Оценка коэффициента доставки наносов малых водосборов в лесостепных и степных районах Восточно-Европейской равнины
жүктеу/скачать 18,84 Kb.
|
|
Оценка коэффициента доставки наносов малых водосборов в лесостепных и степных районах Восточно-Европейской равнины Эрозионно-аккумулятивные процессы являются ведущим фактором переноса твердого вещества в условиях гумидного климата. На территориях с интенсивным хозяйственным использованием, где происходит разрушение и преобразование почвенно-растительного покрова, объемы перераспределяемого вещества в результате действия эрозии значительно возрастают. Это проявляется в виде разнообразных хозяйственных и экологических последствий [7]. Например, в течение второй половины XX в. в результате эрозии почв общемировая площадь пахотных земель сократилась на одну треть, а среднегодовое сокращение площади пашни составляет порядка 10 млн га [25]. Благодаря процессам эрозии и аккумуляции происходит перераспределение вещества. В этом свете актуальной задачей является оценка объемов выносимых наносов из флювиальных систем освоенных территорий. Интенсивность протекания эрозионно-аккумулятивных процессов определяется комплексом природных факторов, среди которых ведущую роль играет геоморфологическое строение. Особенно сильно возрастает влияние рельефа на процессы перераспределения наносов в лесостепной и степной зонах. Это связано с увеличением нормы поверхностного стока в флювиальных системах с малыми водосборами, что приводит к перегруженности речной сети наносами из верхних звеньев флювиальной сети [8]. Доля наносов, транспортируемая русловыми водными потоками, может быть оценена непосредственно по объемам вынесенного материала в устьевом створе. Однако основная масса наносов перераспределяется в пределах водосборных бассейнов верхних звеньев флювиальной сети – на склонах, в оврагах и балках. Поэтому прямое определение объемов материала, переносимого в речном бассейне, является весьма трудоемкой задачей. Для ее решения существуют различные способы, одним из которых является использование коэффициента доставки наносов (sediment delivery ratio далее SDR), определяемый как соотношение между наносами, доставленными к устью (или любому створу) водосбора (в т/км2 в год), к суммарному объему перемещенного на водосборе материала (в т/км2 в год) [21, 29]. Данный коэффициент используется для определения доли наносов, вынесенных за пределы водосбора (относительно любого створа), к суммарному объему материала перемещенного различными процессами денудации на водосборе за любую единицу времени, начиная от эрозионного события и кончая периодом земледельческого освоения. Кроме того, он активно применяется при расчетах баланса наносов. Зная объем наносов, смытых с водосборных склонов в единицу времени, и величину коэффициента доставки, представляется возможным определить массу наносов, выносимых за пределы водосбора. Вычисление SDR представляет собой трудность в силу нескольких причин. Одной из проблем является осреднение результатов измерения стока наносов и объемов эродированного материала по времени. Водосборы различного порядка и размера имеют различные темпы функционирования. В пределах малых водосборов процесс перераспределения наносов оценивается в пределах годичных циклов. Остается не до конца определенной роль единичных, но крупных эрозионных событий, которые очень сильно повышают вариабельность значений стока наносов, а, следовательно, и SDR, что порождает вопрос о корректности среднегодовых и среднемноголетних показателей [24]. Кроме того, коэффициент доставки наносов сильно варьирует по сезонам в течение года, наибольшая его вариабельность наблюдается летом [14]. Вторым аспектом является проблема пространственного осреднения, связанная с исключительной неравномерностью процессов сноса и аккумуляции вещества. В особенности это заметно при вычислении SDR для водосборов различных размеров [28, 30]. Если рассматривается крупный речной бассейн, его звенья различных порядков будут поставлять наносы с различной