Изучение эрозионных процессов на водосборах по топографическим картам (к 90-летию со дня рождения Н. П. Калиниченко)

ЗАЩИТНОЕ ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЕ

УДК 630.26

Изучение эрозионных процессов на водосборах по топографическим картам

С. А Румянцева - Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства, научный сотрудник, Пушкино, Московская обл., Российская Федерация

Статья посвящена одному из последних научных исследований доктора сельскохозяйственных наук, профессора Н. П. Калиниченко - изучению процессов водной эрозии почв по топографическим картам (на примере 5 гидрогеоморфологических бассейнов малых рек Ростовской обл.). В настоящее время этот метод является уже историей науки, но он лег в основу разработки современных имитационных моделей эрозионных процессов в различных ландшафтах на базе новых информационных технологий.

Ключевые слова: водосбор, балка, овраг, эрозия почв, топографическая карта

Для ссылок:

Румянцева, С. А. Изучение эрозионных процессов на водосборах по топографическим картам

(к 90-летию со дня рождения Н. П. Калиниченко) [Электронный ресурс] / С. А. Румянцева // Лесохоз. информ.: электрон. сетевой журн. - 2016. - № 2. - С. 49-57. URL: http://lhi.vniilm.ru/

Вначале 1990-х гг. доктор сельскохозяйственных наук, профессор Николай Петрович Калиниченко работал над такой важнейшей проблемой в общей системе природоохранного комплекса, как защита малых рек от загрязнения, засорения и истощения. Результаты его научных исследований вошли в книгу «Защита малых рек» [1]. В книге рассмотрен комплекс почвозащитных и водоохранных мероприятий, направленных на борьбу с эрозией природного и антропогенного происхождения на водосборах малых рек равнинных территорий европейской части России.

Изучение интенсивности эрозионных процессов на водосборах заключается в определении их морфометрической структуры с целью создания средозащитных комплексов, в том числе защитных лесных насаждений. Это позволяет обеспечивать рациональное использование, повышение продуктивности угодий и плодородия почв, их защиту от эрозии, регулирование и рациональное использование водного стока, охрану рек и водоемов от истощения, заиления и загрязнения, формирование благоприятной экологической среды.

Ученые ВНИИЛМ под руководством Н. П. Калиниченко [1, 2] изучали состояние водосборов и балочных земель, нарушенных оврагами, на 5-ти гидрогеоморфологических бассейнах малых рек, сходных по экологическим и гидрогеоморфологическим условиям (водосборная площадь до 5 тыс. га.

Один из методов исследования эрозионных процессов - проведение камеральных работ по топографическим картам (масштаб 1:25 000). Это метод позволяет получать более полную информацию и изучать не только крупные (>500 га), но и малые (до 500 га) балочные водосборы.

По топографическим картам обследовано 63 ключевых участка на 39 малых реках Ростовской обл. с общей водосборной площадью 3 769,37 км2 в 5-ти гидрогеоморфологических бассейнах малых рек - Калитвинском, Среднечирском, Аксай-ском, Манычском и Сальском.

На карте выделяли границы балочных (от самых высоких отметок по водораздельным лини-

ям) и межбалочных водосборов, намечали контуры овражно-балочных систем (площади гидрографического фонда со склонами выше 9о - земли, непригодные для землепользования).

Далее по топографическим картам осуществляли необходимые замеры и вычисляли следующие показатели водосборов:

✓ площадь водосборов и отдельных звеньев гидрографического фонда (балки, лощины, ложбины, лощины-суходолы, долины);

✓ глубину местного базиса эрозии - превышение самой высокой отметки водораздельной линии над самой низкой (дно прилегающего звена гидрографической сети);

✓ среднюю длину склонов - сумма 3-х замеров склонов в привершинной, средней и приустьевой части водосбора;

✓ горизонтальное проложение расстояния от вершины до устьевой части водосбора;

✓ протяженность лощинно-балочного звена;

✓ относительный уклон - отношение глубины местного базиса эрозии к горизонтальному проложению.

Овраги подразделяли на склоновые, береговые и донные; устанавливали их количество, ширину (по градациям до 5 м, от 5 до 25 м, от 25 до 35 м и свыше 35 м), протяженность, площадь (произведение протяженности на средневзвешенную ширину). Кроме того, определяли площадь лесов на водосборе и в овражно-балочной системе.

