Тема 2. «Фактори водної ерозії та дефляції грунтів»

1. Фактори, які формують поверхневий стік

Визначення природи і закономірностей усякого процесу, особливо руйнуючого будь-яку систему, є обов`язковою умовою для опрацювання науково обгрунтованого управління і прогнозу. Особливо актуальним це положення є для ерозії грунтів, яку безсумнівно можна віднести до найбільш загрозливих життєдіяльності людства явищ.

Ерозія грунту - це процес руйнування її поверхневого шару під впливом води чи вітру. Існує досить обгрунтована думка щодо розмежування термінів “водна” і “вітрова” ерозія. Замість останнього більш доцільно використовувати поняття "дефляція". Під водною ерозією розуміється сукупність процесів, які обумовлюють змив грунту, транспортування вниз по схилу і відкладення грунтових інгредієнтів під впливом енергії дощових крапель і (або) стікаючої по поверхні води. Всі ці три складові частини водної ерозії (або просто ерозії) чітко детермінуються. Термін дефляція (лат. deflatio - видування, розвіювання) відображає тільки видування мілкозему з поверхні грунту чи породи. Процеси переносу (транспортування) грунтових часток і їх відкладення цім терміном не охоплюються. До того ж, ці процеси важко детермінуються і, як правило, не обумовлені особливостями конкретного ландшафту, а визначаються глобальними атмосферними явищами. Наприклад, видутий дрібнозем при пилових бурях 1969 року осів за тисячі кілометрів від міста його надходження у повітря. Тому, використання терміну "дефляція" буде більш коректним, ніж термін "вітрова ерозія".

Ерозія грунтів - це соціальне явище, продукт життєдіяльності суспільства. Природні ж фактори є, як правило, не причиною ерозійних процесів, а лише передумовою, при наявності якої можливе виникнення і розвиток ерозії під впливом діяльності людини.

Ерозія грунтів є результатом складної взаємодії природних факторів і господарської діяльності людини. При цьому остання виступає як би у двох “обличчях”: вона є головною (а в більшості випадків єдиною) причиною ерозії і вона ж - провідний фактор.

Фактори ерозії можна розподілити на дві групи.

Перша група - фактори, які формують поверхневий стік води - клімат (режим, кількість і енергія опадів, температурні режими грунту, діяльної поверхні, повітря та інше) і геоморфологічні параметри місцевості, її рельєф.

Друга група - фактори, які визначають рівень еродованості грунтів, його динаміку у часі і просторову варіабельність (фактор грунту), ступінь захисту рослинністю, господарча діяльність людини.

Співвідношення дії цих двох груп факторів, в кінцевому результаті, визначає початок і розвиток ерозійних процесів.

Фактор клімату

Клімат впливає на інтенсивність ерозії безпосередньо (прямо) і побічно. Безпосередній вплив клімату характеризується значенням таких показників: шар опадів, режим і інтенсивність дощу, енергія крапель, шар снігу і інтенсивність його танення, глибина промерзання грунту. Побічно клімат впливає через зміну ерозійної стійкості грунту. Наприклад, багаторазовий перехід температури повітря взимку через 0⁰С веде до розпилення структурних агрегатів, що значно підвищує ерозійну і дефляційну небезпеку. Істотний вплив на процес деагрегації справляє коливання вологості грунту: висихання-намокання. Відомо, що рівень вологозабезпеченості в певній мірі визначає інтенсивність ерозії грунту. А. Аллісон і Д. Палмер (1984) вважають, що в природних умовах більше за все мілкозему виноситься там, де за рік випадає 25-35 см атмосферних опадів. Такої кількості води достатньо для того, щоби виник значний поверхневий стік, і занадто мало, щоб сформувати задовільний захист рослинного покриву. Для умов України цей розмах річних опадів знаходиться у межах 400-500 мм. Найбільша інтенсивність ерозії має місце в перехідній зоні між Степом і Лісостепом.

Фактор рельєфу

Рельєф земної поверхні є сукупністю геометричних форм цієї поверхні, які створилися в результаті складної взаємодії земної кори з водною, повітряною і біологічною оболонками Землі. С.С. Соболєв (1948) писав, що “рельєф является вершителем судеб эрозионного процеса”. Дійсно, завдяки перепаду височин атмосферні опади, що надійшли на земну поверхню, одержують потенційну енергію, котра трансформується в живу силу водних потоків і здійснює роботу відриву і транспортування частин породи чи грунту. Тому дослідження ролі рельєфу в розвитку ерозійних процесів було і є в полі зору багатьох вчених. Але ця наукова проблема ще далека від свого вирішення. За Г.А. Ларіоновим (1991) при узагальненні емпіричних даних в емпіричних моделях ерозії вплив похилу (І) і довжини схилу (L) на середній змив грунту (W) в загальному випаді 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 грунту все ж таки має непрямий характер і може проявлятися через ті гідравлічні характеристики водних потоків, які знаходяться у безпосередній залежності від довжини і крутості схилів, їх форми, густоти і структури гідрографічної мережі.

