ИНТЕНСИВНОСТЬ ЭРОЗИОННО-АККУМУЛЯТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРЕДЕЛАХ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

В настоящее время, широкое распространение получила проблема сохранения объектов культурного наследия [1, с. 163].

По данным Федеральной службы государственной статистики (Росстата) на конец 2022г., в Едином государственном реестре объектов культурного наследия России числится 169 121 памятников, из которых 81 230 объектов федерального значения (в том числе 61 342 объект археологического наследия). В неудовлетворительном состоянии находятся 29 621 или 38% объектов федерального значения, около 6 тысяч в аварийном состоянии и 1 129 объектов вовсе разрушены [2].

Перед научным сообществом стоит задача выявления объектов археологии и оценки их текущего состояния. Поскольку большое количество памятников располагается в пределах земель сельскохозяйственного назначения, их территории зачастую подвержены распашке и выпасу скота, что приводит к деградации различных частей таких объектов под действием процессов природно-антропогенной эрозии и аккумуляции смытого материала. При этом необходимо отметить как процесс эрозии, так и процесс аккумуляции разрушает городище, делая различные его части менее выраженными в рельефе [3, с. 74].

Процессом эрозии почв называют смыв почвы поверхностным склоновым стоком воды при выпадении дождей и весеннем снеготаянии. Среднегодовая количественная оценка интенсивности эрозии и аккумуляции является показателем для определения скорости деградации почв на территории исследования.

Поэтому целью данной работы является оценка скорости деградации городищ с использованием методов моделирования эрозионных и аккумуляционных процессов.

Методами исследования являются: дистанционное зондирование Земли, геоинформационные методы анализа данных, методика оценки эрозионно-аккумулятивных процессов почвенного покрова (методика WаTEM/SEDEM).

Объекты и методы

Объектами исследования являются средневековые городища Волжской Булгарии, в настоящее время расположенные на территории Тетюшского района республики Татарстан (Рис. 1): Богдашкинское, Зеленовское и Хулашское городища.

Общая площадь городища - 58 га.

Рисунок 1. Размещение исследуемых городищ на территории Тетюшского района Республики Татарстан (1 - административные границы муниципальных образований; 2 - административные границы городищ; 3 - населённые пункты численностью 10 000 – 100 000 человек; 4 - реки; 5 - Куйбышевское водохранилище.)

В работе использовалась модель WаTEM/SEDEM, основанная на модели RUSLE. Эта модель широко используется различными исследователями во всем мире и подробно описана ее разработчиками [4]. Так, например, она была использована в пределах небольших водосборов юга России [5, с. 56], площадь которых сопоставима с площадью исследуемых городищ.

В модели рассчитывается среднегодовая эрозия почвы в ячейках растра с использованием модели RUSLE по формуле 1:

                                             (1),

где E - среднегодовая эрозия почвы (т/га в год); R (МДж мм м ^-2 час ^-1 год ^-1) - годовой эрозионный потенциал дождевых осадков (ЭПО); К (кг час МДж ^-1 мм^-1) - смываемость (эродируемость) почвы; LS – эрозионный потенциал рельефа; C – почвозащитный коэффициент растительности.

Аккумуляция оценивается на основе сравнения транспортной способности наносов в каждой конкретной ячейке к массе эродированного материала, поступающего со склонов выше, а также эродированного материала в данной ячейке по формуле 2:

                              (2),

где TC - транспортная емкость (кг м^-2 год^-1); ktc - коэффициент транспортной емкости; S_IR – фактор угла наклона.

Исходными данными для работы послужили растры с размером ячеек 0,5 х 0,5 метров полученные в ходе съемки с БПЛА DJI Fantom 4:

1. Цифровые модели рельефа территорий городищ;
2. Карты функционального зонирования территории памятников археологии (карты типов землепользования).

Кроме этого для расчетов были использованы:

1. Карта смываемости почв на территорию Республики Татарстан (K-фактор);
2. Карта фактора растительности (C-фактор), подготовленная на территорию Республики Татарстан;
3. Карта R-фактора (карта годового эрозионного потенциала дождевых осадков на территорию Республики Татарстан).

Для представления всех пространственных моделей была использована универсальная поперечная проекция Меркатора зона 39 северной широты.

Подготовка рельефа производилась в программе Surfer и включала в себя очищение от артефактов, связанных с растительным покровом. Для этого узлы регулярной сетки, соответствующие кронам деревьев, удалялись из исходной ЦМР, а получившиеся пропуски в данных были восстановлены пространственной интерполяцией методом обратно-взвешенных расстояний.

Методика подготовки модели землепользования включала в себя процесс растеризации функциональных зон и перекодировку значений ячеек растра для последующей загрузки его в программу WаTEM/SEDEM. Результатом методики стал растр, на котором изображено 5 типов использования территории:

- пашня;

- луга;

- леса;

- водоемы;

- антропогенные объекты.

Для всей Европейской территории России была получена современная модель коэффициента агрикультурной растительности, которая была использована в работе.

