CC BY
23Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4(20), 2015 г., [278-286] УДК 528.94:55
Н. В. Коломийцев, Б. И. Корженевский
Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова, Москва, Российская Федерация
РОЛЬ СОВРЕМЕННОЙ ЭРОЗИИ СКЛОНОВ В ЗАГРЯЗНЕНИИ И ОЧИЩЕНИИ БАССЕЙНОВ МАЛЫХ РЕК
В условиях современного освоения склонов их техногенно обусловленное состояние определяет эродируемость, загрязненность, а также транзит и аккумуляцию загрязнителей. В связи с этим требуется правильная оценка эрозионной опасности земель. В работе рассмотрена взаимозависимость современной морфологии склонов и их эродируемости и ее влияние на загрязненность водных объектов. Представлены балльные оценки морфометрических показателей рельефа, интенсивность эрозионного процесса в зависимости от уклона, освещены принципы комплексной агроэкологической оценки и группировки земель для их рационального использования. Техногенные объекты являются источниками как повышения, так и сокращения эрозионной активности. Воздействие человека на склоны может рассматриваться в качестве элемента: а) их естественной эволюции; б) давления человека на природу. В бассейнах с минимальным техногенным воздействием морфология склонов определяет транзит загрязнителей в пределах постоянных и временных водотоков, а в некоторых обстоятельствах и их аккумуляцию. В бассейнах, в которых ведется интенсивная хозяйственная деятельность, искусственно созданная морфология склонов урбанизированных территорий может определять как загрязнение в зонах аккумуляции, так и очищение в зонах смыва загрязнителей и их транзита.
Ключевые слова: эродируемость, загрязненность, водные и техногенные объекты, малые реки, почвы, мониторинг земель, экосистемы.
N. V. Kolomiytsev, B. I. Korzhenevskii
All-Russian Research Institute for Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A. N. Kostyakov, Moscow, Russian Federation
PRESENT SLOPE EROSION SHARE IN POLLUTION AND PURIFICATION OF SMALL RIVER BASINS
In the present development of slopes due to their technologically state defines erodibility, pollution, as well as transit and accumulation of pollutants. Thus correct assessment of erosion hazard for lands is required. This work considers the interrelation of the present morphology of slopes and their erodibility, as well as its influence on the pollution of water objects. Numerical score of morphometric parameters of relief and intensity of erosion process depending on the slope were presented in the paper. The concepts of complex agro-ecological assessment and grouping of lands for their rational use have been reported. Technogeneous objects are the sources for either increasing or reducing erosion activity. Anthropogenic impact on slopes can be considered as an element of: 1) their natural evolution; 2) anthropogenic load on the environment. In the basins with minimal technogeneous impact, slope morphology defines transit of pollutants within permanent and temporary streams, and in some cases their accumulation. In the basins where the intensive economic activity occurs, artificially created morphology of slopes in urban territories can determine pollution in accumulation zones, as well as purification from pollutants in flush and transit zones.
Keywords: erodibility, pollution, water objects, technogeneous objects, small rivers, soil, land monitoring, ecosystem.
В условиях современного освоения склонов их техногенно обусловленное состояние определяет эродируемость, загрязненность, а также транзит и аккумуляцию загрязнителей. Одной из важнейших задач эрозионных исследований является оценка эрозионной опасности земель. Эро-зионно опасными считаются такие земли, на которых сочетание природных условий (климата, рельефа, почв, подстилающих пород, осадков, хозяйственной деятельности) создает возможность проявления эрозии почв при их сельскохозяйственном использовании. Наибольшее распространение в мире получила водная и ветровая эрозия почв, третье место занимает химическая деградация (загрязнение) почв [1].
Как правило, при оценке негативного воздействия эрозии почв главное внимание уделяется потерям плодородия почв и, как следствие, потерям урожая. При этом игнорируются другие последствия эрозии почв: заиление и загрязнение водоемов, нарушение структуры ландшафта и снижение его устойчивости к негативным воздействиям и др. Миграция загрязняющих веществ и поступление их в водные объекты приводят к загрязнению водных объектов различными химическими элементами и соединениями. Одно из ведущих мест занимает комплекс вопросов, связанных с эрозионно-аккумулятивной деятельностью, в том числе вопросы соотношения между эрозионной и транспортирующей способностью водных потоков и поступлением в реки твердого материала со склонов (продуктов эрозии почвы).
Несмотря на то, что для ряда территорий существует достаточно много экспериментальных данных о смыве почв по типам рельефа [2], для некоторых объектов эти данные отсутствуют. В этом случае следует использовать морфометрические показатели рельефа в количественном выражении. Для этого составляются шкалы балльной оценки каждого показателя. Степень проявления эрозии определяется по следующим шести
группам: 1) очень слабая; 2) слабая; 3) умеренная; 4) значительная; 5) сильная; 6) катастрофическая (таблица 1) [3]. Также можно использовать логико-графическую схему эволюции склонов в ходе эволюционно-аккумулятивных процессов [4], которая показывает, что форма склонов является отражением этих процессов, а функция формы склона освещается посредством логистического уравнения, описывающего связь отметок склона с их длиной.
