CC BY
44
УДК 624.131
Л.А. Володина, С.Н. Чернышев
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПЛОСКОСТНОГО СМЫВА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ НА СКЛОНАХ
Приведена методика оценки плоскостного смыва на залесенных склонах посредством измерений глубины смыва и диаметра деревьев на основе связи диаметра и возраста дерева. Приведены результаты апробации разработок на склонах парка Нескучный сад. Представлен график зависимости глубины смыва от диаметра деревьев, подтверждающий возможность практического использования данной методики. Показана зависимость диаметра дерева от его возраста.
Ключевые слова: склон, плоскостной смыв, дисперсный грунт, глубина смыва, скорость смыва, диаметр дерева, корневая шейка, грунты, почва, материнские породы, растительный покров, Нескучный сад.
Изучение плоскостного смыва почв и горных пород со склонов и откосов временными не русловыми водными потоками актуально для обеспечения устойчивости и бесперебойной эксплуатации конструкций подпорных стенок и лотков над ними, опор лестниц на склонах — серпантинных и вдоль горизонталей, опор ЛЭП и подъемников, а также при проектировании оград и дорожек на склоне или его бровке.
Скорость плоскостного смыва может быть точно определена по длительным наблюдениям за реперами, закрепленными на склоне. Менее точно, но зато быстро, ее можно определить по смыву грунта возле многолетних растений, корни которых обнажены. Такой подход к определению скорости плоскостной эрозии впервые был использован в 1933 г. Л.Т. Земляницким на склонах Тянь-Шаня [1]. Позже та же идея была применена в работах других ученых [2—5]. Все они сделаны в климатических, биолого-почвенных и геологических условиях Средней Азии. Методики исследования в названных работах существенно различаются в зависимости от цели исследования и природных условий, в которых они проводились. Цели были связаны с сельскохозяйственным использованием земель. Проводя исследование для целей строительства в условиях Центральной России, конкретно в Москве, и будучи жестко связаны с необходимостью не нарушить исследуемые природные объекты, мы должны были разработать свою методику.
Важнейшими факторами, которые в той или иной степени определяют развитие плоскостного смыва, являются: климат, рельеф, геологическое строение, почвы, растительность и антропогенная деятельность. Прямое воздействие оказывают осадки, их интенсивность и продолжительность. Рельеф влияет на плоскостной смыв через крутизну, длину, форму и экспозицию склонов (откосов). Геологический фактор в развитии плоскостного смыва
определяется физико-механическими свойствами почв и грунтов (механический состав, удельное сцепление, водопроницаемость и др.). По этим свойствам грунты подразделяют на легко-, средне- и трудноразмываемые. К лег-коразмываемым относят лессы, лессовидные суглинки и супеси, пески и др. К среднеразмываемым — плотные глины. Известняки, песчаники и прочие скальные и полускальные породы относят к трудноразмываемым [6].
Почвы оказывают прямое воздействие на скорость смыва через водопроницаемость и противоэрозионную устойчивость, косвенное — через уровень плодородия, определяющий развитие почвозащитных растений [6].
Растительный покров, содержащий виды растений с мочковатой корневой системой, повышает агрегированность почвы и, как следствие, ее противоэрозионную стойкость. Корни этих растений связывают отдельные агрегаты между собой и уменьшают скорость потока у поверхности почвы. Кроме того, корни и растительные остатки, поступая в почву, обогащают ее органическими веществами, что способствует повышению коллоидного сцепления и противоэрозионной стойкости почвы [7, 8]. Основной почвозащитный эффект оказывают наземные части растений. Они рассеивают кинетическую энергию дождевых капель, предотвращая разрушение структуры поверхностного слоя почвы и образование слабоводопроницаемой корки. Эффективность защиты почвы от ударов дождевых капель определяется проективным покрытием растительности. Почвозащитные свойства тех или иных культур повышаются в периоды наибольшего проективного покрытия, которое, как правило, приурочено к летним месяцам. Известно, что при проективном покрытии 90...100 % поверхности почвы, поверхностный сток и смыв обычно отсутствуют [7, 9].
