых рек, одинаковых клима- чинается несколько ранее и бывает больше тических и гидрогеологических условиях величина безвозвратных потерь на инфильтрацию возрастает с увеличением лесистости, а, следовательно, происходит и уменьшение стока.

Сравнение рассчитанных гидрографов для двух видов территории (лесные и степные площади) отражает такую же картину - при одинаковых размерах водосборов, климатических и гидрогеологических по величине, чем в условиях покрытия водосбора лесной растительностью.

Таким образом, полученные с помощью программы «Гидрограф» параметры стока р. Актай, отразили влияние растительных насаждений (степных и лесных) на поверхностный сток, формирующийся на малых площадях водосбора, и подтвердили теорию о том, что сток со степных территорий больше чем с лесных водосборов.

условиях половодье в условиях степи на-