ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ РАБОТЫ НА АГРАРНЫХ ЛАНДШАФТАХ

1. Ю. В. Матисевич. Десятая проблема Гильберта. М.: Физматлит, 1993

2. В. Липский. Комбинаторика для программистов. Мир, М. 1988.

4. Э. Рейнгольд, Ю. Нивергельт, Н. Део. Комбинаторные алгоритмы. Теория и практика. Мир. М. 1980.

 

ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ РАБОТЫ НА АГРАРНЫХ ЛАНДШАФТАХ

Вопросы лекции:

1. Аграрные ландшафты и их деградация

2. Полезащитные инженерно-биологические мероприятия.

3. Противоэрозионные инженерно- биологические работы в балках.

4. Инженерно-биологические работы при создании водоемов.

 

1.

Аграрный ландшафт (агроландшафт)— это территориальная система, состоящая из взаимодействующих природно-антропогенных компонентов, обеспечивающих получение сельскохозяйственной продукции. Обычно агроландшафт формируют на основе природного ландшафта с учетом рельефа местности и почвенно-климатических особенностей.

По функциональному назначению агроландшафты подразделяют на полевые, лугопастбищные, лесоаграрные, садовые и др. По степени антропогенного воздействия они могут быть неосвоенными целинными, освоенными распаханными, залежными, окультуренными, мелиорированными, акультурными и деградированными (опустыненными).

Морфологической частью агроландшафта служит агроурочище, выделенное на основе мезоформы рельефа — ложбина, лощина, блюдцеобразное понижение, участок склона и т.п. В пределах агроурочища находятся агрофации (комплексы самого низкого таксонометрического ранга), выделяемые на основе уровней грунтовых вод, почвенной разности и степени деградированности, мелиоративной обстановки, биоценоза и т.п. К агрофациям относят полезащитные лесные полосы, полевые дороги, противоэрозионные гидротехнические сооружения (террасы, валы с широким основанием на пашне) и различные инженерно-биологические сооружения.

Агроландшафты испытывают негативное воздействие природных явлений в виде суховеев, засух, заморозков и морозов, ветровой и водной эрозии и пр.

Чем больше природный ландшафт преобразован человеком, тем сильнее негативные явления нарушают структуру агроландшафта и тем больше требуется вложения дополнительной энергии (к энергии Солнца) для сохранения его устойчивости и продуктивности.

Существенный вред продуктивности и устойчивости агроландшафтов наносится там, где их функциональное назначение научно не обосновано, отсутствует адаптивное (приспособительное к условиям природной среды) хозяйствование и нарушены пределы вмешательства в природу. Предел воздействия должен обеспечивать саморегуляцию и природосберегающее антропогенное управление.

Если не соблюдать эти принципы, то в процессе эксплуатации культурные агроландшафты переходят в акультурные, а затем - в деградированные. Между культурным и деградированным состоянием ландшафты проходят несколько стадий:

Стадия экологической нормы(ЭН) соответствует слабому уровню деградации ландшафта, когда нарушения его структуры не проявлены, поддерживается почвенное плодородие, не зафиксированы процессы опустынивания, сохраняется биоразнообразие.

Стадия экологического риска (ЭР) наступает тогда, когда проявляются признаки деградации на площади до 20%, вызывая на ней падение биологической продуктивности ландшафта. Очаговая деградация при этом не угрожает общей устойчивости ландшафта.

Стадия экологического кризиса (ЭК) фиксируется при признаках деградации, проявляющихся на площади 20-50%. Это вызывает падение биологической продуктивности и устойчивости ландшафта и ухудшение его средозащитных функций.

Стадия экологического бедствия (ЭБ) соответствует деградационным процессам, охватывающим 50-100% площади ландшафта, который уже не выполняет своих средозащитных и продуцирующих функций.

 

2.

В современных условиях при развитии сельскохозяйственного производства отмечаются общие негативные экологические последствия ряда мелиорации для окружающей среды.