Из сказанного вытекает первое положение методики определения скорости плоскостной эрозии. Ее следует изучать в условиях стабильности по названным факторам. Нами для апробации приводимой ниже методики выбраны склоны оврагов в парке Нескучный сад в Москве. Они равномерно покрыты древесной растительностью широколиственных пород с кустарниковым подлеском и спорадическими пятнами травяного покрова. Овраги врезаны в третью надпойменную террасу р. Москвы цокольного строения. Под песчаными и супесчаными речными отложениями здесь повсеместно залегают супеси, мелкие и пылеватые пески нижнего мела [10]. Сформированные на песчано-пылеватых отложениях лесные подзолистые почвы легкие, размываемые, что способствует эрозии, но хорошо фильтрующие, что снижает поверхностный сток и препятствует размыву. По климатическим, геологическим, геоморфологическим, почвенным и фитологическим признакам избранные склоны однотипны, что позволяет собрать материал для статистического анализа изучаемого процесса.
За показатель скорости эрозии принимаем высоту положения корневой шейки дерева с обнаженными корнями над склоном (рис. 1). Определяя возраст дерева, у которого измерено превышение корневой шейки над поверхностью склона, можем вычислить скорость эрозии, см/год.
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2014
Принимаем, что начало эрозионного процесса в точке измерения совпадает с началом роста дерева. В этот момент его корневая шейка находилась на уровне земли. Современное превышение корневой шейки над землей измеряем, как показано на рис. 2. Двукратное измерение превышения повышает точность фиксации случайной величины. Измерение по горизонтали от дерева необходимо в связи с тем, что происходит удержание грунта деревом и образование «холма» с верхней, нагорной стороны от дерева и напротив обильный смыв почвы с нижней стороны. Измерение превышения корневой шейки над склоном справа и слева от дерева вдоль горизонтали позволяет получить независимую от влияния дерева характеристику величины смыва.
Рис. 1. Липа на склоне парка Нескучный сад (вид снизу)
10,5/ / / А ' -Mo
Б-Б
Рис. 2. Схема измерения глубины плоскостного смыва и диаметра дерева
Для растущих на ровном месте типичных для широколиственных лесов средней полосы России пород деревьев таких, как клен платанолистный (Acer platanoides L.), липа сердцевидная (Tilia cordata (L.) Mill.) характерно совпадение корневой шейки дерева и уровня земли [11, 12]. Но не для всех пород верно данное утверждение. Так, например, для вяза обыкновенного (Ulmus laevis Pall) характерно выступание корневой шейки над уровнем земли. В этом случае измерение глубины плоскостного смыва целесообразно проводить не от верха наиболее высоко расположенного корня, а руководствоваться сменой характера коры, которая на корнях вяза более ровная, чем на стволе. Таким образом, измерения необходимо проводить с учетом специфики корневых систем деревьев. Мы в своем эксперименте использовали липу и клены. Единичные измерения произведены на вязах и дубах.
Возраст дерева в условиях парка по понятным природоохранным причинам мы не могли определить точно по годичным кольцам, поэтому вынуждены довольствоваться корреляцией возраста с диаметром дерева. Диаметр дерева, по рекомендациям в [13, 14], измерялся на высоте 1,3 м от уровня земли. Средний годичный прирост диаметра дерева можно определить на пнях срезанных при очистке парка от деревьев.
Связь между диаметром и возрастом является нелинейной. В первые годы приращение диаметра происходит сравнительно медленно. В последующие десятилетия дерево в стабильных почвенно-микроклиматических условиях равномерно увеличивает диаметр. В конце жизни дерево постепенно снижает скорость прироста диаметра ствола [15]. Процесс плоскостной эрозии рядом с деревом идет в среднем с постоянной скоростью. В связи с этим теоретически связь скорости прироста диаметра ствола и скорости смыва грунта со склона связаны нелинейной функцией, график которой имеет вид, изображенный на рис. 3. Учитывая такую форму зависимости, используем для наблюдений здоровые деревья среднего возраста.
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Диаметр дерева с/, см
Рис. 3. Схема зависимости глубины смыва от диаметра дерева
При вычислении возраста деревьев для уточнения диаметров в работе была принята поправка на толщину коры. Так, из величин измеренных диаметров от 0 до 40 см вычиталось приращение диаметра за счет коры — 1 см, а из величин диаметров от 40 до 100 см вычиталось 2 см. Начало процесса плоскостного смыва по методике совпадает с началом роста дерева. График функции АИ = АС) проходит через начало координат.
