CC BY
14
УДК 551.435
А.М. Гафуров1, И.И. Рысин2, В.Н. Голосов3, И.И. Григорьев4, А.Г. Шарифуллин5
ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО РОСТА ВЕРШИН ОВРАГОВ ЮЖНОГО МЕГАСКЛОНА ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ РАВНИНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАБОРА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ
Представлены результаты мониторинга динамики роста оврагов, расположенных в различных ландшафтных зонах южного мегасклона Восточно-Европейской равнины. В качестве ключевых участков были выбраны 104 вершины оврагов в Республиках Удмуртия и Татарстан, Воронежской, Саратовской и Оренбургской областях и Ставропольском крае. Использованы различные инструментальные методы: замер от репера, повторная топографо-геодезическая съемка, повторная съемка наземным лазерным сканером. Полученные результаты свидетельствуют о снижении темпов ежегодного роста оврагов в связи с общим потеплением климата и изменением землепользования на всех ключевых участках. Среднегодовой прирост по всем участкам составил 0,45 м/год, с максимумом 0,78 м/год в Воронежской области.
Ключевые слова: эрозия, овраг, сканирование, тахеометрия, линейный прирост.
Введение. Овражная эрозия является важным процессом изменения современного рельефа, способствуя формированию отрицательных линейных форм рельефа и перемещению огромного количества материала, оказывая влияние на русловой режим и сток наносов рек [Зорина с соавт., 2006]. Рост оврагов приводит к сокращению площадей пахотных земель, разрушению строений, заилению водохранилищ и т. д. [Дедков, 1990]. Основными причинами развития оврагов являются как нерациональное экстенсивное землепользование [Григорьев, Рысин, 2006] и возрастающая из года в год техногенная нагрузка (строительство дорог и трубопроводов, изменения площадей водосборов оврагов при различного рода деятельности, увеличение коэффициентов поверхностного стока, неконтролируемый сброс воды и т. п.) [Григорьев, 2011; Рысин с соавт.,
2015], так и изменение климата (увеличение дождевых событий со слоем более 40 мм и запасов воды в снеге при большей глубине промерзания).
Оценки роста оврагов осуществляются в камеральных и в полевых условиях [Рычагов, 2006]. В камеральных условиях проводится экспертная [Иванов, 2015] и нейросетевая дешифровка космо- и аэрофотоснимков по дешифровочным признакам ^ et я1.,
2016], также используются крупномасштабные топографические карты. Несмотря на такие преимущества камеральных методов, как автоматизация процесса дешифровки, у них есть серьезные недостатки, а именно, отсутствие полной исчерпывающей информации об изучаемом объекте из-за недостаточного пространственного разрешения исходных материалов, сложности подбора снимков хорошего
качества без артефактов (облаков, теней) на желаемый период, влияния растительного покрова.
В полевых условиях используется два метода: визуальный и инструментальный. К визуальным методам относятся рекогносцировочные работы и качественная оценка изменений на исследуемых участках [Рычагов, 2006]. Данный подход обычно используется на начальной стадии исследования, отвечая на вопрос о наличии или отсутствии изменений, но не позволяет количественно оценить динамику развития оврага.
Современные полевые инструментальные методы позволяют с высокой точностью оценивать изменения параметров оврагов (изменение длины, объема, площади, глубины и т. п.). Традиционно мониторинг линейного роста вершины оврага осуществляется с помощью метода повторных линейных измерений от предварительно закрепленных реперов [Болысов, Тарзаева, 1996; Рысин, Григорьев с соавт., 2017]. К явным преимуществам этого метода стоит отнести его простоту и воспроизводимость, а также низкую стоимость.
Для более детального изучения динамики развития оврагов используется геодезическая съемка с помощью электронных тахеометров [Satdarov, 2016] и съемка с помощью наземных лазерных 3D-сканеров (НЛС) [Usmanov, Yermolaev et al., 2015]. Использование наземных лазерных 3D-сканеров позволяет достигать точности до долей миллиметра [Гафуров, Усманов, 2016] и создавать трехмерную модель изучаемого объекта. Но при этом стоит учитывать дороговизну соответствующего оборудования и большие затраты времени на проведение по-
1 Казанский федеральный университет, Институт экологии и природопользования, аспирант; e-mail: gafurov.kfu@gmail.com
2 Казанский федеральный университет, Институт экологии и природопользования, вед. науч. с. и Удмуртский государственный университет, Институт естественных наук, проф., докт. геогр. н.; e-mail: rysin.iwan@yandex.ru
3 Казанский федеральный университет, Институт экологии и природопользования, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, научно-исследовательская лаборатория эрозии почв и русловых процессов, вед. науч. с.; e-mail: gollossov@gmail.com
4 Удмуртский государственный университет, Институт естественных наук, ст. преподаватель; e-mail: ivangrig@yandex.ru
5 Казанский федеральный университет, Институт экологии и природопользования, ассистент, канд. геогр. н.; e-mail: luleo123@mail.ru
левых съемок и обработку полученной в полевых условиях информации.
Выбор отдельного или набора методов для оценки темпов роста оврагов зависит от периода времени, для которого проводятся исследования динамики овражной сети и требуемой точности конечных оценок. Выделяются короткий (1-10 лет) [Frankl, Poesen et al., 2012; Marzolff, Ries et al., 2011] и длинный (более 10 лет) временные интервалы [Amine et al., 2012; Burkard et al., 1997; Grellier et al., 2012]. Иногда внутри короткого также выделяют средний временной интервал (5-10 лет) [Marzolff et al., 2011]. Для короткого временного интервала чаще применяют следующий набор методов: измерение линейного прироста вершины оврага методом реперов [Rysin, Grigoriev, 2007] и с помощью беспилотных летательных систем [Pineux et al., 2017], объемные измерения с использованием наземного лазерного сканирования [Kociuba et al., 2015], фотограмметрии [Sneddon et al., 1988], повторных DGPS измерений (для создания цифровой модели рельефа) [Grellier et al., 2012]. Более точные методы используются в тех случаях, когда исследуются механизмы процессов или существует необходимость максимально повысить точность оценок площадного или объемного прироста.
