Формы склонов. Их влияние на процессы эрозии и аккумуляции

Современная интенсивность процессов эрозии и аккумуляции пред­ставляет огромный научный и практический интерес. В связи с большой распаханностью территории Центрально-Черноземной области (>82%) процессы эрозии и аккумуляции получили наибольшее распростра­нение на пахотных склонах. Интенсивность этих процессов определяется множеством факторов, среди которых основными следует считать гидро­метеорологический, геоморфологический, почвенно-растительный и антропогенный. Геоморфологический фактор (длина и крутизна линии сто­ка, превышение, форма и экспозиция склона) вместе с гидрометеорологи­ческим (интенсивность и продолжительность выпадения ливней или сне­готаяния и т. д.) определяют степень или уровень энергетического воз­действия воды на земную поверхность и реальную величину поверхност­ного смыва (Иванов, 1980). Особую роль играет форма продольного профиля склона (Иванов, Хруцкий, 1979; Шикула, Лопырев, 1976). Наряду с длиной, крутизной и экспозицией склона она во многом определяет характер и интенсивность поверхностного смыва в простран­стве и во времени. Форма склона как производная эндогенных и экзоген­ных процессов в прошлом и настоящем существенно влияет на интенсивность проявления эрозии и аккумуляции. Поэтому при оценке эрозионно-аккумулятивных процессов и при решении практических вопросов ра­ционального природопользования необходимо знать и учитывать влияние этого фактора.

Давно замечено, что на выпуклых склонах величина по­верхностного смыва больше, чем на прямых, а на вогнутых – меньше. Были предприняты многочисленные попытки количественной оценки влияния формы склона на интенсивность эрозии. Если на прямом склоне величину смыва принять за 1, то на вогнутом она будет в 0,5 раза меньше, а на выпуклом – в 1,5 раза больше (Поляков, 1948). Г.В. Лопатин (цит. по Сластихину,1964) для вогнутых склонов определяет эту величину как 0,75 и для выпуклых – 1,25. Анализируя теоретические построения Н.И.Маккавеева (1955), значения относительных коэффициентов можно принять для вогнутых склонов 0,4, а для выпуклых – 1,4. В.С.Федотов (1973) для вогнутых склонов уста­навливает коэффициент, равный 0,85, а для выпуклых – 1,26. В.А.Беляев (1976) определяет коэффициенты для вогнутых склонов — 0,5-0,75, для выпуклых — 1,2-1,5. На основе обобщения эксперимен­тов по моделированию процесса в опытах на гидролотке (Читишвили, 1976) установлено, что интенсивность смыва на выпуклых склонах по сравнению с прямыми возрастает в 1,08-1,10 раза, а на вогнутых уменьшается в 0,37- 0,56 раза.

Как свидетельствуют приведенные данные, при оценке влияния эле­ментарных форм продольных профилей склонов на интенсивность эрозии существуют различные подходы. Относительные коэффици­енты варьируют в широких пределах, их определение во многом носит случайный или интуитивный характер. Они не отражают с необходимой достоверностью интенсивность процесса. Объяснить это можно отсутстви­ем количественной оценки самих форм продольных профилей элементар­ных склонов и четких аналитических связей между различными формами склонов и интенсивностью процессов эрозии, основывающихся на натур­ных экспериментальных данных.

Предлагалось характеризовать различную выпуклость или вогнутость склона по степени их выраженности качественными при­знаками: слабо-, средне-, сильновыпуклыми или вогнутыми склонами и т.д. (Кабаченко, 1967). Предлагалось также учитывать расположение на склоне мак­симальной точки перегиба, выпуклости или вогнутости (Федотов, 1976). Подобные подходы и предложения отражают стремление авторов уточнить и кон­кретизировать интенсивность эрозии в связи с отсутствием теоретически обоснованных и экспериментально проверенных разработок. Попытка количественного выражения степени выпуклости или вог­нутости склона не нова. Предполагалось, что ее можно определить по из­менению крутизны склона (Соболев, 1948; 1973). Предлагалось характеризовать форму коэффициентом строения склона (Christofoletti, Tavares, 1976), представ­ляющим отношение линейного коэффициента к коэффициенту крутизны. В свою очередь, линейный коэффициент – это отношение длины выпук­лых участков склона к длине вогнутых, а коэффициент крутизны – от­ношение крутизны выпуклых участков к крутизне вогнутых. При этом между коэффициентом крутизны Х и линейным коэффициентом У уста­новлена зависимость: У = 1,10 + 1,08Х.

Рис. 1. Схемы определения формы продольных профилей элементарных склонов (С_в) и относительной эрозии почв (К_эп)на склонах. H — мощность гумусового горизонта.

