CC BY
89
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
83
Физико-географические исследования
УДК 551.435.2
И.Е. Егоров, А.Г. Казаков, Д.В. Расомахин
РАЗВИТИЕ ЭРОЗИОННО-АККУМУЛЯТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В БАССЕЙНАХ МАЛЫХ РЕК (НА ПРИМЕРЕ р. УДЕБКИ)
Изложены результаты многолетних полевых наблюдений за эрозионно-аккумулятивными процессами в бассейне р.Удебки. Активное освоение территории еще с 18 века привело к развитию ускоренной эрозии, усилению деятельности временных русловых потоков, что, в свою очередь, привело к перераспределению продуктов размыва в пределах водосборного бассейна. Дана характеристика интенсивности проявления процессов, определена скорость накопления антропогенно обусловленных отложений на разных элементах рельефа водосборной площади. Полученные данные позволяют считать, что объем горных пород, вовлеченных стекающей водой в литодинамические потоки на склонах, позволяет считать антропогенно обусловленную ускоренную эрозию главным фактором перестройки рельефа на освоенных территориях в настоящее время.
Ключевые слова: эрозия, аккумуляция, наилок, почвенный покров.
По своему морфологическому проявлению эрозионные процессы на водосборе подразделяются на плоскостной смыв, струйчатый смыв и овражный размыв. В условиях неизмененного таежного и подтаежного ландшафтов эрозия временных водотоков практически не выражена на склонах крутизной до 10°-12° [1]. Ей препятствуют сомкнутый полог растительности и мощная лесная подстилка. Под лесом поверхностный сток переходит во внутрипочвенный. Делювий в таких условиях не образуется [2]. На незадернованных склонах даже при небольших уклонах поверхностный сток формируется всегда в тех случаях, когда интенсивность осадков превышает скорость впитывания влаги в почвы.
Развитие всех видов бассейновой эрозии спровоцировано прежде всего сведением лесов и распашкой земель. Существенную роль в формировании склоновых потоков и смыве почв могут играть полевые дороги и колеи, оставленные различными транспортными средствами. Так, исследования, проведенные на водосборе р. Хомерки (Карпаты) [3], выявили, что до 60-70 % стока наносов может поступать в водотоки с дорог. Скорость углубления борозд на дорогах составила в среднем 6,6 мм/год, или 1 м3 с участка дороги длиной до 80 метров. По-видимому, густоту полевых дорог следует отнести к важнейшим факторам развития эрозионных процессов наряду с длиной и крутизной склонов.
Определенное значение может иметь экспозиция склонов. Обычно смыв на склонах северной и северо-восточной экспозиции выше, чем на склонах южных экспозиций. Это, по-видимому, связано со снижением коэффициента стока талых вод на склонах южных румбов. По данным, полученным В.И. Корзуном на Валдайской гидрологической станции [4], коэффициент стока талых вод в среднем за многолетний период на склонах северной экспозиции в 1,7-3,6 раза больше, чем на противоположных. Р. Либлинг и Х. Шерп [5] также отмечают, что эрозионные микроформы значительно лучше выражены на склонах долин, обращенных на север и северо-восток, поскольку эрозионное расчленение контролируется интенсивностью инсоляции и ее влиянием на устойчивость снежного покрова и льда. На склонах, обращенных на север и северо-восток, снег и лед сохраняются дольше и деятельность талых вод сказывается в течение более длительного периода.
Кроме инсоляционной, важное значение может иметь и ветровая экспозиция. Например, в долине р. Нахаль-Хароа (Израиль) во время ливня сток воды формировался преимущественно в водотоках, дренирующих пологий наветренный борт долины, а не крутой подветренный [6]. Изучение процессов эрозии, проведенных на откосах дорог, также показало, что через 7-8 лет после сооружения дороги на наветренном откосе ручейковая сеть была гуще и глубже (15 см), чем на подветренном (5 см) [6].
Сильное влияние на развитие эрозионно-аккумулятивных процессов оказывают разнообразные виды хозяйственной деятельности на водосборе - прокладка коммуникаций, строительство инженерных сооружений, внесение удобрений и т. д.