Довжина схилу і ухил земної поверхні досить повно відображають вплив рельєфу на ерозію грунтів. 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, недоцільно його і переоцінювати. Особливо небезпечним є створення конструкції протиерозійного захисту сільськогосподарських угідь тільки на підставі параметрів рельєфу (підкреслимо, що саме такий підхід має широке розповсюдження в проектах протиерозійного захисту, що розробляються). В кращому випадку, таке упорядкування не дозволить досягти бажаних результатів (припинити ерозію), а частіше - обумовить прискорення ерозійних процесів.

2. Фактори, які визначають рівень еродованості грунтів

Фактор грунту

Грунт - це той об`єкт, який саме і піддається руйнуванню ерозійними процесами. Тому його властивості і стан в більшості випадків є домінантою серед факторів ерозії. Розбіжності між прогнозуємими (розрахунковими) і фактично визначеними даними ерозійних втрат грунту визначаються не стільки недостатнім урахуванням гідромеханічних факторів (які всебічно вивчаються на протязі багатьох десятиріч), а скільки тим, що дотепер вельми недостатньо ураховувалися характеристики грунту і підгрунтя, які визначають ерозійну стійкість. Тому надзвичайно важливо одержати залежності показників, які визначають її параметри.

Стійкість або, навпаки, піддатливість грунту до впливу активних агентів ерозії (дощовим краплинам, водним потокам) - складна комплексна характеристика грунту. Це знайшло відбиток як в тлумаченні цієї грунтової характеристики, так і в методах щодо її визначення. В англомовній літературі затвердився термін "змиваємість грунту", який вперше запропонований Х.Е. Мідлтоком (Midlton, 1930), що еквівалентно нашому "ерозійність". У поширеній формі у наш час (erodibility) він вперше наводиться у роботі Х.Л. Куха (Cook, 1936). У вітчизняній літературі більш поширений термін "протиерозійна стійкість грунту", який вперше запропонований С.С. Соболєвим і С.І. Пономарьовой (1945). Дещо пізніше В.Б. Гуссак (1950) запропонував термін "еродуємість", котрий за смислом протилежний першому.

Ц.Є. Мірцхулава (1970, 1988) і М.С.Кузнєцов (1981) зробили досить повний огляд результатів досліджень багатьох авторів, що присвячені піддатливості (або, навпаки, опірності) грунту ерозії шляхом вимірювання деяких фізичних, хімічних і фізико-хімічних його властивостей.

Розпорошені грунти швидше піддаються змиву у порівнянні із структурними. Сталі по відношенню до ерозії грунти морфологічно характеризуються слабо виразною диференціацією на генетичні горизонти і поступовим переходом одного горизонту у другий, структурністю (агрегатністю), доброю водопроникливістю.

Для хімічного складу таких грунтів характерне збагачення їх органічною речовиною і півторинними окислами (SiO₂/R₂O₂<2). Водопроникність грунту є важливою характеристикою водно-фізичних властивостей грунтів. Вона може розглядатися як непрямий показник стану води по поверхні грунтів, і, відповідно, протиерозійної стійкості і змиву дрібнозему. Має місце тісний позитивний зв`язок між водотривкістю структурних агрегатів, вмістом гумусу і водопроникністю (Качинський, 1970; Назаров, 1981; Блек, 1973).

Аналіз показує, що склад і якість структурних агрегатів (перш за все водотривкість) і зв`язність їх один з одним - домінуючі агрофізичні параметри, що визначають ерозійну стійкість грунтів.

Таким чином, грунт як фактор ерозії достатньо характеризується параметрами агрегатного складу і водопроникності - найважливішими агрофізичними властивостями грунтів (Булигін, 1990). Принципово важливо, щоб ці параметри грунтів, які визначають ерозійну стійкість, надходили до математичних моделей ерозії, що використовуються для оцінки небезпеки і прогнозу розвитку ерозії, безпосередньо без вводу будь-яких непрямих залежностей. Цей основний критерій повинен бути провідним при оцінці працездатності і адекватності цих моделей, тому що властивості грунту - домінуючий фактор ерозії, що багатьма дослідниками ігнорується або не усвідомлюється.

