Раздел 4. Гидрохимические процессы в склоновых водотоках

Среди основных особенностей стока химических веществ на склонах можно выделить следующие: 1) по длине склонового водотока химический состав воды трансформируется; 2) минерализация воды по длине водотока в целом увеличивается; 3) изменение содержания веществ по длине склона носит периодический характер; 4) как правило, в водоток с поверхности водосбора поступает вода менее минерализованная в сравнении с водой в водотоке. Минерализация вод, которые поступают из водосбора, изменяется во времени.

Как правило, диапазон изменения содержания веществ в склоновом стоке выше, чем в воде атмосферных осадков (или воде, которая подается на орошение) и выше чем в водной вытяжке из почвы.

Содержание веществ в почве сильнее зависит от длины и уклона склона, чем в склоновом стоке, который определяется большей изменчивостью факторов, влияющих на последний.

Поступление веществ в склоновые воды из почвы во многом определяется составом самой воды, которая поступает на водосбор. Опыты по выщелачиванию веществ из 0-3 см пласта чернозема типичного на легких суглинках и из серой лесной почвы на лессе талой водой с добавлением разных доз удобрений показали, что в некоторых случаях увеличение доз удобрений приводит к уменьшению выхода веществ из почвы. В частности, при обработке почв растворами KCl и (NH₄)₂SO₄ с увеличением концентраций внесенных солей вытеснения фосфора падает. В то время как при обработке почвы растворами NH₄OH содержание фосфора в вытяжке увеличивается. В первом случае вытесняются фосфаты из минеральной части почвы, во втором - из органической. При обработке почвы растворами NH₄OH также повышается, в сравнении с вытяжками на растворах KCl и (NH₄)₂SO₄, выход хлоридов в 1, 2-20 раза, натрия - в 1,8 раза, кальция - в 2 раза, калия в 1, 3-1,7 раза. Выщелачивание аммония с увеличением концентраций удобрений в растворах, в основном, увеличивается. Все это говорит о том, что при моделировании процессов смыва веществ со склонов, а в конечном итоге и расчет устойчивости почв и сооружений к выщелачиванию необходимо учитывать запланированный для данной территории севооборот и соответствующую ему систему удобрений. В результате модель должна иметь значительную гибкость и чувствительность, как относительно естественных процессов, так и согласно степени антропогенного влияния.

Наблюдается зависимость содержания химических элементов в воде склоновых водотоков от гидродинамических характеристик потоков. Направленность и теснота этих взаимосвязей изменяется, как для разных элементов, так и разных динамических характеристик. Так, при дождевании содержание хлоридов имеет прямую зависимость от турбулентного трения и обратную от вязкостного. Содержание веществ в склоновых водотоках определяется характером снеготаяния, агрофоном, глубиной оттаивания почвы и рельефом местности. По длине склона, в основном, увеличивается содержание HCO₃^-, NO₃^-, Mg²⁺, Cl^-, Ca²⁺, pН и сухого остатка. Содержание NH₄⁺ по длине склона, в основном, уменьшается, исключения составляют участки возле лесных полос и гидротехнических сооружений, где их содержание немного увеличивается. Однако, пройдя лесную полосу тенденция к уменьшению содержания аммония сохраняется (рис.5).

адекватность исходным данным: в них относительная ошибка на 6, 5-52 % ниже, абсолютная ошибка на 0- 77% ниже, коэффициент корреляции на 0, 8-66% выше, критерий качества на 3, 8-77% ниже. Изменчивость коэффициента корреляции наименьшая, а относительной ошибки и критерия качества - наибольшая, что говорит о том, что оценка зависимостей только по коэффициенту корреляции нежелательна, она не будет достаточно отображать изменение качества модели. Между абсолютной ошибкой модели и критерием качества существует тесная зависимость, однако они по-разному характеризуют адекватность зависимостей, поэтому желательно использовать оба показателя.

Таблица 1.

Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей, построенных по гидрохимическим показателям (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

Показатели адекватности	рН	НСО3-	Cl-	NO3-	Ca2+	Mg2+	Na+	NH4+	Сухой остаток	P	hmax
Относительная ошибка	36,1	8,64	31,5	6,47	8,26	30,4	16,3	39,7	21,11	41,5	51,95
Абсолютная ошибка	34,6	34,11	18,3	5,05	18,8	10,9	30,6	3,33	0	76,9	-50
Коэффициент корреляции	2,13	1,52	12,6	1,12	0,77	9,24	7,62	2,06	0,81	66,5	26,27
Критерий качества	35	34,15	18,4	5,05	18,7	11,1	30,8	3,8	32,03	76,9	35,12

Таблица 2.

Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей, построенных по гидравлическим характеристикам (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

Показатели адекватности	pН	Сухой остаток	P	hmax
Относительная ошибка	49,37	73,77	47,69	21,34
Абсолютная ошибка	50	66,67	44,27	-50
Коэффициент корреляции	4,63	11,06	5,7	-2,54
Критерий качества	49,53	75,1	44,29	-8,32

Таблица 3.

Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей построенных по показателям содержания веществ в водной вытяжке из почвы (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

При талом стоке максимальная мутность и размыв почвы отмечаются, в основном, при минимальном содержимом растворенных веществ в воде склоновых водотоков, однако, начиная с определенного содержания веществ при увеличении минерализации воды размыв и мутность снова возрастают. Это означает наличие по меньшей мере двух механизмов химического влияния на ложе ручейка воды водотока. При низкой минерализации воды химическое влияние воды на ложе ручейка сказывается, в основном, в виде реакций, связанных с гидролизом. В результате чего, в кристаллической решетке минералов катионы металлов замещаются на ионы водорода. Повышение содержания веществ в воде изменяет ее структуру (обмен между ближайшими молекулами происходит медленнее, чем в чистой воде). На границе распределения вода- порода возникают дополнительные напряжения, которые приводят к разрушению породы, здесь имеет место: гидратация, разогрев и рост кристаллов. В обеих случаях наблюдается ослабление сцепления между почвенными частичками и их расщепление, которое облегчает механическое влияние потока воды на дно ручейка и способствует более интенсивному смыву частичек. Г. Лидер (1986) также, указывает на наличие нескольких механизмов влияния воды при выветривании горных пород. Второй механизм влияния наиболее характерен для стока при орошении, так как минерализация воды в этом случае выше.

Результаты исследований позволяют сделать следующий вывод: эрозия почв является не только механическим процессом разрушения почв, но также и химическим процессом разъедания почвы водой. Причем, для приводораздельных элементов рельефа химическая составляющая может быть более значимой чем механическая, что должно быть учтено при проектировании сооружений на склонах с целью повышения, как устойчивости почв, так и сооружений.

При ливневом стоке, как и при стоке, формирующемся при снеготаянии и орошении, размыв почвы во многом определяется содержанием веществ в воде водотока. По длине склона состав воды претерпевает изменения, которые способствуют изменению способности водотока к размыву. Состав атмосферных осадков в большей степени влияет на состав воды в склоновом водотоке, чем состав почвенного покрова.

Как при орошении дождеванием, так и при орошении напуском состав воды в водотоке существенным образом влияет на размыв, влияние же состава оросительной воды и водной вытяжки из почвы выражен слабее. Несмотря на высокую взаимозависимость содержания элементов в воде водотока, модели, которые включают дополнительно гидродинамические характеристики показывают большую адекватность исходным данным. Получены некоторые критические дозы содержания веществ в воде склоновых водотоков, которые формируются при орошении. Причем, критические границы содержания веществ для стока при дождевании и при орошении напуском практически совпадают. Например, содержание нитратов в воде водотоков обеих видов стока было практически одинаковым, максимальный размыв при дождевании отмечается в диапазоне содержания NO₃- 19, 98-41,9 мг/дм³, а при орошении напуском - при 31, 56-34,24 мг/дм³. Содержание сульфатов в воде водотоков, формирующихся при орошении напуском достигало 355 мг/дм³ и с увеличением содержания SO₄^2- размыв здесь увеличивался, при дождевании же содержание сульфатов достигало 561,6 мг/дм³ и максимальный размыв наблюдался при 525,6 мг/дм³, до этого значения максимальный размыв также увеличивается, а потом уменьшается. Интересно, что в работе (Б.Л.Рейзин и др., 1976) при исследовании коррозии металлов при интенсивном перемешивании показано, что в интервале содержания SO₄^2- 50- 500 мг/дм³ количество продуктов коррозии возрастает, дальнейшее увеличение концентрации SO₄^2- приводит к незначительному увеличению продуктов коррозии.

