CC BY
25
Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования
RUDN Journal of Engineering researches
2017 Том 18 № 2 192-203
http://journals.rudn.ru/engineering-researches
DOI 10.22363/2312-8143-2017-18-2-192-203 УДК 556.5(1/9)
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ГИДРОГРАФИЧЕСКОЙ ДЕМАРКАЦИИ МАНАБИ (ЭКВАДОР)
Кампос Седеньо Антонио Фермин (Эквадор)1, Е.К. Синиченко1, И.И. Грицук1'2
Водная эрозия — наиболее важная причина разрушения почв во всем мире. Так, в Азии из 747 млн гектаров земель, страдающих от эрозии, 60% соответствуют водной эрозии; в Африке из 497 млн — 46%; в Южной Америке из 243 млн — 51%; в Европе из 219 млн — 53%; 106 млн — в северной и центральной Америках (Бифани, 1984). Тот же автор указывает что, явление эрозии тесно связано с явлением оседания. Процесс эрозии под воздействием воды обычно измеряется по объему наносов. Реки Ганг, Брахмапутра, Хуанхэ ежегодно транспортируют 1451 млн, 726 млн и 1887 млн т наносов, соответственно, по сравнению с реками Миссисипи, Амазонка и Нила, которые переносят только 97, 63 и 31 тонн на квадратный километр бассейна (Хоулмен, 1968) [9].
Эрозия почвы в Эквадоре представляет серьезную экологическую проблему, которая затрагивает большую часть страны в той или иной степени. Использование методов прогнозирования смыва поверхностного плодородного слоя почвот осадков не получила широкого применения, ввиду того, что многочисленные исследования были направлены на количественную оценку скорости эрозии для различных видов землепользования в прибрежных зонах речных бассейнов, а лишь немногие были сосредоточены на прогнозировании эрозионных процессов по всей территории. В 1986 году Эквадорский центр географических исследований (СЕБЮ) впервые провел ряд исследований, связанных со сбором общих данных о проблемах эрозии в стране [4].
В настоящей работе, на основе актуальных данных по дождевым осадкам за 51 год и составу почв, проведена оценка потенциальной водной эрозии гидрографической демаркации Манаби.
Ключевые слова: водная эрозия, демаркация Манаби, уравнение разрушения почвы, фактор R-USLE, фактор К-ШЬЕ, фактор LS-USLE
Гидрографическая демаркация Манаби одна из 9 в Республике Эквадор, имеющая площадь 11483,70 км2, которая составляет 4,5% всей территории страны. На западе омывается Тихим океаном и расположена на северо-западе Эквадора (рис. 1).
Водная эрозия — процесс разрушения почв, который тесно связан с объемом и интенсивностью дождевых осадков. Влияние энергии дождя на почву тем больше, чем меньше растительного покрова, с одной стороны. С другой стороны, состав грунта является еще одним важным фактором, участвующим в этом процессе.
1 Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198 2 Институт водных проблем РАН ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333
2
Рис. 1. Расположение гидрографической демаркации Манаби [Fig. 1. Location hydrographie démarcation of Manabi]
При исследовании были использованы следующие данные:
— цифровая модель рельефа гидрографической демаркации Манаби разрешением 76 м [8];
— многолетние среднегодовые дождевые осадки 34-х метеорологических станций гидрографической демаркации Манаби, в период 1963—2013 годов [1; 2];
— гидрогеологическая карта Эквадора [8];
— всемирная карта классификации почв[7].
Методологический подход
Для оценки действительной водной эрозии использовано универсальное уравнение разрушения почвы (USLE — Universal Soil Loss Ecquation), разработанное департаментом сельского хозяйства Службы охраны почв США (USDA SCS; сейчас Natural Resources Conservation Service, NRCS):
A = RKLSCP, (1)
где А — годовая потеря почвы, т/га; R — фактор дождевых осадков, МДж-мм/ (га-час); K — фактор размываемости почв, тта-ч/(МДж-ммта); L — фактор длины склона, о.е.; S — фактор уклона склона; C — коэффициент покрова почвы, о.е.; P — фактор практики сохранения почв, о.е.
При определении потенциальной водной эрозии, факторы C и P равны единице и уравнение (1) приобретает вид:
Ap = RKLS. (2)
В рисунке 2 приведена структурная схема последовательности расчетов с помощью гидрографических информационных систем (ГИС).
Рис. 2. Структурная схема процесса получения растра потенциальной водной эрозии [Fig. 2. A block diagram of the process of obtaining the raster potential water erosion]
Фактор дождевых осадков R определяется в зависимости от максимальной интенсивности дождя за 30 мин и от ее кинетической энергии.
