Функціональна організація річкової долини (на прикладі долини р. Вовча)

     Вступ. Останнім часом в Україні спостерігається значне зниження впливу людської діяльності на природу, що сприяє певному відновленню природного середовища. Зміна співвідношення між природними складовими та людською діяльністю веде до зміни структури денної поверхні. Рослинний покрив є відображенням умов, створюваних процесами мінерального рівню (тобто хімічного складу ґрунтів, морфології поверхні тощо). Завдяки цьому під час дослідження структури і динаміки рослинного покриву ми можемо «розшифрувати» ті режими, що утворюють структуру денної поверхні. Це допоможе нам підійди ближче до вирішення проблеми прогнозування розвитку геоморфологічних процесів на схилах.

Вихідні передумови. Долина р. Вовча, що вибрана як об’єкт дослідження, є прикладом тих територій, на яких досить довгий час велася активна господарська діяльність, що зумовлювало пригнічування природних біотизованих режимів. Але найбільш цікавими для нас, з огляду на функціональну структуру річкової долини, є процеси динаміки схилів і місце, яке займає у цих процесах, рослинний покрив.

Цілі та задачі дослідження. Метою цієї статті є встановлення кореляційних зв’язків між характером ґрунтово-рослинного покриву та конфігурацією топографічної поверхні, дослідження умов розвитку процесів на схилах, що проявляються внаслідок функціональної диференціації річкової долини.

Викладення матеріалу. 

Поняття про флювіальну систему та функціональна організація річкової долини. Геосистеми представлені різними формами організації, всі вони взаємодіють між собою, утворюючи таким чином певний малюнок, що відбивається у денній поверхні. Водний потік є ключовим у формування долини, і саме цей потік формує специфічну форму, що відображає присутність у долині різних функцій. Взагалі то долина повинна розглядатися як потік у часі: річкова долина розвивається у просторово-часовому континуумі, що зумовлює прояв у її структурі такої властивості, як діахронність. Формування морфології долини можна показати за допомогою співставлення субстанціональних станів об’єкту на основі топології та опису властивостей. Субстанціональний стан відображають за допомогою непросторових координат, що визначають об’єкт за його характеристиками. Річкова долина є активною поверхнею, тому вона трансформується у часі, змінюючи набір своїх характеристик і значення параметрів при переході від одного рангу до іншого, як і при зміні зовнішніх умов. Ця трансформація вимагає від системи “потік-флювіальна долина” мати певні механізми такої трансформації, які могли б забезпечити більш-менш стабільний і швидкий перехід до іншого стану. Наприклад, коли флювіальна система функціонує у тектонічно спокійному регіоні, це сприяє її сталому розвитку, коли у тектонічно активному ― відбувається постійна дестабілізація у її функціонуванні, що відбивається на особливостях структури цієї системи, включаючи режими ерозії та акумуляції, розвитку яружно-балкової системи, загострення процесів на головному фронті долини тощо. Одне діло, коли флювіальна система пробивається крізь скельні породи, формуючи ущелину в умовах тектонічного підняття території, інше – у відносно легких для розмиву акумулятивних напластуваннях. Також маємо кардинально різні ситуації, коли флювіальна система діє в умовах негативного водного балансу та слабкого розвитку рослинного покриву) та в умовах позитивного балансу та потужного розвитку рослинності. Особливим середовищем слід вважати широке розповсюдження карстових порід і процесів, які особливо та суттєво впливають на режим поверхневого стоку та розвиток процесів на схилах.

Процеси мінералізованого рівня організації на правому березі долини р. Вовча.Найбільший вплив на правому березі долини р. Вовча мають процеси: зсувні, карстові, площинного змиву, еолові, суфозійні, мікроселеві, соліфлюкційні тощо. Розглянемо деякі з них.

