Вопросы происхождения и диагностические признаки антропогенно обусловленного пойменного аллювия (наилка)

УДК 551.435.11

А.А. Перевощиков

ВОПРОСЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ АНТРОПОГЕННО ОБУСЛОВЛЕННОГО ПОЙМЕННОГО АЛЛЮВИЯ

На примере изучения и описания береговых обнажений малых рек Удмуртии предлагаются механизмы образования и основные диагностические признаки антропогенно обусловленного пойменного аллювия (наилка).

Ключевые слова: малые реки, пойменный аллювий, наилок, механический состав аллювия, погребенные почвы, диагностика.

Формирование пойменного аллювия, в частности наилка, - это естественный процесс, обусловленный совокупностью природно-антропогенных условий и площадью водосбора реки. Природная составляющая представлена комплексом физико-географических условий, определяющих гидрологические характеристики водотоков и естественный ход образования пойменного аллювия. Антропогенная составляющая через изменения вышеперечисленных условий нарушает естественный ход практически всех природных процессов и, что важно в нашем случае, активизирует всю совокупность эрозионно-аккумулятивных процессов.

Процесс формирования пойменного аллювия ограничен временем и величиной затопления пойменной поверхности в период экстремально высоких показателей стока. Продолжительность и величина затопления поймы обусловлена цикличностью стока, естественным и антропогенным изменением природных условий, определяющих режим и величину стока, а также геоло-го-геоморфологическим строением речных долин. Сезонные размеры затопления пойменной поверхности достаточно сильно варьируются от стока только в пределах русловой части до затопления всей пойменной поверхности. На малых реках вода на поверхности поймы держится обычно 1-2 дня, реже больше. На крупных реках этот период может растянуться до 10 дней. Влияние морфологии русла на затопляемость пойм зависит от пропускной способности русла, а та, в свою очередь, от ширины и глубины (величины) вреза меженного водотока относительно поверхности поймы. Для рек Удмуртии данная величина изменяется в пределах от 0,5 м до 6 м и во многом определяется порядком водотока (табл. 1). На малых реках величина вреза русла относительно поймы имеет достаточно значительные изменения в пределах нескольких километров на водотоках одного порядка. Причины данного явления могут быть геологического, тектонического, климатического или антропогенного характера.

В период летней межени реки Удмуртии характеризуются низкими уровнями воды и временными дождевыми паводками различной интенсивно-

сти, количество которых в среднем составляет от 1 до 3 за сезон, увеличиваясь в дождливые годы до 4 - 8. В отдельные годы в результате обильных атмосферных осадков ливневого характера малые реки могут выйти из берегов, нанося тем самым существенный урон результатам хозяйственной деятельности человека в пределах зон затопления. Наибольший модуль паводочного стока отмечен в верховьях р. Чепцы и составил 82,9 л/с км2 [1].

По вопросу антропогенного участия в изменении режима речного стока имеется достаточно много публикаций, в частности, в статье А.П. Дедкова и

В.И. Мозжерина [2] рассмотрены возможные причины увеличения половод-но-паводочного стока и уменьшения меженного на малых реках степной, лесостепной и юга лесной зоны. Так, в качестве одной из причин изменения режима стока выделены сведение естественного растительного покрова и распашка земель, ведущие к перераспределению поверхностной и подземной составляющих стока при уменьшении последней. Вторая причина возможного изменения стока видится в естественном и антропогенном изменении климата. И, наконец, изменение режима стока они связывают с антропогенным заилением русел рек.

Таблица 1

Частота случаев глубины вреза меженного уровня водотока относительно поверхности поймы на реках Удмуртии разных порядков

Порядок Г лубина вреза русла относительно поймы, м Всего

реки До 1,0 1,1-3,0 3,1-5,0 5,0 и выше Среднее

1 10 6 - - 1,2 16

2 14 33 5 1 1,7 53

3 13 58 19 3 2,3 93

4 - 37 21 1 3,0 93

5-7 - 7 20 7 4,1 34

Всего: 37 141 65 12 2,5 255

В определении главной причины антропогенного увеличения поверхностного стока А.П. Дедков и В.И. Мозжерин [2] согласны с М.И. Львовичем [3] и видят ее в ухудшении фильтрационных свойств почв при нарушении естественной растительности и механической обработке, приводящим к большому промерзанию почв, уменьшающим подземную составляющую стока [2; 4].

