Русловые процессы в оврагах в разных природных зонах

РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОВРАГАХ В РАЗНЫХ ПРИРОДНЫХ ЗОНАХ
Ковалев С.Н.
Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, [email protected]
Русловые процессы в оврагах являются неотъемлемым элементом их развития. Их
развитие имеет свою специфику отличающую их от рек. Это – два режима стока. Первый
соответствует максимальным объемам стока воды, когда водный поток занимает все днище
оврага. В этом случае руслом является сам овраг. Второй соответствует меженному периоду,
возникающему при минимальных объемах стока во время дождей малой интенсивности. На
всем протяжении периода развития оврага и по длине русла происходит чередование типов
русла от порожистого горного до равнинного.
CHANNEL PROCESSES IN GULLIES IN DIFFERENT LANDSCAPE ZONES
Kovalev S.N.
Lomonosov Moscow State University, Geographical Faculty, Moscow, [email protected]
Channel processes in gullies represent one of the main agents of their development. These
are characterized by certain specific features differing significantly from rivers. There are two main
modes of the flow interaction with a gully floor. The first is related to peak discharges, when flow
occupies the entire width of a gully floor. It means that a gully is at the same time a channel itself
under such conditions. The second mode is observed at low discharges during recession stages of
high-magnitude runoff events or low-magnitude events. There is a change of the channel types from
mountainous step-pool to lowland both in time during a gully development period and in space
from a gully head towards its mouth.
В иерархии эрозионных форм от эрозионных промоин на склонах, образующихся в периоды
ливней и снеготаяния, до речных долин, овражно-балочные системы являются промежуточным
связующим звеном между склоновыми потоками и реками [1, с. 29]. Такое положение оврага
вызывает особые условия взаимодействия потоков воды с субстратом, транспорта наносов и
формирования русла. Исходя из того, что «русловые процессы следует рассматривать как
совокупность явлений, связанных с взаимодействием потока и грунтов, слагающих ложе реки,
эрозией, транспортом и аккумуляцией наносов, определяющих размывы дна и берегов рек, развитие
различных форм русели форм руслового рельефа, режим их сезонных, многолетних и вековых
изменений» [2] русловые процессы в овраге следует рассматривать в таком же ключе, но с учетом
специфики эрозионных процессов в нем, масштаба объекта и времени его существования. Необходимо
учитывать, что, во-первых, через овраг выносятся наносы со склонового водосбора, в несоразмеримо,
в процентном соотношении, большем объеме, чем поступает с бассейна реки. В зависимости от
стадии развития оврага, геологического строения территории, объемов воды и наносов последние
могут, как выносится из оврага полностью, так и аккумулироваться в нем. Во-вторых, само понятие
«русло» для овражной формы носит двоякое значение – на разных стадиях развития оврага, при
определенной морфологии овражной формы и объемах стока воды он может быть сам руслом. При
этом переформировывается сам овраг. В то же время в днище оврага при небольших объемах стока
воды или на последних стадиях его развития формируется русло морфологически схожее с руслом
реки. В-третьих, при отсутствии стока воды на первый план выходят склоновые процессы, которые
могут полностью перекрыть днище оврага и тем самым уничтожить как само русло, так и русловые
формы, сформированные в нем. В-четвертых, русловые формы в овраге могут образоваться и быть
уничтожены во время одного и того же эпизода стока воды.
1
При всей азональности оврагообразовательного процесса природно-климатические условия
территории – природные зоны, определяют общие для данной территории, внутригодовое
распределение формы осадков, условия формирования запасов снега на водосборе, характер и
особенности половодного и паводкового стока воды.
Для степной и лесостепной зон характерны большие длины склонов и площади овражных
водосборов. Это обеспечивает большую водоотдачу с водосбора. Даже при малых запасах снега и
средних по интенсивности (для данной территории) дождей формируется половодный и паводковый
сток воды со скоростями достаточными для размыва субстрата и транспортировки наносов с
водосбора, размыв внутри оврага и выноса их за его пределы. Все это в значительной мере
усиливается в сельскохозяйственных районах, где сооружаются лесозащитные полосы и проводятся
работы по снегозадержанию.
