ГЕОМОРФОЛОГИЯ
№ 4 октябрь-декабрь 2011
Методика научных исследований
УДК 551.4.012:551.435.24
© 2011 г. Ю.С. КУЗНЕЦОВА, В.Р. БЕЛЯЕВ, В.Н. ГОЛОСОВ
ВЛИЯНИЕ ДЕТАЛЬНОСТИ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ О РЕЛЬЕФЕ НА ТОЧНОСТЬ РАСЧЕТОВ ТЕМПОВ СМЫВА ПОЧВ СО СКЛОНОВ1
Введение
Одним из основных видов входных данных в расчетных моделях эрозии почв на сельскохозяйственных землях являются морфометрические характеристики склонов. Источником такого рода информации служат топографические карты и цифровые модели рельефа (ЦМР). Последние до недавнего времени строились, в большинстве случаев, на основании векторизации топографической основы опубликованных карт, либо по результатам геодезических съемок конкретных исследуемых объектов. Детальность используемой информации о рельефе является одним из основных факторов, лимитирующих точность получаемых расчетных величин интенсивности эрозии почв. Проблема отображения рельефа на источниках разных масштабов также касается исследований, связанных с экстраполяцией результатов, полученных натурными методами на ключевых участках, на более обширные территории. В этом случае она связана с закономерным уменьшением точности и детальности отображения рельефа при переходе на более мелкие масштабы исследований и сопоставлении данных натурных методов с результатами моделирования.
Вопрос об использовании топографической информации разных масштабов не раз поднимался как в отечественной [1-3 и др.], так и в зарубежной геоморфологической литературе [4-6 и др.]. В данной работе расчеты темпов эрозии почв произведены для трех участков склонов в пределах малого водосбора, выбор которого обусловлен наличием детальной информации об истории землепользования, а также доступностью разномасштабной топографической информации. Результаты расчетов по эрозионной модели сопоставляются с оценкой темпов эрозии почвенно-морфологическим методом, который позволяет определить суммарные потери почвы со склона за весь период сельскохозяйственного освоения и, зная его продолжительность, рассчитать их среднегодовые темпы.
Характеристика объекта исследований
Грачёва лощина (рис. 1) - это малый водосбор общей площадью 1.98 км2 в верховьях бассейна р. Воробжи (длина =25 км, площадь =230 км2), левого притока р. Сейм (бассейн Днепра), расположенный примерно в 20 км на ЮЮВ от г. Курска. Район ис-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-05-00976), гранта
Президента РФ для поддержки молодых ученых - кандидатов наук (проект МК-8023.2010.5) и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-3284.2010.5).
Рис. 1. Схема водосбора Грачёва лощина по топосновам: А - м-ба 1:10000 (сечение горизонталей 1 м), Б -м-ба 1:100000 (сечение горизонталей 20 м)
1 - почвенные разрезы, 2 - линии тока, использованные для расчета смыва по эмпирико-математической модели, 3 - границы исследованных участков пахотных склонов, 4 - лесополосы (аналогичным знаком, но меньшего размера они показаны на рис. Б), 5 - валы-террасы, 6 - земляная плотина в замыкающем створе водосбора. СВ, ЮЗ, Ю - обозначения исследованных участков склонов, соответствующие их экспозициям. Жирной линией обозначена граница водосбора
следований находится на юго-западе Среднерусской возвышенности, в пределах черноземной зоны Европейской территории России (ЕТР). Вся верхняя часть бассейна р. Воробжи, включая Грачёву лощину, относится к территории экспериментального опытно-производственного хозяйства (ОПХ) ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии (ВНИИЗиЗПЭ), расположенного в г. Курске. Водосбор, имеющий каплевидную в плане форму, практически полностью распахан, за исключением днища и бортов малой долины и днищ двух ложбин, имеющих в нижней части участки врезанного русла и при слиянии образующих данную долину. Склоны междуречий имеют выпуклую форму с максимальными уклонами в прибровочных частях до 5-7°, крутизна бортов долины достигает 10-15°.
Таблица 1
Основные морфометрические характеристики исследованных участков
пахотных склонов
Склон Экспозиция Средняя длина линий тока, м Средняя крутизна, град. Характер продольного и поперечного профилей
1 2 СВ ЮЗ 350 400 3.2 3.4 Выпуклый, прямой Выпукло-вогнутый, слабоволнистый,
3 Ю 340 3.2 прямой Выпукло-вогнутый, осложнен антропогенным микрорельефом, слабо рас-
4 Ю (с лесополосами) 60 3.2 сеивающий Выпукло-вогнутый, осложнен антропогенным микрорельефом, слабо рассеивающий
В начале 1980-х гг. примерно на 70% площади водосборных склонов была создана экспериментальная система противоэрози-онных мероприятий, охватывающая полностью водосборы обеих ложбин и представляющая собой серию расположенных вдоль горизонталей рельефа двухрядных лесополос с водозадерживающей канавой в межрядном пространстве. Днища ложбин постоянно залужены. Кроме того, на водосборе северной ложбины создана серия валов-террас, расположенных между лесополосами вдоль горизонталей рельефа (рис. 1). В устьевой части долины в начале 1986 г. была сооружена земляная плотина. Для оставшихся =30% площади водосбора сохранен традиционный способ обработки полей.
