КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ЭРОЗИОННО-АККУМУЛЯЦИОННОГО БАЛАНСА НА ВОДОСБОРЕ РЕКИ

MAPPING THE EROSION-ACCUMULATION BUDGET IN THE RIVER WATERSHED

Elena Barmina

student, Kazan (Volga Region) Federal University,

Russia, Kazan

Kirill Maltsev

scientific supervisor, candidate of Geographical Sciences, associate professor, Kazan (Volga Region) Federal University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Эрозионно-аккумулятивный процесс - один из ведущих рельефообразующих процессов и при этом один из основных процессов приводящих к деградации почв в пределах Европейской территории России (ЕТР). В исследовании была выполнена оценка среднемноголетнего эрозионно-аккумулятивного баланса на водосборе реки Малый Черемшан за два временных интервала (1985-1990 и 2015-2020) с использованием модели WATEM/SEDEM. На основе данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) была оценена динамика землепользования. Данные моделирования были сопоставлены с динамикой стока взвешенных наносов на гидрографическом посту, а также с данными о динамики интенсивности выпадения осадков. В результате проведенных исследований было установлено, что произошло существенное сокращение площади пашни. Площадь пашен сократилась примерно на 20.78% (171.3644 км2). Модельный Ммодуль стока взвешенных наносов за период с 1985 по 1990 года сократился с 66.59 т/км² в год до 32.14 т/км2 в год за период 2015 – 2020 годы. Полученные модельные величины стока взвешенных наносов подтверждаются данными мониторинговых наблюдений р. М. Черемшан – Чулпаново за период 1985-1990 годы.

ABSTRACT

The erosion-accumulation process is one of the leading relief-forming processes and, at the same time, one of the main processes leading to soil degradation within the European territory of Russia (ER). The study assessed the average long-term erosion-accumulation balance in the Maly Cheremshan River catchment area for two time intervals (1985-1990 and 2015-2020) using the WATEM/SEDEM model. Based on remote sensing data (ERS), land use dynamics were assessed. The modeling data were compared with the dynamics of suspended sediment runoff at the hydrographic station, as well as with data on the dynamics of precipitation intensity. As a result of the research, it was found that there was a significant reduction in the area of arable land. The area of arable land decreased by approximately 20.78% (171.3644 km2). The model Mmodulus of suspended sediment runoff for the period from 1985 to 1990 decreased from 66.59 t/km2 per year to 32.14 t/km2 per year for the period 2015–2020. The obtained model values of suspended sediment runoff are confirmed by data from monitoring observations of the river. M. Cheremshan - Chulpanovo for the period 1985-1990.

Ключевые слова: эрозия, аккумуляция, землепользование, сток взвешенных наносов, водосбор, интенсивность осадков, смываемость почв, рельеф.

Keywords: erosion, accumulation, land use, suspended sediment runoff, watershed, precipitation intensity, soil washability, relief.

ВВЕДЕНИЕ

Эрозионный процесс одни из основных приводящих к деградации почвенного покрова в пределах гумидных равнин в целом и в пределах ЕТР в частности. В настоящее время оценка бассейновой эрозии в пределах ЕТР была выполнена не один раз, как в рамках общеевропейских исследований, так и в рамках отечественных исследований. Здесь необходимо отметить такие исследования как: GloSEM 1.3 [1, с. 1]; «Water erosion in Europe» [3, с. 380]; Global Soil Erosion [4, c. 2]; «Soil erosion by water» [5, с. 438]; работы сотрудников Московского Государственного Университета им. Ломоносова [11, с. 1390], Казанского Федерального Университета [6, с. 2; 10, с. 1502].

Во всех этих выше изложенных работах была выполнена оценка потенциальных потерь почвы (эрозии) от выпадения атмосферных осадков с использованием модели RUSLE. В некоторых из них дается прогноз изменения в пределах определенного временного промежутка. Пространственная детальность данных исследований составляет 100-250 м. Кроме этого в данных исследованиях не учтен тот факт, что часть смытой почвы аккумулируется на пахотных склонах.

