Assessment of shoestring gully erosion and basic regularities of mudflow hazards in mountain regions.pdf Большое количество публикаций по теоретическим и практическим аспектам эволюционного развития современных (оврагов, селевых рытвин и врезов) и древних (балок и речных долин) форм линейной эрозии свидетельствует об актуальности и значимости охраны земельно-водных ресурсов от эрозии. Районы крайнего проявления поверхностного стокообразования и эрозионного размыва находятся в пределах аридной и полуаридной зон, особенно в горах и предгорьях. Приуроченность их к платообразным невысоким хребтам, возвышенностям, грядам и увалам, покрытым рыхлообломочными горными породами и лессом под влиянием процесса эрозии превращает такие поверхности в замысловатые системы рытвин, борозд, русел, каньонов и острых гребней или округлых водоразделов. В Средней Азии адыры, наиболее известные своей селевой деятельностью, являются подлинными бедлендами [1. С. 150]. Бедленды присущи восточной части Монгольского Алтая и всему Гобийскому Алтаю, но в основном отрогам и боковым отдельным хребтам небольшой относительной высоты. Активность склоновой (плоскостной, микроручейковой) водной эрозии определяется двумя главными факторами - интенсивностью поверхностного стокообразования и податливостью почвы или рыхлой горной породы размыву. В речной бассейн входит часть поверхностного слоя литосферы [1. С. 27]: - оформившаяся как единое природное целое в процессе функционирования наземной части гидрологического цикла за достаточно длительный период геологического времени и поэтому унаследованная от климатических условий прошлого; - связанная с системой форм рельефа и ограниченная водораздельной линией; - вмещающая толщу рыхлообломочных и частично разрушенных горных пород и почвенно-растительный покров; - имеющая собственную гидрографическую, в том числе речную, сеть и разработанные пути поверхностного и подземного стекания в нее; - ограниченная устьем главной реки или любой другой точкой, расположенной выше по течению (замыкающий створ). Размеры речных бассейнов самые разные по площади. Каждый крупный бассейн складывается из более мелких, и так вплоть до элементарных водосборов. Площади последних в зависимости от характера рельефа и природной зоны колеблются в довольно значительных пределах (0,01-1 км2). Поверхностные стоковые элементы в зависимости от уклона и ландшафта могут изменяться от 10-3 до 104 м2, подземные могут быть гораздо больше. Гидрографическая сеть представляет собой разветвленную систему естественных русел стока, имеющих различное строение и протяженность. Верхние звенья ее, как правило, не имеют постоянного водотока (сухие русла, суходолы или балки). Нижележащее звено -речная долина - вмещает в себя речное русло. Реки -постоянные водотоки различных размеров, текущие в разработанных ими руслах. По данным исследований [2. С. 8], суходольная система по протяженности и по своему участию в образовании форм рельефа намного превосходит речную сеть. Законы строения речных систем, установленные Р.Е. Хортоном и модифицированные А.Н. Штралером заключаются в следующем: водотоки 1-го порядка -неразветвленные, «единичные» русла элементарных водосборов; водотоки i-го порядка, сливаясь, образуют водоток (i+1)-ro порядка. Впадение в водоток i-го порядка притоков более низкого ранга не меняет его первоначальный статус по порядку. В качестве меры сложности гидрографической системы принято определять общее число водотоков 1-го порядка (подходы Р.Л. Шрива и А.Е. Шейдеггера). Действительно, вместе с ростом площади бассейна почти непрерывно (но, по сути, квантовано) добавляются потоки 1-го порядка со своими длинами и площадями элементарных водосборов. Оставляя без принципиальных изменений хорто-новские законы речных уклонов и длин потоков, а также добавленный С.А. Шаммом закон площадей водосборов вместо закона числа потоков Ю.