5 червня 2012 р.

Вплив біотизованих процесів на формування структури річкової долини

Розглядається функціональна структура річкової долини та її прояви у структурі денної поверхні. Особливу увагу приділено крутому схилу долини, який розглядається як фронт просування. Встановлюється кореляція між інтенсивністю схилових процесів та структурою рослинності.

Вступ. Природне середовище в деяких районах Харківщини відновлюється на фоні зменшення впливу людської діяльності. Зміна співвідношення між природними складовими та людською діяльністю веде до змін структури денної поверхні, які можна спостерігати у змінах рослинного покриву, який є відображенням умов (хімічного складу ґрунтів, морфології топографічної поверхні, тощо), що створюються процесами на мінеральному рівні. Отже, досліджуючи структуру і динаміку рослинного покриву, можна спробувати «розшифрувати» режими, що утворюють структуру денної поверхні. Такі дослідження дозволять нам підійти до вирішення проблем прогнозування розвитку геоморфологічних процесів, в тому числі процесів на схилах.

Вихідні передумови. Об’єктом таких досліджень вибрана територія долини р. Вовча (в межах Вовчанського району Харківської області), яка є притокою Сіверського Донця. Загальна довжина річки складає 90 км, в межах Харківської області – 62 км; площа водозбірного басейну – 1340 км2, з них у Харківській області 868 км2; середній похил річки складає 0,74 м/км; ширина річки досягає 6-11 км. Схили долини асиметричні: ліві – пологі із довгими балками, праві – круті з розгалуженими короткими балками. Заплава долини в деяких ділянках досягає ширини 350-400 м. Незаболочені частини заплави частково розорані і використовуються під посів сільськогосподарських культур. З огляду на це, цікавими є процеси динаміки схилів в умовах послаблення господарських режимів на схилах, те, яке місце в цих процесах займає рослинний покрив, та прогнозування розвитку геоморфологічних процесів при збереженні сучасних тенденцій в долині.


Цілі та задачі дослідження. Метою дослідження є виявлення зв’язків між характером грунтово-рослинного покриву та конфігурацією топографічної поверхні, виявлення умов розвитку процесів на схилах, що проявляються внаслідок функціональної диференціації річкової долини. Виходячи з мети, задачами є: 1. Встановлення кореляційних зв’язків між конфігурацією схилу та характером рослинного покриву на основі польових методів дослідження, 2. Виявлення зв’язків між характеристиками топографічної поверхні місцевості та розвитком зсувних процесів. Для дослідження функціональної організації річкової долини використовувалися ГІС-програми 1. Quantum GIS - для векторизації топографічної поверхні, річкової мережі, тощо. 2. SAGA GIS - для виявлення ділянок акумулювання водотоків на схилах [1], [11].

Викладення матеріалу. Басейн у єдину цілісність об’єднує ключовий басейно-твірний процес, основою якого є флювіація – складний процес взаємодії водно-ґрунтового потоку з літогенною поверхнею, яка у більшості випадків перетворена ґрунтово-рослинним покривом, його функціонування можна розглядати як дію природної машини. Басейно-твірний процес у межах басейну є процесом вищого рангу у порівнянні з долино-твірним: долина є найбільш активною частиною басейну, яка концентрує енергію та речовину, здійснює роботу з переносу речовини і енергії, саме її функціональна структура впливає на біотизовані режими, що пов’язані із сучасними геоморфологічними процесами, і навпаки [2]. Правий берег відзначається більшою динамічністю, що пов’язане з порушенням поперечної симетрії річкової долини внаслідок обертання Землі, але є й повздовжня диференціація, що проявляється у вигляді певних морфологічних відмінностей, що є ознакою втрати симетрії на функціональному рівні. Крутий схил долини є її фронтом, який просувається в напрямку вододільного масиву, а тому саме тут в найбільшій мірі проявляються режими, пов’язані з дією так званої інформаційної машини, яка відрізняється значною кількістю різноманітних режимів [3]: в залежності від характеру впливу зовнішніх умов, ця інформаційна машина може переходити від одного режиму до іншого, зберігаючи безперервність. Ці переходи не є випадковими: в умовах невизначеності інформаційна машина змушена змінювати режим функціонування. Завдяки поступовому руху водно-ґрунтової суміші, потік може змінюватися поступово, що дозволяє пристосовуватись до значного різноманіття варіантів зовнішніх умов при широкому внутрішньому різноманітті вариіантів складу потоку. Можна сказати, що флювіальний потік зіставляє внутрішній стан із зовнішніми умовами: чим складнішим є характер поверхні, тим більше енергії потоку витрачається на виявлення шляхів, що є найменш енерго-витратними, суттєвий вплив чинять біотизовані режими.