Фактори системи ведення рослинництва (С) і боротьби з ерозією (Р)

Розділити вплив факторів С і Р досить важко, тому огляд їх вивченості слід зробити разом. Фактор С дорівнює співвідношенню втрат грунту з ділянки під посівом певної культури до втрат грунту з контрольної ділянки, яка знаходиться під чистим паром і при цьому ці ділянки знаходяться в рівних едафічних умовах на схилах, що мають рівні ухили, і умовах рівної кількості опадів.

Рослинність усіх видів є потужним протиерозійним фактором. Ступінь впливу рослинності визначається її видовим складом і станом. Протиерозійна роль рослинності багатогранна. Вона проявляється у зменшенні ударної сили крапель дощу. Певна частина дощу затримується на рослинах і не приймає участі в ерозії грунту. Досить повне зведення цих робіт зробив А.А. Молчаков (1960). Рослинність кореневою системою зв`язує грунтові частки і підвищує гідрологічну шорсткість, що затримує стікаючу поверхневу воду і покращує умови для поглинання її грунтом.

П.С.Захаров (1971) пропонує розмістити (в напрямку зменшення) рослинність за протиерозійною ефективністю в такій послідовності:

1) лісні дерево-чагарникові насадження;

2) трав’яниста природна рослинність і багаторічні сіяні трави;

3) плодові дерева і чагарники при задернінні поверхні грунту;

4) посіви сільськогосподарських культур:

         а) злаково-бобові;

         б) зернові;

         в) бобові;

         г) просапні.

Для кількісній оцінки протиерозійної ефективності рослинності опрацьована досить значна кількість емпіричних показників. Як найбільш типовою можна назвати пропорцію І.С. Костянтинова (1977), за якою ступінь захисту грунту рослинністю визначається за формулою:

K₃=(C_п-C_к)/Cп,   

де:     К_з - коефіцієнт захисту грунту;

         С_п - змив з чорного пару;

         С_к - змив з поля, яке зайняте культурою.

Фактор протиерозійних заходів являє собою співвідношення кількості втрат грунту при їх використанні до втрат в умовах обробітку вздовж схилу або по відношенню до вирівняної поверхні чорного пару. В.Д. Папитков (1980) досить повно визначив вимоги до протиерозійних заходів. Гідрологічний (а, отже, і грунтозахисний) ефект будь-якого протиерозійного заходу залежить, головним чином, від впливу на інтенсивність і тривалість інфільтрації води в грунт при зливових опадах або сніготаненні. При інших рівних умовах стік води буде меншим при таких способах обробітку, які створюють більшу шорсткість поверхні і високу її шпаруватість. Ущільнення, вирівняння поверхні, знищення рослинних решток неминуче збільшує поверхневий стік води і змив грунту. 

3. Фактори дефляції грунтів

Кліматичні фактори

Головна причина руху повітря – неоднорідний нагрів атмосфери Сонцем. Друга причина глобального руху атмосфери – обертання Землі навкруги своєї вісі. Систему великомасштабних повітряних течій над Землею називають загальною циркуляцією атмосфери. При певних умовах усі складові загальної циркуляції можуть супроводжуватися дефляцією ґрунтів, що призведе до запилення атмосфери. У метеорології явище переносу часток ґрунту сильним вітром називається пиловою бурею.

Швидкість вітру закономірно змінюється протягом доби, що відбивається на інтенсивності процесів вітрової ерозії ґрунтів. Звичайно швидкість вітру підвищується до опівдня, а на вечір зменшується. Але бувають випадки, коди під час глобальної пилової бурі (наприклад 1969р.) сильний вітер може дути без перерви 100 і більше годин.

Швидкість вітру має сезонну динаміку. Найбільші швидкості вітру характерні для кінця зими – початку весни. Саме цей період найбільш дефляційно небезпечний. Швидкість вітру вимірюється на висоті флюгера метеостанції (10 метрів над поверхнею) спеціальними стаціонарними приладами.

Важливою характеристикою вітрового режиму території, яка ураховується при протиерозійному упорядкуванні території, є напрям вітру. Одним з найбільш поширених методів його оцінки є визначення так званої рози вітрів, яка являє собою діаграму розподілу числа випадків вітрів за основними румбами. Роза вітрів дозволяє виявити превалюючий напрям вітру, що не завжди співпадає з найбільш небезпечним напрямом вітру, який може викликати дефляцію чи суховії.

Вологий грунт є дефляційно стійким. Процеси зволоження – висушування і переходу через 0°С істотно впливають на механічну сталість ґрунтових агрегатів. При чому руйнуючий вплив за П.С.Трегубовим замерзання і розмерзання на порядок вищий від першого циклу. Зате, коли без сталого снігового покриву має місце неодноразовий перехід через 0°С, створюються умови для прояву дефляційних процесів.