Известно, что основными приемами стабилизации мелиоративного режима являются осушительные системы, промывка почвы и агротехника. Однако, многие специалисты - мелиораторы говорят о ряде негативных экологических последствий этих приемов. Они связаны с усилением вымывания питательных веществ и пестицидов из почвы, изменении условий почвообразования, загрязнении водоемов, рек химическими и биогенными веществами, поступающими с дренажными водами, изменении гидрогеологической и гидрологической обстановки на сопредельных территориях.

Анализ существующих подходов и методов оптимизации мелиоративного режима в России, а также США, ФРГ, Канаде, Франции и др. показывают, что даже при соблюдении всех возможных технологических, эксплутационных, организационно-хозяйственных и иных условий водная мелиорация сопровождается ускорением геологического круговорота воды и питательных веществ, снижением скорости биологического круговорота, а также падением качества сельскохозяйственной продукции. В конечном итоге это приводит к скачкообразному «переключению» мелиорируемой системы из одного стационарного состояния в другое (тригерное свойство открытых систем), которое имеет качественно более низкий уровень. Требуется поиск новых путей создания устойчивых, экологически безопасных агроландшафтов. Они должны состоять в целенаправленном регулировании мелиоративного режима непосредственно с помощью естественных сил природы, одним из главных звеньев которых выступают лесные сообщества и в частности, защитные лесные насаждения, как наиболее мощные, саморегулирующиеся и долговечные экосистемы. Их создание не требует больших капиталовложений, которые составляют всего лишь 1,5% от стоимости инженерного дренажа.

С системой защитных лесонасаждений (ЗЛН) создаются эколо­гически надежные орошаемые агроценозы по схеме «Агроценоз - оросительные системы - лесомелиоративный комплекс – осушительные системы - природоохранные мероприятия», позволяющие снизить энергетическую нагрузку до 8-11 ГДж/га.

Лесомелиоративные комплексы (ЛМК) или ЗЛН используются в общей гидромелиоративной системе в качестве активного регулятора водно-солевого режима почвы, мощного фактора повышения ее плодородия, урожайности полевых культур, а в сочетании с другими приемами (агротехника, внесение микроэлементов и удобрений) и общей продуктивности агроландшафтов.

В системе лесонасаждений формируются своеобразие водно-солевой и гидрологический режимы, обеспечивающие рассоление почвогрунта за счет снегоотложения в зоне до 10-15 Н (высот насаждения) и снижения концентрации солей в 2,5 раза в верхнем метровом слое почвы. Кроме того, в зоне влияния ЗЛН уменьшается физическое испарение с поверхности почвы и соответственно экономится до 30% поливной воды.

Лесонасаждения выполняют большую гидрологическую роль в основном за счет десукции корневой системой грунтовой воды, снижая ее уровень на 0,5-0,9 м и обеспечивая расход до 1000 м/га. Это позволяет рассматривать лесомелиоративный комплекс как биодренажную систему.

При невозможности создания биодренажной системы в соответствии с расчетными параметрами ее совмещают с инженерным дренажем, если ГВ залегают на глубине 2,5 м и меньше.

Лесные насаждения вносят существенные изменения в водный баланс орошаемой территории, расходуя грунтовую воду. При уровне ее 2-3 м водопотребление на 1 км лесных насаждений с учетом зоны распространения корней может достигать 20-30 тыс., 3-4 м — . 0-15 тыс. м3. Изменяется сумма солей в зоне аэрации и минерализация грунтовых вод. Действие лесных полос на снижение этих факторов проявляется на расстоянии 15-30 Н (высот насаждения).

Уменьшение суммы солей в почве составляет 1 т/га. Лесные насаждения при их оптимальном размещении вдоль каналов снижают фильтрационные потери на 25% и увеличивают КПД оросительной сети.

Система двурядных лесных полос из влаголюбивых древесных город на орошаемых землях с 3%-ной облесенностью, межполосными расстояниями 400-600 м, числом деревьев на 1 км 1000-. 400 шт., КПД оросительной сети 0,8, модулем естественного дренажного стока не менее 0,1 л/с/га и минерализацией ГВ до 5 г/л обеспечивает их расход до 80-100 мм и стабилизирует уровень в пределах 2-3 м, в результате чего полностью исключается вторичное засоление.

