Статья: Факторы развития и интенсивность ливневой эрозии на пашне Томь-Яйского междуречья

Кроме того, авторами данной работы по формуле П. Ф. Горбачева [1937] рассчитана сила ливней.

По мнению М. Н. Заславского [1978], лучше было бы заменить показатель «сила ливней» на «показатель эрозионной опасности», который связывает простой зависимостью слой осадков и время их выпадения и позволяет судить об эрозионной опасности ливней.

Вследствие недостатка на метеостанциях Томской области наблюдений на плювиографах нами для расчетов силы ливней использованы данные по продолжительности выпадения осадков (Т) и слою осадков (Н). Полученные преимущественно средние значения силы ливней даны в табл. 2.

Анализ табл. 2 показывает, что сила ливней на исследуемой территории изменяется от < 1,5 до 15,6. Согласно П. Ф. Горбачеву [1937], эрозионные последствия следующие: при S = 1,1-3,0 - слабый смыв почв; при S = 3,1--5,0 - умеренный смыв; при S = 5,1-7,0 - сильный смыв и размыв; при S = 7,1-9,0 и более - очень сильный смыв и размыв грунтов. Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что ливни на территории Томь-Яйского междуречья способны вызвать эрозию почв в агроландшафтах от слабой до очень сильной.

В работе также предпринята попытка определить связь между скоростями движения наносов при смыве грунтов на обнаженном склоне и количеством ливневых осадков, согласно эмпирической зависимости, предложенной Г. С. Ананьевым [1998]:

V = 6,3-10-5 * г2,5,

где Уя - скорость движения наносов, см3/см ; г - количество ливневых осадков, мм.

При изучении поверхностно-склоновой ливневой эрозии выделяют капельную эрозию, ливневый поверхностный смыв и ливневый струйчатый размыв. Под капельной эрозией (эрозия разбрызгивания) понимается разрушение и перемещение на небольшом расстоянии частиц грунта ударной силой и разбрызгиванием дождевых капель и градин. Размеры капель дождя обычно колеблются от 0,2 до 7 мм в диаметре, а их конечная скорость - от 1 до 9 м/с. Н. И. Маккавеевым определено количество капель, выпадающих на 1 м2 площади за 1 с: при интенсивности дождя 0,06 мм/мин - 1480; при сильном ливне (0,72 мм/мин) - 2300. Удары капель о почву вызывают подъем большого количества почвенных частиц. А. Н. Полевой [1992] приводит пример подъема почвенных частиц с поверхности суглинистого чернозема с площади 1 га во время небольшого ливня (слой осадков) = 9,2 мм и максимальной интенсивностью 2 мм/мин) (табл. 4).

Таблица 4. Масса почвы, поднимаемой во время ливня
на разную высоту с площади 1 га [Полевой, 1992]

При сильных ливнях с 1 га в воздух поднимаются сотни тонн почвы - до 170-240 т/га, что равно плотному слою почвы в 15-20 мм. В целом поднятые частицы почвы при сильном ливне взлетают на высоту 1-1,5 м и выпадают на расстоянии до 1,5 м от места выброса. В расчетах суммарных потерь почвы со всего склона капельная эрозия не учитывается, так как считается, что потери почвы в этом случае невелики. Н. И. Маккавеев считал капельно-дождевую эрозию «спусковым крючком» эрозионного процесса. Исследователи отмечают, что, возможно, главным эффектом ударного воздействия капель является уплотнение тонкого поверхностного слоя почвы. Образующаяся при этом плотная корочка в десятки раз снижает водопроницаемость почв.

Поверхностно-склоновая эрозия (плоскостная) смывает и размывает почву во временной ручейковой сети и на межручейковых пространствах. Особенность ливневого поверхностного смыва - наличие дополнительной турбулентности, которая создается падающими каплями. Удары капель увеличивают транспортирующую способность склоновых потоков малой глубины, при этом содержание наносов в потоке увеличивается в 10-15 раз.