Карстові процеси не пов'язані з долиною, є повсюдними, але інші процеси, розповсюджені на правому березі долини р. Вовча, знаходяться з карстовими процесами у складному зв’язку. Головне значення у виникненні карстованих поверхонь і ландшафтів мають гірські породи, в межах досліджуваної річкової долини це крейди і мергелі. Вході польових досліджень було помічено, що найбільшим розвитком карстових процесів відрізняються схили східної експозиції, також саме схили східної та північно-східної експозиції відрізняються накопиченням водотоків. Тобто конфігурація земної поверхні є одним з факторів, що визначають області накопичення опадів. Саме у перезволожених областях спостерігається формування карстових процесів. У межах долини р. Вовча розвинений задернований карст. Він суттєво впливає на розвиток зсувних процесів. Можна припустити, що для цих схилів є характерною значна макропористість, яка зумовлена діяльністю рослинності, що своїми коренями розпорошує ґрунт, а також діяльністю тварин. На розвиток карстових процесів двояко впливає наявність лісової рослинності: з одного боку, лісова підстилка і гумус збільшують розчинюючу спроможність води, з іншого - глинистий елювій, що формується на покритих рослинністю територіях зменшує інфільтрацію [4]. Території розвитку карсту є індикаторами досить великої вологості території, що призводить до розвитку зсувних процесів. Тобто карст виступає умовою для розвитку долини.

Для долини р. Вовча є характерним розвиток зсувних процесівна схилах східної і північно-східної експозицій, що підтверджується даними польових досліджень, а також даними ДЗЗ [1]. Речовина та енергія, що концентрується на конвергентних схилах, при певних критичних умовах (наприклад, при зливах) викидається та виноситься до тих частин балки, що відзначаються водотоками більших порядків. Ми можемо сказати, що області накопичення стоку води є територіями, в яких є найбільшим прояв цих критичних процесів, що призводять до такого роду змін у конфігурації балки.

 

Крутий схил долини як фронт просування. За допомогою ГІС було визначено, в яких місцях спостерігається накопичення водних мас [5]. На рис.2 видно, що балки правого схилу долини річки відрізняються анізометричністю: конвергентні схили (саме вони є ділянками збирання потоків води) приурочені до схилів східної та північно-східної експозиції на правому березі долини, на лівому березі — неможливо визначити ділянки збирання води, бо вони є не такими вираженими, як на правому березі. Водотоки меншого порядку виносять до головного водотоку змиті гірські породи, і таким чином, балка, переробляє акумульований матеріал. З часом конфігурація балки поступово змінюються, метою таких змін є відбирання найменш енерговитратного варіанту розвитку балки, тому гіпотетичні водотоки першого та другого порядків, по суті, показують, в якому напряму розвивається балка. 

Рис.2. Ділянки накопичення стоку води.

На рис. 1 зображені ділянки накопичення стоку води, які показують «тренд» основних змін структури долини; ці області є постачальниками матеріалу, що виноситься водотоками до головного русла. З рис.2 маємо, що водотоки найбільш активні на схилах східної та північно-східної експозицій; ті схили, що концентрують водотоки (а також речовину та енергію) є конвергентними. Мережею водотоків балки виноситься матеріал до річки, тобто можна сказати, що балко-твірний процес розвивається у напрямку вододільної лінії. Це свідчить про те, що основою долино-твірного процесу є саме правий схил, бо саме через нього відбувається основний речовинний і енергетичний обмін.

Заплава долини значною мірою визначається дією руслового процесу– сукупності явищ, що виникають при взаємодії руслових потоків з ґрунтами, які складають річище, наслідками ерозії, транспорту, акумуляції наносів, що призводять до утворення різноманітних форм русла і форм руслової топографії, їх поточним, сезонним, багаторічним і віковим змінам. Формами зовнішніх проявів руслових процесів є морфологічна будова русла в цілому і форми руслової топографії та руслові деформації, що постійно виникають. Це пов’язано з рухом річних наносів, еволюцією форм русла і повздовжнього профілю річки, різномасштабними змінами факторів руслових процесів, у першу чергу стоку води і наносів. На даний час заплава долини р. Вовча має досить сильний тиск з боку людини: в межах заплави ведеться активна сільськогосподарська діяльність: влітку води забираються на поля, в самій заплаві річки ведеться аграрна діяльність. Це спричиняє накопичення речовини в руслі річки, бо водотік не в змозі переробляти матеріал, що веде до уповільнення розвитку русла, внаслідок чого процес утворення меандрів проходить повільніше. Але все ж таки в деяких частинах заплави, річка підрізує схили правого берега, що свідчить про те, що конфігурація річки визначає конфігурацію правого схилу долини [6].