По методикам [3, 4] и в соответствии с нормативными документами [5] проводили следующие измерения:

✓ длины прямых линий (длина склонов и береговых оврагов, ширина оврагов, горизонтальное проложение) с точностью ±0,2 мм с использованием поперечного масштаба и циркуля-измерителя;

✓ длины кривых линий (длина склонов, склоновых и донных оврагов, протяженность ло-щинно-балочного звена) с точностью ±0,5 % с применением курвиметра;

✓ высот точек (глубину местного базиса эрозии) с точностью ±1/4Ь методом интерполяции по горизонталям на карте;

Изучение эрозионных процессов на водосборах

по топографическим картам

✓ площади - с использованием планиметра.

При разработке мер борьбы с заиливанием рек необходимо учитывать не только перечисленные выше размеры водосборов (площадь, длина склонов, горизонтальное проложение, относительный уклон и др.), но и их форму. От формы водосборов зависит концентрация водных потоков и контурная организация полей, а следовательно, и возможность научно обоснованной организации почво- и водозащитных комплексов в бассейне малой реки. Балочные водосборы чаще всего имеют грушевидную форму с вариациями: булавовидная, округлая, вытянутая, обратнотреугольная, трапециевидная, треугольная.

В бассейнах малых рек наряду с балочными водосборами на территориях с расчлененным рельефом широко представлены межбалочные водосборы. На их долю приходится в среднем 20 % всей водосборной площади.

Межбалочные водосборы сосредоточены между соседними близкорасположенными крупными ответвлениями балок или крупными соседними лощинами. Они представлены склонами со стоками через коренные берега непосредственно в поймы и русла рек. Интенсивно выраженные эрозионные процессы отмечаются только на крутых коренных берегах, на которые приходится 18-24 % общей протяженности речных долин. Здесь часто встречаются обнажения материнских пород: выход известняков, мелов, мергелей, опоков. На пологих склонах надпойменных террас количество оврагов в 3-5 раз меньше, чем в балочных системах. Однако из-за

близкого расположения к поймам межбалочные водосборы представляют даже большую опасность для рек, чем балочные.

Аналогично балочным водосборам по топографическим картам определяли площадь, длину и ширину склонов, площадь и количество оврагов на межбалочных водосборах.

По данным обработки замеров вычисляли показатели, по которым оценивается эрозионная пораженность балочных систем и их водосборов:

✓ расчлененность овражной сетью (км/км2) - отношение протяженности всех оврагов к площади овражно-балочных систем;

✓ овражность (га/км2) - отношение площади оврагов к площади овражно-балочных систем;

✓ плотность оврагов (шт./км2) - отношение количества оврагов к площади овражно-ба-лочных систем;

✓ напряженность оврагообразования (км/км) - отношение протяженности всех оврагов к протяженности лощинно-балочного звена.

По соотношениям этих величин составляют шкалу степени пораженности балок оврагами.

Для Среднерусской возвышенности предлагается шкала оценки степени пораженности оврагами балочных систем, представленная в табл. 1 [1].

По шкале оценивают степень пораженности оврагами каждой балки и разрабатывают меры по предотвращению развития эрозии - от простейшего поверхностного залужения до сложных гидротехнических сооружений или применения всего противоэрозионного комплекса. В зависимости от гидрогеоморфологических районов эти показатели могут различаться.

Таблица 1. Шкала оценки степени пораженности балочных систем оврагами

Пораженность балок оврагами Показатель

расчлененность оврагами, км/км2 пораженность оврагами, га/км2 плотность оврагов, шт./км2 напряженность овра-гообразования, км/км

Очень слабая <0,15 <0,2 <1 <0,005

Слабая 0,15-0,6 0,2-0,9 1-4 0,005-0,15

Средняя 0,6-2,2 0,9-3,5 4-17 0,15-0,55

Сильная 2,2-9,0 3,5-14,0 17-67 0,55-1,25

Очень сильная >9,0 >14,0 >67 >1,25

На примере Ростовской обл., где насчитывается около 5 тыс. малых рек, можно наглядно проследить контрастность физико-географических условий, их влияние на гидрологический режим и общее состояние малых рек. Контрастность прослеживается по всем характеристикам: уклону и расчлененности местности, ширине местных базисов эрозии, количеству выпадающих осадков, испарению, распаханности и лесистости. Так, северные бассейны области (Ка-литвинский, Среднечирский) больше подвержены водной эрозии, а южные (Аксайский, Маныч-ский, Сальский) - ветровой эрозии (дефляции) и засухе.

В процессе исследований составлена перечетная ведомость, в которой методом точкова-ния обозначены абсолютные значения 4-х показателей эрозионной пораженности. После этого установлены средневзвешенные величины показателей, которые соответствуют средней степени пораженности балок оврагами.