Важное место в расчетах имеет удельная кинетическая энергия, которая определяется для каждого интервала с равномерным значением интенсивности дождя, по формуле Wischmeier-Smith 1978 [5]
e = 0,1191 + 0,0873 log10/, (3)
где I — интенсивность дождя для каждого рассчитанного интервала, мм/ч.
Энергия дождя будет
E = eP, (4)
где P — дождевой осадок для каждого рассчитанного интервала, мм.
Сложение значений всех удельных энергии, умноженных на интенсивность дождя за 30 мин даст значения EI события. Годовой фактор R рассчитывается путем сложения всех значений EI имеющихся за год. На основе многолетних среднегодовых значений фактора R для гидрографической демаркации Манаби (табл. 1), с помощью ГИС, построен растр фактора R (рис. 3).
Таблица 1
Многолетние среднегодовые значения фактора R-USLE [Long-term average annual values of a factor of R-USLE]
№ п/п Код метеостанции Координаты UTM (WGS1984, 17S) Многолетние среднегодовые осадки, мм Фактор R-USLE, МДж-ммДга-ч)
X Y
1 М005 559523 9884982 528,0 77,07
2 М006 671167 9878373 2156,7 2042,40
3 М026 684860 9947353 2768,8 3587,50
4 М047 529608 9896745 397,2 38,41
5 М074 535232 9894995 270,2 14,53
6 М160 671939 9968948 2650,3 3251,41
Окончание табл. 1
№ п/п Код метеостанции Координаты UTM (WGS1984, 17S) Многолетние среднегодовые осадки, мм Фактор R-USLE, МДж-мм/(га-ч)
X Y
7 М162 599186 9922067 1233,4 569,67
8 М163 588400 9937145 1190,7 525,18
9 М165 561350 9905400 454,1 53,40
10 М166 587791 9845734 1657,2 1122,19
11 М167 580800 9977125 778,8 194,88
12 М168 605098 9993552 1036,9 381,07
13 М169 540911 9836412 990,6 342,63
14 М171 566617 9823940 1308,6 652,99
15 М296 587159 9909725 847,6 237,90
16 М297 579744 9926307 705,8 154,41
17 М298 568607 9871041 859,8 246,03
18 М446 593441 9959038 767,5 188,30
19 М447 564710 9858637 1024,3 370,39
20 М448 541813 9872580 378,4 34,08
21 М449 545983 9860943 530,1 77,79
22 М450 521785 9875161 443,1 50,30
23 М451 551325 9836471 994,6 345,86
24 М452 605084 9896272 1472,6 856,52
25 М453 534613 9883481 609,9 109,03
26 М454 578716 9883443 891,3 267,69
27 М455 540758 9847496 459,0 54,83
28 М456 582963 9969540 480,3 61,23
29 М457 529325 9850844 416,0 43,07
30 М458 554628 9823913 1131,9 467,12
31 М459 545421 9825480 1671,5 1144,48
32 М462 588084 9896706 1058,6 399,87
33 М464 585361 9885407 1234,5 570,84
34 МА29 589006 9876563 1287,8 629,35
35 COMP 507285 9883367 579,00 96,24
36 COMP 549661 9795165 949,00 309,98
37 COMP 624697 10054669 2035,00 1790,55
Рис. 3. Растр фактора R-USLE гидрографической демаркации Манаби [Fig. 3. Raster of a factor of R-USLE of hydrographie démarcation of Manabi]
Фактор размываемости почв K (рис. 4). Существуют несколько методов для косвенной оценки фактора размываемости почвы. Среди них, распространено уравнение Шарпли—Виллиамс (1990) [3; 10]
К 0,1317.fcsandfcl—sforgcfhisand,
(5)
откуда:
fcsand Ч0,2 + 0,3eXP
-0,0256m,
m„-,
silt
100
(6)
fcl-si
msilt
\0,3
Kmc + msilt )
(7)
forgC
1 -
0,25orgC
orgC + exp[3,72 - 2,95orgC]
(8)
fh
hisand
0,70
f m л
1 s v 100 У
m
1 s v 100 У
+ exp
-5,51 + 22,9
'1 + m. ^
v 100 y
(9)
где ms, msШ и mc — доля песка, ила и глины, содержащихся в почве, %; orgС — содержание органического углерода.