В настоящее время есть методики, позволяющие оценить потери почв не только с учетом процесса эрозии, но и с учетом неразрывно с ним связанного процесса аккумуляции. Одной из этих моделей является модель WATEM\SEDEM [14, с. 4]. Преимуществом модели также является тот факт, что она позволяет оценить сток смытого вещества в постоянные водотоки, что дает возможность верификации полученных результатов с данными мониторинговых наблюдений.

Кроме этого необходимо отметить, что интенсивность протекания эрозионно-аккумулятивных процессов зависит от нескольких природно-антропогенных факторов: эрозионного потенциала рельефа, смываемости почв, интенсивности выпадения осадков, землепользования и агрикультурного коэффициента растительного покрова, проводимых противоэрозионных мероприятий. Фактор землепользования, коэффициент агрикультурной растительности, фактор интенсивности выпадения осадков – наиболее динамичные факторы.

За последние 30-40 лет произошли значительные изменения данных динамичных факторов эрозионно-аккумулятивных процессов [10, с. 1511].

Поэтому целью данной работы является оценить динамику смыва почв от комплекса эрозионных и аккумуляционных процессов за два периода времени (1985-1990 и 2015-2020) с использованием модели WaTEM/SEDEM.

ТЕРРИТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводится на территории водосбора реки Малый Черемшан (рис. 1). Этот водосбор был выбран, поскольку в его замыкающей части есть гидрографический пост, на котором ведутся длительные наблюдения за стоком взвешенных наносов и стоком воды, позволяющие проверить величину рассчитанного значения стока взвешенных наносов в гидрографическую сеть региона исследования и дать количественную оценку погрешности всего эрозионно-аккумулятивного баланса.

Рисунок 1. Исследуемая территория

(1 – граница исследуемого водосбора, 2 – границы муниципальных районов РТ, 3 – населенные пункты, 4 – реки, 5 – водные объекты, 6 – границы водных объектов)

Территория Татарстана представляет собой возвышенную ступенчатую равнину, расчлененную густой сетью речных долин.

В почвенном покрове исследуемого участка преобладают почвы: выщелоченные и оподзоленные черноземы, аллювиальные дерновые и светло-серые лесные почвы.

Водосбор расположен в лесостепной зоне, характеризуется высоким процентом распаханности территории (52,25%).

Среднее значение суммы осадков >10 мм равно 145.82 мм в сутки, а в период с 1990 по 2020 год среднее значение равно 143.21 мм в сутки. Количество интенсивных осадков сократилось.

МЕТОДИКА И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Для анализа была выбрана модель WATEM/ SEDEM. Во-первых, она оценивает не только эрозию, но и аккумуляцию. Во-вторых, она позволяет давать среднегодовую оценку. В-третьих, у этой модели есть программное обеспечение.

Модель в своей эрозионной части основывается на уравнении RUSLE:

1. Среднегодовая эрозия почвы E [т /га в год] прогнозируется с помощью модифицированной версии универсального уравнения потери почв (уравнение 1):

где E - среднегодовая потеря почвы (т/га в год), R – эрозионный потенциал дождевых осадков максимальной 30-минутной интенсивности (Мдж*мм/га*час), K - эродируемость почвы (т*га*час/ МДж*га*мм), L – фактор длины склона (безразмерный), S – фактор уклона (безразмерный), C – почвозащитный коэффициент агрикультурной растительности (безразмерный), P – практические мероприятия по борьбе с эрозией (безразмерный).

2. Транспортирующая емкость - это величина наносов, которую та или иная территория способна транспортировать через себя в ОТЕ, расположенную ниже по склону.

Среднегодовая транспортирующая ёмкость:

где Tс –транспортирующая способность потока (т/га в год); Ktc - коэффициент транспортной способности; Sg - местный уклон (метр на метр); R, K и LS - факторы из уравнения 1 RUSLE.

Для определения чистого количества осажденного материала в каждой ячейке используется подход баланса массы: наносы, которые транспортируются в ячейку из соседних ячеек, расположенных выше, добавляются к наносам, которые образуются внутри ячейки в результате эрозии, затем это количество полностью экспортируется в ячейки вниз по склону, если оно меньше, чем пропускная способность потока, или остается в ячейке, если оно больше, чем пропускная способность потока.

