Введение
Овражная эрозия представляет собой активный рельефообразующий процесс. Овраг - самое верхнее звено эрозионной сети - развивается на протяжении сотен лет и, как правило, не уничтожается под влиянием ежегодного антропогенного прессинга. Непосредственной причиной образования оврагов является нарушение (при любых видах хозяйственного использования земель) естественных условий формирования стока на склонах речных долин, балок, суходолов и т.д. Большое количество оврагов развивается в городах, пригородных зонах, поселках, при вырубке леса, добыче полезных ископаемых и строительства.
Негативная роль оврагов в наибольшей степени определяется разрушением земельных угодий, инженерных объектов, коммуникаций. Помимо потерь площади за счет образования самих оврагов, ущерб сельскому хозяйству наносят потери пахотных земель; их площади почти в три раза превышают площади самих оврагов. Оврагами разрушается коммунальные и промышленные строения, дороги, опоры линий электропередач. В настоящее время внимание к оврагам на территории жилищного строительства усиливается вследствие экологического неблагополучия прилегающих к оврагам территорий. Овраги использовались как ранее, так используются и сейчас, под свалки промышленных и бытовых отходов, что нередко является угрозой здоровью людей.
Современные технические средства, направляемые на борьбу эрозионными процессами, позволяют значительно ограничить проявление овражной эрозии. Вместе с тем, возможно использование крупных овражных форм в черте города под парковые, рекреационные зоны, в сельских местностях для создания прудов в оврагах и организации прудового хозяйства. Однако для этого необходимо научно обоснованное представление о закономерностях развития оврагов, что позволит определять необходимость применения и целесообразный набор противоэрозионных мероприятий.
Исключительно важна прогнозная оценка тех предельных габаритов, которые может достигнуть овраг в процессе своего развития, скоростей роста оврагов в длину на отдельных этапах, а также получение показателей предельно возможной заовраженности территорий. В настоящее время уже наметились территории, где при большой современной овражности потенциал ее развития практически исчерпан и появление новых овражных форм маловероятно. Эти обстоятельства должны быть учтены при организации противоэрозионной защиты земель. Вместе с тем, оврагообразование следует уделять повышенное внимание, поскольку природные предпосылки развития овражной эрозии очень велики. Возможности для развития оврагов имеются в лесной зоне при условии разрушения там растительного и дерново-почвенного покрова, что подтверждают данные об активном росте оврагов по вырубкам, оврагов, развивающихся вдоль лесополос в лесной зоне, в тундре при освоении нефтегазовых месторождений, в местах оленьих пастбищ и т.д.
Все эти проблемы могут быть решены при наличии данных о «потенциале» территории по развитию оврагообразовательного процесса. Поэтому разработка методов оценки потенциала овражной эрозии на основе экспериментальных данных, натурных наблюдений и модели овражной эрозии является основой проектирования противоэрозионных мероприятий, установления их очередности и состава.
Формирование и развитие оврага
Оврагообразование - современный рельефообразующий процесс, осуществляемый временными русловыми потоками дождевых и талых вод, в результате которого возникают специфические отрицательные линейные формы на поверхности суши. Образование оврагов связанно в настоящее время, как правило, с нарушением сложившегося природного комплекса под влиянием антропогенного воздействия. Однако само их развитие происходит по законам природных процессов и зависит от совокупности факторов, во многом определяющих возможность зарождения и активность последующего развития оврагов. Это не исключает возможности начала появления и роста оврага без антропогенного вмешательства на крупных склоновых водосборах под влиянием естественных процессов (подмыв рекой крутого береге, оползни, карст и т.п.)
Основными природными факторами оврагообразования являются гидрометеорологические и геолого-геоморфологические условия: осадки летнего периода и запасы воды в снежном покрове перед снеготаянием, горизонтальная и вертикальная расчлененность территории долинно-балочной сетью, размываемость грунтов, крутизна и форма склонов долин рек, блок, суходолов, как основных очагов образования оврагов.
Овраг отличается от других линейных эрозионных образований - ложбины, рытвины, промоины, балки тремя основными особенностями:
1) характерными размерами;
2) типичной формой поперечного и продольного профиля;
3) динамическим состоянием.
