Описание модели функционирования катен водосборов

Модель функционирования катен водосборов разработана на основе программы «Катена» (А. И. Голованов, [105]), которая позволяет рассчитать показатели водного режима и продуктивности сопряженных фаций катен водосборов за бесконечно длительный промежуток времени. Временной интервал ограничивается только длительностью многолетних наблюдений за погодными условиями (в нашем случае период с 1978 по 2009 годы). Программа содержит численное решение двумерного уравнения влагопереноса в зоне аэрации и в зоне полного влагонасыщения. Теоретические подходы и математический алгоритм решения задачи описаны в первой главе.

Комплексность задач, решаемых моделью функционирования катен водосборов, предопределяет большую подготовительную работу по созданию научно обоснованных расчетных моделей, конструирующих те или иные аспекты природных процессов, происходящих в катенах водосборов. Достоверность, применяемых геоморфологических схем ландшафтных катен и моделей метеорологических, почвенно-геологических и мелиоративных условий водосборов, обеспечивает достоверность полученных результатов расчетов. Первый блок исходных данных собран в окне «Требования растений и свойства почв» (рисунок 3.1).

Согласно существующей системе орошаемого земледелия на мелиорируемых землях эффективно возделывать многолетние травы и овощные культуры. В модели этот подход реализован путем использования в качестве сельскохозяйственных культур фаций картофеля и многолетних трав.

На орошаемых землях Республики Башкортостан возделываются, в основном, люцерна, клевер луговой, кострец безостый, донник и др. Видовой состав трав для конкретных физико-географических и ландшафтных зон определяется биологическими особенностями трав.

Рисунок 3.1. Окно «Требования растений и свойства почв»

Многолетние травы возделываются в чистом виде или в составе травосмеси из 2-3 видов. Рекомендованные виды многолетних трав для возделывания по водосборам республики составлены по «Концепции развития кормопроизводства в Республике Башкортостан» [169] (таблица 3.1).

Основная масса корней многолетних трав расположены в расчетном слое 0,5…0,7 м, картофеля – 0,3…0,6 м [128, 236].

Коэффициент чувствительности растения к отклонению влажности от оптимальной γ используется при расчете продуктивности сельскохозяйственных культур на основании зависимости формирования относительной продуктивности растений от динамики влажности почвы в период вегетации, предложенной В. В. Шабановым [278]. Значения γ для различных сельскохозяйственных растений приведены в [16] (таблица 3.2).

Таблица 3.1 Виды многолетних трав, рекомендованных по водосборам Западного Башкортостана

Ландшафтные группы	Водосборы	Основные виды трав для улучшения естественных кормовых угодий	Дополнительные виды для создания сенокосов и пастбищ
Лесная и лесолуговая	Юрюзань, Ай, Лемеза, Тюй, Уса, Уфа, Сим	Клевер луговой, козлятник восточный, люцерна, донник белый, тимофеевка луговая, кострец безостый, овсяница луговая, ежа сборная	Клевер гибридный, клевер ползучий, овсяница тростниковая, лисохвост луговой, мятлик луговой, полевица гигантская, двукисточник тростниковый
Лесостепная	Инзер, Зилим, Бирь, Дема, Большой Танып, Буй, Нугуш, Ик, База, Сюнь, Чермасан	Клевер луговой, люцерна, козлятник восточный, эспарцет песчаный, тимофеевка луговая, кострец безостый, ежа сборная, донник белый	Клевер гибридный и ползучий, овсяница луговая и тростниковая, лисохвост луговой, двукисточник тростниковый, лядвенец рогатый
Лугостепная и степная	Куганак, Кармасан, Уршак, Усень, Ашкадар	Люцерна, клевер луговой, донник белый, козлятник восточный, эспарцет песчаный, кострец безостый, тимофеевка луговая, овсяница луговая	Клевер луговой и ползучий, донник желтый, пырейник волокнистый, житняк ширококолосый, овсяница тростниковая, райграс высокий, мятлик луговой, овсяница красная, ежа сборная

Таблица 3.2 Значения коэффициента чувствительности растения к отклонению влажности от оптимальной γ

Сельскохозяйственные растения	Номера фаз*	Среднее за вегетацию
Зерновые	5,1	5,5	5,6	5,9	5,3	5,6
Корнеплоды	5,7	5,4	5,9			5,7
Овощи (капуста)	5,7	4,7	5,7			5,3
Картофель	3,2	5,8	5,6	6,0		5,6
Травы	6,5	6,8				6,6