Исследования в средневременном интервале, как правило, проводятся с использованием данных глобальных ЦМР [Bouaziz et al., 2011; El Haj Tahir et al., 2010], а также данных архивной и исторической аэрофотосъемки [Marzolff et al., 2011; Vandekerckhove et al., 2003] и использования информации о параметрах оврагов с топографических карт. Разумеется, высококачественные космические снимки применяются в этом случае, как и при длин-новременных оценках, для определения динамики изменения положения исследуемых привершинных участков оврагов.
Источником данных для измерений в длинно-временном интервале, как и для средневременного, являются данные архивной аэрофотосъемки и то-покарты [Burkard et al., 1997; Grellier et al., 2012]. Исследования, покрывающие такой временной промежуток, наиболее широко проводились в Северной Америке [Beer et al., 1963; James R., Thompson, 1964] ввиду большого количества ортофотопланов, нач иная с 1911 г. Использование материалов аэрофотосъемки, помимо замеров площадного и линейного вершинного приростов, позволяет оценить объемный прирост [Marzolff et al., 2009] за большой временной интервал [Gбbris et al., 2003]: подобные современные исследования охватывают временной промежуток от 1930 г. до конца XX века [Burkard et al., 1995]. В отдельных случаях для оценок темпа прироста оврагов используют топографические карты, составленные еще в XIX веке [Burkard et al., 1997]. В результате возникает возможность удлинять ряды до 120-130 лет [Oostwoud Wijdenes et al., 2001]. Но только полевые методы позволяют детально оценить линейный, площадной и объемный приросты в зависимости от детальности повторных съемок за каж-
дый сезон или отдельное эрозионное событие, а также оценить возможные причины роста оврага.
Важно отметить, что сочетание различных при-родно-антропогенных факторов, а также их временная изменчивость способствуют цикличности в активизации овражной эрозии, которая выражается в этапах усиления и затухания темпов оврагообразо-вания, а также пространственной неравномерности развития овражной сети [МагеоЮЮ et а1., 2011]. В данной работе обсуждаются методические подходы к исследованию роста оврагов в длину и анализируются первые результаты мониторинга оврагов, расположенных в различных ландшафтных зонах южной половины Восточно-Европейской равнины.
Исследуемая территория. Традиционно мониторинг роста вершин оврагов осуществляется в пределах речного бассейна средних размеров [Болысов, Тарзаева, 1996] или региона [Рыжов, 1995; Рысин, 1998]. В нашем случае была поставлена задача проведения синхронных наблюдений в различных ландшафтных зонах южной половины европейской части России. В качестве объектов исследования были выбраны 6 ключевых участков, расположенных в различных ландшафтных зонах (от южной тайги до зоны южной степи) Восточно-Европейской равнины (рис. 1), и интенсивно используемые в сельском хозяйстве. Овраги на исследуемых территориях формируются на де-лювиально-солифлюкционных суглинках, размывая в некоторых случаях и коренные породы (табл. 1) верхнепермского (Удмуртская Республика и Республика Татарстан), верхнемелового (Воронежская область), нижнетриасового (Оренбургская область), неогенового (Ставропольский край) и палеогенового (Саратовская область) возраста. Все участки представляют собой сильно расчлененную долинной и овражно-балочной сетью равнину.
Средние высоты изменяются от 150 до 350 м. Климат - умеренноконтинентальный, со среднегодовыми температурами от 2,7оС до 10оС [Булыгина с соавт., 2015]. Распределение осадков по территории Восточно-Европейской равнины зависит от западного переноса воздушных масс и воздушных масс, поступающих с территории Средней Азии. Поэтому наиболее увлажненными среди исследуемых являются участки, расположенные в Воронежской области и Республике Татарстан, где годовая сумма осадков достигает 565 мм, а наиболее сухой - Оренбургская область, где за 2016 г. выпало 372 мм атмосферных осадков [Мильков, Гвоздецкий, 1986].
Большая часть осадков (65-70%) выпадает за теплый период (апрель-октябрь), причем за последние 30 лет наблюдается как увеличение общего количества осадков, так и рост числа дней с осадками более 10 мм, при которых наиболее вероятно формирование поверхностного стока (табл. 2). Все исследуемые объекты расположены в пределах территорий с умеренной и высокой долей пахотных земель.
Материалы и методы исследования. Следует отметить, что мониторинговая сеть наблюдений за линейным приростом оврагов в Удмуртской Республике существует с 1978 г., а начиная с 2000-х годов
Рис. 1. Карта природных зон и местоположение участков мониторинга скоростей роста вершин оврагов Fig. 1. Map of landscape zones and location of the sites of gully retreat rates monitoring
Таблица 1
Некоторые физико-географические характеристики территорий, в пределах которых располагаются овраги,
включенных в сеть мониторинга
Показатель Номер речного бассейна на рис. 1
1 2 3 4 5 6
Регион Удмуртия Татарстан Воронежская область Саратовская область Оренбургская область Ставропольский край
Литология Делювиальные суглинки, глины с прослоями песчаников, известняков Делювиальные суглинки, глины Делювиальные Делювиальные Делювиальные Делювиальные
с прослоями известняков суглинки, мел суглинки суглинки суглинки
Средняя абсолютная высота вершины
150-183 100-195 140-200 225-280 135-200 200-300
оврага, м
Среднегодовая температура воздуха, С* 2,7 4,0 6,5 5,2 4,7 9,5
Слой осадков, 363/ ч -(522)** 361 -(549) 372/ ч -(576) 282 -(436) 247 -(377) 392/ ч -(561)
159 188 204 154 130 169
Количество
вершин оврагов, включенных в 45 8 5 9 13 9
мониторинг
*Данные приведены за период 1950-2015 гг. с ближайшей к исследуемому бассейну метеостанции.