Рис. 4. Растр фактора K-USLE гидрографической демаркации Манаби [Fig. 4. Raster of a factor of K-USLE of hydrographie demarcation of Manabi]
Данные почвенных переменных взяты из мировой карты, разработанной Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных наций (FAO — Foodand Agriculture Organization of the United Nations)[7].
Фактор рельефа LS. Определение факторов L и S проводится посредством ГИС по формулам [6]:
L =
X
\m
V 22,13 у
F r sin В /0,0896 m =-; F = - ^
1+F 3(sin р)0'8 + 0,56' При использовании в ГИС формула имеет вид:
(10)
[ 4„,)+л2 ] (m+1) - Aj m+n
L(i,j) =
xmDm+2(22,13)"
(11)
где Ац^ — часть площади бассейна, пиксель; Б — размер пикселя; х — фактор коррекции формы.
Рис. 5. Растр фактора LS-USLE гидрографической демаркации Манаби [Fig. 5. Raster of a factor of LS-USLE of hydrographic demarcation of Manabi]
Фактор S зависит от уклонов в склонов бассейна. Варианты определения в (McCOOL, 1987, 1989): — при tan в^ < 0,09
S(ij) = 10,8 sin eov) + 0,03; (12)
— при tan p(j > 0,09
Sj = 16,8 sin P(j - 0,5. (13)
Произведение растров L и Sдает растр рельефа LS (рис. 5). Согласно процессу (см. рис. 2), полученный растр соответствует потенциальной водной эрозии (рис. 6).
Продовольственная и сельскохозяйственная организация объединенных наций (FAO) классифицирует водную эрозию определенным образом (табл. 2).
500000 600000 700000
—--1—
500000 600000 700000
Рис. 6. Растр потенциальной водной эрозии гидрографической демаркации Манаби [Fig. 6. Raster of a potential water erosion of hydrographie demarcation of Manabi]
Таблица 2
Классификация водной эрозии [FAO, 1980] [Classification of a water erosion [FAO, 1980]]
Уровень Потеря почвы (т/га/г) Тип эрозии Уровень Потеря почвы (т/га/г) Тип эрозии
1 < 0,5 Нормальная 4 15—50 Сильная
2 0,5—5 Незначительная 5 50—200 Очень сильная
3 5—15 Умеренная 6 > 200 Катастрофическая
Выводы
1. Фактор Я, характеризующий процесс эрозии в зависимости от кинематической энергии дождей и колеблется в пределах 4,71—2147,48 МДж-мм/(га-ч). Наибольшие значения получены в южной и северной зонах демаркации.
2. Фактор К, выражающий потенциал размыва почв в зависимости от содержания песка, ила, глины и органического углерода варьируется в интервале 0,0139—0,0196 т-га-ч/(МДж-мм-га). Наибольшие знания получены на юго-востоке и на западе демаркации.
3. Фактор ЬБ, выражающий состояние уклонов водосборного бассейна, изменяется в пределах 0,03—217,32. Наибольшие уклоны местности имеются на юге, на севере и на востоке демаркации.
4. Наиболее пострадавшие от потенциальной водной эрозии бассейны демаркации Манаби следующие: на юге — 15134, 15135 и 15136; на севере — 15191, 15192, 15193, 15194, 15195 и 15196; и на востоке — 15144, 15149, 15168, 15169, 15166 и 15162.
5. Потенциальная водная эрозия демаркация Манаби находится в пределах 0,00—1300,00 т/га/г. Согласно классификации FAO выделяются 6 типов водной эрозии (табл. 2) и потенциальная водная эрозия по указанным группам распределяется следующим образом (рис. 7).
0 нормальная И незначительная ]] умеренная Щ сильная р] очень сильная Щ катастрофическая
Рис. 7. Процентное распределение потенциальной водной эрозии, % [Fig. 7. Percentage distribution of potential water erosion]
6. Критические значения потенциальной водной эрозии (сильная, очень сильная и катастрофическая) в сумме составляют 41%, что охватывает существенную часть территории. Данное значение необходимо уменьшать за счет реализации соответствующих планов по восстановлению лесов и созданию экологических практик для защиты водосборных бассейнов, особенно на тех водосборах, где планируется проектирование и строительство гидротехнических сооружений для регулирования стока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Кампос Седеньо Антонио Фермин, Сениченко Е.К., Грицук И.И. Структурный подход к оценке морфометрических характеристик бассейнов рек провинции Манаби (Эквадор) // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». 2015. № 1. С. 52—61.
[2] КампосСеденьо Антонио Фермин. Гидраграфическое обоснование контроля и оптимизации использования водных ресурсов гидраграфической демаркации Манаби (Эквадор). М.: РУДН, 2016. С. 79-86.
