Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Междуречья и особенности эрозионных процессов в их пределах
1.1. Междуречье: терминология, типизация, процессы
1.1.1. Определение междуречья
1.1.2. Классификации междуречий
1.1.3. Строение междуречий и процессы их преобразования
1.2. Эрозионные процессы на междуречьях
1.2.1. Общие положения
1.2.2. Почвенно-эрозионные процессы на междуречьях
1.2.2.1. Механизмы эрозии почв
плоскостная и струйчатая эрозия капельная эрозия и капельная деструкция подповерхностная эрозия механическая эрозия
1.2.2.2. Делювиальный морфолитогенез и диагностика процессов эрозии почв денудационные формы диагностика результатов смыва и размыва и грунтов аккумулятивные формы и их строение диагностика делювиальных толщ
1.2.2.3. Ложбинная сеть и ее роль в эрозии почв
1.2.2.4. Факторы эрозии почв
общие положения роль фактора рельефа
1.2.3. Овражная эрозия
1.2.3.1. Морфология оврагов
1.2.3.2. Процессы формирования и роста оврагов, стадии их развития
1.2.3.3. Основные особенности овражных отложений
1.2.3.4. Классификации оврагов
1.2.3.5. Факторы овражной эрозии
1.2.3.7. Потенциал оврагообразования 45
1.2.4. Пространственная организация эрозионно-аккумулятивных процессов в пределах междуречий 46
1.2.5. Изменение геоморфологического облика междуречий
под влиянием эрозионных процессов 48
ГЛАВА 2. Характеристика среднерусской возвышенности 51
2.1. Географическое положение 51
2.2. Общая физико-географическая характеристика 51
2.3. Флювиальный рельеф и эрозионно-аккумулятивные процессы - на Среднерусской возвышенности 54
2.4. Геоморфологическое районирование Среднерусской возвышенности 57
2.5. История освоения Среднерусской возвышенности 60
ГЛАВА 3. Методы исследований 65
3.1. Выбор методов и порядок исследования 65
3.2. Натурные методы исследований 66
3.2.1. Почвенно-морфологический метод вв
3.2.2. Радиоцезиевый метод 68
3.2.3. Метод замеров водороин 70
3.3. Эмпирико-математическая эрозионная модель USLE/ГГИ 72
3.4. Морфометрические исследования рельефа для оценки темпов эрозионных процессов 74
3.4.1. Общие положения 74
3.4.2. Особенности картографической генерализации на топографических картах 75
3.4.3. Выбор масштабов исследований 77
3.4.4. Описание морфометрических работ 80
ГЛАВА 4. Динамика эрозионно-аккумулятивных процессов и их влияние на рельеф междуречий
(на примере исследований на ключевых участках) 83
4.1. Объекты исследований 83
4.2. Бассейн р. Воробжи 84 4.2.1. Характеристика бассейна 84
4.2.2. Динамика линейных форм флювиального рельефа в бассейне реки Воробжи 87
4.2.3. Оценка влияния экстремальных эрозионных событий на развитие междуречий на двух ключевых участках 90
4.2.4. Оценка перераспределения наносов на водосборе балки Грачева Лощина (водосбор второго порядка) 97
4.2.4.1. Характеристика объекта и методы исследований 97
4.2.4.2. Основные результаты 102
4.2.4.3. Разномасштабное моделирование эрозии почв на водосборе балки Грачева Лощина 107
4.2.5. Оценка баланса наносов на водосборе балки Лебедин (водосбор четвертого порядка)
4.3. Бассейн р. Зуши 124
4.3.1. Характеристика бассейна 124
4.3.2. Динамика линейных форм флювиального рельефа в бассейне Зуши 131
4.3.2.1. Бассейн р. Неручи 131
4.3.2.2. Бассейн р. Колпны и окрестные территории 133
4.3.3. Оценка перераспределения наносов
на ключевых склоновых водосборах 135
4.3.3.1. Характеристика объектов 135
4.3.3.2. Основные результаты 139
4.3.4. Детальная оценка перераспределения наносов на отдельном склоновом водосборе 154
4.4. Роль эрозионно-аккумулятивных процессов в развитии рельефа междуречий 161
ГЛАВА 5. Морфометрическии анализ рельефа как основа для экстраполяции результатов количественных оценок эрозионно-аккумулятивных процессов на обширные территории 163
5.1. Общие положения 163
5.2. Оценка возможности использования карт масштаба 1:500 000 в исследованиях эрозионно-аккумулятивных процессов (на примере бассейна р. Зуши) 163
5.2.1. Морфометрическое картирование бассейна р. Зуши
в масштабе 1:500 000 163
5.2.2. Сопоставление морфометрических показателей
с имеющимися оценками интенсивности эрозии 170
5.3. Сравнительный морфометрический анализ геоморфологических
подобластей и ключевых бассейнов в их пределах 174
5.3.1. Орловско-Тульская геоморфологическая подобласть 174
5.3.2. Курско-Воронежская геоморфологическая подобласть 184
Заключение 191
Список литературы
- Почвенно-эрозионные процессы на междуречьях
- Флювиальный рельеф и эрозионно-аккумулятивные процессы - на Среднерусской возвышенности
- Эмпирико-математическая эрозионная модель USLE/ГГИ
- Оценка баланса наносов на водосборе балки Лебедин (водосбор четвертого порядка)
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в условиях интенсивного хозяйственного использования обширных площадей актуальной стала проблема изучения трансформации рельефа освоенных территорий. В частности, это касается сельскохозяйственных районов центра Русской равнины, где массовая распашка ведется уже несколько веков и не может не влиять на преобразование рельефа. Пахотные земли преимущественно располагаются в пределах междуречных пространств. В связи с этим актуальным становится изучение геоморфологического функционирования междуречий. Длительность периода формирования, очевидная полигенетичность междуречий и представления об инертности большинства преобразующих их процессов, привели к тому, что основная часть современных исследований проводится на качественном, зачастую только теоретическом уровне. Однако инертность развития междуречий на равнинах умеренного пояса действительно имеет место лишь в естественных условиях. При активной хозяйственной деятельности экзогенные процессы становятся антропогенно ускоренными, их темпы увеличиваются на порядки величин. Ведущую роль в преобразовании рельефа междуречий в условиях равнин гумидных зон умеренного климатического пояса при интенсивном сельскохозяйственном освоении начинает играть комплекс эрозионно-аккумулятивных процессов. Это определяет необходимость количественной оценки данных процессов, изучения их динамики и влияния на изменение рельефа междуречий.
