Содержание к диссертации
Введение
1. Эрозия почв как основной поставщик материала для заиления прудов и водохранилищ 10
1.1. Понятие о прудах и водохранилищах 10
1.2. Специфика и классификация прудов и водохранилищ 12
1.3. Изучение заиления прудов и водохранилищ России и стран СНГ 22
1.4. Изученность заиления прудов и водохранилищ 27
2. Физико-географические и хозяйственные особенности формирования прудовых комплексов ЦЧР 30
2.1. Физико-географические условия района исследования 30
2.1.1. Физико-географическая характеристика 30
2.1.2. Геологические условия 32
2.1.4. Подземные воды 43
2.1.5. Климат 45
2.1.6. Почвы и естественная растительность 48
2.1.7. Современная гидрография и гидродинамический режим прудов и водохранилищ 57
2.2. Особенности строительства и проектное назначение прудов и водохранилищ ЦЧР 67
2.3. Размещение прудов и водохранилищ по территории исследования 74
3. Методика исследования и полученные результаты... 78
3.1. Существующие методы расчета заиления прудов и водохранилищ 78
3.2. Методы расчета поставки эрозионного материала со склонов в гидрографическую сеть по формулам склонового смыва 85
3.2.1. Расчет дождевой эрозии почв 87
3.2.2. Расчет эрозии почв при снеготаянии 97
3.3. Введение понятия эрозионного водосбора 105
3.4. Принцип построения методики расчета поставки эрозионного материала 109
3.5. Коэффициенты доставки наносов 112
3.6. Исходные данные 115
3.7. Этапы сбора и обработки фактических данных 121
3.7.1. Расчет фактического заиления обследованных водоемов 124
3.7.2. Источники поступления продуктов заиления в пруды и водохранилища 127
3.7.3. Расчет смыва с эрозионных водосборов 132
3.7.4. Установление связи склоновой эрозии с заилением прудов и водохранилищ 135
4. Моделирование заиления искусственных водоемов с целью управления этим процессом 139
4.1. Установление корреляционных зависимостей интенсивности заиления от глубины акватории искусственных водоемов 139
4.2. Моделирование заиления искусственных водоемов за различные периоды времени 144
4.3. Моделирование заиления искусственных водоемов с применением ГИС -технологий 149
4.4. Оптимизация состояния искусственных водоемов под влиянем антропогенных факторов 157
Заключение 164
Список использованных источников 166
Приложения 187
- Специфика и классификация прудов и водохранилищ
- Физико-географическая характеристика
- Методы расчета поставки эрозионного материала со склонов в гидрографическую сеть по формулам склонового смыва
- Моделирование заиления искусственных водоемов за различные периоды времени
Введение к работе
Актуальность темы. При изучении водно-эрозионных процессов недостаточно внимания уделяется заилению прудов и водохранилищ. Между тем искусственные водоемы являются замыкающим звеном эрозионно-русловой системы (ЭРС), поэтому их проектирование и эксплуатация зависят от сложных природно-антропогенных процессов, происходящих на их водосборах, в первую очередь водно-эрозионных.
Так как основным ландшафтом в исторически давно освоенном в сельскохозяйственном плане Центрально-Черноземном регионе является агро-ландшафт, то водосборы большинства прудов и водохранилищ в этом регионе представлены пахотными и другими сельскохозяйственными угодьями. Поэтому, изучая интенсивность заиления прудов и водохранилищ, необходимо учитывать интенсивность эрозионных процессов на пашне и характер доставки наносов по гидрографической сети.
Традиционные методы расчета заиления искусственных водоемов основаны на параметрах речного стока, мутности, наносах, не обеспечены в нужной мере надежными исходными данными из-за низкой изученности этих характеристик малых рек. Лучше изучен процесс склонового стока и смыва, в последнее время появился целый ряд методов его расчета. Современные концепции ландшафтной структуры водосборов и бассейновый подход показывают, что разработка водоохранных программ возможна только через управление водно-эрозионными процессами на водосборе искусственного водоема в целом. Поэтому изучение заиления прудов и водохранилищ в этой связи является очевидным и весьма актуальным, а моделирование процесса заиления искусственных водоемов позволяет рассчитывать сроки их эксплуатации и деградации.
