2 індикаційне значення динаміки морфодинаміки й мережі рельєфу для визначення особливостей функціонування водозбору
| Вид материала | Документы |
- 2 властивості структурної мережі рельєфу, методи їх дослідження І моделювання, 2670.53kb.
- Стан водного режиму річки визначається як інтегрований результат взаємодії елементів, 103.83kb.
- В світової арени, можна зробити висновок про відносне зменшення ролі національних держав, 192.25kb.
- Порівняльний аналіз динаміки виробництва сталі у регіонах світу завдання, 643.19kb.
- Робоча навчальна програма з біології основами генетики для студентів заочної форми, 129.71kb.
- Формат опису модуля, 18.42kb.
- Лист завдання, 301.64kb.
- Дипломного проекту, 336.13kb.
- Програма розвитку національної мережі міжнародних транспортних коридорів в Україні, 393.67kb.
- Тема Потенціал національної економіки, 3014.4kb.
2.4.3. Моделювання поверхнево-схилового змиву з територій субводозборів й типологічне районування басейну р. Оскіл по величинах річного модуля змиву
Морфологія поверхні і структурні мережі рельєфу водозбору, з одного боку, і його гідрологічний режим, із другого, дуже складно зв'язані між собою саме через ерозійно-акумулятивні процеси. Ця обставина і відображається в функціонуванні і розвитку довкілля басейну, якому притаманна характерна чутливість його гідролого-геоморфологічної
системи. Оскільки час загасання інтенсивного розвитку схилових процесів багато в чому залежить від часового масштабу кліматичних змін,
Таблиця 2.19. Кореляція рядів динаміки твердого руслового стоку між частинами водозбору р. Оскіл
| Величини, що корелюються | Величини коефіцієнта кореляції  | Рівняння лінійної регресії y = a+bx | |
| значення витрат наносів у Басейні I - x | значення витрат наносів у Басейні II - y | ||
| Фактичні значення витрати наносів | 0,886 | y = 0,53+0,96x | |
| Величини відхилення від тренду | 0,842 | y = 0,003+0,91x | |
| Значення коефіцієнтів шостої гармоніки | 0,814 | y = 0,08+0,72x | |
| Значення випадкової компоненти, нелогарифмічний ряд | 0,679 | y = 1,09+0,71x | |
| Значення випадкової компоненти, логарифмічний ряд | 0,536 | y = 0,43+0,45x | |
можна припустити, що форма схилів у водозборі в більшій мірі є наслідком гідрологічних перетворень минулого аніж процесів, що відбуваються у дійсний час, тобто вона знаходиться поза часовими межами сучасного ПСЗ.
Однак, ми вже неодноразово підкреслювали, що сучасна морфологія рельєфу дуже часто виконує роль домінуючого фактора напрямків маршрутизації поверхневого стоку і може бути використана як ключ до розуміння гідрологічного режиму сьогодення та його прогнозування. Оцінка ерозійних процесів як єдина об’єктивна характеристика динаміки сучасної морфології рельєфу, таким чином, повинна бути невід’ємною складовою методології просторового гідролого-геоморфологічного аналізу (ПГГА). Дослідження співвідношень між морфологією рельєфу та напрямком поверхневого стоку і його генерацією вже розглядалися в наших публікаціях, включаючи і методи моделювання пікових витрат води в річкових руслах і визначення зон затоплення [52-54, 226]. Розрахунки твердих витрат із водозборів мають стати необхідним доповненням вказаних досліджень.
В наших попередніх міркуваннях неодноразово доводилася ключова роль мережі рельєфу в функціонуванні гідролого-геоморфологічної системи водозбору, в аспекті чого є цілком доречним первинне дослідження саме руслової ерозії. Однак, за даними деяких дослідників, на усі види руслової ерозії в басейні, що знаходяться в степовій та лісостеповій зонах, приходиться лише від 9 до 20 % загального обсягу матеріалу, який еродується, включаючи долинно-балкову і яружну руслову ерозію плюс ПСЗ [224]. Об’єми й інтенсивність поверхневого твердого стоку добре характеризуються морфологією міжбалкового простору, типом ґрунтів, корінною породою і режимом випадіння річної норми опадів, а оцінка поверхневого змиву вважається достатньою для визначення ерозійної небезпеки району [239].