Цель исследования - количественно оценить темпы и динамику эрозионно-аккумулятивных процессов на междуречьях за период сельскохозяйственного освоения центра Русской равнины и определить их влияние на изменение рельефа междуречий.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Анализ имеющихся в литературе представлений о междуречьях, их геоморфологическом строении и основных процессах переформирования;
-
Анализ существующих методов исследований и выбор наиболее подходящих для работы в выбранном пространственно-временном диапазоне;
-
Выбор ключевых объектов для детального исследования динамики и темпов эрозионно-аккумулятивных процессов на междуречьях;
-
Анализ геоморфологического строения выбранных участков исследований и локальных факторов развития эрозионно-аккумулятивных процессов;
-
Исследование особенностей эрозии почв и овражной эрозии на междуречьях, оценка их темпов и динамики за период сельскохозяйственного освоения выбранных районов;
-
Оценка репрезентативности полученных результатов и возможности их экстраполяции на более крупные территории.
Объекты и состав исследований. В качестве района исследований была выбрана Среднерусская возвышенность. Будучи практически полностью освоенной, эта территория отличается высокой для равнин Европейской части России интенсивностью эрозионных процессов (Литвин, 2002). В пределах северной (Орловско-Тульской) и центральной (Курско-Воронежской) геоморфологических подобластей Среднерусской возвышенности (Геоморфологическое районирование..., 1980) выбрано два ключевых бассейна: рек Зуши и Вороб-жи соответственно. Для оценки внутренних различий в геоморфологическом строении и определения эрозионного потенциала территорий был проведен детальный морфометрический анализ выбранных бассейнов. Динамика развития верхних звеньев эрозионной сети оценивалась путем сравнения доступных топографических карт за разные временные срезы. Темпы и динамика эрозионно-аккумулятивных процессов исследовались на ключевых участках в пределах выбранных бассейнов с помощью набора методов (почвенно-морфологический, радиоцезиевый, замеров водороин, совмещенная эмпирико-математическая модель USLE/ГГИ). На основании морфометрического анализа ключевых участков и геоморфологических выделов, в пределах которых они находятся, оценивалась репрезентативность полученных результатов и возможность их экстраполяции на более обширные по площади территории.
Полевые исследования проводились в период с 2003 по 2008 годы в составе экспедиций НИЛ Эрозии почв и русловых процессов им.
Н.И. Маккавеева.
Научная новизна работы:
-
Показана значимость процессов овражной эрозии и эрозии почв в развитии рельефа междуречий в условиях сельскохозяйственно освоенных гумидных равнин умеренного климата.
-
Применение комплекса независимых методов позволило дать количественную оценку темпов изменения рельефа междуречий Среднерусской возвышенности, их пространственной и временной дифференциации за период сельскохозяйственного освоения в различных масштабах: на отдельных склонах, на ключевых малых водосборах первых порядков, в бассейнах малых рек.
-
Оценены величины ошибок, связанных с использованием разномасштабных данных о рельефе территории при расчетах темпов смыва по эрозионным моделям и возникающих при распространении результатов количественной оценки перераспределения наносов на ключевых участках на более обширные по площади территории. Показана возможность определения пределов корректной экстраполяции таких данных на основании разномасштабного мор-фометрического анализа рельефа.
-
Проведен морфометрический анализ рельефа Среднерусской возвышенности с точки зрения влияния морфологии междуречных пространств на темпы и динамику эрозионно-аккумулятивных процессов и особенностей трансформации рельефа междуречий за период сельскохозяйственного освоения. Защищаемые положения:
-
Освоенность обрабатываемых склонов междуречий линейными эрозионными формами первых порядков определяется их геоморфологическим строением и зависит от длительности сельскохозяйственного использования территории.
-
Динамика, темпы и внутрисклоновая вариабельность эрозионно-аккумулятивных процессов на распаханных склонах междуречий различной конфигурации обусловлены собственно морфометрией склонов и особенностями сельскохозяйственной обработки конкретного склона.
-
Для эрозионно-аккумулятивных процессов характерен волновой характер, связанный как с микрорельефом, так и с самоорганизацией потоков воды и наносов на склоне.
