Изучение эрозионной опасности проблематично строго отнести к какому-либо конкретному сектору геоэкологии, так как затрагиваются аспекты геологические (гидрогеологические и литологические особенности геологического субстрата, возраст и др.), географические (закономерности оврагообразования в различных природных зонах и др.), геоморфологические (тип рельефа и др.), почвоведческие (плоскостной смыв, земледельческая эрозия и др.). Поэтому в настоящей работе мы рассматриваем эрозионную опасность как одну из геоэкологических опасностей комплексного характера.
Вопросы определения понятия самого процесса эрозии, его динамики и генетической сущности, ранее рассматривались в многочисленных работах отечественных ученых. Среди них своей комплексностью и оригинальностью выделяются работы С.С. Соболева, Д.Л. Арманда, ученых Московского госуниверситета - Б.Ф. Косова, Н.И. Маккавеева, Е.Ф. Зориной и др. Анализ этих и других работ позволяет сформулировать основные причины и факторы эрозионной опасности.
1. Тектонические движения, которые определяют все остальные условия - геологические, геоморфологические, гидрологические, климатические, антропогенные.
2. Геологические факторы формирования эрозионной сети, среди которых наиболее значимым является вещественный состав пород, слагающих склоны.
3. Геоморфологические факторы овражной эрозии характеризуются длиной, крутизной, экспозицией и формой склонов (Овражная эрозия, 1989). Среди них доминирующую роль в формировании эрозионной сети несут следующие характеристики - уклон местности и экспозиция склонов.
4. Гидрологические факторы.
5. Климатические факторы.
6. Антропогенные факторы.
2. Геолого-геоморфологическое строение территории Саратова
Рассматривается геолого-геоморфологическое строение исследуемой территории.
Территория Саратовской агломерации приурочена к пограничной зоне двух крупных структурных элементов: Русской плиты и Прикаспийской впадины, граница которых контролируется глубинным разломом субмеридионального простирания. На поверхности с этой граничной зоной сопряжены современная долина Волги и восточный склон Приволжской возвышенности. Саратов расположен на двух структурах второго порядка: Саратовский мегавал и Латрыкская депрессия. Границей между ними служит Елшанско-Сергиевская флексура. В пределах Саратовского мегавала располагаются Елшанско-Курдюмское и Соколовогорское поднятия, а также Пристанская впадина (Саратовский научно-образовательный геоэкологический полигон, 2007).
В пределах города на поверхность выходят отложения мезозойского и кайнозойского возраста. Наиболее древними среди них являются юрские, которые последовательно сменяются в разрезе меловыми, палеогеновыми и четвертичными отложениями.
Современное геоморфологическое пространство Саратовской урбосистемы характеризуется рядом особенностей, причины которых можно объяснить региональными чертами территории Среднего и Нижнего Поволжья. Одним из доминирующих методов, применяемых при изучении современного геоморфологического строения изучаемого района, является морфоструктурный подход к анализу рельефа. Автором дана краткая характеристика региона, которая опирается на разработки специалистов Института географии РАН - Е. Я. Ранцман, М. П. Гласко и др. Согласно принципам морфоструктурного районирования по формализованным признакам рельефа, на территории центра и юга Русской равнины выделены иерархически упорядоченные элементы современной блоковой структуры земной коры. Основными элементами геолого-геоморфологического субстрата являются макроблоки - территории с единым обликом рельефа и единой историей его развития. Урбанизированная территория Саратова находится в пределах крупного макроблока - Приволжской возвышенности (имеющей индекс IV по классификации Ранцман и Гласко (2004).
Единство истории развития рельефа макроблока определяется следующими группами признаков:
гетерогенным характером соотношений крупных форм рельефа поверхности со структурным планом кристаллического фундамента: восточным склоном Воронежского свода, Токмовским сводом и разделяющим их Рязано-Саратовским прогибом;
типом унаследованности тектонических движений: на протяжении всей истории развития преобладали движения с неоднократной сменой направленности; современные движения земной коры отражают структуру кристаллического фундамента или осадочного чехла мезозойского возраста (Ранцман, Гласко, 2004).
