4.1. Защита земель от водной эрозии и оврагов

Водная эрозия почв и грунтов наносит огромный ущерб природе и экономике. Она возникает и развивается в тех случаях, когда мощность поверхностного потока превышает силы со­противления почв и грунтов смыву. Эти силы зависят от сцепления отдельных агрегатов почв, содержания в них солей, влажности почвы ко времени начала движения эродирующего поверхностного потока, органических примесей, степени разрыхления и многихдругих факторов. Завершение прохода эродирующего потока (ливневого или снегового) сопровождается образованием на полях промоин и русл ручьев, обнажением корней трав после смыва верхнего слоя почвы на пастбищах, возникновением и развитием балок и оврагов.

Процесс водной эрозии почв, как и все процессы на Земле, совершается с затратой энергии. Различают два основных фактора, определяющих ход этого процесса. Активным фактором является энергия поверхностного потока, движущегося относительно тонким слоем по поверхности почвы или грунта. Этот поток формируется из дождевых капель или вследствие таяния снегов. Непременные условия генерирования энергии этого потока - силы гравитации и уклон поверхности почвы. Пассивным фактором является энергия сопротивления почв размыву - их противоэрозионная устойчивость. Все виды растительности, живущие на почве и получающие из нее питание, защищают почву от размыва.

Под действием силы тяжести дождевые, поливные или талые воды фильтруются внутрь слоя почвы, впитываются. По мере насыщения почвы водой начинается горизонтальная фильтрация внутри почвы, а затем, когда скорость поступления воды превышает скорость впитывания, образуется слой свободной воды на поверхности почвы и формируется ее горизонтальный поток, вызывающий смыв почвы. Движение воды начинается по микроуглублениям на поверхности почвы. Агрегаты почвы, оказавшиеся полупогруженными, взвешиваются архимедовой силой. Как только уровень воды достигает верха агрегатов, течение воды по поверхности почвы ускоряется. При этом агрегаты начинают испытывать силы лобового давления потока, а также силы, возникающие за счет образования перепада уровней при обтекании каждого из агрегатов.

Дальнейшее увеличение глубины и скоростей поверхностного потока сопровождается срывом агрегатов и сносом их потоком. При этом оказывается, что потоку труднее сорвать агрегат с места, чем транспортировать его в направлении течения. По мере сноса первых агрегатов обнажаются и становятся «поверхностными» агрегаты нижележащего слоя, которые также смываются, и процесс эрозии продолжается. Такая картина имеет место, например, на распаханной почве.

Различают два основных вида мероприятий по защите почв и грунтов от эрозии:

- увеличивающие противоэрозионную устойчи­вость почв;

- уменьшающие мощность эродирующего воздействия потока воды.

Эффективно сочетание этих мероприятий.

К первому виду относят организационные и агротехнические мероприятия, которые реализуются в основном на пашне, где проявляется площадная, или поверхностная, эрозия. Увеличение противоэрозионной устойчивости в этом случае достигается:

- правильным использованием земель с учетом их противоэрозионной стойкости;

- дифференцированным применением севооборотов с учетом эрозии почв;

- правильным размещением линейных рубежей на склонах (границ полей севооборотов, рабочих участков, лесных и травяных полос, террас, водозадерживающих валов, водоотводных каналов, дорог), обеспечивающим обработку почв и посев сельскохозяйственных культур поперек склона или по горизонталям в районах водной эрозии;

- обоснованным назначением глубины вспашки или заменой вспашки поверхностными способами обработки – дискованием, лункованием, щелеванием, обработкой почв специальными веществами;

- кулисными посевами и т. п.

Все перечисленные мероприятия, как правило, не требуют изъятия площадей из сельскохозяйственного использования.

Наиболее простым противоэрозионным мероприятием является посев трав и посадка кустарников, но они начинают эффективно защищать почву от эрозии после достаточного развития. Лесомелиоративные мероприятия в виде древесно-кустарниковых полос воздействуют на эродирующий поверхностный поток, уменьшая его мощность. Эти мероприятия требуют изъятия некоторой части пашни (особенно при большой длине склонов). Различают рассеивающие кустарниковые посадки, полезащитные, стокорегулирующие, прибалочные и приовражные лесные полосы; насаждения на откосах оврагов и балок; донные насаждения.

Рассеивающие кустарниковые посадки устраивают в тех случаях, когда необходимо устранить эрозию по тальвегам промоин на склонах. В этих местах посадкой кустарников создается искусственная объемная шероховатость, снижающая скорость движения поверхностного потока (7...15 саженцев на 1 м²) и рассредоточивающая поток на большую площадь.

Полезащитные лесные полосы предотвращают ветровую эрозию почв, способствуют уменьшению вредного воздействия суховеев, а также накоплению и равномерному распределению снегана полях. Их располагают перпендикулярно преобладающему направлению наиболее опасных ветров, но при этом стремятся учитывать и опасность водной эрозии.