-
Разномасштабный морфометрический анализ междуречий является основой для выбора репрезентативного ключевого объекта для оценки динамики эрозионно-аккумулятивных процессов и последующего распространения полученных результатов на обширные территории.
Практическая значимость. Систематическое изучение эрозионно-аккумулятивных процессов на распаханных междуречьях гумидных равнин позволяет выявить особенности динамики рельефа междуречий и количественно оценить темпы их изменений. На основании этих результатов возможны прогнозы функционирования междуречий и эрозионной сети в их пределах в зависимости от климатических изменений, типа и степени антропогенного воздействия, а также рекомендации по выбору оптимальных системых почво-и водоохранных мероприятий.
Результаты исследований нашли своё отражение в отчётах по проектам РФФИ № 04-05-64215-а (Морфодинамика склонов междуречий освоенных территорий центра Русской равнины), № 07-05-00193-а (Динамика осадкона-копления в долинах малых рек Русской равнины в позднем голоцене) и № МК-8023.2010.5 (Прогноз динамики эрозионно-аккумулятивных процессов на малых водосборах Среднерусской возвышенности в условиях естественных и антропогенных изменений окружающей среды).
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались лично автором на следующих конференциях: Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2004», «Ломоносов -2005» (Москва); Семинарах молодых ученых по проблемам эрозионных процессов (Брянск, 2004; Волгоград, 2006; Уфа, 2010); Всероссийской конференции «Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2006); XXIX Пленуме Геоморфологической комиссии РАН «Проблемы флювиальной геоморфологии» (Ижевск, 2006); Симпозиумах Международной Гидрологической Ассоциации (Крайстчерч, Новая Зеландия, 2008; Варшава, Польша,
2010); Всероссийской конференции (VI Щукинские чтения) "Геоморфологические процессы и их прикладные аспекты", Москва (2010); Всероссийской конференции "Теория геоморфологии и ее приложение в региональных и глобальных исследованиях" (Чтения памяти Н.А. Флоренсова), Иркутск (2010). Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы (252 наименования). Содержательная часть работы изложена на 192 страницах текста, иллюстрирована 99 рисунками и включает 27 таблиц.
Благодарности. Автор искренне благодарен научному руководителю, доктору географических наук В.Н. Голосову за поддержку и постоянное внимание в ходе работы, заведующему НИЛ Эрозии почв и русловых процессов, доктору географических наук, профессору Р.С. Чалову за помощь в организации работы, доктору географических наук, профессору Ю.Г. Симонову и кандидату географических наук А.В. Панину за ценные научные консультации, доктору географических наук Л.Ф. Литвину и кандидату географических наук Н.Н. Ивановой за конструктивную критику работы на подготовительной стадии, кандидатам географических наук В.Р. Беляеву и М.В. Маркелову за постоянное сотрудничество в ходе полевых и камеральных работ и конструктивную критику диссертации, а также сотрудникам, аспирантам и студентам МГУ, принимавшим участие в полевых работах.
Почвенно-эрозионные процессы на междуречьях
Наиболее строгому определению «эрозии» соответствует смыв и размыв текущей водой горных пород и почв (Коржуев, Тимофеев, 1959; Щукин, 1980; Заславский, 1983; Кузнецов, Глазунов, 1985; Маккавеев, Чалов. 1986 и др.). Воздействуя на земную поверхность, водные потоки осуществляют не только разрушение, но и транспортировку подготовленного материала, а затем его отложение (или многократное переотложение) в виде различных аккумулятивных тел. Вся совокупность процессов смыва и размыва почв и горных пород, перемещения и накопления наносов водными потоками носит название эрозионно-аккумулятивных или флювиальных процессов.
Обычно различают три основных типа водных потоков, являющихся последовательными звеньями в структуре гидросети (Маккавеев, Чалов, 1986): нерусловые потоки талых или дождевых вод; русловые временные потоки, текущие по оврагам и балкам; реки. Между ними выделяется некоторое количество промежуточных типов. Так, переходной формой между нерусловыми и русловыми водотоками являются струйчатые потоки, образующие небольшие линейно вытянутые формы рельефа - борозды, промоины и др. (Маккавеев, 1974). Для разных типов водных потоков характерны свои механизмы размыва, переноса и отложения материала. На основании этого эрозионно-аккумулятивные процессы разделяют на три основных типа их проявления: эрозия почв, овражная эрозия и русловые процессы соответственно. Струйчатые потоки осуществляют так называемую струйчатую (ручейковую) эрозию, которую также относят к эрозии почв.
Из перечисленных типов эрозионно-аккумулятивных процессов для междуречий характерны эрозия почв, наблюдающаяся на всем пространстве междуречья, и овражная эрозия, проявляющаяся преимущественно в нижней части междуречных склонов.
Под эрозией почв понимается «смыв и размыв, транспорт и аккумуляция почв и грунтов поверхностными временными пластово-струйчатыми склоновыми водными потоками» (Литвин, 2002). В геоморфологической литературе этот процесс называется также «делювиальным смывом» (Павлов, 1899; Бушинский, Феофилова, 1957; Шанцер, 1966; Воскресенский, 1971; Леонтьев, Рычагов, 1988; Якушова и др., 1988; Фролов, 1995; Симонов, 2003 и др.), в результате которого накапливаются специфические отложения — «делювий». Кроме того, можно встретить такие синонимы эрозии почв, как «склоновый смыв» или «работа неорганизованной воды» (Щукин, 1960).