Вплив біотизованих процесів на розвиток заплави та схилів.Існує певна відповідність між гірськими породами, що виступають на поверхню, та списком видів рослин, що є специфічними для тієї чи іншої підстильної поверхні [7]. У дослідженому районі найбільш масштабними є виходи крейди на схилах південної експозиції. Тут розвивається особливий тип рослинності – кретофільна. Материнська порода крейдових схилів слабко задіяна у ґрунтотворному процесі, на схилах взимку не буває снігового покриву, бо він здувається (крейдові оголення формуються на схилах із досить великим нахилом поверхні (в наших дослідженнях – більше 24°), а саме він є гарним тепло-ізолятором. Досить впливовим фактором є фізична якість грунту, хоча вона досить сильно залежить від нахилу поверхні. До речі, це має вести до більш інтенсивного вивітрювання внаслідок значних коливань добових температур взимку, також восени вдень материнська порода сильно прогрівається, а вночі – швидко охолоджується. Схили південної експозиції також є більш сухими. Для крейдових оголень характерними є особливий світловий режим і режим вологості. Рослини крейдових схилів мають досить виражену ксероморфну структуру світлолюбних рослин, це як правило – експлеренти, що можуть довгий час витримувати дефіцит води та відсутність міогенів, які змиваються підчас злив. Така ситуація складається внаслідок того, що зі збільшенням опадів очікується зменшення розмірів оголень ґрунту [7]. На схилах з невеликим нахилом поверхні спостерігається утворення мас стоячої води. Як показано на рис. 2 1 та 2 класи нахилу за класифікацєю USLE мають найбільшу інфільтраційну спроможність, і навпаки, 5 клас — найнижчу (рис.2). Тому макропористі ґрунти знаходяться на більш пологих схилах (що спостерігається у нижній частині схилу).

Рис. 2. Залежність ділянок поверхні до інфільтрації фізичних якостей ґрунтів і класу нахилу поверхні за класифікацією USLE (універсальне рівняння втрат ґрунту) (1: нахил < 1%, 2: 1% ≤ нахил ≤ 3%, 3: 3% ≤ нахил ≤ 5%, 4: 5% ≤ нахил ≤ 20%, 5: > 20%); де фізичні властивості ґрунтів є сукупно стабільними [8].

На території долини р. Вовча підчас польових досліджень помічено, що крейдові оголення більш розповсюджені на схилах південної експозиції, в той час, як найбільше розповсюдження карстових процесів властиве для схилів західної експозиції. Виявлено, що виходи материнської породи досить сильно залежать від кута нахилу поверхні схилу (рис.3). Рослинний покрив досліджувався на схилі південної експозиції методом дискретного трансекту із кроком у 6 м. У верхній частині схилу (ділянки № 1-5) спостерігається досить потужний горизонт гумусованого шару (більше 50 см). Шар гумусу поступово зменшується на схилі до ділянки № 6, бо поверхня все більше піддається руйнівній дії водної ерозії та еолових процесів, отже бачимо поступове збільшення площі крейдових оголень. В плані особливостей структури рослинного покриву, ділянки № 6 і 7 є перехідними від рослинності на чорноземах до кретофільної: на цих ділянках все ще зберігається досить потужний шар гумусу. Можна припустити, що ці ділянки поверхні відрізняються зменшеним водопостачанням, аніж ділянки № 1-5. На ділянках № 8, 9, 10 найбільшого поширення набувають рослини групи експлерентів, що пов’язане із збільшенням крейдових оголень, з одного боку, та меншим впливом зовнішніх факторів (діяльністю вітру, змиву ґрунтового покриву тощо). На ділянках 11 і 12 ухил поверхні знову збільшується, ці ділянки знаходяться ближче до підніжжя схилу, що зумовлює більшу імовірність заморозків в осінній період, суттєве промерзання взимку, і більш складний режим відтавання навесні (на інших схилах, що були схожі за морфологією, були помічені сліди соліфлюкції на крейді). Також ці ділянки схилу піддаються більш інтенсивному впливу ерозійних та еолових процесів, соліфлюкції тощо, тому на них спостерігається зменшення щільності рослинного покриву, порівняно із ділянками №№ 8, 9, 10. На цих ділянках гіпотетично досить низький рівень макропористості, що не дозволяє воді проникати вглиб, майже вся вода потрапляє до нижньої - делювіальної - частини схилу. На ділянках № 13 і № 14 має місце відновлення ґрунтового покриву і рослинності: це делювіальна частина схилу, що відзначається найбільшою макропористістю. Під час злив на цих ділянках спостерігається найбільший прояв гідравлічних властивостей ґрунту та його значна макропористість, що забезпечує нормальне живлення рослинності водою[9]. Це веде до збільшення щільності рослинного покриву, але щільність кретофільної рослинності зменшується. Відбувається і заміна експлерентів більш конкурентними видами рослин. Можна припустити, що біля підніжжя схилу вміст кальцію вище, ніж на у його верхній частині, бо крейда розчиняється дощовими водами і зноситься до нижньої частини схилу.