Необходимо различать тип склона, на котором образуется овраг – склон, сопряженный с
крутым склоном долины реки, молодой балки или крупного оврага с четко выраженной бровкой
склона долины и монотонно выпуклый склон, опирающийся на днище древней балки или суходола.
Тип склона определяет развитие оврага на первом этапе роста. При четко выраженной бровке
склона овраг представляет собой крутую промоину водопадного типа лишь незначительно
отличающуюся от профиля склона долины балки, русло как таковое отсутствует.
На монотонно выпуклом склоне первичная промоина в зависимости от объема воды может
образоваться практически в любом месте склона. В этом случае в половодный период на первом
этапе развития оврага в нем не формируются морфологически выраженные формы руслового
рельефа. Этот – глубокая промоина повторяющая профиль склона, которую можно определить как
аналог горной реки. Образовавшееся русло занимает все днище и соответствует изгибам первичной
промоины. В днище отсутствуют наносы. В другом случае, когда поток воды не в состоянии вынести
весь грунт или резко снизилась интенсивность стока воды, формируется «свал» почвенно-грунтовых
агломераций аналогичные несортированным отложениям горных рек, русло петляет между
грунтовыми отдельностями. Первый вариант соответствует солярному типу весны, второй –
адвективному или периодическому чередованию теплых и холодных суток.
Во время летних дожей, в зависимости от их интенсивности, отложения в овраге либо частично
размываются с образованием в них русла и подобия поймы, либо полностью выносятся из оврага и
происходит его углубление и переход ко второй стадии развития. При этом плановые очертания
русла и его продольный профиль зависят от механических свойств грунтов. В легко размываемых
монотонных грунтах – песках, супесях, лессовидных суглинках, изгибы русла плавные, чаще всего
оно спрямленное, продольный профиль, без четко выраженных ступеней. В эрозионно-устойчивых
грунтах – тяжелых суглинках, глинах и т.п., плановый рисунок образовавшегося русла очень
извилистый и зависит от количества и размеров почвенно-грунтовых отдельностей в днище оврага.
Продольный профиль обычно ступенчатый, что зависит как от слоистости грунтов, так
формирования уступов за счет переработки отложений в днище оврага. Ступени продольного
профиля могут также образовываться за счет периодической разгрузки потока от наносов и его
пульсационного характера.
Характер и интенсивность роста оврагов начавших свое развитие в летний период зависит от
повторяемости интенсивных ливневых дождей. Важную роль играет изменение интенсивности
выпадения осадков за один дождь. Во время одного интенсивного ливня может быть выработана в
основном вся длина и ширина оврага. При этом все наносы выносятся за его пределы. Продольный
профиль днища овражной формы выпуклый, поперечный V-образный, в большей мере уподоблен
ущелью, русло в основном повторяет плановый рисунок самого оврага и занимает все днище. Овраг
переходит к концу второй стадии. В тоже время при понижении интенсивности выпадения осадков в
течение одного дождя и соответственно уменьшении транспортирующей способности потока в
днище оврага формируется толща отложений. В зависимости от механических свойств грунтов и
интенсивности спада паводка в днище оврага может образоваться свал почвенно-грунтовых
агломераций. Русловые процессы определяются размерами и конфигурацией почвенно-грунтовых
отдельностей. При максимуме стока с водосбора русло занимает все днище оврага. При понижении
объема стока русло занимает пространство между почвенно-грунтовыми отдельностями. Характер
потока бурный, русло порожистое, сильно извилистое.
В случае легко размываемых грунтов во время максимального стока, когда русло занимает все
днище, при понижении стока в нем формируется наклонная поверхность. При понижении выпадения
осадков (даже резком) сток воды с водосбора падает намного медленнее, и постепенное уменьшение
стока формирует четко оформленное русло с эфемерными русловыми формами. Поскольку за время
2
дождя его интенсивность может меняться неоднократно, при очередном повышении стока
образовавшаяся поверхность прорезается и формируется комплекс элементов рельефа
соответствующий долинному комплексу полугорной реки. Но все эти формы рельефа могут быть
уничтожены в течение этого же дождя и чаще всего уничтожаются следующим ливнем.