Как видно из выше приведенного описания для оценки эрозионно-аккумуляционного баланса на водосборе реки необходимы пространственные модели: модель рельефа, модель землепользования, карта хозяйственно-агрономического фактора, карта эродируемости, карта смываемости почвы.

Модель рельефа (рис. 2) была подготовлена на основе свободно распространяемых данных – модели SRTM C-SIR с разрешением 1 угловая секунда или около 30 метров.

Рисунок 2. Полученная цифровая модель рельефа для ввода в поле «DEM-map» (1 – граница исследуемого водосбора, 2 – населенные пункты)

Для периода с 1985 по 1990 год была использована пространственная модель земного покрова, на основе данных Landsat 5 TM (рис. 3). Были использованы безоблачные многосезонные снимки для бесснежного периода. Использование изображений с более ранних спутников (Landsat 4 MSS) нецелесообразно из-за их более низкого качества и пространственного разрешения.

Рисунок 3. Полученная карта земного покрова для ввода в поле «Parcel Map» (1985-1990 годы)

(1 – реки, 2 – территория вне области исследования, 3 – леса, 4 – луга, 5 – водные объекты, 6 – пашни, 7 – антропогенные объекты)

Для подготовки данных о землепользовании современного периода мы данные модели ESA WorldCover предоставленные в общем доступе (рис.4). Это более детальная готовая модель земного покрова, в отличие от Landsat 5 [15].

Рисунок 4. Полученная карта земного покрова для ввода в поле «Parcel Map» (2015-2020 годы)

(1 – реки, 2 – территория вне области исследования, 3 – леса, 4 – луга, 5 – водные объекты, 6 – пашни, 7 – антропогенные объекты)

Значения смываемости почв (К-фактора) по всей территории Республики Татарстан были получены по данным из Единого государственного реестра почвенных ресурсов России в соответствии с Уникальным идентификатор почвы по ПК РФ 1988 [18] и почвенной карты В.М. Фридланда [17] в масштабе 1:2500000 (рис. 5).

Рисунок 5. Карта эродируемости почвы (1 – граница водосбора, 2 – реки)

Смываемость в пределах нашего водосбора колеблется от 21,49 до 42,67 т*га*час/МДж*га*мм.

В силу отсутствия необходимых данных значение C-фактора для посевных площадей (cropland) было использовано в соответствии с ландшафтной зоной [11, с. 1395].

Учитывая то, что исследуемая территория попадает в лесостепную зону, было выбрано среднее значение, равное 0.37.

R-фактор – это эрозионная интенсивность дождевых осадков в соответствии с моделью RUSLE (МДж*мм/м²*ч). Он представляет долгосрочное значение эрозионного потенциала дождевых осадков на ежегодной основе. Расчет R-фактор был проведен на основе данных ежедневных наблюдений на метеостанции за соответствующие временные интервалы. Данные загружены с официального сайта ФГБУ «ВНИГМИ-МЦД» [20].

Ближайшая метеостанция к исследуемому водосбору – 28704 Чулпаново.

Для вычисления ЭПО на каждом метеопосте была использована зависимость [20, с. 20]:

где Р – среднемноголетняя сумма слоя суточных осадков более 10 мм в теплое время года.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Анализируя таблицу 2, заметим, что произошло существенное сокращение площади пашни. Площадь пашен сократилась примерно на 20.78% (171.3644 км²). Согласно исследованиям М.А. Иванова [12, с. 163], сокращение площадей пахотных угодий связано с их забрасыванием и дальнейшим зарастанием (этим обусловлено увеличение площадей лесов и естественных сенокосно-пастбищных угодий). Сокращение площади пахотных угодий повлекло за собой увеличение площади лесов и лугов. Площадь лесов увеличилась примерно на 16.46% (41.4963 км²), а площадь лугов увеличилась примерно на 137.16% (172.25 км²).