До процесів і режимів біотизованого рівню організації відносяться такі, розвиток і функціонування яких визначається живими організми, які, в свою чергу, вносять певну організацію у рисунок денної поверхні [3]. Біотизовані режими геосистеми суттєво відрізняються від мінеральних режимів більш високим рівнем організації на різних масштабних рівнях, більш високим ступенем замкненості відібраних (зольних) хімічних елементів та більш високою швидкістю круговороту речовини, наявністю вираженого контрольованого середовища (формування осадового чохла, регуляція внутрішньоконтинентального кругообігу води, виникнення і підтримання сталості родючих ґрунтів та особливих мікрокліматичних умов у фітошарі, тощо). Утворюючою ланкою біотизованих геосистем виступає біота. Вся сукупність живих організмів організована у вигляді екосистеми як головного регулятора руху енергії і речовини у біотизованих режимах.

Флювіальна система як ландшафтотвірний простір річкової долини. Водний потік є ключовим у формуванні долини, він формує специфічну форму, що відображає присутність у долині різних функцій, одна з яких - діахронність. Формування морфології долини можна показати за допомогою співставлення субстанціональних станів об’єкту на основі топології та опису властивостей: річкова долина є складною активною поверхнею, тому вона трансформується у часі як, так би мовити, в онтогенетичному плані, так і при зміні зовнішніх умов, змінюючи набір своїх характеристик і значень параметрів при переході від одного рангу до іншого. Ця трансформація вимагає від системи “потік - флювіальна долина” наявності певних механізмів такої трансформації, які могли б забезпечити більш-менш стабільний і швидкий перехід до іншого стану. Наприклад, у тектонічно спокійному регіоні флювіальна система функціонує в режимі сталого розвитку, а у тектонічно активному відбувається постійна дестабілізація її функціонування, що відбивається на особливостях її структури, включаючи режими ерозії та акумуляції, розвитку яружно-балкової системи, загострення процесів на головному фронті долини тощо. Різні ситуації складуються, коли флювіальна система пробивається крізь скельні породи, формуючи ущелину в умовах тектонічного підняття території, або коли потік рухається у відносно легких для розмиву акумулятивних напластуваннях, діючи в умовах негативного водного балансу і слабкого розвитку рослинного покриву, чи позитивного водного балансу та потужного розвитку рослинності. Особливим середовищем слід вважати широке розповсюдження карстових порід і процесів, які суттєво впливають на режим поверхневого стоку та розвиток процесів на схилах.

Процеси мінералізованого рівня організації долини р. Вовча. Найбільший вплив на правому березі долини р. Вовча мають процеси ґрунтового середовища переносу (зсуви), водно-ґрунтового (селі, площинний змив, суфозія, лінійна ерозія, берегова ерозія), водного (карст), повітряно-ґрунтового (дефляція). Більш детально ці процеси розглядаються у попередніх роботах автора [2].

Крутий схил долини як фронт просування. Видимим проявом просування долини є зсувні процеси, що найбільш розповсюджені на схилах східної і північно-східної експозиції [1]. Речовина та енергія, що концентрується на конвергентних схилах, при певних критичних умовах (при зливах та довгочасних дощах) виноситься нижньої частини балки, що відзначається наявністю водотоків менших порядків. Тобто, області накопичення стоку води є ділянками з найбільшим проявом критичних процесів, що призводять до змін у конфігурації балки. У межах дослідженої території за допомогою ГІС було визначено місця накопичення водних мас [5]. На рис.1 видно, що конвергентні схили (саме вони є ділянками концентрації потоків води) мають здебільшого східну та північно-східну експозиції на правому березі долини, на лівому ж березі визначити ділянки збирання води неможливо, бо вони є не такими вираженими, як на правому березі. Водотоки меншого порядку виносять до головного водотоку змиті гірські породи, і у такий спосіб балка формує сою морфологію. З часом конфігурація балки змінюються у напрямку найменш енерговитратного варіанту, тому гіпотетичні водотоки першого та другого порядків, по суті, вказують вектори розвитку балки.
 Рис.1. Ділянкинакопичення стоку води