У попередньому підрозділі відзначалося, що значна частка випадкової компоненти в рівнях ряду середньорічного багаторічного твердого стоку по руслу р.Оскіл пояснюється флуктуаціями поверхнево-схилового змиву (ПСЗ) з різних частин басейну, а також його істотною часткою в загальній водозбірній ерозії взагалі. Очевидно, що достовірна оцінка літодинамічної складової функціонування водно-ґрунтового середовища переносу неможлива без визначення величин і територіальних закономірностей поверхнево-схилового змиву.
Методику розрахунку визначає виявлення факторів змиву. Одним з таких, причому в числі перших, називається ухил земної поверхні (території) [240, 241]. Дослідження свідчать за те, що для русла і схилу властиві різні градієнти ухилів. Ухили тальвегів ерозійних форм стабілізовані русловим потоком, по лінії якого еродуюча здатність потоку відрізняється від її значення на будь-якому лінійному відрізку обсягу площинного змиву, що відбувається на міжбалковому (міждолинному) просторі. У силу відомої однозначної залежності твердої витрати від ухилу, що виражається цілим рядом формул, які можемо знайти, наприклад, в огляді І.Є. Мірцхулави [див. 241], і враховуючи попереднє твердження, визначимо ухил як ведучий фактор ПСЗ, що формує в процесі змиву структуру струмкової мережі.
Крім ухилів (S) струмкову мережу формують характер і інтенсивність випадання опадів протягом року. Вплив цих факторів трансформується властивостями ґрунтової складової [242] і, отже, їхній вплив є опосередкованим. Незважаючи на це, "ерозійний індекс опадів" є присутнім у переважній більшості методик розрахунку за "Універсальним Рівнянням Ерозії Ґрунтів" [243; 244], у тому числі в так званому "модифікованому Універсальному Рівнянню Ерозії Ґрунтів" у вигляді [див. 244]:
, (2.4.5)де y - витрата ґрунту (т/км
); Q – об’єм рідкого стоку (м
); 
- максимальний рідкий стік (через елементарний створ, м/сек); параметри стандартного Універсального Рівняння Ерозії Ґрунтів: K – коефіцієнт підлеглості ґрунтів ерозії, C - система ведення рослинництва, SL – добуток ухилу-довжини схилу, P – ефект протиерозійних заходів. У (2.4.5) використовується "модифікований фактор еродуючої здатності дощу", коли замість звичайного "фактора дощу" в Універсальне Рівняння Ерозії Ґрунтів підставляють значення еродуючої здатності площинного (неруслового) змиву.
Для такої оцінки використовуються теоретичні положення й емпіричні формули (причому окремо для випадків ламінарного і турбулентного потоків) "теорії розрахунку транспортуючої здатності неруслового (поверхнево-схилового) змиву", яка розвивалася як деяка альтернатива "напрямкові Універсального Рівняння Ерозії Ґрунтів" у розрахунках витрат ґрунту [233, 245]. Теорія транспортуючої здатності неруслового змиву ґрунтується на допущеннях про подібний механізм транспорту твердих наносів русловим і нерусловим стоком.
Використання "модифікованого Універсального Рівняння Ерозії Ґрунтів" і транспортуючої здатності неруслового змиву цілком можливо для оцінки змиву в ландшафтних умовах лісостепової зони на території річкового басейну. Заміна в Універсальному Рівнянню Ерозії Ґрунтів "фактора дощу" на "фактор стоку" практично уже враховує річний хід гідрографа площинного стоку в наших кліматичних зонах, і при складанні алгоритму поверхнево-схилового змиву цей хід можемо просто задавати денним шаром рідких опадів (рис. 2.23).
Іншою важливою обставиною є те, що при розрахунках по "модифікованому Універсальному Рівнянню Ерозії Ґрунтів", для загальної приблизної оцінки поверхнево-схилового змиву, допускається підстановка в рівняння втрат ґрунту одиниці замість "фактора дощу (стоку)", у випадку розрахунків для територій, що не перевищують по розмірах декількох сотень км2 і мають близькі величини модуля місцевого стоку і річної норми опадів [246]. Цим умовам задовольняють субводозбори басейну р.Оскіл.