Кривизну (форму) склона можно выразить перпендикуляром, проведенным к условно прямой линии, соединяющей основание элементарного склона с его вершиной в точке максимального перегиба (кривизны), значения которого относят затем к длине этой линии (Хруцкий и др.,1977). В нашем случае это отношение линии OF к ли­нии ВС (рис. 1). Поскольку каждый из этих двух показателей не отража­ет физической сущности процесса плоскостного смыва, то, как и следова­ло ожидать, нам не удалось по материалам полевых исследований уста­новить зависимости между этими показателями и относительной интен­сивностью поверхностного смыва.

На основе анализа физической сущности процесса склоновой эрозии выявлена целесообразность установления степени выпуклости или вогну­тости продольных профилей элементарных склонов (С_в) по отношению отрезков ОЕ к ЕД для выпуклых склонов и О'Е' к Е'Д' для вогнутых (см. рис. 1), с помощью которой можно определить относительную интен­сивность поверхностного смыва со склонов различных форм. Для каждого конкретного случая этот показатель может быть вычислен по выведенной нами формуле (Иванов, 1984) с использованием крупномасштабной планово-карто­графической основы с горизонталями или с помощью специально постро­енной для этих целей номограммы (Иванов, Беленов, Киселева, 1979). Формула расчета степени выпук­лости или вогнутости склона (С_в) имеет вид:

(1)

гдеН_п – превышение в точке максимальной кривизны (перегиба), м; Н_с- высота падения склона, м; L_п – длина линии проложения от под­ножия склона до точки наибольшей кривизны, м; L_c- длина основания склона, м.

Точка перегиба (максимальная кривизна) определяется нивелирова­нием, а на планово-картографической основе – на границе смены густо­ты горизонталей. Выпуклые склоны характеризуются положительными числами, вогнутые – отрицательными. Если показатель Св равен нулю, продольный профиль склона прямой. Расхождения между значениями Св, вычисленными по картам с сечением горизонталей через 2,5 м М 1:10000 и по инструментальной съемке склонов, не превышают ±0,03. Рас­хождения между значениями Св, вычисленными по формуле и определен­ными с помощью номограммы, ±0,01.

Физическая сущность степени выпуклости или вогнутости продоль­ного профиля склона, определяемой указанным способом, заключается в том, что в этом относительном показателе обобщены одновременно зна­чения трех переменных: превышение над условно прямой формой склона (см. рис. 1, ОЕ); превышение в точке максимального перегиба от основа­ния склона до линии условно прямой формы склона (ДЕ), которое, в свою очередь, определяется двумя переменными – длиной условно прямого склона от основания до точки перегиба (ЕС), что указывает на местопо­ложение данной точки на склоне, и крутизной прямого склона (синусом угла ЕСД). Следовательно, степень выпуклости или вогнутости продоль­ного профиля склона отражает не только значения упомянутых величин, но и одновременно указывает, что при постоянном значении отрезка ОЕ степень выпуклости или вогнутости будет изменяться с изменением укло­на и месторасположения точки максимальной кривизны на склоне. Таким образом, от­носительная степень выпуклости или вогнутости прямо или косвенно учи­тывает основные морфометрические факторы эрозии по отношению к пря­мым склонам, что предопределяет саму возможность установления связи ин­тенсивности поверхностного смыва на элементарных склонах с различны­ми формами их продольных профилей.

Для установления связи между степенью выпуклости или вогнуто­сти и относительным смывом (по отношению к смыву на прямых склонах) использован принцип тождественной характеристики формы склонов и величины поверхностного смыва. Такова в общих чертах предпосылка, положенная в основу экспериментальной проверки рабочей гипотезы о наличии аналитической связи между относительной степенью выпукло­сти или вогнутости продольных профилей элементарных склонов и от­носительными показателями поверхностного смыва. Правомерность ги­потезы подкрепляется тем, что на прямых склонах интенсивность смыва находится в прямой зависимости от высоты падения склона (Иванов, 1980).

Для проверки этой рабочей гипотезы подобран планово-картографи­ческий материал (М 1:10000) с сечением рельефа через 2,5 м, на котором предварительно были подобраны соответствующие склоны. С прямой формой выбрано 6 профилей; склонов, выпуклых в верхней, средней и нижней частях, - 36, вогнутых – 28. Исследования выполнялись в 1978-1980 гг. на территории Воронежской области.

С помощью нивелира на местности проведена инструментальная съемка 70 профилей пахотных склонов. В зависимости от длины и других особенностей склонов на каждом из них было заложено от 5 до 20 почвен­ных разрезов, места которых фиксировались инструментально. Опреде­лялась мощность гумусового горизонта (A + В), делались соответству­ющие пометки об особенностях профиля почвы, склона, его истории, почвообразующих и подстилающих породах и т.д. Собранный в полевом жур­нале материал затем тщательно изучался, обрабатывался и по каждому склону был представлен графически. В верхней части графика вычерчи­вались продольные профили склонов, в нижней – кривые изменения мощности гумусового горизонта почв в соответствии со схемой (см. рис. 1).