Годовой эрозионный потенциал дождевых осадков определялся с использованием уравнения (формула 3):

                                                    (3),

где R - коэффициент эрозионной активности осадков (т м мм га ^-1 мин ^-1 год ^-1); P – среднегодовая сумма суточной нормы осадков более 10 мм в теплое время года (теплым сезоном считается время, в течение которого среднесуточная температура выше 0 °С).

Растровые карты эродируемости почв (К-фактор) были созданы по данным карты типов почв Республики Татарстан масштаба 1:200 000 и описаниям свойств типов почв, существующих в литературе. Вычисление смываемости производится по формуле 4:

                                 (4),

где К - коэффициент эродируемости почвы (т га мин/((т*м) га мм); d - содержание фракции частиц размером 0,1–0,001 мм, %; e - содержание фракции частиц менее 0,001 мм в размере, %, a - органическое вещество, %, b - классы структуры, c – классы проницаемости.

В результате проделанной работы в программе WаTEM/SEDEM были получены карты интенсивности эрозии и аккумуляции (netto erosion map), в т/га в год.

Далее в QGIS с помощью функции «Зональная статистика» рассчитывались средние значения аккумулятивных и эрозионных процессов и выполнялся пространственный анализ интенсивности их протекания в пределах различных типов землепользования и в разных частях городища, а также был дан прогноз исчезновения всего городища и его частей.

Результаты и их обсуждение

Богдашкинское городище

По результатам анализа Богдашкинского городища выявлено, что среднегодовая мобилизация почвы составляет 266 тонн почвы, из них 230 тонн переоткладывается в пределах городища, 36 тонн выносится за его пределы, из которых 32 тонны стекает во временный водоток, расположенный в южной части городища.

Если говорить о скорости протекания эрозионно-аккумулятивных процессов, то территория памятника характеризуется преобладанием эрозии. Причем более подвержена этому процессу цитадель (средняя интенсивность 2,65 т/га в год) по сравнению с посадом (0,25 т/га в год).

Карта эрозионно-аккумулятивного баланса почвы Богдашкинского городища представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Карта эрозионно-аккумулятивного баланса почвы Богдашкинского городища, т/га в год

Учитывая среднюю высоту валов Богдашкинского городища в 0,7 м и среднюю глубину рвов в 0,8 м можно спрогнозировать исчезновение оборонительных сооружений памятника.

Если оценивать чисто эрозионные процессы, то можно сказать, что: со рвов смывается 89,18 т/га в год, что соответствует 6,61 мм почвы в год, с валов 84,33 т/га в год. На цитадели наблюдаются более высокие темпы эрозии – 5,79 т/га в год (0,43 мм) против 4,21 т/га в год (0,31 мм) на посаде. Можно сделать вывод, что валы исчезнут через 108 лет.

Хулашское городище

Площадка Хулашского городища представлена двумя видами сельскохозяйственных угодий: сенокос в южной части и пашня в северной части памятника. Площадь городища 11,3 га. Оборонительные сооружения составляют 1,1 га, из которых 0,2 га занято валами, 0,9 га – рвами.

На Хулашском городище в процессе эрозии и аккумуляции в среднем в год мобилизуется 56 тонн почвы. Из них 42 тонны в результате выпадения осадков переоткладывается на территории самого памятника, а 13 тонн выносится за ее пределы. Карта эрозионно-аккумулятивного баланса почвы Хулашского городища представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Карта эрозионно-аккумулятивного баланса почвы Хулашского городища, т/га в год

Процессы аккумуляции вносят значительный вклад в общую статистику эрозионно-аккумулятивного баланса почвы, поскольку несмотря на малую их пространственную локализацию, интенсивность данных процессов довольно велика.

Поскольку площадка городища имеет уклон к югу, основная масса почвы в результате смыва с валов под действием осадков аккумулируется в близлежащих понижениях. Аккумулятивные процессы в пределах оборонительных сооружений также легко объяснимы: смытая с валов почва накапливается во рвах, а также у подножий валов. Таковы, например, участки аккумуляции во рвах в южной части городища и у подножий валов в северо-западной части.

Средняя высота валов Хулашского городища 1 м, средняя глубина рвов – 1,5 м. По результатам данного анализа можно дать предварительный прогноз: небольшая часть участков рвов заполнится через 734 года, валы исчезнут через 711 лет.

Если оценивать величины чистой эрозии, то рвы эродируют в два раза быстрее валов: 51,15 т/га в год (3,79 мм в год) почвы смывается со рвов против 21,3 т/га почвы в год (1,58 мм в год) с валов. Перевод мм в год во временную шкалу показал, что валы исчезнут через 662 года. Площадка самого городища будет размываться со скоростью 8,22 т/га в год (0,36 мм в год).