Высшие и низшие значения от средней степени пораженности балок подразделяли на 2

группы с примерно одинаковым количеством балочных систем: очень слабая степень (незначительная величина эрозионной пораженности) и очень сильная (балочное звено почти полностью поражено овражной сетью).

Точность показателей можно повысить путем использования картографического материала, охватывающего значительную часть исследуемого района. На основе проведенных замеров по топографическим картам рассчитаны показатели пораженности (табл. 2).

На основании полученных показателей используем приведенную выше шкалу (см. табл. 1) и относим земли Калитвинского и Среднечир-ского бассейнов Ростовской обл. к землям с сильной степенью пораженности оврагами, Аксай-ского - средней, Сальского - слабой, Манычского - очень слабой.

Показатели среднего горизонтального про-ложения, длины, относительного уклона склонов и их связь с интенсивностью оврагообразования в рассмотренных гидрогеоморфологических бассейнах представлены в табл. 3.

Таблица 2. Показатели интенсивности поражения оврагами водосборов и балочных систем _в 5-ти гидрогеоморфологических бассейнах Ростовской обл.

Гидрогеоморфологический бассейн Водосборные площади Овражно-балочные системы

расчлененность лощинно-балочным звеном, км/км2 расчлененность оврагами, км/км2 пораженность оврагами, га/км2 плотность оврагов, шт./км2 расчлененность оврагами, км/ км2 пораженность оврагами, га/км2 плотность оврагов, шт./км2

Калитвинский 0,58 0,30 0,45 1,57 2,98 4,53 15,88

Среднечирский 0,56 0,26 0,31 1,56 3,09 3,77 18,85

Аксайский 0,52 0,16 0,20 0,78 2,06 2,53 9,82

Манычский 0,37 0,006 0,004 0,05 0,11 0,08 0,05

Сальский 0,39 0,02 0,021 0,15 0,35 0,36 0,15

Таблица 3. Средние горизонтальное проложение, длина и уклон склонов и их связь с интенсивностью оврагообразования

Гидрогеомор- Среднее Средняя характеристика склонов Показатель

фологический бассейн горизонтальное проложение, м длина, м глубина местного базиса эрозии, м относительный уклон пораженности оврагами, га/км2 плотности оврагов, шт./км2

Калитвинский 4553,5 681,8 90,8 0,020 4,53 15,88

Среднечирский 4507,7 696,3 75,7 0,017 3,77 18,85

Аксайский 3761,2 626,9 90,7 0,024 2,53 9,82

Манычский 5754,7 721,1 55,5 0,010 0,076 0,048

Сальский 6389,5 908,9 44,1 0,009 0,36 0,15

Изучение эрозионных процессов на водосборах

по топографическим картам

По мере продвижения от Калитвинского к Сальскому бассейну (относительно с севера на юг) рельеф становится более ровным - удлиняется водосбор, увеличивается длина склонов, уменьшается базис эрозии, стихает процесс ов-рагообразования (снижается коэффициент ов-ражности и плотность оврагов). Так, например, такой характерный показатель рельефа местности, как глубина местного базиса эрозии, изменяется с 90,8 м в Калитвинском бассейне до 44,1 м в Сальском. Высокое значение этого показателя в Аксайском бассейне (90,7 м) обусловлено влиянием Донецкого кряжа и Таганрогского залива.

Остановимся на характеристике межбалочных водосборов в изучаемых бассейнах и их соотношении с балочными водосборами. Обследо-

вано 1 335 балочных и 952 межбалочных водосборов (табл. 4). Средняя площадь межбалочных водосборов примерно в 2 раза меньше, чем балочных. Их долевое участие в общей водосборной площади в среднем составляет 23 %.

Параметры межбалочных водосборов в бассейнах обследованных рек Ростовской обл. представлены в табл. 5.

По форме межбалочные водосборы распределяются следующим образом: равномерно треугольные - 61,7 %, вытянутые вдоль коренного берега - 18,7 %; треугольные со смещенной вершиной - 12,3 %, трапециевидные - 7,3 %.

По площади межбалочные водосборы различных форм распределяются в обратном порядке: наибольшая площадь у межбалочных водосборов вытянутой формы и трапециевидной, на-

Таблица 4. Соотношения площадей межбалочных и балочных водосборов

Площадь водосборов, км2 Доля межбалоч-

Гидрогеоморфологический бассейн балочных межбалочных ных водосборов в

общая средняя общая средняя общей площади, %

Калитвинский 7 330,39 8,83 1 957, 49 3,34 21,1

Среднечирский 2 369,89 9,05 814,94 4,45 25,6

Аксайский 540,64 6,36 231,25 3,61 30,0

Манычский 1 066,79 12,40 307,80 4,81 22,4

Сальский 1134,07 15,75 457,89 8,33 28,8

Таблица 5. Параметры межбалочных водосборов в обследованных бассейнах

Гидрогео-мор- Межбалочные водосборы Овраги

фологический бассейн общее количество, шт. площадь, м2 длина, м средняя ширина, м количество, шт. площадь, га долевое участие в площади, %

