Сток воды и смыв почвы в зависимости от высоты падения склона

Величина смыва почв со склонов при прочих равных условиях находится в прямой зависимости от потенциальной энергии массы воды, стекающей с конкретного склона (Рожков, Иванов,1973; Иванов,1980; Gard, Kibben,1973). На этой теоретической осно­ве были установлены показатели эродируемости почв (Иванов,1975, 1978) и разрабо­тана формула расчета интенсивности смыва почв со склонов (Иванов,1977, 1979). В формуле величина смыва почв находится в прямой зависимости от массы стекающей воды и высоты падения склона (превышения). В свя­зи с этим возникает необходимость доказать правомерность такой за­висимости, что и определило задачу исследований.

Решение поставленной задачи возможно на основе анализа обшир­ного экспериментального материала полевых наблюдений за стоком воды и смывом почвы со склонов по литературным источникам. Однако такой подход осложняется целым рядом обстоятельств. Во-первых, в литературе практически отсутствуют количественные показатели целе­вого характера. Во-вторых, имеющиеся единичные сведения должны быть соответствующим образом объединены на строгой количественной основе. В-третьих, необходимо было устранить явление многофак­торности. Избежать эти затруднения нам удалось за счет строгого со­блюдения важнейшего методического положения – принципа единст­венного различия (все условия одинаковы, кроме изучаемого). Поэтому на рисунках и в таблице приведены только такие экспериментальные данные, которые удовлетворяли бы этому важнейшему методическому принципу. Необходимо было также использовать не абсолютные пока­затели конкретных величин, а их относительные значения. Все это дало нам возможность систематизировать весьма разнородный эксперимен­тальный материал и получить наиболее полную количественную оценку влияния превышения на сток воды и смыв со склонов. Кроме того, мы учитывали также и удельный вес каждого показателя (количество скло­нов, площадок, продолжительность наблюдений).

Для выявления зависимости между средней интенсивностью смыва почв со склонов за время прохождения стока талых вод и превышением склона нами были использованы такие наблюдения за смывом почвы, в которых приводятся сведения о крутизне и длине склона (стоковой площадки) или указаны значения превышений. Такие данные были заимствованы из опубликованных работ (Брауде,1965; Донюшкин и др.,1975; Дьяков,1964; Кан,1977; Кириллова,1975; Комаров, Гридяев,1974; Косцов,1971; Лопатин,1952; Медведев, Зайко,1968; Мирцхулава,1975; Михайлов, Малиновский,1970; Подгорный,1970; Преснякова,1964; Рожков, Иванов,1973; Симонян,1972; Скородумов,1955; Сурмач,1979; Холупяк, Шикула,1964; Читишвили,1976; Швебс,1973; Шикула,1962; Шугуров,1968).

На основании указанных экспериментальных данных для каждого конкретного случая при строгом соблюдении принципа единственного различия по длине и кру­тизне склона вычисляли превышения, затем находили средние значения величины смыва почв и превышений. Средние значения этих величин принимали за единицу и вычисляли отклонения от средней в относитель­ных величинах путем деления конкретного показателя на среднее его значение для соответствующего ряда. Полученные таким образом сопря­женные относительные показатели, характеризующие смыв почвы в за­висимости от превышения, наносили на график (рис. 1).

По аналогии с изложенным способом был построен другой график (рис. 2), характеризующий зависимость смыва почв ливневыми водами от превышений. Зависимость между отдельными относительными значе­ниями смыва почв от превышений была выявлена на основании опубли­кованных работ (Болюх,1976; Донюшкин,1968; Заславский,1970; Ибрагимов,1972; Кабилов, Якутилов,1972; Ковхуто,1968; Константинов,1969; Косцов,1971; Сильвестров,1965; Симонян,1972; Черныщев,1970; Швебс,1973; Шугуров,1968).

Как видно на рис. 1 и 2, между относительными величинами смыва почв и высотой падения склонов существует четкая прямая связь. На­личие прямой зависимости смыва почв от превышений на прямых скло­нах характерно как для стока талых вод, так и для условий выпадения ливневых осадков. Применительно к условиям весеннего смыва эта за­висимость характеризуется более низким коэффициентом корреляции (r = 0,72). В условиях ливневой эрозии коэффициент корреляции более высокий (r = 0,81). Такое различие связано с самим характером и ус­ловиями формирования и прохождения стока и смыва. В условиях лив­невой эрозии температура почвы характеризуется относительно положительными значениями, смыв почвы проходит в короткий интервал времени и связан главным образом с интенсивностью дождей и размером капель. Весенняя эрозия характеризуется различной про­должительностью периода снеготаяния, цикличностью процесса стока и смыва, наличием и характером распределения снежного покрова, раз­личным увлажнением и промерзанием почв, наличием или отсутствием на поверхности почвы ледяной корки перед началом снеготаяния и т. д., что и приводит к снижению коэффициента корреляции.