Б. Виноградов [3. С. 124] предложил закон пространственной плотности потоков. Тогда система имеет следующий вид: 1) закон пространственной плотности потоков: ст = s(i ) / s(i-1); s(i ) = s(1)ct1-1; s (1; n) = s (1 )(стп -1)/(ct- 1), где с - отношение плотностей потоков; s(1) - плотность потоков 1-го порядка, т.е. число последних, приходящихся на единицу площади; s(i) и s(1; n) - то же потоков i-го порядка и порядков от 1-го до n-го; 2) закон длин потоков: Х = 1 (i) /1 (i -1); 1 (i) = 1 (1)-1, где X - отношение длин потоков; 1(1) и l(i) - средние длины потоков 1-го и i-го порядков; 3) густота русловой сети - 1-го порядка: Ф(1) = 1 (1) s(1); i-го порядка: ф(г) = 1 (i) s (i) = 1 (1) s (1) (X ст) 1; всех порядков до n-го включительно: ф(1; п) = 1 (1) s(1) [(X ст) -1] / (X ст -1); 4) закон площадей: ф = f (i) / f (i -1); i-го порядка: f (i)= f (1)Ф'-1; где ф - отношение площадей водосборов; Д1) и Дг) -средние площади водосборов потоков 1-го и i-го порядков; 5) закон уклонов: Р = tga (i) / tgа (i -1); tgа (i) = tgа (1) p'-1; где в - отношение уклонов; а(1), a(i) - средние углы наклона русел потоков 1-го и i-го порядков. Для исследования структуры гидрографической сети выбраны два района с различными физикогеографическими условиями: Средняя Азия и Казахстан, юго-восток Западной Сибири. По результатам типизации рельефа территории Узбекистана [4. С. 42] для целей эрозионного районирования выделены речные долины (заовражено 23 530 км2), озерные впадины и сухие бессточные котловины (3 008 км2), равнины и плато Устюрт (4 376 км2), предгорья и конусы выноса (30 961 км2), низкогорья, останцовые низкие горы и возвышенности низкогорного уровня (12 865 км2), среднегорья (6 866 км2), высокогорья (694 км2). Ландшафтно-геоморфологические условия определяют морфологию эрозионного рельефа и место развития эрозионных процессов. Из-за своеобразия в расположении горных хребтов Алтая, влияющих на особенности поясности и зональности в распределении метеорологических элементов и климатических характеристик, была выделена Алтайская ландшафтная область, где определена степень селевой опасности [5. С. 36]. Для Алтая характерно наличие обширных межгорных котловин, самыми крупными из которых являются Чуйская и Курайская (в среднем течении р. Чуи). Влияние гор Алтая сказывается, прежде всего, на заметном уменьшении континентальности климата по сравнению с равниной. В западном и северо-западном районах Алтая отмечается общее закономерное увеличение атмосферных осадков (1500-2000 мм/год) с высотой местности (1,5-2,0 км). Иное положение в Юго-Восточном Алтае, в особенности в межгорных котловинах, таких как Укок и Чуйская степь, где выпадает от 100 до 300 мм в год. Объясняется это тем, что межгорные котловины изолированы и не подвержены непосредственному воздействию влажных воздушных масс, переносимых западными ветрами. Напротив, положение межгорных котловин Центрального и ЮгоВосточного Алтая таково, что здесь наиболее благоприятные условия для формирования фенов в любое время года. Этим как раз и объясняется большая сухость климата межгорных котловин. Речная сеть Алтая довольно разветвленная, ее густота в среднем составляет 700-800 км на 1000 км2. По своему водному режиму реки питаются, главным образом, талыми снеговыми водами. Алтай - страна горно-степных, горно-таежных и высокогорных растительности и почв. Граница лесов в северных районах располагается на высотах 17001800 м, в Центральном Алтае граница поднимается до 2000-2200 м, а на сухих континентальных участках Чуйских Белков оказывается еще выше - 23002400 м. В Юго-Восточном Алтае лесная зона практически отсутствует, и сухие степи межгорных котловин переходят в высокогорные альпийские луга или горную тундру. На горных склонах Алтая, расчлененных многочисленными руслами рек, встречаются самые разнообразные долины: от теснин и ущелий с отвесно обрывающимися склонами до широких долин, заполненных мощными толщами рыхлых отложений. В высокогорье бассейна Катуни наиболее распространены ущельеобразные долины и долины-троги. В верховьях рек в области ландшафта древние пенеплены имеют черты старости эрозионного цикла. Течение воды в реках