Эрозия почв и дефляция: основные факторы и количественные оценки

Ларионов, Геннадий Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Эрозия почв и дефляция: основные факторы и количественные оценки
ВАК РФ 11.00.04, Геоморфология и эволюционная география

Автореферат диссертации по теме "Эрозия почв и дефляция: основные факторы и количественные оценки"

1л) «

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

ЛАРИОНОВ Геннадий Александрович ^

ЭРОЗИЯ ПОЧВ И ДЕФЛЯЦИЯ:

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ

11.00.04 — геоморфология и эволюционная география

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

люсква 1991

Работа выполнена в Лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Официальные оппоненты: Ю.Г.Симонов, доктор географических

наук, профессор

Г.В.Бастраков, доктор географических наук, профессор

Г.В.Герасименко, доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация - Украинский научно-исследовательский

институт почвоведения и агрохимии

Защита диссертации состоится "14" нояоря 1991 г, в <5 часов на заседании специализированного совета по геоморфологии, эволюционной географии, мерзлотоведению и картографии (Д-053.05.06) при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГС11-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 21 этаж, аудитория 21-09.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ (21 этаж).

Автореферат разослан " РСЛЛ^ЬЭу. 1991 года.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор географических наук

^р Ю.Ф.Книжников

с с г1 сорт¿НИИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■Актуальность теин. Среди негативных последствий хозяйственной деятельности человека эрозии и дефляции почв принадлежит одно из первых мест по масштабам потерь, причиняемых сельскому хозяйству. Кроме того, продукты ускоренной эрозии, поступая в речную сеть, вызывают деградации рек и ухудшение качества поверхностных вод, что приобретает особое значение в условиях кризисной экологической сктуаши.

В связи с этим развитие эрозии и дефляции вызывает обоснованную тревогу специалистов, а в последнее время и широкой общественности. Этой проблеме уделяется значительное внимание также правительствами многих стран в том числе и СССР. Однако, несмотря на определенные успехи, проблема еще далека от решения. Одной из важнейших причин такого положения является недостаточная изученность вопроса и преобладание эмпирических методов в эрозиоведении. Поэтому большое научное и практическое значение имеет разработка физических основ теории эрозии и дефляции, которые крайне необходимы для объяснения экспериментальных и натурных данных, а также для совершенствования эмпирических моделей эрозии.

Основная цель работы - обоснование принципов и расчетных методов оценки и картографирования эрозионноопасных земель для разработки систем почвозащитных мероприятий на различных стадиях проетно-изыскательских работ и разработка необходимого информационного обеспечения для земледельческой зоны СССР. Достижение этой цели было сопряжено с решением следупцпх частных задач: I) разработкой гидрофизических основ теории эрозионного процесса, удовлетворительно объясняющей результаты натурных и экспериментальных исследований; 2) анализом роли отдельных факторов в развитии дефляции и количественных методов их опенки; -3) сбором данных и расчетом климатических факторов эрозии и дефляции для составления серии факторных карт на территорию СССР; 4) разработкой системы эрозионных и дефляционных индексов для основных полевых культур и районированием территории СССР по этому признаку с учетом внутриго-дового распределения климатических факторов; 5) модификацией известных эмпирических уравнений эрозии на основе гидрофизических представлений о механизме процесса и адаптацией их для целей проектирования противоэрозионных мер, ди^тфереишрован-ных по длине склонов; 6)разработкой методики оценки и карти-

- 2 -

рования эрозионноопасных земель для целей' проектирования противоэрозионных мер на различных стадиях проектно-изыска-телъских работ; 7) обоснованием и разработкой новой модели дефляции почв; 8) разработкой методики оценки дефдяционноопао-ных земель и проектированием системы противодефляционных мер.

Объект исследования и фактический материал. В основу работы положены результаты многолетних (с 1950 по 1986 гг.) полевых маршрутных обследований и полустагшонарных наблюдений за развитием эрозионных и дефляшонноопасных процессов, а также их последствий в виде смытых почв и аккумулятивных образований в различных физико-географических условиях. Почвен-ноэрозионные исследования производились на Северном Кавказе и Нижнем Дону, юго-востоке Украины, в Дагестане, в Центральночерноземном регионе, в среднем и нижнем Поволжье, южном Пред-уралье, в пеятральных областях Нечерноземья, а также в ряде регионов Средней Азии. На всю территорию СССР были собраны данные по интенсиркости осадков (свыше 600 станций) за 25-летний период, материалы по ветровому режиму (свыше 900 станций), сведения о средних датах установления и'разрушения снежного покрова, а также ряд агроклиматических характеристик. Использовались фондовые материалы Главка землепользования и землеустройства РСФСР и его областных отделений в районах, где проводились полевые работы, а также отечественные и зарубежные литературные источники. Перечисленные выше материалы и результаты их обработки частично приведены в диссертации в виде таблиц, графиков и карт.

Научная новизна работы. Разработаны гидрофизические основы эрозионного процесса, объясняющие все многообразие натурных и экспериментальных данных, что позволило: I) усовершенствовать блок рельефа в эмпирическом универсальном уравнении рельефа; 2) обосновать новую структуру модели эрозии почв. Впервые в рамках эмпирических уравнений эрозии предложено аналитическое решение, позволявшее оценить совокупное влияние продольного и поперечного профиля склона на смыв почвы. Предложены единые подходы к опенке и картографированию эрозионноопасных и дефляшонноопасных земель для мелкого, среднего и крупного масштабов, соответствующие различным стадиям проект-но-изыскательских работ. На основе карт эрозионноопасных земель и данных о структуре посевов разработаны принципиальные положения методики проектирования почвозащитных мер на стадии

схем и конкретных проектов. Показано, что сравнительно незначительные различия в величинах допустимого смыва на 1-2 порядка изменяют капитальные и текущие затраты на осуществление системы почвозащитных мер.

Основные защищаемые положения. I. Все многообразие натурных и экспериментальных данных о влиянии на смыв параметров рельефа как длина и крутизна склона находит удовлетворительное объяснение в рамках гидрофизического представления о механизме эрозионного процесса основными положениями которого являются: 1) отрыв частиц почвы и грунта и дальнейвий перенос их вниз по склону представляет собой работу (в физическом смысле) , совершаемую водным потоком за счет его кинетической энергии; 2) отрыв частиц грунта производится лишь теми струями потока, которые имеют скорости выше пороговых. Из зтого положения следует, что при изменении крутизны или длины склона в интервале, обеспечиЕащем изменение скорости потока от допороговых значении до значений, превышающих в 2-3 раза пороговые, влияние вышеназванных параметров на смыв будет выражаться степенной зависимостью с показателем степени высе единицы; 3) в точке касания влекомой частипы ложа потока и в ее ближайшем окружении отрыв ноеых частиц не происходит. Из этого положения следует, что по мере увеличения длины склона нарастание интенсивности смыва замедляется, и поэтому использование постоянного показателя степени при длине в эмпирических уравнениях эрозии неправомерно.

2. В блоке рельефа эмпирических моделей эрозии,предназначенных для определения смыва по отрепкам склона, фактор длины должен выражаться в виде двучлена. В рамках такого выражения может быть найдено аналитическое решение вопроса о влиянии продольного и поперечного профиля склона на смыв почвы. Показатель степени при длине склона должен закономерно уменьшаться с длиной склона.

3. Величина эрозионного потенциала осадков, зависящая от слоя и интенсивности дождя, на территории СССР изменяется в широких пределах (от 0,5 и менее дс 120 единиц). Кроме фактора зональности и общих закономерностей атмосферной циркуляции на географию эрозионного потенциала осадков большое влияние оказывают макро- и мезоформы рельефа. Причем, характер влияния не вполне идентичен влиянию рельефа на общее количество осадков. Максимальные значения эрозионного потенциала тяготе-

- 4 -

юг к предгорному поясу и большим межгорным котловинам. Пояс максимального количества осадков в горных странах не совпадает с поясом максимальных значений эрозионного потенциала осадков. На территории СССР выделяется 39 районов, различающихся по внутригодовому распределению эрозионного потенциала осадков.

4. Эффективная почвозащитная способность полевых культур относительно ливневого смыва зависит,кроме их биологических свойств и агротехники возделывания, от внутригодового распределения эрозионного потенциала осадков и поэтому не может быть одинаковой на территории СССР. По этому показателю в СССР обособляется 62 района. Эффективная почвозащитная способность густопокровных полевых культур в пределах СССР изменяется более, чем в 2 раза. Диапазон региональных различий в почвозащитной способности пропашных культур несколько меньше.

5. Модификация эмпирического уравнения ГГИ для расчета смыва от стока талых вод и усовершенствование блока рельефа в универсальном уравнении, предназначенном для определения ливневого смыва, значительно повысили их достоверность, расширили круг вопросов, решаемых с их помощью и устранили некоторые региональные ограничения.

6. Карты дефляционного потенциала ветра позволили выделить на территории СССР области возможного развития дефляции. На величину дефляционного потенциала ветра, кроме общих закономерностей циркуляции воздушных масс, большое влияние сказывают лесная растительность,- удаленность от обширных акваторий,

а также макро- и мезорельеф. Влияние последнего фактора неоднозначно. Он может как увеличивать дефляционный потенциал ветра, так и сникать его. Стеснение воздушных потоков сбоку и снизу вызывает резкое увеличение скорости ветров и соответственно величины дефляционного потенциала на возвышенностях, у горных эфебтов, расположенных под тупым углом к направлению господствуицих воздушных потоков, и в узких горловинах долин. Гравитационный разгон холодных воздушных масс на подветренных скатах возвышенностей является одной из ведущих причин, обусловивших существование ряда обширных областей с высоким дефляционным потенциалом.

7. Предложено новое уравнение дефляции, предназначенное для определения интенсивности потерь почвы на пахотных землях и проектирования почвозащитных мер. Оно основано на ряде вполне очевидных постулатов, вытекающих из элементарных физичес-

- .5 -

ких законов, и данных о среднемноголетней интенсивности дефляции в районах, различающихся по противодефляционным свойствам почв-и величине дефляционного потенциала ветра. Расчитанные по уравнении дефляции потери почвы хорошо согласуются с фактическими данными.

Достоверность выводов- и практическая ценность работы. Теоретические выводы и методические разработки создавались и проверялись на .обширном фактическом материале 28-летних коллективных исследований в широком диапазоне природных условий - от полупустыни и субтропиков до тайги. Материал собирался в процессе маршрутных почвенно-эрозионных и почвенно-дефляшон-ннх обследований, детальных съемок на ключевых участках, полустационарных наблэдений, полевых и лабораторных экспериментов, а так ко в процессе анализа фондовых материалов, метеорологических и статистических данных, а также литературных источников.

Научная состоятельность работы подтверждается тем, что се основные положения включены в состав научных отчетов по ряду г/б тем, в том числе по темам, разрабатываемым в соответствии с научно-техническими программами ГКНТ СССР: Проблема

0.51.01, задание-05.01.Н4,(Постановление тют и Госплана СССР

й 451/244 от-8.12.1981 г.)'и проблема 0.85.1, задание 08.02.01 Н7б.".(Постановлен'ГКНТ- й 555 от 50.10.1985 г.). К числу последних относятся:"Обоснование принципов и-методов картографирования и составления карт эрозионноопасных земель разных масштабов на отдельные крупные регионы страны", (госрегистрация .'5 81052852, утверадена. Советом геогра(|ического факультета 15 февраля 1985 г.); "Разработка метод® расчета опасности эрозии в различных зонах страны", (госрегистрация !■': 01.860128376, утверждена Советом географического факультета).