Овражная эрозия — «рельефообразующий процесс, осуществляемый временными русловыми потоками, в результате которого возникают специфические линейные формы на поверхности суши, непосредственно связанные с развитием более крупных звеньев эрозионной сети (рек, балок, суходолов)» (География..., 2006). При этом необходимо отметить, что в природе встречаются различные типы оврагов (см. раздел 1.2.З.). В данной работе рассматриваются те из них, которые, преобразуя склон речной долины или балки, выходят вершинами на междуречья. Эрозионно-аккумулятивные процессы, происходящие собственно в балках, в работе не рассматриваются, поскольку они хоть и осуществляются временными русловыми потоками, по механизмам и проявлениям более близки к русловым процессам. Сами балки (как формы рельефа) в строгом виде и при крупномасштабных исследованиях в пределы междуречья не входят.
Необходимо также отметить, что нередко, особенно в зарубежной геоморфологической литературе, термин «эрозия» используется как синоним «денудации» (Summerfield, 1997; Hugget, 2007 и др.). Это создает некоторую путаницу в терминологии, однако в ряде случаев имеет определенный смысл. Так, при оценке темпов почвенно-эрозионных процессов зачастую невозможно отделить результаты проявления собственно водной эрозии от потерь почвы в результате дефляции, выноса грунта с/х орудиями, суффозии и т.д. В связи с этим ряд исследователей под эрозией почв подразумевает разрушение почвенного покрова комплексным воздействием множества экзогенных процессов (Бондарчук, 1949; Лидов, 1981; Oxford dictionary..., 1997; Soil degradation.., 1990) или совместным влиянием водных и ветровых потоков (Щукин, 1980; Соболев, 1948; Добровольский, 1989; Morgan, 1995). В исследованиях овражной эрозии относительные роли флювиальных и склоновых процессов также до сих пор однозначно не определены (см. раздел 1.2.З.). Большинство методов, которыми мы располагаем, позволяет оценивать суммарные потери грунта и разрушение поверхности в результате комплекса экзогенных процессов - в данном случае, с ведущей ролью эрозии почв и овражной эрозии. В связи со всем вышесказанным, в дальнейшем, при описании механизмов эрозии на междуречных пространствах, оценке темпов эрозии почв и овражной эрозии, определении их роли в развитии освоенных междуречий, имеется в виду комплекс процессов, развивающихся одновременно и взаимно накладывающихся друг на друга.
В силу представления о том, что эрозия почв осуществляется плоскостными (пластовыми) и струйчатыми водотоками, обладающими различными гидравлическими характеристиками, можно говорить и об отличиях их воздействия на почвенный покров и грунты. Плоскостные потоки осуществляют так называемый плоскостной смыв и отвечают за процессы плоскостной (плащевой) эрозии. (Тимофеев, 1978). Естественная особенность; текущей воды стремиться в любые понижения; приводит к ее "быстрой концентрации в струи. Г.В; Полунин (1983) предполагает возможность существования собственно плоскостного стока лишь под поверхностью тающего снега. Согласно, другому мнению, плоскостные потоки встречаются только на выровненных задернованных склонах при:интенсивных затяжных дождях, причем их глубина очень,мала и режим близок к ламинарному, поэтому плоскостной смыв если и есть, то очень: слабый (Шанцер, 1966; Горшков, 1982; Заславский:, 1983). В- связи; с этим под термином «плоскостной смыв» часто понимается эрозионный процесс/ осуществляемый; микроструями (микроструйчатая, микроручейковая эрозия), но идущий без создания хорошо выраженных форм рельефа (Швебс, 1974, 1981; Ермолаев, 1990; Бутаков и др., 1991; Литвин, 1998). Струйчатые потоки осуществляют струйчатый (ручейкдвый) размыв, порождают струйчатую (бороздчатую, ручейковую) эрозию (Швебс/ 1981; Лозе, Матье, 1998; Литвин, 1998). Основное: проявление размыва состоит в: образовании ярко выраженных форм линейной эрозии (Арманд, 1972) - обычно эфемерных.эрозионных борозд и более глубоких промоин. Под термином «поверхностная эрозия» понимают обычно и плоскостной смыв; и струйчатый размыв с образованием борозд, отделяя, таким; образом, эти процессы от механизмов преимущественного разрушения; в; глубину ..— формирования промоин и овражной эрозии. Параллельно с денудацией все виды потоков воды на склонах осуществляют перенос и накопление материала:
Транспортнаносов. осуществляется» какмеханически; так: и "химически (вынос в растворах)., И хотя денудационные, процессы, связанные с растворением вещества, являются.объектом исследования уже карстовой геоморфологии, нельзя-забывать, что вынос веществач в растворах часто идет, параллельно с механическим разрушением ..поверхности текущей, водой и1 далеко не всегда современными методами удается-разделить последствия их совместного влияния на развитие рельефа.. ..
В соответствии с природой самих водных потоков,вызывающих разрушение ПОЧВІ и грунтов/выделяют следующие типы в комплексе процессов эрозии почв (Заславский, 1983; Заславский и др., 1984; Литвин, 2002): эрозия.от стока талых вод (талая эрозия); эрозия от стока дождевых вод (дождевая, ливневая эрозия); эрозия от стока вод орошения (ирригационная эрозия); от стока аварийно-сбросных вод; от стока феноменальных, «экзотических» вод (таяние снегов при извержении вулканов, прорывы горных озер и др.). Обычно к дождевой эрозии относят также так называемую «капельную эрозию».