Цель работы. На основе полевых исследований и собранного фактического материала разработать метод расчета объема поступления наносов в чаши искусственных водоемов Центрального Черноземья и пространствен-
5 ное моделирование их заиления, предложить систему мероприятий по снижению интенсивности этого процесса.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1 .Обследовать типичные для Центрального Черноземья искусственные водоемы с различными условиями эксплуатации и проектного назначения, собрать фактический материал по их заилению и выяснить основные источники образования в них донных отложений.
Определить среднюю многолетнюю интенсивность заиления искусственных водоемов Центрального Черноземья и соотнести ее с особенностями эрозионных процессов на их водосборах в зависимости от ландшафтных, почвенных, агроклиматических, геоморфологических и других условий.
Рассчитать и сравнить заиление прудов и водохранилищ по формулам склонового смыва и на основе фактических полевых измерений глубин тех же самых водоемов. Установить роль переотложения эрозионного материала в процессе транспорта в верхних звеньях гидрографической сети, рассмотреть применимость для решения этой задачи коэффициентов доставки наносов.
Разработать алгоритм моделирования процесса заиления обследованных искусственных водоемов с целью управления этим процессом, в том числе используя ГИС-технологии.
Предложить систему мероприятий по снижению интенсивности заиления и продления сроков эксплуатации прудов и водохранилищ Центрального Черноземья исходя из полученных результатов
Объект исследования - чаши, гидрографическая сеть и водосборы прудов и водохранилищ лесостепной и степной зон Центрального Черноземья.
Предмет исследования - эрозионно-аккумулятивные процессы на водосборах и механизм заиления прудов и водохранилищ.
Теоретическая и методологическая база исследования. Методологической основой исследования является бассейновая концепция. Исследова-
6 ниє базируется на разработках ведущих отечественных научных школ и их представителей в области гидрологии, лимнологии, эрозиоведения, флюви-альной геоморфологии, инженерной гидрологии.
Методы и результаты исследований В.Д. Богатырева, В.Е. Веденяпина, К.ГТ. Воскресенского, В.М. Гендугова, А.И. Доброва, К.А. Дроздова, В.Д. Иванова, М.С. Кузнецова, И.А. Кузника, Г.А. Ларионова, К.Н. Лисицыной, Л.Ф. Литвина, Г.В. Лопатина, В.Б. Михно, А.И. Молдованова, Г.С. Пашнева, Б.В. Полякова, В.М. Смольянинова, И.П. Сухарева, Е.А. Юдиной, Л.В. Яковлевой и других ученых определили выбор методов исследования автора.
При выборе метода расчета смыва почвы с водосборов прудов и водохранилищ, учета их доставки в чаши искусственных водоемов, моделировании заиления искусственных водоемов использованы научные методы и подходы В.П. Бондарева, В.П. Герасименко, В.Н. Голосова, Н.И. Маккавеева, Ц.Е. Мирцхулавы, М.В. Кумани, М.Я. Прытковой, В.Я. Фролова.
Для установления особенностей смыва и доставки эрозионного материала были применены физико-географическое, морфологическое, почвенное, агроклиматическое, гидрологическое районирования водосборов прудов и водохранилищ, выполненные различными авторами.
Исходные материалы и методы исследования. В основу работы положены данные натурных исследований автором 59 прудов и водохранилищ Центрального Черноземья, их водосборов и гидрографической сети. Также использованы данные Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР РФ по Курской и Белгородской областям, отдела водных ресурсов по Курской области Донского водного бассейнового управления, ЗАО «Курскводстрой», правлений сельхозкооперативов и колхозных хозяйств, арендаторов водоемов.
В основу методики исследования положен бассейновый принцип, а также общенаучные и специальные методы: экспедиционный, сравнительно-описательный, математико-статистический, экспериментальных исследований, ГИС-технологий. При этом был использован программный
7 продукт Surfer-8.
