Эрозионные процессы на территории малого водосборного бассейна — закономерности формирования

Введение

Эрозия, вызываемая талыми водами, отличается большей продолжительностью, но меньшей выраженностью, чем ливневая. Потери почвы от эрозии при снеготаянии составляют чаще всего несколько тонн с гектара в год [5]. Отличительной особенностью эрозии почв, вызываемой стоком талых вод, является то, что она может протекать одновременно на больших площадях в районах ежегодного формирования снежного покрова. Проявляется она тогда, когда почва находится в мерзлом или слабомерзлом состоянии и практически не впитывает талую воду или имеет низкую водопроницаемость, а значительные площади склоновых земель не защищены растительностью.

Эрозия является следствием сложного взаимодействия природных факторов и хозяйственной деятельности человека. Рассматривая основные факторы эрозии, вызываемой стоком талых вод, следует отметить, что смыв почвы при снеготаянии связан, прежде всего, с формированием снежного покрова на водосборной территории, глубиной промерзания и увлажнением почвы, скоростью её оттаивания, эродирующей способностью потоков, противоэрозионной стойкостью почв и др.

Известно, что главными источниками поступления наносов в реки служат поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речным потоком [8, 9].

Существует ещё один важный аспект негативного проявления водной эрозии. Твердый сток и растворенные в поверхностном стоке химические вещества, представленные остатками удобрений и ядохимикатов, являются мощным и постоянно действующим источником загрязнения речных вод и донных отложений. Этот аспект эрозионной проблемы требует детальных исследований с применения самых современных методов и технических средств, для разработки комплекса почвозащитных мероприятий, направленных на предотвращение или существенное сокращение негативного воздействия почвенной эрозии на водные экосистемы [6].

Цель исследования

Цель исследования состояла в оценке закономерностей проявления эрозионных процессов на территории водосборного бассейна малой реки и влиянии поступающих со смытой почвой и поверхностным стоком химических веществ на качество речных вод в период весеннего половодья.

Для выполнения цели наших исследований на модельном водосборе малой реки Любожихи в период весеннего снеготаяния с 2007 по 2010 годы проводились режимные наблюдения за стоком талых вод, смывом почвы и химическим составом паводковых вод.

Материал и методы исследования

Экспериментальный водосбор расположен на юге Московской области вблизи г. Пущино. Площадь водосбора до створа наблюдений — 18,9 км², из которых на долю интенсивно удобряемой пашни приходится 9,9 км², лес — 7,1 км². Остальные 1,9 км² находятся под лугами, балками, лощинами, оврагами, дорогами, постройками и т. д.

Территория водосборного бассейна входит в Северную часть Среднерусской возвышенности с абсолютными отметками 180—235 м. при урезе р. Оки, равном 110 м. Район исследований расположен в южной части Московской синеклизы с глубоким залеганием коренных пород. Осадочные породы представлены отложениями девона, карбона, юры и мела. Мореные отложения перекрывают известняки московского отдела карбона, выходы которых встречаются на крутых склонах балок. Для территории характерны покровные лессовидные суглинки: средне-, тяжелосуглинистые и глинистые, мощностью 2—3 метра, которые являются почвообразующими породами [2].

Водосбор р. Любожихи по геологическому строению, литолого-минералогическому составу отложений, развитию овражно-балочной сети, глубины эрозионных врезов, лесистости и сельскохозяйственному освоению является типичным лесоаграрным ландшафтом центральной части Русской равнины, входящей в состав Заокского эрозионного плато Среднерусской провинции [10].

Данный бассейн характерен для правобережья р. Оки, как по сельскохозяйственной освоенности, так и по почвам [3]. Почвенный покров водосборного бассейна р. Любожихи представлен серыми лесными почвами, которые подразделяются на 2 подтипа: серые лесные и темно-серые лесные. Более половины общей площади территории изучаемого бассейна занимают серые лесные средне- и тяжелосуглинистые почвы на покровных суглинках [2]. На формирование почвенного покрова водосборной территории существенное влияние оказали склоновые эрозионные процессы, в результате которых смыв и переотложение почвенного материала привело к формированию серых лесных почв различной степени смытости и намытости. Площадь таких почв занимает около 27% территории водосбора.

Учет жидкого стока проводился с помощью трапецеидального водослива, установленного, в замыкающем створе водосбора. Регистрация высоты водного потока на водосливе проводилась при помощи автоматизированной системы ISCO-6700 с модулем ISCO-730. Данная система также позволяет производить в заданном временном режиме отбор 24 литровые пробы воды для определения химического состава и содержания почвенного материала.