[3] Anache J., Bacchi C., Panachuki E., Alve Sobrinho T. Assessment of methods for predicting soil erodibility in soil loss modeling // Geociencias. 2015. T. 34. No. 1. P. 32—40.
[4] Centro Ecuatoriano de Investigación Geográfica. La erosión en el Ecuador / Centro Ecuatoriano de Investigación Geográfica // Documentos de investigación. 1986. № 6. 96 p.
[5] Correa Calle O. Modelo dinámico para calificación de la amenaza pluvial y evaluación de la posibilidad de erosión en la sectorización geotécnica de oleoductos y su aplicación en la planeación y toma de dicisiones. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia — Facultad de Ingeniería, 2003. 87 p.
[6] Díaz J. Análisis de Erosión de suelo. Canada: Services in Geographic Information Systems (GIS), 2014. P. 6—7.
[7] Food and Agriculture Organization of the United Nations — FAO. Digital Soil Map of the World — ESRI shapefile format [Электронный ресурс] / Food and Agriculture Organization of the United Nations — FAO. 2017. Access mode: http://www.fao.org/geonetwork/srv/en/ metadata.show?id=14116
[8] Instituto Geografico Militar del Ecuador. Geodescargas: Cartografía, Software, Manuales, Enlaces [Электронный ресурс] / Instituto Geografico Militar del Ecuador. 2017. Access mode: http:// www.geoportaligm.gob.ec/portal/index.php/cartografia-de-libre-acceso-escala-50k/
[9] Santacruz de León G. Estimación de la erosión hídrica y su relación con el uso del suelo en la cuenca del río Cahoacán, Chiapas, México // Aqua-LAC. 2011. T. 3. № 1. P. 45—54.
[10] Wawer R., Nowocieñ E., PodolskiB. Real and Calculated K USLE Erodibility Factor for Selected Polish Soils // Polish Journal of Environmental Studies. 2005. T. 14. № 5. P. 655—658.
© Кампос Седеньо А.Ф., Синиченко Е.К., Грицук И.И., 2017
История статьи:
Дата поступления в редакцию: 28 февраля 2017 Дата принятия к печати: 14 марта 2017
Для цитирования:
Кампос Седеньо Антонио Фермин, Сениченко Е.К., Грицук И.И. Оценка потенциальной водной эрозии гидрографической демаркации Манаби (Эквадор) // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Инженерные исследования». 2017. Т. 18. № 2. С. 192—203.
Cведения об авторах:
Кампос Седеньо Антонио Фермин (Эквадор), аспирант департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: гидравлика и инженерная гидрология. Контактная информация: e-mail: [email protected]
Синиченко Евгений Константинович, кандидат технических наук, доцент департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: гидравлика и инженерная гидрология. Контактная информация: e-mail: [email protected]
Грицук Илья Игоревич, кандидат технических наук, доцент департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Старший научный сотрудник лаборатории «Динамики русловых потоков и ледотермики» Института водных проблем РАН. Сфера научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология, ледотермика. Контактная информация: e-mail: [email protected]
EVALUATION OF POTENTIAL WATER EROSION OF HYDROGRAPHIC DEMARCATION OF MANABI, ECUADOR
Campos Cedeno Antonio Fermin (Ecuador)1, E.K. Sinichenko1, I.I. Gritsuk1'2
1 Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University) Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198 2 Water Problems Institute Russian Academy of Science Gubkina str., 3, Moscow, Russia, 119333
Water erosion is the most essential reason of destruction of soils in the whole world. So, in Asia, from the 747 million hectares of earth suffering from erosion, 60% correspond to water erosion; in Africa from 497 million, 46%; in South America, from 243 millions, 51%; in Europe, from 219 million, 53%; 106 millions in a North and Central America, Bifani (1984). The same author specifies that, the phenomenon of erosion is closely related to the phenomenon of settling. The process of water erosion is usually measured on volume alluviums. The Rivers Ganges, Brahmaputra and Huang He, transport 1451, 726 and 1887 million tons annually, respectively, as compared to the rivers Mississippi, Amazon and Nile, that carry only 97, 63 and 31 tons on the square kilometer of basin (Holeman, 1968) [9].