На коэффициент дождевого стока влияет продолжительность дождя, густота растительности, предшествующее увлажнение и слой осадков. Г. И. Швебс установил, что в зависимости от слоя дождя перехват осадков напочвенным покровом подчиняется закономерности: чем больше слой, тем больше воды попадает на поверхность почвы. Так, при слое 3 мм на поверхность попадает 45,5 % воды, при 61,1 мм - 78 %. Н. В. Рутковской [1984] рассчитан коэффициент стока для ливневых осадков на территории Томской области (табл. 5).

Авторами данной работы проведены полевые наблюдения за результатами смыва и размыва почв на пашне Томь-Яйского междуречья после ливней. Натурные наблюдения осуществлялись после ливней разной метеорологической силы на склонах разной экспозиции, длины, крутизны и состояния агрофона (табл. 6). Установлено, что при одинаковой силе ливня и коэффициенте стока ливневых вод интенсивность смыва и размыва почв зависит от длины склона и состояния агрофона при примерно одинаковой крутизне.

Таблица 5. Количество выпавших осадков и коэффициент стока [Рутковская, 1984]

Наибольший смыв почвы наблюдается по зяби и под пропашными культурами: в отдельных очагах ливня - до 40-100 м3/га. Например, после двух ливней - 30.06.1987, когда за 5,5 часа выпало 53,7 мм осадков, и 01.07.1987, когда за 4 часа выпало 20,6 мм осадков, - наиболее пострадала пашня под пропашными культурами (картофель). Совместное воздействие двух этих ливней привело к возникновению на прямом склоне пашни крутизной 3-8° серии струйчатых размывов и промоины. Длина последней составила 200 м при ширине 0,3--1,5 м, при средней глубине - 0,4 м, а максимальной - 0,7 м. Общий объем снесенного с пашни рыхлого материала достиг 40-100 м3/га (см. табл. 6).

И. Г. Грингоф, А. Д. Клещенко [2011] и другие исследователи отмечают, что, как правило, наибольшую интенсивность имеют короткие ливневые дожди, и указывают, что 1 мм осадков равен 10 т воды на 1 га.

Таблица 6

Проявления ливневой эрозии на пашне и скорости движения наносов

Примечание: * -- результат размыва почв за два ливня.

Рассмотрим примеры воздействия на почвы коротких ливней с небольшим слоем осадков. Например, 14 июня 1990 г. за 57 мин выпало 9,9 мм осадков. На южном склоне пашни ключевого участка Лучаново, занятом густыми посевами злаков, находящимися в стадии кущения, обнаружено 14 размывов длиной от 27,1 до 3,4 м; ширина их изменялась от 8 до 100 см, а глубина - от 1 до 15 см. Посадка злаков проведена по бороздкам вдоль склона. На склоне крутизной 3-7° посевы злаков в зоне максимального воздействия потоков ливневых вод были размыты; на краю поля образовалась серия конусов выноса. Размеры наиболее крупного достигали 9 м в длину и 7,5 м в ширину. Мощность делювия в конусах изменялась от долей миллиметра до 12 см, но чаще от 1 до 7 см. Тщательный обмер струйчатых размывов показал, что за ливень с поля было вынесено 1-4 м3/га почвы. Значительный смыв почв произошел, по нашему мнению, вследствие увлажнения почвы предыдущими дождями: 12.06.1990 выпало 5,4 мм осадков, 13.06.1990 - 6,9 мм.

На склоне северной экспозиции, занятом посадками льна с рядами, расположенными поперек склона, и высотой посевов в 20-30 см, размыв почв был мал. Лишь местами, где линии тока ливневых вод были наиболее сильными, лен полег. На поверхности полегшего льна местами наблюдались отложения делювия мощностью в первые миллиметры. Суммарный смыв с северного склона был менее 1 м3/га.