Несколько иные результаты о влиянии лесистости на изменение режима стока получены В.Е. Водогрецким [5]. По его мнению, лесистость поверхности водосбора имеет неоднозначную роль в своем влиянии на формирование стока, что обусловлено степенью залесенности бассейна, видовым составом лесного сообщества, механическим составом почвогрунтов, глубиной залегания грунтовых вод и т.д. Различное сочетание данных факторов может как уменьшать, так и увеличивать объем весеннего стока за половодье. Тем не менее, им в целом подтверждается уменьшение максимальных расходов воды весеннего половодья с увеличением залесенности.

Анализ изменения отношения суточного половодного расхода к среднегодовому ^^ср), проведенный нами на основе материалов гидрологических наблюдений на малых реках Удмуртии [6; 7], подтверждает наличие обратной связи между лесистостью водосбора и интенсивностью весеннего половодья (рис.1, 2).

Средний показатель лесистости территории Удмуртии составляет около 50% [8]. Распределение лесного фонда характеризуется крайней неравномерностью - от практически полной залесенности некоторых речных бассейнов трёхх и даже четырёх порядков (верховья рр. Иж, Нылга, Вятка, правобережье р.Кильмезь) до показателя лесистости, не превышающего 10% (бассейны рек правобережья Нижней Камы). То есть условия режима речного стока, особенно в период весеннего половодья, имеют весьма существенные различия, определяемые в первую очередь лесистостью водосбора. С другой стороны, высокий показатель распаханности - 35,8% от общей площади, или 82,1% от площади сельхозугодий, предполагает, при условии повышения поверхностной составляющей стока, активность бассейновой эрозии и увеличение мутности водотоков в антропогенно измененных бассейнах, и особенно на водосборах малых рек.

Суммарная длина верхних звеньев гидросети составляет свыше 90% от всей протяженности гидросети, следовательно, подавляющая масса склонов принадлежит именно этой категории постоянных водотоков, соответственно и эродируемый на водосборе материал в первую очередь попадает в верхние звенья гидросети. Большое разнообразие ландшафтной ситуации и степени освоенности малых водосборов создает значительную пестроту в характере и объемах поступающего в днище речной долины материала. В качестве основных закономерностей данного процесса можно выделить широкий спектр гранулометрического состава взвеси, переносимой малыми водотоками, в отличие от крупных речных систем, где во взвешенном состоянии переносятся преимущественно тонкие частицы. Наносы малых рек в основном формируются за счет бассейновой эрозии, в то время как наносы крупных рек формируются преимущественно за счет русловой эрозии водотока.

Как правило, основной объем стока наносов малых рек складывается за счет поступления материала со склонов в период весеннего половодья и кратковременных дождевых паводков. В направлении от истока к устью происходит снижение транспортирующей способности водотока, вызванное уменьшением продольного уклона водной поверхности и как следствие скорости течения. Это, а также периодическая смена режима стока способствует аккумуляции материала как в русле, так и на поверхности поймы. Поэтому водные массы крупных рек в значительной степени освобождены от наносов, имеющих непосредственно бассейновое происхождение. Данная категория наносов может в них присутствовать только за счет поступления со склонов, непосредственно примыкающих к руслу, и притоков, имеющих незначительные площади водосбора.

Рис. 1. Изменение во время весеннего половодья отношения суточного расхода к среднегодовому

Лесистость, %

Рис. 2. Зависимость максимальных значений отношения суточного половодного расхода к среднегодовому ^^ср) и лесистости водосбора (%) на малых реках Удмуртии в условиях маловодного 1975 г.