Прямая зависимость смыва почв от высоты падения склона свиде­тельствует о том, что теоретическая основа формулы расчета смыва почв со склонов объективно отражает физическую сущность процесса эрозии и может быть использована по целевому назначению. Этот вывод обязывает объяснить один очень важный момент: поче­му в нашей формуле (Иванов,1977) величина смыва почв находится в зависимости от уклона и длины в первой степени. В то же время по данным других авторов (Корнев,1937; Косцов,1971; Медведев, Зайко,1968; Шамшин,1961; Швебс,1973 и др.) указанные параметры находятся в той или иной степени, отличной от единицы. Кто здесь прав?

Мы считаем, что здесь правы и те и другие, и вот почему. Во-первых, как показано, смыв почвы находится в прямой зависимости от превы­шения склона. Последнее определяется произведением уклона на дли­ну линии проложения (фактически на длину склона). И, конечно, ни о каком другом показателе степени, кроме единицы, не может быть и ре­чи. Следовательно, во всех случаях, когда в формулах расчета величина смыва почв поставлена в прямую зависимость от уклона и длины скло­на, сомнений (вопросов) подобного рода быть не должно.

Во-вторых, изучая влияние фактора длины и крутизны склона на смыв почв изолированно друг от друга (при строгом постоянстве одного из них), прямой зависимости между смывом и, скажем, уклоном быть не может, так как изменения смыва почв не пропорциональны измене­ниям уклона. То же самое можно сказать и в отношении длины склона.

При этом приходится низкие абсолютные значения уклона возводить в степень больше единицы, а более высокие абсолютные значения длины склона - в степень меньше единицы, чем и достигается сохранение опре­деленной пропорциональности в изменениях между этими показателями и смывом почвы. Степенные (логарифмические) зависимости смыва почв от уклона и длины склона строго автономны и независимы друг от друга. Поэтому в формулах расчета интенсивность смыва почв со скло­нов может учитываться только одна из них, а не две одновременно, как это делает Г.П.Сурмач (1979). При этом использование в расчетах одной из указанных зависимостей исключает возможность учета другого очень важного фактора, например длины или крутизны склона. К тому же следует добавить, что различного рода логарифмические зависимости по точности уступают линейным (прямым) зависимостям.

Смыв почвы

Рис. 1. Зависимость смыва почв со склонов талыми водами от превы­шений в относительных величинах по обобщенным эксперименталь­ным данным

Следовательно, смыв почвы со склонов находится в прямой зависи­мости от высоты падения склонов (превышений), теоретическая основа формулы, опубликованной нами ранее (Иванов,1977), объективно отражает физиче­скую сущность процесса водной эрозии и выгодно отличается тем, что в ней одновременно учитываются длина и крутизна склона.

Прямая зависимость относительных величин смыва почв от соответ­ствующих значений превышений указывает на то, что отношение этих величин между собой принимает значения, близкие к единице. В табли­це применительно к условиям стока талых и ливневых вод, а также в условиях искусственного дождевания они соответственно равны 1, 0,6, 1,04 и 0,99 при достаточно высокой их относительной точности – 2,7, 2,2 и 6,4%. Это еще раз подтверждает наличие прямой функциональной за­висимости смыва почв от превышений, а точнее от местного базиса эрозии.

Вторым не менее важным моментом является определение характе­ра связи между стоком воды и превышением. Необходимо знать харак­тер влияния высоты падения склона на объем стока и коэффициент стока. На основании экспериментальных данных (Комаров, Гридяев,1974; Косцов,1971; Симонян.1972; Скородумов,1955; Холупяк, Шикула,1964; Шугуров,1968), в условиях весеннего снеготаяния отношение объемов стока и коэффициентов стока к соответствующим относительным значениям превыше­ний практически равно единице (см. табл.), что указывает на прямую зависимость между ними.