Таблица 1 - Балльная оценка морфометрических показателей рельефа
Категория ук- Коэффициент гори- Глубина мест- Балл Интенсивность
лона поверхно- зонтального рас- ных базисов эрозионных
сти, град. членения, км/км2 эрозии, м процессов
0-1 0,0-0,5 0-15 1 Очень слабая
1-3 0,6-1,0 15-50 2 Слабая
3-8 1,1-1,5 50-100 3 Умеренная
8-15 1,6-2,0 100-200 4 Значительная
15-30 2,1-2,5 200-600 5 Сильная
Более 30 Более 2,5 Более 600 6 Катастрофическая
На «ступенчатом» склоне, на котором чередуются пологие и крутые участки, возможность эрозии резко уменьшается, т. к. террасы поглощают энергию потока. Потенциальная опасность развития эрозии почв прежде всего определяется крутизной и длиной склонов. Для условий орошения (таблица 2) разработаны градации интенсивности эрозионных процессов в зависимости от уклона и коэффициента горизонтального расчленения [5]. Таблица 2 - Интенсивность эрозионного процесса в зависимости
от уклона, коэффициента горизонтального расчленения
Уклон Коэффициент Интенсивность
поверхности земли горизонтального расчленения эрозионного процесса
0,00-0,02 0,0-0,5 Очень слабая
0,02-0,05 0,6-1,0 Слабая
0,05-0,08 1,1-1,2 Умеренная
0,09-0,10 1,3-1,5 Значительная
Более 1 > 1,6 Сильная
Примечание - Коэффициент горизонтального расчленения поверхности - от-
ношение длины горизонтали к прямой, соединяющей ее концы.
Многообразие и сложность почвенного покрова, его особое место в природе и агропромышленном комплексе требуют комплексной агроэко-
логической оценки и группировки для рационального использования земель. Для этих целей используются:
- данные мониторинга земель, базирующиеся на результатах последних землеустроительных, почвенных, геоботанических, гидрологических, агрохимических, эрозионных, фитосанитарных и других обследований и изысканий;
- сведения о размещении на этих землях сельскохозяйственных культур;
- информация о продуктивности земель за последние 3-5 лет.
При группировке земель необходимо соблюдать два принципа: множество почвенных разновидностей должно быть сведено к минимальному числу внутренне однородных групп; эти группы должны иметь существенные агроэкологические различия. Разработана агроэкологическая оценка и проведена группировка земель [6]. Для условий малых рек бассейна средней и верхней Оки выделены четыре категории земель, близких по рельефным, почвенно-эрозионным, гидрогеологическим и агротехническим условиям и по потребности в проведении мелиоративных работ (таблица 3). Водосборы малых рек бассейна средней и верхней Оки по большинству параметров являются типичными лесоаграрными ландшафтами центральной части Русской равнины.
Таблица 3 - Агроэкологическая оценка земель бассейна р. Любожихи (приток р. Оки)
Категория Крутизна Тип смытости почв, земли
земель склона Южная и западная Северная и восточная экс-
экспозиция позиция
Средний многолетний смыв со склонов пахотных земель,
м /(га-год)
1 < 3 Несмытые и среднесмытые Менее 13 Несмытые Менее 8
2 3-5 Сильносмытые 13-25 Средне- и сильносмытые 8-13
3 5-8 Сильносмытые Более 25 Сильносмытые Более 13
4 Более 8 Долинно-балочные и овражные земли Нет пашни Долинно-балочные и овражные земли Нет пашни
Приведенные в таблице 3 данные показывают, что при оценке эрозионной опасности земель существенную роль в смытости почв играет экспозиция склонов. Механизм переноса загрязнителей и самоочищения определяется морфометрическими и гидрологическими характеристиками и гидрохимическим режимом водоема, видами техногенного воздействия. Особая роль в процессах самоочищения рек принадлежит пойменным территориям. Пойма реки делится на три части: прирусловую - наиболее крутую и расчлененную; центральную - более протяженную, занимающую среднюю часть, и притеррасную - наиболее заниженную и заболоченную часть с наличием стариц и озер. Это определяет высокую сложность структуры их почвенного покрова. В системе экологического мониторинга речного бассейна учет роли пойменных территорий - необходимое составное звено, которое позволит более рационально вести сельскохозяйственное использование пойм. Учет состоит в следующей последовательности операций:
- анализ площадного развития морфоэлементов поймы;
- анализ почвенно-растительного покрова пойм;
- анализ использования пойменных земель;
- анализ гидрологического режима пойменных территорий;
- анализ загрязненности пойменных почв.