Наиболее заметные последствия хозяйственных мероприятий, вызвавших активизацию эрози-онно-аккумулятивных процессов, наблюдаются на малых реках с небольшими расходами и слабой транспортирующей способностью водного потока. При этом малые реки занимают по своей числен-
ности и суммарной протяженности доминирующее положение в структуре гидрографической сети (общая длина рек 1-го и 2-го порядка составляет примерно 75 % протяженности всей речной сети в регионе). С малыми реками связаны основной перенос и трансформация загрязняющих веществ, что определяет экологическую обстановку в более крупных реках и регионах в целом.
Интенсивное использование территории бассейна р. Удебки было начато в ХУШ в. и связано со строительством завода в г. Воткинске. В настоящее время природной основой хозяйственной деятельности выступают земельные, почвенные, лесные и рекреационные ресурсы. В структуре земельных угодий наибольшее значение имеют пашни, пастбища и сенокосы, при этом доля пашни в последнее десятилетие сократилась в несколько раз. Лесопокрытая площадь составляет 24 % площади водосбора.
Высокая степень распаханности территории водосбора р. Удебки, достаточное количество осадков, широкое распространение длинных склонов, сложенных на поверхности рыхлыми, легко размываемыми грунтами, способствовало активному развитию здесь всего комплекса эрозионно-аккумулятивных процессов.
Воздействие воды начинается на незадернованных поверхностях с ударного действия дождевых капель. Совокупность возникающих при этом явлений называется капельно-дождевой деструкцией. Главным следствием ударного действия капель дождя является перемещение вещества. При этом выделяют два их типа: разбрызгивание и капельный крип. Роль капельно-дождевой эрозии часто не учитывается в общей денудации земной поверхности, однако натурные и лабораторные наблюдения свидетельствуют о значительном воздействии капель дождя на субстрат [7; 8].
Деятельность неруслового звена привела к смыву почвы. Этот процесс часто называют плоскостной эрозией, что не совсем верно, поскольку смыв осуществляется через систему микроручейков, использующих первоначальные понижения микрорельефа склонов и приводораздельных пространств и разрабатывающих их в процессе стока. После вспашки эти понижения нивелировались и образовывались вновь после таяния снега или дождей в других местах, что приводило в итоге к постепенному и общему снижению всей поверхности, поэтому лучше для данного процесса подходит термин «поверхностная эрозия». Нерусловая (микроручейковая) сеть формируется на обработанных склонах после первого же ливня, дающего поверхностный сток.
Название «нерусловая сеть» дано Н.И. Маккавеевым [9] из-за того, что начальные размывы не имеют отчетливых и постоянно поддерживаемых работой воды русел.
На задернованных склонах нерусловая сеть не развивается. Под пологом лесов микроручьев также нет, за исключением очень крутых склонов или участков, лишенных лесной подстилки. Таким образом, территории, не вовлеченные в хозяйственную деятельность, можно в целом отнести к зонам отсутствия поверхностной эрозии.
Вниз по распаханным склонам речных долин не наблюдается устойчивого увеличения ни количества микроручьев, ни их суммарного объема. Величина неруслового смыва, а также объем аккумуляции материала меняются волнообразно. Баланс вещества не сохраняет свой знак длительное время и в последующем меняется: там, где происходила аккумуляция, может наблюдаться врез микроручьев, и наоборот. В целом же устойчивая денудация характерна для верхней части склона. В нижней части склона объем аккумуляции превосходит величину смыва.
При небольших углах наклона длина склона не оказывает заметного влияния на увеличение поверхностного смыва. С увеличением уклона количество микроручьев и величина смыва возрастают, причем относительное увеличение смыва всегда гораздо больше, чем увеличение уклона. Полевые наблюдения показали, что изменение уклона в два раза, с 1,5° до 3°, приводит к увеличению числа микроручьев и величины смыва примерно в пять раз [10]. При этом меняются и размеры самих микроручьев: средняя глубина их увеличивается примерно в 2 раза, ширина - в 1,5.
Струйчатый (рытвенный) смыв развивается, в том числе и в настоящее время, на распаханных склонах и вдоль дорог системой разработанных в процессе стока микроручьев. Его можно рассматривать как переходное звено от поверхностной (плоскостной) эрозии к овражной. Значительная часть рытвин формируется в днищах плейстоценовых ложбин и лощин. Развитие и активизация струйчатого смыва также обусловлена нерациональным использованием земельных угодий, несоблюдением противоэрозионных мероприятий.