О практическом значении научных положений и методических основ свидетельствуют результаты многочисленных хоздоговорных работ со следующими организациями: Министерствами и управлениями сельского хозяйства Дагестанской и Кабардино-Балкарской АССР, Карачаево-Черкесской. Автономной области, проектно-изыс-кательекпми и научно-исследовательскими институтами Среда згип-роводхлопок, Севкавгипроводхоз, Южгипроводхоз, Росгипроводхоз, СШЗИ, научно-исследовательским институтом горного садоводства и цветоводства, РосНИИземпроектом

Разработанная автором методика использовалась республиканскими и зональными филиалами Союзгипроводхоза для составления карты дефляционно-эрозионного районирования земледельческой зоны СССР в масштабе 1:500 ООО и определения объемов и стоимости почвозащитных мер в разрезе административно-территориального деления СССР и по бассейнам рек.

Основные научные результаты и методические положения ра-ботв были использованы при составлении карты эрозионноопасных земель Европейской части СССР и сопредельных территорий масштаба 1:1 500 ООО . В рамках межкафедральной темы "Картографическое обеспечение высшего образования" она была трансформирована в учебную карту "Эрозионная опасность Европейской части СССР" масштаба 1:2 ООО ООО. Ряд разработок воиел в "Методические указания по проектированию противоэрозионной организации территории при внутрихозяйственном землеустройстве в зонах проявления водной эрозии" (Госагропром СССР, 1989).

• Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 48-ыя совещаниях, семинарах и конференциях. В том числе на всесоюзных конференциях "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (Москва, 1972, 1976, 1981, 1987), на .Ломоносовских чтениях (Москва, 1978, 1982, 1985, 1986, 1988), на Всесоюзной конференции "Клйыат, рельеф и человек", "(Казань, 1978), на Всесоюзной конференции "Теоретические основы противоэрозионных мероприятий" (Одесса, 1979), на мевдународном научном симпозиуме "Борьба с опустыниванием путем комплексного развития" (Ташкент, 1981), на УП делегатском съезде почвоведов (Ташкент, 1985), на УШ съезде географического общества (Киев, 1985), на координационном совещании по заданию ГКНТ "Разработать и передать в агропром СССР прогноз развития эрозионных процессов" (Пущино, 1987; Ворошиловград, 1988; Москва, 1988, 1990), на всесоюзном совещании "Экзогенные процессы и окружащая среда" (XIX пленум геоморфологической комиссии АН СССР, Казань,1988), а Яакже на мевдународном симпозиуме "Геоморфологические процессы и окружающая.среда "Количественный анализ взаимодействия" (Казань, 1991).

Структура 'диссертации. Работа состоит из 6 глав, заключения ( 291 стр. текста) и списка литературы (244 названия) и, кроме текста, содержит 28 рисунков, графиков, схематических факторных карт СССР и отдельных фрагментов ряда других карт.

- 7 -

Диссертационная работа выполнена в Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. По теме диссертации опубликовано свыше 72 научных работ, подготовлена к изданию монография. Основные выводы л положения используются в лекционных курсах "Защита почв от эрозии с основами земледелия" и "Методы изучения эрозионных процессов".

Автор глубоко благодарен своему ныне покойному учителю д.г.н. заслуженному деятелю науки РСФСР профессору Н.И.Макка-вееву,- многие идеи которого воплощены в настоящей работе. В течение долгих лет автор пользовался неизменным вниманием и поддержкой д.с.-х. наук профессор М.Н.Заславского. В проведении исследований, обработке материалов и обсуждении проблем на разных этапах принимали участие Л.Ф.Литвин, С.Ф.Краснов, Н.П.Тарабрин, З.П.Кирюхина,. Ю.Г.Жаркова, М.Ю.Белоиерковский, а также многие другие сотрудники Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов.

Всем своим товарищам по работе автор выражает глубокую признательность за постоянное содействие и помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ЭРОЗИИ И ИХ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ СЦЕНКИ.

1.1. Рельеф как фактор эрозии.

В эмпирических моделях эрозии влияние длины склона Ь и уклона У на среднюю величину смыва V/ обычно выражают в виде зависимости

= 1.1 где - влияние других факторов на смыв.

Экспериментальные данные, однако, свидетельствуют, что показатели степени при уклоне п и длине р изменяются в широких пределах и зависят от многих факторов (Заславский, 1966). Г.И.Швебс (1974) на основании анлиза обширного материала показал, что на почвах с низкой лротивоэрозионной устойчивостью показатель степени при уклоне значительно превышает единицу (п^ 1-2). По мере увеличения противоэрозионной устойчивости почв и сомкнутости растительного покрова показатель степени снижается и может принимать значения меньше единицы. Примечательные результаты дали исследования, выполненные Индийской службой охраны почвы ( биюЬ, Ва£>у , СНапс1г ,

- 8 -

1981), на склонах крутизной до 2°. Несмотря на то, что площадки содержались по черному пару, показатель степени при уклоне сказался равным 0,59-0,88. Таким образом, зависимость силы влияния уклона на смыв от противоэрозионной устойчивости и растительного покрова неоднозначна.

Показатель степени при длине в зависимостях типа 1.1 в большинстве случаев укладывается в интервал от 0,35 до 0,6. Для малых уклонов 2?) Служба охраны почв США рекомендует принимать его равным 0,2 ( \Л/15сЬтесг , Зцн1К , 1978). Вместе с тем анализ зависимостей Н.Н.Бобровицкой (1979) показал, что при снеготаянии показатель степени при длине на склонах до 300 м может значительно превышать единицу и достигать 3-4. На более длинных склонах он уменьшается до 0,15 и обнаруживает связь с интенсивностью смыва и противоэрозионной устойчивостью почвы.

Поскольку работа по отрыву и транспорту частиц почвы осуществляется за счет живой силы склоновых потоков, то можно полагать, что влияние рельейа на смыв имеет косвенный характер и проявляется через, гидравлические параметры потоков, которые находятся в непосредственной зависимости от таких параметров склона, как уклон и длина склона, его форма, шероховатость поверхности.

Для объяснения разнообразия связей между смывом и основными параметрами рельефа, как факторами, определяющими гидравлические характеристики склоновых потоков, рассмотрим смыв почвы как гидрофизический процесс, к которому приложимы три вполне очевидных постулата. Согласно первому из них отрыв и транспорт частиц почвы представляет собой работу в физическом смысле, которая совершается за счет живой силы потока. Второй предполагает, что отрыв частиц грунта производят только те элементарные струи потока, мгновенная скорость которых выше пороговых значений. Трети? исходит из того, что, в точке касания влекомой частицы ложа потока, отрыв новой частииы невозможен.

Представим прямой склон с уклоном !/ . При выпадении дождя на нем формируется плоский поток, причем интенсивность осадков 1д и интенсивность впитывания к не изменяются ни по длине склона, ни с течением времени. Тогда удельный расход ц, в створе, удаленном на метров от вершины склона, запишется как

- 9 -

у = (сд - К,)1 1.2

Выразим глубину плоского потока (Н) и его скорость Ш) 'через удельный расход. Пользуясь уравнением Шези и уравнением неразрывности, получим . .,

Н = б" 1.3

В англоязычной литературе смыв почвы связывается с придонным сдвиговым напряжением (ГИа^ег, УКюЬте^ег, 1969; •Мауегг , 1975). Выражение для придонного сдвигового напряжения. (Т ), с учетом 1.3 имеет вид

1.5

где: . Р0 - плотность воды, ^ - ускорение свободного падения. В отечественной литературе преобладает представление о том, что отрыв частиц почвы происходит под воздействием подъемной силы потока и лобового давления на частипы, выходяшие за пределы ламинарного подслоя. Обе эти силы Рлп пропорциональны квадрату скорооти потока, поэтому, пользуясь выражением 1.4 их можно приближенно выразить через удельный расход в виде

Рдп "Л 1.6

Помня,, что, согласно первому постулату, отрыв и транспорт частиц (т.е. эрозия) есть работа, совершаемая водным потоком, можем' записать

^¿'-Рлп'Б, 1.7

где 1-СГ - количество отрываемых и переносимых плоским потоком частиц на коротком, но достаточном для достижения сорванными частицами скоростей близких к скорости течения воды, отрезке склона 5

Очевидно, длина упомянутого выше отрезка склона и средняя скорость потока связаны соотношением

$ = 1.8

где д£ - время, за которое скорость сорванной частицы возрастет от 0 до величины, сопоставимой со скоростью потока Ь1 . Пользуясь уравнениями 1.2, 1.4, 1.5, 1.6 и 1.8 для единицы

- го -

времени можно записать

О/-Щб С?* 3 % - руу] 1.9

иг*р?о-9 *р1.10

В 1.9 отсутствует коэффициент С . Между тем известно, что шероховатость поверхности оказывает большое влияние на смыв, поэтому в дальнейшем будем пользоваться зависимостью 1.10. Исходя из 1.2, запишем 1.10 в виде

аг^/^-с2^1.П

Для того, чтобы получить среднюю интенсивность смыва на склоне длиной Ь при условии, что смыв начинается с вершины склона, проинтегрируем выражение 1.11 от 0 до Ь и разделим на *и

XV « 0,5]3-ро^-Сг(1д-К)Ы 1.12

Согласно 1.2 и 1.4 последнее выражение может быть записано в виде

V/ ~ иЪ. 1.13

Таким образом, согласно первому постулату средняя интенсивность смыва пропорциональна невпитавшейся части осадков, уклону и длине склона в первой степени, т.е. потенциальной энергии склонового стока. Однако это не соответствует экспериментальным данным. Зти противоречия снимают второй и третий постулаты.

Поскольку отрыв частицы почвы происходит под воздействием лобового давления и подъемной силы потока в том случае, если их результарукщая Р^п больше ео веса и силы сцепления ?ст , то, учитывая пульсационный характер течения воды, в области скоростей, близких к пороговым значениям условие

Рлп выполняется лишь в те моменты, когда мгновенные значения скорости превышают пороговые.

Вероятность или доля Р пульсационшх значений скорости, превышающих пороговую величину ио , в первом приближении может быть определена по уравнению логистической кривой вида . .

р_=У(1 + р-1/« + юа-ёй/и')> 1.14

где: й. - средняя скорость потока, & и 6 - коэффициенты. Учитывая, что пульсашонные скорости имеют нормальное распре-

деление, и что согласно данным Ц.Е.Мирцхулавн (I0S7) для потоков с высокой шероховатостью ложа, характерной для склонов, отношение максимальных значений пулъсоггаонных скоростей к средней скорости потека равно 1,6, коэффициенты Q и 6 равны 8 и поэтому уравнение I.I4 может быть переписано в Еиде

Р ^/[i+iQB<Í~a/uJ]. 1.15

С учетом I.15 зависимость I.I3 может быть записана как

w~ûj Qfiû8°-a/Ue)]. I.I6

Из зависимости I.16 вытекает, что если экспериментальные данные обрабатывать статистическими методами, то в зависимости смыва от скорости потека показатель степени при скорости может меняться в очень широких пределах. При изменении скорости от 0,87 Uot до IiI2Uot сшз пропорционален скорости в степени 12. В экспериментальных исследованиях на монозернистом песке Получены еще более высокие показатели степени - вплоть до 30 (Архангельский и др., 1974). В допороговой области показатель степени существенно меньше 3, а в запороговой равен 3.

Для полизернистого материала, каким является почва, выражение I.I6 примет вид

- _з V ¿t_

W~U ¿j ^+1Qa(l'-a/act) . 1Л7

где: d¡... сif - доли частиц, для которых пороговые скорости соответственно равны Ц0|... Ц0(-. В этом случае кривая зависимости смыва от скорости в интервале от 0,87 Це до 1,12 U0 значительно выполокится, и, соответственно, показатель степени при скорости в эмпирических зависимостях смыва от скорости будет меньше. Это подтверждается экспериментальными данными (Коспон, 1987;

Поскольку уклон и скорость склонового потока связаны соотношением 0 ~ U , то изложенные выше рассуждения относятся к зависимости I.I в части, относящейся к уклону, с той лишь разницей, что показатель степени при уклоне в допороговой области П<1 ; в около пороговой -Ц >-¡ , а в запороговой (Я—V \ . Таким образом объясняется все многообразие эмпирических значений " Ц ".