При мониторинге возникает необходимость выделения эталонных бассейнов рек, более глубокого изучения формирования их экосистем, гидробиологического режима, определения продуктивности земель [7]. Существуют различные подходы к типизации рек на основе учета закономерного изменения гидробиологических характеристик по течению реки и ландшафтных особенностей водосборных бассейнов рек.
Реакция экосистем любого ранга зависит от того, в какой мере экологическое состояние окружающей среды адекватно условиям ее гомео-стаза, под которым понимается относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней структуры экосистемы. Гомеостаз предпола-
гает сохранение устойчивости экосистемы в условиях воздействия ряда факторов. При этом воздействие каждого фактора или их совокупности может быть оценено как минимальное, когда оно не вызывает реакции (возмущения) экосистемы, и максимальное, последствием которого может быть деградация экосистемы в целом или даже ее гибель и переход по сути в новую экосистему. Диапазон между минимальным и максимальным уровнем воздействия факторов представляет собой предел толерантности экосистемы, т. е. тот диапазон изменения уровня воздействия, в пределах которого система способна за счет своих адаптационных возможностей противостоять изменяющему ее внутреннее состояние воздействию.
По мнению В. Т. Трофимова, Д. Г. Зилинга, Т. А. Барабошкиной и др. [8], оптимальной на современном этапе является четырехранговая оценочная структура, разработанная для экосистем [9]. Каждому интервалу, характеризующему реакцию живых организмов или экосистемы, должен соответствовать некоторый интервал, определяющий в заданных пределах изменение уровня внешнего воздействия. В этой же четырехранговой схеме его целесообразно градуировать в виде ряда воздействий: «слабое -умеренное - сильное - опасное». В общем виде изложенный подход отражен в таблицах 4 и 5.
Таблица 4 - Принципиальная схема взаимоувязанной оценки состояния окружающей среды и экосистемы [8]
Оцениваемая Категория (уровень)
система I II III IV
Экосистема Экологиче- Экологиче- Экологиче- Экологиче-
ская норма ский риск ский кризис ское бедствие
Литосфера и ее Удовлетвори- Условно Неудовлетво- Катастрофи-
компоненты тельное со- удовлетвори- рительное со- ческое со-
стояние тельное состояние стояние стояние
Количество терри- Высокое Среднее Пониженное Низкое
ториального ре- (повышенное)
сурса
Условия жизнедея- Комфортные Дискомфорт- Сильно дис- Опасные
тельности человека ные комфортные
Состояние здоровья Здоровое Напряжение Утомление Болезнь
человека
Нарушение равновесия эрозионно-аккумулятивных процессов при техногенной эволюции на территории бассейна вызывает изменения существующего баланса, которые проявляются в накоплении в водной системе органического и минерального вещества, увеличении темпов осадконакопления и оказывают прямое ухудшающее влияние на состав донных отложений.
Таблица 5 - Категории воздействий на окружающую среду
по В. Т. Трофимову, Д. Г. Зилингу, Т. А. Барабошкиной и др. [8] с изменениями и дополнениями
Оцениваемое Категория (уровень)
воздействие I II III IV
Ресурсное воздействие Слабое Умеренное Сильное Опасное
Геодинамическое воздействие Слабое Умеренное Сильное Опасное
Геохимическое воздействие, в т. ч.: загрязнение донных отложений Слабое Умеренное Сильное Опасное
Слабое Умеренное Сильное Чрезмерное
Геофизическое воздействие Слабое Умеренное Сильное Опасное
Пики интенсивности седиментации сопровождаются пиками развития фитопланктонных сообществ и хорошо коррелируют с эрозионным поступлением органических и минеральных веществ [10]. При другом соотношении внешних факторов воздействие может иметь и улучшающий характер. Это особенно характерно для техногенно нагруженных территорий, когда эрозионный сток «разбавляет» загрязненные наносы, поступающие с сопредельных, как правило высоко урбанизированных, земель. Это подтверждается нашими исследованиями по изучению загрязнения донных отложений рек тяжелыми металлами и мышьяком. Так, в районе г. Ногинска содержание кадмия в донных отложениях (фракция менее 20 мкм) р. Клязьмы выше города составляло в 2003 г. 15,66 мг/кг, в городе - 11,43 мг/кг, ниже города - 7,28 мг/кг. Это происходит вследствие поступления твердого «условно чистого» стока с территории города и нижележащих территорий. Авторы располагают многими подобными примерами. Методика изучения загрязнения донных отложений водных объектов изложена в работе Н. В. Коломийцева, Т. А. Ильиной [11].
