Понятие об овражной эрозии почв

В отличие от поверхностной эрозии почвы, вызываемой стоком рассеянных струек воды, овражная эрозия возникает при концентрации этих струек в сравнительно мощные водные потоки. Такая концентрация происходит при стекании воды со склонов водосбора в естественную гидрографическую сеть или в искусственную ложбину. Такие ложбины образуются в результате напаши вдоль границ полей, а также по пахотным бороздам и кюветам дорог. Водный поток, если он при имеющихся уклонах поверхности земли обладает достаточно большой разрушительной силой, промывает по дну ложбины или балки русло, а почву и грунт уносит в реки и моря. Поскольку поверхностный сток талых или ливневых вод периодически повторяется, то ежегодно происходит дальнейший рост оврагов в глубину, длину и ширину. Следовательно, овраг — это отрицательная форма рельефа, образованная сравнительно недавнопериодически стекающим водным потоком. В овраге следует различать вершину, устье, конус выноса, дно, бровку и откосы (рис. 42).

Овраги приурочены к гидрографической сети. Каждое звено этой сети имеет дно, берега и склоны водосборной площади. Овраги по происхождению делятся на первичные и вторичные. К первичным относятся овраги, впервые прорезающие новые поверхности земли, ко вторичным — овраги, углубляющие существующую гидрографическую сеть (рис. 43).

Первичные овраги, как правило, образуются в результате концентрации стока воды по искусственным ложбинам на склонах водосбора какого-либо элемента гидрографической сети (балки и др.). Концентрированный поток воды, устремляясь по такой ложбине вниз по склону, в конечном итоге прорывается к берегу балки или долины реки и размывает его. Здесь начинает свое развитие первичный овраг. Поэтому первичные овраги называют еще береговыми. Поскольку эти овраги в дальнейшем, по мере своего развития, внедряются в прилегающий склон водосбора, то их называют также склоновыми. Точнее их следует называть первичными склоновыми оврагами.

Вторичные овраги образуются в результате размыва и углубления дна гидрографической сети, поэтому их называют еще донными.

Овраги, растущие по дну ложбин, расположенных в вершинах балок и лощин, называют вершинными. Кроме того, следует выделить овраги, растущие по дну боковых ложбин. Они начинают свое развитие на берегу балки и затем продвигаются вверх по водоподводящей ложбине, расчленяя склон водосбора балки. Эти овраги можно назвать вторичными склоновыми.

Чтобы успешно вести борьбу с оврагами, необходимо иметь представление о важнейших закономерностях их развития.

Разрушительная сила водного потока определяется его кинетической энергией, которая в общей форме выражается формулой:

где F — живая сила (кинетическая энергия);

т — масса воды;

V — скорость течения воды.

Скорость течения воды (υ) в данном случае подчиняется закону Шези и выражается формулой

где i — продольный уклон дна русла;

С — коэффициент, зависящий от шероховатости поверхности.

Масса воды (т) зависит от нормы стока (величина стока с единицы поверхности площади водосбора).

Быстрота роста оврага в глубину определяется кинетической энергией водного потока и сопротивляемостью грунта размыванию водой. Когда эти силы уравновешиваются, рост оврага в глубину прекращается. При прочих равных условиях это может произойти или при уменьшении массы стекающей воды, или при понижении скорости течения вследствие уменьшения продольного уклона дна русла.

Рассмотрим причины образования и особенности роста первичных оврагов. Наиболее типичным случаем является образование первичного оврага вдоль границы поля или дороги, неправильно проложенных относительно склона (рис. 44). Вдоль такой границы вследствие напашки образуется искусственная ложбина, которая перехватывает небольшие струйки рассеянного стока с вышележащего склона и концентрирует их в более мощный водный поток. Этот водный поток достигает берега балки (лощины), где уклон поверхности резко возрастает. При этом увеличиваются скорость потока и его разрушительная сила, в результате чего происходит размыв почвы. На берегу балки образуется овраг, который ежегодно растет вниз по ее берегу и вверх по склону. С. С. Соболев (1948) выделяет четыре стадии в развитии первичных оврагов (рис. 45).

Первая стадия — образование промоины, или рытвины, глубиной 30-50 см. Характерный признак промоины — параллельность продольного профиля ее дна поверхности склона, на котором образовался овраг. В плане овраг имеет линейную форму; поперечное сечение треугольное или трапециевидное. На распаханных площадях и рыхлых грунтах первая стадия протекает очень быстро (1-3 года).