Р
ис. 2.23. Алгоритм розрахунку величин твердого стоку з територій водозбірних басейнів, що транспортуються переважно нерусловим стоком – поверхнево-схиловим змивом
У межах басейну Осколу можна відзначити наявність усього комплексу факторів здатності до ерозії, що звичайно обумовлюють інтенсивну антропогенну ерозію: осушувальні, зрошувальні і хімічні меліорації, культурно-технічні роботи, розробку і видобуток корисних копалин, промислове і цивільне будівництво (рис. 2.21 - один із прикладів).
Антропогенний фактор ураховується в (2.4.5) величинами C і P. Фактор "системи ведення рослинництва" [246] або інакше - "ерозійної небезпеки сільськогосподарських культур” [247], називається цілим рядом дослідників у якості ведучого у розрахунках по за модифікованим Універсальним Рівнянням Ерозії Ґрунтів, поряд з фактором ухилу S [243-247]. Стверджується, що константа C може поєднувати в собі вплив опадів, типу ґрунту, сільськогосподарської культури й організації землекористування [247]. Емпіричний розрахунок виглядає так:
y = 48,13 (0,0076 + 0,0053S + 0,00076∙S 2)C (2.4.6)
Для розрахунку величин ПСЗ по субводозборах р.Оскіл нами використовувалася методика Дж.Джулієна і М.Френетта [248, 249], які запропонували емпіричну залежність величин змиву y (кілотон / км
) від ведучих факторів S і C для зони широколистих лісів помірного поясу у вигляді алгоритму (рис. 2.23).Фактор крутості схилу використовується як значення ухилу в %, що дає можливість подавати в розрахунках по (4.6) замість S значення інтегральних ухилів субводозборів (
), що визначаються по характеристиках структурної мережі тальвегів флювіального рельєфу (рис. 2.7). Враховується можливість застосування осередненого ухилу (%) досить великих територій [249].Фактор системи землекористування C розраховувався нами з урахуванням існуючих на кожному із субводозборів структур посівних площ, на підставі даних фондових та інших джерел [250, 251]. При розрахунках використовувалася існуюча сучасна методика визначення С та інших факторів, як і методи імплементації цієї методики у програмному забезпеченні [252, 253]. Результати порівнювалися з величинами цієї константи, які застосовуються для розрахунків по Універсальному Рівнянню Ерозії Ґрунтів на території держав СНД.
На підставі зроблених вище допущень замість фактора еродуючої здатності дощу
з (4.5) при розрахунках ПСЗ підставлялося його одиничне значення, що давало можливість наблизитися до реального відображення процесу ерозії у певних конкретних умовах, що зустрічаються, як правило, одинично. Розрахунки по (2.4.6) ефективні, коли площа, на якій визначається змив, не перевищує перших одиниць км2. Із збільшенням розміру цієї території розрахунки за (2.4.6) дають занижені значення [249]. За методикою Джулієна-Френетта нами розраховувався коригувальний коефіцієнт площі (ККП) для кожного із субводозборів, який залежить від його розміру і геометричної форми.Алгоритм визначення величини поверхнево-схилового змиву. Якщо дослідити значення стандартних відхилень величин змиву за допомогою регресійного аналізу, можна одержати залежність для визначення 95 %-ного довірчого інтервалу генеральних середніх значень річного модуля змиву, тобто значень, що лежать у межах від
- 1,96 S до + 1,96 S (де S - оцінка невідомого стандартного відхилення [254]) нормальної кривої. Величина, яку назвемо "коригувальним коефіцієнтом для 5 %-ного рівня значимості" (ККРЗ), розраховується з:ККРЗ = ККП
(2.4.7)На підставі визначених вище методичних узагальнень нами пропонується наступна послідовність розрахунків по визначенню величин ПСЗ.
1. Через структурну мережу рельєфу визначається фактор схилу для виразу (2.4.6) у вигляді ІУС (%).
2. З урахуванням структури посівних площ, визначається середнє для СВЗ значення фактора С.
3. По залежності (2.4.6) визначається приблизна величина змиву в кт/км2.
4. За методикою Джулієна-Френетта-Сімонса [248, 249] розраховується ККП.