Гидродинамические условия поймы как природной системы, регулирующей сток в периоды половодья и интенсивных летних паводков, заключаются в процессе саморегуляции стока, в распластовании потока по поверхности поймы при достижении им соответствующих значений водности. При выходе воды на пойму происходит заметное замедление скорости течения из-за резкого снижения глубины потока и увеличения шероховатости днища за счет луговой и древесной растительности, покрывающей пойму [9]. Поскольку в такие периоды водоток производит еще и основную транспортирующую работу, то часть наносов вместе с водой поступает на пойму, при этом значительная доля наносов аккумулируется в ее прирусловой части.

В самых верхних звеньях гидросети и в днищах балок иногда можно наблюдать некоторое поднятие в прирусловой части водотока, в то время как тыловая часть поймы оказывается на несколько меньших гипсометрических уровнях и при этом нередко оказывается переувлажненной.

На реках выше 3-го порядка по мере увеличения их водности и снижения уклонов водной поверхности активизируется боковая эрозия, что находит отражение в появлении русловых аккумулятивных тел и интенсивном меанд-рировании реки. Свободное меандрирование существенно усложняет морфологию пойменной поверхности, придает ей волнистый характер, что непосредственно отражается на особенностях распределения пойменного стока, способствует резкой дифференциации условий седиментации наносов.

Периодичность затопления поймы сопровождается существенными изменениями динамических характеристик потока в ее пределах на стадии подъема и спада воды, что способствует формированию слоистости отложений. Дифференциация гидродинамических характеристик потока, обусловленная микрорельефом пойменной поверхности, характером меандрирования реки и условиями шероховатости, создает сложную картину процесса седиментации. В общих чертах скорость осадконакопления и средний диаметр частиц уменьшаются при удалении от русла, а также с повышением гипсометрических отметок форм микрорельефа [10; 11].

Неравномерное распределение мутности потока по вертикали способствует отложению на поверхности поймы частиц наиболее мелких фракций переносимых рекой наносов. Попаданию на пойму песчаной фракции наносов способствует высокая скорость течения пойменных потоков в прирусловой части и микрорусельных понижениях.

Таким образом, нарушение эрозионно-аккумулятивного баланса в речном бассейне, вызванное изменением естественного состояния ландшафта (через сведение лесов и распашку освобожденных территорий), способствовало активизации процессов аккумуляции в днище речной долины. В результате естественный ход накопления пойменного аллювия нарушается, а поверх старого аллювия начинает формироваться новый антропогенно обусловленный пойменный аллювий (наилок), обладающий рядом признаков, отличающих его от нижезалегающих горизонтов.

1 2 3 4 5 6 7

Ji*

ґлг

J*?

ppv.

СА>

гу-ъ-

Ч. TJ.

"ІТ.

t’. Hi!

'

Условные обозначения: 8 9 10 11 12

Рис. 3. Типичные разрезы пойменного наилка в долинах малых рек Удмуртии: 1 - р. Шегьянка (3-й порядок), бассейн р.СивЫ; 2 - р. Ита (4-й порядок), бассейн р. ЛозЫ; 3 - р. Кобылка (2-й порядок), правобережье Нижней Камы; 4 - р. Кылт (3-й порядок), бассейн р. Валы; 5 - р. Сива (6-й порядок), правобережье Нижней Камы; 6 - р. Якшурка (2-й порядок), верховья р. Иж; 7 - р. Мои (3-й порядок), бассейн р. Лекмы; 8 - р. Нечкинка (3-й порядок), правобережье Нижней Камы; 9 - балка в урочище Кион-Липето (Шарканский р-н); 10 - р. Шегьянка (3-й порядок), бассейн р. Сивы; 11 - р. Бакиэр (2-й порядок), бассейн р. Сивы; 12 - р. Удебка (3-й порядок), бассейн р. Сивы.