Вторая стадия — образование вершинного обрыва. Берег балки, как более крутой, чем прилегающий к ее бровке склон водосбора, размывается в глубину быстрее, чем склон, поэтому ниже бровки балки образуется обрыв. Основание обрыва подмывается падающим потоком воды. Стена обрыва обрушивается, глыбы грунта размываются водным потоком и уносятся течением. Высота обрыва над дном оврага в его вершине составляет от 2 до 10 м. Овраг растет в длину обвалом своей вершины, навстречу водному потоку, врезаясь в прилегающий к балке склон. Одновременно происходит его углубление, но устье оврага еще не достигает уровня дна балки. Овраг как бы «висит» над дном балки. Продольный профиль дна оврага имеет вид вогнутой линии и сильно отличается от профиля поверхности размываемых берега балки и прилегающих склонов. Откосы оврага обнажены, обрывисты и неустойчивы. Осыпь грунта у их основания не задерживается, так как уносится водным потоком. Овраг в этой стадии растет как в глубину, так и в ширину.

По мере углубления дна оврага его устье опускается все ниже и ниже и, наконец, достигает уровня дна балки. Овраг вступает в новую стадию развития.

Третья стадия — выработка профиля равновесия. Она начинается, когда устье оврага опускается до уровня дна балки, т. е. достигает местного базиса эрозии. Дно оврага выше устья продолжает углубляться до тех пор, пока продольный его уклон станет соответствовать уклону профиля равновесия для данного грунта. При этом уклоне дна скорость водного потока настолько мала, что его сила будет уравновешиваться Сопротивляемостью грунта. При такой скорости водный поток обычно не в состоянии переносить крупные частицы твердого стока, поэтому для профиля равновесия характерно отложение по днуоврага наносов. В начале этой стадии развития наносы откладываются в устье оврага, затем зона отложения увеличивается, продвигаясь к вершине оврага по мере углубления дна и уменьшения его уклона. Овраг в этой стадии растет в глубину, ширину и длину. Рост в ширину идет в результате подмыва и обрушивания откосов оврага, поскольку водный поток течет по дну не прямолинейно, а извилисто.

Четвертая стадия — затухание роста оврага. Эта стадия начинается после выработки профиля равновесия дна оврага. Дальнейшего углубления дна не происходит. Продолжается рост в ширину вследствие подмыва и обрушивания откосов, в результате чего дно оврага расширяется. Постепенно откосы оврага достигают угла естественного, устойчивого для данного грунта, откоса и зарастают растительностью. Овраг превращается в лощину или балку.

На достаточно длинных склонах можно наблюдать все стадии развития на одном и том же овраге, поскольку они в перечисленной последовательности пространственно перемещаются навстречу течению водного потока: промоина, обрыв, участки с профилем равновесия, участки затухания (у устья). Когда вершина оврага достигнет водораздела, дальнейший рост в длину прекращается, обрыв в его вершине сполаживается. Рост оврага можно остановить на любой стадии развития прекращением поступления в него воды или закреплением вершины и дна водосбросным сооружением.

В первичный овраг вода поступает на первых двух стадиях развития в основном через его вершину, а в последующем и через стокоударную бровку, т. е. обращенную к верхней части склонов водосбора. Эту особенность надо учитывать при закреплении и облесении таких оврагов.

Рассмотрим причины образования и особенности роста вторичных оврагов. Описание стадий развития первичных оврагов показало, что водный поток, обладающий одной и той же разрушительной силой, вырабатывает такой продольный профиль дна оврага, который соответствует профилю равновесия между размывом и отложением грунта. В результате овраг затухает и превращается в балку.

Можно предположить, что продольные профили дна всех звеньев гидрографической сети, которая выработалась в процессе геологической эрозии, соответствует профилю равновесия для нормального режима стока, т. е. ненарушенного хозяйственной деятельностью человека. Это тем более вероятно, что до хозяйственного освоения земель все звенья гидрографической сети были покрыты лесной или травянистой растительностью в зависимости от зоны. Многие из них и теперь покрыты растительностью.