5. З використанням коригувального коефіцієнта площі обчислюється загальний обсяг схилового змиву з території субводозбору (нескоректований по ККРЗ) по залежності
(у кілотоннах). По залежності (2.4.7) визначаються значення ККУЗ для нижньої і верхньої границь довірчого інтервалу. 6. Величина, розрахована в п. 5 (
), являє собою очікуваний обсяг ПСЗ із території субводозбору. Розділивши цю величину на відповідну площу і виконавши перерахування в т/га, одержимо очікувану величину (скоректовану по площі) річного модуля ПСЗ. 7. Помноживши на площу результат обчислення в п. 3, одержимо приблизний (нескоректований) обсяг змиву за рік. Розділивши ж це значення на ККРЗ (
) одержимо мінімально можливий обсяг змиву (кт/рік) і , відповідно, при діленні на ККРЗ (
) - максимально можливий обсяг. 8. Розділивши отримані в п. 7 значення на відповідні величини площ і здійснивши перерахування, одержимо мінімально можливий, очікуваний і максимально можливий річні модулі поверхнево-схилового змиву (т/га).
Для розрахунків згідно вказаної послідовності нами використовувалися як фондові матеріали [250], так й результати власних польових досліджень [251].
Розрахункові значення змиву по субводозборах відповідають результатам досліджень оцінного характеру в зоні лісостепу [252] і можуть бути пояснені інтенсивним твердим площинним стоком у процесі антропогенної ерозії [253].
Запропонована послідовність розрахунків (пп. 1-8) зручна при загальній попередній оцінці літодинамічної складової функціонування довкілля водозбору і визначення ролі мережі рельєфу в цьому зв'язку, оскільки в розрахунки вводиться характеристика мережі рельєфу - значення інтегрального ухилу, яке, само по собі, є похідним від ряду метричних і топологічних характеристик.
Зазначена послідовність використовується в пропонованому нами вище алгоритмі розрахунку величин твердого стоку з територій субводозбору, що транспортується переважно нерусловим (площинним) стоком, на основі комплексного використання універсального рівняння ерозії ґрунтів і теорії розрахунку транспортуючої здатності неруслового стоку (див. рис. 2.23). Оскільки в даному алгоритмі використовуються два альтернативних підходи (на що вже вказувалося раніше), наведена тут послідовність його блоків становитиме безумовний методичний і технічний інтерес. Даний алгоритм ґрунтується на логіці міркувань, що мали місце в цьому параграфі, й ґрунтується на посиланнях на різні джерела (у додаток до вже зроблених – [255, 256]).
Вказаний алгоритм є реалізованим авторами другої частини книги у відповідному програмному забезпеченні. Попередньою умовою реалізації алгоритму є встановлення загальної схеми транспорту наносів між субводозборами в басейні, тобто виділення тієї складової літодинамічних потоків, яка детермінована структурною мережею рельєфу.
Територіальна типізація величин змиву. При типізації величин змиву і типологічному районуванні по цьому показнику території водозбору Осколу застосовувалася методика територіальної типізації, що уже використовувалась при дослідженні МР із часовим лагом [216, 224], а також алгоритм поділу статистичної вибірки на класи-таксони, заснований на методі гіперсфер [257].
Виділено чотири класи-таксони по розбивці на градації кожної з величин ПСЗ (мінімально можливої, очікуваної, максимально можливої) (рис. 2.24). Субводозбір відносився до певного класу-таксона при попаданні його значень модулів хоча б у два інтервальні проміжки даного класу з трьох.
Кожному з класів-таксонів надана відповідність певному номерові типу ПСЗ, від 1-го до 4-го, тобто в міру посилення інтенсивності змиву, якщо виходити з інтервальних значень таксонів. У такий спосіб здійснюється бальна типізація території за методом Ховарда-Керби [224], що дасть можливість робити розрахунки з числовими значеннями типів змиву. Так осереднений тип ПСЗ (у нецілих числах) визначений для Басейнів I і II паралельно з розрахунком розподілу площ у цих МЧВ по типах змиву, як відношення суми типових значень змиву всіх субводозборів на даній МЧВ р.Оскіл до суми субводозборів у цій морфологічній частині басейну (13 - у Басейні I і 11 - у Басейні II).
