Влияние типа водосбора на заиление прудов в период весеннего снеготаяния

Исследования по заилению прудов могут решать различные задачи. Для гидрологов важна скорость осадконакопления, для исследователей эрозии – оценка трансформации стока наносов по русловой сети [10].

А.Н Шумаков [17] при обследовании искусственных водоемов Центрального Черноземья установил, что пруды и водохранилища являются частью эрозионно-русловой системы, так как их водосборы служат источником эрозионного материала, а сами водоемы аккумулируют значительную часть (более 90%) перемещающихся по гидрографической сети наносов.

Л.Ф. Литвин [11], проведя исследования заиления каскада прудов на Северном Кавказе и обобщив материалы по Европейской территории России, Западной Сибири и Казахстану, пришел к следующим выводам: а) транзитная часть наносов прудов составляет около 2%; б) основная часть наносов поступает в пруды при размыве берегов (18-50%) и смыве почв ближних к водоему склонов (36-68%); в) смыв со склонов преобладает над поступлениями наносов из основного водотока.

Заиление прудов, рек и водохранилищ происходит чаще всего в период снеготаяния, именно в это время годовой сток и мутность талых вод бывают самыми большими. В разных регионах нашей страны распределение годового стока различно. Так, при изучении гидрологического режима рек южного Сахалина А.А. Чайко [15] установил, что на весеннее половодье в среднем приходится 62% годовой величины стока, а на летне-осенний период – 32%. На территории Южного Предуралья большая часть годового стока приходится также на весенний сезон. По данным А.М. Гареева [5], на этот период приходится 64-74% годового стока. Средняя годовая величина стока взвешенных в речных потоках наносов со всей территории Башкортостан составляет около 30 млн т, или 23 т/км2. Весной (апрель-май) по рекам проходит свыше 90% всего годового стока взвешенных наносов [3].

Скорость осадконакопления в прудах лесной зоны изменяется в достаточно широком диапазоне. Так, в Белоруссии за год в прудах откладывается от 2,5 до 14,0 мм осадка [16], а в Татарстане – от 0,13 до 1,5 мм [2].

Многими исследователями показано, что степень заиления водных объектов зависит в основном от сельскохозяйственной освоенности и природноклиматических условий региона. По данным С.Г. Курбанова и Л.В. Петренко [9], в слабо освоенных бассейнах в лесной и лесостепной зонах скорость пойменного осадконакопления составляет 0,0-0,35 мм/год, а в сильно освоенных достигает 20-25 мм/год. В лесной зоне за все время сельскохозяйственного использования земель скорость осадконакопления на поймах малых рек составляет 3,0 мм/год, в лесостепной и степной зонах увеличивается до 4,6-13,0 мм/год. При этом максимальные скорости формирования наилка отмечались в период интенсивной распашки территории и в соответствующих природных зонах имели значения от 4,9 до 33,0 мм/год [6].В целом, как отмечает А.А. Пе-ревощиков [13], антропогенно обусловленный наи-лок формируется только на реках и прудах с нарушенными в пределах водосбора ландшафтами.

Следует также отметить, что скорость осадконакопления зависит от размеров площади прилегающего водосбора, а величина твердого стока прямо пропорциональна его площади. Так, по данным В.Л. Рохмистрова [14], при площади пашни более 100 га, примыкающей к пойме (водному объекту), скорость осадконакопления в них составляет 10-80 мм/год; при площади пашни 5-10 га скорость уменьшается до 8 мм/год, а в залесенных водосборах этот показатель не превышает 0,6 мм/год. Известно, что в большие реки попадает только 1% смытого материала. До малых рек и водоемов доходит 3-5% твердого стока, а остальная часть твердых продуктов эрозии отлагается по пути движения потока воды. Причем площадь территорий, на которых преобладают аккумулятивные процессы, как правило, меньше, чем площадь, с которой приносится аккумулирующийся материал [8].

Многие исследователи при изучении заиления прудов и водохранилищ до недавнего времени рас- сматривали их как изолированные гидрологические объекты. Процессы заиления прудов интересовали этих авторов прежде всего в плане оценки трансформации стока наносов в русловой сети, но при этом оставался непонятным вопрос о генезисе донных отложений и интенсивности поступающего эрозионного материала. Но в последнее время В.Б. Михно и А.И. Доброва [12] стали рассматривать пруды и водоемы не как замкнутые единицы, а как часть гидрографической системы. Они считают, что искусственные водоемы являются аквальными ландшафтами, функционирующими в составе природно-территориальных комплексов различного ранга и иерархической соподчиненности.