В настоящее время значительная часть гидрографической сети имеет донные овраги. Причиной их образования, по-видимому, является несоответствие нового, увеличенного поверхностного стока прежнему профилю равновесия дна балок, лощин и пр. Их уклоны не изменились, поэтому и скорость течения воды по их дну не могла измениться. Следовательно, увеличение кинетической энергии потока можно объ­яснить при постоянной скорости только увеличением массы воды, стекающей со склонов водосборной площади. Повышенный поверхностный сток нельзя объяснить увеличением количества атмосферных осадков, так как в историческое время климат земли не изменился. Увеличение поверхностного стока можно объяснить только неправильным использованием земли, вырубкой лесов и усиленной распашкой земли с одновременным ухудшением водно-физических свойств почвы.

Рост донных оврагов начинается, по сути дела, с выработки нового профиля равновесия, соответствующего новому повышенному стоку воды. Принципиально не отличаясь от третьей стадии развития первичных оврагов, рост вторичных оврагов имеет и ряд особенностей. Сначала идет разрушение («обновление») дна, а затем и берегов сети. Образование донного оврага может начаться в балочном звене, а затем в лощинах и ложбинах, впадающих в эту балку, по мере продвижения вершины донного оврага к верховьям балки. Этот процесс может начаться и одновременно в нескольких звеньях балочной системы или только в вершине балки. Все будет зависеть от того, в какое звено гидрографической сети происходит наиболее усиленный сброс поверхностного стока воды.

Третья стадия развития донного оврага заканчивается полным обновлением дна и берегов древней гидрографической сети. Эти овраги, как правило, многовершинные, по числу прежних лощин и ложбин.

Четвертая стадия — затухание оврага, протекает, как выше было описано. Овраг постепенно превращается в новую балку. Образно говоря, если овраги являются свежими ранами на теле земли, то балки — это рубцы от старых ран.

Особенностью роста донных оврагов является то обстоятельство, что они наследуют от прежней гидрографической сети их водосборные площади. В эти овраги вода поступает не только через вершину, но и с прилегающих склонов водосбора через бровки балок (лощин). При усиленном стоке воды, который собственно и вызывает появление вторичного оврага, берега балок еще до их обновления прорезаются струйчатыми размывами.

Особенности геологического строения той или иной местности сказываются на скорости прохождения отдельных стадий и внешнем облике оврагов.

Наиболее быстро идет образование оврагов на лессовых отложениях и рыхлых грунтах.

Как уже отмечалось, овраги порождены человеческой деятельностью.

Чем древнее земледельческие районы, тем больше там оврагов. При росте оврагов теряется много освоенной земли. Но вред от оврагов не только в этом. Они снижают уровень грунтовых вод, увеличивают площадь испаряющей поверхности и тем самым вызывают иссушение территории, на что указывал В. В. Докучаев (1893). Кроме того, овраги, расчленяя пашню на мелкие клочки, делают ее неудобной для обработки. Вынос твердого стока из оврагов и отложение его в поймах рек приводят к обмелению рек и заболачиванию пойм. Овражная эрозия наносит большой и почти непоправимый ущерб земле. Это вызывает острую необходимость изучения данного явления и разработки мер защиты земли от разрушения.

ОБЛЕСЕНИЕ ОВРАГОВ

Борьбу с оврагами начали вести еще в прошлом веке закреплением вершин и дна засыпкой навозом, а также устройством плетней с посадкой ивы и тополя. Эти работы были разрознены и случайны. Более организованная борьба с оврагами началась в начале этого века, когда были организованы песчано-овражные партии. Они состояли из специалистов — лесомелиораторов и гидротехников и находились в подчинении лесного департамента. Эти партии разрабатывали проекты закрепления оврагов и сыпучих песков и организовывали закрепительные работы на средства местных земельных органов и населения. Проекты предусматривали закрепление оврагов в основном устройством различных гидротехнических сооружений и посадкой леса, но не устраняли порождающих их причин. Следы плодотворной деятельности этих партий в виде затухших оврагов сохранились в ряде мест до настоящего времени. До 1917 г. было закреплено около 3000 оврагов. По сравнению с общим числом оврагов это ничтожная величина, но как пример решения задачи эти работы имели большое значение.

