Лекції 5-6. Фактори водної ерозії

2. Топографічні фактори

Рельєф земної поверхні є сукупністю її геометричних форм , які утворилися в результаті складної взаємодії земної кори з водною, повітряною і біологічною оболонками Землі. С.С.Соболєв (1948) писав, що “рельеф является вершителем судеб эрозионного процесса”. Дійсно, завдяки перепаду височин атмосферні опади, що надійшли на земну поверхню, одержують потенційну енергію, яка трансформується в живу силу водних потоків і здійснює роботу відриву й транспортування часток породи чи ґрунту. Тому дослідження ролі рельєфу в розвитку ерозійних процесів було і є в полі зору багатьох вчених. Але ця наукова проблема ще далека від свого розв’язання.

За Г.А.Ларіоновим (1991) при узагальненні емпіричних даних в емпіричних моделях ерозії вплив похилу (І) і довжини схилу (L) на середній змив ґрунту (W) в загальному випадку описується у вигляді рівняння:

W=a_p×Iⁿ×L^p

де:     a_p - вплив інших факторів на змив; n і р - регресійні коефіцієнти.

Ерозійна робота виконується за рахунок живої сили схилових потоків, тому вплив рельєфу на змив ґрунту все ж таки має непрямий характер і може виявлятися через ті гідравлічні характеристики водних потоків, які  безпосередньо залежать від довжини і крутості схилів, їх форми, густоти й структури гідрографічної мережі. Вплив форми профілю схилу на змив ґрунту відзначався багатьма дослідниками. В загальному вигляді цей вплив описується елементарними правилами.

На схилі опуклої форми змив більший, ніж на прямому, а на ввігнутому - менше. Були спроби дати кількісну характеристику цього явища. Наприклад, Б.В.Поляков (1946) рекомендував такі коефіцієнти для обліку впливу форми схилу на змив: 0,5 - для ввігнутого і 1,5 - для опуклого. Але термін "опуклий" і "ввігнутий" схил дає лише загальне уявлення про його форму. Тому усе різноманіття схилів і вплив форми їх профілю на змив ґрунту постійними коефіцієнтами може бути оцінено дуже приблизно. Проте це питання має велике значення при проектуванні протиерозійних заходів.

Підрахунки енергетичного балансу сучасних рельєфоутворюючих процесів свідчать, що головне джерело енергії - променева сонячна енергія, яка переважає енергію ендоземних процесів на три порядки.          У зв`язку з цим заслуговує на увагу погляд О.В.Позднякова і І.Г.Черваньова (1990), які вважають, що вплив на рельєф “з позиції сили”, тобто без урахування внутрішньої структури, характеру зв`язків, місця рельєфу в системі географічної оболонки, співвідношення біологічного і абіогенного витоків будови земної поверхні, не приносить очікуваних результатів. “Штучні рельєфи” вимагають постійної уваги або періодичної перебудови поверхні, створення інженерних споруд й інших заходів, які перетворюють рельєф у штучну забудову, що не може бути системою в первинному розумінні. Самореалізація рельєфу може бути зрозуміла лише в системі самоорганізації географічного ландшафту, а на орних і/або інтенсивно використовуваних землях - ще і з урахуванням зовнішнього антропогенного впливу на ландшафт. Це положення особливо актуальне при створенні протиерозійного захисту агроландшафтів, які за своєю стійкістю й збалансованістю повинні наближатися до природних ландшафтів. Одним із найбільш домінуючих процесів, що формують рельєф земної поверхні, є ерозія ґрунту і підґрунтя, яка у свою чергу залежить від довжини (L) і крутизни схилів.

Вплив окремих елементів рельєфу та їх комплексів на хід ерозійних процесів вивчали видатні вчені сучасності (Соболєв, 1948; Холуп`як, 1961; Федотов, 1975; Скородумов, 1976; Сурмач, 1976; Гаршеньов, 1980; Іванов, 1983; Ларіонов, 1993 та інші). Опрацьована значна кількість емпіричних залежностей, показників та коефіцієнтів, які відображають вплив фактора рельєфу на ерозію ґрунтів. Але більшість положень, які були прийняті при розробці залежностей залишаються суперечливими і потребують подальшого уточнення. Невиправдано велика увага надається  вивченню впливу на ерозію ґрунтів форми схилів та їх експозиції. Мабуть, це непродуктивний, і навіть безвихідний шлях. Так, вплив форми схилу можна врахувати, якщо розбити схил на елементарні ділянки, що дає змогу позбутися всієї низки емпіричних коефіцієнтів. Вплив експозиції фактично автоматично враховується через параметри ерозійної стійкості ґрунтів (тут буде доречно пригадати класичний вираз В.В.Докучаєва, що ґрунт є дзеркалом рельєфу) і кліматичні показники, які визначають ерозійну здатність повеневих вод і злив.

Отже, довжина схилу та ухил земної поверхні досить повно відображають вплив рельєфу на ерозію ґрунтів. Дуже важливо, що ці показники фізично обумовлені і для оцінки ерозійної небезпеки ділянки чи всієї місцевості. Вони використовуються безпосередньо без емпіричних залежностей. Безперечно, рельєф - дуже важливий фактор, який визначає небезпеку і розвиток ерозії, але не варто його і переоцінювати. Особливо небезпечним є створення конструкції протиерозійного захисту сільськогосподарських угідь тільки на підставі параметрів рельєфу (наголосимо, що саме такий підхід має значне поширення в проектах протиерозійного захисту, що розробляються). В кращому випадку, таке впорядкування не дозволить досягти бажаних результатів (припинити ерозію), а частіше - обумовить прискорення ерозійних процесів.Таке коротке резюме щодо впливу фактору рельєфу має бути доповнене деяким поясненнями.