Для оврага характерен продольный профиль, в вершинной части имеющий уклон значительно превосходящий уклон склона, а в нижней - намного меньший, нередко доходящий до нулевых значений. Конусы выноса овражных форм в подавляющем большинстве случаев, если они выходят на пойму реки или в днище балки, представляют собой типичную аккумулятивную форму, поднимающуюся над отметками окружающей поверхности.
Поперечный профиль оврага изменяется как по длине, так и во времени за период развития. При активном росте овраг на всем протяжении имеет обрывистые осыпанные, оползневые склоны, лишенные растительности, уклоны которых значительно превосходят углы естественного откоса. По мере развития оврага, начиная с его устьевой части, склоны выполаживаются и зарастают. Такой процесс наиболее характерен для гумидных зон; в других условиях овраги длительное время сохраняют отвесные оголенные откосы.
Отличительным признаком оврага является его динамическое состояние. Овраг остается оврагом до тех пор, пока он активен или не потерял возможности активизации при изменении антропогенной нагрузки или под влиянием природных факторов. Это отличает овраг от балок. Когда в балке появляется развивающийся эрозионный врез значительной глубины, прорезающий нередко всю площадь ее днища, его называют, в отличии от балочной формы, донным; оврагом, подчеркивая, что именно активное развитие - отличительная особенность овражной эрозионной формы.
Активность развития оврага на разных стадиях является одной из проблем, решение которых связанно с анализом натурных и экспериментальных данных, позволяющих составить алгоритм развития подобной эрозионной формы. Возникновение оврага обычно начинается с образования воронок размыва на крутой части склона, объединяющихся затем в промоину. Она, в свою очередь, продвигаясь привершинным уступом регрессивно вверх, углубляется, очищает тальвег от поступающего со склона и размытого в русле грунтового материала и выносит его на нижние участки склона или непосредственно в долину более крупных звеньев эрозионной сети. Уже в самом начале образования оврага в русле наблюдается каскад уступов, смещающихся вверх по руслу. Развитие оврага осуществляется сопряженной деятельностью регрессивной и трансгрессивной глубинной эрозии с выносом продуктов размыва и слоновых деформаций. В начале развития русло оврага представляет собой чисто эрозионную форму; затем, по мере удлинения, углубления и расширения оврага, в его русле начинается чередование зон эрозии и аккумуляции. В ходе выработки продольного и поперечного профилей аккумулятивные комплексы формируются сначала в приустьевой части оврага, а затем такие же комплексы, но меньших размеров возникают в средней и даже верхней частях продольного профиля. На заключительной стадии развития скорости потока в овраге значительно снижаются, приближаясь к неразмывающим и оказываются недостаточными для перемещения склонового материала.
На основании результатов натурных исследований и лабораторных экспериментов в природном комплексе «склоновой водосбор - овраг» выявлены основные связи, взаимодействие которых составляет сущность оврагоовразовательного процесса. Это связи - внешние, межкомпонентные и внутренние.
Внешние условия оврагообразования включают комплекс природных факторов и степень антропогенного воздействия на ландшафт, а также процессы, сопутствующие оврагообразованию - обрушение и осыпание грунтов на склонах, оползни, карст, суффозия и т.п. Внешние связи устанавливают зависимость между условиями, в которых развиваются овраги, и их количеством, параметрами и активностью роста. Из природных факторов основными являются: во-первых, факторы влияющие на активной, действующей силы (потоков ливневых и талых вод) - это осадки, фильтрационные свойства грунтов, морфометрия водосборного бассейна, т.е. его размеры и конфигурация, глубина базисов эрозии, уклон и форма склонов; во-вторых, - это подверженность почвогрунтов размыву, их противоэрозионные свойства.
Межкомпонентные связи устанавливают соотношение между морфометрическими параметрами оврага в процессе его развития.Природные обследования овражно-балочных систем и отдельных оврагов даже на крупных территориях и в широком диапазоне природных характеристик регионов не дают достаточного материала для анализа взаимосвязей в развитии отдельных параметров оврага. Овраги, цикл развития которых, как правило, превышает вековой период, на момент обследования находятся в фазе развития, обусловленной предшествующими процессами. Циклы наблюдений, насчитывающие 10-15 лет, что считается достаточно продолжительным сроком, обычно приходится на одну из фаз развития, что не позволяет выявить тенденцию роста отдельных параметров экстраполировать закономерности изменения их на перспективу.