Стойкость естественно-антропогенных систем на склонах во многом определяется корректным расположением ее элементов, которые не активизирует отрицательные естественные процессы, в том числе сток и смыв почвы. С этой точки зрения вопрос изучения процессов стока и смыва со склонов необходимо рассматривать с позиций возможности прогнозирования эрозионно-опасных ситуаций на склоне, т.е. определения мест возможного максимального влияния на почву и грунт и величины этого влияния, а не ограничиваться учетом смыва и стока только со всего водосбора. Этот вопрос в разных интерпретациях занимает ученых уже давно (А.Н.Бефани, 1949, 1986 и др., А.А.Светличный, 1991, Г.И.Швебс, А.А.Светличный, 2001, В.В.Белов , 1980).

На примере анализа размоин выявленная неоднотипность распределения глубин размыва по длине склона как следствие неоднородности динамики потоков на разных отрезках склона. Исследование вопросов агрессивности водных растворов позволили предположить необходимость учета характеристик химического состава водотоков при прогнозировании величин размыва склонов (в частности рН, Cl^-, SO₄^2-, CO₃^2-, сухой остаток).

В результате анализа, как литературных источников, так и натурных данных, пришли к заключению, что образование выбоин (микропорогов) в руслах водотоков в разных случаях может происходить по-разному, т.е. необходима классификация механизмов их образования. В основе такой классификации должны быть следующие пункты: 1) изменение транспортирующей способности потока; 2) многоструйность потока (при пересечении струй, отраженных от стенок русла, образовывается ''бурун''), при талом стоке течение в ручейках в 50% случаев наблюдается одной струей, при ливневом стоке этот процент в 2 и более раз ниже; 3) изменение минерализации воды по пути прохождения водотока, его разрушительное действие преобладает на уплотненных поверхностях, где механическое влияние ограничено; 4) неравномерное поступление больших объемов воды в ручейковую сеть, что создает волновое перемещение с обрушенным фронтом. В основном, наблюдается при ливнях значительной интенсивности и при выпадении дождей в период снеготаяния.

В чистом виде каждый из перечисленных механизмов не оказывается. В каждом конкретном случае один из них доминирует, но всегда сопровождается другими вариантами, так как одни из них взаимно обуславливают существование других, но в разных условиях часть из них может не достигать своего ''апогея'' разрушительной силы. Однако во всех случаях результатом проявления действия вышеперечисленных факторов есть периодичность в эродованности склонов.

Процесс размыва склона можно разбить на несколько этапов (рис.6), некоторые из которых при недостаточной длине склона или расходах поступающей воды, характера агрофона и др. могут не достигаться (особенно в системе противоэрозионных сооружений), что подтверждается натурными наблюдениями за характером изменения глубины водороин по длине склона. На скачкообразные изменения процесса стокообразования указывалось еще в 1949 г. в роботах А.Н.Бефани (1949) и др. В предлагаемой работе проводится дифференциация склона на участки согласно характеру эродированности поверхности. Расстояние от водораздела, пройдя которое, поток приобрел способность размывать почву, назовем длиной концентрации стока (Lv). На этом участке размывов не наблюдается. Пройдя расстояние Lv, поток начинает интенсивно образовывать размоину. Процесс здесь выглядит сложнее, чем просто механическое увеличение скорости потока, который стекает под действием сил веса, особенно при талом стоке. Вода, которая образовывается от таяния снега, фильтруется в оттаявшей толще и частично стекает по поверхности. В том месте, где наблюдается концентрация сил потока, которые размывают и растворяют, образуется размыв.

L

Lv Lo Lот Lкр Lот Lкр

Расстояние, пройдя которое, поток достиг своего насыщения, назовем Lo - начальной длиной размыва. На этом расстоянии глубина размыва нарастает по мере продвижения вниз по склону. Достигши первого насыщения (глубина здесь достигла своего максимума), наступает период осаждения наносов (расстояние Lот - длина осаждения наносов), его длина должна зависеть, прежде всего, от насыщенности потока мелкими фракциями и коллоидами, так как последнее влияет на пульсационный режим потока. Здесь сказывается влияние особенностей почвы на эродирование поверхности. Глубина же предельного размыва в каждом периоде должна зависеть главным образом от мощности потока, его структуры и химического состава воды.

