Интенсивность эрозии почв в природных зонах и сток наносов

Зональные особенности структуры водного баланса водосборов отчетливо проявляются не только в химическом составе континентальных водных масс, но и концентрации речных наносов. Под этим термином понимают совокупность взвешенных в воде, а также влекомых течением по речному дну твердых частиц грунта, размытого водой при стекании со склонов (плоскостная, ручейковая и овражная эрозия) или русловым потоком {русловая эрозия).

Ведущий фактор водной эрозии и формирования стока наносов — энергия потока, пропорциональная его расходу и уклону подстилающей поверхности. Фактором, ограничивающим эрозию, служит связность грунтообразующего материала (скальные, мерзлые, глинистые, песчаные грунты), структура почвенного слоя и степень защищенности его поверхности (от воздействия капель дождя) растительным покровом и ее связности корневой системой фитоценоза.

Хозяйственная деятельность общества, преобразующая естественные ландшафты в сельскохозяйственные угодья и урбанизированные территории, существенно влияет не только на внутригодовую изменчивость речного стока, но и на сопротивляемость почвеннорастительного покрова эрозионной деятельности ливней и склонового стока. К концу XX в. площадь преобразованных человеком ландшафтов превысила 14 млн км² (11% суши, свободной от ледникового покрова). В большинстве хозяйственно освоенных территорий эрозия интенсифицировалась [2] и насыщенность речных водных масс наносами увеличилась главным образом вследствие:

• • распашки степей и прерий (более 70% их целинных земель уже распахано), сведения лесов и распашки бывших лесолуговых угодий, осушения заболоченных земель;
• • горного скотоводства, способствующего увеличению интенсивности склонового стекания воды в многоводные фазы стока — в половодье и паводки;
• • добычи полезных ископаемых горной, газои нефтедобывающей промышленностью, сооружения дорожной сети и трубопроводов;

. строительных работ на урбанизированных территориях, дночерпательных работ на судоходных трассах, добычи строительных материалов в речных долинах, гидромеханизации при сооружении плотин.

В то же время отдельные виды хозяйственной деятельности снижают склоновую и русловую эрозию:

• • лесопосадки, сельскохозяйственное террасирование склонов, рисоводство, культивирование сахарного тростника;
• • русловыправительные и селезащитные гидротехнические сооружения.

В основу оценки масштабности глобального процесса формирования наносов Г. Н. Голубевым (1982) положен расчет интенсивности склоновой эрозии в доаграрную эпоху. Ее среднее значение определялось для различно водообеспеченных природных зон четырех климатических поясов: бореального, суббореального, субтропического и тропического (полярный и гляциальный пояса, составляющие 22% суши, не рассматривались). Показателем интенсивности этого процесса служит модуль склоновой эрозии грунта т_эп т/(км² год). В качестве предикторов расчетной зависимости среднего за многолетний период зонального значения /я_эг были использованы зональные величины радиационного баланса и индекса сухости (е=Ео/Р), определяющие зональные различия увлажненности и стока, а также природного почвенно-растительного покрова водосборов.

Затем по данным о современной структуре мирового земельного фонда рассчитано изменение интенсивности эрозии в результате сельскохозяйственного преобразования их ландшафтов. Расчеты выполнялись для двух типов зон бореального пояса, включающего тайгу и смешанные леса:

• • зоны с постоянно мерзлыми грунтами;
• • зоны с сезонномерзлыми почвами;

и для трех типов зон в остальных климатических поясах:

• • гумидные (с е < 1);
• • семиаридные (степи и прерии с е = 1 —2);
• • аридные (полупустыни и пустыни с е > 2).

Для территорий, превращенных в пашни в гумидных зонах, кратность интенсификации выноса наносов принята равной 100, для подобных угодий в остальных зонах — 10-кратной по сравнению с местными величинами т_эг в доаграрную эпоху. Результаты этих ориентировочных геоэкологических расчетов, характеризующие современное формирование взвешенных веществ поверхностным стоком и определяющие мутность склонового генетического типа вод в различных природных зонах, приведены в табл. 2.6.

Как показали эти расчеты, диапазон межзональных различий интенсивности эрозии почв крайне велик: от т_эг = 30 т/(км²• год) в лесотундре до «3000 в наиболее распаханных гумидных зонах лесостепей и наиболее увлажненных степей (прерий) суббореального пояса. В этих же зонах максимальна и интенсивность выноса растворенных веществ стоком т_н = 40 т/(км² — год) (см. табл. 2.5), которая всего лишь в 4 раза больше среднего модуля ионного сто;

Табл и ца 2.6.

Оценка зональных величин среднего модуля эрозии грунта т_эг и ежегодной массы эродированного грунта Л/_эг на суше в конце XX в.