По аналогии вышеприведенные рассуждения могут быть отнесены и к длине склона. Действительно, как упоминалось выше, показатель степени при длине в зависимостях типа I.I может

- 12 -

превышать I, однако он обычно значительно ниже единицы.

Для объяснения этого противоречия воспользуемся третьим постулатом, согласно которому в точках касания, влекомых наносов ложа потока отрыва новых частиц не происходит. В этом случае на любом из равновеликих отрезков склона в любой момент времени потоком срывается количество частиц, равное разности между числом частиц, которое может, оторвать ненагруженный поток, и количеством влекомых частиц, находящихся на рассматриваемом отрезке склона. Примем также, что на любом отрезке склона истирается ^ -ая часть влекомых наносов, поступивших с вышележащих частей склона. Но прежде, пользуясь 1.11, запишем зависимость интенсивности отрыва частиц ненагруженным наносами потоком на расстоянии Ь от водораздела в виде

иГ-ЛцЬ , 1.18

где: <1. ^ - коэффициент, учитывающий влияние на смыв всех прочих факторов. Проинтегрировав 1.18 от О до Ь , получим следующее выражение для общего объема смыва со склона длиной

Ь • - е

0,5 Х^Ь , 1.19

Для склона, состоящего из к равновеликих отрезков длиной {,' , зависимость 1.19 перепишется в следущем виде

у/ке - аг к2-1г , _ 1.20

где: а £ =075<Л^, а смыв с к-го отрезка УУ^ в виде

= ~ае[к-(к-"0г]£г=а£ГТ2кЧ). 1.21

Разделив полученное выражение на £ получим модуль смыва на к -ом отрезке склона длиной -С

й\ = аг-1 (2к--0 . 1.22

Теперь рассмотрим, как будет нарастать смыв \Д/ на каждом последующем отрезке .склона с учетом влекомых наносов, образовавшихся на предыдущих. В этом случае на 2-ом .отрезке отрыв частиц выразится как \Л/г О-ьИ^-}-) . где й^С

- количество наносов, поступивших с 1-го на 2-ой отрезок с учетом истирания на нем. На третий отрезок поступят частицы, сорванные на 2-ом и часть наносов с 1-го отрезка, сохранившихся после истирания на 2-ом:\Ъ^Зв-асС = • С учетом истирания количество наносов на 3-ем отрезке составит сХ^Зб^-^-) . Тогда отрыв частиц на 3-ем отрезке вира-

_ - 13 -

зится в виде а.(/3£(1 £) и т.д. Соответст-

венно для к -го отрезка можно записать

(2 +2^-3^). 1.23

Расчеты относительной интенсивности смыва по длине склона, произведенные по зависимости 1.23 с последующим преобразованием полученных результатов в' зависимость типа , показывают, что степень при длине склона зависит от истираемости почвенных частиц и уменьшается с длиной склона. При истираемости у . равной 0,2; 0,1 и 0,05 (на 100 м пути) для склона, состоящего из 11-и 100-метровых отрезков, показатель степени при длине соответственно равен 0,54; 0,43 и 0,3, что отвечает сложившимся представлениям. На первых отрезках он приближается к единице, а с учетом второго постулата может быть и значительно выше единицы. Следствия, вытекающие из 2-го и 3-го постулатов, подтверждаются результатами обработки зависимостей смыва в период снеготаяния от длины склона (Бу-шуева и др., 1987).

Однако экспериментальные данные по ливневому смыву с площадок ограниченной длины - метры и первые десятки метров (Швебс, 1974; Ажигиров, 1989) не согласуются с вышеупомянутыми выводами. Показатель степени при. длине для площадок ограниченной длины всегда меньше единицы. Объясняется это тем,что в верхних частях склонов, где потоки имеют малую глубину, ведущая роль в отрыве и транспорте частиц почвы принадлежит ударному воздействию дождевых капель, и поэтому на отрезках склона, где скорость потока достигает пороговых значений и должно иметь место стремительное нарастание интенсивности смыва, этого не происходит, т.к. поток уже почти до предела нагружен наносами. Таким образом, рассмотренное выше приложение гидрофизических принципов к объяснению эрозионного процесса охватывает все. многообразие результатов экспериментальных и натурных исследований.

Выражение 1.21, записанное в промежуточной форме, позволяет в рамках эмпирических моделей эрозии получить решение для количественной оценки влияния продольного профиля склона на смыв. Зависимость 1.21 получена для случая р = Л , если же р ^ \ , то в рамках эмпирических моделей эрозии типа 1,1 она может быть записана как

1.23а

- 14 -

где: £ - длина отрезков, на которые разбит склон, к - порядковый номер отрезка, считая сверху; С/^ - уклон на к. -ом отрезке, а^ - коэффициент, учитывающий влияние всех остальных факторов. Зависимость 1.23 не применима, если • Она позволяет рассчитывать средний смыв для склонов выпуклой и слабовогнутой формы.

Интенсивность смыва также зависит от поперечного профиля склона, что нашло отражение в соответствующих терминах "собирающие" и "рассеивающие" склоны (Соболев, 1948) и эмпирических коэффициентах (Сластихин, 1964). Известно решение для склонов, на которых возможно обособление водосборов (Швебс, 1974). В работе предложено общее решение этого вопроса в рамках эмпирических уравнений эрозии. Очевидно, что концентрация и рассеяние стока является причиной соответственно увеличения смыва на "собираыцих" склонах и его уменьшения на "рассеивающих" склонах. Очевидно также, что в зависимостях эрозии типа 1.1 длина склона отражает нарастание смыва в результате увеличения удельных расходов стока и его концентрации. Элементарные геометрические построения показывают, что мерой концентрации или рассредоточения К склонового стока может служить выражение

К= , 1.24

где: К, и - соответственно радиусы кривизны горизонталей в начале склона (отрезка) и в конце его. Радиус кривизны горизонталей приближенно определяется по зависимости

, 1.25

где: € - длина хорды, стягивающей концы отрезка горизонтали, через центр которого проходит линия тока (максимального уклона); - высота стрелки (линии, соединяющей середину отрезка горизонтали с серединой стягивающей ее хорды). Если проводить хорды таким образом, чтобы стрелка всегда оставалась постоянной, то выражение 1.24 примет вид

К=и? + 4 )/гг\. 1.26

Поскольку в эмпирических уравнениях эрозии длина берется в степени " р ", то с этой же степенью следует вводить в них коэффициент К . С учетом этого выражение 1.23 будет иметь вид

где: Я0,% ^к ~ соответственно радиуса кривизны горизонталей и длины хорд, стягивающих концы их отрезков, в вершине склона и на к -ом отрезке.

Таким образом зависимости 1.27 и 1.28 позволяют учиты -вать влияние как поперечного, так и продольного профиля склона на смыв почвы, и, следовательно, все выражение, за исключением коэффициента а^ , может быть названо эрозионным потенциалом рельефа, в отличие от топографического фактора (УМлсИ-те^ег- , 1965), включающего только длину и крутизну

склона.

Эрозионный потенциал рельефа (ЭПР) является наиболее вариабельным фактором эрозии. Поэтому средняя величина ЭПР дает лишь общее представление о крупных территориальных единицах. Более полное и ценное в практическом отношении представление дает кривая распределения ЭПР, имеющая левостороннюю асимметрию. Для обширных территорий такая характеристика может быть получена путем измерения необходимых параметров склона по крупномасштабным топографическим картам точечно-статистическим методом (Литвин, Миргородская, 1976). В целом величина ЭПР определяется длиной и крутизной склонов. Вместе с тем избирательное земледельческое освоение территорий существенным образом сказывается на среднем значении и распределении ЭПР. В работе приводится краткая характеристика ЭПР земледельческих районов ЕТС и Сибири.

1.2. Осадки как фактор эрозии.

Удельный расход и объем поверхностного стока при прочих равных условиях определяются интенсивностью и слоем осадков. Достаточно показательной характеристикой возможности развития эрозии в теплую часть года является 30-минутная максимальная интенсивность доздей. С одной стороны она тесно связана с интенсивностью за любые другие временные интервалы времени (Герасименко, Кумани, 1983), а с другой - с реальной продолжительностью времени добегания склонового стока, которая для степной зоны составляет около 30 минут (Инструкция..., 1979). Карта 30-минутной интенсивности дождей 20% обеспеченности на территории ЕТС, составленная по таблицам параметров предельной интенсивности дождя (Курганов, 1984), показывает наличие тенденции увеличения интенсивности осадков с севера на и и в направлении запад-восток. Рельеф оказывает существенное влия-

ние на географии интенсивдости осадков. Резко повышается интенсивность осадков в предгорьях. Существенное влияние оказывают и сравнительно невысокие возвышенности. Значительное снижение интенсивности осадков прослеживается с увеличением отметок местности в горных районах.

Дождевые капли, падая на оголенную поверхность почвы, способны вызвать дезинтеграцию почвенной массы и ее разбрызгивание В весьма внушительных количествах , 1944; йо-ье , 1960; Ларионов, 1981). На склонах разбрызгивание принимает направленный характер, вследствие чего происходит перемещение почвы вниз по склону, достигающее 10 да3/м в год (Кир-кби, 1984). Однако, как показали наши расчёты, вынос почвы со склонов дождевыми каплями может составлять заметную величину лишь в узких привершинных полосах склонов.

Более весомый вклад в развитие эрозионного процесса вносят доадевые осадки, повышая .транспортирующую способность склоновых потоков благодаря ударным волнам, возникающим в склоновых потоках при падении дождевых капель (Маккавеев,1954\ Экспериментальные исследования (табл. 1.1) показали, что дождевые капли, дезинтегрируя почвенную массу и повышая транспортирующую способность склоновых потоков., на порядок увеличивают мутность склонового стока. Эти предпосылки послужили физической основой для разработки комплексных характеристик эродирующей способности дождевых осадков. Наиболее удачным является, разработанный в США показатель, представляющий собой произведение энергии дождя На его 30-минутную максимальную интенсивность (№^с|1те1ег 7 ¡этс^ , 1968). Он показал удовлетворительные результаты и в других странах (Яао,(]ир*с<,1£Г70; Уавоеъси. , 1970), а также в различных районах СССР (Ларионов; 1979; Белоперковский и др., 1983, 1984; Гогичайшвйли, 1987). Это послужило основанием для составления карты эрозионного потенциала осадков СССР в масштабе 1:8000000. Для этого были использованы данные автоматической регистрации интенсивности осадков по 660 метеорологическим станциям за 20-летний период. Такая продолжительность наблюдений представляется достаточной. Анализ материалов по метеостанции г.Сочи показал, что годовое значение эрозионного потенциала, вычисленное по 15-летнему ряду, незначительно (не более 6$) отличалось от значений за более длительные (до 35 лет) ряды.