Поскольку предельный размыв наступает лавинообразно, можно предположить, что величина глубины размыва по длине склона должна меняться с периодичностью, подобной периодичности положительной ветви ctg , т.е. глубина размыва в і - ой точке есть функция:

h_i = ctgf(Lv,Lo,L_i) + πk , k=0,1,2… (1)

где Lі - длина отрезка в і -и точке считая от начала участка стабилизации размыва , т.е. от Lo, это общая длина от водораздела за исключением (Lv+Lo).

В свою очередь :

Lv = f(Iск,i_oc,Q, агрофон) (2)

где Іск - уклон склона , іoc - интенсивность осадков , Q - расход воды.

Lo = f(Lі, Іcк, N, d, свойства почв, агрофон) (3)

где N - мощность потока, d - диаметр почвенных агрегатов.

Lот = f(d_ср, Q, d_min, Icк ), (4)

где d_mіn, d_ср - минимальный и средний диаметр взвешенных частиц.

На рис.6 Lві - длина при которой мутность Р равняется транспортирующей способности, с этой длины начинается отложение наносов, здесь hі = hmaxі (hmaxі - максимум глубины потока по длине склона), Lні - длина, при которой Р перешла нижнюю границу мутности при данной энергетической способности и здесь она ниже транспортирующей способности. При Lві : Р = Рт, Р - мутность воды; Рт - транспортирующая способность потока.

В пределах от Lві до Lні : Р < Рт, причем Р в диапазоне Lот = Lві < Lі < Lні уменьшается, т.е. наносы выпадают из потока.

В диапазоне от Lні до Lв(и+1) наблюдается резкий скачек, поток здесь набирает необходимое количество наносов (∆Р), т.е. здесь Р+∆Р=Рт. Размеры отрезка Lкр находятся в пределах 0, 05-0,2м, а длина Lот - в пределах 2- 3 м при общем уклоне склона 37 ‰ и длине Lo= 7м.

Lкр = f(Q, N, Co, Eh, pН, t, …) (5)

где Lкр - место катастрофического размыва почвы, должно определяться как энергетическим состоянием потока, так и временем протекания химических реакций, Со - сухой остаток в воде водотока, Eh - окислительно-восстановительный потенциал, рН - кислотность воды, t - температура воды.

Конечно, модель размыва склона, представленная на рис.6 идеализированная. В природе строгой периодичности не наблюдается, амплитуда и частота размывов по длине склона изменяются.

Сравнение моделей от стока разного происхождения показывает, что наибольшую роль в деформациях русла играет химическая составляющая при орошении напуском, потом идет орошение дождевальной установкой "Волжанка", ливни и талый сток. Однако, сказать однозначно, что такая последовательность закономерна нельзя, поскольку длины исследуемых участков во всех случаях разные, а дифференциация факторов, которые влияют, при талом стоке по длине показала, что в верхней части склона химическая составляющая более значима.

Анализ материалов натурных исследований разрешает уточнить некоторые положения выдвинутой раньше и приведенной выше теории. Поскольку натурные эксперименты связаны с множеством сложностей, расположить створ наблюдений строго в месте перехода от одной зоны в другую не всегда возможно. На данный момент мы можем констатировать, что в зоне Lo (начальная длина размыва) на величину максимальной глубины воды в водотоке, в основном, влияют химический состав воды, динамика потока, влажность почвы. В зоне Lот (длина осаждения наносов) на формирование максимальной глубины воды прежде всего влияет динамика потоков, потом идет химический состав воды и гранулометрический состав почвы. Температура воды в любом случае влияет на процесс размыва.

Для зоны критического размыва (Lкр) мы пока что можем констатировать значительное изменение мутности воды, падение рН, увеличение содержания гидрокарбонатов, хлора и суммарного содержания солей в воде водотока, уменьшение содержания сульфатов, кальция и магния ( на расстоянии в 1 м от створа на уступе и на выходе из водоворота, высота уступа 40 см).

Критические величины содержания веществ в склоновых водотоках разного происхождения представлены в табл. 4-5. Количественный состав растворенных веществ в водотоках разный, поэтому критические величины содержания веществ также отличаются для стока разного происхождения в силу наличия нескольких механизмов химического влияния воды

Таблица 4.

Критические величины содержания веществ в воде склоновых водотоков, формирующиеся при ливнях и снеготаянии (max -при максимальном содержимом веществ; mіn- при минимальном, max=...и mіn=...- соответственно максимальное или минимальное влияние при указанном содержании веществ)