**Над чертой - слой осадков за теплый период, под чертой - за холодный период, в скобках - годовая сумма осадков.
Таблица 2
Изменение средних температур и слоя осадков на исследуемых территориях за период 1950-2015 гг.
по десятилетиям
Годы Номер участка
1 2 3 4 5 6
г Н г Н г Н г Н г Н г Н
1946-1955 - - 3,1 - 5,8 - 4,4 - 4,2 - 9,3 -
1956-1965 2,5 524 3,3 - 5,7 - 4,6 - 4 - 9,4 -
1966-1975 2,4 550 3,6 497 6,3 530 5,1 424 4,4 325 9,7 572
1976-1985 2,4 502 3,5 585 5,8 612 4,7 471 4,3 372 8,9 527
1986-1995 2,8 490 4,2 543 6,4 610 5,1 428 4,8 394 8,9 588
1996-2005 3 536 4,8 559 7 580 5,7 455 5,1 419 9,9 570
2006-2015 3,5 532 5,4 585 8 547 6,2 410 5,8 381 10,3 550
дополнительно на ряде оврагов проводятся и ежегодные измерения площадного и объемного прироста вершин. В остальных регионах сеть наблюдений была заложена осенью 2015 г. Для наблюдений в пределах каждого участка были выбраны овраги различных типов. Все овраги располагаются на относительно компактной территории, что предполагает в целом сравнительно сходные гидрометеорологические условия как в период снеготаяния, так и при выпадении ливней. Результаты длительного мониторинга прироста вершин оврагов в Удмуртии показывают, что фактически даже в пределах такого обширного региона, как Вятско-Камское междуречье, в целом по отдельным годам сравнительно низкая пространственная вариабельность важнейших гидрометеорологических параметров в различные сезоны формирования поверхностного стока [Рысин с соавт., 2017]. Всего наблюдения проводятся за приростом 104 вершин оврагов, из которых 45 располагаются в Удмуртии, а оставшиеся 59 - на остальных пяти ключевых участках, расположенных в различных ландшафтных зонах южного мегаск-лона европейской территории России (табл. 3). Только 16 оврагов имеют техногенное происхождение, остальные - агрогенные.
Средний линейный
Синхронность и сходный набор используемых методов измерения, которые проводятся дважды в год (весной после зимне-весеннего периода и осенью после периода формирования ливневого стока), на всех участках позволяет судить о внутригодовой и межгодовой динамике прироста оврагов на обширной территории, занимающей практически весь южный мегасклон Восточно-Европейской равнины.
При мониторинге используется следующий набор полевых инструментальных методов: реперов, повторной геодезической съемки, наземного лазерного сканирования [Сатдаров, 2016].
Метод реперов является наиболее широко используемым и традиционным. Обычно помимо специально устанавливаемых выше вершины реперов дополнительно используются в качестве реперов расположенные на небольшом расстоянии от вершины стволы деревьев, столбы и некоторые другие фиксированные на местности объекты [Болысов, Тарзаева, 1996; Рысин, 1998]. Метод реперов позволяет проводить замеры прироста вершины оврага максимально быстро и с наименьшими трудозатратами в полевых условиях и при камеральной обработке, но его точность относительно невысока, и он не позволяет получить информацию о приросте при-
Таблица 3
г оврагов за 2015-2016 гг.
Номер речного бассейна на рис. 1
Линейный прирост вершин оврагов, м/год 1 2 3 4 5 6
Количество исследуемых оврагов (агрогенных+техногенных)
45 (42+3) 8 (8+0) 5 (5+0) 14 (13+1) 19(17+2) 13 (3+10)
Удмуртия Татарстан Воронежская область Саратовская область Оренбургская область Ставропольский край
Весна 0,64 0,61 0,41* 0,06 0,05 0,18*
Осень 0,03 0,09 0,37 0,03 0,06 0,15
Год 0,67 0,70 0,78 0,09 0,11 0,33
*Прирост не связан со стоком в период весеннего снеготаяния, так как поверхностный сток при периодическом выпадении снега в холодное время года не формировался.
вершинного участка оврага на всем его протяжении.
Гораздо более детальная информация о росте вершин оврагов может быть получена при проведении топографо-геодезической съемки, которая в нашем случае проводится с помощью тахеометра Trimble M3 (рис. 2, А) и роботизированного тахеометра с функциями наземного лазерного сканера (НЛС) Trimble VX Spatial Station (рис. 2, Б). Помимо использования опорных реперов в этом случае для обеспечения надежной геодезической привязки при проведении повторных наблюдений закладывается дополнительная сеть грунтовых опорных точек (ground control points (GCP)).
Съемка бровки оврагов с помощью тахеометра проводилась с дискретностью пикетов 1 м также два раза в год для фиксации изменений после периодов весеннего снеготаяния и летних ливневых осадков. По данным ПО QGIS 2.18 строились план-схемы бровок оврагов, по которым вычислялся площадной прирост оврага в его вершине.
В результате рассчитывались средние темпы отступания бровки оврага по следующей схеме. На первом этапе полилинейная схема бровки конвертировалась в полигональный объект. Из полигона схемы бровки, полученной по результатам предыдущей съемки, вычитался полигон схемы, полученной при последующей съемке. Таким образом мы получали результирующий полигональный объект, отображающий площадной прирост бровки при-
вершинной части оврага. Исходя из того, что A = L х W, где A - площадь (м2), L - длина (м), W -ширина (м), а P = 2 х (L + W), где P - периметр (м), и выразив длину, как L = A + W, мы получаем P = 2 х (A +W) + 2 х W). Тогда, для вычисления ширины, нам необходимо решить уравнение, для которого положительный корень является средней шириной полигона. Таким образом, для расчета средней ширины для полученного результирующего полигонального объекта, отображающего прирост бровки оврага, нам необходимо знать его периметр и площадь, которые в среде QGIS вычисляются с помощью запросов Sperimeter и Sarea, соответственно.