 Рис.3. Проективне покриття рослинного покриву на поверхню схилу в напрямку зверху вниз (x - кут нахилу, y - щільність покриття рослинністю у відсотках).

Отже, процеси мінерального рівня організації значною мірою визначають умови розвитку рослинного покриву. Але сам рослинний покрив теж впливає на динаміку процесів мінерального рівня, бо рослинність затримує воду і сприяє проникненню вологи у ґрунт, що при певних умовах стимулює розвиток карстових процесів. Корені рослин чинять механічний вплив на породи схилів, що є одним з факторів розвитку процесів вивітрювання. Самі ж карстові процеси розвиваються на макропористих ґрунтах, а на крейдових оголеннях – соліфлюкція та площинний змив. Кретофільна рослинність в межах долини р. Вовча розвивається на крейдових відслоненнях схилів південної та південно-східної експозиції при нахилі поверхні більше 20°. Гірські породи тут відрізняються слабкою проникненістю води, що зумовлює малу щільність рослинності і досить велику кількість оголень поверхні. Вода, при таких умовах має лінійний стік. Для долини р. Вовча є характерним розвиток карстових процесів на схилах західної та північно-західної експозиції. Все це суттєво впливає на процес розвитку макросхилу, який розглядається як головний фронт річкової долини.

Висновки і перспективи.

1. Основний речовинний і енергетичний потік спостерігається з правого схилу долину, що дозволяє нам вважати, що речовинно-енергетичні потоки мають направлення від вододільної лінії до річки.

2. Найбільший розвиток балка отримує в областях концентрації енергії та речовини, цей рух прискорений дією критичних процесів. Саме конвергентні схили концентрують в собі енергію та речовину, тому за допомогою схем дивергентних та конвергентних схилів ми можемо прогнозувати напрямки розвитку балки, а за допомогою схем ділянок накопичення стоку води, - визначати області, в яких відбувається найбільший змив матеріалу. Тобто використовуючи ГІС та картографічний матеріал, ми можемо прогнозувати напрями розвитку балко-твірного процесу.

Список літератури:

1. Olaya V. A gentle introduction to SAGA GIS. Edition 1.1. [Electronic resource] // Lab for Spatial Informatics [site] / V. Olaya. - Access mode: http://lsi.iiit.ac.in/osgeoin/sites/default/files/SagaManual.pdf
2. Структура денної поверхні річкової долини та її зміна / О.П. Ковальов, М.В. Шевченко // Вісник Харківського національного університету. - 2010. - №909. - С.91-105
3. Ковалёв А.П. Ландшафт сам по себе и для человека / А.П. Ковалёв. – Харьков: Бурун Книга, 2009. – 928 с.
4. Торсуев Н.П. Основы теории равнинного карста (на примере севера Восточно-Европейской равнины) : автореф. дис. на соиск. науч. ступ. докт. геогр. наук : 11.00.04 «Геоморфология и палеогеография» / Н.П. Торсуев. – Киев, 1987. – 35 с.
5. Влацкий В.В. Моделирование речного стока с использованием ГИС-технологий / В.В. Влацкий // Вестник ОГУ. - 2010. - №9. - С.104-109
6. Чалов Р.С. Пространственно-временные закономерности соотношений и изменчивости проявлений русловых процессов / Р.С. Чалов // Вестник МГУ. Серия 5. География. – Москва, Изд-во МГУ, 2009. – №6. – С. 10
7. Раменский Л.Г. Избранные работы. Проблемы и методы изучения растительного покрова / Л.Г. Раменский. – Ленинград: Наука, 1971. – 336 с.
8. D.A. Suyamto. FALLOW model: assessment tool for landscape level [Electronic resourse] // D.A. Suyamto, Meine van Noordwijk, D.P. Hadi, Betha Lusiana. - Access mode: http://www.mssanz.org.au/MODSIM03/Volume_02/A11/09_Suyamto.pdf － Heading from the screen
9. 
   

   Erwin Zehe. On behavioral predictions and non-behavioral observations [Electronic resourse] // Erwin Zehe, Günter Blösch. - Access mode: www.sevenhillscharter.org/docs/teachers/behaviorobservationtraining.pdf. － Heading from the screen.