- г? -

Таблица 1.1

Влияние дождевых капель на эродирующую способность склоновых потоков малой глубины в фазе установившегося стока

Интенсив- Интенсив-: ность Содержание наносов в потоке : (г/л) при : А

ность дождя, мм/мин стока, : мм/мип : полной энергии погашенной капель (А) :гни капель Б

0,70 0,50 21,0 0,8 26,2

1,00 0,80 17,0 2,3 7,4

1,03 0,93 18,9 1,0 18,9

1,06 0,87 45,5 4,5 10,1

1,72 1,66 41,0 2,5 16,4

1,70 1,60 46,0 2,7 17,0

1,74 1,20 34,0 2,6 13,1

1,65 1,47 30,4 1,6 15,0

2,55 1,35 43,4 4,2 10,3

На территории СССР эрозионный потенциал дождевых осадков (ЭПО) изменяется в широких пределах и зависит как от количества, так и от интенсивности дождей. Минимальными значениями ЭПО. (1-0,5 единиц и меньше) характеризуются пустынные районы Средней Азии и Казахстана, центральные области Якутии, а также приполярная зона европейского севара и Сибири. В зонах с умеренным количеством осадков существенное влияние на величину ЭПО оказывает количество высокоинтенсивных .ливней. Так, по меридиану Архангельска с севера на юг. вплоть до Ростова-на-Дону количество осадков теплой части года практически не изменяется, а величина ЭП0 возрастает от 1,8 в Архангельске до 7-8 единиц в Ростовской области, т.к. на юге ливни выпадают чаще, чем на севере. По. мере увеличения континентальности климата также, возрастает доля ливней, поэтому на широте Москвы от Шау-ляя до Красноярска, несмотря на уменьшение осадков на 100-200 мм я болев, ЭПО остается постоянным или даже несколько возрастает, в среднем оставаясь в пределах 5-6 единиц. В европейской и азиатской частях страны зоны высоких значений тяготеют к поясу предгорий и низкогорий. Начиная с высот в 500-1000 м, что зависит от широты местности, ЭПО снижается вследствие уменьшения интенсивности дождей. Например, от Адлера до Красной поля-

Ны (900 м н.у.м.)'ЭП0 уменьшается на 42,1 единицы, несмотря на то, что количество осадков теплой части года составляет соответственно 701 и 902 мм.. На высотах более 1000 м ЭПО уменьшается также вследствие падения доли жидких осадк.ов. Поэтому в осевой зоне Кавказа, в высокогорных районах Средней Азии, Алтая и Саян ЭПО не превышает 1-3 единиц.

В области муссонного климата ЭПО достаточно высок и перед хребтами, обостряющими атмосферные фронты, достигает 2024 единиц.

Внутригодовое распределение ЗПО, оказывающее существенное влияние на развитие эрозии, на территории СССР достаточно разнообразно и обусловлено как продолжительностью теплой части года, так и сезонностью выпадения осадков. На. территории СССР по этому признаку, выделено 34 района. Для каждого района рассчитано внутригодовое распределение ЭПО, представленное нарастающим итогом на последний день месяца в % от годового значения. По этим данным легко определить величину ШО за любой отрезок' времени.

1.3. Водопроницаемость почвы.

Склоновый сток, являющийся непосредственной причиной поверхностной эрозии, во многом определяется водопроницаемостью почвы. Это сложное по своей природе свойство почвы еще недостаточно изучено.. Нерешенной проблемой, в частности, является интерпретация данных по впитыванию воды в почву, полученных методом искусственного дождевания. Достаточная информация для оценки возможности развития эрозии в связи с обеспеченностью поверхностного стока может быть получена при дождевании со ступенчатым увеличением интенсивности дождя до величины, обеспечивающей получение максимальных значений установившейся величины инфильтрации воды в почву К max • По результатам дождевания, проведенного таким образом, строится график зависимости, представляющий собой асимптоту

Пользуясь графиком, можно определить интенсивность впитывания ( Кс{. ) при заданной интенсивности стока ^ , которая служит показателем .обводненности площадки. ВеличиныКтах и 1% Даиг более полное представление об инфильтрапионной способности почвы, чем интенсивность впитывания при заданной интенсивности.

1.29

- 19 -

На склонах с естественным растительным покровом обводненность (глубина слоя воды), достаточная для полной реализации водопроницаемости Ктах . достигается при удельных расходах около 10-20 см3/с/м.

При дбвдевании малых площадок с интенсивностью реальных дождей коэффициенты стока оказываются завышенными по сравнению с большими площадками (Молчанов, 1960; Сурма.ч, 1962). Экстраполяция результатов дождевания малых площадок на склоны может производиться графоаналитическим способом по зависимости 1.29. Предположим, что на однородном склоне к экспериментальной'площадке, для которой уже получена, зависимость 1.29, присоединена снизу такая же площадка. Тогда при дождевании обеих площадок на нижнюю, кроме дождя 1д поступает вода, стекающая с верхней площадки 1СТ( • Интенсивность впитывания на-нижней площадке Кг можно определить графически по зависимости

а интенсивность стока как ¿ст2 = [д + I •

Соответственно для п -ой площадки можно записать

Кг^Яи + '-сгпн), 1.50

1стгГ 1А Чт пч_Кп , 1.31

Интенсивность впитывания на некотором расстоянии от вершины склона становится постоянной и равной интенсивности дождя,если последняя меньше или равна Ктау . Если1д> К^ах' то* на~ чиная с t -ой площадки, на которой интенсивность впитывания достигает величины К та* , интенсивность стока да последующих будет возрастать на величину ¡-д-Ктах. В последнем случае 1.31 примет вид

1Стк=^т1 + (к-*№д-Ктах) 1-32

Коэффициент склонового стока Ч1 для фазы установившегося впитывания определяется как

. к • 1.Д

где к - число площадок, которое может разместиться на склоне по линии тока от водораздела до подошвы.

Почва претерпевает сезонные изменения многих своих свойств, в том числе и водопроницаемости. Изменения водопроницаемости связывались обычно с динамикой дефицита влажности,

с уплотнение разрыхленной при замерзании почвы в течении теплого сезона, а также с деятельностью педофауны (Horton . 1940;

Horner, htoyd , 1940; Schümm,hudy : IS63; Мухин, 1964). Исследованиями автора показано, что для. почв в естественном сложении характерны два пика водопроницаемости. Один приурочен к высокой влажности, соответствующей полной полевой влагоемкости, а другой к влажности ниже максимальной гигроскопичности. Это весьма распространенное явление объясняется динамикой смачиваемости почвы (Ларионов, 1974), которая имеет аналогичную водопроницаемости сезонную динамику и оказывает большое влияние на скорость впитывания воды в почву (Влады-ченский, Рыбина, 1965).

Влияние уклона на впитывание воды в почву неоднозначно. С увеличением уклона ухудаается обводненность поверхности почвы. О этим связывают уменьшение водопроницаемости в экспериментах с нарушенным сложением почв.и на монолитах (Ъи^-Сеу , 1932; Гуссак, 1937' ; Федоров,' i960). Исследования, выполненные автором в естественных условиях показали, что с ростом уклона от 10-15 до 40° водопроницаемость различных типов почв увеличивается в 1,6-2,5 раза. Это объясняется меньшей плотностью и соответственно большей пористостью почвенной толща на крутых склонах. Меньшая плотность почв на крутых склонах связана с медленным нисходящим движением верхнего слоя грунта на склонах в результате его шевеления, вызываемого преимущественно изменением объема при высыхании и увлажнении.

Почвы с ненарушенным сложением обладают достаточно высокий водопроницаемостью и. способны практически повсеместно поглощать атмосферные, осадки без образования поверхностного стока. На серых лесных почвах и почвах бурозеыного ряда, для которых характерно наличие плотного слабопроницаемого иллювиального горизонта, при полном насыщении верхних горизонтов может возникать поверхностный сток, а также внутрипочвенный боковой стж, выклинивающийся в нижних частях склонов.

На сельскохозяйственных угодьях водопроницаемость почв определяется в основном антропогенным фактором. На пастбищах происходит уплотнение почв и соответствующее снижение (до 2030 раз) водопроницаемости, которое зависит от нагрузки и сроков пастьбы скота. На пашне водопроницаемость све^еобработанной почвы в несколько раз выше, чем в естественном сложении,

- 21 -

однако со временем, по мере уплотнения почвы, разрушения ее поверхности дождевыми каплями, водопроницаемость быстро снижается до первых десятых долей миллиметра в минуту. Поэтому на сельскохозяйственных угодьях практически повсеместно возмогло образование поверхностного стока при выпадении ливневых осадков.

В мерзлом состоянии водопроницаемость почвы зависит от влажности промерзшего слоя. Почвы, замерзшие при высокой влажности, ^практически неводопроницаемы.

1.4. Противоэрозионная устойчивость почв.

Устойчивость почв к воздействию активных агентов эрозии (дождевых капель, водных потоков) - комплексная характеристика, зависящая от многих почвенных параметров. В это понятие вкладывалось самое различное содержание - от отдельных почвенных характеристик до интенсивности смыва или размыва почвы в стандартных условиях. Смываемость почвы - понятие, противоположное по смыслу противоэрозионной устойчивости, также широко используется в эрозиоведении.

Большой вклад в разработку методов опенки противоэрозионной.устойчивости почв внесли В.Б.Гуссак (1936), Г.И.Швебс (1974), М.С.Кузнецов (1978), Г.В.Бастраков'(1986). В эмпирических моделях эрозии' большое распространение получили относительная оценка противоэрозионной устойчивости (Иванов, 1975"; Сурмач, 1979). Подавляющее большинство методов дает близкие оценки смываемости основных зональных типов почв. Поэтому важным критерием при выборе, метода опенки противоэрозионной устойчивости приобретает доступность метода и возможность использования результатов стандартных почвенных анализов. К числу наиболее разработанных методов, отвечающих этому требованию, относится предложение В.Д.Уишмейера, Д.Д. Джонсона и Б.В. Кросса (Wi.ichmet.er .^отоп , Сгст , 1971). Они разработали уравнение для расчета смываемости, под которой понимается количество смытой с эталонной площадки почвы, приходящейся на единицу эрозионного потенциала осадков (ЭПО). В качестве аргументов в уравнении используются гранулометрический состав, содержание гумуса, водопроницаемость и структура почвы. При отсутствии информации о двух последних параметрах можно определить смываемость по первым двум. Для удобства предложена номограмма. В Проблемной лаборатории в течение мно-

- 22 -

гих лет проводились работы с этой номограммой. Были разработаны рекомендации по выделению из стандартной фракции 0,250,005 фракции 0,1-0,5, которая необходима для определения смываемости.

При составлении карт зрозионноопасных земель Европейской части СССР, Сибири, Дальнего Востока, Казахстана и Средней Азии была определена смываемость большинства почвенных типов и их разностей.. Смываемость является зональным признаком почвы в той мере, что и содержание гумуса, с которым связано структурное состояние почвы. Зонально обусловленные различия смываемости достигают 370^. Внутри почвенного типа существенные изменения смываемости связаны с гранулометрическим составом почв и. в первую очередь с содержанием пылеватой фракции. Они могут достигать 50-60?. Провинциальные различия почв по смываемости в первую очередь определяются содержанием гумуса и могут достигать 180-200'?. География смываемости почв равнинной территории .СССР определяется зональностью почвенного покрова и распределением почвообразующих пород. В горных районах на смываемость большое влияние оказывает вертикальная поясность почвенного покрова, а также литология почвообразующих пород. Щебнистые почвы отличаются высокой противоэрозионной устойчивостью.

1.5. Почвозащитная роль растительности.

Растительность является важнейшим регулятором эрозионных процессов. Ее влияние на поверхностный смыв .сводится к I) задержанию осадков на надземных частях; 2) защите почв от непосредственного воздействия дождевых капель; 3) снижению скорости отекания воды; 4) механическому скреплению почвы корнями; 5) влиянию на химические и физические свойства почвы, опреде-лнщие ее противоэрозионную устойчивость.

Суммарное количество осадков, задерживаемых растительным покровом, достаточно велико (Молчанов, 1960), однако потери ливневых осадков, способных вызвать смыв, на смачивание растительности невелики и составляют первые проценты (Костюкович, 1948). Основная почвозащитная роль растительного'покрова и опада заключается в диссипации кинетической энергии дождевых капель. Растительной массойпорядка 3 т/га, при условии ее равномерного распределения, практически полностью обеспечивается

- 23 -

100^ покрытие поверхности и осадки не разрушают почву. При снижении проективного покрытия до 50# падает впитывание воды в почву, значительно возрастает скорость отекания воды, увеличивается мутность стока, и в результате интенсивность смыва возрастает настолько, что появляются эрозионные борозды (Ларионов, 1968, 1973, 1979). Эти выводы подтверждаются и другими исследователями (Петров, 1987; Красяощеков, 1977; Ковалев, 1979). Когда в результате смыва обнажается корневая система растений, то существенное почвозащитное влияние начинают оказывать мелкие корни, если их содержание превышает 0,2^ от массы почвы (Кузнецов, 1979; Рачинскас, 1983). Кроме того,корневая масса является тем органическим материалом, который трансформируясь в гумус, повышает противоэрозионную устойчивость почв.