Как известно, заиление прудов и водохранилищ может происходить за счет как внутренних, так и внешних процессов. Внутреннее заиление может происходить за счет волнового обрушения берегов и переработки дна, оседания на дно взвесей, образующихся вследствие биологической активности организмов и физико-химических процессов внутри водоема. Внешние процессы обусловлены, прежде всего, поступлением и аккумуляцией в них мелкозема, смываемого с прилегающих территорий временными или постоянными водотоками, в меньшей степени – эоловым накоплением.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния типа водосбора (под лесом и пашней) на характер и скорость заиления прудов.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на прудах, являющихся замыкающим звеном водосбора занятого сельскохозяйственными угодьями (зябь – 60%, стерня многолетних трав – 25%, сенокос – 15%) общей площадью 41,3 га (пруд-1) и преимущественно лесного водосбора (лес – 90%, сенокос – 10%) площадью 40,9 га (пруд-2). Основное назначение прудов – источники воды для орошения близлежащих сельхозугодий и водопоя для скота. Площадь зеркала пруда-1 составляет 279 м2 при отметке 147,2 м, длина береговой линии 271 м. Площадь зеркала пруда-2 составляет 620 м2 при отметке 147,5 м, длина береговой линии 472 м. Объем пруда-1 при НПУ составляет 115 м3, а пруда-2 – 220 м3.

Заиление прудов определялось промерами глубин по намеченным створам с использованием нивелира Setl. Определение некоторых агрохимических свойств наилка и гранулометрического состава проводили общепринятыми методами [1, 4].

Рис. 1. Топографический план места проведения исследований по заилению прудов

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Заиление изученных прудов происходит в основном за счет внешних факторов, прежде всего поступления в них мелкозема, доставляемого талыми водами, внутренние процессы играют незна- чительную роль. В условиях примерно одинаковой крутизны (35 промилле) и длины склонов (около 1 км), площади водосбора и типа почвы (чернозем выщелоченный среднегумусный тяжелосуглинистый) основное значение в характере доставки в пруд эрозионного материала приобретает состояние поверхности почвы и наличие растительности (табл. 1). Как видно из полученных данных, в 2009 и 2010 гг. при большой глубине промерзания (81 и 67 см соответственно) содержание взвешенных на- носов в талой воде, стекавшей по полевому водосбору, было в 15-18 раз выше, чем под лесом. В 2011 г. при небольшой глубине промерзания (38 см) и высокой впитываемости воды почвой сток был незначительным.

Таблица 1 . Влияние типа водосбора на показатели заиления прудов

Водосбор, пруд	Плотность 0-10 см 2011 г, г/см3		Содержание взвешенных наносов в эрозионном потоке с водосборов, кг/га			Количество аккумулированного наилка в прудах, кг			Скорость заиления, мм/год			Коэф. доставки
	Сложения	Твердой фазы
			о	8	8	о	S	8	о	8	8
Поле, пруд-1	1,01	2,39	77	72	0,4	1290	1161	485	4,58	4,12	1,72	25
Лес, пруд-2	0,71	2,39	5	4	0,1	40	31	9	0,09	0,07	0,02	20

При движении водно-эрозионного потока часть взвешенных наносов оседает в транзитном ландшафте. Очевидно, что лесным водосбором они задерживаются в большей степени, чем полевым. Количество поступающего материала в замыкающие звенья гидрографической сети достаточно надежно подтверждается коэффициентом доставки наносов Кд, предложенным В.Н. Голосовым [7], который для средних водосборов составляет 10-40%. Наши расчеты показали, что коэффициент доставки по лесному водосбору составил около 20%, а полевому – около 25%.

Это привело и к различной аккумуляции наилка в прудах и скорости их заиления, которая в первом случае составила в среднем за 3 года 0,06 мм/год, а во втором –3,51 мм/год. При такой скорости заиления заполнение пруда-1 взвешенными наносами (при отсутствии очистки) может произойти через 150 лет, а пруд-2 сохранится практически в полном мг дм3

объеме достаточно долго. Следует отметить, что распределение наносов по чаше прудов было не равномерно: большее количество донных отложений наблюдалось у северных (пруд-1) и севернозападных берегов (пруд-2), где была сильно выражена боковая приточность. Так, в 2009 г. после снеготаяния их мощность достигала 98 мм и 4 мм соответственно, в других же частях прудов аккумуляция наносов была незначительной.