При невозможности по каким-либо причинам (гидрогеологическим, экономическим, технологическим, организационно-хозяйственным) создать чисто биодренажную систему, способную полностью устранить вторичное засоление, в нее вводят элементы инженерного дренажа, которые компенсируют дисбаланс грунтовых вод.

Создание биодренажных систем на 30% площади орошаемых земель, позволит сократить капиталовложения на 40%, объем инженерного дренажа на 20-60% и объем дренажного сброса до 60%.

Лесомелиоративный комплекс позволяет повысить КПД оросительной сети на 10 %, снизить оросительную норму на 10-20 % в зависимости от урожайности сельскохозяйственных культур и получить дополнительно продукции 8-10 ц. корм, ед./га орошаемой площади.

В настоящее время развито учение о противоэрозионной инженерно— биологической системе (ПИБС) в пределах водосбора (бассейна), общее множество которой составляют различные инженерно-биологические сооружения (защитные лесные насаждения, противоэрозионно-гидротехнические сооружения, растительность), а также почвозащитные технологии возделывания сельскохозяйственных культур.

Основная цель ПИБС— обеспечение устойчивости и продуктивности агроландшафтов, рационального использования земель, охрана окружающей среды и повышение биоразнообразия.

Организацию ПИБС ведут путём размещения в рельефе основных элементов — полезащитных лесных полос и гидротехнических сооружений. При размещении лесных полос с учетом горизонталей местности, организация ПИБС является оптимизирующейся, а при их размещении с учетом преимущественного направления ветров — субопимизирующейся. В первом случае полезащитные лесные полосы называют стокорегулирующими, во втором ветрорегулирующими (рис. 2.1).

Плотная лесная полоса по своему продольному профилю в облиственном состоянии не имеет сквозных просветов; продуваемая полоса в нижней третьи продольного профиля имеет 60-70% просветов; ажурная — обладает просветами, занимающими 15-45% фронтальной площади.

 

 

 

РИС. 2.1. Классификация полезащитных лесных полоc

 

Транзитная лесная полоса пропускает через себя ручейки местного стока, снижая скорость и освобождая их от продуктов эрозии. Водозадерживающая лесная полоса, сочетаясь по нижней опушке с земляным валом или валом — канавой, накапливает излишки стока и образует прудки воды под своим пологом. Водонаправляющая лесная полоса, сочетаясь с земляными сооружениями и размещаясь в рельефе с уклоном, обеспечивающим не размывающие скорости течения воды, направляет излишки стока к месту их безопасного сброса (задернованные ложбины, вершины балок и др.). Характеристика лесных полос приведена в таблице

ТАБЛИЦА 2.1. Общая характеристика лесных полос

 

Подвид Основное назначение Конструкция Сквозные просветы по фронту, %
Полезащитные полосы
Ветрорегулирующие Регулирование ветрового потока Плотная Ажурная Продуваемая < 15 15-45 60-70*
Стокорегулирующие Регулирование поверхностного стока   Транзитная (ажурная) 15-45
Ветрозадерживающая (плотная) < 15
Водонаправляющая (плотная) < 15
Приовражные полосы
Приовражная Предупреждение овражной эрозии Плотная < 15
Прибалочная Мелиорация агроценозов балки и прилегающих склонов Плотная < 15
Прирусловая Охрана рек Плотная < 15

Сквозные просветы в нижней части продольного профиля (фронта).

 

Ветрорегулирущие и стокорегулирующие лесные полосы могут быть комбинированными: ажурно-продуваемыми, водозадерживающие — водонаправляющими и др.

Основные полезащитные (ветрорегулирующие) лесные полосы размещают на склонах крутизной < 2° поперек преимущественного направления метелевых или суховейных ветров. Расстояние между ними (L, м) определяют по соотношению:

L = Cд*Н * cos b (1 + Кi),

где: Сд - коэффициент двухстороннего мелиоративного влияния лесных полос; Н — высота лесной полосы, м; К — коэффициент мелиоративного влияния; b — угол отклонения направления вредоносного ветра от перпендикуляра к лесной полосе, град; i — уклон (tg крутизна склона).