(по Г. Н. Голубеву, 1982).

* Среднее значение для пояса.

ка с лесотундры и тундры. Но в отличие от ионного стока, имеющего наибольшую величину М_и в лесной зоне умеренного пояса (в 1,5 раза превосходящую массу ионов в тропической гидрохимической зоне), масса выносимых поверхностным стоком взвесей, по сути, с тех же гумидных тропических ландшафтов («20% суши в табл. 2.6, как и в табл. 2.5) в 4 раза больше средней величины Л/_эг, чем в лесной бореальной зоне, и даже вдвое больше, чем в степной гумидной суббореальной зоне.

Средний модуль стока взвешенных веществ с почвенного покрова суши, составляющий 710 т/(км²-год), равен средним значениям т_эг для тропического и субтропического поясов (см. табл. 2.6). Он почти в 30 раз больше среднего модуля ионного стока с суши.

Из суммарной величины эродированного водой грунта (> 90 млрд т/год) более половины его массы аккумулируется в том же водосборе в виде делювиальных отложений у подножий склонов. Менее крупные фракции наносов перемещаются дальше уже в составе речных водных масс по русловой сети. Изменение в них концентрации взвешенных веществ зависит не столько от смешения с водными массами притоков, сколько от транспортирующей способности потока, пропорциональной величинам уклона и расхода воды в реке.

Горные реки, характеризующиеся бурным течением, имеют уклон более 1 м/км (%о), в полугорных реках с уклоном 0,5 — 1,0 %о начинается осаждение из речной водной массы крупнообломочного материала. Равнинные реки имеют уклон менее 0,5%о. Наибольшее осаждение в них наносов в основном средних и даже частично мелких фракций происходит преимущественно в годы с большим половодьем, когда водой затапливается высокая пойма.

В маловодные и средневодные годы в равнинных реках наносы транспортируются в пределах русла, что сопровождается непрерывным обменом наносами между речной водной массой и русловыми отложениями. На участках русла с повышенным уклоном в этом обмене преобладает процесс взмучивания, и поток насыщается частицами, находящимися на поверхности дна, в соответствии с возрастающей его транспортирующей способностью. Там, где уклон уменьшается и замедляется течение, преобладает осаждение, начиная с самых крупных взвешенных частиц, и мутность речной водной массы уменьшается.

При чередовании меженных и паводковых периодов изменяются уклон и расход воды, интенсивность обменных процессов в русле и протяженность его участков с преобладанием осаждения и взмучивания наносов, продолжительность периодов роста и снижения мутности речной воды. Наиболее прозрачна вода в суровые зимы при концентрации взвеси 1 — 3 г/м³ в реках под ледяным покровом, когда их меженные водные массы состоят почти исключительно из грунтового генетического типа воды, а ее расход в русле снижается до минимального в году значения.

Сочетание зональных особенностей выноса продуктов эрозии в русловую сеть и внутригодовых колебаний водного режима рек определяет величину их среднего за год и за многолетний период стока наносов. Измеряемый гидрометрическими методами сток наносов рек позволяет оценить, по сравнению с геоэкологической оценкой, более дифференцированно пространственную неравномерность интенсивности выноса с водосборов наносов, игнорируя при этом их внутрибассейновое перераспределение склоновым стоком. Основной итог анализа зональных особенностей стока наносов в реках мира, выполненного по данным многолетних гидрометрических наблюдений в более 3700 створах на малых реках с площадью водосбора А от менее 500 км² до 5000 км² и на крупных реках с А до более 100 000 км² сведен в табл. 2.7.

Сопоставление модулей стока наносов малых рек, названных в табл. 2.7 зональными, с модулями эрозии (см. табл. 2.6) показывает: • лишь в горах бореального и тропического поясов величины т_н и т_эг одного порядка; в остальных природных зонах значения т_н гидрометрически учтенных взвешенных веществ в среднем в Таблица 2.7.

Модули стока взвешенных наносов т_и, т/(км² год), с гор и равнин в одинаковых природных условиях.

(по А. П. Дедкову, В. И. Мозжсрину, 1984).

Примечание. В скобках приведены модули стока наносов, оцененные по малому числу водосборов (< 10).

Рис. 2.4. Карта интенсивности современной эро.

1 — изолинии с зубцами, ограничиваю Масштабная шкала изолиний показывает слой Л_г среднего за год смыва.

зии суши земного шара (наносы, т/(км² год)) [8]:

шие территорию с резким изменением эрозии.

почвы или грунта, соответствующий значениям т_п на карте.