В нашей стране работам по борьбе с оврагами придано государственное значение. В тематику научных учреждений включено изучение закономерностей образования оврагов, организована подготовка специалистов, создана проектная организация «Союзгипролес» с ее филиалами в областях. Работы по закреплению оврагов проводятся в комплексе мер защиты почвы от эрозии на всем водосборе, предусматривая устранение причин образования оврагов и превращение их в лесные угодья.

Прекращение роста оврагов достигается системой мер, проводимых как на водосборе, так и на овраге. Меры защиты почвы от эрозии на водосборной площади, где расположены пахотные угодья, рассмотрены в предыдущей главе. Одновременно они предусматривают и устранение причин образования оврагов, так как направлены на уменьшение поверхностного стока воды. Для борьбы с оврагами предусматривается посадка приовражных лесных полос, укрепление вершин и дна бетонными водопропускными сооружениями или задержание воды перед вершиной оврага устройством земляных валов с одновременным облесением приовражья, а в последующем всего оврага. Устройство и расчет гидротехнических сооружений рассматриваются в курсе сельскохозяйственных мелиорации, поэтому остановимся лишь на простейших из них.

Валики-распылители насыпают по искусственным ложбинам (и небольшим естественным) для распыления концентрированного стока воды, поступающего в вершину берегового оврага (рис. 47). Их насыпают под углом 45° к оси ложбины двумя-тремя проходами однокорпусного плуга с ручной оправкой гребня вала по дну ложбины. Валик направляет водный поток в борозду, сделанную в напаши или полотне полевой дороги. Водный поток через этот проход выходит на нижнюю (по отношению к склону) сторону напаши или дороги и свободно растекается по склону, распадаясь на мелкие струйки. Валики насыпают по ложбине примерно через 50 м один от другого. Проходы (борозды) в полотне дороги делают глубиной 20-30 см и шириной 1,5-2 м, чтобы они не мешали проезду транспорта. Валики-распылители насыпают также и вдоль стокоотводных опушек водорегулирующих лесных полос для направления воды в эти полосы. На небольших коротких ложбинах выше вершины берегового оврага достаточно насыпать два валика-распылителя, не выходя за пределы прибалочной полосы.

Водосборные земляные валы насыпают выше оврагов для полного задержания воды поступающей в их вершины. Впервые такие валы были предложены в 1910 г. В. М. Борткевичем. Они получили значительное распространение, особенно в последнее время. Их устройство осуществляется по техническим проектам. Наиболее типичны следующие основные размеры валов: общая высота 1,4 м, ширина по верху 2,2 м ширина основания 7 м, сухие откосы — полуторные, мокрые — двойные (рис. 48). Валы насыпают строго по горизонталям бульдозерами или скреперами; поверхность под основанием вала предварительно пашут. Общая протяженность валов должна обеспечить задержание ливневого или весеннего стока воды с водосбора, прилегающего к вершине оврага. Расчет ведется на наибольший сток, который может быть один раз в 10 лет. Если расчетная протяженность вала окажется большой, то для удобства размещения валы делают в 2-3 яруса с обеспечением сброса избытка воды из верхних валов в нижние. Водоотводные канавы применяют для отвода воды от вершины небольших береговых (реже вершинных) оврагов и сброса ее через тупиковый водослив на задернованный (неразмытый) берег балки (рис. 49). Отступив от вершины оврага на 10-15 м, поперек водоподводящей ложбины закладывают начало канавы, которую проводят с небольшим уклоном вниз по склону к берегу балки. При подходе к бровке балки канаву плавно изгибают с расчетом, чтобы она заканчивалась прямым отрезком, расположенным строго по горизонтали немного выше бровки балки.

Этот отрезок является тупиковым водосливом. Вода сливается не через конец канавы, а через всю боковую сторону горизонтального отрезка канавы и в виде тонкого слоя стекает на задернованный берег балки. Водоотводные канавы делают глубиной 40-50 см. Их прокладывают проходом плантажного плуга ПП-60 с отвалом пласта вниз по склону с последующей ручной оправкой. Длина водосливного отрезка канавы составляет от 2 до 8 м при площади водосбора от 3 до 15 га.

Борьба с оврагами посредством лесных насаждений основана на их способности поглощать поверхностный сток воды и частично скреплять почву корнями деревьев и кустарников. При этом лесная полоса может поглощать только рассеянный поверхностный сток воды, а концентрированный сток проходит сквозь нее довольно свободно. Также ограничена и способность корневых систем скреплять грунт. При скалывании откосов оврагов происходят обрыв корней и сползание грунта вместе с древесными растениями к дну оврага.