Несмотря на такие преимущества тахеометрической съемки, как точность и высокая скорость получения плановых координат точек, она относительно менее точна при определении с ее помощью объемного прироста оврага, так как достаточно сложно с необходимой детальностью провести съемку бортов днища оврагов в их привершинной части. Для решения данной задачи нами используется наземное лазерное сканирование (НЛС). Съемка производится с разрешением 5х5 см на расстоянии 8 м с помощью роботизированного тахеометра Trimble VX Spatial Station. Такое разрешение было выбрано, так как оно является наиболее оптимальным для сканирования оврагов по соотношению время съемки/точность. Полученные в результате НЛС облака точек были использованы для создания цифровой модели рельефа (ЦМР) с шагом сетки 0,05 м с
Рис. 2. Используемые тахеометры Trimble M3 (А) и Trimble VX Spatial Station (Б) Fig. 2. The applied taxymeters Trimble M3 (А) and Trimble VX Spatial Station (Б)
помощью метода Natural Neighbor в программном пакете Golden Software Surfer [Rishikeshan, Katiyar et al., 2014]. По ним можно количественно оценить темпы снесенного с бортов оврага материала.
В связи с тем, что темпы прироста вершин оврагов различны, нецелесообразно проводить дважды в год тахеометрическую съемку привершинных участков оврагов и лазерное сканирование всех оврагов, включенных в мониторинг. Поэтому тахеометрическая съемка проводится на оврагах с умеренным приростом, а лазерное сканирование - на отдельных оврагах, на которых при умеренном росте достаточно активно происходит осыпание материала с бортов сложной конфигурации. В то же время линейный прирост собственно вершин оврагов оценивается с использованием метода реперов и повторной тахеометрической съемки.
Результаты исследования и их обсуждение. Динамика изменений среднегодовых темпов линейного прироста оврагов, выявленная на основе почти 40-летнего мониторинга в Удмуртии, указывает на резкое сокращение линейного прироста, произошед-
Прирост
/, м S, м2
2003-2004 Г::::| 0,7 23,3
2005-2007 [ГПТТП 2,4 42,1
2008-2010 2.2 94,4
2011-2013 |=| 4.8 100,8
2014-2015 F^l 2,5 42,8
Рис. 3. Динамика изменений линейного и площадного прироста оврага Вярзи-Ятчи в Удмуртской Республике в период с 2003 по 2016 г. (условные обозначения: l - линейный прирост, S - площадной прирост)
Fig. 3. Temporal variability of the linear and areal increase of the Varzi-Yachi gully in the Udmurt Republic from 2003 to 2016 (l - linear growth, S - areal growth)
шего после 1998 г. и особенно после 2002 г. [Рысин с соавт., 2017]. В целом, среднегодовой прирост вершин оврагов с 1978 по 2016 г. составил 0,76 м/год, тогда как в период 2003-2016 гг. он изменялся в среднем по годам от 0,15 до 0,67 м/год. Причиной отмеченных изменений является сокращение площади обрабатываемых пахотных земель при уменьшении запасов воды в снеге и глубины промерзания почвы [Рысин с соавт., 2017]. Пик роста оврагов приходился на конец 1970-х и начало 1990-х годов: прирост 2,8 м/год в 1979 г. и 2,3 м/год в 1991 г. и обусловлен значительным склоновым стоком в период снеготаяния с водосборов оврагов [Рысин с соавт., 2017]. При этом 95% значений величины прироста оврагов в период с 1978 г. не превышают 2,4 м/год.
Как видно на примере результатов наблюдений с использованием метода реперов и повторных тахеометрических съемок оврага Варзи-Ятчи, прирост, графически представленный преимущественно за трехлетние периоды, невелик (рис. 3). На данном примере хорошо видны преимущества повторной тахеометрической съемки по сравнению с методом реперов. Для многих оврагов характерен неравномерный прирост привершинной части, когда фактически можно выделить 2-3 вершины, как, собственно, наблюдается при росте данного оврага, а иногда и большее число вершин. Даже при использовании нескольких реперов линейные измерения расстояний от них до различных участков бровки привершинной части оврага вряд ли бы позволили определить значительный прирост в 2011-2013 гг. наиболее восточной вершины по сравнению с остальными двумя участками бровки оврага, которые можно рассматривать как самостоятельные вершины или как единую, неравномерно растущую вершину. Еще более затруднительно, а по существу невозможно, было бы выявить с помощью метода реперов существенный площадной прирост оврага в 20082010 гг. на фоне большинства других периодов примерно с аналогичным линейным приростом.
Точность линейных и, особенно, площадных измерений привершинных частей оврагов во многом определяет количественные оценки объемов наносов, формирующихся в процессе оврагообразования, а для склоновых оврагов, часто формирующихся в пределах ранее распахиваемых склонов, и прогноз сокращения пахотных земель в связи с ростом оврагов. Разумеется, крайне низкие темпы роста оврагов, выявленные за последние 10-15 лет в Удмуртии [Рысин с соавт., 2017], свидетельствуют о том, что при нынешних гидрометеорологических условиях и характере землепользования интенсивность овражной эрозии ничтожно мала, за исключением отдельных участков, на которых формируются техногенные овраги, темпы роста которых существенно больше [Григорьев с соавт., 2016].
