ГЕОМОРФОЛОГИЯ
№ 1 январь-март 2014
МЕТОДИКА НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 551.4.012:551.435.24(470.312)
© 2014 г. В.П. БОНДАРЕВ, В.Р. БЕЛЯЕВ, Н.Н. ИВАНОВА, О. ЭВРАР ДОСТАВКА НАНОСОВ С ВОДОСБОРНЫХ СКЛОНОВ В ДОЛИНУ РЕКИ1
Количественная оценка перемещения наносов со склонов в русла рек остается одной из актуальных проблем флювиальной геоморфологии. Возможность реалистично оценить величину этого перемещения может способствовать решению довольно большого количества теоретических и практических задач экологической геоморфологии: оценка эрозионного потенциала территории, интенсивность заиления русел рек, деформация первичного поля различных загрязнителей в пределах водосборного бассейна и т.д. В последние годы появляется все больше количественных данных о темпах смыва почвы со склонов. Однако их все еще недостаточно для достоверного расчета коэффициента доставки наносов в речные русла.
В связи с этим в настоящей работе авторами предлагается комплексная методика определения коэффициентов доставки наносов со склонов малой реки с использованием морфометрических методов, математического моделирования и прослеживания радиоизотопных трассеров для количественной оценки перераспределения наносов и связанных с ними загрязняющих веществ.
В основе исследования лежит несколько важных положений. Во-первых, это представления Р. Хортона, который выявил наличие закономерностей строения речной сети от самых малых ее элементов до наиболее крупных, придавая большое значение самым малым неразветвленным элементарным притокам. Во-вторых, положения о единстве эрозионно-аккумулятивных процессов в пределах всего речного бассейна, начиная с приводораздельных территорий и заканчивая руслом реки, которые были сформулированы Н.И. Маккавеевым. Кроме того, были учтены представления С.М. Шумма, Р.Дж. Чорли, Ю.Г. Симонова о том, что водосборный бассейн является геоморфологической системой с прямыми и обратными связями, имеющей сложную структуру и характеризующейся особенностями функционирования, на которые оказывают влияние природные и антропогенные условия и факторы.
В рамках изучения водосборных бассейнов, как сложных иерархических систем, можно выделить, как минимум, четыре пространственных иерархических уровня, каждому из которых соответствует свой комплекс процессов, развивающийся в характерном масштабе времени. При этом, склоновому уровню придается особый статус базового, с которого целесообразно начинать бассейновый анализ территории [1]. Именно этому вопросу и будет посвящен приведенный ниже анализ.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты РФФИ-НЦНИ 09-0591057, РФФИ 10-05-00385, РФФИ 10-05-00357), программы Президента РФ для поддержки молодых ученых - кандидатов наук (проект МК-8023.2010.5) и программы Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-3284.2010.5).
Методология исследования
Этапы анализа. Одним их перспективных путей оценки поступления наносов со склонов водосбора в долину и русло реки или временного водотока служит комплексный бассейновый подход, который включает в себя несколько этапов. В первую очередь создается морфометрическая картосхема изучаемого водосборного бассейна, и оцениваются морфометрические параметры склонов, с которых происходит поступление наносов. Далее, опираясь на полученные данные и используя одну из эрозионных моделей, нужно рассчитать количество наносов, поступающих в долину с каждого склона в отдельности и всех склонов вместе. При этом наибольшую сложность представляет не оценка мобилизации наносов на эродируемых частях склонов (эта задача с той или иной точностью решается многими расчетными моделями), а определение их переотложения на различных промежуточных рубежах стока по пути транспорта и вычисление результирующего коэффициента доставки в принимающую долину (эта задача не решается расчетными моделями без привлечения данных полевых исследований на ключевых участках). Наконец, с помощью некоторого маркера следует оценить адекватность эрозионной модели процессам, происходящим на реальных склонах.
Морфометрический анализ склонов водосборного бассейна. Основой исследования морфометрической структуры склонов водосборного бассейна может служить Хортон-анализ в модификации Стралера-Философова с использованием закономерностей структуры, полученных Ю.Г. Симоновым [2]. Такой подход наиболее формализован, и разные исследователи, работающие с одними и теми же топографическими материалами, получают одинаковые результаты. При этом на топографических картах м-ба 1:25000 отражена реальная устойчивая структура водосборного бассейна, а при переходе к м-бу 1:100000 идет потеря одного порядка с сохранением относительных морфометрических закономерностей. Морфометрический анализ водосборных бассейнов хорошо зарекомендовал себя при изучении перераспределения наносов в пределах водосборных бассейнов различного порядка. Немаловажно, что устойчивые закономерности были получены для разнообразных геоэкологических условий. Так, есть удачный опыт применения морфометрического анализа в балансовых исследованиях в сочетании с 137Сб в качестве маркера перераспределения рыхлого материала в пределах малых бассейнов [3].