В качестве примера приведем данные измерения по участку 1, расположенному на правом борту оврага Нескучного сада. Площадь участка составляет около 0,5 га. Склон имеет северо-западную экспозицию. Грунт, слагающий поверхностный слой склона, супесчаный. Травяной покров на данном участке скудный, представленный редкими побегами недотроги мелкоцветной. Изредка встречаются побеги сныти обыкновенной. Проективное покрытие варьируется от 15 до 30 % в разных частях склона.
На участке проводилось 3 вида измерений: определение уклона (в 6...7 точках на склоне), измерение диаметра деревьев, измерение глубины плоскостного смыва справа и слева от дерева. Измерительными инструментами служили рейка, строительный уровень, измерительная лента. Основные породы деревьев, по которым проводилось измерение глубины плоскостного смыва: клен платанолистный и липа сердцевидная. По результатам измерений был построен график зависимости глубины плоскостного смыва от диаметра. Как видно из графика, между глубиной плоскостного смыва от диаметра дерева прослеживается тесная связь.
Достаточно высокий коэффициент корреляции (К = 0,91) говорит о надежной линейной зависимости данных величин и подтверждает допустимость использования данной методики в целях приближенного вычисления глубины плоскостного смыва. Необходимо также заметить, что данная прямолинейная функция соответствует фазе быстрого роста дерева.
70
Я
о ЬО
< 50
я = 40
М
л 20
ю 10
0
и
.....
у= 0,93л- А-
А
0 10 20 30 40 50 60 70
Диаметр дерева см
Рис. 4. Зависимость между глубиной плоскостного смыва и диаметром дерева: А — точка измерения по клену; ■ — точка измерения по липе
Скорость V плоскостного смыва определяем по формуле V = ДИ/В, где ДИ — высота корневой шейки над уровнем склона; В — возраст дерева. Для этого необходимо перейти от диаметра к возрасту дерева. Возраст деревьев определялся по годовым кольцам на пнях на исследуемой территории.
Данная работа ориентирована на определение скоростей по стволам деревьев в период их нормального роста, в отсутствии болезней и на залесенных склонах. В перспективе возможно применение данной методики для определения скорости плоскостного смыва по кустарникам, а также по обнаженным корням многолетних травянистых растений.
Библиографический список
1. Земляницкий Л.Т. Об эрозии почв в горных областях Южной Киргизии и Узбекистана // Эрозия почв : сб. М. : АН СССР, 1937. С. 59—67.
2. Горелов С.К. Развитие процессов поверхностного смыва и линейной эрозии в Центральном Копетдаге // Известия АН СССР. Серия географическая. 1974. № 4. С. 90—97.
3. Жаркова Ю.Г., Петров В.Н. Определение интенсивности смыва по обнаженным частям корней растений // Эрозия почв и русловые процессы. М. : Изд-во МГУ, 1974. Вып. 4. С. 58—60.
4. Переслегина Р.Е. Исследование плоскостного поверхностного сноса в районе юго-западного побережья озера Иссык-Куль // Геоморфология. 1990. № 3. С. 90—99.
5. Переслегина Р.Е. Оценка скорости плоскостного сноса по обнаженным корням растений // Геоморфология. 1982. № 2. С. 79—83.
6. Иванов Н.Н. Особенности развития эрозионных процессов на откосах земляного полотна автомобильных дорог // Геоморфология. 1988. № 2. С. 39—43.
7. Эрозионные процессы / под ред. Н.И. Маккавеева, Р.С. Чалова. М. : Мысль, 1984. 256 с.
8. Urban Soil Erosion and Sediment Control. Conservation Practices for Protecting and Enhancing Soil and Water Resources in Growing and Changing Communities. 2008, 14 p. Режим доступа: http://www.conferences.uiuc.edu/ilriver/Documents/Urban_ ErosionSediment_Control_2008.pdf. Дата обращения: 07.07.2014.
9. Мирцхулава Ц.Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости. М. : Колос, 1967. 179 с.
10. Москва : Геология и город / гл. ред. В.И. Осипов, О.П. Медведев. М. : Московские учебники и Картолитография, 1997. 400 с.
11. Холявко В.С., Глоба-Михайленко Д.А. Дендрология и основы зеленого строительства. М. : Высш. шк., 1976. 238 с.