Стокорегулирующие полосы выполняют функции перехвата поверхностного стока дождевых и талых вод, перевода его полностью или частично во внутрипочвенный сток и предотвращения смыва почвы в межполосном пространстве. Для повышения противоэрозионного значения стокорегулирующих полос их сочетают с водозадерживающими валами, создаваемыми по нижнему краю лесной поло­сы, и канавами в последнем междурядье, а также с глубоким щелеванием междурядий. Стокорегулирующие полосы, совмещенные с простейшими гидротехническими сооружениями, могут в среднем задерживать на серых лесных и каштановых почвах слой талой воды около 15 мм, а на черноземах - до 30...35 мм.

Прибалочные и приовражные лесные полосы размещают вдоль балок и оврагов как можно ближе к бровке, на расстоянии 3...5 м. Их создают для задержания снега на прилегающих склонах, поглощения стока, ослабления смыва и предупреждения размыва берегов балок и откосов оврагов. В приовражных полосах в опушечный ряд, идущий вдоль бровки, высаживают один-два ряда корнеотпрысковых кустарников, которые закрепляют откосы оврага и предохраняют их от обрушения. Наряду с кустарниками рекомендуют высаживать деревья, дающие корневые отпрыски (айлант, белую акацию), а также легкообсеменяющиеся породы (клен ясенелистный).

Лесопосадки на откосах оврагов и балок начинают, когда они сформируют свой устойчивый профиль и станут зарастать. В первую очередь посадки ведут в устье оврага, где откосы уже приобрели заложение, соответствующее углу естественного откоса, а затем начинают продвигать их к вершине.

В местах сосредоточения поверхностного стока в вершинах лощин, в верховьях оврагов, при наличии перепадов, промоин лесополосы неэффективны, поэтому применяют специальные гидротехнические сооружения: распылители стока, водосборные, водоотводящие, вершинные овражные, донные овражные и др.

Водосборные сооружения перехватывают склоновый сток в периоды выпадения ливней и снеготаяния. Их трассируют аналогично лесополосам, т. е. используя принцип ограничения пути движения склонового потока и его эродирующей способности. Как правило, ось водосборной канавы располагают выше прогнозируемой верхней границы эродируемой площади склона.

Водоотводящие собиратели (коллекторы) предназначены для отводов воды из нескольких водосборных каналов. Обычно их располагают в четко выраженных понижениях рельефа склона.

Вершинные сооружения в оврагах (рис.4.1.1) предназначены для того, чтобы остановить продвижение верхушки оврага по склону. Вершина в естественных условиях обычно представляет собой обрыв-уступ высотой 1,5...3м и более. При поверхностном стоке вершинаобычно напоминает водопад, в подножии которого грунт интенсивно размывается и сносится вниз. Обрыв-уступ постоянно подмывается, его стенки теряют устойчивость и вновь обрушиваются. В итоге вершина постоянно «продвигается» вверх по течению, т. е. происходит регрессная, или попятная, эрозия грунта.

Рис. 4.1.1. Вершинное подпорное сооружение:

а- план; б-разрез по оси

В ряде случаев заросшие овраги (балки) используют для создания прудов различного назначения. Для этого в балках возводят перегораживающие подпорные сооружения или два-три вершинных сооружения при многоотвершковом овраге. Необходимость в подпорных сооружениях может также возникнуть в тех случаях, когда овраг предполагают использовать для создания наносохранилища или как емкость для ссыпания в нее отвалов грунта или шахтной пустой породы.

Обычно в составе подпорных узлов сооружений в оврагах необходимо предусматривать два водопропускных сооружения - водосброс и водовыпуск (рис. 4.1.1).

Для предупреждения разрастания оврагов их необходимо крепить не только в вершине, но и по длине и ширине, а также по их дну. Крепление сводится к уположению дна оврага и к снижению скорости потока. Для этого либо устраивают закрепленные ступени, либо создают в ложе оврага повышенное гидравлическое сопротивление посадкой на его дне и склонах трав и кустарников.

Строительство постоянных овражных сооружений осуществляют с помощью традиционных строительных материалов в пределах городов и других обжитых зон, а также в особо ответственных случаях. Широкого применения заслуживает биологическое крепление дна и склонов оврага - обсадка его черенками или саженцами многоствольных кустарников или посев крупностебельных трав. Но при разрушении склонов и дна оврага посадки и посевы почти не приживаются, поэтому их надо проводить через 1...1,5 года после закрепления дна временными конструкциями. Они также создают на дне ступени с сосредоточенным падением и уменьшают уклон дна до прекращения эрозионных процессов.