Назвемо величину, зворотну осередненому типові змиву, "індексом інтенсивності ПСЗ" (ІІЗ), і її фізичний зміст полягатиме в послідовному підсиленні змиву від 1-го до 4-го типу. Індекс інтенсивності змиву можемо записати як (
) = сума субводозборів у всьому басейні (або в його частині) / сума типових значень ПСЗ кожного із субводозборів для всього басейну (або в його частині). ІІЗ завжди менше або дорівнює одиниці. Чим менше , тим більше інтенсивність змиву в басейні або в його частині. Якщо це значення для деякого басейну або субводозбору дорівнює одиниці то, отже, на цих територіях змив мінімальний.
Виходячи з переліку основних ландшафтних характеристик, які використовуються при розрахунках стоку з басейну "маловивченої або невивченої ріки" [258], і приймаючи до уваги основні закономірності ґрунтового змиву, можна припустити, що для субводозборів у межах одного басейну статистично нереалізованою буде подія, коли у СВЗ 1-го типу відбуватиметься максимально можливий змив (6-7 т/га за рік), а у СВЗ 4-го типу одночасно - мінімально можливий (4,1-4,5 т/га за рік). Неймовірність подібного розвитку процесів масопереносу обумовлена ще й тим, що вони в кожнім із СВЗ детерміновані загальною мережею рельєфу басейну. Зазначена можлива невідповідність має місце лише при порівнянні субводозборів з різних басейнів, порівнянних по розмірах з басейном р.Оскіл.
Розподіл території в межах Басейнів I і II по типах змиву істотно відрізняється (рис. 2.24, табл. 2.20). Якщо в межах Б I переважає 2-й тип змиву, займаючи близько 40 % території, а інший розподіл достатньо мозаїчний, то на території Б II 3-й тип ПСЗ складає близько 3/4 площі, а в сумі з 2-м типом - майже 95 %.
Знаходячись у ряду літодинамічних процесів, площинний змив особливо в той же час залежить від антропогенного фактора - структури посівних площ і сівозмін. Даними факторами і пояснюється територіальний розподіл типів змиву в басейні р.Оскіл (табл. 2.20, 2.21, рис. 2.31).
За розподілом площ по типах ПСЗ і за значенням ІІЗ (відповідно – 0,382 для Басейну I і 0,375 для Басейну II) можемо припустити деяку перевагу площинного змиву на території Басейну II.
Можливо більш строге порівняння двох основних МЧВ Осколу по інтенсивності змиву (табл. 2.21). Для цього використовуємо відношення, яке відповідно до викладеної раніше методики (§ 2.2.1.3.) визначимо "загальним базисним індексом інтенсивності змиву":
(2.4.8)де
- типові значення ПСЗ (1 4); 
і 
- %-ний розподіл у Басейнах I і II площ за типом змиву. Розрахункове співвідношення складають наступні множники: 
= 21,5 1 +38,4 2 + 26,4 3 + 13,7 4 /1,1 1 + 20,4 2 + 73,3 3 + 4,8 4 = 0,821. З порівняння по (2.4.8) випливає, що інтенсивність змиву в Басейні I складає 82,1 % від інтенсивності змиву в Басейні II у той час, як при порівнянні по ІІЗ (0,382/0,375) становить вже 98 %.
Порівнюючи по (4.8) інтенсивність ПСЗ кожної з МЧВ зі значенням інтенсивності (з розподілу площ по типах змиву) для всього басейну Осколу, визначаємо, що ця характеристика складає в Басейні I 89,7 % від показника інтенсивності для усього водозбору в середньому (тобто на 11 % нижче). У межах Басейну II %-ний результат порівняння по (4.8) складає 109,2 відсотки (інтенсивність змиву в його межах на 9 % вище середньої).