Зеленовское городище

Если на территории Богдашкинского и Хулашского городищ ведется распашка, что провоцирует эрозионные процессы, то территория Зеленовского городища представляет собой сенокосно-пастбищное угодье, где эрозия происходит не так активно. Площадь городища 4,9 га. Оборонительные сооружения составляют 1,4 га: валами занято 1,2 га, рвами – 0,2 га [6].

Всего на территории Зеленовского городища средняя годовая мобилизация почвы составляет 20 тонн почвы, 14 тонн из них передокладывается в пределах городища, 6 тонн выносится за его пределы. Площадь, где происходит аккумуляция, составляет 0,26 % (0,01 га), площадь, где преобладает эрозия – 99,74% (4,88 га). Карта эрозионно-аккумулятивного баланса почвы Зеленовского городища представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Карта эрозионно-аккумулятивного баланса почвы Зеленовского городища, т/га в год

Аккумуляция материала происходит в больших количествах в локальных участках рвов, а также по окружности городища у границ валов. Наибольшая аккумуляция наблюдается в южной части городища. В северной, северо-западной и восточной частях рвов участки эрозии чередуются с участками аккумуляции. В западной части городища по дну рва отмечаются интенсивные участки эрозии.

Также стоит отметить, что в южной части недалеко от городища протекает река Любимовка, которая в результате подъема уровня воды во время половодий размывает территорию городища. На карте отчетливо видна образованная вследствие этого процесса промоина, характеризующаяся протеканием интенсивных эрозионных процессов.

Если характеризовать эрозионно-аккумулятивные процессы в целом, то площадка городища эродирует со скоростью 1,27 т/га в год, с валов смывается 17,01 т/га в год (что соответствует 1,26 мм в год), а в отдельных участках рвов происходит аккумуляция: накапливается 33,74 т/га почвы в год (2,5 мм в год).

Средняя высота валов Зеленовского городища 1,8 м, средняя глубина рвов 1,9 м. По предварительным данным валы исчезнут через 1468 лет, а небольшие участки рвов, где материал накапливается, заполнятся через 761 год.

Выводы:

Из проведенного анализа можно сделать вывод, что при сохранении текущего режима использовании территории исчезновению подвергнутся валы, рвы же подвергаются разнонаправленным процессам, т.е. городища по-прежнему будут читаться в рельефе, но только за счет рвов поскольку во рвах могут развиваться овражные процессы. Однако исчезновение валов также можно считать угрозой разрушения памятников, поэтому если расположить сроки деградации валов на временной шкале по убыванию, возможно ранжировать городища по степени опасности действующих на них природно-антропогенных процессов. Хулашское городище характеризуется – средними сроками исчезновения валов (662 года), Богдашкинское – высокими темпами (108 лет). Зеленовское городище наименее подвержено процессам почвенной эрозии.

Ранее состояние городища, почти полностью разрушенного распашкой, оценивалось не как критическое, а как среднее. По результатам же ныне проведенного исследования именно состояние Богдашкинского городища вызывает особые опасения.

Список литературы:

1. Кожевникова М.В., Селивановская С.Ю. Мониторинг, прогноз состояния окружающей среды и технологии природопользования //Сборник научно-исследовательских работ студентов Института экологии и природопользования Казанского (Приволжского) федерального университета. Выпуск 2 Казань: Изд-во АР РТ, 2018.
2. Главная // Новости / Миссия неоценима - Как регионы охраняют федеральные памятники архитектуры (новость от 08.07.2019) [Электронный ресурс] URL: https://www.kommersant.ru/doc/4003544 (дата обращения: 22.03.2021).
3. Михальченко А.П. Кадастровый учёт как способ сохранения объектов археологического наследия в Приморье // Россия и АТР. Владивосток: Изд-во ФГБУН ИИАЭ ДВО РАН, 2018. № 4 (102).
4. Notebaert B., Vaes B., Verstraeten G., Govers G. WaTEM / SEDEM version 2006 Manual, 2006.
5. Голосов В.Н., Жидкин А.П., Петелько А.И. и др. Полевая верификация эрозионных моделей на основе исследований малого водосбора в бассейне р. Воробжи (Курская область) // Почвоведение. - 2022. - № 10. - С. 1321-1338. - DOI: 10.31857/S0032180X22100045. - EDN DQPTGW.
6. Gainullin I., Usmanov B., Gafurov A. Study of fluvial processes impact on archaeological sites of the Volga Bulgaria period using remote sensing data//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. - 2020. - Vol.11524. - Art. № 1152409, 11 pp. DOI: 10.1117/12.2571015
7. Kirill Maltsev, Oleg Yermolaev, Assessment of soil loss by water erosion in smallriver basins in Russia, CATENA, Volume 195, 2020, 104726, ISSN 0341-8162.
8. Усманов Б.М., Гайнуллин И.И., Гафуров А.М., Иванов М.А., Хомяков П.В., Губайдуллин А.М., Ермолаев О.П., Абдуллин Х.М., Саламатина Н.С., Касимов А.В. Страна городов: комплексные исследования городищ Волжской Булгарии // Региональные геосистемы. - 2021. - Т. 45. - № 4.