Уничтожение растительности, вспашка по падению склона, прокладка дорог, хозяйственное использование балочных комплексов привели к развитию на территории водосбора овражной эрозии.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
2014. Вып. 4
Наиболее типичным оврагом равнинных областей в зонах земледелия является склоновый, имеющий морфометрически выраженный водосбор и представляющий собой эрозионную линейную форму длиной не менее 70 м, глубиной не менее 1,5 м [11]. Часть оврагов развилась по днищам ранее образовавшихся линейных эрозионных форм - ложбин, лощин, балок, суходолов (донные овраги). Однако, несмотря на сильно расчлененный рельеф, распространение крутых и длинных склонов, развитие овражной эрозии на территории бассейна характеризуются как довольно слабые.
Признаками проявления ускоренной эрозии являются не только смытые почвы, но и сформировавшиеся аккумулятивные толщи в нижних частях склона, в понижениях рельефа, на речных террасах или поймах. Строение аккумулятивной толщи может быть различным. Если продукты ускоренной эрозии отлагались за кромкой пашни под пологом растительности, то аккумулятивная толща имеет слоистое сложение, а отдельные слои обычно различаются по цвету и гранулометрическому составу. Более светлые верхние слои наносов свидетельствует о появлении на вышележащей пашне участков с сильносмытыми почвами.
По мощности смытого слоя почвы, как правило, можно получить только сравнительную характеристику интенсивности эрозионных процессов. Количественная оценка смытого слоя почвы, а если известен срок земледельческого освоения, то и интенсивности смыва может быть получена, если материал, смытый со склонов, полностью отлагается в ловушках наносов естественного и искусственного происхождения. Естественными ловушками являются бессточные западины, искусственными - различного рода водозадерживающие валы, например дорожные насыпи, расположенные поперек склона.
При низкой интенсивности эрозионных процессов или непродолжительном земледельческом использовании склонов, а также в случае высокой изменчивости мощности перегнойно-аккумулятив-ных горизонтов интенсивность эрозии может быть оценена по величине аккумуляции в нижней пологой распаханной части склона или за пределами пашни на участках с ненарушенным растительным покровом.
Если продукты эрозии отлагаются в пределах пашни, то слоистая структура наносов нарушается в результате перемешивания свежих наносов с подстилающим пахотным слоем при обработке почвы. Для толщи наносов на пашне и за ее пределами характерно осветление в направлении снизу вверх [12]. Нижняя граница аккумулятивной толщи выделяется по структуре и окраске. На подзолистых почвах нижней границей намытого слоя почвы обычно служит почвенный горизонт А2. На почвах ореховатой структуры с хорошо выраженными ребрами и гранями граница аккумулятивной толщи также достаточно хорошо выделяется. Намытый слой почвы обычно имеет непрочную комковатую структуру, так как в результате обработки грани и ребра теряют отчетливость, а горизонты, сохранившие естественное сложение, - ореховатую или призмовидную структуру. На почвах, имеющих непрочно-комковатую структуру, выделение намытой толщи по какому-либо одному признаку невозможно. В этом случае приходится учитывать комплекс признаков: общий облик почвенного профиля, соотношение отдельных частей, окраску и отчетливость границ между горизонтами. Признаками намытых почв в этом случае могут служить аномально высокая мощность гумусового горизонта, осветление его кверху, наличие резкой границы между горизонтами, происхождение которой может быть увязано с распашкой, и следы слоистости. В лесной зоне нередко слой намытой почвы подстилается прослоями, содержащими древесный уголь и золу, сохранившимися со времени расчистки леса под пашню [13].
Оценка интенсивности современной склоновой эрозии по мощности аккумулятивных толщ на склонах вызывает значительные трудности из-за изменений структуры наносов почвообразующими процессами на естественных угодьях и перепашкой их на обрабатываемых склонах. Более надежно выделяются эрозионно-склоновые наносы в днищах балок. Результаты проведенной нами тахеометрической съемки балки, перегороженной глухой насыпью в приустьевой части, показали, что мощность агрикультурных отложений, величину которых можно оценить по разнице высотных отметок выше и ниже насыпи, составляет более 5 метров (рис 1). В процессе развития русловых врезов в балках и логах происходит местное перераспределение этих наносов, которое необходимо учитывать при интерпретации данных.