Оценка темпов эрозии почв проводилась для трех участков пахотных склонов водосбора: СВ, ЮЗ и Ю экспозиций, на которых также были расположены серии почвенных разрезов вдоль поч-венно-геоморфологических профилей (рис. 1А). При этом участки склонов СВ и ЮЗ экспозиций расположены в части водосбора, не затронутой созданием системы противоэрозионных мероприятий, а склон Ю экспозиции - на склоне с лесополосами и валами-террасами. В связи с этим, расчет эрозии в последнем случае проводился для двух вариантов агро-ландшафтно-геоморфологических
условий - без учета и с учетом лесополос и валов-террас, наличие которых вызывает разделение склона на отдельные короткие сегменты с линиями тока длиной порядка 50-70 м.
Основными геоморфологическими параметрами, закладываемыми в расчетную модель эрозии, являются длина и уклон склонов вдоль линий тока, а также экспозиция и форма поперечного профиля склона (рассеивающие, концентрирующие или прямые). Данные характеристики исследованных участков приведены в табл. 1, а формы продольных профилей склонов вдоль линий размещения почвенных разрезов наглядно отображены на рис. 2. Расчет интенсивности эрозии почв проводился по пяти линиям тока для каждого участка (рис. 1А), а на склоне с лесополосами и валами-террасами - для 25 коротких линий тока (нижний сегмент склона ниже второй по его падению лесополосы после создания системы лесополос и валов-террас не распахивался).
234.00 232.00 230.00 : 228.00 Г 226.00 | 224.00 ! 222.00 | 220.00 : 218.00 216.00 214.00 212.00 0.
50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 Расстояние вдоль падения склона, м
Рис. 2. Продольные профили склонов, построенные вдоль поч-венно-геоморфологических профилей (отмечены на рис. 1А положением почвенных разрезов) по данным: 1 - тахеометрической съемки; государственных топографических карт м-ба: 2 - 1:10000, 3 - 1:100000. Участки склонов: А - СВ, Б - СЗ, В - Ю
Методы исследования
Расчет темпов смыва был проведен с использованием морфометрической информации в трех масштабах (детальная тахеометрическая съемка местности и государственные топографические карты м-бов 1:10000 и 1:100000). Тахеометрическая съемка проводилась в ходе полевых работ и определенно может рассматриваться как максимально близкое к реальному отображение поверхности исследованных участков склонов. Основные съемочные точки располагались по регулярной сетке с шагом 20 м, дополнительные - на всех осложняющих склоны микроформах и перегибах. Карта м-ба 1:10000 получена из архива Курского ВНИИЗиЗПЭ. Это наиболее крупный масштаб картографических материалов, применяемых в детальном (для конкретных участков склонов) моделировании эрозии почв, но, к сожалению, далеко не всегда доступный. В данном масштабе обычно выполняются планы землеустройства сельскохозяйственных предприятий. Сечение основных горизонталей рельефа на картах этого масштаба для геоморфологических условий Среднерусской возвышенности составляет 1 м (рис. 1А). Пределом относительно точного положения горизонталей при изображении большинства типов рельефа является м-б 1:100000 [7]. Сечение основных горизонталей рельефа на картах этого масштаба для равнинных территорий составляет 20 м (рис. 1Б).
Из сравнительного анализа продольных профилей склонов, построенных по ЦМР на основе трех типов использованных данных (рис. 2), видно, что для карты м-ба 1:10000 отличия от съемочных профилей несущественны, за исключением искусственных микроформ на склоне Ю экспозиции и в его нижней части (рис. 2В). В то же время, для карты м-ба 1:100000 наблюдается искажение формы продольного профиля, систематическое занижение общего перепада высот и, соответственно, уклонов линий тока по участкам склонов СВ и Ю экспозиций (рис. 2А, В), особенно ярко выраженное в нижней части последнего (рис. 2В). Для участка склона ЮЗ экспозиции наблюдается общее снижение высотных отметок вдоль всей линии профиля, однако изменение уклонов и форма продольного профиля склона переданы без существенных искажений (рис. 2Б).
Для количественной оценки темпов эрозии почв в данной работе использована эмпирико-математическая расчетная модель и почвенно-морфологический метод. Модель представляет собой существенно модифицированную комбинацию двух методик [8-9]. Для расчета смыва с дождевым стоком используется подход, заложенный в основу американского Универсального уравнения эрозии почв (USLE), предложенного Уишмейром и Смитом [10] и многократно модифицированного в более поздних работах [11 и др.]. Для расчета стока и смыва при снеготаянии используется подход, разработанный в Государственном гидрологическом институте [12].
Часть данных для модели (эрозионный потенциал осадков, эрозионные индексы сельскохозяйственных культур) имеется во входящей в ее состав базе данных. Информация о севооборотах была предоставлена сотрудниками ОПХ Курского ВНИИЗиЗПЭ (рис. 3). Фактор рельефа описывается длиной и изменением высот склонов вдоль линий тока, которые снимаются с ЦМР в программном пакете Surfer. Для получения ЦМР использов
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.