После расчетов (расстояние округляют до десятков метров), трассы лесных полос размещают в рельефе, ориентируясь на границы ландшафтных поясов. Расстояние между вспомогательными лесными полосами (размещенными поперек основных) принимают равными 1500-2000 м.

Ширина междурядий в сухой степи принимают равной 3-5 м, засушливой и умеренно засушливой степи — З м; расстояние между сеянцами в рядах могут изменяться от 1 до 1,5 м.

Полезащитные (стокорегулирующие) лесные полосы размещают на присетевой ландшафтной полосе (крутизна склонов до 6°), ориентируясь на горизонтали местности (параллельно-контурное размещение). По нижней опушке их сочетают.с валами или валами-канавами, шириной около 3 м. Глубина канавы равняется 0,5 м; ширина по верху — 0,75 м; заложение откоса со стороны лесополосы — 0,5 м; со стороны вала — 1; рабочая высота вала hp = 0,8 м.

Расстояния между стокорегулирующими лесными полосами (L, м) определяют по формуле:

 

где: Vн - неразмывающая скорость течения воды для зяблевой вспашки, м/с; Клп - средний коэффициент двухстороннего влияния лесных полос для склонов; m = 1-2 — коэффициент ложбинности склона; — коэффициент, зависящий от крутизны и шероховатости поверхности склона; х — интенсивность осадков, м/с; s — коэффициент стока; Кфпс — коэффициент формы профиля склона (прямая форма Кфпс = 1; вогнутая – 0,7-1,0; выпуклая —1--1,25).

Используя округленные до десятков метров расчетные расстояния, намечают трассы стокорегулирующих лесных полос, начиная от бровки балки (прибалочной лесной полосы) вверх по склону.

 

3.

Непосредственно в балках создают инженерно-биологические системы, служащие подсистемами ПИБС речного бассейна.

Балочная ПИБС характеризуется оптимальными параметрами: площадь лесных насаждений — 30 – 40 % общей территории балки; агроценозов (сеяные травы и природные кормовые угодья) -40 – 50%; дикой флоры и водной поверхности — 10 – 30%.

Прибалочную лесную полосу создают выше бровки балки, ограничивая её от вершины до устья. Кустарники размещают в опушечных рядах или чередуют с деревьями в ряду через посадочное место (5-10 рядов деревьев и кустарников с междурядьями 2,5-3 м, расстояния между посадочными местами в ряду — 1 – 1,5 м).

На балочных склонах крутизной до 12° создают системы горизонтально-параллельных лесных полос шириной 6-9 м по напашным террасам (шириной 2,5-3 м), а на склонах 15-40° — по ступенчатым (нарезным) террасам. Межтеррасные участки склонов отводят под травянистые ценозы.

На балочном днище образуется аккумулятивное пространство с толщей наносов, которое называют псевдопоймой и используют под сеяные травы или плодовые насаждения. При этом поперек балочного днища высаживают насадения-илофильтры (шириной 20-50 м) из кустарников и деревьев. Расстояния между соседними илофильтрами определяют по формуле:

где L,ил — расстояние между илофильтрами по балочному тальвегу, м; i — уклон тальвега, tg крутизны; Z — отношение объема аккумуляции к объему эрозии на днище балки.

Донный размыв балочного днища прекращается при Z = 100, а при Z = 500 формируется устойчивая псевдопойма.

 

4.

Человеческая цивилизация знакома с приемами строительства -гидротехнических сооружений с древнейших времен. По сообщению Геродота, царь Мин (Менее) около 3000 лет до н.э. построил на Ниле плотину высотой 15 м и отвел реку в канал.