Иногда в качестве интегрального показателя антропогенной нагрузки на водосборные бассейны, стимулирующей развитие эрозионно-аккумулятивных процессов, рассматривается заиление русел и пойм. За пойменный наилок принимают молодые аллювиальные отложения в виде поверхностного чехла, представленного слоистыми породами легко- и среднесуглинистого состава, обогащенные гумусом, с многочисленными включениями древесных угольков, зачастую подстилаемые погребенными почвами.
Рис. Топографический план балки, перегороженной глухой насыпью в приустьевой части.
Сечение горизонталей 0,5м. М 1 : 5000
На реках 4-5-го порядков со среднегодовыми расходами более 2 м3/с происходит осаждение наилка в плесах в летнюю межень (плесовый тип заиления). На малых реках 1-3-го порядков, со среднегодовыми расходами до 1 м3/с, преобладает побочневый тип заиления. Эта разница вызвана тем, что на малых реках течение быстрее из-за больших уклонов, поэтому летом происходит врезание русла в илистый покров, образовавшийся весной за счет смыва материала со склонов. В результате сохраняется только наилок на побочнях, а не в русле. На ряде рек 2-3-го порядков, со среднегодовыми расходами 1-2 м3/с, иногда формируются равные мощности ила и на побочнях, и в плесах [14].
На реках с зарегулированными прудами руслами и на спрямленных руслах заиление представлено более или менее сплошным чехлом. Так, на пойме р. Удебки, русло которой в недалеком прошлом было зарегулировано несколькими прудами, мощность слоя наилка составляет от 8 до 12 см.
Главным источником поступления наилка на поймы, как правило, являются временные русловые потоки. Этот вывод подтверждается значением коэффициента корреляции - 0,69 [15] - между мощностью наилка и расчлененностью временной русловой сетью. То же самое косвенно подтверждают материалы топосъемки (рис.).
Величина заиления зависит и от характера размещения лесов. При водораздельном залесении бассейнов наличие наилка отмечается на поймах повсеместно, в то время как при долинном и особенно пойменном залесении наилок представлен незначительно, как правило, в створах оврагов и балок.
Однако основные продукты смыва не выносятся за пределы водосборного бассейна и переотлагаются в его пределах на различных элементах рельефа. Исследования, проведенные на водосборе р. Удебки в районе геоэкологической станции «Фертики», показали, что устойчивая денудация характерна для приводораздельных участков верхней части склона. В средних частях склона отмечаются локальные участки накопления современных агрикультурных отложений мощностью от 3-5см до 12-15см. В нижних частях склонов современные отложения образуют хорошо выраженную толщу, достигающую максимальной мощности при их сочленении с поймами и надпойменными террасами. За 200 лет активного освоения территории района в нижних частях склонов накопился слой со-
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
20i4. Вып. 4
временного агрикультурного наилка мощностью 50-52 см, то есть средняя скорость аккумуляции составила около 2,5 мм в год. Это значение полностью соответствует данным, полученным нами ранее при проведении наблюдений методом микропрофилирования.
Хорошо выраженные толщи агрикультурных отложений сформировались в пределах днищ склоновых потяжин и ложбин, даже расположенных в средних частях склонов - от i7 до 47см. Также следует отметить повсеместное присутствие современных отложений на границе леса и поля, если лес расположен ниже пашни по рельефу. Лес является естественным барьером развития процессов эрозии. В зависимости от размеров выше расположенных участков пашни мощность отложений составила от 20 до 38см.
Проведенные исследования позволяют в целом сделать следующие выводы.
1. Активное освоение территории еще с i8 века привело к развитию ускоренной эрозии, усилению деятельности временных русловых потоков, что, в свою очередь, привело к перераспределению продуктов размыва в пределах водосборного бассейна.
2. Основной объем смытых пород откладывается в нижних частях склона и аккумулируется в пределах отрицательных элементов рельефа. Мощности распространения современных отложений в пределах водосбора неравномерны.
3. В пределах поймы наилок образует относительно ровный чехол отложений. Увеличение мощности наблюдается в створах временных русловых потоков.
4. Прекращение денудации наблюдается на контакте леса и поля. Смытый со склонов материал задерживается под пологом леса на расстоянии не более i0 м от опушки.
5. Учитывая время освоения территории и сформировавшиеся мощности современных отложений, скорость аккумуляции в понижениях рельефа и нижних частях склона составила 2-2,5 мм в год, что соответствует материалам ранее проведенных наблюдений за эрозионными процессами.