Влияние пойменных земель на состояние водных объектов также двояко. С одной стороны, широкие поймы являются улучшающим фактором. Осаждая большинство взвешенных частиц в период половодья, они способствуют улучшению экологической обстановки ниже по течению, т. е. снижают результирующую техногенного воздействия. Такие примеры многочисленны, и в этом главная экологическая роль пойм водных объектов. В то же время интенсивное сельскохозяйственное использование пойменных земель нередко приводит к ухудшению экологической ситуации нижележащих водных экосистем, когда накопившиеся загрязняющие вещества поступают в водотоки. Это прежде всего характерно для сельскохозяйственных территорий, где влияние промышленных сточных и коммунальных вод весьма незначительно.
Таким образом, в бассейнах с минимальным техногенным воздействием морфология склонов определяет транзит загрязнителей в пределах постоянных и временных водотоков, а в некоторых обстоятельствах и их аккумуляцию. В бассейнах, в которых ведется интенсивная хозяйственная деятельность, искусственно созданная морфология склонов урбанизированных территорий может определять как загрязнение в зонах аккумуляции, так и очищение в зонах смыва загрязнителей и их транзита.
Список литературы
1 Керженцев, А. С. Функциональная экология / А. С. Керженцев. - М.: Наука, 2006. - 259 с.
2 Барабанов, А. Т. Научные основы управления эрозионно-гидрологическим процессом / А. Т. Барабанов // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - 2014. - № 1(33). - С. 1-5.
3 Романова, Э. П. Опыт мелиоративного картирования эрозионноопасных местностей зарубежных территорий / Э. П. Романова // Оценка и картирование эрозионноопасных и дефляционноопасных земель. - М.: МГУ, 1973. - С. 46-50.
4 Гаршинев, Е. А. Эрозионно-гидрологический процесс. Теория и модели / Е. А. Гаршинев. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 1999. - 196 с.
5 Мелиорация и водное хозяйство. Т. 6. Орошение: справ. / И. П. Айдаров, К. П. Арент, В. П. Баякина [и др.]; под ред. Б. Б. Шумакова. - М.: Колос, 1990. - 415 с.
6 Киселева, О. Е. Противоэрозионное обустройство склоновых земель в бассейнах малых рек на основе ГИС-технологий / О. Е. Киселева, Н. В. Коломийцев // Приро-дообустройство. - 2010. - № 1. - С. 21-27.
7 Ткачев, Б. П. Малые реки: современное состояние и экологические проблемы: аналитический обзор / Б. П. Ткачев, В. И. Булатов; ГПНТБ СО РАН. - Новосибирск, 2002. - 114 с.
8 Экологические функции литосферы / В. Т. Трофимов, Д. Г. Зилинг, Т. А. Бара-бошкина [и др.]; под ред. В. Т. Трофимова. - М.: Изд-во МГУ, 2000. - 432 с.
9 Виноградов, Б. В. Биотические критерии выделения зон экологического бедствия России / Б. В. Виноградов, В. А. Орлов, В. В. Снакин // Известия РАН. Серия географическая. - 1993. - № 5. - С. 77-89.
10 Мизандронцев, И. Б. Химические процессы в донных отложениях водоемов / И. Б. Мизандронцев. - Новосибирск: Наука. Сибирское отд-ние, 1990. - 176 с.
11 Коломийцев, Н. В. Интегральные критерии для оценки экологического состояния донных отложений водных объектов / Н. В. Коломийцев, Т. А. Ильина // Мелиорация и водное хозяйство. - 2009. - № 5. - С. 39-42.
Коломийцев Николай Владимирович
Ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук Ученое звание: доцент Должность: ученый секретарь
Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова»
Адрес организации: ул. Большая Академическая, 44, г. Москва, Российская Федерация, 127550
E-mail: science@vniigim.ru
Kolomiytsev Nikolay Vladimirovich
Degree: Candidate of Geological and Mineralogical Sciences Title: Associate Professor Position: Scientific Secretary
Affiliation: All-Russian Research Institute for Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A. N. Kostyakov
Affiliation address: st. Bolshaya Akademicheskaya, 44, Moscow, Russian Federation, 127550 E-mail: science@vniigim.ru
Корженевский Борис Игоревич
Ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук Должность: старший научный сотрудник
Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова»
Адрес организации: ул. Большая Академическая, 44, г. Москва, Российская Федерация, 127550
E-mail: 542609@list.ru Korzhenevskii Boris Igorevich
Degree: Candidate of Geological and Mineralogical Sciences Position: Senior Researcher
Affiliation: All-Russian Research Institute for Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A. N. Kostyakov
Affiliation address: st. Bolshaya Akademicheskaya, 44, Moscow, Russian Federation, 127550 E-mail: 542609@list.ru