В настоящее время работы по теории и практике строительства гидротехнических сооружений и создания водоемов достаточно полно разработаны и позволяют выполнять их на высоком научно-техническом уровне. Тем не менее, методические подходы к решению этих задач продолжают развиваться на основе ландшафтно-гелогической характеристики района предполагаемого строительства. Такой период способствует более рациональной организации последующих проектно-изыскательских работ. Выделяют три типа водоемов:

1. Ложбинные и лощинные пруды плакорного и междуречного недренированного типов местности. Они характеризуются незначительной глубиной и небольшими объемами воды.

2. Пруды склонового типа местности, сооружаемые в балках и верховьях долин. Отличаются значительной глубиной и достаточно большими объемами воды.

3. Пруды пойменного типа местности. Это проточные и полупроточные озера — пруды на маловодных речках, перегороженных плотинами.

Особенность прудов как ландшафтных комплексов является их динамичность. Их существование неотъемлемо от водосборов. Между водосборными комплексами и прудом протекает энергичный взаимообмен веществом и энергией.

Современный подход к проектированию и строительству водоемов предусматривает проведение этапа предварительного проектирования.

Предварительное проектированиепозволяет заранее (до разработки проекта), не прибегая к детальным полевым исследованиям, выявить основные природные предпосылки создания планируемых ландшафтно-мелиоративных систем. Такой подход способствует более рациональной организации последующих проектно-изыскательских работ. Специфика исследований данного периода заключается в том, что они носят предварительный характер и выполняются экспресс-методом преимущественно на основе крупномасштабных топографических карт.

Первоочередная задача перед полевыми работами — сбор существующих материалов. Это топографические карты и планы района расположения объекта в масштабе не более 1:10 000; почвенные и геоботанические гидрогеологические, геоморфологические карты всех масштабов; данные гидрометрических наблюдений на постоянных реках и временных водотоках, метеорологические данные по ближайшей метеостанции (осадки, годовой ход температуры воздуха, направление ветра, влажность воздуха и т.д.); проекты и схемы водохозяйственных мероприятий в районе строительства; расположение гидрометрических постов и метеостанций; координаты и абсолютные отметки постоянных геодезических знаков, к которым может быть привязана съемка чащи водоема, а так же литературные и отчетные данные по вопросам мелиорации, гидрогеологии, почвоведения, гидрологии и проектирования. Все собранные материалы систематизируются, описываются и оцениваются с точки зрения их пригодности для выбора и проектирования водоема.

Ландшафтные исследованияэтапа проектирования водоемов позволяют установить и учесть основные природные предпосылки создания и функционирования планируемых водоемов. Решение этих задач предусматривает составление ландшафтной характеристики района предполагаемого строительства, анализ физико-геофических условий участка строительства водоема, гидрологические расчеты и определение параметров проектируемого водоема, прогнозирование взаимосвязей проектируемого водоема с ландшафтами, обоснование рекомендаций, касающихся оптимизации взаимодействия проектируемого водоема с ландшафтами.

Составление ландшафтно-экологической характеристики района предполагаемого строительства водоема.На основе анализа топографической карты (масштаб до 1 : 50 000) устанавливаются ландшафтные особенности территории. Выявляется, в какой ландшафтной зоне находится данный участок. Если система координат условная, то в качестве индикаторов в данном случае могут выступать рельеф и растительность. Например, широкое распространение овражно-балочного рельефа, преобладание поверхностей с абсолютными отметками от 200 до 300 м, наличие на междуречьях дубрав и участков степей указывают на принадлежность данной территории к лесостепной зоне, характеризующей неустойчивым увлажнением.

Далее необходимо выделить и охарактеризовать основные ландшафтные комплексы исследуемой территории. Анализ ландшафтной структуры предусматривает выявление и составление характеристик типов местности, типов урочищ, доминантных и характерных урочищ. Осуществляется это при помощи детального изучения рельефа, растительности, гидрографической сети и других природных элементов, получивших отражение на данной карте.

При выявлении ландшафтно-типологических комплексовна уровне типов местности следует руководствоваться тем положением, что тип местности — это относительно равноценная с точки зрения хозяйственного использования территория, обладающая закономерным, ей только присущим сочетанием урочищ. К наиболее распространенным типам местности относятся плакорный, склоновый, надпойменно-террасный, пойменный, зандовый, останцово-водораздельный и междуречно-недренированный.