интенсивностью. В таком случае возникает вопрос о целесообразности вычисления SDR для крупных бассейнов в принципе. При этом сам коэффициент может очень сильно варьировать от водосбора к водосбору даже в пределах одной относительно компактной области [17]. В связи с этим требуется сбор и обобщение большого количества эмпирического материала для каждого конкретного бассейна. Многие исследователи в число параметров, определяющих SDR, включали различные морфометрические характеристики исследуемых водосборов, так как представляется возможным только на их основе рассчитать коэффициент доставки наносов. Так, в 1958 г. С. Мэнером [20] для природных условий штата Канзас установлена зависимость между коэффициентом доставки наносов и коэффициентом рельефа (отношение средней абсолютной высоты водосбора к амплитуде высот истока и устья главного водотока). Коэффициент рельефа в том или ином виде также использовался в других работах, посвященных изучению SDR [26, 31]. Кроме коэффициента рельефа водосбора в расчетах применялись следующие показатели: средняя длина водотоков [20], отношение коэффициента рельефа к средней длине водотоков [26, 31], площадь водосбора [26, 31], коэффициент бифуркации водотоков [19, 26], кривизна склонов [31]. Полученные соотношения основаны на регрессионном анализе статистической совокупности малых водосборов с известными коэффициентами доставки наносов. Некоторые исследователи предпринимали попытки связать коэффициент доставки с гидрологическими параметрами – уклоном главного водотока [23, 31] и среднегодовым слоем стока [22], а также с густотой овражной сети [18]. В 1980–1990-х была установлена обратная зависимость между площадью водосбора и коэффициентом доставки [9, 12, 17, 29]. С началом активного использования эмпирико-математических моделей для расчетов среднегодовых темпов смыва почвы появилась идея связать коэффициент доставки наносов с интегральным параметром длины и крутизны склона – LSфактором [6], которая впервые используется в работах В. Ферро [15, 16] на примере водосборов о. Сицилия. Определение зависимости SDR от морфометрических показателей путем нахождения эмпирического уравнения вида SDR = f(x1,x2…xn), где x1, x2… xn – значения показателей с наибольшим коэффициентом корреляции. Для каждого малого водосбора в системе ESRI ArcGIS 10.0 по цифровым моделям рельефа (ЦМР), построенным либо в результате векторизации топографических карт, либо по данным SRTM, вычислены основные морфометрические характеристики, которые потенциально могут влиять на SDR, а именно: площадь, периметр, абсолютная высота, крутизна, экспозиция, кривизна продольного и поперечного профилей, уклон днища, плановая форма водосбора, а также LS-фактор рельефа [6]. Данные параметры выбраны по следующим принципам: – локальные морфометрические характеристики [11]: абсолютная высота, крутизна, экспозиция, кривизна продольного и поперечного профилей, уклон днища, LS-фактор – рассчитываются в пределах окрестности ячейки ЦМР [27]; – региональные морфометрические характеристики [11]: площадь, периметр – описывают положение природного объекта в ландшафте [27]; – характеристика плановой формы водосбора: коэффициент округлости. Совокупность элементарных ячеек ЦМР, попавших в пределы каждого изучаемого водосбора, послужила основой для вычисления максимальных, минимальных и средних значений вышеперечисленных параметров. Например, средняя экспозиция водосбора рассчитывалась как среднее значение экспозиции определенное для каждой из ячеек ЦМР малого водосбора. В качестве одной из морфометрических характеристик использовалась плановая форма водосбора, оцениваемая с помощью коэффициента округлости [21] – circularity ratio (kc). Он равен отношению между площадью водосбора (F, км2 ) и площадью круга (So, км2 ), который имеет периметр, равный периметру исходного водосбора (P, км): kc = F/ So. (1) Физический смысл коэффициента округлости – соотношение площади водосбора с максимальной возможной площадью при том же периметре. Так как по законам евклидовой геометрии