Научная новизна. Впервые пруды и водохранилища Центрального Черноземья рассмотрены как часть эрозионно-русловой системы, служащей источником поступления наносов в чаши искусственных водоемов. Донные отложения искусственных водоемов ЦЧР увязаны с эрозионными процессами на их водосборах. При расчете интенсивности заиления впервые применено понятие эрозионного водосбора пруда или водохранилища. Для расчета эрозионного смыва с водосборов прудов и водохранилищ применены формулы склонового смыва в период снеготаяния и ливневых осадков. Для учета транспорта наносов в чаши искусственных водоемов применен коэффициент их доставки. Для выяснения распределения поступившего с водосбора эрозионного материала в чашах прудов и водохранилищ и установления сроков их эксплуатации проведено моделирование их заиления с применением ГИС-технологий.
Практическое значение работы. С учетом выявленных закономерностей функционирования прудов и водохранилищ выполнен и внедрен расчет водопотребления на Михайловском горно-обогатительном комбинате на перспективу до 2020 г. На основе составленных баз данных в отделе водных ресурсов по Курской области Донского водного бассейнового управления проведена инвентаризация прудов и водохранилищ. Материалы исследования использованы при проектировании и восстановлении прудов и водохранилищ в ЗАО «Курскводстрой».
Результаты работы были использованы в учебном процессе в Курском государственном университете при разработке курсов «Ландшафтоведение» и «Геоэкология» и специальных дисциплин: «Гидрология» и «Экологическое проектирование и экспертиза».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Результаты изучения источников заиления прудов и водохранилищ в условиях агроландшафтов ЦЧР.
Функционирование и эффективное использование прудов и водохра-
8 нилищ Центрального Черноземья зависят от функционирования эрозионно-русловой системы, частью которой они являются.
Методика расчета поступления эрозионного материала с водосборов прудов и водохранилищ по формулам склонового смыва для пахотных угодий с применением коэффициентов доставки наносов в верхних звеньях гидрографической сети.
Алгоритм и результаты моделирования процессов заиления прудов и водохранилищ с целью управления этим процессом.
Система мероприятий по уменьшению объема поступления эрозионного материала в пруды и водохранилища.
Апробация работы. Материалы исследования докладывались и обсуждались на XVIII-XX пленарных межвузовских координационных совещаниях по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Курск, 2003 г., Белгород, 2004 г., Ульяновск, 2005 г.), V и VI семинарах молодых учёных ВУЗов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ (Брянск, 2004 г., Волгоград, 2006 г.), второй всероссийской научно-практической конференции «Эколого-географические исследования в речных бассейнах» (Воронеж, 2004 г.), восьмом международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (Курск, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2007 г.), Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (Белгород, 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 12 работ общим объемом 3,6 печатных листа. 2 работы находятся в печати. Одна из статей опубликована в рекомендованном ВАК издании «Вестник Моск. Ун-та».
9 Серия. 5. География. 2007. № 2.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка (210 источников), приложений. Объем работы: 186 страниц, 30 рисунков, 12 таблиц, 9 приложений.
Специфика и классификация прудов и водохранилищ
Во многих районах ЦЧР речная сеть слабо развита, имеющиеся реки маловодны, и немало мест, где населенные пункты и пастбища удалены от них. Шахтные колодцы грунтовых вод также маловодны и в сухие годы часто остаются без воды. Буровые колодцы обходятся дорого, нередко выходят из строя, а из-за отсутствия запасных частей и материальных средств подол 13 гу простаивают. К тому же в полевых условиях на пастбищах глубоководные колодцы вообще нерентабельны. Потому летом во многих сельскохозяйственных предприятиях пруды и водохранилища являются единственным источником водоснабжения. Опыт передовых сельских хозяйств показывает, что пруды и водохранилища являются неотъемлемой частью всего сельскохозяйственного производства. Практикой доказано, что ирригация земель представляет одно из основных условий получения устойчивых гарантированных урожаев, что нельзя добиться высокой продуктивности скота и увеличения его поголовья без хорошо организованного водопоя, особенно в летний период, при круглосуточном отгонном выпасе.