сравнительно спокойное, потоки разбиваются на рукава, образуют старицы и всей своей деятельностью напоминают реки равнин. Полуравнинный характер имеют и реки среднегорья в районе широких долин и внутригорных впадин. Среднегорье также в большинстве случаев характеризуется узкими долинами в виде ущелий. Реки, протекающие в подобных долинах, являются типично горными водотоками с большими скоростями течения, каменистыми руслами и различной высоты водопадами. В качестве селеопасной территории принята площадь селевых бассейнов - горных рек, содержащих селевые очаги или активные стокообразующие поверхности, в которых селевой поток проходит до конуса выноса или неселеносной реки, где и прекращает свою деятельность. Селевые бассейны на юго-востоке Западной Сибири по площади разнообразные - от микроселевых (на их долю приходится 35-70% от общего количества бассейнов), представляющих собой водосбор селевого очага (площади 0,1-0,5 км2), до классических, имеющих множество селевых очагов, селевые русла и хорошо выраженный конус выноса. Наибольшие площади таких селевых бассейнов составляют десятки и реже сотни км2 (на их долю приходится менее 1%). Наиболее характерным для эрозионного процесса является его прогрессирующее саморазвитие, а именно: начавшийся по какой-либо линии размыв стимулирует прилив воды в поперечном сечении к этой линии и увеличение глубин и скоростей, что, в свою очередь, усиливает размыв рыхлых грунтов. Наибольшей территориальной эрозионной концентрации отвечает максимум водосборной площади и расхода воды в каждом из створов всех водотоков, слагающих данную систему, чему соответствует максимум интенсивности глубинного врезания всех потоков в бассейне [6. С. 22]. В качестве измерителя территориальной концентрации может послужить среднее, присущее данной русловой системе отношение ширины бассейна к его длине и которое обозначается a. В начальной стадии эрозионного процесса преобладают более узкие бассейны, и лишь в последующем развитии они расширяются до отвечающих условиям максимальной концентрации (а = 0,5). По данным исследований [6. С. 25] для 63 бассейнов, расположенных в Заилийском Алатау, а = 0,32; для 52 бассейнов Джунгарского Алатау а = 0,38 ; для 91 бассейна Западной Сибири а = 0,48. При этом для a был получен коэффициент вариации Cv = 0,54, а коэффициент вариации показателя числа притоков в системе л-го порядка, вероятно, имеет тот же порядок. Выявлена общая связь между формами бассейна и типом рельефа, которые изменяются во времени и характеризуют возраст объекта. Чем больше эрозионная разработанность рельефа, тем значение а ближе к 0,5. По разным районам высокая эрозионная расчлененность почти везде, за исключением очень молодых горных стран и малых форм рельефа, уже достигнута. Так как пространственная изменчивость эрозионного процесса имеет вероятностный характер, то его зональные значения можно относить лишь к бассейнам определенной (репрезентативной) площади Ррепр. В условиях Средней Азии по контрасту очень сильно заовраженные территории встречаются довольно редко и занимают сравнительно небольшие площади как относительно площади самого контура, так и в целом по Республике Узбекистан [4. С. 74]: 1) по краю уступов высоких речных террас - 19 км2, или 0,2% площади контура; 2) 104 км2, или 22,2% площади контура каньонообразных русел рек; 3) 186 км2, или 4,5% площади склонов озерных впадин и озерных террас; 4) 143 км2, или 17,6% площади чинков плато Устюрт; 5) 12 км2, или 1% площади адыров; 6) 17 км2, или 3% площади крутых низких гор. Всего же сильно заовраженные территории вместе с категорией от 5 до 10 ед/км2 занимают около 0,3% от всей площади, что составляет 1 380 км2. В Алтайской ландшафтной области предельно малые площади репрезентативных селевых бассейнов составляют 9-11 км2 (средняя высота 1 890-2 400 м над ур. м.) и 5-6 км2 (средняя высота 920-1080 м над ур. м.). Здесь в пределах селевых бассейнов соотношение между площадью водосборов селевых рытвин и их длиной описывается степенной функцией