Топографічні фактори

Взаємодія елементів рельєфу з повітряним потоком підкорюється законам аеродинаміки. У відповідності до них виступи на земній поверхні регресійно впливають на повітряний потік. Зміна швидкості вітру під впливом елементів рельєфу кількісно характеризується певним коефіцієнтом. Основне правило: на навітряних схилах збільшується швидкість вітру, на підвітряних – зменшується. Відповідно спостерігається інтенсивність дефляції ґрунтів.

Порядок розподілу дефльованих ґрунтів на схилі принципово відрізняється від порядку розподілу змитих: ступінь змитості ґрунтів збільшується зверзу вниз, а ступінь дефльованості – знизу вверх на навітряних схилах.

Форма і ухил схилів також впливають на хід вітрової ерозії ґрунтів аналогічно впливу на процеси водної ерозії. Дефляція інтенсивніше призводить на опуклих схилах, слабкіше – на увігнутих схилах. Збільшення ухилу навітряних схилів збільшує дефляцію ґрунтів.

Ґрунтові і літологічні фактори

Властивості ґрунтів, які впливають на процеси вітрової ерозії можна розділити на дві групи: 1) властивості, що безпосередньо впливають на протидефляційну стійкість, 2) властивості, що побічно впливають на інтенсивність вітрової ерозії.

До першої групи відносяться агрегатний склад, щільність агрегатів, міжагрегатне зчеплення, до другої – комплекс властивостей, які визначають параметри властивостей першої групи. Часто дослідники розробляють регресійні рівняння, в яких у якості залежних змінних визначають властивості першої групи, а у якості аргументів – другої групи. Параметри ґрунтів, що визначають їх дефляційну стійкість мають значну динаміку на протягом року. Домінантним фактором вітрової ерозії являється господарча діяльність. Технологічний процес вирощування сільськогосподарських культур можуть різко збільшити дефляційну небезпеку. Впливовим фактором на дефляційну стійкість ґрунтів є кореневі системи рослин, вміст гумусу.

Протидефляційна стійкість вважається достатньою, коли швидкість початку масового руху ґрунтових часток на висоті флюгеру перевищує швидкість 10%‑вої забезпеченості в даній місцевості. В Україні за Г.О.Можейко (2001) прийнято 20%‑ву забезпеченість швидкості вітру під час пилових бур. У протилежному випадку (критична швидкість менше швидкості вітру певної забезпеченості) протидефляційна стійкість ґрунту враховується недостатньою, що вимагає проведення протидефляційних заходів.

Рослинність

Рослинність – найбільш впливовий фактор вітрової ерозії, який у широких межах піддається управлінню, що використовується при формуванні протидефляційного захисту і грунтоохоронних технологій. При взаємодії з рослиною структура повітряного потоку змінюється і збільшується турбулентність і зменшується середня швидкість. Шар, в якому збільшується турбулентність, називається турбулентним слідом, який формується за групою рослин і виконує роль буфера. Ступінь зміни повітряного залежить від швидкості вітру і конструкції рослинного покриву. Чим більше висота рослинного покриву, тім довше його “вітрова тінь”. При розташуванні рослин на полі так, що їх “вітрова тінь” перекривається можна вважати, що це поле надійно захищене від дефляції.

Критерієм оцінки протидефляційної ефективності лісосмуг є площа захисної зони, де швидкість вітру зменшується не менше ніж на 10%. Крім того, на полях, які захищені мережею полезахисних лісосмуг, рослини не страждають від посухи, а ґрунти – від дефляції.

4. Контрольні питання для самоперевірки

1. Які фактори визначають рівень еродованості грунтів, його динаміку у часі і просторову варіабельність?

2. Дайте характеристику опосередкованого впливу клімату на інтенсивність водно-ерозійних процесів.

3. Назвіть фактори, що впливають на формування поверхневого стоку.

4. Розкрийте зміст протидефляційної стійкості грунту.

5. Чому рослинність є найбільш впливовим фактором дефляції грунтів? 

5. Список рекомендованої літератури

1. Закон України від 16.02.2017 "Про державний контроль за використанням та охороною земель" [Електронний ресурс] Режим доступу до ресурсу http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/963-15
2. Закон України "Про охорону земель" від 27.06.2015 [Електронний ресурс] Режим доступу до ресурсу http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/962-15?test=qY4Mfbtc78fVbabUZizauODBHI4V2s80msh8Ie6
3. Закономірності поширення еродованих грунтів на території України [Електронний ресурс] Режим доступу до ресурсу https://studfiles.net/preview/5342226/page:37/
4. Географічна енциклопедія. – К., 2000.
5. Основи геології та геоморфології. – К., 1996.