Выявление и анализ ландшафтно-экологических особенностей участка предполагаемого строительства водоема позволяет, во первых, установить степень дифференцированности ландшафтов, выявить направление основных потоков вещества, степень увлажненности, потребность конкретных типов местности в водных мелиорациях; во-вторых, определить ландшафтные комплексы, наиболее пригодные для размещения проектируемых водоемов.

Например, плакорный тип местности лесостепной зоны характеризуется разреженной гидрографической сетью, глубоким залеганием грунтовых вод, приподнятостью территории и значительным удалением от водных объектов. Вывод — этот ландшафтный комплекс в большей мере, чем другие типы местности, испытывает потребность в регулировании водного режима. Наилучшие условия для создания водоемов имеются на территории склонового типа местности, в частности, в балках и верховьях некоторых речных долин. В этих формах рельефа при сооружении плотин можно аккумулировать значительный объем воды, поступающий в период таяния снега и ливневых дождей.

Таким образом, регулирование водного режима плакорного типа местности путем орошения и обводнения в данном случае возможно и целесообразно осуществлять водами прудов, созданными в пределах склонового типа местности.

Анализ физико-географических условий участка предпола­гаемого строительства водоема.На основе топокарты производится анализ геоморфологических, гидрологических, гидрогеологических, ландшафтных и других условий района, способных в наибольшей степени оказывать воздействие на создаваемый водоем. Важно выбрать место его расположения. Удачно подобранный участок во многом гарантирует успех. С учетом геоморфологических условий для размещения плотин наиболее подходят суженные участки балок и речных долин. На одном из участков следует наметить створ плотины — осевую линию. Она должна размещаться перпендикулярно тальвегу данной формы рельефа.

Анализ гидрологических условийучастка осуществляется путем выявления на его территории временных водотоков, родников, болот, мочажин, карстовых воронок, оползней и т.д. Заболоченные днища балок и речных долин свидетельствуют о благоприятных гидрогеологических условиях создания водоемов, т.к. инфильтрация из них будет незначительна. Следует также проанализировать и ландшафтно-экологическиеособенности. Обратить внимание на ландшафтную структуру и биотические факторы как ложи водоема, так и площади водосбора. Так же необходимо вычленить ландшафтные комплексы, способные оказать отрицательное влияние на функционирование водоема. К ним относятся карстовые, суффозные, оползневые и эрозионные ландшафты.

Далее проводятся необходимые гидрологические расчеты и определение параметров проектируемого водоема.

Прогноз взаимосвязей проектируемого водоема с ландшафтамиосуществляется путем анализа. Анализируются связи проектируемого водоема с ландшафтами смежных территорий сравнительным методом. В качестве эталона принимаются ландшафтные комплексы с уже ранее созданными и функционирующими водоемами. На основании этого делают прогноз о возможности возникновения на проектируемом водоеме активизации абразивных, оползневых, карстовых, суффозных и других негативных процессов, способных оказать отрицательное воздействие как на проектируемый водоем, так и на ландшафтно-экологическую обстановку смежных с ним территорий.

Для оптимизации взаимодействия водоема с ландшафтами возможнобыть рекомендовать следующие мероприятия:

- облесение берегов водоема с целью задержания твердого стока со склонов балки. Лесную полосу размещать в 20-30 м от уреза воды, оптимальная ширина ее 30 м. Выше производится залужение;

- устройство илофильтров в верховьях ложбин стока, оврагов и отвершков балки. Рекомендуется сплошное облесение или посадка ивы (пл. 0,5-1,0 га);

- создание противоэрозионных валов;

- для предотвращения от заболачивания, оползней прилегающей территории предусмотреть дренаж, а также противоэрозионные и противооползневые мероприятия;

- для предотвращения абразии берегов создание тростниковых зон и других инженерно-биологических сооружений.

 

 

ЛЕКЦИЯ 3