Принципи оцінки параметрів вологості грунту в річковому басейні
DOI:
https://doi.org/10.31861/geo.2025.854.232-240Ключові слова:
інфільтрація,, гранулометричний склад,, Карпато-Подільський регіон,, вологість ґрунту,, пористість,, коефіцієнт фільтрації.Анотація
Розглянуто фізичні та математичні засади формування вологості ґрунту і трансформації опадів у складові річкового стоку в межах річкових басейнів Карпато-Подільського регіону. Центральне місце у дослідженні відведено ґрунтовій товщі як провідному елементу вертикальної структури водозбору, що виконує функцію акумуляції, перерозподілу та втрат вологи в процесі формування дощових паводків і меженного стоку. Показано, що саме властивості ґрунту - гранулометричний склад, пористість, водоутримувальна здатність та коефіцієнт фільтрації - визначають інтенсивність і співвідношення між інфільтрацією, підповерхневим та поверхневим стіканням, а також випаровуванням.
Актуальність дослідження зумовлена зростанням частоти екстремальних гідрометеорологічних явищ, необхідністю підвищення точності короткострокового прогнозу паводків і вдосконаленням моделей формування стоку в умовах просторової мозаїчності ґрунтово-ландшафтних характеристик. Проаналізовано сучасний стан наукових досліджень у галузі моделювання руху води в ґрунті, зокрема праці вітчизняних і зарубіжних авторів, що заклали теоретичні та методичні основи вивчення інфільтрації, внутрішньогрунтового стоку та випаровування.
Узагальнено підходи до параметризації процесів схилового стікання і формування гідрографа паводку з урахуванням геометрії схилів, ступеня їх збіжності або розбіжності, а також шорсткості поверхні. Наведено аналітичні вирази для опису водоутворення на схилах різного типу, визначено роль схилових постійних та інтенсивності водоутворення у формуванні притоку до руслової мережі. Особливу увагу приділено діяльному шару ґрунту як трансформаційній камері, в межах якої відбуваються основні втрати схилового стоку.
Детально розглянуто вертикальну будову ґрунтової колонки та виділено принаймні три функціональні рівні: приповерхневий шар, діяльний шар та зону відносного водоутриму, що переходить у підземні води. Показано, що агрогідрологічні константи (вологість в’янення, найменша та повна польова вологомісткість) разом із коефіцієнтом фільтрації є базовими параметрами для кількісного опису водного режиму ґрунтів. Опосередковано ці властивості відображаються у статистичних характеристиках просторово-часового розподілу вологості ґрунту.
Проаналізовано залежність коефіцієнта фільтрації від гранулометричного та генетичного складу ґрунтів східного і західного Поділля. Побудовано узагальнені криві коефіцієнтів фільтрації для різних генетичних горизонтів, що дозволяє застосовувати отримані результати у басейнових моделях стоку регіонального рівня. Встановлено, що найбільш чутливими до змін вологості є верхні горизонти ґрунту (0–10 та 10–20 см), тоді як глибші шари реагують на опади із часовим запізненням.
Розглянуто та порівняно декілька методів оцінювання випаровування, зокрема рівняння М.І. Будико та модифіковані співвідношення, побудовані на основі закону А. Дальтона. Показано, що коефіцієнти випаровування не є сталими величинами, а змінюються залежно від глибини шару, поточної вологості ґрунту та дефіциту вологості повітря. Наведено результати розрахунків частки втрат води на випаровування для окремих ґрунтових шарів у різні часові інтервали вегетаційного періоду.
Отримані результати свідчать, що сумарне випаровування з ґрунтової колонки формується як інтегральний ефект втрат з усіх її шарів, при цьому внесок глибших горизонтів зростає у міру висушування приповерхневих шарів. Запропоновано підхід до оцінювання відносного вкладу розрахункових шарів ґрунту у загальне випаровування, що може бути використаний при побудові фізично обґрунтованих моделей водного балансу.
Практичне значення роботи полягає у можливості використання сформованого масиву ландшафтно-гідрологічних параметрів для моделювання різних фаз річкового стоку, удосконалення методик прогнозу дощових паводків та оцінювання водних ресурсів малих і середніх річкових басейнів. Запропоновані підходи зберігають універсальність і можуть бути адаптовані до інших фізико-географічних умов за наявності відповідної інформаційної бази.