Почвозащитное влияние естественной растительности в конечном итоге зависит от количества растительной массы (живой и мертвой) и поэтому носит зональный характер, на что впервые обратил внимание Н.И.Мёккавеев (1955). Способность растительности противостоять пастбищной нагрузке зависит, от условий увлажнения. В гумидных условиях пастбищная деградация растительности проявляется в смене видов, а в более засушливых условиях - в изрежевании травостоя. Вместе с тем необходимо отметить, что сильное изреживание растительного покрова под влиянием выпаса на обширных пространствах в короткое время невозможно. Животные неспособны поедать более ВСК растительной массы, т.к. расход энергии на дальнейшее отчуждение растительности не компенсируется добываемым кормом (Абатуров, Кузнецов, 1973), в то же время растительность способна без снижения жизнеспособности переносить отчуждение до 75^ годового прироста травостоя (Ларин, 1971).

Почвозащитная способность полевых культур значительно хуже, чем естественной растительности как из-за редкого стояния растений и из-за ежегодного отчуждения во время уборки практически всей биомассы. Пожнивные остатки погребаются при вспашке, в результате чего почва с поверхности оказывается без достаточной защиты значительную часть года.

Таким образом, растительеюсть оказывает влияние на I) ин-фильтраиионную способность почв; 2) шероховатость поверхности; 3) связность почвенной массы; 4) дезинтеграцию почвы; 5)транспортирующую способность потоков малой глубины. В генетических

- 24 -

моделях эрозии очевидно должны учитываться все перечисленные моменты. Отчасти это нашло отражение в работах Г.И.Швебса (1974), Ц.Е.Мирцхулавы (1978), М.О.Кузнецова (1ЭТ8). Это направление однако не получило достаточного развития. В эмпири-чеоких же моделях эрозии почвозащитная способность растительного покрова оценивается обычно коэффициентом, отражающим совокупное влияние растительности и агротехники на смыв. Он представляет собой отношение смыва на площадке, занятой культурой к смыву на площадке с определенным агрофоном при прочих равных условиях, и может быть назван эрозионным индексом культуры. В универсальном уравнении эрозии (\М1с1ипе1ег? ^гп^Ь , 1965,1978) таким эталонным агрофоном служит бессменный пар... Согласно определению и зависимостям 1.12 и 1.16, если на одной из сопоставляемых площадок скорости склоновых потоков будут. принимать околопороговые значения пли инфильтрация на площадке с культурой будет приближаться к интенсивности дождя, а такие случаи в реальных условиях имеют место, то эрозионный индекс культуры не может характеризоваться некоторой постоянной величиной, а будет изменяться в достаточно широких пределах, что обычно и наблюдается. Поэтому значения эрозионных индексов культур будут достоверными при достаточно длинном ряде наблюдений. Биологическая масса культуры, проективное покрытие и другие параметры, в том числе и связанные с агротехникой, изменяются в течение вегетационного периода и после его завершения. Соответственно и почвозащитная эффективность, культуры не постоянна. В связи с этим и внутригодовые распределение эрозионного потенциала осадков (ЭПО) оказывает существенное влияние на годовые значения эрозионного индекса культуры. С учетом этих обстоятельств годовые значения эрозионного индекса культуры Кд можно рассчитывать по формуле взвешенного среднего., если год разделить на периода, в течение которых почвозащитные свойства культур и агрофонов можно считать неизменными. п

Кд=(к<'Д<+ кгЛг +... кпДп)/^Д 1.34

где: . к п - частные эрозионные индексы культур и агрофонов за периоды, в течение которых почвозащитные свойства посевов или агрофонов принимаются неизменными, ... Дп - величины ЭПО, приходящиеся на соответствующие периоды.

Такой способ оценки почвозащитных свойств полевых куль-

- 25 -

тур впервые был использован в универсальном уравнении орозии почв ( VViich meter? Smit К. , I9P5) и основывался на многолетних данных (свыше 10 ООО площадко-лет) сети стоковых станций Службы охраны почв США. В связи с отсутствием отечественных материалов такого объема автор составил таблицу частных эрозионных коэффициентов применительно к агротехнике и урожайности основных полевых культур в СССР (Ларионов, 1984) по материалам QUA. Отличительной ее особенностью является деление вегетационного периода на части по величине проективного покрытия, что представляется более обоснованным, чем отсчет времени от даты сева. В период стока талых вод, продолжительностью от недели до 2 месяцев, почвозащитные свойства посевов и агрофонов не изменяются.

Поскольку сроки сева полевых культур и внутригодовое распределение ЭПО на территории СССР различаются, то очевидно,что годовые значения эрозионных индексов культур . Кд также должны иметь существенные региональные различия. С целью установления региональных значений Кд было проведено агроэрозионное районирование СССР с использованием карты районирования по внутриго-довому распределению ЭПО. Крупные районы были разделены на субширотные части таким образом, чтобы различия в сроках сева не превышали 10 дней. На территории СССР обособилось 62 района, отличающихся по внутригодовому распределению ЭПО и срокам сева. По формуле 1.34 были рассчитаны значения Кд основных групп полевых культур (озимые, яровые густопокровные, пропашные высокостабельные, пропашные низкостабельные), возделываемых по традиционной технологии и плоскорезной обработке почвы.

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СМЫВА НА ПАШНЕ И ЕСТЕСТВЕННЫХ КОРМОВЫХ УГОДЬЯХ.

Наиболее распространенным полевым методом определения смытости почвы, а если известен срок освоения земель, то и средней интенсивности процесса, является сопоставление модности горизонтов эталонного разреза, заложенного на плакоре, с показателями разреза на склоне, или по сокращению мощности верхних горизонтов (Соболев, 1948; Маккавеев, 1971). Метод основан на допущении,' что до земледельческого освоения склона мощность перегнойно-аккумулятивного горизонта на всей поверхности была одинаковой. Однако по этому вопросу кет единого мнения (Лидов, Дидуренко, 1955; Преснякова, 1956; Сурмач,

- 26 -

1954). Изучение закономерности распределения мощности гумусового горизонта на склонах в различных физико-географических условиях показало следующее. Почвы зоны недостаточного увлажнения (преимущественно почвы каштанового и сероземного ряда) и почвы буроземного ряда в условиях хорошего дренажа не обнаруживают заметной зависимости от уклона и экспозиции склона и отличаются сравнительно невысокой вариабельностью горизонта А + Вр Например, мощность гор. А + В2 темных сероземов и каштановых почв на склонах крутизной до 9-10° остается такой же как и на плакорных участках. Мощность перегнойно-аккумулятив-ных горизонтов бурых горно-лесных почв Черноморского побережья Кавказа не обнаруживает зависимости от уклонов в интервале от 10 до 34°

Почвы переходной зоны от достаточного увлажнения к недостаточному (серые лесные, черноземы выщелоченные и обыкновенные) напротив, обладают очень высокой вариабельностью мощность гор. А + В£, как на плакорах так и на склонах. Например, в Семилукском районе Воронежской обл. мощность гор. А + на склонах и плакорах изменяется от 100-120 до 40-50 см.

Как известно, мощность гумусового горизонта резко уменьшается как к югу, так и к северу от черноземного пояса. Поэтому почны, развивающиеся в условиях увлажнения близкого к оптимуму для черноземов, реагируют резким изменением мощности горизонтов при незначительном отклонении от типичных условий увлажнения, вызванных местным перераспределением влаги (уклон, экспозиция, микрорельеф, растительность). В условиях резкого недостатка или избытка влаги изменение увлажнения, обусловленные этим фактором, не оказывает существенного влияния на мощность почвенного профиля при достаточной общей дренированнос-ти местности.

Таким образом морфологический метод С.С.Соболева и поч-венно-геоморфологическое профилирование безусловно пригодны для определения эродированности почвенного покрова и интенсивности эрозии лишь в сухостепной и полупустынной зонах, а в условиях избыточного увлажнения он приемлем в местностях с хорошим дренажом. В иных почвенно-климатических и литологических условиях при наличии полей с границами вдоль склона может быть использован метод парных разрезов (Ларионов, Кирюхина, Самодурова, 1973), позволяющий достаточно полно соблюдать идентичность условий почвообразования.

- 27 -

Названные методы дают достаточно надежные результаты при высоких тешах смыва или длительном земледельческом использовании склонов. При иных условиях представление о наличии эрозионных процессов на пашне, а также об их интенсивности можно получить по наличию и мощности аккумулятивных образований в нижних частях склонов, в замкнутых понижениях и других "ловушках" наносов (Аяигиров, Ларионов, Литвин, 1990).

На пастбищах и других угодьях с естественной растительностью смыв изучался различными полустагаюнарными методами. На участках с сильно изреженной растительностью использовали метод шпилек и микронивелировок. Последний метод позволяет получить представление о темпах смыва в промоинах и между ними. На участках со сплошным покровом применялся метод лотков с приемной емкостью. Лотки, расположенные на различном расстоянии от вершины с боковым смещением, дают представление о темпах смыва и балансе наносов на склоне.

Интенсивность эрозии на пахотных землях определяется как природными (факторами, так и спецификой земледелия. Достаточно широкий диапазон пространственной изменчивости как на региональном, так и на локальном уровнях осложняют изучение географии эрозионных процессов. В связи с этим, несмотря на многочисленные исследования (Гуссак, 1937, Панков, 1937; Козменко, 1937, 1957; Дараселия, 1938; Соболев 1948, 1960; Козлов, 1953; Сурмач, 1956; Сильвестров, 1963; Заславский, 1966; Орлов,1971; Каштанов, 1974; Лидов, Орлова, 1972; Орлов, 1981 и др.) сведения об интенсивности и географии эрозионных процессов недостаточны и фрагментарны. Исследования смыва как правило кратко-временны и обычно дают представление о темпах смыва на коротких отрезках склона с предельными для пахотных земель уклонами, т.к. целью исследований являлась разработка противоэрози-онных мер_. Достаточно часто использовавшийся исследователями метод обмера водороин дает представление лишь об отдельных эпизодах эрозионного процесса. Следует также заметить, что значительно полнее изучен смыв почеы во время снеготаяния.

Обобщение результатов исследований различных авторов и собственных наблюдений с учетом распределения пашни по уклонам и доли эрозионноопасных агрофонов показало, что на возвышенностях севера ЕТ РСФСР смыв за снеготаяние в среднем не превышает 2-6 т/га/год. В пределах Верхне-Волжской низменной равнины смыв за снеготаяние не превышает сотен кг/га/год.

- 28 -

В южной части Русской равнины согласно анализу, выполненному Е.П.Чернышевым (1976), смыв за снеготаяние уменьшается от 1,5 и несколько более т/га/год в Рязанской и Брянской областях до 50 кг/га/год на юго-востоке. Близкие результаты получены для центра Средне-Русской возвышенности (Мишон и др. 1987).

В Западной Сибири на склонах крутизной около 4° смыв за достаточно длинный ряд наблюдений составил 3-4 т/га/год (Орлов, 1977, 1978, 1983, Уваров, 1980; Путилин, 1988). Поскольку на юге Западной Сибири около 84? пашни расположено на склонах крутизной до -3° (Литвин, 1987), то средняя величина смыва за снеготаяние не превышает 0,5-1 т/га/год.

Аналогичная оценка интенсивности смыва за теплую часть года невозможна ввиду отсутствия систематических наблвдений. Эпизодические замеры водороин показывают, что практически повсеместно от предгорий Северного Кавказа до центральной части лесной зоны ETC со склонов крутизной 1-4° смываются десятки, а нередко и первые сотни тонн почвы с гектара за сильный ливень.

Почвенно-геоморфологическое профилирование подтверждает высокую интенсивность ливневого смыва на.Северном Кавказе и Юге ETC. По данным В.П.Герасименко (1987) в Кодровой части Молдавии и на Подольской возвышенности ливневый смыв достигает 80 т/га/год.