Условные обозначения: 1 - современная почва; 2 - погребенная почва; 3 -глина; 4 - тяжелый суглинок; 5 - средний суглинок; 6 - легкий суглинок; 7 -супесь; 8 - песок; 9 - гравий; 10 - галька; 11 - щебень; 12 - органические остатки; 13 - древесный уголь; 14 - фауна; 15 - оглеение; 16 - ожелезнение; 17

- металлический обруч; 18 - стеклянная банка; 19 - деревянный кол.

Одним из основных признаков, указывающих на относительную молодость наилка, служит наличие горизонта погребенной почвы (рис. 3), свидетельствующего о резком изменении темпов аккумуляции. Отчасти, как справедливо было указано Е.В. Шанцером [10], возникновение погребенных почв связано с процессами меандрирования русла, когда условия осадкона-копления и почвообразования изменяются по мере миграции русла, на разных стадиях развития поймы.

Процедура выделения наилка из разреза пойменного аллювия существенно усложняется, если горизонт погребенных почв нарушен или отсутствует. В данном случае для вычленения наилка из толщи аллювия можно воспользоваться его характерными признаками, установленными на опорных разрезах.

К числу диагностических признаков наилка, основанных на материалах исследования пойменных разрезов малых рек Удмуртии, можно отнести:

- супесчаный, легкосуглинистый состав слагающих его пород;

- горизонтально-тонкослоистая текстура и скрытая слоистость отложений;

- комковато-, зернисто-листоватая структура, сильно опесчаненный наилок, обычно бесструктурный;

- повышенное содержание гумуса по всему профилю наилка;

- отсутствие признаков оглеения и иногда редкие пятна ожелезнения в подошве наилка;

- присутствие в разрезе следов хозяйственной деятельности человека;

- наличие хорошо выраженных границ литологического и структурного плана.

Механический состав наилка отчасти обусловлен геологическим строением поверхности водосбора, но в большей степени пространственновременной дифференциацией гидрологических параметров пойменного потока, создающего сложную картину осаждения наносов.

Нарушение естественного состояния поверхности водосбора существенно изменяет режим максимальных уровней и расходов, а наилок как результат воздействия на поверхность водосбора формируется в условиях большей глубины пойменного потока и его повышенных скоростей. Все это подразумевает некоторое увеличение среднего диаметра частиц, выпадающих на пойменную поверхность. Об этом свидетельствуют и результаты изучения механического состава наилка и нижезалегающих отложений (табл. 2).

Из табл. 2 видно, что механический состав наилка в большинстве случаев (подчеркнуто) имеет легкосуглинистый, супесчаный состав (определялся в полевых условиях) в отличие от залегающего ниже собственно пойменного аллювия, имеющего преимущественно среднесуглинистый характер отложений (рис. 3).

Таблица 2

Механический состав наилка. Частота встречаемости в пойменных разрезах

Механический состав Всего

Песча- ный Супес- чаный Легкосуг- линистый Среднесуг- линистый

Наилок

Количество разрезов 4 27 31 8 70

в % 5,7 38,6 44,3 11,4 100

Пойменный аллювий

Количество разрезов 9 11 14 37 71

в % 13 15 20 52 100

Изменение динамических характеристик потока в ходе поемного процесса сопровождается неравномерным выпадением осадка по механическим фракциям от песчаных, в начальной стадии процесса, до глинистых, в его завершении. Периодичность затопления и изменение условий осадконакопле-ния в период поемного процесса создают слоистый рисунок наилка и пойменного аллювия, выраженный чередованием слоев или прослоев, представленных в основании мелкопесчанистым материалом, постепенно замещаемым вверх по разрезу частицами глинистых фракций. Мощность прослоев (от 13 мм до 10-15 см) зависит от условий осадконакопления в каждом конкретном случае, о которых уже было сказано выше.