Дно и склоны оврагов обсаживают черенками кустарников из местных пород толщиной 3...5 см. Во влажных оврагах следует сажать кустарниковые ивы. Через несколько лет дно оврага становится ступенчатым, а временные запруды сгнивают; для того чтобы по возможности сохранить ступени в створах запруд, надо сажать деревья, выполняющие роль кольев. Не все посаженные черенки приживаются, к тому же первый год может оказаться засушливым, поэтому все последующие осенние и весенние сезоны проводят посадку до полного закрепления оврага.

4.2. Борьба с затоплением земель и наводнениями

Под затоплением понимают любое естественное или искусственное покрытие обычно свободного участка поверхности земли слоем воды. Наводнением считают затопление, приводящее к значительному ущербу природе, человеку, инженерным сооружениям, посевам и т. п. Наводнение - стихийное бедствие, последствия от которого зависят как от времени, продолжительности и глубины затопления, так и от освоенности прибрежных территорий, уровня их социально-экономического развития, своевременности выполнения прогнозов, эвакуации и т. п. Отличительная черта наводнений - наличие затопления и ущерба.

Затопление в отличие от наводнения может быть не опасным, например, когда природа к нему «привыкла». Периодические разливы рек образуют поймы и дельты, являющиеся в естественных условиях средой обитания разнообразной флоры и фауны, в них формируются плодородные аллювиальные почвы, являющиеся ценными кормовыми угодьями, порой единственными в засушливых районах. Приливы и отливы - нормальные явления для морских побережий. Муссонные дожди в Юго-Восточной Азии дают возможность выращивать рис на глинистых почвах даже на возвышенностях. Человек давно освоил регулируемое искусственное затопление поверхности полей как простой способ их увлажнения: рисовые плантации, лиманное орошение. Промывку засоленных земель осуществляют с помощью затопления и строительства дренажа. На польдерных системах в поймах рек допускают контролируемое затопление сельскохозяйственных земель весной для влагозарядки почв, обогащения их ценным наилком.

Краткосрочное вредное затопление сельскохозяйственных земель на повышенных местах ликвидируют с помощью осушительных мелиорации. Поймы рек обваловывают, русла прочищают, строят польдерные мелиоративные системы. Это обычная практика осушения сельскохозяйственных земель.

Польдеры составляют значительную часть территории Голландии - почти четверть страны, находящаяся ниже уровня моря. Самая низкая точка Голландии относительно уровня моря -7 метров, и это мировой рекорд (рис.4.2.1).

Б

Рис.4.2.1. Польдер в Голландии

Гораздо большую опасность представляют наводнения. Они происходят по разным природным причинам и в различные периоды:

- открытого русла из-за значительного притока талых (весеннее половодье), дождевых или тало-дождевых вод (весенне-летнее половодье на больших реках Восточной Сибири, смешанные паводки на горных реках);

- стесненного русла из-за заторов или зажоров льда (заторы льда - нагромождение льдин во время ледохода в сужениях и излучинах русла реки, на мелях и в других местах, где проход льдин затруднен, из-за этого уровень воды резко повышается, иногда на несколько метров, большие заторы наблюдаются весной на крупных реках, текущих с юга на север; зажор - скопление масс внутриводного льда и шуги в русле реки в период осеннего ледохода и в начале ледостава);

- из-за переформирования русел больших рек (размывы, блуждание русла, образование отмелей);

- из-за возникновения селей на малых реках и в сухих логах, т. е. грязекаменных потоков (до 75 % расхода потока);

- вследствие завалов в руслах небольших горных рек из-за схода оползней, снежных лавин, «странствующих» ледников, из-за прорыва горных озер;

- в лесной зоне после обильных дождей из-за завалов из стволов подмытых деревьев и лесного мусора;

- в устьях рек и на низких морских побережьях из-за нагона воды в виде длинных волн (цунами), ветровых нагонов (например, в устье Невы), сейшей, т. е. стоячих волн большого периода, возникающих в более или менее замкнутых водоемах (морях, озерах, заливах) в результате интерференции волн, образовавшихся под действием резкого изменения атмосферного давления, ветра, сейсмических явлений, и волн, отраженных от берегов водоема (в Азовском море наблюдают сейши с периодом до 23 ч и амплитудой 10...25 см, а в Женевском озере - с периодом 1 ч и амплитудой до 2 м).

Наводнения могут иметь техногенный характер: при прорыве плотин - самые катастрофические наводнения; при больших сбросах воды из водохранилищ; при прорыве дамб обвалования; в городах - при сильных дождях и плохой работе водостоков.

Продолжительность наводнений зависит от природы их формирования, климатических условий, размеров и характеристик водосборного бассейна, от размера и формы русл. Они могут быть кратковременными - от нескольких часов до нескольких дней, наблюдаются на малых реках с водосбором менее 2000 км²; длительными (от нескольких недель до нескольких месяцев) - на средних и крупных реках, особенно текущих с юга на север, и в местностях с муссонным климатом; многолетними - при тектонических явлениях, землетрясениях (завальные наводнения). Степень опасности наводнений приведена в табл.4.2.1.

Таблица 4.2.1