6. Объем горных пород, вовлеченных стекающей водой в литодинамические потоки на склонах, позволяет считать антропогенно обусловленную ускоренную эрозию главным фактором перестройки рельефа на освоенных территориях в настоящее время.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беручашвили Н.Л. Геофизика ландшафта. М.: Высшая школа, i990. 287 с.
2. Климатическая геоморфология денудационных равнин. Казань: Изд-во Казан. ун-та, i977. 224 с.
3. Froehlich W. Sediment production from unmetalled road surfaces // Sediment and stream water qual. Chang. Environ.: trends and explan. Vienna, i99i. No. 203. P. 2i-29.
4. Корзун В.И. Сток и потери талых вод на склонах полевых водосборов. Л.: Гидрометеоиздат, i968. 226 с.
5. Liebling R.S., Scherp H.S. Systematic unecual dissection of opposing valley sides // J. Glaciol. i983. Vol. 29, No. i03. Р. 5i2-5i4.
6. Sharon D., Adar E., Lieberman G. Observations on the differential hydrological and/or erosional response of opposite-lying slopes, as related to incident rainfall // Isr. J. Earth-Sci., i983. Vol. 32, No. i-2. Р. 7i-74.
7. Bauer B. Soil splash as an important agent of erosion // Geogr. Pol. i990. No. 58. P. 99-i06.
8. Poesen J. Field measurement of splash erosion to validate a splash transport model // Z. Geomorphol. i986. Vol. 58. Р. 8i-9i.
9. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, i955. 346 с.
10. Егоров И.Е., Камашев В.Я., Сократов В.А. Закономерности формирования и оценка микроручейкового смыва (на примере Удмуртии) // Изучение ресурсного потенциала территории. Ижевск, i987. С. i47-i52.
11. География овражной эрозии / под ред. Е.Ф. Зориной. М. : Изд-во МГУ, 2006. 324 с.
12. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки. М.: МГУ, i993. i25 с.
13. Ларионов Г.А., Литвин Л.Ф., Ажигиров А.А. Аккумулятивные намытые почвы как индикатор водной эрозии // География и природные ресурсы. i990. № 3. C. i42-i46.
14. Егоров И.Е., Илларионов А.Г., Рысин И.И., Стурман В.И. Влияние антропогенного фактора на эрозионно-аккумулятивные процессы в бассейнах малых рек Вятско-Камского региона // Геоморфология. i992. № 3. С. 45-50.
15. Перевощиков А.А. Закономерности пространственной дифференциации заиления пойм малых рек Удмуртии // Вестн. Удм. ун-та. i993. № 3. С. 86-9i.
Поступила в редакцию 2i.i0.i4
I.E. Egorov, G. Kazakov, D. V. Rasomakhin
DEVELOPMENT OF EROSION AND ACCUMULATIVE PROCESSES IN BASINS OF SMALL RIVERS (BY THE EXAMPLE OF UDEBKA RIVER)
The results of multiyear field observation of erosion and accumulative processes in the basin of Udebka river are presented. Active development of the territory since the 18th century led to the acceleration of erosion and to the enhancement of activity of temporary channel flows, which in turn led to a redistribution of the products of erosion within the catchment basin. The characteristic of intensity of processes manifestation is given; the speed of accumulation of anthropogenic sediments on different elements of the catchment-basin relief is defined. The data obtained suggest that the volume of rocks involved by the flowing water into lithodynamic flows on slopes, allows to consider anthropogenically accelerated erosion as a main factor of relief adjustment on developed areas at the moment.
Keywords: erosion, accumulation, deposit of spring floods, soil cover.
Егоров Игорь Евгеньевич,
кандидат географических наук, доцент кафедры и общественной географии E-mail: [email protected]
Казаков Андрей Геннадьевич, старший преподаватель кафедры геодезии и геоинформатики
Расомахин Дмитрий Владимирович, студент
Egorov I.E.,
Candidate of Geography, Associate Professor at Department of physical and social geography E-mail: [email protected]
Kazakov A.G.,
Senior lecturer at Department of geodesy and geoinformatics
Rasomakhin D.V., student
ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп.1)
Udmurt State University
Universitetskaya st., 1/1, Izhevsk, Russia, 426034