По данным отчета программы «Оздоровление бассейна Днепра» [117], суммарная площадь естественных водотоков и озер в бассейнах рек Сейм и Псел на территории России в меженные периоды равна 35-40 км , а площадь искусственных водоемов на этой же территории превышает 215 км2. Следовательно, после создания прудов и водохранилищ площадь водного зеркала в бассейнах рек Сейм и Псёл увеличилась более чем в пять раз. Суммарный объем воды, удерживаемой в озерах, прудах и водохранилищах в бассейнах этих рек, достигает в настоящее время почти 20% годового и 40% весеннего среднего многолетнего стока рек.
В Центральном Черноземье пруды и водохранилища используются не только в сельском хозяйстве. Они обеспечивают противопожарные функции, обеспечивают водой производство многих промышленных предприятий, в частности сахарных, спиртовых, молочных и др. Пруды и водохранилища являются наиболее удобными резервуарами для рыбо- и птицеразведения. Они способствуют гашению высоких волн половодий и паводков, регулированию местного стока, снижению почвенной эрозии, повышению влажности воздуха, используются для полива садов и огородов местных жителей и т.д. Немаловажна их роль как рекреационных и эстетических ландшафтных объектов.
Поэтому для решения задач, связанных с разработкой и применением методик расчета заиления прудов и водохранилищ, исключительно важное значение приобретает систематизация разнообразных сведений о прудах и водохранилищах территории ЦЧР и их классификация. Приведенная ниже схема функционально-генетической классификации прудов и водохранилищ Центрального Черноземья составлена В.М. Мишоном [107] (рис. 1).
По функциональному назначению все пруды и водохранилища Центрального Черноземья разделяются на следующие типы: комплексного назначения, сельскохозяйственного и промышленного водоснабжения, оросительные, мельничные, противоэрозионные, хозяйственно-бытовые, рыбоводческие, рекреационные, противопожарные и ландшафтно-декоративные, пруды-отстойники сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий [107].
По способу сооружения В.М. Мишон разделяет пруды и водохранилища ЦЧР на три группы: вырытые (рытые), обвалованные (польдерные) и наиболее распространенные - запрудные или плотинные [107].
Из всех морфометрических характеристик искусственных водоемов (длина, средняя и наибольшая ширина, изрезанность береговой линии, уклон ложа и т.д.) главнейшими, которые необходимы для расчета объемов их заиления, являются объем, площадь зеркала воды и глубина.
Для репрезентативности сравнения площади различных прудов и водохранилищ, ее величину обычно приводят при отметке нормального подпорного уровня (НПУ). По величине площади зеркала воды пруды и водохранилища Центрального Черноземья можно отнести к 4 типам: малым (площадью до 2 га), средним (площадью от 2 до 10 га), большим (площадью от 10 до 50 га) и очень большим (площадью более 50 га) [107].
Глубина пруда или водохранилища - очень важный геоморфологический показатель, определяющий многие гидрологические, физико-химические и биологические процессы. Однако до настоящего времени общепризнанной типизации искусственных водоемов по этому параметру еще не разработано [107]. Согласно санитарным и противомалярийным требованиям, глубина воды у плотин летом не должна быть менее 2-3 м, площади мелководий должны быть минимальными (не более 30%) и отсутствовать замкнутые бессточные пространства [64].
В.М. Мишон пруды и водохранилища ЦЧР по глубине разделяет на 4 типа: мелководные, среднеглубокие, глубокие и очень глубокие. К мелководным принадлежат пруды и водохранилища со средней глубиной до 1,5 м, среднеглубоким - от 1,6 до 3,0 м, глубоким - от 3,1 до 4,5 м и к очень глубоким - более 4,6 м [107].
Физико-географическая характеристика
Территория исследования охватывает 18 районов Курской и 1 район Белгородской областей и расположена в центре Русской равнины, на юго-западных склонах Среднерусской возвышенности. По характеру поверхности она представляет собой пологоволнистую равнину, пересеченную многочисленными речными долинами, оврагами и балками.