Смыв почвы

Рис. 2. Смыв почвы со склонов ливневыми водами в зависимости от

превышений в относительных величинах по обобщенным эксперимен­тальным данным

Результаты математической обработки вариационных рядов, свидетельствующие о характере связи между стоком воды, смывом почвы и превышением в условиях стока ливневых вод были опреде­лены по экспериментальным наблюдениям (Болюх и др.,1976; Кабилов, Якутилов,1972; Косцов,1971; Сильвестров,1965; Симонян,1972; Шамшин,1961; Шугуров,1968). Они также указывают на прямую (или близкую к ней) зависимость стока ливневых вод от высоты падения склона. Отношения объема стока и коэффициента стока к соответствующим значениям превышений равны 1,08 и 1,11.

Экспериментальные данные по искусственному дождеванию (Косцов,1971; Симонян,1971; Скородумов,1973; Чернявский,1969) подтверждают положение о том, что между стоком воды и высотой падения склона существует прямая связь.

Таким образом, на основании анализа обширного экспериментального материала вы­явлено, что сток вод и смыв почвы находятся в прямой (или близкой к ней) зависимости от высоты падения склона. Характер такой зависимости пра­вомерен для условий стока талых и ливневых вод, а также искусственного дождевания. Показано, что величина смыва почв со склонов находится в прямой зависимости от произведения уклона на длину линии стока (скло­на) в первой степени или, что то же самое, от местного базиса эрозии.

Литература

1. Болюх О.И., Канаш А.П., Кит М.Г., Кравчук Я.С. Стационарное изучение пло­скостного смыва в Предкарпатье. Львов, «Вища школа», 1976.

2. Брауде И.Д. Эрозия почв, засуха и борьба с ними в ЦЧО. М., «Наука», 1965.

3. Донюшкин В.И. Водная эрозия и борьба с ней. В сб.: Защита почв от эрозии. Сим­ферополь, 1968.

4. Донюшкин В.И., Джадан Г.И., Демиденко М.К., Чабанов Г.Н. Водная эрозия почв в Ворошиловоградской области. В сб.: Эрозия почв и почвозащитное земледелие. М.: Колос, 1975.

5. Дьяков В.Н. Динамика формирования твердого стока в условиях местности с силь­норасчлененным рельефом. В сб.: Защита водохранилищ и борьба с эрозией почв. Волгоград, 1964.

6. Заславский М.Н. Эрозия почв и задачи борьбы с нею. В сб.: Руководство по борьбе с эрозией почв. Кишинев, 1970.

7. Ибрагимов А.А. Картирование эродированных почв по сельскохозяйственным угодь­ям. В сб.: Вопросы методики почвенно-эрозионного картирования. М., 1972.

8. Иванов В.Д. К методике определения податливости почв смыву и установление за­висимости между жидким и твердым стоком. В сб.: Научн.-техн. бЮл. пО проблеме «Защита почв от эрозии», вып. 7. Курск, 1975.

9. Иванов В.Д. Оценка интенсивности смыва почв со склонов за период прохождения стока талых вод. В сб.: Научн.-техн. Бюл. По проблеме «Защита почв от эрозии», вып. 4. Курск, 1977.

10. Иванов В. Д. Состояние вопроса и определение эродируемости почв. Научн. Тр. Воронежск. СХИ, т. 97, 1978.

11. Иванов В.Д. Сток воды и смыв почвы в зависимости от высоты падения склона // Почвоведение. 1980. № 12. С. 112-117.

12. Иванов В.Д., Лопырев М.И. Об установлении категории эрозионно-опасных земель по интенсивности смыва почв талыми водами. Почвоведение, 1979, № 4.

13. Кабилов Р.С., Якутилов М.Р. Сток и смыв почв в зоне темных сероземов Таджики­стана. Тр. Таджикск. НИИ почвоведения, т. 15, вып. 1. Душанбе, 1972.

14. Кан Н.С. Эродированные черноземы Восточного Казахстана и приемы повышения их плодородия. Автореф. канд. дис. Ташкент, 1977. 19 с.

15. Кириллова Д.Ю. Эродированные почвы и агротехнические меры по их защите от водной эрозии в северной лесостепи Башкирской АССР. Автореф. Дис. Саранск, 1975. 18 с.

16. Ковхуто М.Г. Эрозия почв в Могилевском районе. В сб.: Эрозия почв и борьба с ней. Минск, 1968.

17. Комаров М.И., Гридяев М.Г. Баланс влаги и смыв почвы на пахотнопригодных склонах при различном их использовании. Научн. тр. Воронежск. СХИ, т. 65, 1974.