В современном геоморфологическом облике территории Саратовской урбосистемы синтезированы особенности истории формирования облика рельефа и современных рельефообразующих процессов на Приволжской возвышенности. Комплексирование данных по тектоническому (положение территории города в зоне Волжских и Саратовских тектонических нарушений), геологическому (характерные черты залегания коренных горных пород) и геоморфологическому (блочность геолого-геоморфологического субстрата) строению позволяет на современном этапе характеристики природных черт территории города определить ее как Саратовский морфоструктурный узел.
3. История изучения овражно-балочной сети территории Саратова
Описывается краткая история изучения овражно-балочной сети исследуемой территории.
В изучении овражной эрозии на исследуемой территории выделяются 3 этапа, различные по комплексу методических подходов и целям исследований: 1870-1930 гг.; 1930-1980 гг.; с 1980 г. и по настоящее время.
1. Первый этап связан с именами В.В. Докучаева, П.А. Костычева, А.П. Павлова, С.Н. Никитина и др. Исследования этого периода сосредоточены на описании морфологии оврагов, выяснении генезиса и факторов оврагообразования.
2. Исследованиями второго этапа в 1940-1980 гг. была охвачена вся территория Саратовской области. Работы И.П. Герасимова, Ю.А. Мещерякова, С.С. Соболева, А.В. Вострякова и многих других носили как общенаучный, так и прикладной характер. Изучались эволюционные ряды эрозионных форм и количественные характеристики скорости овражной эрозии, влияние антропогенной деятельности на рост оврагов и возможные мероприятия по противоэрозионной защите.
3. Третий этап, который длится с 1980 гг. по настоящее время, связан с именами Г.И. Лотоцкого, Г.И. Худякова, И.В. Пролеткина, В.З. Макарова, А.Н. Башкатова и др. В это время внедряются методы ландшафтно-экологических и геоэколого-геодинамических исследований, ГИС-технологии. Акценты изучения овражной эрозии смещаются от фундаментальных к научно-практическим, происходит «экологизация» исследований, овражно-балочные комплексы рассматриваются как элемент градопланировочной структуры территории Саратова. Автором, в том числе в 2006-2008 гг., создаются карты современной эрозионной сети, ее изменений в результате урбогенеза, потенциальной эрозионной опасности.
К настоящему времени в литературе достаточно полно проанализированы практически все природные факторы овражной эрозии на территории Саратова и окрестностей, что нельзя сказать о комплексе антропогенных факторов. Среди основных задач в изучении овражной эрозии следует назвать: 1) оценку опасности и риска оврагообразования, 2) создание физической модели, 3) рассмотрение соотношения естественных и антропогенных факторов и механизма овражной эрозии на урбанизированной территории Саратова.
4. Методики исследований овражно-балочной сети на урбанизированной территории
Раскрытие сущности процесса оврагообразования, генетических и парагенетических связей экзогенного процесса возможно только на всеобщей геолого-геоморфологической основе. Восстановление истории развития и динамики эрозионной сети представляет собой комплексную геолого-геоморфологическую задачу. Поэтому комплексы методических приемов изучения овражной эрозии с известной степенью условности разделяются на геологические и геоморфологические. Геологические и геоморфологические методы исследований овражной эрозии взаимодополняют друг друга, что обусловлено спецификой изучаемого явления. Овражно-балочные комплексы, как формы рельефа, являются объектом изучения геоморфологии. Для изучаемой территории автором совместно с учеными факультета нелинейных процессов СГУ разработан оригинальный алгоритм расчета фрактальной размерности для изучения явления самоподобия планового рисунка эрозионной сети.
1. Для изучения овражной эрозии на территории Саратова автором применялись следующие основные геологические методы: а) изучение литологических особенностей коренных пород и четвертичных отложений склоновых пространств; 2) исследование инженерно-геологических, гидрогеологических и эколого-геологических условий; 3) выявление связи формы продольного профиля, уступов в тальвеге с литологическими комплексами пород; 4) изучение характеристики овражно-балочного аллювия; 5) выявление связи современной овражно-балочной сети с экзогенными (карстом, суффозией, оползанием и пр.) и эндогенными (разломно-трещинной сетью) геологическими процессами.
2. Из комплекса классических геоморфологических методов исследований овражно-балочной сети автором адаптирована и апробирована методика модельных аналогов, которая позволяет оценить топологическую структуру долинных комплексов в пределах модельного полигона, включающего сеть долин на урбанизированной и не урбанизированной территориях.