В предгорном Дагестане, где эрозионный потенциал осадков ЭПО в 4-5 раз ниже, чем на Северном Кавказе, в целом темпы ■ смыва невысоки, и поэтому определить их методом почвенно-эро-зионного профилирования не удается. О наличии эрозионных процессов свидетельствует широкое распространение намытых почв у подножья склонов мощностью до 1-1,5 м. В горно-дуговом, поясе Кавказа смыв незначителен, т.к. эрозионный потенциал осадков опускается до 1-2 единицы, а почвы отличаются высокой устойчивостью к смыву благодаря большому содержанию щебня.

На подавляющей части ETC, где величина ЕЛО не опускается ниже 5-10 единиц, о достаточно высокой интенсивности ливневого смыва на почках, сформировавшихся на суглинистых породах, свидетельствует наличие коррелягных отложений почвенных масс в "ловушках" наносов от Северного Кавказа до севера Калининской области.

- 29 -

При стоке талых вод смыв начинается на значительном удалении от водоразделов, где потоки воды способны отрывать и транспортировать почвенные частицы. При стоке ливневых вод, благодаря энергии капель дождя, смыв почв осуществляется практически от вершины склона. Верхние звенья ручейковой сети в этом случае выполняют роль транспортных артерий, по которым переносится материал, смытый пластовыми потоками. На крутых склонах пластовые потоки и мелкие ручейки поставляют в склоновые ложбины столько материала, что в них происходит накопление наносов. На пологих склонах в ложбинах преобладает смыв.

Эрозия на пастбищах имеет очаговый характер. На участках с ненарушенной дерниной или напочвенным покровом смыв повсеместно, включая Среднюю Лзию и Кавказ, не превышает десятков и первых сотен кг/га/год (Алекперов, 1958; Ларионов, Еураев, 1976; Ажигиров,- 1984). На'участках с нарушенным растительным покровом, которые приурочены к местам концентрации скота,смыв в зависимости от уклона, величины ЭПО и свойств почв возрастает до десятков и первых сотен т/га/год. В полупустынных районах Дагестана и Средней Азии, где имеются выходы легкодиспер-гируицихся соленосннх пород, интенсивность смыва, несмотря на малое количество осадков, составляет многие десятки т/га/год. На щебнистых почвах пастбищная эрозия затухает достаточно быстро в результате образования слоя щебня на поверхности склона, выполняющего роль мульчи.

В горных районах распространена специфическая Форма разрушения почвенного покрова, связанная с регрессивным смещением уступов в результате осыпания почво-грунта из-под дерн0Е0-го слоя и. последующего сноса осыпного материала агентами денудации. Вертикальность уступов поддерживается бронирующим эффектом дернины. Наибольшие скорости характерны для сильнощебнистых почв (табл. 2.1).

3. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПОВЕРХНОСТНОГО ЯША.

Сложность и трудоемкость полевого определения интенсивности смыва вызвали повышенный интерес к математическому моделированию поверхностной эрозии. Первые авторы моделей (Корпев, 1937; Костяков, 1960; Хортон, 1948), не имея достаточного экспериментального материала, основывались преимущественно на элементарных представлениях о гидравлике склоновых потоков.

Таблица 2.1

Средняя скорость перемещения уступов в Сланцевом Дагестане

Крутизна склона; Высота уступа,

Скорость смещения, _1 см/год____

град 30 30 18 30 26

36,9

31,0

26,5

см

8,0 28,2 20,4 31,2 19,8

По мере накопления экспериментального материала и изучения механизма поверхностной эрозии появились эмпирические модели эрозии. К их числу относится универсальное уравнение эрозии, прошедшее длительный эволюционный путь развития. Оно основано на обширном экспериментальном материале и в этом отношения, не имеет аналогов. Уравнение используется во многих странах для проектирования протиэоэрозионных мер.

Среди отечественных эмпирических моделей эрозии наиболее известна разработка В.Д.Иванова /1975/, Г.П.Сурмача /1979/ и Государственного гидрологического института (Инструкция ..., 1979). Последняя построена на достаточно обширном экспериментальном материале и обеспечена исходными данными для большей части ETC. Использование первых двух моделей ограничено центрально-черноземными областями и смежными территориями. Эти модели построены на зависимости смыва от слоя стока. Проверка их по независимым данным показывает, что модели Г.П.Сурмача и особенно В.Д.Иванова сильно завышают смыв, а модель ГГИ дает заниженные результаты. Основным недостатком модели ГГИ является то, что функция длины склона представлена в неявном виде, что исключает возможность использования ее для проектирования противоэрозионных мер. Кроме того в модели принято слишком огрубленное деление почв по противоэрозионной устойчивости, а используемый в модели слой весеннего половодья исключает возможность учета влияния механического состава почв на -склоновый сток.

В логико-математической модели Г.И.Швебса /1974/ учтено влияние энергии дождя на эрозионную способность склоновых потоков и найдено,удачное решение проблемы склонового стока.

- 31 -

Однако, положенные в основу модели данные о зависимости смыва от водоотдачи, полученные путем дождевания малых площадок, скорости потока на которых близки к пороговым значениям, привели к значительному завышению влияния интенсивности водоотдачи на смыв. Согласно логико-математической модели при высокой интенсивности осадков смыв пропорционален интенсивности дождя в степени 3,7. По данным площадок больших размеров показатель степени снижается до 2.1 /\М4сЬте1ег, ¿т^к , 1958/ и 1.94 /Григорьев, Краснов, Ларионов, 1981/.

Другое перспективное неправление в области моделирования эрьзионных процессов основано на гидромеханических представлениях.. Его использовали В.В.Звонков /1963/, Ц.Е.Мирпхулава /1970, 1976/. Наиболее полное и последовательное развитие оно получило, в работах Ц.Е.Мирнхулавы. Им разработано руководство для определения смыва /1978/, при разработке которого использовалась таблипа частных эрозионных индексов .различных культур и агрофонов из универсального уравнения эрозии.

В модели Ц.Е.Мирнхгашвы отрыв частип пропорционален безразмерному выражению ^^/^одогг" ^ • Из неГ0 слеДУет. что в зависимости смыв-уклон показатель степени при уклоне при вполне развитом процессе смыва принимает значения, приближавшиеся к 0,66, что не согласуется с экспериментальными данными.

4.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ а,ШВА ДНЯ

СЦЕНКИ ЭРОЗИОННОЙ ОПАСНОСТИ НЕМЕЛЬ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПР0ТИВ0ЭР03ЮНИЫХ МЕР.

Проектирование противоэрозионных мер на количественной основе является актуальной задачей. Однако применение эмпирических моделей эрозии для этой цели сдерживается присущими им недостатками, отсутствием необходимого справочно-информапион-ного аппарата и соответствукщих методик.

4.1. Адаптация эмпирических моделей для оценки эрозион-ноопасных земель.

Опыт применения универсального уравнения эрозии показал, что оно дает завышенный смыв как на крутых склонах, так и на длинных пологих. Для устранения этого недостатка, используя теоретические выводы, некоторые результаты полевых исследований /.Кирюхина, Ларионов, Самодурова, 1973/, а также модель

ГГИ, предложены новые зависимости для опенки фактора уклона и длины склона. Зависимость для расчета фактора уклона имеет вид:

[Э] = •!8, 62(О,(Я А)] [1= (1 НО0'3"~°'°61)]Ч,т 4.1

где - уклон в % . Существенные расхождения между зависимостью 4.1 и универсальным уравнением начинается с уклонов более 16^. В зависимости смыв-длина склон, как, было показано в главе I, показатель степени при длине р уменьшается с длиной. Постоянство неличины р в'универсальном уравнении является причиной существенного .завышения смыва на длинных склонах. Для устранения этого недостатка предложена.зависимость, уменьшающая величину р по мере увеличения длины склона. Она имеет вид: -0 15

р =0,2. + 2,35(р-0.2)(Кб) ' 4.2 к

где р - показатель степени при длине в универсальном уравнении эрозии, равный 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 соответственно при уклонах « I; 1-3; 3-5; 5%; к - порядковый'номер отрезка; -С - длина отрезка, м.

С учетом изложенного, а также формулы. 2.28 фактор рельефа Р в универсальном уравнении имеет вид:

х. <1 + ^0,34-0,0 6j.it -ги,иоэ 4.3

где К^Кц.,- коэффициент поперечного профиля склона на к и к-4 отрезках склона; <£ ^ - уклон на к -ом отрезке склона, %ш

Остальные обозначения прежние.

Модель смыва при стоке талых вод, разработанная в ГГИ /Инструкция..., 1979/ при всех достоинствах не может быть использована 'для проектирования противоэрозионных мер, т.к. функция длины склона представлена в ней в неявном виде. Пользуясь сведениями о'длине ручьев разных порядков, образующихся на склонах при снеготаянии, содержащимися в "Инструкции..., (1979) и работе Н.Н.Бобровицкой (1978), а также зависимостью 1.23, были расчитаны значения смыва для 50 и 100-метровых отрезков по зависимости: р ^ ,,

ш, ^ у^Ш+ууьдп Гк+-(М ] 4>4

где - число отрезков, на к1оторые разбиваются длина ручь-

ев I, П и Ш порядков; Wr? Wj , W-^ - модуль смыва для ручьев соответствующих порядков. Величина Р расчитывается по зависимости

р = ууд(ш)-е?^кд)

rfleLj-5 L-j^Ljjj- длина ручьев соответствующих порядков.

Графическим путем был сглажен переход от ручьев I порядка ко 2-му и от 2-го к 3-му. Такой расчет проводился для всех почв и различных слоев паводочного стока.

По .зависимости слой склонового стока - смыв, содержащийся в работе Н.Н.Бобровипкой /1987/ для значений смыва, расчитан-ного по 4.4 и 4.5 с последующим сглаживанием кривых, были найдены соответствующие значения слоя склонового стока, который может быть определен по запасу воды в снеге и коэффициентам стока, предложенным Д.Е.Водогрешшм (1979).Они имеют зональный характер и отражают влияние уклона и механического состава почв на сток талых вод.

Также было детализировано влияние почвенного фактора на смыв, которые в модели 1ТИ представлены лишь тремя градациями. Путем интерполяции были составлены графики зависимости смыва от слоя стока для всего диапазона смываемости с шагом 0,25. Таким образом смываемость почвы, расчитанная по номограмме из универсального уравнения смыва была увязана с моделью ГГИ.

фактор уклона лля СМЫЕа от талого стока по анало-

гии с'зависимостью 4.1 может быть записан в виде

Вт]=^,27^п[айс£д(0,0иШ:(^Ю0'34'0'")] 4.6

Обозначения прежние. Свободный член отсутствует, т.к. на склонах с уклоном, близким к нулю талый сток, в отличие от дождевого, эрозии не вызывает. Увеличение коэффициента до 48,27 связано с тем, что эталонный уклон площадок равен 3^, а не 9^ как в универсальном уравнении эрозии.

Таким образом, смыв от стока талых вод для отдельных отрезков склона находится по графикам, а затем вводится поправка на уклон по зависимости 4.6.

Предложено также аналитическое выражение, охватывающее всю совокупность графиков, что позволило автоматизировать расчеты талого стока по отрезкам склона.

Таким образом были модифицированы универсальное уравнение эрозии и модель ГГИ для смыва от стока талых вод. Они

обеспечены необходимыми исходными данными. Составлены карты эрозионного потенциала осадков, предложены частные коэффициенты почвозащитных свойств полевых культур, проведено районирование территории СССР по почвозащитным свойствам посевов. Разработаны рекомендации по использованию стандартных почвенных анализов для определения смываемости почвы. Данные по снежному покрову содержатся в климатических справочниках.