Флювиальный рельеф и эрозионно-аккумулятивные процессы - на Среднерусской возвышенности
В конкретном овраге вещественный состав пролювия, как и овражного аллювия, зависит в первую очередь от состава пород, слагающих его водосбор. На общем фоне уменьшения средней крупности материала от центра конуса выноса к краевым частям, литология осадков в его пределах существенно изменяется как в вертикальном разрезе, так и по латерали. Каждая пачка отложений соответствует определенной гидродинамической обстановке осадконакопления, которая определяет ее размер, пространственное расположение, гранулометрический состав, сортировку, наличие или отсутствие слоистости и ориентировки грубообломочных частиц.
Несмотря на большое разнообразие форм конусов выноса оврагов, можно выделить некоторые наиболее общие черты, присущие большинству. В плане конус выноса обычно имеет веерообразную форму, в случае если он не стеснен какими-либо естественными или искусственными препятствиями или не подвержен частичному размыву принимающим водотоком. Профиль поверхности конуса выноса в радиальных направлениях обычно вогнутый, а в поперечных - выпуклый. Поверхность конуса выноса может быть осложнена обвалованными ложбинами и их микроконусами, соответствующими отдельным положениям основного потока и привязанным к ним зонам аккумуляции.
Со временем водоток обычно оттесняется к одной из боковых сторон конуса выноса, аккумуляция на большей части его поверхности временно прекращается. При условии длительного перерыва в осадконакоплении на поверхности конуса может образоваться почва. При заполнении понижения вдоль боковой стороны конуса и выравнивании высотных отметок, блуждание русла по его поверхности может возобновиться. Почвообразование при этом прекращается, почва становится погребенной. Конус может быть вторично прорезан (при изменении водности потока, если уклон поверхности превысил критический и т.д.). Для большинства конусов выноса характерна прерывистость осадконакопления. Образующееся чередование пролювиальных пачек, погребенных: почв и эрозионных несогласий является своеобразной, хотя в большинстве случаев и весьма неполной, летописью истории развития оврага.
Большинство авторов, занимавшихся классификацией оврагов (Соболев, 1948, 1961; Назаров. 1992; Бутаков и др., 1996; Зорина и др., 1998; Рысин, 1998, и др.) разделяет их в первую очередь по геоморфологическому положению. При этом выделяются первичные овраги, образовавшиеся на ранее неосвоенных линейной эрозией склоновых водосборах (подразделяются в свою очередь на береговые и склоновые), и вторичные овраги, расчленяющие более древние малые эрозионные формы (МЭФ) и подразделяющиеся на собственно донные и верховые (Рисунок 21). Береговые овраги представляют собой короткие эрозионные врезы, не выходящие за бровку склона, на котором развиваются, и практически лишенные морфологически выраженного постоянного водосбора. Склоновые овраги развиваются на склоновых водосборах и имеют естественные подводящие ложбины стока и морфологически выраженные водосборы. Донные и верховые овраги закладываются по уже существующим более крупным эрозионным формам - балкам, суходолам и т.п.; первые - в их днищах, вторые -в привершинных участках (Рожков, 1981; Заславский, 1983; Назаров, 1992).
В плане выделяются следующие разновидности оврагов, объединенные в две группы: 1) простые - линейные, ромбовидные, булавовидные, ланцетовидные, дельтовидные (расширяющиеся к устью); 2) с отвертками - древовидные, перистые, веерообразные, парного ветвления (Бутаков и др., 1996). Плановая форма оврагов и овражных систем зависит от типа склона, на котором овраг развивается и формы водосборной площади (Соболев, 1948). Кроме того, особое влияние на форму оврагов оказывают особенности геологического строения местности.
По происхождению овраги принято разделять на естественные, смешанного происхождения (природно-антропогенные) и чисто антропогенные (техногенные). Естественные овраги существовали в предыдущие геологические эпохи и образуются сейчас при условии запорогового изменения одного из внешних факторов оврагообразования, чаще всего растительности или величины стока (Бутаков и др., 1996).
Антропогенные овраги возникают как результат нарушения человеком естественных условий и процессов. По характеру антропогенного воздействия выделяются три группы оврагов: 1) образующиеся при изменении факторов оврагообразования (вырубка леса, распашка, усиленное обводнение территории); 2) возникающие искусственно на водосборах, где созданы новые линии стока (борозды и межи на пашне, скотопрогонные тропы, лесополосы, обвалование, колеи и придорожные кюветы); 3) техногенные овраги, формирующиеся при стоке промышленных и сбросных вод, прорывах различных трубопроводов (Овражная эрозия, 1989).
Вопрос о соотношении естественного и антропогенного оврагообразования на данный момент нельзя считать окончательно закрытым. Однако можно утверждать, что в районах давнего сельскохозяйственного освоения густота и плотность овражного расчленения, а также темпы роста заведомо антропогенных оврагов (зарождение которых можно документально подтвердить), значительно превышает те же характеристики естественной эрозионной сети. Так, согласно данным Б.Ф. Косова (1978, 1981), в районах давнего сельскохозяйственного освоения в лесостепной и степной зонах более 80% оврагов имеют антропогенное происхождение. Кроме того, естественные условия для образования оврагов в степной и лесостепной зонах не самые благоприятные, что также свидетельствует в пользу решающей роли антропогенного фактора (Косов и др., 1975; Гайворон, 1990; Беляев, 2002). В то же время на большей части даже сильно заовраженных территорий молодая эрозионная сеть осваивает только нижние части склонов, а древние ложбины, лощины и балки проникают практически до водоразделов (Бутаков , Дедков, 1998). Таким образом, антропогенная овражная сеть характеризуется значительно большими скоростями роста размеров и количества оврагов, но осваивает значительно меньшую территорию, чем естественная эрозионная сеть, что связано с большей длительностью и многократными изменениями естественных условий в ходе развития последней.