На рис. 1 зображені ділянки концентрації стоку води, які маркують головні напрямки можливих змін структури долини; ці області є постачальниками матеріалу, що виноситься водотоками до головного русла. Водотоки найбільш активні на схилах східної та північно-східної експозицій; схили, що концентрують водотоки, є конвергентними. Мережею водотоків балки виноситься матеріал до річки, тобто балко-твірний процес розвивається перпендикулярно до вододільної лінії. Це свідчить про те, що саме правий схил відіграє головну роль у просуванні долини, бо через нього відбувається основний речовинний і енергетичний обмін.
Заплава як зона сталого функціонування. Морфологія заплави значною мірою визначається дією руслового процесу – сукупності режимів взаємодії руслових потоків з ґрунтами та рослинним покривом, 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, зміною 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 перетерплює досить сильний тиск з боку людини: у межах заплави ведеться активна сільськогосподарська діяльність, влітку води забираються на зрошення полів, в самій заплаві річки ведеться аграрна діяльність. Це спричиняє накопичення акумульованої речовини в руслі річки, бо водотік не в змозі транспортувати матеріал, що веде до уповільнення розвитку русла. Внаслідок цього процес утворення меандрів проходить повільніше, хоча, все ж таки, процес підрізання правого схилу долини спостерігається і в цих умовах: бо 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 тими видами 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 – до 24°), а саме він є гарним тепло-ізолятором взимку. Досить впливовим фактором є фізична якість ґрунту, хоча вона досить сильно залежить від нахилу поверхні. Значний нахил поверхні має веде до більш інтенсивного вивітрювання внаслідок значних коливань добових температур взимку. Схили південної експозиції 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 класифікацією USLE, мають найбільшу інфільтраційну спроможність, і навпаки, 5 клас — найнижчу. Тому макропористі ґрунти знаходяться на більш пологих схилах (у нижній частині схилу), де фізичні властивості ґрунтів є сукупно стабільними [8].
 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%).

Крейдові оголення більш розповсюджені на схилах південної експозиції, а найбільше розповсюдження карстових процесів властиве для схилів західної експозиції. В ході польових досліджень 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, що забезпечує нормальне живлення рослинності водою [9]. Це веде до збільшення щільності рослинного покриву, заміни 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. Зміна проективного покриття рослинного покриву на поверхні схилу.

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 проникністю 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 є головним фронтом річкової долини.

Висновки і перспективи.

1. Встановлені кореляційні зв’язки між нахилом схилу та характеристиками рослинно-грунтового покриву: на більш крутих схилах спостерерігається менша макропористість та розріджена рослинність. Критичні точки (верхня та нижня) маркують переходи від сталого стану до стану екзо-динамічної сукцесії - цей стан спостерігається на схилах із великим нахилом (більше 20о).

2. Робиться припущення, що конвергентні схили є найбільш динамічними, і до них приурочені зсувні процеси, схили дивергентні менш динамічні і мають сталу структуру грунтово-рослинного покриву.

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.                              Ковальов О.П. 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
10.              Шевченко М.В. Функціональна структура річкової долини [Електронний ресурс] // Блог Александра Ковалёва[блог] / М.В. ШевченкоРежим доступу: http://www.geography.pp.ua/2011/10/blog-post_21.html. - Заголовок з екрану
11.       Шевченко М.В. Вільні дані для географічних досліджень. Частина 2. [Електронний ресурс] // Блог Александра Ковалёва [блог] / М.В. ШевченкоРежим доступу: http://www.geography.pp.ua/2012/02/2.html

1 коментар:

  1. Максиме, Ваша стаття є достатньо цікавою вже тому, що Ви намагаєтесь поглянути на те, що відбувається у річковому басейні, з далеко нетрадиційної точки зору. Йдеться про спробу описати морфодинаміку як сукупність супідрядних ключових процесів. Думаю, це вірний шлях. У мене до Вас є такі питання: 1) оскільки Ви намагаєтесь пов’язати процеси мінерального і біотизованого рівнів, який з них Ви вважаєте визначальним у формуванні річкової долини; 2) у чому полягає холістичність ключових процесів?

    ВідповістиВидалити