Внутрикомпонентные связи описывают внутренние закономерности развития оврага как эрозионной формы. Основной закономерностью, определяющей развитие оврага в целом является наличием восходящей и нисходящей ветвей развития во времени. Восходящая ветвь соответствует положительной обратной связи в период, когда саморазвитие оврага до определенного момента интенсифицирует процесс роста овражной формы. Это - период формирования линейного вреза, когда образуется русло, концентрирующее сток с водосборной площади, в связи с чем повышается скорость и, как следствие, размывающая и транспортирующая способность потока. В начальный период происходит и постепенное увеличение дренируемой линейным врезом водосборной пощади, а, следовательно, увеличиваются расходы поступающей в русло воды. К этому же времени относится постепенное формирование единого русла с меньшей ступенчатостью, а, следовательно, и с постепенно уменьшающейся шероховатостью.
В природных условиях при прорыве бровки склона, особенно в периоды значительных половодий или во время ливней, происходит необыкновенно быстрое развитие рытвины на склоне, когда за один сезон ее длина достигает 100-1500 м. Подобные скорости прироста линейных врезов в длину фиксировались рядом исследователей не только в нашей стране, но и за рубежом. В научной литературе нередко отмечается возможность уничтожения пашни в течение нескольких лет из-за оврагообразования. Случай исключительно быстрого роста линейного взреза в период весеннего половодья был нами зафиксирован на склоновом водосборе р. Тоймс (приток р. Камы у поселка Танайка). Последствиями роста оврага явилось разрушение полотна автодороги с грунтовым покрытием и последующая засыпка вреза грунтом, размытым и перемещенным с огородных участков.
Изменения в тенденциях роста оврага, его замедление по всем параметрам по мере продвижения вершины вверх по склону связанно, прежде всего, с преобразованиями, происходящими на склоновом водосборе вследствие развития самой овражной формы, т.е. овраг в процессе роста видоизменяет породивший его водосбор. По мере развития линейной формы поток из состояния активной, размывающей силы, преобразуется в транспортную артерию со скоростями, близкие к неразмывающим, способную переносить наносы с вышележащего водосборного пространства, не производя при этом размыва днища оврага.
Анализ комплекса внешних, межкомпонентных и внутренних связей, обуславливающих закономерности формирования оврагов, позволил выделить стадии их развития, различающиеся в основном темпом роста. Основным, интегрирующим параметром при этом является объем оврага, изменения которого соответствуют изменениям во времени объема грунта, выносимого потоком за пределы развивающейся эрозионной формы. Большую роль в определении стадии играет определение во времени длины оврага. Вместе с тем, темпы роста оврага неотделимы от его морфометрического облика и во многом обусловлены взаимосвязями параметров оврага в процессе его развития. При этом выделенные стадии развития присущи как современным, в подавляющем большинстве случаев антропогенным оврагам, так и естественным современным эрозионным формам. В развитии оврагов выделяются четыре стадии.
Стадия 1 - овраг зарождается на крутом участке склонового водосбора в виде разрывов дернины, образования воронок размыва, их слияния, образования промоины и постепенной концентрации склонового потока в едином русле. На этой стадии велико воздействие антропогенных факторов, случайной интенсификации или прекращения линейной эрозии. Период от образования воронки размыва до промоины трудно определить временным отрезком. Начало оврагообразовательного процесса четко фиксируется с момента прорыва бровки склона и превращения промоины в линейную форму с типичным для оврага продольным профилем и размерами, не позволяющим ее уничтожить последующей распашкой.
Стадия 2 - наиболее интенсивный рост оврага по всем параметрам вблизи бровки склона, особенно его длинны и глубины. Продольный профиль днища в средней и устьевой частях остается выпуклым, что способствует увеличению скорости, а, соответственно, размывающей и транспортирующей способности и мутности потоков талых и дождевых вод.
Стадия 3 - полностью заканчивается выработка длины оврага; объем к кону стадии вырабатывается на 60-80 %. Вторая и третья стадии характеризуются наиболее интенсивным снижением скоростей линейного и объемного роста, что является следствием уменьшения привершинной площади водосбора по мере регрессивного продвижения оврага вверх по склону. В это же время снижается средний уклон продольного профиля оврага и происходит его выполаживание, превращение из выпуклого в прямой и выпукло-вогнутый.