Высокая степень шероховатости пойменной поверхности, обусловленная наличием растительного покрова, создает условия, когда свежеобразо-вавшийся наилок оседает (тонким слоем) на прикорневой части растений, образуя корочку, зависающую на «воздушной подушке. Иными словами, наилок в условиях поймы очень редко ложится на грунт непосредственно после спада воды. Укладывание на грунт происходит уже под влиянием внешних факторов, главным образом за счет атмосферных осадков. В результате первоначальное распределение частиц в прослое нарушается, а слоистость в ее классической форме перестает быть таковой. Видимо по этой причине одним из ведущих признаков наилка выступает скрытая тонкая слоистость, которая характерна для всех типов наилка от песчаного до среднесуглинистого (табл. 3). Для супесчаного и легкосуглинистого аллювия ведущим признаком является тонкослоистая слегка волнистая текстура.

Песчаный наилок бесструктурный. С появлением глинистых частиц ведущие позиции занимает комковато-зернистая структура, своим происхождением обязанная, по-видимому, активному почвообразовательному процессу и высокому содержанию гумуса [12]. Несколько реже встречается тонколистоватая структура, подчеркивающая слоистый характер отложений, иные проявления слоистости отмечаются еще реже.

Формирование пойменного аллювия одновременно сопровождается процессами почвообразования, интенсивность которого зависит от условий увлажнения той или иной части поймы. Поэтому мощность почвенного горизонта и содержание в нем гумуса достаточно сильно варьируется на незначительных расстояниях, особенно на малых реках. Высокое содержание гумуса характерно для центральных участков поймы с близким к поверхности уровнем залегания грунтовых вод и незначительными темпами аккумуляции. В прирусловой части содержание гумуса находится в пределах 1,4 - 2,8%, иногда до 5,5% [12]. В сочетании с органическими остатками, оседающими вместе с наносами, наилок приобретает более темный цвет. Часть гумуса, по-видимому, имеет бассейновое происхождение. Повышенное содержание гумуса в кровле наилка может свидетельствовать о снижении темпов аккумулятивного процесса.

Таблица 3

Текстура и структура наилка в зависимости от его механического состава

''^.Признаки Текстура Структура

НаилокХ мех. состав^ Волнистый, тонко- слоистый Скрытая слоистость Листо- ватая Комковато зернистая Бесструк- турный

Песчаный - +++ - - +++

Супесчаный +++ +++ ++ +++ +

Легко-сугли- нистый +++ ++ ++ ++ -

Среднесуг- линистый + +++ ++ +++ -

Примечание: +++ - ведущий признак; ++ - существенный признак;

+ - признак встречается редко; - - признак отсутствует.

Близкое залегание уровня грунтовых вод способствует развитию в аллювии процессов оглеения и ожелезнения. Однако при анализе береговых разрезов с погребенными почвами нами было отмечено отсутствие следов оглеения в вышележащих горизонтах. Следы ожелезнения чаще отсутствуют, а если встречаются, то только в подошве наилка в виде редких охристых пятен (рис. 3, позиции 1, 5, 6, 8). В то же время нижележащие горизонты процессом ожелезнения охвачены практически полностью.

Нередко в разрезе наилка присутствуют продукты или следы хозяйственной деятельности человека, представленные обломками кирпичей, стекла или угольков [13; 14]. Непосредственно нами на реке Якшурка (река 2-го порядка, длина 2,5 км), в прирусловом обнажении на участке длиной около 15 м

обнаружены металлический обруч, деревянный кол с хорошо сохранившимися следами обработки граней, залегающий в субгоризонтальном положении, и стеклянная банка майонезного типа. Все они залегали на глубине в интервале 30-86 см от поверхности поймы (рис. 3, позиции 4, 6, 10).

На молодость наилка указывают и результаты радиоуглеродного анализа органических остатков, обнаруженные в его отложениях, и погребенных почв [14].