Разработана методика составления разномасштабных карт эрозионноопасных земель /ЭОЗ/ для проектирования противоэрози-онных мер на различных стадиях проектно-изыскательских работ. Методика составления крупномасштабных карт ЭОЗ состоит из нескольких этапов. На первом составляется карта смываемости почв, для чего используются данные стандартных почвенных анализов и почвенные карты хозяйств (М 1:10 ООО и 1:25 ООО). Второй этап заключается в составлении'карты эрозионного потенциала рельефа (ЭПР). На топографической карте соответствующего масштаба проводятся линии тока и разбиваются на 100 или 125-метровые отрезки. Для каждого отрезка определяется средний уклон. По уклону и номеру отрезка расчитывается эрозионный потенциал рельефа (ЭПР) и записывается у соотЕетстз<унцего отрезка.

Расчет смыва от стока ливневых вод проводится после совмещения карт смываемости и ЭПР. Смыв получают перемножением смываемости, ЭПР и эрозионного потенциала осадков (ЭПО), величина которого снимается с соответствующей карты. Аналогичным образом определяется и смыв от стока талых вод. Для этого на карте смываемости выделяются ареалы песчаных и супесчаных почв, что необходимо для определения коэффициента стока. Талый и ливневый смыв суммируются, результат записывается у соответствующих отрезков. На заключительном этапе проводятся изолинии суммарного потенциального смыва.

При составлении карг ЭОЗ среднего и мелкого масштаба линии тока проводятся на крупномасштабных картах через равноудаленные друг от друга точка (это могут быть узлы координатной сетки) вверх до водораздела или границы пашни. Порядковый номер отрезка определяется делением длины линии тока от узловой точки до верхнего конца на длину отрезка. К частному прибавляется I, а дробная часть отбрасывается.

Уклон измеряется вблизи узловой точки. Затем по зависимости 4.3 определяется ЭПР. Для каждой территориальной единицы (для среднего масштаба - это хозяйства, для мелкого - мор-

Дологический район) необходимо 400-600 измерений. При составлении мелкомасштабных карт топографические листы е количестве 15-20 штук на каждый морфологический район отбираются методом регулярной выборки. После завершения измерений и расчетов значения ЭПР разбиваются на классы с шагом 0,25 и расчитывается площадь £р пашни (или других угодий), приходящейся на каждый класс ЭПР по зависимости

^=-^-•100%, 4.7

где: Ир - число измерений ЭПР, пришедшихся на р -класс;

-V - общее число измерений ЭПР в хозяйстве или морфологическом районе.

Карта смываемости составляется на основе почвенной карты соответствующего масштаба. На нее наносятся также границы природных зон. Для расчета смываемости используются данные анализов из почвенных отчетов или литературных источников. Кроме того составляется карта почвозащитных свойств агроценозов в теплую и холодную часть года, а также естественной растительности. Для этого собираются данные о структуре посевов и агротехнике в разрезе соответствующего административно-территориального деления. Основой для такой карты служит карта угодий. Она же является основой для составления карты ЭОЗ. Путем совмещения факторных карт территория делится на элементарные ареалы, в которых факторы рельефа, почвенный и растительности принимаются постоянными. При этом фактор рельефа представлен не средней величиной ЭПР, а задан в виде распределения. Для каждого элементарного ареала снимается с соответствующих карт средние значения ЭПО и запаса воды в снеге. Для каждого элементарного ареала ливневой смыв определяется перемножением произведения ЭПО, смываемости почвы и эрозионного индекса растительности на величину верхних границ классов ЭПР. Для определения средних уклонов, характерных для классов ЭПР, по материалам расчета ЭПР составляются графики связи между ЗПР и уклонами по каждому хозяйству или морфологическому району. Уклон, природная зона и механический состав почвы используются для отыскания коэффициента талого стока по таблицам Д.Е.Водогренкого /1979/.

Слой стока в пределах элементарного ареала определяется для земель с различными классами ЭПР умножением запаса воды в снеге па соответствуйте коэффициенты стока. Дальнейшие вы--

- 36 -

числения смыва за период снеготаяния проводятся как при составлении крупномасштабных карт ЭОЗ. Смыв от стока талых и ливневых вод суммируется по классам ШР.

Завершающим этапом работы является расчет распределения сельскохозяйственных угодий по категориям эрозионной опасности, который производится по формуле

где 5 п. - площадь земель (в % от площади элементарного ареала) п - ой категории эрозионной опасности; IV гм и VI/п -соответственно верхняя и нижняя границы п -го класса эрозионной опасности; \/Ур , 1Ур-| - смыв на верхней границе р -I и р-го класса ШР, отвечающий условию

и - смыв на нижней и верхней границах р-^-го

класса ЭПР, отвечащий условию ХЛ/'р+^'^А ■ < ЛЛ/р^ ; бри,... процент земель от площади элементарного

ареала, приходящихся на соответствующие, классы ЭПР.

Эти данные позволяют расчитать средний смыв в пределах элементарного ареала, а также, соотношение ЭОЗ в пределах административно-территориальных единиц. Вместе с материалами, полученными при. определении ШР, они обеспечивают информацию, необходимую для расчета объемов и стоимости противоэрозионных мер.

5. ПР0ТИВ0ЭР031ШНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

5.1. Классификация противоэрозионных мер

В этом разделе приводится общепринятая классификация противоэрозионных мер (ПМ). Опыт работы на северном Кавказе показал необходимость выделения нового класса ПМ - луго- и пастби-щемелиоративных. Агромелиоративные ПМ (АПМ) по принципу действия могут.быть разделены на следующие группы: I) водозадержи-вавдие; 2) водопоглощащие; 3) водосбросные; 4) повышающие противоэрозионную стойкость почв; 5) защищающие почву от непосредственного воздействия доздя и стока; 6) комплексные. Далее следует краткое описание наиболее распространенных ПМ.

5.2. Оценка эффективности противоэрозионных мер.

Оценка эффективности АПМ может проводиться по их влиянию на отдельные факторы смыва. Этот способ легко осуществим в рамках моделей эрозии генетического типа. В частности он при-

-Отменяется в модели Ц.Е.Мирцхулавы /Методические указания..., 1978/.

В рамках эмпирических моделей принято оценивать эффективность А11М по отношению смыва с участка, на котором применяется противоэрозионный прием, к смыву с участка, на котором ПМ отсутствует при равенстве прочих условий. В этом случае согласно зависимостям 1.2 и I.I.I6 эффективность АПМ зависит от соотношения интенсивности осадков и интенсивности впитывания, противоэрозиояной устойчивости и ряда других достаточно вариабельных факторов. Поэтому достоверной можно считать эффективность АПМ, полученную по достаточно длинному ряду наблюдений, и что эффективность АПМ в значительной, мере определяется физико-географическими условиями,, что и подтверждается экспериментальными данными. Поэтому предпочтение следует отдавать тем АПМ,которые испытаны в местных условиях. Далее рассматриваются общие принципы применения АПМ и приводится таблица целесообразности использования многих из известных АПМ в различных условиях рельефа, увлажнения, а также ряда почвенных параметров.

5.3. Определение объемов противоэрозионных мер.

Решение этого вопроса во многом определяется этапом проектирования. На стадии схем объемы расчитываются в укрупненных показателях по административно-территориальным единицам. По мере укрупнения масштаба объемы и состав ПМ уточняются и конкретизируются. Поэтому проектирование ПМ на всех стадиях проектно-изыскательских работ должно выполняться на основе единых принципов и методов. Игнорирование этого положения при составлении областных Генеральных схем противоэрозионных мер привело к тому, что результаты оказались несопоставимыми. Опыт сопоставления Генеральных схем ПМ показал, что оптимальное решение проблемы может быть достигнуто .тишь на основе количественной опенки интенсивности эрозии и единых принципах отбора ГОЛ.

В целом разработка комплекса IIM включает 3 этапа. В первом, руководствуясь обидами принципами (см. 5.2) составляется перечень ПМ, отвечающих местным условиям и сложившейся системе земледелия. На следующем этапе из числа отобранных ПМ составляются противоэрозионные комплексы, обеспечивающие снижение смыва до требуемого уровня. На заключительном этапе рас-

читываются объемы ПМ и их стоимость.

Составление комплекса ПМ для внутрихозяйственного земле-устойства проводится в несколько этапов таким образом, чтобы на каждом из них удовлетворялось условие

wflon >/ wn (пд. к д ■• м; • р; •. • м^ pi+ат кт м; р} ... м ; р|Ь. i

где Wflon - допустимая (нормативная) величина смыва, т/га/гси;

Wn. - суммарный потенциальный (без растительного покрова) смыв, т/га/год; Пд,Ит ~ отношение соответственно ливневого и талого смыва к суммарному; Кд , Кт - эрозионный индекс севооборота соответственно за теплую часть года и период снеготаяния; Мд,Мт - коэффициент почвозащитной эффективности Ш в теплую часть года и в период снеготаяния; Р д , Р т - отношение числа полей, на которых могут применяться соответствующие ПМ, к общему их числу в севообороте.

Составляется несколько севооборотов с различным насыщением культурами с высокими почвозащитными свойствами таким, образом, чтобы выйти на необходимые площадки посевов различных культур. Сначала размещаются севообороты с плохими почвозащитными свойствами на землях с незначительным смывом. Если его не удается разместить без применения ПМ, то по зависимости 5.1 расчитывается предельное значение W^ . Площадь ограничения изолиний смыва Wn не нуждается в ПМ. Затем в севооборот вводятся АПМ и рассчитывается Wn . Площадь, на которой они применяются соответственно заключена между изолиниями смыва Wn и Wn • Таким образом вводятся все более сложные и дорогостоящие АПМ. Если предельным насыщением севооборота АПМ не удается снизить смыв до приемлегого уровня, то вводятся гидротехнические ПМ (ПМ) - валы, террасы и т.п. Первое сооружение располагается по изолинии смыва, ограничивающей севооборот с предельным насыщением АПМ.

Для определения местонахождения второго водорегулирующего сооружения вновь ра.¡читывается Wn по частям линий тока, лежащим ниже первого сооружения. При этом набор АШ.1 может быть как полным так и частичным, что определяется сопоставлением текущих затрат на АПМ и капитальных затрат на ГПМ. Принимается вариант с меньшими затратами.

На стадии предпроектных работ (средний и мелкий масштабы) объемы ПМ расчитываются по распределению пашни по категориям потенциальной эрозионной опасности. Сначала составляется

- 39 -

несколько севооборотов. Один из них должен быть предельно насыщен культурами с плохими почвозащитными свойствами. Игл присваиваются номера в порядке уменьшения эрозионного-индекса. Причем, культуры в севооборотах должны размещаться по возможности по лучшим предшественникам. Желательно сохранить сложившуюся структуру, посевов.

На следующем этапе расчитываются эрозионные индексы этих севооборотов за.теплую часть года К д и в период снеготаяния Кт (см. 1.5). Расчет объемов противоэрозионных мер начинается с севооборота, насыщенного культурами с низкими почвозащитными свойствами. Прежде всего находится площадь SQ( .на которой этот севооборот может использоваться без противоэрози-онных^мер, по формуле

Рр-'Чр-4р-! ( ПАКа+ПтКт V5W-0- 5-2

где - площадь земель, на которых севооборот можно использовать без применения противоэрозионных MepjW^p.^ , Wnp ~ потенциальный смыв на верхних границах соответственнор-1 -го и Р -го класса ЭПР, отвечающий условию

Wnp-I « nJt*n.Kr < . % Sp-« „ - W

площадей земель с I до p-< -го класса ЭПР, %.

Если площадь $ 0( меньше площади, которую должен занимать рассматриваемый севооборот, в него вводятся простейшие (фоновые) противоэрозионные меры (обработка почвы и посев поперек склона). Площадь 5 о2 , на которой может применяться рассматриваемый севооборот с простейшими противоэрозионными мерами, определяется по формуле:

Q , (_^доп__.7, г_

Обозначения прежние.