при тесноте связи с эм пирическими данными R = 0,89 (см. рис. 1). По данным исследований [7. С. 138] для центральной части северного склона Заилийского Алатау длина селевых русел (в том числе и временных) пропорциональна площади селевого бассейна в степени 0,76, тогда репрезентативная их площадь составит 9-10 км2. Размеры площадей эродированных бассейнов близки к таковым бассейнов соответствующих порядков с очагами рассредоточенного селеобразования (ОРС), которые в суммарном распространении во много раз меньше, чем для бассейнов с очагами локального селеобразования. Так, на Алтае выделена суммарная площадь с очагами рассредоточенного селеобразования в пределах 353 км2, или 3,34%, ландшафтной области [5. С. 37]. Причем в бассейне р. Аргут сосредоточено наибольшее количество ОРС (260 км2) -это участки крутых обнажений, имеющих густую и разветвленную сеть борозд, где скапливается рыхлообломочный материал и происходит формирование отдельных микроселевых потоков, обычно объединяющихся потом в единый поток. Эродированные бассейны характеризуются относительной неустойчивостью форм и процессов, в них происходящих. Положение микроборозд во времени и пространстве не остается постоянным, особенно в период снеготаяния или выпадения интенсивных дождей. Результаты полевых наблюдений в Чуст-Папских адырах показали, что длина микроборозд изменяется от долей до десятков метров в пределах минимальной площади 0,001 км2 [1. С. 155; 8. С. 124]. Густота микробороздковой сети на крутых (45-50°), сложенных суглинистыми грунтами склонах составляет 3000-5000 км/км2. В мелкоземе, слагающем поверхность адыров, содержание частиц размером менее 1 мм составляет 80-90%, а максимальные размеры обломков обычно не превышают 2 см. Зависимость длины основного русла от площади эродированного бассейна р. Гавасай аппроксимирована выражением 1ос = 2,83 F0,62 [8. С. 124]. В районе Чуст-Папских адыров длины основных тальвегов (русел) в 2 раза превышают таковые для условий Алтайской ландшафтной области и это, по-видимому, связано с различием физикомеханических свойств селеформирующих грунтов (рис. 1). В работе [8. С. 131] выявлено, что в результате русловых процессов происходит трансформация гранулометрического состава грунтов: заметно увеличивается содержание крупных обломков (частиц диаметром более 2 мм) от 15% для отложений в руслах бассейнов 1-го порядка до 80% и более в бассейнах 4-го и 5-го порядков. При этом коэффициенты вариации процентного содержания фракций грансостава селеформирующих грунтов (С,,сф) изменяются в пределах 0,22-0,68 и грунтов отложений (CF,OT) в пределах 0,30-0,93. Кривые распределения грансостава селеформирующих грунтов эродированных бассейнов в адырах существенно отличаются от аналогичных кривых для грунтов бассейнов, расположенных в иных физико-географических условиях. В речных системах коэффициент бифуркации для определенных порядков притоков составляет 4,0-5,5, тогда как для селевых бассейнов при переходе от селевых русел бассейнов 1-го порядка к селевым руслам бассейнов 2-го порядка он достигает 7 [7. С. 138]. Для бассейнов горных рек юго-востока Западной Сибири по морфометрическим характеристикам селевых рытвин было определено среднее значение коэффициента бифуркации, равное 6,7 при его изменении в диапазоне от 2,2 до 17,1. В горах и адырах на территории Республики Узбекистан, по нашим оценкам, значение этого коэффициента составляет 5,0 в интервале его изменений от 3,2 до 6,7. Руководствуясь принципами и рекомендациями по процедуре определения параметров модели гидрографической сети, нами были оценены значения 5(1), 1(1), 1(1), с, X, ф для типичных эрозионных бассейнов Алтая и западных отрогов Тянь-Шаня. В разных физико-географических условиях предгорной, низко- и среднегорной ландшафтной области плотность потоков на единицу площади закономерно увеличивается до 2-3 по нарастанию порядка эрозионной сети (см. рис. 2). Рис. 1. Взаимосвязь морфометрических характеристик эродированных бассейнов. 