Географические координаты района исследования в рамках административно-территориального деления: от 5226 с.ш. (северная часть Железно-горского района Курской области) до 4955 с.ш. (южная часть Вейделевско-го района Белгородской области), от 34 в.д. (западная часть Рыльского район Курской области) до 3930х (восточная часть Вейделевского района Белгородской области) (рис. 2).
Климат территории исследования умеренно континентальный. Средняя температура января-8-9, июля 19-21 С. Осадков выпадает 450-600 мм в год с максимумом в весенне-летний период. Летом случаются ливни. Реки относятся к бассейнам Днепра и Дона, наиболее значительные реки - Сейм, Свала, Псел, Оскол. Эти реки несудоходны. В районе исследования располагаются следующие типы почв: серые лесные (в северо-западных районах Курской области и в лесных массивах на остальной территории), черноземные (в основном оподзоленные, выщелоченные и типичные). В Вейделевском районе Белгородской области получили развитие черноземы обыкновенные.
Район исследования расположен на стыке двух природных зон - лесостепной и степной. Лесостепная природная зона занимает все районы Курской области, степная зона - Вейделевский район Белгородской области. Расположение лесостепи и степи в примерно одинаковых условиях проявления водной эрозии послужило одним из аргументов выбора ЦЧР в качестве района исследования. километры
Геологические условия. Одним из основных физико-географических условий сооружения и эксплуатации искусственных водоемов выступает геологическое строение территории. Работы, посвященные геологическому строению территории ЦЧР принадлежат А. А. Дубянскому [50]; М.Н. Грищенко [38]; В.П. Семенову [141]; Г.И. Раскатову [138]; СВ. Хруцкому, В.М. Смоль-янинову, Э.В. Косцовой [176]; Г.В. Холмовому [175]; А.Я. Смирновой, В.Л. Бочаровой, В.Ф. Лукьянову [147] и другим ученым. Анализу геологических условий применительно к сооружению прудов и водохранилищ на территории Центрального Черноземья посвящены работы И.Н. Ежова [52]; В.К. Жучковой [55]; В.А. Сердобова [142]; Г.С. Пашнева [120]; В.М, Смольянинова, СВ. Хруцкого [151]; В.Б. Михно [101], [103]; В.М. Смольянинова [149]; А.И. Ширинкина [186]; А.И. Доброва [42] и др. исследователей.
Современные физико-географические условия Центрального Черноземья являются результатом длительного процесса формирования и развития природы, начавшегося в отдаленные геологические эпохи и продолжающегося до настоящего времени. Территория исследования, включающая большую часть Курской области и Вейделевский район Белгородской области расположена в пределах Воронежской антеклизы, в сложении фундамента которой принимают участие докембрийские гнейсы и кристаллические сланцы, прорванные изверженными породами - преимущественно гранитной магмой. Среди докембрийских кристаллических пород залегают железистые кварциты, переслаивающиеся с амфиболитовыми, хлоритовыми и биотито-выми сланцами [138].
Ось антеклизы проходит по линии Щигры - Старый Оскол. Северовосточное крыло антеклизы полого опускается к Московской синеклизе, а юго-западное - более круто к Днепровско-Донецкой синеклизе. Докембрийские породы на дневную поверхность на исследуемой территории не выходят и залегают под толщей осадочных пород. Буровыми скважинами они вскрыты па глубинах от ЗО до 600 м [22]. Мощность чехла осадочных пород на исследуемой территории колеблется от 30 до 600 м.
В строении осадочного чехла центральной части Курской области принимают участие напластования юрской системы, выраженные мощными темными глинами. Юрские глины выклиниваются на поверхность в северной и северо-восточной частях Курской области [22]. В западной части района исследования, на территории Курской области (в районе г. Рыльска) эти отложения скрыты на глубину в среднем до 140-150 м. Над юрскими глинами залегают сеноман-альбские и аптские пески, мощностью 20-30 м, перекрытые фосфоритной плитой. Выход этих песков наблюдается в северной части Курской области [22].
Основными рельефообразующими породами на северо-западе Курской области являются верхнедевонские известняки, выходящие на поверхность по крутым склонам речных долин и балок. Покровные суглинки здесь имеют незначительную мощность, балочная сеть почти целиком сформирована в известняках, а водоразделы сложены верхнемеловыми песками и глинами [150].