Калитвинский 586 1 957,49 3,34 1 150 040 1962,5 1 702 3 798 6,48 938,59 0,25 0,50

Среднечирский 183 814,94 4,45 366470 2002,6 2 231 1 185 6,48 180,55 0, 15 0,22

Аксайский 64 231,25 3,61 130 650 2041 1 770 318 4,97 53,01 0,17 0,23

Манычский 64 307,8 4,81 181 050 2828,9 1 700 и 1,14 3,83 0,11 0,012

Сальский 55 457,89 8,33 157125 1856,8 4 486 42 0,76 8,94 0,21 0,02

Примечание. Обследованы водосборы рек: Камышная, Лозовая, Калитва, Яблоновая, Ольховая, Боль-шая, Нагольная, Березовая, Вербовка, Гнилая, Быстрая, Кагальник, Кумшак, Аюта, Кадамовка, Тузлов, Б. Несветай, Джурак-Сал, Маныч, Мокрая, Кугульта, Юла, Средняя Юла, Мечетка, Куберле, Большая Куберле, Большой Гашун, Малый Гашун, Малая Савдя, левобережье Дона.

именьшая - у равномерно треугольной и со смещенной вершиной.

Наименьшее количество межбалочных водосборов (55 шт.) и наиболее крупные из них (8,33 км2) отмечаются в засушливом Сальском бассейне.

Доля оврагов в площади водосборов в среднем составляет 0,32 %. В Калитвинском, Средне-чирском, Аксайском бассейнах наибольшее количество оврагов в сильной степени подвержены водной и водно-ветровой эрозии - от 6 до 4 оврагов на один межбалочный водосбор.

Согласно классификации А. С. Козменко [6], межбалочные водосборы можно отнести ко второй группе водосборов по степени опасности заиливания рек, которая определяется близостью подхода русла реки к коренному берегу, площадью водосбора и интенсивностью проявления на них эрозионных процессов.

С учетом интенсивности развития эрозионных процессов, крутизны склонов и состояния почвенного покрова на определенных участках проектируют мероприятия по лугомелиорации и лесомелиорации. Под защитные лесные насаждения отводят сильносмытые и размытые берега крутизной свыше 20о, овраги, короткие межовражные выступы. На участках крутизной 12-20о со средними почвами по согласованию с землепользователями проектируется выращивание плодово-ягодных кустарников улучшенной селекции. В среднем под защитные лесные насаждения отводят 35-40 % земель.

В соответствии с состоянием балочных земель устанавливают параметры системы защитных лесных насаждений:

✓ ширину;

✓ тип посадки - древесно-кустарниковый, древесно-теневой, в зависимости от профиля;

✓ схему посадки;

✓ состав древесных и кустарниковых пород - главные, сопутствующие, кустарники;

✓ тип вспашки - в зависимости от засушливости почвы района и крутизны склонов;

✓ долевое участие защитных лесных насаждений различных видов (стокорегулирую-щие, приовражные, прибалочные, приречные, ложбинные, лощинные, овражные, балочные, ис-

токовые и насаждения на коренных берегах речных долин);

✓ долевое участие наиболее целесообразных угодий (луговых, лесных, пахотных).

Разработанная в конце XX в. учеными ВНИ-ИЛМ (под руководством Н. П. Калиниченко) методика оценки эрозионной пораженности земель по топографическим картам легла в основу развития имитационных моделей эрозионных процессов в различных ландшафтах на основе современных информационных технологий.

Установленные на базе экспериментальных данных особенности развития эрозионных процессов в зависимости от типов грунтов, гидрологических особенностей территорий, рельефа местности, климата и по настоящее время актуальны для верификации моделей эрозии, разработка которых переместилась в спектр геоинформационных методов. Использование современных технологий позволило повысить точность прогнозов и существенно ускорить процесс получения конечных результатов. Несмотря на большое разнообразие этих технологий, заложенные на протяжении XX в. принципы обработки и анализа информации, как и ранее, базируются на особенностях природно-территориальных комплексов, специфика которых содержится в современных математических моделях взаимодействия природных факторов.