Процесс оврагообразования испытывает влияние большого числа естественных и антропогенных факторов. Многофакторность, наряду со сложными механизмами и пространственно-временной неоднородностью самого процесса, является главной причиной сложности создания общих теоретических и математических моделей, которые с достаточной степенью точности описывали бы формирование любого оврага от начала до конца.
Эмпирико-математическая эрозионная модель USLE/ГГИ
Курско-Воронежская подобласть охватывает центральную часть Среднерусской возвышенности. Она сформирована на моноклинально-пластовом основании из меловых и палеогеновых отложений в сводовой части и юго-западном крыле Воронежской антеклизы. Неотектоническая основа рельефа - Курское поднятие и его окружение в виде структурных террас и поднятий более мелкого ранга. На междуречьях под четвертичным чехлом сохранились реликты неогеновых денудационно-аккумулятивных поверхностей. Территория характеризуется сильно развитым долинно-балочным и овражным рельефом. Характерны асимметричные формы долин и междуречий, структурно-денудационные формы рельефа, бронированные мезозойскими и палеогеновыми породами (Геоморфологическое..., 1980; Мильков, Гвоздецкий, 1986). Выпуклые склоны балок и речных долин повсеместно смыкаются, образуя водоразделы в форме почти идеальных полусфер-куполов «обтекаемой» формы - 5 тип междуречий по С.С. Соболеву (1948; см. Главу 1, рисунок 5), наиболее хорошо выраженных непосредственно в окрестностях Орла. Такой тип эрозионного расчленения выделен С.С.Соболевым (1948) под общим названием Сеймско-Хоперского (рисунок 30). Подобласть разделяется на три района: Курский, Харьковский, Доно-Оскольский (Геоморфологическое..., 1980).
Калачско-Россошанская подобласть располагается в юго-восточной части Среднерусской возвышенности, в пределах юго-восточной периклинали и южного крыла Воронежской антеклизы. Территория отличается интенсивно расчлененным холмисто-увалистым рельефом. Характерен долинно-балочный и овражный рельеф на породах мел-палеогеновой моноклинали, частично перекрытых мореной днепровского оледенения (Геоморфологическое..., 1980). С севера на юго-восток наблюдается общее понижение местности и происходит постепенная смена характера эрозионного расчленения и, соответственно, строения междуречий от куполообразных с выпуклыми склонами к крышевидным с прямыми склонами ограничивающих балок - тип 6 по классификации С.С. Соболева (1948); тип эрозионного расчленения — Осколо-Деркульский (рисунок 30). Далее на юг, при переходе к Донецкому кряжу местность снова повышается склоны балок приобретают вогнутую форму, а характер междуречий наиболее приближен к пенеплену (Соболев, 1948). Подобласть разделяется на три района: Калачский, Донской, Придонецкий (Геоморфологическое..., 1980).
Как видно из описания геоморфологических выделов внутри Среднерусской возвышенности, а также из приведенной выше общей физико-географической характеристики местности, южная (Калачско-Россошанская) подобласть значительно отличается от остальной части территории. И хотя Среднерусская возвышенность как геоморфологическая область обладает морфоструктурным единством, отличие геологических, климатических, почвенных и других ландшафтных характеристиких ее южной подобласти определяет различия в механизмах и темпах современных экзогенных процессов рельефообразования в ее пределах. Не случайно на физико-географических картах и в описаниях природы эта территория часто рассматривается отдельно от собственно Среднерусской возвышенности — как Калачская возвышенность и Донское Белогорье. Очевидно, что существенно разнящийся набор природных особенностей, выступающих в роли факторов эрозионных процессов, приводит к отличиям в характере и темпах последних. Кроме того, эта территория обладает иным эрозионным потенциалом рельефа, что хорошо видно из особенностей строения междуречий. Исходя из всего вышесказанного, в дальнейшей работе Калачско-Россошанская геоморфологическая подобласть не рассматривается.
В литературе высказан ряд полярных мнений об интенсивности вмешательства хозяйственной деятельности человека в естественную эволюцию ландшафтов в доисторический период. По мнению некоторых исследователей, уже в неолите человек мог оказывать весьма существенное влияние на окружающую среду в крупных масштабах. Другими авторами отстаивается точка зрения о локальности, «точечных проявлениях» антропогенного фактора до начала интенсивного сельскохозяйственного освоения, которое на Русской равнине датируется XVII-XVIII вв. Вероятно, до субатлантического периода голоцена можно с уверенностью говорить об отсутствии серьезных антропогенно обусловленных изменений ландшафтов в региональном масштабе, по крайней мере, на исследуемой территории (Хотинский, 1977, 1987). Основные изменения растительности в более ранние периоды голоцена удовлетворительно объясняются естественными причинами.