18. Константинов И.С. Изучение ливневого стока и смыва почвы на юге Молдавии. В сб.: Вопросы эрозии и повышения продуктивности склоновых земель Молдавии. Кишинев, 1969.

19. Корнев Я.В. Эрозия почвы как фактор урожайности. В сб.: Эрозия почв. М.-Л., 1937.

20. Косцов Г.В. Зависимость расхода наносов от расхода воды и уклона. Метеороло­гия и гидрология, 1971, № 9.

21. Лопатин Г. В. Наносы рек СССР, М„ Географгиз, 1952.

22. Медведев А.Г., Зайко С.М. Влияние эрозии дерново-подзолистых пылевато-суглинистых почв на урожайность зерновых культур и картофеля. В сб.: Эрозия почв и борьба с ней. Минск, 1968.

23. Медведев А.Г. Зайко С.М. Процессы водной эрозии дерново-подзолистых почв, развивающихся на лёссовидных суглинках Логойского района Минской области. В сб.: Эрозия почв и борьба с ней. Минск, 1968.

24. Мирцхулава Ц.Е. Инженерный прогноз и меры предотвращения водной эрозии почв. Гидротехника и мелиорация, 1975, № 7.

25. Михайлов Ф.Я., Малиновский А.А. О выносе твердого стока водной эрозией в Волгу с территории Чувашской Республики. В сб. научн. Работ молодых ученых, вып. 1. Чебоксары, 1970.

26. Подгорный В.К. Влияние крутизны склонов и направления обработки почвы на интенсивность эрозии в лесостепи Сумской области. В сб.: Эрозия почв и почвоза­щитное земледелие. М., 1975.

27. Преснякова Г.А. Борьба с эрозией дерново-подзолистых почв. В сб.: Защита почв от эрозии. М., 1964.

28. Пухачев А.П. и др. Рекомендации по защите почв от эрозии в Татарской АССР. Тр. Татарск. НИИСХ. Казань, 1976.

29. Рожков А.Г., Иванов В.Д. К оценке энергии массы воды, движущейся по склону. В сб.: Защита почв от эрозии, вып. 1. Курск, 1973.

30. Сильвестров С.И. Районирование территории СССР по основным факторам эрозии. М., «Наука», 1965.

31. Симонян М. Предупреждать смыв почвы. Земледелие, 1972, № 1.

32. Скородумов А.С. Эрозия почв и борьба с ней. Киев, Изд. АН СССР, 1955.

33. Скородумов А.С. Земледелие на склонах. Киев, «Урожай», 1970.

34. Скородумов А.С. Эродированные почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур. Киев, «Урожай», 1973.

35. Сурмач Г.П. Опыт расчета смыва почв для построения комплекса противоэрозионных мероприятий. Почвоведение, 1979, № 4.

36. Холупяк К.Л., Шикула Н.К. Эрозия почв в Украинской ССР и рекомендуемые ме­роприятия для борьбы с нею. В сб.: Защита почв от эрозии. М., 1964.

37. Чернышев Е.П. Гидрологические особенности смыва почвы на территории Цен­трально-Черноземных областей. Автореф. канд. дис. М., 1970.

38. Чернявский А.А. Влияние лунок и прерывистых борозд на накопление влаги и смыв почвы на зяби в степи УССР. Почвоведение, 1969, № 5.

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

40. Шамшин А.С. Эрозия почв и меры борьбы с ней в колхозах и совхозах Тульской области. Автореф. канд. дис. М., 1961. 22 с.

41. Швебс Г.И. Исследование динамики поверхностного смыва почв. Автореф. канд. дис. Одесса, 1958. 21 с.

42. Швебс Г.И. Количественная оценка и картирование смываемости почв. В сб.: Оцен­ка и картирование эрозионно-опасных и дефляционно-опасных земель. М., 1973.

43. Шикула Н.К. Преградим путь эрозии. Донецк, 1962.

44. Шугуров В.И. Повышение плодородия эродированных черноземов Мордовской АССР. В сб. работ по земледелию и почвоведению. Саранск, 1968.

45. Шугуров В.И. Обработка и удобрение эродированных черноземов Мордовской АССР. Автореф. дис., Саранск, 1968. 19 с.

46. Gard L.Е., Kibben G.E. Me Notill Crop Production proving a most promising conser­vation measure. Outlook Agric., v. 7, № 4, 1973.