О характере заиления можно судить также исходя из мутности воды в прудах при снеготаянии (рис. 2). Из рисунка 2 видно, что в начале снеготаяния она была почти одинаковой (30,8 мг/дм3 – пруд-1 и 27,4 мг/дм3– пруд-2). В середине апреля были зафиксированы максимальные значения мутности – 114 (пруд-2) и 246 мг/дм3 (пруд-1), которая уже через сутки начала резко уменьшаться и стремиться к выравниванию.

Рис. 2 . Динамика изменения мутности в прудах при снеготаянии, 2011 г.

При анализе скорости заиления прудов в зависимости от мутности воды в прудах была выявлена высокая корреляционная связь:

M = 7,5m - 66,3 (R=0.94)(1)

M = 0,5m – 5,0 (R=0.90)(2)

I = 0,027m - 0,259 (R=0.95)(3)

I = 0,001m - 0,008 (R=0.92) (4)

Полученные уравнения позволяют спрогнозировать количество поступившего материала (M, кг) в пруды в зависимости от средней мутности воды за период снеготаяния (m, мг/л). Например, при средней мутности воды 100 мг/л, в пруд-1 попадет 680, а в пруд-2 – 46 кг наилка.

Уравнения 3 (для пруда-1) и 4 (для пруда-2) позволяют определить среднюю скорость заиления (I, мм/год) прудов в зависимости от средней мутности воды за период снеготаяния(m, мг/л). Например, при средней мутности воды 100 мг/л, скорость заиления пруда-1 составит 2,44, а пруда-2 – 0,08 мм/год.

Данные уравнения позволяют с достаточной точностью определить среднюю скорость заиления и количество поступившего в пруды материала, используя только значения мутности воды за период снеготаяния. Следовательно, не прибегая к трудоемким полевым измерениям можно оценить скорость заиления других прудов.

Агрохимический анализ донных отложений

(табл. 2) показал, что содержание органического вещества и питательных элементов в них соизмеримо с их количеством в почвах прилегающих территорий. Вместе с тем отложения пруда замыкающего лесной водосбор (пруд-2) содержат несколько больше гумуса и азота, что обусловлено с одной стороны их большим содержанием в почвах под лесом, а с другой – преобладанием мелкодисперсных фракций смываемой почвы в условиях менее интенсивного стока. Как видно из таблицы 3, в составе наилка пруда-2 содержится меньше песка и больше пыли, особенно мелкой (37%); гранулометрический состав отложений – среднеглинистый. В составе наилка пруда-1 содержание физического песка и физической глины примерно одинаково; гранулометрический состав – легкоглинистый.

Таблица 2. Агрохимический состав донных отложений

Агрохимический показатель	Пруд-1	Пруд-2
Гумус, %	4,08	5,59
Кальций, мг-экв/100 г	40	42
Магний, мг-экв/100 г	10	10
Валовой фосфор, мг-экв/100 г	168,03	124,99
Подвижный фосфор, мг-экв/100 г	2,47	3,82
Щелочногидролизуемый азот, мг/кг	217	294

Таблица 3 . Гранулометрический состав донных отложений

Место взятия образца	Удельная масса, г/см3	ГВ,%	Размер фракции, мм.; их содержание, %						Сумма размером	частиц
			10,25	0,250,05	0,050,01	0,01 0,005	0,0050,001	<0,001	>0,01	<0,01
Пруд № 1	2,39	4,86	0,25	14,87	33,71	9,98	23,05	18,14	48,83	51,17
Пруд № 2	2,39	5,12	0,21	5,11	28,93	10,48	37,41	17,86	34,25	65,75

Заиление пруда, замыкающего полевой водосбор, происходит более интенсивно, чем лесной, причем в первом полное заиление (при отсутствии очистки) может произойти через 150 лет, а во втором – сохранится практически в полном объеме достаточно долго.

Взвешенные наносы в водном потоке с лесного водосбора характеризуются более тяжелым гранулометрическим составом по сравнению с полевым и содержат больше органического вещества, щелочногидролизуемого азота и подвижного фосфора.

Получены уравнения, позволяющие с достаточной точностью определить среднюю скорость заиления и количество поступившего в пруды материала, используя только значения мутности воды за период снеготаяния.