В степных районах, в зависимости от экспозиции склона и розы ветров, снесенный в овраг снег
уплотняется и на склонах северных экспозиций часть стока воды скатывается по снегу, другая часть
по еще не оттаявшему грунту. В этот момент размываются в основном борта оврага и в
незначительной мере днище. Русловые формы либо практически отсутствуют, поскольку весь грунт
выносится за пределы оврага, либо незначительно перерабатываются законсервированные с
предыдущего цикла почвенно-грунтовые агломерации. И только в самом конце половодного периода
с постепенным оттаиванием грунта начинается его размыв с формированием слабовыраженных
русловых форм. На слонах южных экспозиций снег на водосборе стаивает быстрее, опережая
стаивание снега в овраге, особенно хорошо это выражено при солярном типе весны. Накопившиеся
отложения полностью выносятся из оврага. Русло в этот период времени занимает все днище оврага.
На второй стадии, когда овраг в основном вырабатывает свою длину и глубину его долины. На
этом этапе овраг заложившийся на крутом склоне балки и овраг на выпуклом склоне начинают
развиваться по одинаковому типу. Эта стадия развития оврага соответствует периоду наибольших
скоростей роста длины оврага и его углубления в створе бровки склона. Поток имеет максимальную
размывающую способность и мутность близкую к селевым потокам [3]. Русло овражного потока
эрозионное, в периоды половодья и паводков занимает все днище. В это время, в зависимости от
физико-механических свойств грунтов, выступы шероховатости могут быть соизмеримы с глубинами
потока при высоких расходах. Вторая и первая стадии развития оврага во многом схожи – это
формирование в периоды максимального стока руслового потока, занимающего все днище оврага,
переработка крупных почвенно-грунтовых отдельностей, вынос всех наносов с водосбора через овраг
и образовавшихся при его размыве, формирование эфемерных русловых форм в периоды
незначительного стока воды. Но уже к концу второй стадии, к моменту формирования устьевого
створа, когда овраг достигает базиса эрозии, в его нижней части формируется аллювиальнопролювиальная толща отложений. Здесь формируется относительно постоянное русло с комплексом
русловых форм рельефа. В легко размываемых грунтах может сформироваться и пойменный
комплекс, закрепляемый быстро укореняющейся растительностью. Так же как и на первой стадии все
зависит от соотношения эрозионной устойчивости грунтов и природно-климатических и погодных
особенностей данной территории. При выпадении осадков превышающих характерные для данной
территории все отложения либо полностью выносятся из оврага, либо, в зависимости от мощности
толщи отложений, в ней вырабатывается терраса и формируется четко выраженных комплекс
русловых форм.
Третья стадия развития характеризуется снижением активности роста оврага по всем
параметрам, особенно длины и глубины в створе в устьевой части. Происходит его постепенное
углубление на всем протяжении и расширение, продольный профиль из выпуклого
трансформируется в вогнутый. Поток приобретает характер полугорной реки. Поперечный профиль,
для слабоустойчивых грунтов, под действием усиливающейся боковой эрозии, подмыва и обрушения
бортов из V-образного трансформируется в U-образный. На этой стадии руслоформирующими
являются два типа расходов: максимальные, обеспечивающие глубинную и боковую эрозию,
расширение оврага между бровками, изменение его плановой конфигурации; расходы на спаде
паводка или половодья, при которых, скорости потоков превышают размывающие для отложений в
днище оврага, образовавшихся за счет уменьшения транспортирующей способности потока и
делювиальных отложений.
Максимальными расходами формируется крупные формы руслового рельефа – пойма и
террасовидная поверхность. На спаде половодья или паводка, когда поток еще насыщен наносами,
создаются формы подобные формирующимся на реках косам, перекатам, плесовым лощинам. В
конце спада паводка или половодья поток обычно имеет минимальную мутность, однако, имея
скорости позволяющие перемещать размытые грунтовые фракции, они "подчищают" русловой
рельеф и в известной степени закрепляют его до следующего руслоформирующего максимума.
Нередко такими расходами могут образовываться мельчайшие "косы", заводи, другие микроформы в
русле. В период третьей стадии развития оврага руслоформирующими являются как расходы
максимума, так и расходы, перемещающиеся в пределах русловых форм. Русло водотока получает
стабильное местоположение и может быть разрушено только вместе полным выносом отложений в
днище оврага.