Первые результаты наблюдений за линейным приростом оврагов на всех участках мониторинга указывают на повсеместно незначительный прирост вершин или его отсутствие, как это наблюдалось в Оренбургской и Саратовской областях (табл. 3). На
ключевом участке, расположенном в Саратовской области, средний прирост вершин оврагов составил всего 0,09 м/год, при этом более 70% из них имеют нулевой годовой прирост. Такие небольшие значения обусловлены как небольшим количеством осадков (не более 436 мм), так и отсутствием каждый второй год талого стока на зяби [Медведев, Шаба-ев, 1991]. По существу, подобный прирост может быть обусловлен осыпными процессами, развивающимися на оголенных стенках вершин оврагов в связи с внутрисуточными колебаниями температур, особенно в период их перехода через ноль градусов Цельсия. Аналогичная ситуация наблюдалась на другом ключевом участке, также расположенном в восточном секторе степной зоны в бассейне р. Самара (Оренбургская область, табл. 3, 4).
Для оврагов, расположенных на юго-западе степной зоны в Ставропольском крае, где не формируется устойчивый снежный покров и поэтому отсутствует талый сток, средний годовой прирост оврагов (техногенных и агрогенных) равен 0,33 м/год при сумме осадков 561 мм. Средний прирост в холодное и теплое время года сопоставим и составляет 0,18 м и 0,15 м соответственно. При этом прирост агроген-ных оврагов несколько больше среднего для всех оврагов и равен 0,47 м/год.
Наибольший, хотя также, в целом, незначительный, прирост из всех ключевых участков характерен для оврагов, расположенных в бассейне р. Ве-дуга Воронежской области, приуроченных к западному сектору лесостепной зоны. Фактически здесь также в последние десятилетия поверхностный сток в период снеготаяния не формируется. Средний прирост вершин оврагов для данной территории соста-
вил 0,78 м/год, при отсутствии ярко выраженной сезонной составляющей. Следует отметить, что и здесь, на юго-западе лесостепной зоны, талый сток в основном отсутствует и только в отдельных случаях формируется совместно с дождевым, когда на сильно переувлажненную почву выпадают жидкие осадки даже средней интенсивности.
Только в пределах участков, находящихся на севере лесостепной и юге лесной зон в Татарстане и Удмуртии, именно за счет стока в период весеннего снеготаяния произошел основной, опять же, в целом, незначительный, прирост оврагов (табл. 3). Причем в Удмуртии наибольший прирост характерен для донных оврагов (табл. 4), что соответствует ранее выявленной тенденции для этого региона некоторого повышения темпов роста донных оврагов [Рысин с соавт., 2017].
Для ряда оврагов, расположенных в бассейне р. Темев Ручей (Республика Татарстан), помимо оценок линейного прироста оврагов, на основе метода реперов была проведена топографо-геодезичес-кая съемка ряда вершин. Средний годовой прирост оврагов на данной территории составил 0,7 м/год при явном преобладании прироста за период талого стока: средний прирост за этот период составил 0,61 м, то есть более 85% годового прироста (табл. 3). При этом максимальный прирост за период талого стока достигал 1,3 м. Проведение топографо-геодези-ческих работ позволило оценить не только линейный, но и площадной прирост, который был достаточно неравномерен по периметру привершинной части оврагов (рис. 4). Так, за период талого стока максимальный боковой прирост, составивший 1,6 м, произошел за счет оползания стенки оврага по его
Таблица 4
Средний линейный прирост различных типов агрогенных оврагов за 2015-2016 гг.
Регион Береговые Число вершин Донные Число вершин Склоновые Число вершин
Удмуртия 0,12 / ч - (0,12) 7 0,75 / ч -(0,82) 0,07 9 0,37 / ч -(0,38) 0,01 26
Татарстан 0,76 / ч -(0,84) 0,08 8 - 0 0,18/ ч -(0,28) 0,10 2
Воронежская область 0,64 / ч -(0,74) 0,10 2 - 0 0,52 (0,81) 0,31 3
Саратовская область 0,00 -(0,00) 0,00 3 0,08 (0,10) 0,03 6 0,08 (0,10) 0,03 4
Оренбургская область 0,07 (0,10) 0,03 4 0,03 -(0,23) 0,20 2 0,03 -(0,09) 0,06 11
Ставропольский край - 0 - 0 0,20 -(0,47) 0,27 3
Среднее значение по всем регионам 0,20 -(0,23) 0,03 22 0,29 / ч -(0,39) 0,10 17 0,22 -(0,37) 0,15 49
Примечание. Над чертой - прирост вершины оврагов за весенний период, под чертой - за летне-осенний период, в скобках - годовой прирост (М - число вершин).
Рис. 4. Изменения положения бровки на примере оврага № 1 в бассейне р. Темев Ручей, полученные с помощью топографо-геодезической съемки (А) и вид на привершинную часть оврага (Б) и левый борт оврага (В); 1 - осень 2015 г., 2 - весна 2016 г.,
3 - осень 2016 г.
Fig. 4. Changes in the position of gully borders (case study of gully № 1 in the drainage area of the Temev Ruchey River), obtained through the topographic-geodetic survey (A) and the views of the upper part of the gully (Б) and its left side (B); 1 - fall 2015, 2 - spring 2016,
3 - fall 2016
борту западной экспозиции. За период летне-осенних дождей максимальное отступание бровки составило 0,67 м, и оно также было связано с медленным оползанием грунта по стенке оврага. Таким образом, на основе использования повторной геодезической съемки удалось оценить темпы расширения привершинной части оврага за счет развития экзогенных процессов по разным сезонам года. Следует отметить, что, как и в случае с оврагом в Удмуртии (рис. 3), более активно за счет оползневых и осыпных процессов отступает бровка бортов западной экспозиции. Более длительные и масштабные по охвату наблюдения необходимы для того, чтобы оценить, является ли это закономерностью или случайностью.