Определение содержания химических элементов в воде и смываемой почве проводилось стандартными методами. Химический состав вод изучали по следующим показателям: рН; N-NH₄⁺; N-NО₃^-; Са₂⁺; Mg₂⁺; К⁺; Na⁺; HCO₃^-; Cl^-; SO₄^2-; P₂O₅ [1, 4, 7].

Результаты исследования и их обсуждение

Источником речного стока являются атмосферные осадки в виде дождя и снега, поступающие в реку в виде поверхностных и грунтовых вод. От интенсивности их поступления зависят высота и продолжительность половодья и паводков, величина твердого стока, степень заиления, химический состав вод и т. п.

Результаты наблюдений за высотой снежного покрова и запасами воды в нём перед снеготаянием с 2007 по 2010 годы показали, что средняя высота снежного покрова перед снеготаянием колебалась от 19 см в лесу до 40 см на прочих территориях. В среднем за 4 года наблюдений высота снежного покрова составила 28,4 см (таблица 1). Запасы воды в снеге с учетом выпадения осадков за период снеготаяния по годам колебались от 83,6 мм до 123,0 мм (в среднем 108,2 мм).

Таблица 1 — Средняя высота снежного покрова и запасы воды в нем на водосборной территории

Примечание: d — средняя высота снежного покрова; S — запасы воды в снеге + осадки за период снеготаяния.

Формирование стока талых вод и смыва почвы зависит от температурного режима в период снеготаяния. В годы проведения исследований средняя суточная температура за период формирования поверхностного стока, а, следовательно, и интенсивного снеготаяния составила в 2007 году +5,7 ⁰С, в 2008 г. — +3,6, в 2009 г. — +2,8 и в 2010 г. — +5,3 ⁰С.

Продолжительность же половодья зависит от общей ситуации, складывающейся на территории водосборного бассейна. Проведенные наблюдения показали, что продолжительность половодья в указанные годы колебалась от 22 до 45 дней (рисунок 1).

Рисунок 1 — Динамика среднесуточного расхода воды в годы исследований

За период наблюдений наименьший среднесуточный расход воды отмечался в начале снеготаяния и составил 0,03 м³/с, а максимум — в пик половодья (1,40 м³/с). За время наблюдений наибольший суточный объём стока талых вод составил 1199474 м³/сут (2007 год), коэффициент стока изменялся от 0,11 в 2010 г. до 0,48 в 2007 г.

Наблюдения за смывом почвы (взвешенные частицы) показали, что содержание взвешенных наносов зависит от объема стока и временного периода снеготаяния. Во все годы исследований наибольшее содержание взвешенных частиц наблюдалось в период максимума стока. Наши расчёты показали, что повышенное содержание твердых частиц во время весеннего паводка и большая водность приводят к тому, что почти 90% годового твердого стока выносится рекой в весеннее половодье. Вместе с водой по нашим расчетом с водосборной территории выносилось 703 232 кг только взвешенных наносов, что составляет более 372 кг/га. Казалось бы, это небольшая величина, и нет никаких опасений. Тем не менее, эта величина для всей территории бассейна, но эрозионные процессы идут, как правило, на землях, интенсивно используемых в сельскохозяйственном производстве. Исходя из этого, смыв почвы с пашни в годы наблюдений в среднем составил около 900 кг/га. Это только взвешенных наносов, не считая той почвы, которая отложилась в местах её аккумуляции.

Содержание большинства химических элементов в воде, во многом объяснялось динамикой жидкого стока. Исследования показали, что по химическому составу воды р. Любожихи относятся к гидрокарбонатно-кальциевым. По содержанию анионов в составе речных вод гидрокарбонаты занимают первое место. В период паводка наблюдается обогащение паводковых вод сульфатами за счет их выноса из почвы поверхностно-склоновыми и почвенно-грунтовыми водами. Наблюдения показали, что максимальные концентрации химических веществ в паводковых водах за период половодья составили следующие величины: HCO₃^- — 146,0 мг/л, Cl^- — 19,9, SO₄^2-— 27,1, Ca²⁺ — 52,3, Mg²⁺ -10,2, K⁺ — 2,7 и Na⁺ — 5,6 мг/л. Причем максимальные концентрации этих элементов наблюдаются при минимальных расходах паводковых вод. С возрастанием расхода воды концентрация химических веществ, как правило, снижается. Исключение составляет Р₂О₅.

