Формирование и развитие оврага

Оврагообразование – современный рельефообразующий процесс, осуществляемый временными русловыми потоками дождевых и талых вод, в результате которого возникают специфические отрицательные линейные формы на поверхности суши. Образование оврагов связанно в настоящее время, как правило, с нарушением сложившегося природного комплекса под влиянием антропогенного воздействия. Однако само их развитие происходит по законам природных процессов и зависит от совокупности факторов, во многом определяющих возможность зарождения и активность последующего развития оврагов. Это не исключает возможности начала появления и роста оврага без антропогенного вмешательства на крупных склоновых водосборах под влиянием естественных процессов (подмыв рекой крутого береге, оползни, карст и т.п.)

Основными природными факторами оврагообразования являются гидрометеорологические и геолого-геоморфологические условия: осадки летнего периода и запасы воды в снежном покрове перед снеготаянием, горизонтальная и вертикальная расчлененность территории долинно-балочной сетью, размываемость грунтов, крутизна и форма склонов долин рек, блок, суходолов, как основных очагов образования оврагов.

Овраг отличается от других линейных эрозионных образований – ложбины, рытвины, промоины, балки тремя основными особенностями:

1) характерными размерами;

2) типичной формой поперечного и продольного профиля;

3) динамическим состоянием.

Для оврага характерен продольный профиль, в вершинной части имеющий уклон значительно превосходящий уклон склона, а в нижней – намного меньший, нередко доходящий до нулевых значений. Конусы выноса овражных форм в подавляющем большинстве случаев, если они выходят на пойму реки или в днище балки, представляют собой типичную аккумулятивную форму, поднимающуюся над отметками окружающей поверхности.

Поперечный профиль оврага изменяется как по длине, так и во времени за период развития. При активном росте овраг на всем протяжении имеет обрывистые осыпанные, оползневые склоны, лишенные растительности, уклоны которых значительно превосходят углы естественного откоса. По мере развития оврага, начиная с его устьевой части, склоны выполаживаются и зарастают. Такой процесс наиболее характерен для гумидных зон; в других условиях овраги длительное время сохраняют отвесные оголенные откосы.

Отличительным признаком оврага является его динамическое состояние. Овраг остается оврагом до тех пор, пока он активен или не потерял возможности активизации при изменении антропогенной нагрузки или под влиянием природных факторов. Это отличает овраг от балок. Когда в балке появляется развивающийся эрозионный врез значительной глубины, прорезающий нередко всю площадь ее днища, его называют, в отличии от балочной формы, донным; оврагом, подчеркивая, что именно активное развитие – отличительная особенность овражной эрозионной формы.

Активность развития оврага на разных стадиях является одной из проблем, решение которых связанно с анализом натурных и экспериментальных данных, позволяющих составить алгоритм развития подобной эрозионной формы. Возникновение оврага обычно начинается с образования воронок размыва на крутой части склона, объединяющихся затем в промоину. Она, в свою очередь, продвигаясь привершинным уступом регрессивно вверх, углубляется, очищает тальвег от поступающего со склона и размытого в русле грунтового материала и выносит его на нижние участки склона или непосредственно в долину более крупных звеньев эрозионной сети. Уже в самом начале образования оврага в русле наблюдается каскад уступов, смещающихся вверх по руслу. Развитие оврага осуществляется сопряженной деятельностью регрессивной и трансгрессивной глубинной эрозии с выносом продуктов размыва и слоновых деформаций. В начале развития русло оврага представляет собой чисто эрозионную форму; затем, по мере удлинения, углубления и расширения оврага, в его русле начинается чередование зон эрозии и аккумуляции. В ходе выработки продольного и поперечного профилей аккумулятивные комплексы формируются сначала в приустьевой части оврага, а затем такие же комплексы, но меньших размеров возникают в средней и даже верхней частях продольного профиля. На заключительной стадии развития скорости потока в овраге значительно снижаются, приближаясь к неразмывающим и оказываются недостаточными для перемещения склонового материала.

На основании результатов натурных исследований и лабораторных экспериментов в природном комплексе «склоновой водосбор - овраг» выявлены основные связи, взаимодействие которых составляет сущность оврагоовразовательного процесса. Это связи – внешние, межкомпонентные и внутренние.

Внешние условия оврагообразования включают комплекс природных факторов и степень антропогенного воздействия на ландшафт, а также процессы, сопутствующие оврагообразованию – обрушение и осыпание грунтов на склонах, оползни, карст, суффозия и т.п. Внешние связи устанавливают зависимость между условиями, в которых развиваются овраги, и их количеством, параметрами и активностью роста. Из природных факторов основными являются: во-первых, факторы влияющие на активной, действующей силы (потоков ливневых и талых вод) – это осадки, фильтрационные свойства грунтов, морфометрия водосборного бассейна, т.е. его размеры и конфигурация, глубина базисов эрозии, уклон и форма склонов; во-вторых, - это подверженность почвогрунтов размыву, их противоэрозионные свойства.

Межкомпонентные связи устанавливают соотношение между морфометрическими параметрами оврага в процессе его развития. Природные обследования овражно-балочных систем и отдельных оврагов даже на крупных территориях и в широком диапазоне природных характеристик регионов не дают достаточного материала для анализа взаимосвязей в развитии отдельных параметров оврага. Овраги, цикл развития которых, как правило, превышает вековой период, на момент обследования находятся в фазе развития, обусловленной предшествующими процессами. Циклы наблюдений, насчитывающие 10−15 лет, что считается достаточно продолжительным сроком, обычно приходится на одну из фаз развития, что не позволяет выявить тенденцию роста отдельных параметров экстраполировать закономерности изменения их на перспективу.