1 - Алтайская ландшафтная зона; 2 - северный склон Заилийского Алатау; 3 - Чуст-Папские адыры; 4 - р. Гавасай Нарастание ступеней шкалы порядков объясняется уменьшением частоты встречаемости ареалов с большой плотностью потоков. В бассейне р. Аргут (его средняя абс. высота 2 400 м) отмечается более низкая плотность потоков на единицу площади (см. рис. 2, кривая 4), тогда как для бассейна р. Ануй (абс. высота 970 м) аналогичный показатель значительно выше (примерно в 3 раза). По данным обобщения [5. С. 37] среднее число селевых очагов на 1 000 км2 площади составило 166 (в первом случае) и 169 (второй случай), при этом их встречаемость соответственно равна 15,1 и 5,2%, что не противоречит результатам моделирования. На чинках плато Устюрт встречаются участки с плотностью оврагов всех градаций: практически безовражные территории (занимают большую часть), а локальные районы с сильной заовраженностью 2,33 ед./км2 отмечены к югу от м. Актумсык и 0,86 ед./км2 к северу от него; 20,4 ед./км2 - у ур. Кы-зылкайыр; 40,9 ед./км2 - вблизи г. Кунград и пос. Равшан [4. С. 75]. Западные отроги Тянь-Шаня мало за-овражены в пределах высокогорного и среднегорного пояса, но несколько больше - в низкогорном и в зоне предгорий. Так, участки с максимальными значениями плотности оврагов находятся в интервале от 0,53 ед./км2 (по южным склонам Гиссарского хребта в долине р. Ховат) до 2,5 ед./км2 (южнее гор Байсунтау и на западных склонах Зеравшанского хребта к югу от Пенджикента). Предел эрозионной расчлененности рельефа может быть охарактеризован средней длиной безрусловых склонов. Для Алтайской ландшафтной области минимальная длина селевых рытвин находится в интервале 0,022-0,108 км (среднегорье, высокогорье) и в интервале 0,150-0,270 км (бассейны рек Ануй, Песчаная и район Телецкого озера). При этом частота появления длины рытвины более 3 км в условиях крутосклонного рельефа примерно в 2 раза выше, чем для относительно пологих склонов в селевых бассейнах. Средняя длина рытвин находится в интервале 1,57-1,79 км (рр. Кокса, Верховье Катуни) и 0,80-1,12 км почти во всех селевых бассейнах. Коэффициент густоты русловой сети довольно высокий для селевых бассейнов рр. Чарыш и Катуни (см. рис. 3., кривые 2 и 5), по сравнению с аналогичными значениями для типичных бассейнов рр. Чуя и Аргут (соответственно кривые 3 и 4). В условиях Средней Азии территория с густотой оврагов менее 0,1 км/км2 занимает около 93%, или 405 219 км2 [4. С. 79]. Слабо заовраженные территории занимают 3,8% общей площади, или 16 503 км2. Примерно столько же территории (3,6%) относится к за-овраженной, к среднезаовраженной - всего 0,6% общей площади, или 2 758 км2. К сильно и очень сильно за-овраженным относится по 0,1%, или соответственно 266 и 230 км2. По типам рельефа распределение заовраженных территорий по коэффициенту густоты русловой сети аналогично распределению по пространственной плотности потоков с небольшим отличием (рис. 3, кривые 6-9). Пластовое возвышенное плато Устюрт с глинисто-щебнистыми отложениями при высокой плотности потоков на чинках (рис. 2) имеет относительно невысокий коэффициент густоты эрозионной сети 1-3 км/км2 (см. рис. 3, кривая 6). Здесь большинство коротких оврагов при высокой частоте их встречаемости. Иная картина в горной местности, когда увеличивается длина эрозионной сети и уменьшается пространственная плотность потоков. Показатели густоты сети и плотности потоков взаимно дополняют друг друга. При этом при высокой плотности потоков не обязательно должна быть и высокая густота сети. Районы распространения длинных оврагов встречаются гораздо реже, чем районы коротких и частых оврагов [4. С. 82]. Ориентируясь на эти два показателя, плотность и густоту эрозионной сети, можно дать характеристику распространения процесса овражной эрозии. Большинство методик районирования территории по степени эрозионной и селевой опасности опираются на критерий репрезентативной площади. По мере уменьшения площади бассейна все большее значение приобретают локальные (азональные) факторы (глубина эрозионного вреза русел и степень дренирования подземных вод, наличие карста и другие особенности), которые создают вариации стока относительно зональных характеристик. Потеря гидрологической специфики формирования стока осуществляется уже с площадей порядка F > ^репр. Для горных районов прослеживаются хорошие связи модуля годового стока со средней высотой водосборов. По физическому смыслу зависимость F0 ~ F*jnp/(ah +1), где a - коэффициент и h - высота местности [9. С. 36]. Для равнинных рек (при h ^ 0) F0 = F^^, а с увеличением высоты водосборов F0 ^ 0, т.