Erosion of soil in Ecuador is a serious ecological problem that affects greater part of country in one or another degree. The use of methods of prognostication of washing off of superficial fertile layer of soils from fallouts did not get wide use, as numerous researches were directed to on a quantitative estimation speed of erosion for the different types of land-tenure in the off-shore zones of river basins, and only not many were concentrated on prognostication of erosive processes on all territory. In 1986 the Ecuadorian Center of Geographical Researches (CEDIG), for the first time conducted the row of the researches related to the capture of common data about the problems of erosion in a country [4].
In this paper, based on actual data on rainfall in 51 years and the composition of the soils, was carry out the estimation of potential water erosion for Hydrographic Demarcation of Manabi (Ecuador).
Key words: water erosion, Manabi demarcation, Universal Soil Loss Equation, R factor — USLE, K factor — USLE, LS factor — USLE
REFERENCES
[1] Kampos Sedeno A.F., Sinichenko Ye.K., Gritsuk I.I. Strukturnyy podkhod k otsenke morfometricheskikh kharakteristik basseynov rek provintsii Manabi (Ekvador) [A structured approach to the evaluation of the morphometric characteristics of the river basin demarcation of Manabi (Ecuador)]. Vfestnik RUDN. Seriya «Inzhenernye issledovaniya». 2015. № 1. Pp. 52—61.
[2] Kampos Sedeno A.F. Gidrologicheskoe obosnovanie kontrolya i optimizatsii ispolzovaniya vodnykh resursov Gidrograficheskoy demarkatsii Manabi (Ekvador) [Hydrological study control and optimize the use of water resources of the hydrographic demarcation Manabi (Ecuador)]. M.: RUDN, 2016. Pp. 79—86.
[3] Anache J., Bacchi C., Panachuki E., Alve Sobrinho T. Assessment of methods for predicting soil erodibility in soil loss modeling // Geociencias. 2015. T. 34. № 1. Pp. 32—40.
[4] Centro Ecuatoriano de Investigación Geográfica. La erosión en el Ecuador // Documentos de investigación. 1986. № 6. 96 p.
[5] Correa Calle O. Modelo dinámico para calificación de la amenaza pluvial y evaluación de la posibilidad de erosión en la sectorización geotécnica de oleoductos y su aplicación en la planeación y toma de dicisiones. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia — Facultad de Ingeniería, 2003. 87 p.
[6] Díaz J. Análisis de Erosión de suelo. Canada: Services in Geographic Information Systems (GIS), 2014. P. 6—7.
[7] Food and Agriculture Organization of the United Nations — FAO. Digital Soil Map of the World — ESRI shapefile format [Электронный ресурс] / Food and Agriculture Organization of the United Nations — FAO. 2017. Access mode: http://www.fao.org/geonetwork/srv/en/ metadata.show?id=14116
[8] Instituto Geografico Militar del Ecuador. Geodescargas: Cartografía, Software, Manuales, Enlaces [Электронный ресурс] / Instituto Geografico Militar del Ecuador. 2017. Access mode: http:// www.geoportaligm.gob.ec/portal/index.php/cartografia-de-libre-acceso-escala-50k/
[9] Santacruz de León G. Estimación de la erosión hídrica y su relación con el uso del suelo en la cuenca del río Cahoacán, Chiapas, México/ German Santacruz de León // Aqua-LAC. 2011. T. 3. № 1. P. 45—54.
[10] Wawer R., Nowocieñ E., Podolski B. Real and Calculated K USLE Erodibility Factor for Selected Polish Soils / R. Wawer and etc. // Polish Journal of Environmental Studies. 2005. T. 14. № 5. P. 655—658.
Article history:
Received: 28 February 2017 Accepted: 14 March 2017
For citation:
Kampos Sedeño A.F., Sinichenko Ye.K., Gritsuk I.I. (2017) Evaluation of potential water erosion of hydrographic demarcation of Manabi, Ecuador. RUDN Journal of Engineering Researches, 18(2), 192-203.
Bio Note:
Campos Cedeno Antonio Fermin (Ecuador), Graduate student of the Department "Architecture and Construction", Engineering Academy, Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University). Research interests: hydraulics and engineering hydrology. Contact information: e-mail: [email protected]
Evgeniy K. Sinichenko, Ph.D., Associate Professor of the Department "Architecture and Construction", Engineering Academy, Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University). Research interests: hydraulics and engineering hydrology. Contact information: e-mail: [email protected]
Ilya I. Gritsuk, Ph.D., Associate Professor of the Department "Architecture and Construction", Engineering Academy, Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University). Senior researcher laboratory of "Channel flow dynamics and ice thermal conditions", Russian academy of sciences Water problems institute. Research interests: hydraulics, engineering hydrology, ice thermal conditions. Contact information: e-mail: [email protected]