На юге территории исследования основную роль в рельефе играют меловые породы, обнажающиеся по склонам долин и балок, а водоразделы сложены пестроцветными песками и глинами палеогена [150]. Мел турон-ско-коньякского яруса на севере и востоке Курской области выходит на поверхность, в других местах - вскрыт скважинами. Мощность его возрастает при движении с севера на юг от 5 до 50 м и более [22].
По склонам речных долин, балок и оврагов на территории Курской области повсеместно обнажается мергель. На междуречьях по линии Льгов - Курск - Касторная выше мергеля залегают опока и трепел. Мело-мергельные породы обычно трещиноваты и не представляют собой хорошего водоупора, при доступе воды способны карстоваться, так как состоят в основном из углекислого кальция, поэтому строительство прудов и водохранилищ на участках, с близким залеганием от поверхности мела требует часто допол 34 нительных мероприятий, устройство водоупорных экранов для предотвращения ухода воды и фильтрации из этих водоемов. Количество карстовых и кар-стово-суффозионных форм рельефа на 100 км2 на территории Курской области составляет от единиц до 100 (рис. 3). Коэффициент фильтрации мело-мергельных пород Курской области составляет 1,4-9,8 м/сутки, песков сено-ман-альба - 2,3-5,7 м/сутки [151]. На территории Вейделевского района Белгородской области карстовые участки не выявлены.
При создании прудов и водохранилищ не менее важным является изучение палеогеновых, неогеновых и четвертичных отложений территории. Палеогеновые отложения Курской области сложены глауконитовыми и кварцевыми песками, песчаниками, голубовато-серыми глинами, мергелями, песками с фосфоритами и кремниевой галькой, опоками. Мощность их изменчива. На водоразделах эти отложения сильно смыты, а в долинах рек и балках часто размыты полностью [22].
Породы неогена (глины, пески) обычно располагаются не только на водоразделах, но и на склонах древних долин территории Курской области, кроме того, ими сложены иногда речные террасы. На территории области неоген встречается не повсеместно. В литологическом отношении неогеновые отложения чаще сложены песками с прослойками глины [22]. Без соответствующих противофильтрационных мероприятий участки, образованные данными отложениями, практически непригодны для сооружения на них искусственных водоемов.
Четвертичные отложения на территории Курской области имеют широкое распространение и представлены покровными отложениями, в том числе лёссовидными водоразделов и надпойменных террас; пролювиальны-ми и пролювиально-делювиальными отложениями склонов в ледниковой области; флювиогляциальными, ледниковыми, мореной днепровского оледенения (в крайних западных и восточных районах Курской области), эоловыми и другими разностями. Наиболее часто эти отложения состоят из суглинков и супесей.
Методы расчета поставки эрозионного материала со склонов в гидрографическую сеть по формулам склонового смыва
Главной причиной ускоренной антропогенной эрозии почв справедливо считается сельскохозяйственная деятельность человека, использующего несовершенные технологии земледелия и устаревшие принципы землепользования. Частые механические обработки, монокультурные посевы, чрезмерные дозы агрохимикатов, некомпенсированные потери органического вещества стимулируют почвенную эрозию. Даже неправильная организация территории при хозяйственном использовании земель может стать причиной серьезных, иногда необратимых изменений структуры и функций аграрных экосистем. Проблема почвенной эрозии особенно актуальна для Центрального Черноземья, характеризующегося интенсивным и исторически продолжительным аграрным освоением.
Как правило, при оценке негативного воздействия эрозии почв главное внимание уделяется потерям плодородия почв и, как следствие, потере урожая. При этом игнорируются такие последствия эрозии почв, как заиление и загрязнение водоемов, в первую очередь прудов и водохранилищ. Между тем, эти искусственные водоемы широко распространены на территории Центрально-Черноземного региона (ЦЧР) и в ряде районов они являются важными источниками сельскохозяйственного и промышленного водоснабжения, а также резервуарами для водопоя скота.