12. Лесная энциклопедия : в 2-х т. / гл. ред. Г.И. Воробьев. М. : Советская энциклопедия, 1985. Т. 1. 563 с.
13. Ишутин Я.Н., Ключников М.В. Способ определения возраста дерева. Информлисток Алт.ЦНТИ. 2000. № 02-104-00. 1 с.
14. Kalliovirta J., Tokola T. Functions for estimating stem diameter and tree age using tree height, crown width and existing stand database information // Silva Fennica. 2005. Vol. 39. No. 2. Pp. 227—248.
15. Leak W.B. Relationships of Tree Age to Diameter in Old-Growth Northern Hardwoods and Spruce-Fir. U.S. Department of Agriculture. Forest Service, Northeastern Forest Experiment Station. Research Note NE-329. 1985. Режим доступа: http://www. fs.fed.us/ne/newtown_square/publications/research_notes/pdfs/scanned/ne_rn329p.pdf. Дата обращения: 12.02.2014.
Поступила в редакцию в июне 2014 г.
Об авторах: Володина Людмила Александровна — аспирант кафедры проектирования зданий и градостроительства, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499)183-83-47, volodina.ludmila@mail.ru;
Чернышев Сергей Николаевич — доктор геолого-минералогических наук, профессор, профессор кафедры инженерной геологии и геоэкологии, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-83-47, 9581148@list.ru.
Для цитирования: Володина Л.А., Чернышев С.Н. Методика определения скорости плоскостного смыва для проектирования сооружений на склонах // Вестник МГСУ. 2014. № 8. С. 54—61.
L.A. Volodina, S.N. Chernyshev
METHOD OF DETERMINING THE SPEED OF SHEET WASHOUT FOR DESIGN OF STRUCTURES ON SLOPES
The authors present the study of sheet washout of soil relevant in the framework of the stability of structures, retaining walls and trays over them, pillars of stairs, power lines and other structures on the slopes.
Flushing speed can be approximately defined using phytoindicational way, determining the depth of erosion of the soil near perennial plants, the roots of which are naked. This approach to determining the rate of sheet erosion has been used by many scientists. The techniques offered in their works were created to improve the agricultural use of the lands for the territories of Central Asia. In order to protect the structures in natural areas of Moscow, the authors suggested their methods.
It is assumed that the beginning of the erosion process in the measuring point coincides with the beginning of tree growth. At this point its root neck was at the level of the earth. Thus, for the rate of erosion we accepted the height position of root neck of the tree. The measurement should be horizontal to the tree in connection with the retention of soil by the tree and "hill" formation on the top side of the tree and rich soil washout from the bottom side. The average annual rate of erosion can be calculated by determining the age of the tree and by measuring the excess of root neck above the surface of the slope. The age of the tree may be determined by the correlation of age with a diameter of a tree, measured at height of 1.3 m above the ground level. The average annual increase in the diameter of a tree can be defined on the stumps, available in the study area. When calculating the age of trees to clarify the diameters, it is recommended to make allowance for the thickness of the crust.
It was noted that the study of the process of sheet washout should be made in condition of stability of influencing factors: climate, topography, geology, soils, vegetation and human activities. In order to validate the approach, the slopes of ravines in the Neskuchny Garden in Moscow were chosen. The selected slopes have similar climatic, geological, geomorphological, soil and phytological signs. This allows the authors to gather material for statistical analysis of the investigated process. In their experiment, the authors used lime trees and maples. Single measurement was made on elms and oaks. As an example, the authors present the results of measurements on site 1, located on the right side of the ravine Neskuchny Garden. A fairly high correlation coefficient (K=0.91) indicates strong linear relationship of flushing depth and the tree diameter and proves the validity of this method for approximate calculation of the depth of sheet washout.
Key words: slope, sheet washout, dispersive soil, washout depth, washout velocity, tree diameter, root neck, soil, ground, bedrock, vegetative cover, Neskuchny Garden.
References
1. Zemlyanitskiy L.T. Ob erozii pochv v gornykh oblastyakh Yuzhnoy Kirgizii i Uzbekistana [On Soil Erosion in Mountainous Areas of South Kyrgyzstan and Uzbekistan]. Eroziya pochv: sbornik [Soil Erosion: Collection of Works]. Moscow, AN SSSR Publ., 1937, pp. 59—67.