Затем вводятся более сложные противоэрозионные меры и еновь определяют площадь ( ), на которой тот же севооборот мо-

жет быть использован с комплексом простейших и более сложных противоэрозионных мер. Такие расчеты продолжают до тех пор, пока не разместят все севообороты. Если с применением агротехнических мер разместить их не удается, то для оставшейся части эрозионноопасных земель расчитывают объем (протяженность) ГПМ, используя для этого материалы расчета потенциального смыва по классам эрозионного потенциала рельефа.

- 40 -

Протяженность водорегулирующих сооружений Ь р определяется по зависимости

, _ (М ЗрТ , .

Ьр--^- > КМ 5.4

где ¿р - площадь пашни р -го класса ЭПР, на которой смыв не может быть уменьшен до заданного уровня АПМ, Т - общая площадь пащни в элементарном ареале, га; £р - расстояние по склону между сооружениями на пашне с р -ым классом ШР, м.

Расстояние между сооружениями определяется графически. Для этого сначала расчитывается критическое значение ШР /Ррпор / по зависимости

р ь__РрУУдог,_

где Рр - верхняя граница р-го класса ШР; Wпp- потенциальный смыв на верхней границе р-го класса ЕПР, который не может быть снижен до заданного уровня АПМ. Остальные обозначения прежние.

Такие расчеты проводятся по всем классам ЭПР, если соот-ветствувдий им смыв не может быть снижен до заданного уровня АПМ.

5.4. Допустимый уровень смыва

Основной целью ПМ является поддержание почвенного плодородия на достаточно высоком уровне в течение длительного периода времени, что достижимо в том случае, если смыв не будет превышать темпов почвообразования. Вопрос о темпах почвообразования еще далек от решения, поэтому известные придержки (Бельгибаев, Долгилевич, 1970, Геннадиев, Пацукевич, 1987; Шикула, Рожков, Трегубов, 1973; Морган, 1934;. У/|5с1"1те1еа , Ь т -ЬЬ 1965) вызывают сомнение. В районах давнего освоения за допустимый может быть принят смыв в той части склона, где несмытые почвы переходят в смытые (Иванов, 1284). При наличии средне- и мелкомасштабных карт эрозионноопасных земель допустимая величина смыва М/деп может быть определена по завися-

УУдоп тг- р—- , 5<6

^Зр -

где $н.с.ч - площадь несмытых йочв в административно-территориальной единице, укладывающейся в элементарном ареале, ££ суша ПЛ0ЩаДей пашни, приходящейся на классы ШР,

1 ' 4

р - 41 м

отвечающих условию н.см ^ . \А/р.|,У/р

- суммарный смыв на верхних границах р-< и р -го класса ЭПР, т/га/год.

Расчитанный таким образом потенциальный смыв для несколь-, ких разностей черноземов составил 2,5 - 3 т/га/год (Белоцер-ковский. и др.,. 1983).

Ряд исследователей предлагают принять более жесткие нормы (Заславский, 1984). Это приводит к резкому увеличению .затрат'на ПМ (табл. 5.1). Поэтому при установлении величины допустимого смыва должны учитываться также сопиально-эконо-мйческие' приоритеты и возможности общества.

6. ДЕФЛЯЦИЯ.

Под дефляцией понимается захват и перенос частиц грунта ветром. Распространение и интенсивность дефляции определяется двумя ведущими факторами - ветровым режимом и наличием земной поверхности без растительности или .с изреженным растительным покровом. Систематическое изучение дефляции началось после сильных пульных бурь, охвативших обширные пространства в США и в СССР.

6.1. Основные факторы дефляции и их количественная оценка.

Дефляцнопный потенциал ветра (ДЦВ) обычно представляется в виде куба скорости ветра (Уилсон", Кук, 1936; Багнольд,1941), в виде разности кубов скорости ветра и пороговой скорости (Гвоздиков, 1962) или, наконец, куба разности (Закиров, 1968). Исходя из гидрофизических представлений, изложенных в разделе 1.1, по аналогии дефляционный потенциал ветра В'ь может быть представлен в виде

в^ =0,00-12 и^- ^ В •• (Ч -но'51(<" и'/Ыо))] 6.1

где В[ - дефляционный потенциал ветра при I -ой пороговой. .скорости; - средняя скорость ветра | -ой скоростной градации; ^ - повторяемость ветров | -ой градации в процентах от общего числа наблюдений в месяце.

Данные, необходимые для расчета Д1В, содержатся в климатическом справочнике СССР. В процессе исследований дефляции в различных регионах была составлена серия карг Д1В СССР с пороговыми скоростями 5,7,9,11,13 и 15 м/с. Изолинии на всех картах имеют сходную конфигурацию, но отличаются по абсолютным

Таблица 5.1

Затраты на противоэрозионные меры в ЦЧО при различных уровнях допустимого смыва

Величина допустимого смыва, т/га/год

1а звание области I 2 3 : 4 : 6 8 10 : 15

Затраты на противоэрозионные меры*, тыс.руб./млн. га пашни

Белгородская 2715 2146 1703 1301 528 413 203 88

328923 70133 11572 351 - - - -

Воронежская 2146 1232 841 592 401 200 103 38

151671 33562 4218 367 - - - -

Курская 2801 2041 1273 946 600 418 212 116

454301 104454 18831 707 294 - - -

Липецкая 2033 1119 687 402 246 75 70 25

128122 17242 5280 1056 - - - -

Тамбовская 1350 270 85 37 23 16 13 _

16550 1024 230 - - _ _ _

4=. го

* В числителе текущие затраты на ЛПМ, в знаменателе - капитальные затраты на ГПМ.

- 43 -

значениям ДИВ. Анализ карты показывает, что пояс низких значений Д1В тяготеет преимущественно к лесной зоне, а также к антициклоническим областям .(Якутия). Зоны повышенных значений ДПВ приурочены к юго-западной периферии Сибирского антициклона, прибрежной полосе морей и океанов, а также к безлесным пространствам Севера СССР.

Рекордно, высокие значения Д1В характерны для районов,где быстро движущиеся воздушные потоки испытывают боковое стеснение или вынудцены переваливать через возвышенности. Типичным примером бокового стеснения может служить устье Ферганской долины. Высокие значения ЖВ на Северном Кавказе - следствие бокового стеснения воздушных пот.окой иго-восточных и восточных румбов Кавказских хребтов и подъема воздушных масс на Ставропольскую возвышенность. На ее северозападных скатах скорость холодных воздушных масс не падает, благодаря гравитационной составляющей. Роль гравитационной составляющей отчетливо проявляется также на западных скатах Мугоджар.

Для учета влияния динамики развития культур на развитие дефляции составлена карта районирования СССР по внутригодово-му распределению ДПВ.

Дефлируемость почвы определяется ее физическими свойствами и в первую очередь прочностными характеристиками ее зерен, которые в свою очередь определяются гранулометрическим составом, содержанием гумуса и карбонатов (Chepit , 1950, 1955; Chepit .Woodruff , 1963; Бараев, Зайцева, 1975). По аналогии со смываемостью количественным показателем дефлк-руемости может служить количество почвы, вынесенной с широкого и достаточно протяженного вдоль направления ветра поля. Впервые такой подход применил B.C.Чепил (Chepif , I960). В отечественной литературе более распространена оценка противо-дефляшонной устойчивости почвы по величине пороговой скорости ветра, а также относительные оценки, которые основаны на прочностных характеристиках агрегатов, содержании гумуса и т. п. (Шиятый и др., 1976; Андрейчук, 1983). На основании упомянутых выше работ автором предложена зависимость для определения относительной характеристики противодефляпионной устойчивости почв ( П д ) по данным стандартных анализов:

Пд-24,7+ 0,9а- 0,3 6- 0,Ad + С0,85 6.2

где cl - содержание ила/ < 0,001 мм/, ß - содержание

- 44 -

мелкого песка (0,05-0,25 мм), д> - содержание крупного песка ( > 0,25 мм), С - содержание гумуса, X. Переход от относительной противоэрозионной устойчивости к пороговым скоростям проводится по таблице 6.1, составленной путем сопоставления ЛА и пороговых скоростей для многих почвенных разностей.

Таблица 6.1

Против одефляшонная устойчивость почв и пороговые скорости ветра

Пд

16-25: 26-35:36-50 :51-65: 66-75:76-85'.86-95 Ь95

Пороговая 6 7 8 9 10 II 12 13 14 скорость ветра, /м/с/,

Противодефляционная способность растительного покрова определяется преимущественно снижением скорости воздуха в приземном слое, однако это направление не получило достаточного развития иэ-за сложности явления. Более распространена оценка почвозащитной способности растительной массы (т/га) по снижению выноса почвы с поля ветром. Как следует из формулы 5.1 при околопороговых скоростях ветра эффективность растительного покрова будет значительно выше, чем в запороговой области, что и нашло отражение в номограмме, составленной по материалам полевых наблюдений в окрестностях Гарден-сити в США, и приведенной в работе Е.Л.Скидаора и Н.Р.Вудрафа (Skid-more, Woodru-f^, 1971). Поскольку данные о количестве растительной массы в различные сезоны года в агроклиматических справочниках не приводятся, номограмма нами была переведена в табличную форму по типу таблицы частных эрозионных индексов. Сведения о фазах развития культур содержатся, в агроклиматических справочниках. Таблица составлена для средних значений ДОВ.

По аналогии с агроэрозионннм районированием выполнено агродефляпионное районирование СССР. На территории СССР обособился 41 агродефляшонный район, Агродефляционный индекс

К г* на территории СССР изменяется в достаточно широких пределах (от 0,19 до 0,9).

- 45 -

Распространению дефляции на территории СССР посвящено много работ, но в большинстве своем наличие и интенсивность ветровой эрозии оценивались по числу дней с пыльной бурей. Такой метод дает сильно завышенные результаты, т.к. пыльные бури фиксируются при скорости больше 15 м/с и снижении видимости, причиной которой может быть пыль, принесенная издалека или с дорог. При этом конечно разрушения почвенного покрова не происходит. Более надежные результаты дают полевые обследования, т.к. эоловые аккумулятивные образования у лесных полос и у других препятствий являются верным показателем наличия дефляции. По мощности эоловых отложений можно получить представление об интенсивности дефляции. Аналогом почвенно-эрозионно-го профилирования является закладка профилей в межполосном пространстве вдоль направления господствующих ветров. Эталоном в этом случае может служить почвенный профиль в лесной полосе, с момента посадки которой дефляция в ней прекращается и сменяется аккумуляцией. Эоловая толща легко диагностируется. Разность мощности почвенных профилей в поле и под лесной полосой дает толщу развеянной почвы. Зная возраст лесной полосы, легко определить среднемноголетние темпы дефляции.

По результатам многолетних маршрутных обследований лесных полос составлена карта распространения дефляции на юге ЕТ РСФСР и юго-востоке Украины. Сопоставление карты распространения дефляции с каргой дефляционного потенциала ветра показывает,. что ареалы дефляции в районах с пересеченным рельефом совпадают с областями высоких значений Д1В. Климатический и почвенный фактор не оказывают заметного влияния на распространение дефляции. Ареалы дефляции приурочены преимущественно к приводораздельным поверхностям, а также к западным и северозападным скатам возвышенностей. Отдельные очаги дефляции выявлены в горных и предгорных районах Северного Кавказа и Дагестана. Они приурочены к местным усилениям скорости ветра, вызванным стеснением воздушных масс в долинах, седловинах и т.п. На равнинах распространение дефляции определяется преимущественно почвенным фактором. Так в Дагестанской части Прикаспийской низменности пашня подвергается дефляции, если почва содержит илистых частиц менее 12-13^. В Средней Азии дефляции подвержены также почвы супесчаного и песчаного состава.

Среднемноголетняя интенсивность дефляции на Северном Кавказе и Нижнем Дону в очагах сильной дефляции составляет

Информация о работе

Ларионов, Геннадий Александрович
доктора географических наук
Москва, 1991
ВАК 11.00.04

Автореферат

Похожие работы