Узагальнюючи, зроблено висновок, що послідовна у часі зміна вологості ґрунту визначається взаємодією двох протилежних процесів - інфільтрації та випаровування, інтенсивність яких контролюється властивостями ґрунту та метеорологічними умовами. Урахування цих закономірностей є необхідною передумовою підвищення достовірності гідрологічних розрахунків і прогнозів у басейнах річок Карпато-Подільського регіону
Посилання
1. Aron G., Kibler F. (1979). Critique – ungaged site flood estimation test for guidelines. “EOS Trans. Amer. Geophys. Union” 60, №46, 820.
2. Buytaert W. B. De Bievre, G. Wyseure, J. Deckers (2004). The use of the linear reservoir concept to quantify the impact of changes in land use on the hydrology of catchments in the Andes. Hydrology and Earth System Sciences. 8(1) - P.108-114.
3. Cohen O., Ben-Zvi A. (1979). Regional аnalysis of peak discharges in the Negev. “IAHS-AISH Publ.”, №128, 23-31.
4. Freeze R.A. (1972). Role of subsurface flow on generating surface runoff, 2, upstream source areas. – Water Resourc. Res. No.8(5). - P. 1272-1283.
5. Hopchenko Ye.D. Yavkin V.H. (2011). Landshaftno-hidrolohichni osnovy baseinovykh ta ruslovykh system pavodkoutvorennia. Hidrolohiia, hidrokhimiia, hidroekolohiia: Nauk. Zbirnyk. – K.: VHL «Obrii», T.4(25). – S. 29-37.
6. Inoue H., Nogyo K., Kenryu H. (1992). Physical properties of water flow in a clayey argacultural field including shrinkage crasks // Bull. Nat.Res. Inst. Agr.Eng. –No.31. – P. 77-96, 100-119.
7. Jenson S K. (1991). Application of hydrologic information automatically extracted from digital elevation REES2019 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 300 (2019) 022168 IOP Publishing doi:10.1088/1755-1315/300/2/022168 7 models [J]. Hydrological process, 31 - 44.
8. Song Xiaomeng, Zhang Jianyun, Zhan Chesheng, et al. (2013). Research progress of digital watershed feature extraction based on DEM[J].Progress in Geography, 32 (1): 31 – 40.
9. Swain R.E., Bowles D., and Ostenaa D. A (1998). Framework for characterization of extreme floods for dam safety risk assessment. – Proceedings of the 1998 USCOLD Annual Lecture, Buffalo, New York, August, 13 p.
10. Tang G. (2000). A Research on the Accuracy of Digital Elevation Models. Beijing: Science Press.
11. Tang Guoan, Yang Wei (2006). ArcGIS Geographic Information System Spatial Analysis Experiment Course [M]. Beijing: Science Press, 478 - 492.
12. Webb R.P., Cermak R., Feldman A. (1980). Determination of land use from sattelite imagery for input to hydrologic models // Proc. 14 Th Int. Symp. Remote Sensing Environ., San Jose. – 1980. – vol. 3.
13. Yavkin V.H. (2003). Eksperymentalni doslidzhennia protsesiv formuvannia skhylovoho doshovoho stoku v Karpatakh. Nauk. visnyk ChNU: Zbirnyk nauk. prats, Vyp. 167: Heohrafiia. – Chernivtsi: Ruta. s. 98-101.
14. Yavkin V.H. (2004). Pryntsypy parametryzatsii rezhymu volohy hruntu u GIS /V.H.Iavkin //Nauk.pratsi UkrNDHMI.- Vyp.253.- K.: Nika-Tsentr,s. 270-274.
15. Yavkin V.H. Yasenchuk V.I. (2006). Pryntsypy parametryzatsii rezhymu volohy hruntu baseiniv malykh richok Karpato-Podillia. Hidrolohiia, hidrokhimiia i hidroekolohiia: Nauk. zbirnyk. – Tom 10.– K.: VHL «Obrii», s. 194-199.