Для оценки объемного прироста была проведена работа по лазерному 3D сканированию двух оврагов, расположенных на противоположных склонах долины р. Темев Ручей. Объем выноса из берегового оврага, расположенного на левом борту доли-
ны р. Темев Ручей, составил 20,94 м3 за период талого стока и 2,0 м3 за период осенне-летних дождей. Удельный снос материала с квадратного метра составил 0,11 м3/м2 и 0,03 м3/м2 соответственно. Для оврага, расположенного на противоположном борту долины, суммарный вынос за периоды талого стока и летне-осенних дождей составил соответственно 7,8 и 2,4 м3, а удельный снос с квадратного метра - 0,12 и 0,02 м3/м2. Аккумуляция материала за период летне-осенних дождей в береговом овраге (12,8 м3), расположенном на левом борту долины р. Темев Ручей, обусловлена не столько привносом материала с прилегающего к оврагу поля, засеянного многолетними травами, сколько связана с активно протекающими оползневыми и осыпными процессами на его бортах. Это подтверждается картами разностей поверхностей. Для оврага, расположенного на противоположном борту долины, объемные изменения объясняются как перемещением смытого со стенок материала внутри тела оврага, так и при-
вносом материала, смытого с прилегающей пашни. Стоит отметить, что смытый материал частично выносится за пределы оврага только в результате талого смыва (20% материала выносится для оврага на левом борту, 75% - для оврага на правом). Такое различие в проценте вынесенного материала объясняется различной морфологией и продольными уклонами оврагов (12о для оврага на левом борту, 36о для оврага на правом борту). Так как период с конца весны по начало осени 2016 г. характеризовался небольшим количеством дождевых событий, а процессы, проходящие в оврагах, носили скорее осыпной характер, материал был полностью аккумулирован в днище оврага на обоих наблюдаемых оврагах.
Выводы
Созданная сеть мониторинга роста оврагов на южном мегасклоне Восточно-Европейской равнины является уникальной по охвату территории синхронными сезонными наблюдениями за динамикой развития оврагов и не имеет аналогов в мире. Совместное применение набора инструментальных методов позволяет с достаточно высокой точностью проводить оценки линейного, площадного и объемного прироста оврагов. Первые результаты иссле-
Благодарности. Исследование выполнено при
дований согласуются с ранее полученными результатами многолетнего мониторинга роста оврагов на Вятско-Камском междуречье, на территории Республики Татарстан и Саратовской области [Бута-ков с соавт., 2000; Лотоцкий, 1987; Рысин с соавт. 2017], которые свидетельствуют о затухании темпов овражной эрозии с конца 1990-х годов в связи с потеплением климата и изменением землепользования и общим «старением» овражной сети.
Предварительно можно говорить об определенных зональных отличиях. В частности, относительно больший прирост оврагов наблюдается на юго-западе лесостепной зоны (в Воронежской области), в зоне смешанных лесов (в Республике Татарстан) и в подзоне южной тайги (в Удмуртской Республике), где он составил в среднем 0,67-0,78 м/год, а наименьший прирост - в восточной и центральной частях степной зоны (в Оренбургской и Саратовской областях). В среднем для всех участков скорости линейного прироста оврагов различного типа относительно близки, но в то же время в зоне южной тайги темпы линейного роста донных оврагов в 2-3 раза превышают скорости роста в длину оврагов других типов.
финансовой поддержке проекта РНФ № 15-17-20006.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Актуализированные ГИС-пакеты оперативной геологической информации (ГИС-Атлас «Недра России») // Всероссийский научно-исследовательский геологический институт имени А.П. Карпинского [Электронный ресурс]. URL: http:// atlaspacket.vsegei.ru.
Болысов С.И., Тарзаева Н.В. Метеорологический фактор в развитии регрессивной эрозии на юго-западе Подмосковья // Геоморфология. 1996. № 4. C. 97-103.
Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Трофименко Л. Т., Швец Н.В. Массив данных среднемесячной температуры воздуха на станциях России // Обнинск: ВНИИГМИ-МцД, 2015. [Электронный ресурс]. URL: http://meteo.ru/data/.
Бутаков Г.П., Зорина Е. Ф., Никольская И.И., Рысин И.И., Серебренникова И.А., Юсупова В.В. Тенденции развития овражной эрозии в Европейской России // Эрозионные и русловые процессы. 2000. № 3. C. 52-62.
Гафуров А.М., Усманов Б.М. Оценка интенсивности и динамики почвенной эрозии методом наземного лазерного сканирования // Эрозионные, русловые и устьевые процессы (исследования молодых ученых университетов). 2016. C. 81-90.
Григорьев И.И. Пространственно-временной анализ скоростей роста техногенных оврагов на территории Удмуртии // Эрозия почв, овражная эрозия, русловые процессы: теоретические и прикладные вопросы. 2011. C. 90-99.
Григорьев И.И., Рысин И.И. Исследования техногенных и сельскохозяйственных оврагов в Удмуртии // Вестн. Удмуртского ун-та. Сер. Биология. Науки о Земле. 2006. № 2. C. 83-91.
Дедков А.П. Овражная эрозия востока Русской равнины. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1990. 143 с.
Зорина Е.Ф., Веретенникова М.В., Ковалев С.Н., Любимов Б.П., Никольская И.И., Прохорова С.Д. География овражной эрозии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2006. 324 c.
Иванов М.А. Методические аспекты картографирования типов землепользования по данным космической съемки // Гео-
графия и регион: материалы междунар. науч. конф. (23-25 сентября 2015 г.). В 6 т. 2015. № 4. C. 251.
Лотоцкий Г.И. Об интенсивности развития овражной эрозии Саратовского Поволжья // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. 1987. C. 77-78.
Медведев И.Ф., Шабаев А.И. Эрозионные процессы на пашне Приволжской возвышенности // Почвоведение. 1991. № 11. C. 61-69.
Мильков Ф.Н., Гвоздецкий Н.А. Физическая география России и СССР. Общий обзор. Европейская часть СССР. Кавказ. М.: Высшая школа, 1986. 376 с.
Рыжов Ю.В. Рост оврагов на юге Сибири // География и природные ресурсы. 1995. № 3. C. 101-110.