Поэтому цель нашего исследования - на основе полевых исследований и собранного фактического материала разработать метод расчета объема поступления наносов в чаши искусственных водоемов Центрального Черноземья и пространственное моделирование их заиления, предложить систему мероприятий по снижению интенсивности этого процесса.
Чаши прудов и водохранилищ часто используются для оценки объёма поступающих в речную сеть наносов, так как в них задерживается большая часть материала, перемещаемого со склонов в гидрографическую сеть. Методологической основой нашей концепции является предложенное Н.И. Мак-кавеевым понятие об эрозионно-русловой системе и эрозионно-склоновых геосистемах [92]. В самом общем виде эрозионно-русловая система (ЭРС), включающая все поверхностные водные потоки, может быть определена как «совокупность взаимосвязанных форм рельефа и процессов, обусловленных воздействием водных потоков на земную поверхность» [5]. По принципу однотипности функционирования эрозионно-русловая система на верхней ступени иерархии делится на встроенные одна в другую подсистемы: эрозионно-речные, эрозионно-суходольные (овражно-балочные) и эрозионно-склоновые [92]. Эрозионно-склоновые геосистемы - первичные в этой иерархии - являются основным источником веществ и энергии для двух остальных и в то же время их неотъемлемой составляющей.
Так как водосборы прудов и водохранилищ служат источником эрозионного материала, а сами водоемы его аккумулируют, поэтому они являются элементами ЭРС. Без учета процессов, происходящих на водосборах искусственных водоемов, невозможно правильно построить физически обоснованную модель эрозии. Как правило, все проанализированные нами методики расчета эрозии почвы, основаны на многолетних стационарных наблюдениях и данных карт поясов эрозии. Но за время наблюдений ситуация на водосборе может значительно измениться. Могут появиться новые искусственные водоемы, перехватывающие эрозионный материал, может измениться площадь пашни, технология ее обработки, система противоэрозионных мероприятий.
Для расчета количества эрозионного материала, поступающего в чаши прудов и водохранилищ в Центрально - Черноземном регионе, вполне применимы методики для расчета эрозии почв, разработанных для сельскохозяйственных и других склоновых угодий. Дело в том, что подавляющее большинство прудов и водохранилищ в Центральном Черноземье располагаются в балках и оврагах [107], которые не имеют постоянного водотока и расположены среди распахиваемых полей. Между тем, «на поверхности распахи 87 ваемых склонов междуречий главенствует поверхностная эрозия (смыв и размыв) почв, являющаяся поставщиком материала для низких звеньев» [53]. Даже если водоемы располагаются на постоянных водотоках, то есть ручьях или малых реках 3-4 порядков [12], они получают эрозионный материал в свои чаши в основном с полей, которые часто подступают распахиваемыми кромками близко к урезу воды вопреки положению о водоохранных зонах.
Наносы, формирующиеся на пахотных склонах в результате смыва, поступают либо на нижерасположенные задернованные или залесенные склоны, где происходит их частичная аккумуляция с одновременным образованием специфических форм рельефа, либо непосредственно в днища оврагов и балок [115]. Сток, образующийся в результате весеннего снеготаяния и в результате выпадения дождей, подхватывает с собой частицы почвы и перемещает их в нижерасположенные балки, овраги, а также в русла малых рек. Через эти транспортирующие элементы гидрографической сети почва со склонов полей перемещается в чаши искусственных водоемов. В зависимости от уклона водосбора, агрофона и величины облесенности, смыв почвы, вызванный таянием снега и дождями, может колебаться в значительных пределах [10], [54], [74], [156], [197], [198].