Весьма интересен, на наш взгляд, пример ливня с градом 3 июня 2015 г., когда за 1 мин выпало 3,7 мм осадков. Обследование пашни после ливня на ключевом участке Лучаново показало: на южном склоне, где агрофон на 90-95 % был представлен контурно боронованной зябью и на 10-15 % посадками картофеля, ливневые воды образовали два крупных струйчатых размыва с притоками. Длина их составила 77 и 83 м, ширина изменялась от 19 до 69 см, а глубина - от 2 до 16 см. На краю поля после ливня образовались два конуса выноса, площадь наиболее крупного - 16,75 м2, мощность делювия изменялась от 0,1 до 3 см при среднем значении 1,23 см. Средний смыв со склона - 1,4-1,7 м3/га.

На поле южной экспозиции с чередованием полос зяби в верхней и средней частях склона и посадками клевера в нижней части наблюдался один крупный размыв длиной 136 м, шириной от 21 до 69 см и глубиной от 3 до 40 см. Средний смыв со склона составил 2-4 м3/га. В зоне максимального воздействия ливневого стока клевер местами полег или размыт. Расчёт скорости движения наносов, согласно зависимости Г. С. Ананьева [1998], показал, что на склонах пашни она изменялась от 0,02 до 1,33 см3/см (см. табл. 6).

Анализ полевых наблюдений, данных метеорологических станций показал, что на территории зоны подтайги юго-востока Западно-Сибирской равнины развивается ливневая эрозия. Важнейшей ее особенностью является исключительно высокая неравномерность и интенсивность выпадения осадков в ходе ливня, а также в пространстве. В большинстве случаев значительные дождевые осадки наблюдаются на одной-двух станциях.

Интенсивность ливневой эрозии, согласно СНиП-22-01-95, изменяется от умеренно опасной (2-5 м3/га в год) до весьма сильной (10-15 м3/га в год). Скорость денудации поверхности пашни ливневыми осадками варьирует от 0,07 до 10 мм/год.

Полученные нами данные по смыву почв ливневыми осадками согласуются с результатами, полученными В. В. Сластихиным [1980], М. Н. Заславским [1978] для юга Нечерноземной зоны европейской части страны, где за 1982-1985 гг. средний смыв почвы ливневыми водами составил 2,7, а минимальный - 60 т/га в год.

Главными экологическими последствиями ливневой эрозии, как отмечают многие исследователи, являются: 1) вынос питательных для растений веществ; 2) воздействие дождевых капель на почвы, это выражается в следующем: перенос частиц грунта по воздуху с более высоких местоположений в низкие приводит к заиливанию поверхности и заболачиванию западин; 3) ударное воздействие капель приводит к уплотнению тонкого поверхностного слоя почвы. Образующаяся при этом плотная корочка в десятки раз снижает водопроницаемость почв.

Список литературы

1. Ананьев Г. С. Катастрофические процессы рельефообразования. М. : Изд-во Моск. унта, 1998. 102 с.

2. Горбачев П. Ф. Методы расчета ливневого стока. М. : Власть Советов, 1937. 165 с.

3. Грингоф И. Г., Клещенко А. Д. Основы сельскохозяйственной метеорологии. Т. 1. Потребности сельскохозяйственных культур в агрометеорологических условиях и опасные для сельского хозяйственного производства погодные условия. Обнинск : ВНИИГМИ - МЦД, 2011. 808 с.

4. Заславский М. Н. Методические вопросы оценки факторов, определяющих эрозионную опасность земель // Эрозионные процессы Сибири. Новосибирск, 1978. С. 5-31.

5. Ларионов Г. А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности, количественная оценка. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1993. 200 с.

6. Полевой А. Н. Сельскохозяйственная метеорология / под ред. И. Г. Грингофа. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 424 с.

7. Природные опасности России. Гидрометеорологические опасности / под ред. Г. С. Голицына, А. А. Васильева. М. : КРУК, 2001. Т. 5. 296 с.

8. Рутковская Н. В. География Томской области. Сезонно-агроклиматические ресурсы. Томск : Изд-во Том. ун-та, 1984. 158 с.