Рысин И.И. Овражная эрозия в Удмуртии. Ижевск: Изд-во Удмурт. ун-та, 1998. 274 с.
Рысин И.И., Голосов В.Н., Григорьев И.И., Зайцева М.Ю. Влияние изменений климата на динамику темпов роста оврагов Вятско-Камского междуречья // Геоморфология. 2017. № 1. C. 90-103.
Рысин И.И., Григорьев И.И., Зайцева М.Ю. Результаты исследований овражной эрозии в Удмуртии за последние два десятилетия // Наука Удмуртии. 2015. № 3(73). C. 150-164.
Рысин И.И., Григорьев И.И., Зайцева М.Ю., Голосов В.Н. Линейный прирост оврагов Вятско-Камского междуречья на рубеже столетий // Вестн. МГУ. Сер. 5. География, 2017. № 1. C. 63-72.
Рычагов Г.И. Общая геоморфология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2006. 416 с.
Сатдаров А.З. Методы исследования регрессивного роста оврагов: достоинства и недостатки // Уч. записки Казанского университета. Сер. Естественные науки. 2016. № 158(2). C. 277-292.
Li W, Fu H, Yu L., Gong P., Feng D., Li C., Clinton N. Stacked Autoencoder-based deep learning for remote-sensing image
classification: a case study of African land-cover mapping // International J. Remote Sensing. 2016. № 23(37). C. 5632-5646.
Marzolff I., Ries J.B., Poesen J. Short-term versus medium-term monitoring for detecting gully-erosion variability in a Mediterranean environment // Earth Surface Processes and Landforms. 2011. № 12(36). C. 1604-1623.
Rishikeshan C.A., Katiyar S.K., Mahesh V.N.V. Detailed Evaluation of DEM Interpolation Methods in GIS Using DGPS Data // 2014 International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks. 2014. C. 666-671.
Satdarov A.Z. Methods for Research of the Regressive Growth in Gullies: Advantages and Disadvantages // Uchenye zapiski Kazanskogo universiteta. Seriya Estestvennye nauki. 2016. № 2(158). C. 277-292.
Usmanov B., Yermolaev O., Gafurov A. Estimates of slope erosion intensity utilizing terrestrial laser scanning // Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences. 2015. (367). C. 59-65.
Поступила в редакцию 06.06.2017 Принята к публикации 21.05.2018
A.M. Gafurov1!, LL Rysin2, V.N. Golosov3, LI. Grigoryev4, A.G. Sharifullin5
ESTIMATION OF THE RECENT RATE OF GULLY HEAD RETREAT ON THE SOUTHERN MEGASLOPE OF THE EAST EUROPEAN PLAIN USING A SET OF INSTRUMENTAL METHODS
The results of monitoring the gully growth dynamics in different landscape zones of the southern megaslope of the East European Plain are presented. As key sites 104 gully heads in the Republic of Udmurtia, the Republic of Tatarstan, the Voronezh, Saratov and Orenburg oblasts and the Stavropol Krai were chosen. Various instrumental methods were used, such as measuring from a control point, repeated geodetic survey, repeated measurement using a terrestrial laser scanner. The results show a decrease in the annual growth rate of gully heads due to general climate warming and land use change at all key sites. The average annual retreat rate in all areas was 0,45 m/year, with a maximum of 0,78 m/year in the Voronezh oblast.
Key words: erosion, gully, laser scanning, geodetic survey, linear growth.
Acknowledgements. The study was financially supported by the Russian Science Foundation (project № 15-17-20006).
REFERENCES
Bolysov S.I., Tarzayeva N. V. Meteorological factor in regressive erosion in the South-West of the Moscow Region // Geomorphology RAS. 1996. № 4. P. 97-103 (in Russian).
Bulygina O.N., Razuvayev V.N., Trofimenko L.T., Shvets N.V Massiv dannykh srednemesyachnoy temperatury vozdukha na stantsiyakh Rossii [An array of average monthly air temperature data at Russian stations]. VNIIGMI-WDC, Obninsk, 2015. [Electronic resource]. URL: http://meteo.ru/data/ (in Russian).
Butakov G.P., Zorina E.F., Nikolskaya I.I., Rysin I.I., Serebrennikova I.A., Yusupova V.V. Tendentsii razvitiya ovrazhnoy erozii v Yevropeyskoy Rossii [Trends in the development of gully erosion in European Russia] // Erosion and fluvial processes. 2000. № 3. P. 52-62 (in Russian).
Dedkov A.P. Ovrazhnaya eroziya vostoka Russkoy ravniny [Gully erosion at the east of the Russian Plain]. Kazan Publishing House, Kazan, 1990. 143 p. (in Russian).
Gafurov A.M., Usmanov B.M. Otsenka intensivnosti i dinamiki pochvennoy erozii metodom nazemnogo lazernogo skanirovaniya [Assessment of intensity and dynamics of soil erosion using method of terrestrial laser scanning] // Erozionnyye, ruslovyye
i ust'yevyye protsessy (issledovaniya molodykh uchenykh universitetov). 2016. P. 81-90 (in Russian).
Grigor 'yev I.I. Prostranstvenno-vremennoy analiz skorostey rosta tekhnogennykh ovragov na territorii Udmurtii [Spatio-temporal analysis of the rates of growth of technogenic ravines in the territory of Udmurtia] // Eroziya pochv, ovrazhnaya eroziya, ruslovyye protsessy: teoreticheskiye i prikladnyye voprosy. 2011. P. 90-99 (in Russian).
Grigor'yev I.I., Rysin I.I. Issledovaniya tekhnogennykh i sel'skokhozyaystvennykh ovragov v Udmurtii [Research of agricultural and technogenic ravines in Udmurtia] // Vestnik Udmurtskogo un-ta. Ser. Biologiya. Nauki o Zemle. 2006. № 2. P. 83-92 (in Russian).