Кислотность паводковых вод зависела от рН снеговых вод и объема стока. Анализ вод речного стока в период половодья показал, что показатель рН изменялся в сторону кислого при увеличении объёма стока. Это связано с тем, что pH снега в период снеготаяния составлял 6,0—6,1. В то же время, при малых расходах паводковых вод показатели pH изменялись в пределах 7,6—8,2.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено, что формирование на водосборной территории поверхностного стока талых вод и смыва почвы зависит от запасов воды в снеге и температурного режима, складывающегося в период снеготаяния.

Наблюдения за смывом почвы (взвешенные наносы) показали, что содержание взвешенных наносов зависит от объёма стока и временного периода снеготаяния. Во все годы исследований наибольшее содержание взвешенных частиц наблюдалось в заключительный период формирования поверхностного стока на водосборной территории. В это время отмечается максимальное освобождение поверхности почвы от снега. Это и определяет максимальный смыв почвы на водосборной территории.

В результате поступления с водосборной территории поверхностных вод и смытой почвы происходит изменение химического состава речной воды. Наблюдения за химическим составом паводковых вод в период весеннего снеготаяния 2007–2010 годов показали, что максимальные концентрации химических веществ в речной воде составили следующие величины: HCO₃^- — 146,0 мг/л, Ca²⁺ — 52,3, SO₄^2- — 27,1, Cl^- — 19,9, Mg²⁺ — 10,2, K⁺ — 2,7 и Na⁺ — 5,6 мг/л. Причем максимальные концентрации этих элементов наблюдаются при минимальных расходах паводковых вод, а максимальные — при минимальных.

Исследования показали, что по химическому составу паводковые воды р. Любожихи относятся к гидрокарбонатному классу и кальциевой группе.

Анализ вод речного стока в период половодья показал, что показатель рН изменялся в сторону кислого при увеличении объёма стока. Это связано с тем, что pH снега в период снеготаяния составлял 6,0–6,1. В то же время, при малых расходах паводковых воды показатели pH изменялось в пределах 7,6—8,2.

Изучение поверхностного стока в период весеннего половодья имеет важное, как теоретическое, так и практическое значение. В первую очередь это связано с установлением закономерностей формирования поверхностного стока воды, смыва почвы и их влияния на химический состав речных вод. Это связано и с созданием математических моделей, позволяющих прогнозировать вероятность развития эрозионных процессов на территории агроландшафта. Зная эти закономерности, можно рассчитать потери почв в результате эрозии, а по химическому составу поверхностных вод оценить состояние и функционирование различных ландшафтов.

Благодарности

Авторы приносят искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории Функциональной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН д.б.н. А. С. Керженцеву, к.с.-х.н. М. П. Волокитину и Б. К. Сону за помощь в проведении полевых наблюдений и интерпретации полученных результатов.

Литература

1. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. — 656 с.
2. Алифанов, В. М. Палеокриогенез и современное почвообразование. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1995. — 318 с.
3. Атлас Московской области масштаба 1:100 000, 2-е изд. Изд-во: АСТ-Пресс Картография, Роскартография, Москва, 2003.
4. Вадюнина, А.Ф., Корчагина, З. А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. — 416 с.
5. Заславский, М. Н. Эрозиоведение. М.: Высшая школа. 1983. — 320 с.
6. Керженцев, А.С., Майснер, Р., Демидов, В.В. и др. Моделирование эрозионных процессов на территории малого водосборного бассейна. М.: Наука, 2006. — 224 с.
7. Киселев, Г.Г., Личко, В.И., Межбурдт, Т. А. Ионоселективные электроды. Применение для исследований химических и физико-химических свойств почв (Методические рекомендации). Пущино, ОНТИ НЦБИ, 1983. — 56 с.
8. Кузнецов, М.С., Глазунов, Г. П. Эрозия и охрана почв: Учебник — 2-е изд. перераб. и доп. М.: Изд-во МГУ, Изд-во «КолосС», 2004. — 352 с.
9. Маккавеев, Н.И., Чалов, Р. С. Эрозионные процессы. М.: Мысль, 1984. — 220 с.
10. Смирнова, Е. Д. Физико-географическое районирование Московской области // Земледелие. — 1963. — Т.6(46). — С. 82—89.