3. Одним из инструментов, позволяющих анализировать современное состояние эрозионной сети, обусловленность ее развития геолого-географическими особенностями территории и антропогенной нагрузкой, является фрактальный анализ. Данный метод позволяет оценить характер самоподобия овражно-балочной сети, раскрыть его фрактальные свойства.
Подобный подход может быть применен к геолого-геоморфологическим структурам (в частности, для описания овражно-балочной сети (Иванов и др., 2006) и трещин), демонстрирующим свойства самоподобия в относительно широком диапазоне характерных масштабов. В научной литературе изучение фрактальной размерности овражно-балочной сети неизвестно, хотя подобные работы по изучению фрактальной структуры природных объектов (в том числе и трещин, а также речных бассейнов) описаны как в отечественных (Яшков, Иванов, 2005, Манжуров, 2002, Горяинов, Иванюк, 2001, Пузаченко, 1997, Васильев, 1992, Поздняков, Черванев, 1990, Поздняков, 1988 и др.), так и зарубежных журналах (Claps, Oliveto, 1996, Barbera, Rosso, 1989, McNamara et al., 1999, Lopes, Paula, Vieira, 2002).
Как правило, в вышеупомянутых работах осуществляется расчет емкостной фрактальной размерности. Получающееся при этом число трактуют как фрактальную размерность исследуемого природного объекта и интерпретируют его с точки зрения наук о Земле. При этом следует отметить, что все в основном ограничивается констатацией того факта, что рассчитано значение фрактальной размерности для того или иного геологического объекта, тогда как смысловая нагрузка полученного результата, зависимость размерности от характеристик геологических объектов остается за кадром внимания исследователей.
На данный момент трудно однозначно охарактеризовать геолого-геоморфологический смысл фрактальной размерности овражно-балочной сети. Накоплено пока недостаточное количество данных для обобщающих интерпретаций. Вслед за Ю. Г. Пузаченко (1997) мы полагаем, что значение фрактальной размерности отражает в определенной мере энергетическую напряженность овражно-балочной сети как геолого-геоморфологической системы на анализируемом участке. Это положение проверялось на территории Саратовского научно-образовательного полигона. Представляется рациональным предположить также, что овражно-балочная сеть, развивающаяся в более жестком, гетерогенном по вещественному составу горных пород геологическом субстрате, характеризуется более низким значением фрактальной размерности D. Так, именно ландшафтный район Лысогорского плато, сложенный наиболее разновозрастными, разнофациальными отложениями, имеет наименьший показатель <D> 1.54. Предполагаемая закономерность, безусловно, нуждается в дальнейшей проверке на иных территориях.
5. Анализ особенностей развития естественной (овражно-балочной) и искусственной (ливневой) дренажных систем территории Саратова
Посвящена анализу особенностей развития и взаимодействия естественной и искусственной дренажных систем территории Саратова.
В настоящее время в условиях стремительного роста и усложнения урбанизированных территорий различные геоэкологические процессы, негативно влияющие на нормальное функционирование его систем, приобретают прогрессирующий характер. Для территории Саратова наиболее опасными геоэкологическими эффектами являются подтопление и оползневые процессы. Среди основных причин, стимулирующих активизацию этих процессов в городе, можно назвать следующие:
1) геолого-геоморфологические (подъем уровня грунтовых вод, относительно слабая дренированность территории, подмыв берегов водохранилища и др.);
2) инженерно-технические (давление жилых, промышленных и транспортных систем и сооружений на литогенную основу города; застройка жилыми и промышленными зданиями и сооружениями несогласно основным уклонам поверхности геоморфологических структур и, соответственно, - поперек естественному стоку поверхностных и грунтовых вод; прорывы водонесущих трубопроводных сетей и утечка бытовых, технических и канализационных вод в почвогрунты и др.).
Одним из основных элементов городской поверхностной структуры, обеспечивающих ее функционирование, являются естественная и искусственная дренажные сети. Под естественной дренажной сетью понимаем всю систему эрозионной сети на урбанизированной территории, включающей в себя долины рек, балок и оврагов и их более мелких соподчиненных им элементов: ложбин, промоин, рытвин. Искусственная дренажная сеть включает в себя городскую ливневую канализацию и дренажные сооружения.