Эта стадия завершает период наиболее активного роста оврага, соответствующий 40 % общего времени оврагообразования.
Стадия 4 - соответствует времени постепенного формирования продольного профиля, его трансформации из прямого и выпукло-вогнутого в «выработанный», времени медленного и относительно спокойного развития. На этой стадии характерно чередование как по времени, так и по длине оврага процессов и зон эрозии и аккумуляции. Эрозионный профиль, связанный с интенсивным половодьем или ливнями редкой повторяемости, на долгие годы может стать аккумулятивным.
Эта стадия занимает 60 % общего времени формирования оврага и характеризуется достижением оврагом своих предельных размеров. Если выделение 2 и 3 стадий обусловлено только интенсивностью протекания процесса оврагообразования и характером межкомпонентных связей, то на четверной стадии характерные размеры овражных форм самым тесным образом обусловлены комплексом внешних связей. Природные факторы овражной эрозии выступают аргументами в зависимостях для определения габаритов оврагов на заключительной стадии развития. Именно ими обусловлено различие в предельно возможной заовраженности территорий, разная пораженность оврагами длины склоновых водосборов при близких условиях и времени освоения регионов.
В своей совокупности выделенные стадии оврагообразования характеризуют особенности процесса саморазвития оврага. Изменение процесса во времени, рассматриваемое внутрикомпонентными связями, своеобразно для каждого из параметров овражной формы; оно подготавливается процессом предыдущего развития и обуславливает характер последующих изменений всего комплекса параметров оврага - его длины, ширины, глубины, площади и объема.
Распространение оврагов
На распространение оврагов практически во всех природных зонах России указывается в работах большинства исследователей овражной эрозии. Влияние природных характеристик на появление и развитие оврагов изучалось в стационарных условиях, при натурных обследованиях территорий, в лабораториях, по картографическим материалам и аэрофотоснимкам, методами математической статистики и с привлечением всех видов моделирования. Новые данные об оврагах привлекают внимание как основа противоэрозионных мероприятий, материал для калибровки моделей оврагообразовательного процесса и как источник дополнительных региональных характеристик распространения оврагов, уточняющих для конкретных условий опасность их дальнейшего развития.
Образование оврагов непосредственно связанно с развитием более крупных звеньев эрозионной сети (рек, балок, суходолов). Анализ морфометрии склонов долинно-балочной сети и условий формирования стока на водосборах рек, балок, суходолов позволяет не только выявить влияние природных и антропогенных факторов на современное распространение оврагов, но и получить данные для определения тенденции развития процесса. Анализ распространения оврагов на склоновых водосборах по долинам рек и бортам балок показывает исключительную вариабельность условий их возникновения и распространения. При натурных обследований оврагов, проведенных в 1970-1993 гг. в регионах Юга Нечерноземья (Орловская, Рязанская, Тульская области), Черноземного Центра (Курская, Воронежская области), Поволжья (Кировская, Горькая, Саратовская области), Ставрополья, Алтайского края были отмечены особенности строения овражной сети и определено место оврагов и иерархии русловых форм, образуемых временными потоками дождевых и талых вод на склоновых водосборах. Анализ топографических карт этих регионов с уточнением и корректировкой при натурных исследованиях показали, сто водосборные бассейны овражных форм несмортя на исключительное разнообразие природных условий имеют общие черты морфометрического строения, отличающие их от балочных и речных водосборов. Это проявляется как во взаимосвязи между длиной и площадью водосборов, так и особенностях конфигурации (изменения ширины по длине) эрозионных форм. Рассматривалось также влияние на плановые характеристики водосборных бассейнов глубин местных базисов эрозии.