Рельєф землі не тільки визначає особливості формування стоку талих і дощових вод і, відповідно, процесів ерозії і просторовий розподіл еродованих ґрунтів. Він,  своєю чергою, формується під впливом ерозії ґрунтів і підґрунтя.

Стік формується у межах водозбору – території, яка обмежена водороздільною лінією. Елементами водозбору є вододіли, схили і гідрографічна мережа. Вододільним простором або водорозділом (на відміну від вододільної лінії) на рівнині є міжріччя, яке не має стоку у будь-яку річну систему. Тобто це простір, який прилягає до вододільних ліній. Гідрографічною мережею називають мережу понижень, за якими проходить стік поверхневих вод. У плані (надір) ця мережа понижень має вигляд розвиненого дерева. Розрізняють такі елементи суходільної мережі (Козьменко, 1954; Арманд, 1955):

Улоговина – верхній ланцюг гідрографічної мережі, який прилягає до найбільш високих частин водозборів і має невелику глибину (0,5-2 м), похилі схили, що повільно переходять у плакорний простір водозбору. Схили улоговин навіть у самих крутих місцях не бувають більші за 3-8⁰. Водозбір улоговин, як правило, не перевищує декількох десятків гектарів. Улоговини у більшості випадків розорюють.

Лощина (виярок) – елемент гідрографічної мережі, який відрізняється від улоговин більш різким контурами, глибиною й ухилом схилів (8-15⁰), а також геологічною будовою берегів. Потужність підґрунтя і ґрунтів залежить від експозицій: на південних схилах вона менша у порівнянні з північними (протилежними). Річища потоку на дні лощини не буває. Лощини вже не обробляють, їх доцільно засівати травами.

Балка (байрак) - це витягнута западина, яка відокремлена від примережевого схилу добре визначеною бровкою і має зовнішню асиметрію берегів, ґрунтів і підґрунтя. На крутих сонячних схилах ґрунти й підґрунтя мають малу потужність, а можуть бути і відсутні. На тіньових берегах, які є більш похилими, формується потужний шар лесу або лесоподібного суглинку. Глибина балок зазвичай дорівнює 6-20 м, ширина – 60-200 м, ухил берегів – 10-15⁰ (може доходити до 35⁰), площа водозбору – від 250 га до декількох тисяч гектарів. Характерною особливістю балки є, звичайно, добре виразне річище тимчасового водотоку на її дні. На схилі балок спостерігаються тераси. З глибоких балках витікаають підґрунтові води. Широкі днища вкриті трав’янистим покривом. Балки впадають у річні долини. Вважається, що балка – це яр, який зупинився у своєму розвиткові. Більшість балок – продукт так званої стародавньої геологічної ерозії під впливом талих вод льодовиків.

Долина ріки – найбільш стародавній ланцюг гідрографічної мережі, який відрізняється від балки наявністю постійного водотоку і пов’язаних з ним характерних форм рельєфу: заплав, притерасових западин, прирічищних валів.

Формування гідрографічної мережі на рівнинах відбулося у льодовиковий період, коли гігантські потоки води розмивали поверхню, намивали покривні породи, які вкрилися рослинністю і трансформувалися у ґрунти (Козьменко, 1954).

Переважну частину території водозборів займають схилові землі. Схили різняться за формою, довжиною, ухилом і експозицією. Виділяється повздовжній і поперечний профілі схилів. За формами повздовжнього і поперечного профілів схили бувають прямі, опуклі й увігнуті. Зустрічаються схили складної форми: опукло-увігнуті, увігнуто-опуклі і східникові. При опуклій формі поперечного профілю схилу стік на цьому схилі розсіюється; при увігнутій формі – збирається.

Довжина схилу – відстань від водорозділу до бровки елементу гідрографічної мережі. Довжина схилів істотно залежить від ступеня розчленованості території, яку можна характеризувати коефіцієнтом розчленованості К:

K=L/S, де L – довжина долинної і балочної мережі, км; S – площа певної території, км².

За класифікацією М.М. Заславського (1987) схили поділяються на:

надмірно короткі               <50 м

дуже короткі                    100 м

короткі                             до 200 м

середні                             до 500 м

підвищеної довжини       до 1000 м

довгі                                 до 2000 м

дуже довгі                        до 4000 м

надмірно довгі                >4000 м

Ухилом (похилом) місцевості (І) називається величина, що дорівнює співвідношенню висот двох точок на лінії найбільшого ухилу схилу (b) до горизонтальної проекції відстані між ними (Dh):

 tg1⁰=0.0175

Пропонується наступна класифікація схилів за ухилом (Брауде, 1955):

слабоположисті              <1⁰

положисті                        <2⁰

похилі                              2-5⁰

похило-круті                   5-9⁰

круті                               9-20⁰

дуже круті                     20-30

Базис ерозії – горизонтальна поверхня, на рівні якої ерозія припиняється. Для яру, наприклад, базисом ерозії може бути рівень річища балки, заплави чи меженний рівень води ріки. Абсолютним базисом ерозії є рівень світового океану.