Для установления количественной зависимости интенсивности смы­ва почв (эрозии) от степени выпуклости или вогнутости продольного про­филя склона необходимо избрать относительный показатель смыва почв. По аналогии с определением показателей формы продольных профилей пахотных склонов степень эрозии целесообразно определять отношением вертикальных площадей, образующихся между кривыми изменения мощ­ности гумусового горизонта по профилю склона и прямой А'В', показы­вающей изменение мощности гумусового горизонта почв на прямом скло­не (рис. 1, эти площади заштрихованы для выпуклого и вогнутого склонов), к площади треугольника A¹В¹C¹, выражающей величину (пло­щадь) вертикальной эрозии на прямых склонах.

Физический смысл относительного коэффициента эрозии почв (K_эп) состоит в том, что он показывает, во сколько раз эрозия на выпуклых склонах больше, а на вогнутых – меньше, чем на прямых. Следователь­но, если для прямых склонов K_эп = 1, то для выпуклых он больше 1, т. е. 1 + K_эп, а для вогнутых - 1 – K_эп (меньше единицы).

Между С_в и K_эп для выпуклых склонов установлена аналитическая зависимость (рис. 2), которая позволяет производить количественную оценку влияния степени выпуклости продольного профиля пахотного склона на интенсивность эрозии по отношению к прямым склонам. Кривая ДЕ наиболее полно (корреляц. отношение 0,976) описывается гиперболической зависимостью

(2)

Кривая ОД наиболее полно характеризуется логарифмической за­висимостью

K_эп = 2,246 + 1,362 ln С_в. (3)

Установленные зависимости показывают, что при значениях С_в, близких к 1 или больше нее, т. е. при очень небольшой выпуклости в верх­ней части склона и более значительной в нижней, относительный попра­вочный коэффициент эрозии почв на выпуклом склоне (см. рис. 2) при­ближается к 1. Это происходит из-за вторичных обратных уклонов в ниж­ней части склонов, образующих своего рода седловину (понижение), в ре­зультате чего снижается скорость потоков и имеет место обратный про­цесс — отложение взвешенных и влекомых частиц почвы. При очень не­большой выпуклости в верхней части склона продольный профиль счи­тается практически прямым. С возрастанием выпуклости в верхней части склона показатели относительного смыва почв резко увеличиваются.

Обращает внимание факт, что при значениях С_в < 0,2 выпук­лость чаще всего наблюдается в верхней части склона. Наибольший смыв отмечается при значениях С_в, близких к 0,15, а K_эп стремится к 1 (0,90). Это позволяет считать, что выпуклость склона не может усиливать эрозию более чем в 2 раза, так как значения поправочного коэффициента (К_фс) для пересчета эрозии с учетом выпуклости продольного профиля склона (С_в) составят К_фс = 1 + K_эп = 1 + 0,90 = 1,90. При значениях С_в< 0,15 показатели K_эп резко снижаются – от 0,90 до 0. Такая за­висимость K_эп от С_в, показывает, что выпуклость в верхней части склона существенно влияет на интенсивность эрозии, что подтверждают и много­численные материалы полевых наблюдений.

Совершенно другая картина наблюдается на вогнутых склонах. Ана­лиз большого экспериментального материала, его графическая и статис­тическая обработка в соответствии с изложенной методикой позволили установить снижение эрозии на вогнутых склонах по отношению к пря­мым. Между степенью вогнутости (С_в) продольных профилей пахотных склонов центральной лесостепи и значениями относительного коэффи­циента для пересчета эрозии на вогнутом склоне относительно прямого (К_фс) существует линейная зависимость.

К_фс = 1,0146 – 0,7462С_в. (r = 0,943) (4)

Более надежная зависимость (корреляц. отношение 0,953) описы­вается кубической параболой

К_фс = 0,9786 – 0,6681 С_в + 0,368 С_в² – 0,4996 С_в³. (5)

Чтобы рассчитать величину поверхностного смыва с учетом формы продольных профилей элементарных пахотных склонов, необходимо ве­личину смыва с прямого склона умножить на соответствующее значение поправочного коэффициента К_фс. Без учета формы продольных профи­лей склонов невозможно получить объективное представление о реальной величине поверхностного смыва, определить оптимальный сельскохозяй­ственный ландшафт и комплекс почвозащитных мероприятий, обеспечи­вающих надежную защиту почв от эрозии и повышение их плодородия.