На закінчення підрозділу відзначимо встановлену залежність між характеристиками літодинамічних процесів і параметрами структурної мережі тальвегів флювіального рельєфу субводозборів. Значення індексів 3-го виду кожного з СВЗ (табл. 2) корелювалися з трьома величинами змиву -
, 
, . Усі величини кореляцій статистично достовірні (табл. 2.22).Найбільш значимі показники для Басейну I і Басейну II - значень кореляцій між i3 і величиною мінімально можливого змиву (від 0,665 до 0,722). Поясненням даного факту можемо прийняти детермінованість нижньої межі величини змиву мережею рельєфу. Значимі кореляції між
Табл. 2.22. Кореляція значень індексного відношення m/S з показниками інтенсивності поверхнево-схилового змиву по субводосборах басейну р.Оскіл
| Водозбір | Величини коефіцієнтів кореляції індексного відношення m/S зі значеннями: | |||
| мінімально можливого ПСЗ | максимально можливого ПСЗ | очікуваних величин ПСЗ | типу ПСЗ | |
| МЧВ I МЧВ II Весь водозбір р.Оскіл | 0,665 0,811 0,722 | 0,478 0,459 0,468 | 0,575 0,300 0,396 | 0,656 0,609 0,639 |
Індексом третього виду i3 і типом змиву, до якого відноситься даний субводозбір (від 0,656 до 0,639), підтверджують об'єктивність типологічного районування басейну Осколу по величинах змиву, розрахованих з використанням параметрів структурної мережі (значення інтегральних ухилів).
Обґрунтування протиерозійних заходів, як керування природним процесом формування протиерозійної організації території, неможливе без оцінки літодинамічних явищ, оскільки "моделювання екологічної обстановки базується на аналізі масоенергообміну і його впливів на природно-господарські системи" [259, с. 4]. Розглянемо можливість обґрунтування і проектування протиерозійних заходів на прикладі лісомеліоративних робіт, які досить ефективні в боротьбі зі змивом і яружною ерозією в умовах лісостепу, використовуючи методику розрахунків, викладену в попередніх параграфах.
Для визначення зони меліоративного впливу водорегулювальних лісосмуг на великомасштабній карті визначається балковий водозбір. Ця територія розбивається на мережу квадратів, що відповідають яружним субводозборам у її межах. Порядок водозбору і СВЗ вибирається за топопланшетом так, щоб площа яружних субводозборів не перевищувала декількох десятків га.
Приймемо за площу такого субводозбору розміри квадрата – стільникової чарунки геоінформаційного модуля водозбору, зображеного на рис. 2.7 (при визначенні ІУС). Тоді верхня і права сторони квадрата будуть відповідати положенню стокоударних границь проектованої лісосмуги, а водозбірна границя - вододілові яружного субводозбору. Очевидно, що в межах квадрата однорідні параметри Універсального Рівняння Ерозії Ґрунтів, і розрахунок змиву можемо здійснювати по (2.4.6), підставляючи замість фактора ухилу, розраховане в межах квадрата значення ІУС. Для уточнення значень змиву можемо використовувати коригувальний коефіцієнт Джулієна-Френетта, що для СВЗ площею не більше 0,125 км2 дорівнює 1,13 [249]. Якщо розрахункові величини змиву не перевищують допустимих, які можемо визначити на підставі відомих оцінок [260, 261], то по діагоналі квадрата визначаємо розрахункову відстань між проектованими лісосмугами, використовуючи формулу:
(2.4.9)де
- відстань між проектованими лісосмугами; А - площа польового (яружного) водозбору, рівна площі квадрата.Приклад розрахунків за запропонованою методикою. Характеристики польового водозбору, на якому проектуються до розміщення лісосмуги, наступні:
= 4 га = 0,04 км2; мінімальна абсолютна відмітка = 166 м, максимальна абсолютна відмітка - 169 м; "фактор системи рослинництва" (для Універсального Рівняння Ерозії Ґрунтів) 
= 0,19 (озима пшениця). Розраховується фактор ухилу (для Універсального Рівняння Ерозії Ґрунтів), рівний величині ІУС (ii): S = 100 (0,169 – 0,166) км /
= 1,5%. Визначається величина змиву з (4.6) y = 48,13 (0,0076 + 0,0053 1,5 + 0,00076 1,52) 0,19 = 0,158 кт/км2 = 1,58 т/га. Використовуючи коригувальний коефіцієнт площі, знаходимо річний модуль змиву в межах даного польового водозбору YM = 1,58/1,13 = 1,40 т/га за рік. Дана величина є допустимою, тоді використовуючи (4.9), розраховуємо відстань між проектованими лісосмугами, яка дорівнюватиме приблизно 280 м.