Нижезалегающие отложения имеют ряд существенных отличий от наи-лка литологического и структурного плана, к которым можно отнести:

- преимущественно легко- и среднесуглинистый состав отложений;

- более крупную, ярко выраженную слабоволнистую или косую слоистость;

- повышенную уплотненность отложений;

- глыбово-призматическую структуру;

- наличие ярко выраженных проявлений оглеения и ожелезнения. Выводы

Антропогенные изменения поверхности водосборов малых рек нашли свое отражение в изменении их гидрологического режима, смене темпов эрозионно-аккумулятивной деятельности и как следствие в наращивании поймы за счет наилка (антропогенно обусловленного пойменного аллювия). Основными диагностическими признаками наилка являются:

- горизонт погребенных гидроморфных почв;

- присутствие в разрезе следов хозяйственной деятельности человека;

- супесчаный, легкосуглинистый состав пород;

- комковато-, зернисто-листоватая структура;

- горизонтально-тонкослоистая текстура и скрытая слоистость отложений;

- повышенное содержание гумуса;

- отсутствие признаков оглеения и ожелезнения;

- наличие хорошо выраженных границ литологического и структурного плана.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ресурсы поверхностных вод СССР. Средний Урал и Приуралье / Под ред. Н.М. Алюшинской. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Т.11. 848 с.

2. Дедков А.П., Мозжерин В.И. Основные подходы к изучению изменений режима стока и их геоморфологических следствий // Причины и механизм пересыхания малых рек. Казань: ГранДан, 1996. С.9-28.

3. Львович М.И. Вода и жизнь. М.: Мысль, 1986. 253 с.

4. Курбанова С.Г. Антропогенное изменение режима стока и эрозионно-аккумулятивных процессов в Среднем Поволжье: Дис. ... канд. геогр. наук. Казань, 1997. 153 с.

5. Водогрецкий В.Е. Антропогенное изменение стока малых рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 176 с.

6. Гидрологический ежегодник. Бассейн р. Камы. 1975. Т.4, вып. 5-7 / Под ред. И.Г. Демидовой. Свердловск, 1977. 220 с.

7. Государственный водный кадастр. Разд.1. Поверхностные воды. Сер.2. Ежегодные данные. Бассейн р. Камы. 1979. Т.4, вып.5-7 / Под ред. И.Г. Демидовой. Свердловск, 1981. 288 с.

8. О состоянии окружающей природной среды Удмуртской Республики в 2002 году: Государственный доклад. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. 236 с.

9. Исаев Д.И., Левашова И.А. Роль поймы в процессе работы саморегулирующейся системы «бассейн - речной поток - русло» // Экологические и гидрологогеоморфологические вопросы изучения речных пойм. Ярославль, 1992. С.8-10.

10. Шанцер Е.В. Аллювий равнинных рек умеренного пояса и его значение для познания закономерностей строения и формирования аллювиальных свит // Тр. инта геол. наук АН СССР. 1951. Вып. 135. 274 с.

11. Чернов А.В. Геоморфология пойм равнинных рек. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. 198 с.

12. Кузнецов М.Ф. Микроэлементы в почвах Удмуртии. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1994. 287 с.

13. Курбанова С.Г. Методика количественной оценки скорости накопления современного пойменного аллювия // Количественный анализ экзогенного рельефооб-разования. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1987. С. 107-112.

14. Курбанова С.Г., Петренко Л.В. Антропогенно обусловленная аккумуляция аллювия малых рек Востока Русской равнины // Эрозионные процессы и окружающая среда. М.: Наука, 1990. С. 177-181.

Поступила в редакцию 23.10.07

A.A. Perevoschikov

Problems of genesis and diagnostic signs antropogenium the caused inundated alluvion (nailok) on an exampl of the small rivers of Udmurtiya

On an example of studying and the description of coastal exposures of the small rivers of Udmurtiya mechanisms of formation and the basic diagnostic signs antropogenium the caused inundated alluvion (nailok) are offered.

Перевощиков Александр Анатольевич

ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»

426034, Россия, г. Ижевск ул. Университетская, 1

Е-mail: paa@uni.udm.ru