любая плоская фигура при неизменном периметре не может иметь площадь, больше чем площадь круга, kс всегда будет меньше единицы. Соотношение (1) можно преобразовать через площадь и периметр водосбора в соотношение: kc = 4πF/P2 . (2) Чем больше коэффициент округлости, тем ближе плановая форма водосбора приближается к окружности, а чем меньше, тем более вытянутую форму имеет водосбор (рис. 2). Для количественной оценки влияния рельефа водосбора на долю выносимого через устьевой створ материала было необходимо определить степень линейной связи между морфометрическими характеристиками водосбора и коэффициентом доставки наносов. Это осуществлялось с помощью построения регрессионных уравнений вида SDR = f(x), где x – значение какого-либо параметра, для каждого морфометрического показателя в отдельности, и вычисления коэффициента корреляции (в среде Microsoft Excel). Таким образом, определялись морфометрические характеристики, имеющие наибольшее влияние на коэффициент доставки наносов. Самое высокое значение коэффициента корреляции между коэффициентом доставки наносов и показателем рельефа малого водосбора получено для средней крутизны водосбора (r = 0.52). Степень коррелятивной линейной связи с другими морфометрическими параметрами еще ниже. Исходя из этого, представляется возможным из нескольких базовых морфометрических характеристик составить выражение, имеющее более тесную связь с коэффициентом доставки наносов, чем эти характеристики по отдельности. Очевидно, что локальные морфометрические характеристики [11], основанные на анализе дискретных ячеек ЦМР, такие, как средняя крутизна, не подходят для составления искомого выражения. Искомое соотношение является функцией вида f(F,P,H), где F – площадь водосбора (км2 ), P – его периметр (км), H – абсолютная высота (м). Эти параметры выбраны как одни из наиболее сильно связанных с коэффициентом доставки наносов по отдельности (см. табл. 2). Кроме того, выдвинуто предположение, что при прочих равных условиях средний уклон водосбора оказывает наибольшее влияние на количество выносимых наносов за пределы водосбора. Средний уклон водосбора определяется как отношение амплитуды абсолютных высот к длине (прямая линия, соединяющая исток и устье) водосбора. На основе этого предположения можно заключить, что средний уклон водосбора можно выразить через площадные характеристики. Пусть a – длина водосбора (км), тогда: F = f(a), или F~a. (3) Поэтому для водосбора идеально круглой формы: So~ao, (4) где ao – диаметр круга, So – площадь круга (км2 ), который имеет периметр, равный периметру исходного водосбора (P, км). В таком случае ao= 2R (R – радиус окружности). Как установлено ранее, F = kcSo, где kc – коэффициент округлости. Из этого следует, что a ~ kc(ao), или: a = kcao . (5) Так как ao= 2R, а Po= P = 2πR, ao= P/π, а с учетом вышеприведенного соотношения, получим: a = kcP/π. (6) Принимая коэффициент округлости равным kc = 4πF/P2 , получим соотношение для длины водосбора: a = 4F/P Средний уклон водосбора определяется как отношение амплитуды его абсолютных высот (ΔH, м) к его длине (a): Ia = ΔH/a. (8) С помощью построения регрессионных уравнений вида SDR = f(Ia) и вычисления коэффициента корреляции установлена зависимость (рис. 3). Соотношение SDR ~ Ia имеет коэффициент корреляции примерно равный 0.7, что подразумевает высокую степень связи между коэффициентом доставки и средним уклоном водосбора. Как указано выше, Ia= ΔH/a и a = 4F/P, следовательно: SDR ~ ΔHP/4F. (9) Мы получили искомую зависимость коэффициента доставки наносов от группы основных морфометрических характеристик водосбора, которые по отдельности оказывают на него наибольшее влияние. Используя полученное уравнение регрессии, можно определить расчетную формулу для коэффициента доставки наносов: SDR = 0.234(ΔHP/4F)1.375. (10) Регрессионное уравнение (10) содержит в себе кроме площадной характеристики показатели формы и потенциальной энергии (абсолютная высота). жүктеу/скачать 18,84 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|