В то же время, анализ имеющихся археологических данных позволяет считать, что уже 5-6 тыс. лет назад в центре Русской равнины были распространены поселения неолитических племен, которые могли оказывать локальное воздействие на растительность и другие компоненты ландшафта. (Хотинский, 1977). В этот период уже существовали относительно крупные поселения, и сохранялся присваивающий характер хозяйства (Хотинский, 1987а).
В эпоху бронзы (4000-2500 лет назад) получило развитие скотоводство (Хотинский, 1987а). В первом тысячелетии нашей эры в лесной зоне начало развиваться земледелие, но оно ограничивалось в основном долинами рек и прибрежными участками озер. Водоразделы практически не распахивались, за исключением незаболоченньгх зандровых равнин (Жариков, 1987).
Основой землепользования было так называемое лядинное (залежное) хозяйство и подсечно-огневое земледелие. Земледельцы вырубали и выжигали такую площадь леса, насколько хватало сил, и распахивали расчищенное и удобренное древесною золою пространство. Надел (лядину) засевали и возделывали несколько лет подряд, до тех пор, пока земля, истощившись, не переставала давать обильные урожаи (обычно 2-4 года, реже до 8 лет). После этого земля забрасывалась под лес, а для расчистки, выжигания и последующей обработки выбирался следующий участок (Долуханов, 1987). Пока население было малочисленным, для распашки хватало давно не тронутых лядин, но с интенсивным его ростом в XVI-XVII вв. началась деградация почв территории, вначале постепенная, но затем все ускоряющаяся. В некоторых районах центра Русской равнины до сих пор сохранились пустоши с бедными почвами и другими следами лядинного хозяйства (Покровский, 1879; Низовцев, 1990).
Лесостепная часть Среднерусской возвышенности населена и осваивается уже около 2000-3000 лет (Серебрянная, 1982; Хотинский, 1987). Однако до начала второго тысячелетия н.э. в большинстве районов хозяйство ограничивалась скотоводством, которое оказывало локальное влияние на растительность, но вряд ли в достаточной степени существенно для повсеместных изменений характера и темпов экзогенных геоморфологических, процессов. В то же время, по данным С.А Сычевой и А.А. Узянова (1987), на территории Курского посеймья уже в эпоху бронзы (4000-2500 лет назад) наряду со скотоводством появились распаханные участки на поймах и террасах рек и примыкающих к ним пологих склонах. Уже в раннем железном веке (2200-2500 лет назад) первые участки пашни появились на плакорах. К этому времени относится формирование толщи педоседиментов (переотложенных смытых почв) в днищах балок, свидетельствующее об интенсификации эрозии почв на склонах. По нижней части намытой толщи в одной из балок района долины р. Тускарь получена радиоуглеродная датировка 2240±100 лет назад (Сычева, Узянов, 1987). Об увеличении стока наносов с водосборньтх склонов свидетельствует и возрастание темпов осадконакопления на отдельных участках поймы р. Тускарь (до 2,5 мм/год) в этот период времени.
В XI-XIII вв. ареалы пашенного земледелия в лесостепных районах Среднерусской возвышенности существенно расширились. Об этом свидетельствует резкое появление большого количества пыльцы культурных растений в разрезах пойменного аллювия ряда мест - в районе Куликова поля, в Курском посеймье (Хотинский, 19876; Александровский, 1987). Это связанно с активным развитием земледелия в ходе расселения славян, уже хорошо владевших навыками сельскохозяйственной обработки земли с использованием разнообразных орудий труда и паровой двупольной системы земледелия, выращиванием озимых и яровых культур (Горский, 1953). Выращивали несколько видов пшеницы, рожь, ячмень, просо, овес, горох, лен, коноплю (Сычева, Узянов, 1987). Времени развития экстенсивного натурального хозяйства соответствует период интенсификации эрозионных процессов на склонах и повышенной аккумуляции наносов в днищах МЭФ и на поймах рек (Гайворон, 1983; Сычева, Узянов, 1987).
Оценка баланса наносов на водосборе балки Лебедин (водосбор четвертого порядка)
Кроме того, не всегда возможно точно определить продолжительность распашки склона, что также может стать источником ошибок при количественной оценке интенсивности смыва. Достоинствами модели являются обширная база эмпирических данных, возможность расчета смыва для разных промежутков времени (при наличии более детальных метеоданных), получение пространственно распространенных данных, готовых к использованию в ГИС-приложениях. Основным недостатком использованной нами версии модели является завышение интенсивности эрозии из-за неучета внутрисклонового переотложения наносов. Можно предположить, что в данном случае значительный разброс полученных величин отражает некоторое занижение реальных темпов смыва почвенно-морфологическим методом, с одной стороны, и завышение моделью с другой.
В целом, наблюдается уменьшение различий между рассчитанными по модели и полученными почвенно-морфологическим методом величинами интенсивности смыва при переходе к более мелкому масштабу исходных морфометрических данных (таблица 15). Возможно, это отражает своеобразный «баланс» между тенденцией завышения расчетных темпов смыва из-за недоучета внутрисклоновой аккумуляции с одной стороны и ростом искажений формы склонов в более мелком масштабе (ведущим к уменьшению перепадов высот, уклонов и, соответственно, расчетных величин темпов смыва) с другой. Как показывает проведенный выше анализ (таблица 15, рисунки 51, 52), расчет по ІДМР, построенной на топокарте масштаба 1:100000, может, в зависимости от конкретных морфометрических особенностей склонов, дать как близкие к более детальным ЦМР, так и существенно заниженные результаты. Исходя из этого, при расчетах интенсивности смыва по использованной модели по менее точным ЦМР необходимо опираться на результаты исследований на ключевых участках, для которых существует возможность проверки адекватности расчетных величин независимыми полевыми методами.