Ivanov M.A. Metodicheskiye aspekty kartografirovaniya tipov zemlepol'zovaniya po dannym kosmicheskoy s'yemki [Methodical aspects of mapping the land use types according to space survey data] // Geografiya i region: materialy mezhdunar. nauch. konf. (2325 sentyabrya 2015 g.). 2015. V. 6. № 4. 251 p. (in Russian).
Li W., Fu H, Yu L., Gong P., Feng D., Li C., Clinton N. Stacked Autoencoder-based deep learning for remote-sensing image
1 Kazan Federal University, Institute of Ecology and Environmental Sciences, PhD student; e-mail: gafurov.kfu@gmail.com
2 Kazan Federal University, Institute of Ecology and Environmental Sciences, Leading Scientific Researcher; Udmurt State University, Institute of Environmental Sciences, Professor, D.Sc. in Geography; e-mail: rysin.iwan@yandex.ru
3 Kazan Federal University, Institute of Ecology and Environmental Sciences, Moscow State University, the Makkaveev Laboratory of Soil Erosion and Fluvial Processes, Leading Scientific Researcher; e-mail: gollossov@gmail.com
4 Udmurt State University, Institute of Environmental Sciences, Senior Lecturer; e-mail: ivangrig@yandex.ru
5 Kazan Federal University, Institute of Ecology and Environmental Sciences, Assistant Professor, PhD in Geography; e-mail: luleo123@mail.ru
classification: a case study of African land-cover mapping // International J. Remote Sensing. 2016. № 23(37). P. 5632-5646.
Lototsky G.I. Ob intensivnosti razvitiya ovrazhnoy erozii Saratovskogo Povolzh'ya [On the intensity of gully erosion development in the Saratov Volga River area] // Regularities in the manifestation of erosion and fluvial processes in various natural conditions. 1987. P. 77-78 (in Russian).
Marzolff I., Ries J.B., Poesen J. Short-term versus medium-term monitoring for detecting gully-erosion variability in a Mediterranean environment // Earth Surface Processes and Landforms. 2011. № 12(36). P. 1604-1623.
Medvedev I.F., Shabayev A.I. Erozionnyye protsessy na pashne Privolzhskoy vozvyshennosti [Erosion processes on the arable land of the Volga Upland] // Pochvovedeniye. 1991. № 11. P. 61-69 (in Russian).
Mil'kov F.N., Gvozdetskiy N.A. Fizicheskaya geografiya Rossii i SSSR. Obshchiy obzor. Yevropeyskaya chast' SSSR. Kavkaz [Physical geography of Russia and the USSR. General review. European part of the USSR. The Caucasus]. Moscow: Vysshaya shkola, 1986. 376 p. (in Russian).
Rishikeshan C.A., Katiyar S.K., Mahesh V.N.V. Detailed Evaluation of DEM Interpolation Methods in GIS Using DGPS Data // 2014 International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks. 2014. P. 666-671.
Rychagov G.I. Obshchaya geomorfologiya [General geomorphology]. Moscow: Izd-vo Mosk. un-ta, 2006. 416 p. (in Russian).
Rysin I.I. Ovrazhnaya eroziya v Udmurtii [Gully erosion in Udmurtia]. Izhevsk: Izd-vo Udmurt. un-ta, 1998. 274 p. (in Russian).
RysinI.I., Golosov V.N., Grigor yevI.I., ZaitcevaM.Yu. Influence of climate change on the rates of gully growth in the Vyatka-Kama watershed // Geomorphology RAS. 2017. № 1. P. 90-103 (in Russian).
Rysin I.I., Grigor'yev I.I., Zaytseva M.Yu. Rezul'taty issledovaniy ovrazhnoy erozii v Udmurtii za posledniye dva
desyatiletiya [Results of gully erosion studies in Udmurtia duri ng the recent two decades] // Nauka Udmurtii. 2015. № 3(73). P. 150164 (in Russian).
Rysin I.I., Grigor'yev I.I., Zaytseva M.Yu., Golosov V.N. Lineynyy prirost ovragov Vyatsko-Kamskogo mezhdurech'ya na rubezhe stoletiy [Dynamics of the linear retreat of gully heads within the Vyatka-Kama interfluve at the turn of the centuries] // Moscow University Bulletin. Ser. 5. Geography. 2017. № 1. P. 6372 (in Russian).
Ryzhov U.V. Rost ovragov na yuge Sibiri [Growth of gullies in southern Siberia] // Geography and natural resources. 1995. № 3. P. 101-110 (in Russian).
Satdarov A.Z. Methods for Research of the Regressive Growth in Gullies: Advantages and Disadvantages // Uchenye zapiski Kazanskogo universiteta. Ser. Estestvennye nauki. 2016. № 2(158). P. 277-292.
Satdarov A.Z. Metody issledovaniya regressivnogo rosta ovragov: dostoinstva i nedostatki [Methods of investigating the regressive growth of gullies: merits and demerits] // Uchenyye zapiski Kazanskogo universiteta. Ser. Yestestvennyye nauki. 2016. № 158(2). P. 277-292 (in Russian).
Updated GIS packages of operational geological information (GIS-Atlas «Nedra Rossii») // All-Russian Scientific Research Geological Institute of A.P. Karpinsky [Electronic resource]. URL: http://atlaspacket.vsegei.ru.
Usmanov B., Yermolaev O., Gafurov A. Estimates of slope erosion intensity utilizing terrestrial laser scanning // Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences. 2015. № 367. P. 59-65.
Zorina E.F., VeretennikovaM. V., Kovalev S.N., Lyubimov B.P., Nikol'skaya I.I., Prokhorova S.D. Geografiya ovrazhnoy erozii [Geography of gully erosion]. Moscow: Izd-vo Mosk. un-ta, 2006. 324 p. (in Russian).
Received 06.06.2017 Accepted 21.05.2018