• 10 раз меньше значений /и_эг, характеризующих снос эрозионного материала с ландшафтов;
• • модуль стока наносов с водосборов горных рек, как малых, так и крупных, названных авторами азональными, существенно больше, чем с равнинных территорий;
• • максимальные значения т_н получены для рек средиземноморских зон, к которым, например, относятся черноморские побережья между городами Новороссийск и Туапсе и южной части Крыма.

При этом отмечается, что в слабо измененных человеком ландшафтах различия модулей стока наносов между возвышенностями и низменностями незначительны, а крупные реки на низменностях имеют даже почти вдвое большие значения т_н, чем на возвышенностях, вследствие господства в более многоводных низовьях полизональных рек русловой эрозии рыхлых аллювиальных отложений. Но с усилением антропогенного воздействия на водосборы сток наносов с возвышенностей интенсифицируется больше, чем на низменных территориях.

Более детальные исследования формирования стока наносов зональных рек на каждом материке [8] завершились созданием карты современной интенсивности внутриконтинентальной эрозии суши. Для этого были обобщены многолетние данные по стоку наносов и воды более 1600 зональных рек (с площадью бассейна не более 50 тыс. км²). Установлены линейные зависимости между логарифмами средних годовых значений модуля стока наносов и слоя водного стока lg m_n=f (gy) для водосборов, расположенных в 46 регионах суши. Они отличаются помимо зональных особенностей почвенно-растительного покрова еще и пересеченностью рельефа, местоположением в предгорьях, горах. В сочетании с картами водного стока отдельных материков [17] эти зависимости использованы для восполнения недостатка гидрометрических данных по стоку наносов в отдельных участках выделенных регионов. Затем рабочие карты материков были объединены в мелкомасштабную карту интенсивности современной эрозии суши.

На этой карте (рис. 2.4) видно, что минимальными значениями т_н менее 2т/(км² год) отличаются малые водосборы Ботнического залива и восточного побережья Балтийского моря, южного побережья Белого моря и восточной части Баренцева моря (Малои Большеземельская тундры), Яно-Индигирской низменности и бассейна р. Вилюй, где особенно мала продолжительность безморозного периода года. В горной тундре интенсивность выноса речных наносов возрастает в 10—15 раз из-за увеличения уклонов и стока воды, развития солифлюкции, нарушающей сплошность растительного покрова. В тундрах и лесотундрах среднегодовая мутность речных водных масс менее 20 г/м³ и концентрация взвесей большую часть года в 1,5 —3 раза меньше минерализации.

Незначительно среднегодовое значение модуля стока наносов и с водосборов в африканских пустынях Сахара, Калахари и Намиб, на полуострове Сомали, в азиатских пустынях Такла-Макан и Гоби, в пустынях Центральной Австралии — т_н менее 5 т/(км²— год). Но причина малости значений т_н здесь совершенно иная, чем в тундре. Здесь ливни крайне редки, но интенсивны и образуют нередко очень бурные, но быстро иссякающие потоки с необычайно мутной водой, а в пересеченной местности — даже сели. Концентрация наносов в них существенно больше минерализации, хотя X^{й и} достигает иногда 5—10 г/л.

Наиболее велики среднегодовые значения модуля стока наносов — 2—6 тыс. т/(км²— год) — в горных районах Юго-Восточной Азии с интенсивными ливнями в летний муссон, особенно на водосборах с поврежденными пожарами и вырубками лесными массивами. Но максимальное значение m_Hi равное 11,5 тыс. т/(км² год) зафиксировано в верховьях р. Вайхэ— самого крупного правого притока р. Хуанхэ, пересекающего степную, сильно распаханную зону на территории Лессового плато в Китае (лессы относят к наименее устойчивым грунтам). Мутность воды в половодье на этой реке достигает 1800 кг/м³.

Малой мутностью воды обычно называют концентрацию речных наносов менее 100 г/м³, средняя мутность — 100—1000 г/м³, высокая — более 1 кг/м³. Сель — поток, движущийся по горной долине со скоростью до 10 м/с, имеет плотность полужидкого вязкого и (или) крупнообломочного грунта 1100 — 2400 кг/м³. Такие потоки за один сель выносят с горного водосбора до 10 млн м³ грунта.

Внутригодовая изменчивость мутности воды в реке выражена многократно сильнее, чем изменчивость ее минерализации, и имеет иную закономерность колебаний при смене фаз водного режима. В отличие от минерализации, мутность возрастает пропорционально росту расхода воды в многоводные фазы стока. Нередко в своей верхней части эта зависимость петлеобразна вследствие того, что на подъеме половодья или паводка в составе первичной речной водной массы наибольшую долю составляют самые мутные воды склонового генетического типа, тогда как на спаде они иссякают и нарастает доля почвенного, а затем грунтового типа вод с наименьшим содержанием взвесей.