В процессе выполнения подготовительных и полевых работ мы обра­тили внимание на то, что подавляющее большинство склонов централь­ной части Среднерусской возвышенности имеют прямые и выпуклые фор­мы. Вогнутые склоны встречаются значительно реже. Как показали морфометрические исследования склонов, в Воронежской области склонов крутизной >1° с прямой формой продольных профилей насчитывается 76,2%, с выпуклой – 22,7 и с вогнутой – 1,1% (Лопырев, Косцова, Быцань, 1979). При этом количество скло­нов с различной их формой существенно изменяется по административ­ным районам, а внутри района – по отдельным землепользованиям. Например, количество вогнутых склонов по административным районам может составлять >9%, а по землепользованиям – до 15-16%.

Рис. 2. Зависимости, отражающие влияние степени выпуклости (I) или вогнутости (II) продольных профилей элементарных склонов (C_в) на смыв почвы по отношению к прямым склонам через относительный (поправочный) коэффициент К_фс.

Иначе протекают процессы эрозии и аккумуляции на сложных скло­нах. Это большой самостоятельный вопрос, и мы пока не располага­ем достаточным экспериментальным материалом для его обсуждения. Однако очевидно, что каждый сложный склон можно представить в виде отдельных последовательных элементарных склонов. В связи с этим ре­зультаты выполненных исследований могут быть полезными и при оценке интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов на сложных склонах.

Литература

1. Christofoletti A., Tavares А. С. Contribucao do estudo das vertentes na area do quadrilatero ferrifero (M. G.). – Geografia, 1976, v. 1, N 2, p. 67—87.

2. Беляев В.А. Борьба с водной эрозией почв в Нечерноземной зоне. М.: Россельхозиздат, 1976. 157 с.

3. Иванов В.Д. Метод расчета интенсивности поверхностного смыва с пахотных скло­нов в ЦЧО. – Геоморфология, 1980, № 4, с. 61-66.

4. Иванов В.Д. Сток воды и смыв почвы в зависимости от высоты падения склона.— Почвоведение, 1980, № 12, с. 112-117.

5. Иванов В.Д. Элементарные формы продольных профилей склонов и относительная интенсивность поверхностного смыва. – География и природные ресурсы, 1984, № 2, с. 141-147.

6. Иванов В.Д., Беленов А.М., Киселева Н.Ф. Определение формы склонов с по­мощью номограммы. Воронежский ЦНТИ: ИЛ № 176—79. 6 с.

7. Иванов В.Д., Хруцкий С.В. Выпуклость продольного профиля склона и интенсив­ность смыва почв. – Науч. Тр. Воронежского СХИ, Воронеж, 1979, т. 103, с. 100-111.

8. Кабаченко Б.Т. Эродированные почвы бассейна среднего течения реки Рось, их происхождение, свойства и мероприятия по использованию. Автореф. канд. дис. Киев, 1967. 20 с.

9. Лопырев М.И., Косцова Э.В., Быцань Л.Е. Характеристика пахотных склонов Воронежской области. — Науч. тр. Воронежского СХИ, Воронеж, 1979, т. 103, с. 33-40.

10. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 346 с.

11. Поляков Б.В. Гидрологические расчеты при проектировании сооружений на ре­ках малых бассейнов. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. 303 с.

12. Сластихин В.В. Вопросы мелиорации склонов Молдавии. Кишинев: Картя Молдо­веняска, 1964. 212 с.

13. Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов на территории европейской части СССР и борьба с ними. Т. 1. М. – Л.: Изд-во АН СССР, 1948. 307 с.

14. Соболев С.С. Эрозия почв в СССР и борьба с нею. М., 1973. 98 с.

15. Федотов В.С. Исследование ливневой эрозии почв и лесомелиоративных мер борь­бы с ней в Молдавии. Автореф. докт. дис. Воронеж, 1970. 54 с.

16. Федотов В.С. Методика оценки и опыт картирования территории Молдавской ССР по потенциальной опасности ливневой эрозии почв.— В кн.: Оценка и картирова­ние эрозионно- и дефляционноопасных земель. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1973, с. 232-236.

17. Хруцкий С.В., Косцова Э.В., Адерихнна Л.А. и др. К методике картомет-рических работ по изучению склонов. - Науч. тр. Воронежского СХИ, Воро­неж, 1977, т. 90, с. 89-94.

18. Читишвили Г.Ш. Прогноз интенсивности водной эрозии и вопросы оптимального проектирования противоэрозионных мероприятий. Автореф. канд. дис. Минск, 1976. 27 с.

19. Шикула Н.К., Лопырев М.И. Классификация склонов для противоэрозионного проектирования. – Вестн. с.-х. науки, 1976, № 7, с. 119-129.