Чтобы приостановить рост оврагов при помощи леса, необходимо так размещать лесные насаждения, чтобы они поглотили поверхностный сток воды еще на подступах к оврагу. Это достигается созданием приовражных лесных полос, закладываемых в общей системе водорегулирующих и прибалочных лесных полос. Приовражные полосы закладывают вдоль бровки оврага, отступя от нее на 3-5 м, с учетом возможности скалывания откосов оврага. Они могут быть созданы по типу прибалочной или полезащитной лесной полосы, в зависимости от условий поступления стока воды в овраг, что, в свою очередь, зависит от типа оврага и стадии его развития.

Рассмотрим специфику закладки приовражных лесных полос по типам оврагов.

Первичные овраги (береговые, склоновые). Как уже отмечалось, эти овраги растут по искусственным ложбинам, в которых концентрируется поверхностный сток, поступающий в них через стокоударную бровку, т. е. верхнюю по отношению к склону. Площадь водосбора таких ложбин зависит от их длины, угла пересечения склона, расстояния от водораздела и других факторов.

В первой и второй стадиях развития первичного оврага основная масса воды поступает в него через вершину по искусственной ложбине и лишь небольшая часть стока — через стокоударную бровку. В этом случае приовражную лесную полосу целесообразно закладывать только вдоль стокоударной бровки оврага по типу полезащитной шириной 10-15 м. Основное назначение этой полосы — распределение снега. Рост такого оврага может быть прекращен отводом воды от вершины оврага простейшими гидротехническими сооружениями, которые описаны выше (валики-распылители и канавы).

В третьей и четвертой стадиях развития первичного оврага при значительном его протяжении по склону и сбросу в него большого количества поверхностного стока через стокоударную бровку целесообразно вдоль этой бровки закладывать приовражную лесную полосу по типу прибалочной шириной 20 м. По стокоударной опушке через 30-50 м устраивают валики-распылители для отвода воды в лесную полосу. Таким образом, первичные овраги имеют лесную полосу с одной стороны (рис. 51).

Вторичные овраги (донные). Развитие этого типа оврагов, как отмечалось, происходит по дну гидрографической сети при поступлении в нее большого количества воды. В каждый элемент гидрографической сети основная масса воды поступает с прилегающих к нему склонов через бровки и частично через вершину. В этих случаях при­овражные лесные полосы закладывают по типу прибалочных, вдоль старых бровок балок, лощин и ложбин с обеих сторон, так как у них обе их бровки являются стокоударньши (рис. 52). При этом следует учесть некоторые особенности закладки лесных полос увершинных оврагов и вдоль размытых берегов балок.

При развитии оврага по дну ложбины (вершинный овраг) приовражную лесную полосу закладывают вдоль бровки оврага, отступя от нее на 4-5 м. В этом случае лесную полосу простирают дальше вершины оврага до 50 м, т. е. почти до конца ложбины, чтобы перехватить боковой сток, поступающий в ложбину с прилегающих склонов (рис. 53).

Если берега балок рассечены частыми струйчатыми размывами или короткими береговыми оврагами, приовражную лесную полосу закладывают параллельно бровке балки, но выше вершин промоин, перекрывая их.

Овраги всех типов, достигшие четвертой стадии развития, а закрепленные гидротехническими сооружениями и приовражными лесными полосами второй и третьей стадий, подлежат сплошному облесению (овраги в первой стадии заравнивают). В первую очередь посадки леса проводятся на теневом откосе (как лучше увлажненном) и по дну оврага; при этом русло водотока не засаживают. В дальнейшем по мере улучшения микроклимата под влиянием лесногонасаждения проводят посадку на солнечном откосе, если он, естественно, не зарастает лесом. Посадку леса на откосах оврагов и смытых берегах балок проводят, размещая ряды по горизонталям. Для этого при уклонах откосов до 12° нарезают плужные борозды шириной 1-1,5 м, на склонах до 18° делают террасы двукратным проходом пятикорпусного плуга, а на более крутых — бульдозерами или террасерами. На небольших оврагах посадку леса проводят вручную площадками и рядами без поделки террас.