е. водосборы становятся «малоинерционными», когда выпавшие жидкие осадки быстро сбрасываются к замыкающему створу. Анализ распределения площадей водосборов селевых рытвин по шкале возрастания порядка русловой сети показал, что в этом направлении наблюдается закономерное уменьшение частоты встречаемости ареалов больших размеров (см. рис. 4). В Алтайской ландшафтной области наибольшие площади 3-4 км2 соответствуют 6-му порядку и встречаются реже (менее 10% всех случаев), чем размеры участков менее 1 км2 (на их долю приходится 50-90% территории). В бассейнах рр. Чуя и Аргут распределение малых стокообразующих площадей довольно равномерное (рис. 4, кривые 3 и 4), тогда как в бассейнах рр. Ануй и Чарыш наблюдается иная картина частоты встречаемости контуров водосборов за счет эрозионной расчлененности рельефа (кривые 1 и 2). порядок эрозионной сети -1 » 2 -*-3 --Л--4 -ж-5 -1-6 - - .1-0-8 -в-9 Рис. 2. Смоделированные значения пространственной плотности потоков эрозионных бассейнов различного порядка на Алтае (1-5) и в Средней Азии (6-9). 1 - р. Ануй; 2- р. Чарыш; 3- р. Чуя; 4 - р. Аргут; 5 - верховье р. Катуни; 6 - равнины и плато; 7 - предгорья; 8 - низкогорья, останцовые низкие горы и возвышенности; 9 - среднегорья Рис. 3. Смоделированные значения густоты русловой сети на единицу площади эрозионных бассейнов различного порядка на Алтае (1-5) и в Средней Азии (6-9). 1 - р. Ануй; 2- р. Чарыш; 3 - р. Чуя; 4 - р. Аргут; 5- верховье р. Катуни; 6 - равнины и плато; 7- предгорья; 8 - низкогорья, останцовые низкие горы и возвышенности; 9 - среднегорья порядок эрозионной сети 1 -.- 2 - х- - ■3 - н-4 -&-5 8 - 9 10 - 11 12 6 Рис. 4. Смоделированные значения площади эрозионных бассейнов различного порядка на Алтае (1-5) и в Средней Азии (6-12). 1 - р. Ануй; 2- р. Чарыш; 3 - р. Чуя; 4 - р. Аргут; 5- Верховье р. Катуни; 6- равнины и плато; 7и 8- предгорья; 9 и 10 - низкогорья, останцовые низкие горы и возвышенности; 11 и 12 - среднегорья В среднегорном поясе горных систем Средней Азии нарушение закономерности в распределении площади овражно-балочной сети (рис. 4, кривые 11 и 12) позволяет установить типичные размеры контура участка, равного 1,2 км2, который соответствует 3-му порядку эрозионной сети. Для определения в бассейне количества и длин потоков разного порядка соответствующие значения плотности потоков и густоты русловой сети достаточно умножить на площадь бассейна. Число притоков с определенными водосборными площадями зависит от модуля среднегодового стока [6. С. 32]: m (Г, - f) JA_ f,f 3 M ■ где М - средний модуль среднегодового стока для бассейнов размерами от fa до f,; Q0 - суммарный среднегодовой сток с данного бассейна. Разработанная методика оценки морфометрических характеристик эродированных бассейнов и площадей стокообразующих поверхностей позволяет создать модель статистически однородной гидрографической сети и использовать ее параметры для целей обоснования тенденций трансформации типов рельефа и прогнозирования пространственновременных изменений эрозионной и селевой опасности. Применяя технологии моделирования процессов формирования стока и эрозии [1. С. 119; 3. С. 126], оценки разрушительной силы природных катастроф и эколого-экономического риска [10. С. 278], появляется реальная возможность раскрыть механизмы саморегулирования и саморазвития территории на основе учета взаимодействия факторов гидросферы и литосферы, атмосферы.

Скачать электронную версию публикации