*- Порядковые номера соответствуют следующим фазам развития растений:

зерновые: 1. Посев – всходы – кущение, 2. Кущение – выход в трубку, 3. Выход в трубку – колошение, 4. Колошение – налив зерна, 5. Налив зерна – восковая спелость;

корнеплоды: 1. Посев – всходы – первая пара настоящих листьев – начало утолщения подсемядольного колена, 2. Начало утолщения подсемядольного колена – начало увядания листьев, 3. Начало увядания листьев – уборка;

овощи (капуста): 1.посадка рассады – начало образование розетки, 2. Начало образования розетки – начало созревания кочана, 3. начало созревания кочана – уборка;

картофель: 1. Посадка – всходы, 2. Всходы – бутонизация, 3. Бутонизация – конец цветения, 4. Конец цветения – увядание ботвы;

травы: 1. Первая – третья часть периода между укосами, 2. остальная часть периода до очередного укоса.

Начало и конец вегетации, рассматриваемых сельскохозяйственных культур для водосборов Западного Башкортостана, установлены на основе карт фенологических фаз соответствующих культур по территории Башкортостана [31] (таблица 3.3).

Таблица 3.3 Начало и конец вегетации картофеля (в числителе) и

многолетних трав (в знаменателе) по водосборам Западного Башкортостана

Группы водосборов	Вегетационные фазы
начало	конец
Лесная	25.05/12.05	05.09/12.09
Лесолуговая	20.05/06.05	01.09/18.09
Лесостепная: неувлажненные подгруппы подгруппы близкие к засушливым	20.05/06.05 19.05/05.05	01.09/18.09 01.09/19.09
Лугостепная	18.05/05.05	27.08/20.09
Степная	18.05/03.05	25.08/20.09

Составление блоков метеорологических, почвенно-геологических и мелиоративных параметров водосборов для модели рассматривается в главе 3.2.

Результаты расчетов выдаются в окне «Текущие результаты расчета» (рисунок 3.2) и специальных файлах:

файл 1 – «Средняя за год и средняя за все годы глубина грунтовых вод, м»;

файл 2 – «Результаты расчета в файле".

Во время работы программы в окне «Текущие результаты расчета» выводятся в режиме реального времени два графика:

1. графики осадков, глубин грунтовых вод, влажностей и поливов на возвышенности в суточном режиме по датам вегетационного периода за все годы расчетов;

2. эпюры влажности и уровни грунтовых вод в низине, на склоне и на возвышенности в суточном режиме по датам вегетационного периода за все годы расчетов.

Рисунок 3.2 Окно «Текущие результаты расчета»

В цифровом виде отображаются рассчитанные параметры мелиоративного режима катены (глубины и интенсивности дрен, поливные нормы и т.п.). В отдельных файлах сохраняется вся исходная информация по метеорологическим, морфометрическим, почвенно-геологическим условиям и мелиоративным режимам катен водосборов. Результаты расчетов сохраняются в виде массивов параметров стока (в том числе среднемноголетние показатели), водного режима и продуктивности катен по фациям, глубинам и расчетным годам.

Продуктивность (урожайность) растений определяется по моделям продуктивности, реагирующим на изменение факторов и условий жизни растений. Широкое распространение получили приближенные эмпирические модели конечной продуктивности, основанные на законах земледелия, учитывающие основные факторов жизни и развития растений: обеспеченность теплом, влагой и воздухом. Мультипликативный вид зависимости продуктивности (урожайности) позволяет определить фактическую урожайность растений в зависимости от влажности почвы:

, /3.1/

где – потенциальная урожайность при оптимальных условиях; - относительная урожайность, учитывающая неоптимальное увлажнение почвы, определяемая по формуле В. В. Шабанова [278]:

, /3.2/

где - номер декады вегетационного периода; - число декад; - вклад каждой декады в урожайность; - коэффициент влажности:

, /3.3/

где - относительно доступные влагозапасы в корнеобитаемом слое почвы в каждую декаду:

/3.4/

где - влажность почвы; ВЗ – влажность завядания; - пористость; - коэффициент чувствительности растения на неоптимальность влагозапасов в данную декаду, (таблица 3.2); - относительная оптимальная влажность для каждой декады: /3.5/

Таким образом, модель функционирования катен водосборов позволяет

проводить численные (компьютерные) эксперименты и решать комплексные задачи, возникающие при обустройстве водосборов. Достоверность полученных результатов зависит от достоверности применяемых схем и моделей ландшафтных катен водосборов.