Заметим, что закономерности изменения морфометрических характеристик, структуры и динамики элементарных склонов в зависимости от порядка водотока, на который они опираются, до сих пор остаются недостаточно изученными. В то же время подобные исследования имеют конкретный геоморфологический смысл. Так, в работах К.К. Агпей и АЛ. СопасЪег показано, что от этого обстоятельства изменяется тип склоновых процессов и почвообразования [4]. Ранее были проведены исследования морфометрических характеристик склонов, прилегающих к водотокам разного порядка в трех разных регионах европейской части России: верховья р. Клязьмы (Московская обл.), бассейн р. Сейм (Курская обл.), бассейны рек Северного Кавказа (Кабардино-Балкарская республика). Было показано, что в разнообразных по природным условиям регионах прослеживаются довольно устойчивые морфометрические закономерности для склонов в пределах малых водосборных бассейнов [5]. Заметим также, что форма продольного и поперечного профиля склоновых фасеток тоже значительно влияет на эту интенсивность.
Одним из комплексных морфометрических показателей, которые используются для оценки эрозионного потенциала склонов, является ЬБ-фактор (фактор рельефа) американской расчетной модели иБЬЕ и ряда других производных моделей [6-8] -комплексный показатель влияния на интенсивность ливневой эрозии почв морфо-метрических характеристик склонов: длины, уклона, формы и экспозиции. Методика определения ЬБ-фактора по морфометрическим данным, снятым с топографических карт, и принятые в используемой модификации модели расчетные формулы приводятся в работах [7, 9]. Значение ЬБ-фактора, вычисленное для конкретного участка скло-
на, показывает, во сколько раз интенсивность смыва на единицу эрозионного индекса осадков (ЭИО) на данном участке склона при его морфометрических характеристиках превышает интенсивность смыва на единицу ЭИО со стоковой площадки с эталонными параметрами длины и уклона. Использование данного фактора в качестве показателя для создания классификации элементарных склоновых фасеток по интенсивности проявления эрозионных процессов предпочтительно, поскольку позволяет абстрагироваться от влияния таких параметров, как эродируемость почвы, почвозащитный коэффициент севооборота, противоэрозионные приемы обработки почвы и др., которые учтены в расчетных величинах смыва почвы.
Для анализа морфометрической структуры и эрозионного потенциала рельефа водосборных склонов бассейна р. Локны использовались программные пакеты MapInfo (векторизация топокарты м-ба 1:25000 для создания цифровой модели рельефа и подготовки тематических слоев, создание карт сети тальвегов и структуры элементарных склонов, получение их осредненных и экстремальных морфометрических характеристик, создание тематических карт на основе созданных классификаций), Surfer (создание цифровой модели рельефа, получение морфометрических характеристик тальвегов) и ArcGIS (создание цифровой модели рельефа, получение морфометрических характеристик склонов, визуализация расчетных данных по эмпирико-мате-матической эрозионной модели, картографирование склонов водосборного бассейна), которые позволили работать с большими объемами информации и создать базу для морфодинамического анализа водосборного бассейна.
Эмпирико-математическая модель (ЭММ) оценки потенциальной интенсивности водной эрозии почв на склонах. Эмпирические модели основаны на экспериментально установленных статистических зависимостях между параметрами, определяющими условия протекания эрозионно-аккумулятивных процессов и их интенсивность. Мы применили эмпирико-математическую модель для расчета темпов смыва почвы с пахотных склонов, состоящую из двух основных компонент - модифицированного для использования на территории России Универсального уравнения эрозии почв [7, 8, 10] для расчета смыва дождевыми водами и адаптированной Г.А. Ларионовым [7] зависимости, разработанной в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) для расчета смыва талыми водами [11, 12].
В основе обоих компонент модели лежат эмпирические зависимости между длиной и уклоном склона, осадками (запасом воды в снеге), характеристиками почвы, типом ее обработки, растительным покровом и темпами смыва. Данные зависимости были установлены, неоднократно модифицировались в результате исследований на опытных эрозионных площадках. В дальнейшем обе модели были существенно переработаны и снабжены необходимой справочно-информационной базой, охватывающей всю сельскохозяйственную территорию бывшего СССР [7, 9, 10].
Многие входные параметры для расчетной модели были получены в результате полевых исследований, анализа топографических карт и космических снимков (характеристики рельефа склонов, почв, современный характер землепользования) или анализа архивных данных (продолжительность активного освоения, характер землепользования в дореволюционный период). Другая часть материалов была любе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.