2. Gorelov S.K. Razvitie protsessov poverkhnostnogo smyva i lineynoy erozii v Tsentral'nom Kopetdage [Development Processes of Surface Runoff and Linear Erosion in the Central Kopetdagh]. Izvestiya ANSSSR. Seriya geograficheskaya [Proceedings ANSSSR. Geographical Series]. 1974, no. 4, pp. 90—97.
3. Zharkova Yu.G., Petrov V.N. Opredelenie intensivnosti smyva po obnazhennym chastyam korney rasteniy [Determination of Washout Intensity According to the Exposed Parts of the Roots of Plants]. Eroziya pochv i ruslovye protsessy [Soil Erosion and Channel Processes]. Moscow, 1974, MGU Publ., no. 4, pp. 58—60.
4. Pereslegina R.E. Issledovanie ploskostnogo poverkhnostnogo snosa v rayone yugo-zapadnogo poberezh'ya ozera Issyk-Kul' [Study of Planar Surface Drift near the Southwestern Shore of Lake Issyk-Kul]. Geomorfologiya [Geomorphology]. 1990, no. 3, pp. 90—99.
5. Pereslegina R.E. Otsenka skorosti ploskostnogo snosa po obnazhennym kornyam rasteniy [Estimation of the rate of planar drift According to bare roots of plants]. Geomorfologiya [Geomorphology].1982, no. 2, pp. 79—83.
6. Ivanov H.N. Osobennosti razvitiya erozionnykh protsessov na otkosakh zemlyanogo polotna avtomobil'nykh dorog [Erosion Processes Development Features on Slopes of Road Beds]. Geomorfologiya [Geomorphology]. 1988, no. 2, pp. 39—43.
7. Makkaveev N.I., Chalov R.S., editors. Erozionnye protsessy [Erosion Processes]. Moscow, 1984, 256 p.
8. Urban Soil Erosion and Sediment Control. Conservation Practices for Protecting and Enhancing Soil and Water Resources in Growing and Changing Communities. 2008, 14 p.
Available at: http://www.conferences.uiuc.edu/ilriver/Documents/Urban_ErosionSediment_ Control_2008.pdf. Date of access: 07.07.2014.
9. Mirtskhulava Ts.E. Razmyv ruseli metodika otsenki ikh ustoychivosti Channels Scour and Methods of their Sustainability Assessment]. Moscow, 1967, 179 p.
10. Osipov V.I., Medvedev O.P., editors. Moskva: geologiya i gorod [Moscow: Geology and the City]. Moscow, 1997, 400 p.
11. Kholyavko V. S., Globa-Mikhaylenko D.A. Dendrologiya i osnovy zelenogo stroitel'stva [Dendrology and Fundamentals of Green Construction]. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1976. 238 p.
12. Vorob'ev G.I., editor. Lesnaya entsiklopediya [Forest Encyclopedia]. In two volumes. Moscow, Sovetskaya Entsiklopediya Publ.1985, 563 p.
13. Ishutin Ya.N., Klyuchnikov M.V. Sposob opredeleniya vozrasta dereva [Method of Determining a Tree Age]. Informlistok Alt.TsNTI [Information Sheet of Altai Center of Scientific and Technical Information]. 2000, no. 02-104-00, 1 p.
14. Kalliovirta J., Tokola T. Functions for Estimating Stem Diameter and Tree Age Using Tree Height, Crown Width and Existing Stand Database Information. Silva Fennica. 2005, vol. 39, no. 2, pp. 227—248.
15. Leak W.B. Relationships of Tree Age to Diameter in Old-growth Northern Hardwoods and Spruce-fir. U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Northeastern Forest Experimental Station. Research Note NE-329, 1985. Available at: http://www.fs.fed.us/ne/ newtown_square/publications/research_notes/pdfs/scanned/ne_rn329p.pdf. Date of access: 12.02.2014.
About the authors: Volodina Lyudmila Aleksandrovna — postgraduate student, Department of Building Design and Urban Planning, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-83-47; volodina.ludmila@mail.ru;
Chernyshev Sergey Nikolaevich — Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-83-47; 9581148@mail.ru.
For citation: Volodina L.A., Chernyshev S.N. Metodika opredeleniya skorosti ploskost-nogo smyva dlya proektirovaniya sooruzheniy na sklonakh [Method of Determining the Speed of Washout for Design of Structures on Slopes]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 8, pp. 54—61.