3
Четвертая стадия развития оврага занимает по времени более 50% общего времени
оврагообразования. Это период основных переформирований днища оврага, его углубления, в местах
прохождения стрежня потока и отложения наносов у берега противоположного подмываемому. По
мере выработки профиля равновесия все меньшая доля расходов оказывает влияние на рельеф днища.
Если в начале этой стадии происходили процессы боковой эрозии – смещение стрежня потока,
подмыв берегов и, как результат их осыпание, обрушение и другие склоновые процессы в результате
которых в днище образовывались аккумулятивные формы, то на заключительном этапе днище
стабилизируется, частично зарастает и практически не подвергается размывающему действию
потоков. Таким образом, русло в том виде, как оно представлено на завершающей стадии, является
результатом работы водного потока в предшествующий период. Затем оно может быть перекрыто
склоновыми отложениями и выносами с водосбора, которые поток уже не в состоянии
транспортировать.
В лесной зоне большую роль играет морфология склонов, степень залесенности территории и
литологический состав вмещающих грунтов. Длина склонов значительно меньше длины склонов
степных районов и они менее выпуклые, что дает меньшую площадь водосборного бассейна и
уменьшают скорость потока. Значительную роль играет соотношение площади лесных массивов и
водосбора. Выделяются три основных типа такого соотношения: 1 – лесной массив занимает
основную часть водосбора, овраг располагается на поле; 2 – овраг полностью расположен в лесном
массиве; 3 –овраг расположен в лесу и имеет полевой водосбор.
1). Также как и в степной зоне, интенсивность роста оврага на первых этапах определяется
уклонами в устьевой части оврага. При наличии крутого уступа в сочленении склона водосбора и
балки или реки первый этап характеризуется бурным ростом первичной промоины. Но поскольку
глубины базиса эрозии в лесной зоне меньше, овраг сразу преодолевает бровку склона. Медленное
стаивание снега в лесном массиве и сглаживание пиков интенсивности дождей приводит к
формированию выпуклого профиля практически повторяющего профиль склона водосбора. В
вершине формируется водобойный колодец, а сам овраг представляет собой узкую расселину. Русло
занимает все днище, его плановое положение определяется в основном литологическими
особенностями грунтов. Слабая выраженность пиков максимальных стоков и их малая
продолжительность приводит к тому, что вторая и треть стадии сливаются в одну. Продольный
профиль для таких оврагов редко достигает выработанного, так как уже к середине третьей стадии в
днище оврага начинают аккумулироваться наносы. Но, поскольку эрозионная устойчивость толщи
наносов значительно меньше устойчивости вмещающих грунтов, в них формируется русло. Чаще
всего оно узкое, врезанное и повторяет общий плановый рисунок оврага. При этом в начале третьего
периода прорезанная поверхность представляет собой аналог высокой поймы, а к его концу
заросшую травянистой растительностью субгоризонтальную террасовидную поверхность. Третий и
четвертый этапы развития оврага сопровождаются склоновыми процессами, которые относительно
быстро сглаживают тыловой шов террасы. Поперечный профиль на завершающем этапе U-образный,
продольный профиль редко вырабатывается полностью и поэтому либо частично повторяет профиль
склона или даже может быть слабо выпуклым из-за накопившихся отложений, которые уже не могут
бать размыты. Русло водотока повторяет очертания оврага.
2). Для оврагов расположенных в лесном массиве, главенствующем фактором развития
оврагообразовательного процесса, является литологический состав вмещающих грунтов и
соответствующий им тип древесной растительности и ее возраст. На территориях распространения
моренных суглинков, с преимущественно лиственными породами деревьев и елей, расположение
деревьев и их корневая система во многом определяют как плановый рисунок оврага, так скорость
развития оврага. Овраг, в своем развитии, постоянно встречает препятствия в виде корней деревьев,
что часто приводит к резкому изменению направления вреза и его замедлению. Корневая система
также создает условия для образования плотин из сучьев и опада листьев, которые в свою очередь
задерживают мелкозем, что, в конечном счете, приводит к замедлению глубинной эрозии и
образованию уступов. Это приводит к формированию слабоступенчатого продольного профиля.