Закономерности в распространении оврагов на территории России были выявлены по картам, составленными в НИ Лаборатории эрозии почв и русловых процессов, содержащих данные о густоте и плотности современных оврагов и площади оврагов по показателю процента потерь земельных ресурсов от площади сельскохозяйственных угодий. При подсчете показателей учитывались овражные формы длинной не менее 70 м. Анализ карт выявил особенности распространения оврагов, отражающие как результаты антропогенного вмешательства в условиях формирования стока воды на склоновых водосборах, так и природные особенности регионов. Исследования подтвердили ряд известных факторов развития оврагообразовательного процесса, значение природных факторов и их антропогенного нарушения. По степени заовраженности выделяются следующие типы территорий:
Территория с низкой степенью заовраженности. Где овраги встречаются крайне редко и только одиночные овражные формы. Площадь оврагов, которая во многом является функцией их распространения по плотности и густоте, в этих районах также крайне малая. Подобные показатели овражности характерны для следующих двух типов районов:
а) неосвоенные или слабо освоенные земли с плоским или грядоволнистым рельефом; это самые северные районы Европейской территории страны - зоны тундры, лесотундры и северная часть лесной зоны. Однако и на этих территориях встречаются сильно заовраженные участки, что обычно сопутствует сведению лесов и антропогенному освоению. Такие участки отмечаются на территории Малоземельской и Большеземеской тундр, Северных увалов, Вятских Увалов и в некоторых других районах.
б) Плоские низменности с очень слабым долинным врезом (глубина расчленения превышает 10 м. к таким территориям относится Прикаспийская низменность, Мещера.
Районы с умеренной степенью заовраженности. Площадь этих территорий овражной эрозии не превышает 0,5 %. На этом фоне могут встречаться небольшие ареалы с более высокими показателями заовраженности. Такие территории характерны преимущественно для малообжитых и слабо освоенных районов с неглубоким расчленением рельефа, а также для низменностей заселенных районов. Это значительная часть лесной зоны южнее 57-58 с.ш., отдельные участки в более северных районах, примыкающих к среднему течению р. Печоры, низовьям р. Мезени, среднему течению р. Сев. Двины, сглаженные участки Смоленской и среднерусской возвышенностей, Окско-Донской равнины, Прикубанская низменность, заселенная широкая полоса вдоль западных отрогов Уральских гор к югу от р. Камы и некоторых других районов.
Территория с высокой степенью заовраженности. К такому типу овражного расчленения относится значительная часть лесной зоны. Это преимущественно хорошо освоенные районы с относительно благоприятными для оврагообразования условиями, в том числе достаточно расчлененным и пересеченным рельефом. Покровные породы легко размываются и предоставлены пылеватыми супесями и суглинками, реже песками и лессовидными суглинками. К таким регионам относятся центральные расчлененные участки возвышенностей и гряд (Среднерусской, Приволжской, Верхнекамской, Северных увалов и др.), а также волнистых равнин (Окско-Донской, западной части Общего Сырта и др.)
Территория с очень высокой степенью заовраженности. Это районы лесостепной и степной зон, давнего и активного сельскохозяйственного освоения, почти полностью распаханные. Они занимают обычно глубокие расчлененные, пересеченные части возвышенностей, сложенных пылеватыми и лессовидными отложениями. На этих территориях встречаются площади с поражением овражной эрозией сельскохозяйственных земель свыше 1,5 %. В пределах степной и лесостепной зон выделяются следующие районы: юг Среднерусской и участки Приволжской и Калачской возвышенностей, возвышенности Высокого Заволжья и некоторые другие более мелкие территории. В пределах южной части лесной зоны наиболее заовражными являются бассейны рек Вятка, Оки, Дона, Камы, а также отдельные районы Смоленско-Московской и Среднерусской возвышенностей.
Как видно, интенсивность овражной эрозии во всех зонах зависит как от хозяйственной деятельности, так и от природных условий регионов. Ведущая роль при этом принадлежит антропогенному фактору. Именно этим обусловлена интенсивная современная эрозия лесостепной и степной зон, где распашка территории составляет около 70-80 % общей площади. В естественных условиях совокупность природных характеристик степной и лесостепной зон (почвы, растительный покров) препятствует развитию овражной эрозии. Зональные природные факторы способствовали развитию интенсивной овражной эрозии в этих зонах, поскольку их ландшафтные особенности вызвали первую очередь освоения территорий под пашню, что в наибольшей степени способствовал развитию оврагов. При этом оказалось нарушенной сама структура зональных факторов. Неизменным остался климат - единственный фактор, который сам по себе способствует развитию эрозионного процесса - ливневой характер осадков, быстрое снеготаяние.