Моделирование заиления искусственных водоемов за различные периоды времени
В основу моделирования заиления искусственных водоемов нами положены зависимости толщины наилка от глубины участка водоема. При обработке полученных результатов по каждому конкретному искусственному водоему становится очевидно, что для маленьких прудов с простой конфигурацией береговой линии достаточно построение одной зависимости интенсивности заиления от глубины. В то время как для больших прудов и водохранилищ сложной конфигурации, разделенных дамбами путепроводов, принимающих в себя крупные овраги и балки с конусами выноса, необходимо выделение нескольких участков. Количество таких обособленных участков может быть два, три, или более - в зависимости от размера акватории искусственного водоема и сложности береговой линии. Зависимости на рис. 22-25 построены по данным наших промеров. Водохранилище на реке Чернь было разбито на четыре характерные части. На рисунках видно, как происходит заиление водохранилища в каждой его части. В целом, на всех приведенных зависимостях наблюдается разброс точек на больших глубинах (более 3-4 метров), что говорит о каких-либо неучтенных нами факторах, приводящих к заилению водохранилищ. Разброс точек в створе № 1 может быть показателем того, что к донным отложениям, поступающим со склонов эрозионно-склоновых геосистем, добавляются продукты разрушения берегов в результате абразии, эрозии, оползней и других экзогенных процессов. Разброс точек в створах №№ 2 и 3, по нашему мнению, является следствием подводного рельефа (старого русла, топляков), а также «тяжелого течения» в направлении к плотине. Разброс точек продольного створа следует из того, что он заложен в верховье водохранилища, где донные наносы постоянно взмучиваются волнением водной толщи, а также задерживаются высшей водной растительностью.
Эти эмпирические уравнения были рассчитаны на основании проведенных промеров глубин и толщины накопившегося наилка в прудах и водохранилищах. При анализе промеров мы обратили внимание на характер распределения наносов в чаше искусственных водоемов. Проанализировав особенности распределения наносов, мы пришли к выводу, что для одних створов характер распределения наносов может быть описан линейной зависимостью, для других - квадратичной (рис. 22-25). Например, процесс заиления в створе на рис. 23 может быть описан линейной зависимостью. Можно использовать и единую зависимость Н = f(h0) для всего водоема. Это упрощает расчеты, но несколько снижает их точность. Данные уравнения построены в программе Excel как уравнения, описывающие характер связи между начальной глубиной искусственного водоема и толщиной отложившегося в нем наилка, то есть характер распределения поступивших из гидрографической сети и со склонов наносов по акватории прудов и водохранилищ.
Точность построенных нами зависимостей может быть проверена величиной достоверности аппроксимации и значением коэффициента корреляции R. Для зависимости на рис. 22 R = 0,93; для зависимости на рис. 23 R = 0,76; для зависимости на рис. 24 R = 0,96: для линейной зависимости на рис. 25 R = 0,89, для квадратичной R = 0,94. Высокие значения коэффициента корреляции свидетельствуют о том, что наши предположения верны, между глубиной и мощностью наилка обнаруживается тесная связь.
Наносы, поступающие из гидрографической сети и со склонов в чаши прудов и водохранилищ, приводят к их заилению. Но из-за сложной морфометрии чаш они неравномерно распределяются по площади. Там, где толща воды большая, эрозионного материала откладывается больше, где толща воды меньше, эрозионного материала также откладывается меньше. Площади искусственных водоемов не так быстро сокращаются, как могло бы показаться, так как водная толща в верховьях небольшая. Мы также считаем, что волнение водной толщи способствует переносу эрозионного материала из мелководной части водоема в более глубоководную. Заиление в глубоководной части происходит постепенно, варьируясь от года к году, и зависит в основном от гидрометеорологических условий каждого конкретного года. Обследованные нами пруды и водохранилища заиляются, по нашим расчетам, со скоростью от 0,3 до 3 см в год.
Процессы распределения наносов по акватории прудов и водохранилищ описываются построенными нами зависимостями. Как уже было сказано выше, для разных водоемов и для разных частей одного и того же водоема одни зависимости получаются линейными, другие - квадратическими. Для проверки тесноты связи между зависимостями мы построили обобщенную зависимость, состоящую из наложенных друг на друга зависимостей для каждого створа каждого искусственного водоема (рис. 26).
Коэффициент корреляции зависимости составляет 0,92 вместо 0,94-0,97 для отдельных створов. Это показывает хотя и меньшую точность расчетов, но вполне приемлемую в данном случае. При построении обобщенной зависимости по всем створам для некоторых исследованных нами искусственных водоемов степень разброса точек на диаграмме не удовлетворяла требованиям точности.