Таким образом, совместный анализ результатов расчетов интенсивности смыва почвы по эмпирико-математической модели различных севооборотов и в разных масштабах показал, что эффект масштаба топографических карт и степени детальности отображения рельефа склонов на них необходимо учитывать при анализе результатов моделирования в мелких масштабах. В некоторых случаях погрешности, связанные с недостаточной детальностью отображения рельефа, могут достигать половины абсолютных расчетных величин смыва почв и заметно превышать вариабельность интенсивности процесса, обусловленную сменой типа севооборота.
Наблюдается значительная зависимость величины погрешности, связанной с картографической генерализацией, от морфометрии реального рельефа. Наибольшие ошибки возникают при уменьшении масштаба на выпуклых или вогнутых склонах при увеличении отклонения формы продольного профиля от прямой, а также на отрезках склонов, осложненных естественными или антропогенными перегибами и линейными микроформами. Подобного рода формы, даже слабо выраженные в рельефе, могут рассеивать или концентрировать поверхностный сток и, соответственно, способствовать заметному изменению темпов смыва и характера их внутрисклоновой изменчивости. Пренебрежение этими формами, характерное для картографической генерализации, может существенно исказить результаты расчётов темпов смыва.
Сопоставление результатов расчета по модели с натурным почвенно-морфологическим методом показало адекватность отображения моделью общей картины изменения интенсивности смыва почвы вдоль склонов (за исключением участков внутрисклонового переотложения наносов). В то же время, наблюдается существенный разброс осредненных по участкам склонов темпов смыва, который может быть связан с недостатками обоих подходов. Таким образом, при оценках эрозии по использованной модели для значительных по площади территорий необходимо опираться на результаты детальных исследований на находящихся в их пределах ключевых участках, для которых существует возможность проверки адекватности расчетных величин независимыми полевыми методами. радиоцезиевым методом в сочетании с детальной тахеометрический съемкой площади днища. Для оценки аккумуляции в других зонах переотложения наносов были использованы соотношения объемов переотложения, полученные при детальных исследованиях в балке Грачева Лощина. Положение точек отбора послойных образцов для проведения радиоцезиевого анализа представлено на рисунке 53. В замыкающем створе балки расположена дамба, построенная в 1956 году, что позволяет с достаточной достоверностью утверждать, что порядка 90% наносов, поступивших в днище за весь «цезиевый период» (с 1954 г.), должна была остаться в ее пределах. Согласно исследованиям на водосборах прудов лесостепной зоны центра Европейской территории России, в среднем порядка 10% материала не задерживается в прудах и транспортируется в период снеготаяния или при выпадении экстремальных ливней в нижележащую долину (Прыткова, 1981). Оценка смыва по модели производилась для пахотных склонов. В расчетах использовались данные по севооборотам, имеющимся для водосбора Грачевой Лощины (рисунок 46). На рисунке 54 для примера приведена карта интенсивности эрозии почв на период 1960-80е гг. - самый длительный временной интервал за «цезиевый период», использованная в оценке общих объемов смыва за период выпадения изотопа 137Cs была построена. Расчетные темпы смыва варьируют в пределах от 6,4 до 10,6 т/га/год в зависимости от используемого севооборота. Средняя величина темпов эрозии почв с пахотных склонов составила 9,1 т/га/год (с учетом длительности временных интервалов с разными типами землепользования). Отсюда был рассчитан общий объем смыва с пашни за весь период выпадения 137Cs (1954-2007 гг., 53 года), который составил 595158 т (9,1 т/га/год 1234 га 53 года).
Однако в расчетных темпах и объемах смыва определенно присутствует ошибка, связанная с достаточно мелким масштабом моделирования. Согласно результатам исследований (см. раздел 4.2.4.), проведенным для водосбора балки Грачева Лощина (таблица 14), моделирование в масштабе 1:100000 отличается систематическим занижением результатов. Из проанализированных типов склонов водосбора Грачевой Лощины для междуречий, примыкающих к балке Лебедин, наиболее типичными морфологическими и морфометрическими характеристиками отличаются участки северовосточной и юго-западной экспозиций (таблица 9). Склонов с хорошо выраженным микрорельефом или мелиоративными мероприятиями, кроме испытательного участка ВНИИЗ и ЗПЭ в верховьях Грачевой Лощины, на водосборе Лебедина нет. На рисунке
A приведена карта типов склонов по форме продольного профиля. Видно, что на распаханной части водосбора абсолютно преобладают вогнуто-выпуклые склоны со преобладанием выпуклых участков (62% от общей площади водосбора). На рисунке 56Б представлена карта крутизны поверхности, построенная для водосбора балки Лебедин. В данном масштабе на территории значительные площади занимают субгоризонтальные поверхности крутизной менее 2 и пологие склоны крутизной обычно не более 5 (таблица 16). Тем не менее достаточно большая доля вогнутых склонов позволяет предположить, что внутрисклоновая аккумуляция на водосборе балки Лебедин существенно больше, чем на водосборе Грачевой Лощины.