Важнейшая роль в распространении оврагов принадлежит рельефу - фактору азональному. К основным показателям рельефа, влияющим на все стороны процесса образования оврагов, относятся: глубины местных базисов эрозии, форма и крутизна склонов, площади водосборных склоновых бассейнов, экспозиция склонов. Наиболее выразительным следствием такого влияния являются максимальные плотности и густоты овражного расчленения на возвышенных участках территории, например, на Среднерусской и Приволжской возвышенностях. Детальных анализ влияния особенностей морфометрии водосборных бассейнов на развитие овражной сети содержится практически во всех работах, посвященных региональной оценке оврагообразовательного процесса.
Размываемость грунтов оказывает большое влияние на развитие овражной эрозии, распространение оврагов по территории, интенсивность протекания процесса, морфометрический облик отдельных оврагов. Нередко размывающие скорости потоков определяют саму возможность развития оврагов на территории.
Основными результатами изучения распространения и активности развития оврагов в разных зонах страны являются следующие:
Овраги распространены во всех природных зонах, что исключает предположение о том, что этот процесс характерен для сугубо специфических условий, например, о зональном характере этого явления. Общеизвестным является наибольшая заовраженность лесостепной и степной зон, однако в зоне тундры овраги отмечены на Новой Земле, Колгуеве, Таймыре, Ямале, Большеземельской и Малоземельской тундре, в районе Воркуты, особенно в связи с освоением новых нефтегазовых месторождений. В лесной зоне практически во всех районах, где земли, ранее находящиеся в естественном состоянии, осваиваются под сельское состоянии, осваиваются под сельское хозяйство и промышленное строительство, оврагообразование сопутствует нарушениям природного ландшафта. В зонах пустынь и полупустынь по долинам рек на Прикаспийской низменности, на Устюрте, по Амударье развиваются овраги.
Несмотря на то, что овраги появляются во всех зонах, их распространение неравномерно. Преобладающие количество, как отмечается всеми исследователями, соответствует зонам активного и давнего сельскохозяйственного освоения, а распашка земель является причиной наиболее массового появления оврагов на юге лесостепной и степной зон. Трансформация естественного природного комплекса в этих зонах под влиянием хозяйственной деятельности привела к «ускоренной» линейной эрозии.
Из природных факторов оврагообразования на скорость роста, размеры оврагов, их количество и общую протяженность наибольшее влияние оказывают азональные факторы: морфометрия вобосборов, геологическое строение и расчлененность территории долинно-балочной сетью.
Овражная эрозия - сложный рельефообразующий процесс. Возникновение и активность развития овражных форм определяется всем комплексом природных характеристик территорий, т.е. не существует ведущего природного фактора образования оврагов. Желание выделить такой фактор среди других связано с различием природных условий а регионах. Например, в случае, когда характеризуется заовраженность региона, имеющего различную размываемость или фильтрационную способность почв и грунтов, при прочих равных условиях, складывается впечатление о «ведущем» влиянии геологического фактора. Если рассматривается регион, территория которого в разной степени расчленена балочной сетью, именно ее наличие рассматривается как основной фактор образования оврагов. Наличие в конкретном регионе возвышенных и равнинных территорий создает впечатление о «ведущем» геоморфологическом факторе. При этом общий высоки фон заовраженности региона, связанный, например, с обильными осадками или значительной размываемостью грунтов, может быть отодвинут на второй план. Разнообразие природных условий определяет вариабельность овражности в пределах регионов, а количественные характеристики заовраженности (густота и плотность сети, размеры оврагов) являются функцией совокупности всех природных характеристик территорий и степени антропогенного воздействия.
Следствием антропогенного воздействия в разных условиях и типах хозяйственного освоения являются: создание дополнительных рубежей стока, концентрирующих потоки талых и дождевых вод, перераспределение стока на водосборе уменьшение фильтрационной способности почв и грунтов, нарушение естественной растительности. В подавляющем большинстве случаев антропогенного воздействие - это изменение параметров всего или части комплекса природных факторов оврагообразования, состав которых практически не меняется. Таким образом, комплекс природных условий - факторов формирования оврагов - является основной, определяющей характеристики заовраженности региона.