Поперечный профиль оврага практически с первой стадии развития близок к U-образному, а на
последней стадии, за счет заиливания может приобрести коробчатообразный. Плановый рисунок
русла зависит от расположения отдельных деревьев и их частоты. В определенной мере это можно
назвать вынужденным меандрированием. В зависимости от глубины базиса эрозии и объемов стока
воды к концу третьей стадии при углублении оврага и обрушении части деревьев русло может
спрямляться.
4
На территориях распространения легкоразмываемых грунтов (в особенности песков) и в
основном с сосновыми лесами древостой уже имеет меньшее значение. При малых базисах эрозии
или при незначительном объеме стока воды грунты вымываются из под корней, при этом дерево
остается на своем месте, держась боковыми корнями за борта оврага, что наблюдалось в районе
Набережных Челнов в лесопосадках сосны. При этом сам овраг имел в плане практически
прямолинейный плановый рисунок. Поперечный профиль оврага U-образный, а продольный
повторял профиль склона. Русло слабовыраженное. Его положение может изменяться в зависимости
от объемов стока. При этом формируются эфемерные элементы руслового рельефа и поймы, которые
могут быть разрушены относительным превышением стока воды.
Влияние древостоя, при сочетании легкоразмываемых грунтов с большими базисами эрозии,
имеет значение только на первой стадии развития оврага и в начале второй. На первой стадии
формируется первичная промоина и часть длины оврага. В конце второй и на третьей стадиях
развития древостой не ограничивает рост оврага, в основном его роль сводится к формированию
вынужденных излучин, не только русла, но и всего оврага, за счет упавших в овраг деревьев и
изменяющих направление потока воды. Поперечный профиль таких оврагов V-образный с четко
выраженным руслом. В русле на спаде паводков и половодий формируются русловые формы и
пойма, которые разрушаются максимальными стоками.
3). Развитие оврагов, расположенных в лесном массиве и имеющих полевой водосбор, также
как и в первом случае определяется характером древостоя и литологическими условиями
Заключение
Развитие русловых процессов в оврагах имеет свою специфику отличающую их от рек. Это –
два режима стока. Первый соответствует максимальным объемам стока воды на первых этапах
развития оврага, когда водный поток занимает все днище оврага. В этом случае руслом является сам
овраг. Происходит врез во вмещающие грунты, размыв бортов и вынос наносов из оврага. Второй
соответствует меженному периоду, возникающему на спаде половодий и паводков и при
минимальных объемах стока во время дождей малой интенсивности. В это время в конце второго и
на третьем этапах происходит формирование русловых форм рельефа и элементов долинного
комплекса. То есть во время максимальных стоков на первых стадиях весь овраг представляет собой
русло, а при минимальных овраг на последних стадиях является аналогом горной реки со своим
долинным комплексом.
Русловые процессы в оврагах являются неотъемлемым элементом развития их развития. Для
них характерна высокая интенсивность как вертикальных, так и горизонтальных деформаций.
Относительные величины горизонтальных деформаций за год достигают 35-40% ширины русла.
Такая высокая интенсивность прослеживается на фоне крайне непродолжительного периода
активного роста во времени. К специфическим чертам эрозионно-аккумулятивного процесса в
оврагах является его непостоянство по длине оврага и во времени, что во многом обусловлено
изменением по длине и во времени соотношения склоновых и русловых процессов. На всем
протяжении периода развития оврага и по длине русла происходит чередование типов русла от
порожистого горного до равнинного.
В целом, считаем, что овраг представляет собой уникальную природную лабораторию для
исследования особенностей гидрологического режима при разных типах снеготаяния, разных типах
русла, многообразии соотношений склоновых и русловых процессов, чередовании в пространстве и
времени зон эрозии и аккумуляции, различной гидравлике потоков. Все это делает овраги одними из
интереснейших объектов для гидролого-геоморфологического анализа с одной стороны и
исследования динамики современного рельефа – с другой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маккавеев Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М., Изд-во АН СССР. 1955. 543 с.
2. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Том 1. М.: Изд-во ЛКИ. 2007. 608 с.
3. Сластихин В.В. Селевые потоки и русловые процессы на реках Молдавии // Динамика и
термика рек, водохранилищ и эстуариев, т.2.М. 1984. с.36-37.
5