Внутрикомпонентные связи описывают внутренние закономерности развития оврага как эрозионной формы. Основной закономерностью, определяющей развитие оврага в целом является наличием восходящей и нисходящей ветвей развития во времени. Восходящая ветвь соответствует положительной обратной связи в период, когда саморазвитие оврага до определенного момента интенсифицирует процесс роста овражной формы. Это – период формирования линейного вреза, когда образуется русло, концентрирующее сток с водосборной площади, в связи с чем повышается скорость и, как следствие, размывающая и транспортирующая способность потока. В начальный период происходит и постепенное увеличение дренируемой линейным врезом водосборной пощади, а, следовательно, увеличиваются расходы поступающей в русло воды. К этому же времени относится постепенное формирование единого русла с меньшей ступенчатостью, а, следовательно, и с постепенно уменьшающейся шероховатостью.

В природных условиях при прорыве бровки склона, особенно в периоды значительных половодий или во время ливней, происходит необыкновенно быстрое развитие рытвины на склоне, когда за один сезон ее длина достигает 100−1500 м. Подобные скорости прироста линейных врезов в длину фиксировались рядом исследователей не только в нашей стране, но и за рубежом. В научной литературе нередко отмечается возможность уничтожения пашни в течение нескольких лет из-за оврагообразования. Случай исключительно быстрого роста линейного взреза в период весеннего половодья был нами зафиксирован на склоновом водосборе р. Тоймс (приток р. Камы у поселка Танайка). Последствиями роста оврага явилось разрушение полотна автодороги с грунтовым покрытием и последующая засыпка вреза грунтом, размытым и перемещенным с огородных участков.

Изменения в тенденциях роста оврага, его замедление по всем параметрам по мере продвижения вершины вверх по склону связанно, прежде всего, с преобразованиями, происходящими на склоновом водосборе вследствие развития самой овражной формы, т.е. овраг в процессе роста видоизменяет породивший его водосбор. По мере развития линейной формы поток из состояния активной, размывающей силы, преобразуется в транспортную артерию со скоростями, близкие к неразмывающим, способную переносить наносы с вышележащего водосборного пространства, не производя при этом размыва днища оврага.

Анализ комплекса внешних, межкомпонентных и внутренних связей, обуславливающих закономерности формирования оврагов, позволил выделить стадии их развития, различающиеся в основном темпом роста. Основным, интегрирующим параметром при этом является объем оврага, изменения которого соответствуют изменениям во времени объема грунта, выносимого потоком за пределы развивающейся эрозионной формы. Большую роль в определении стадии играет определение во времени длины оврага. Вместе с тем, темпы роста оврага неотделимы от его морфометрического облика и во многом обусловлены взаимосвязями параметров оврага в процессе его развития. При этом выделенные стадии развития присущи как современным, в подавляющем большинстве случаев антропогенным оврагам, так и естественным современным эрозионным формам. В развитии оврагов выделяются четыре стадии.

Стадия 1 – овраг зарождается на крутом участке склонового водосбора в виде разрывов дернины, образования воронок размыва, их слияния, образования промоины и постепенной концентрации склонового потока в едином русле. На этой стадии велико воздействие антропогенных факторов, случайной интенсификации или прекращения линейной эрозии. Период от образования воронки размыва до промоины трудно определить временным отрезком. Начало оврагообразовательного процесса четко фиксируется с момента прорыва бровки склона и превращения промоины в линейную форму с типичным для оврага продольным профилем и размерами, не позволяющим ее уничтожить последующей распашкой.

Стадия 2 – наиболее интенсивный рост оврага по всем параметрам вблизи бровки склона, особенно его длинны и глубины. Продольный профиль днища в средней и устьевой частях остается выпуклым, что способствует увеличению скорости, а, соответственно, размывающей и транспортирующей способности и мутности потоков талых и дождевых вод.

Стадия 3 – полностью заканчивается выработка длины оврага; объем к кону стадии вырабатывается на 60−80 %. Вторая и третья стадии характеризуются наиболее интенсивным снижением скоростей линейного и объемного роста, что является следствием уменьшения привершинной площади водосбора по мере регрессивного продвижения оврага вверх по склону. В это же время снижается средний уклон продольного профиля оврага и происходит его выполаживание, превращение из выпуклого в прямой и выпукло-вогнутый.

Эта стадия завершает период наиболее активного роста оврага, соответствующий ≈ 40 % общего времени оврагообразования.

Стадия 4 – соответствует времени постепенного формирования продольного профиля, его трансформации из прямого и выпукло-вогнутого в «выработанный», времени медленного и относительно спокойного развития. На этой стадии характерно чередование как по времени, так и по длине оврага процессов и зон эрозии и аккумуляции. Эрозионный профиль, связанный с интенсивным половодьем или ливнями редкой повторяемости, на долгие годы может стать аккумулятивным.

Эта стадия занимает 60 % общего времени формирования оврага и характеризуется достижением оврагом своих предельных размеров. Если выделение 2 и 3 стадий обусловлено только интенсивностью протекания процесса оврагообразования и характером межкомпонентных связей, то на четверной стадии характерные размеры овражных форм самым тесным образом обусловлены комплексом внешних связей. Природные факторы овражной эрозии выступают аргументами в зависимостях для определения габаритов оврагов на заключительной стадии развития. Именно ими обусловлено различие в предельно возможной заовраженности территорий, разная пораженность оврагами длины склоновых водосборов при близких условиях и времени освоения регионов.

В своей совокупности выделенные стадии оврагообразования характеризуют особенности процесса саморазвития оврага. Изменение процесса во времени, рассматриваемое внутрикомпонентными связями, своеобразно для каждого из параметров овражной формы; оно подготавливается процессом предыдущего развития и обуславливает характер последующих изменений всего комплекса парпметров оврага – его длины, ширины, глубины, площади и объема.