Основное значение в построении оценочных прогнозов по развитию эрозионных процессов почвы имеют современные цифровые модели рельефа, зонирование исследуемой территории по видам почв, четвертичных отложений, межсезонные особенности гидрологического режима территории, специфика выпадения осадков. Точность учета взаимодействия этих факторов в математических моделях позволяет осуществить их реализацию для решения конкретных задач. При этом точность прогнозов природных процессов, к которым относятся и различные виды эрозии почв, зависит от используемых источников информации, степени верификации динамики эрозионных процессов по данным спутниковой съемки Земли и результатам мониторинга за определенный промежуток времени.

Изучение эрозионных процессов на водосборах

по топогра-фическим картам

Именно на этих знаниях основывается настоящее и будущее понимание научным сообществом взаимосвязей природы и роли человека в этой единой системе.

Результаты научных исследований XX в., накопленные на протяжении длительного времени, стали базой современных методов анализа информации о взаимосвязях в лесных экосистемах.

Список использованной литературы

1. Калиниченко, Н. П. Лесомелиорация овражно-балочных систем / Н. П. Калиниченко, В. В. Ильинский -М. : Лесн. пром-сть, 1976. - 200 с.

2. Калиниченко, Н. П. Защита малых рек / Н. П. Калиниченко. - Пушкино : ВНИИЛМ, 1992. - 354 с.

3. Сысоев, К. А. Основы геодезии и картографии / К. А. Сысоев. - М. : Недра, 1974. - 144 с.

4. Загреев, В. В. Основы геодезии, типографического черчения и лесной таксации / В. В. Загреев, А. В. Вагин, Б. Л. Брук. - М. : Высшая школа, 1982. - 285 с.

5. ОСТ 56-109-99 Работы геодезические. Таксация и лесоустройство. Лесохозяйственное производство. Нормы точности. Методы выполнения измерений. Приказ Рослесхоза от 22.09.1999 № 186.

6. Козменко, А. С. Основы противоэрозионной лесомелиорации / А. С. Козменко. - М : Агропромиздат, 1986. - 280 с.

References

1. Kalinichenko, N. P. Lesomelioracziya ovrazhno-balochnyx sistem / N. P. Kalinichenko, V. V. Il'inskij - M. : Lesn. prom-st', 1976. - 200 s.

2. Kalinichenko, N. P. Zashhita malyx rek / N. P. Kalinichenko. - Pushkino : VNIILM, 1992. - 354 s.

3. Sysoev, K. A. Osnovy geodezii i kartografii / K. A. Sysoev. - M. : Nedra, 1974. - 144 s.

4. Zagreev, V. V. Osnovy geodezii, tipograficheskogo chercheniya i lesnoj taksaczii / V. V. Zagreev, A. V. Vagin, B. L. Bruk. - M. : Vysshaya shkola, 1982. - 285 s.

5. OST 56-109-99 Raboty geodezicheskie. Taksacziya i lesoustrojstvo. Lesoxozyajstvennoe proizvodstvo. Normy tochnosti. Metody vypolneniya izmerenij. Prikaz Roslesxoza ot 22.09.1999 № 186.

6. Kozmenko, A. S. Osnovy protivoerozionnoj lesomelioraczii / A. S. Kozmenko. - M : Agropromizdat, 1986. -

280 s.

Study of erosion processes in watersheds by topograhpical maps

S. Rumjantseva - Russian research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry, Researcher, Pushkino, Moscow region, Russian Federation

Key words: watersheds, gullies, ravines, soil erosion, topographical maps.

Erosion control and protections of rivers is a crucial task of environment recovery.

Especially bad situation shaped in gully systems and river valley sides within river water protection zones. Erosion results in river contamination, drain and silting.

Erosion process intensity studies ongoing in watersheds focus on identification of its morthometric structure for further building of environmental facilities including protective forest stands that will enable rational use and growth of cropland productivity, soil fertility and its protection against erosion, regulation and rational use local runoff water, protection of rivers and water bodies against drain, silting and contamination and development of favourable environment.

One of erosion process study procedures - office study by topographical maps. It is based on identification of erosion impacts on gully systems and its watersheds by the following 4 parameters: gully network roughness, gully rate, gully density, gullying intensity. These parameters ratio sets a scale of ravine gully damage rate.

Erosion process development intensity, slope steepness and soil cover condition determines ratio of areas for grassland amelioration and forest amelioration. Forest amelioration operation design defines parameters of protective forest plantations, width and type of planting - tree-shrub, tree-shady depending on profile, planting pattern, tree and shrub species composition - main, associated, shrubs, ploughing type depending on the area soil dry-ness slope steepness, share of various protective forest plantations (runoff regulating, gully side, ravine side, riverside, gully, ravine, river source and river valley side stands), share of the most favourable land (grasslands, forest lands, croplands) spacing.