Таблица 2

Площади типов земного покрова (км²)

Анализ карт моделей земного покрова за два периода (рис.2 и рис.3) показал, что луга в большей степени увеличились вдоль реки Малый Черемшан, на территории речной долины. Также заметим, что небольшая часть лугов трансформировалась в леса. Это произошло вследствие проводимых лесомелиоративных мероприятий. Согласно Постановлению Кабинета Министров Республики Татарстан от 12 марта 1997 г. N 216 "О Комплексной программе повышения плодородия почв и защиты их от эрозии в Республике Татарстан на 1997-2005 годы" в течение 1997-1998 годов было залужено 94,3 тыс.га пашни, расположенной на склонах с уклоном 5 и выше градусов, подверженных в сильной степени эрозионным процессам, и перевод их в естественные кормовые угодья.

В результате земельных и аграрных реформ произошло разукрупнение многих колхозов и совхозов, появились новые сельскохозяйственные предприятия, образовались крестьянские хозяйства, что также повлияло на сокращение пахотных угодий.

В результате проведенного анализа с использованием методики WATEM/SEDEM было установлено, что значение массы стока взвешенных наносов сократилось за два рассматриваемых периода на величину 34,45 т/км² в год.

 Результатом моделирования WATEM/SEDEM служит карта среднемноголетнего эрозионно-аккумуляционного баланса современного периода (2015-2020 год) и вычисленное значение доставляемых до реки седиментов. Оно оказалось равным 40 298 т.

Модуль стока взвешенных наносов (модельный):

Модуль стока взвешенных наносов за период с 1985 по 1990 года получился равным 66.59 т/км² в год.

Полученные результаты были верифицированы с использованием данных о стоке взвешенных наносов, измеренных на посту мониторинга. Для этого с использованием Statgraphics были построены линейные регрессии модели

[8, с. 30].

Уравнение, задающее распределение представленных данных (3):

 y = 842.57 - 0.393542*x,                                                                                 (5)

где y – сток взвешенных наносов (т. км²/ год), x – год.

Рисунок 7. График стока взвешенных наносов на посту 28704 – р. М. Черемшан (по оси Y – значения модуля стока взвешенных наносов (т. км²/ год)

Рисунок 8. График стока взвешенных наносов на посту 76644 – р. Нурминка (по оси Y – значения модуля стока взвешенных наносов (т. км²/ год)

Из проведенного анализа мы видим, что данные мониторинговых наблюдений за стоком взвешенных наносов на исследуемом посту ограничиваются периодом 1963-1980 и лежат за пределами периода исследования (рисунок 7). Поэтому определить правильность динамики по ним не представляется возможным. В то же время мониторинговые значения на посту М. Черемшан в конце 1970-х в общем соответствуют данным моделирования. Модуль стока взвешенных наносов сократился, что подтверждает динамику нисходящего тренда. В то же время анализ поста аналога, расположенного в сходных природно-антропогенных условиях (р. Нурминка – с. Кукмор 76644) показывает аналогичный нисходящий тренд за период с 1963-2013 годы (рисунок 8). Так сток наносов за этот период сократился на посту 76644 с 488,07 т/км² в год до 55,31 т/км² в год.

ВЫВОДЫ

Анализ динамики землепользования показал значительное сокращение пахотных земель (на 20 %) и увеличение площади лесов (на 16%) и лугов (на 137%). Это привело к сокращению в два раза поступления наносов в реку с территории водосбора с 66,59 до 32,14 т/км² в год, и двойному сокращению интенсивности эрозионных процессов на водосборе. Полученные значения стока наносов за исторический период 1985-1990 в общем соответствуют значениям на посте мониторинга за стоком наносов (р. М. Черемшан - Чулпаново 28704). Убывающий тренд интенсивности эрозионных процессов по данным моделирования подтверждается данными наблюдений за стоком наносов на постах мониторинга, в пределах аналогичных территорий (например, территория водосбора на посту р. Нурминка).

Список литературы:

1. Borrelli, P., Ballabio, C., Yang, J., Robinson, D., Panagos, P. GloSEM: High-resolution global estimates of present and future soil displacement in croplands by water erosion, 2022. Scientific data (9), Article number: 406. –  P.1-3.
2. Жидкин А. П., Рухович Д. И., Мальцев К. А., Королева П. В. Варьирование оценок эрозии почв при использовании разных карт пахотных угодий Белгородской области // Почвоведение, 2024 ─ № 4. – С. 76–86.
3. Panagos, P., Ballabio, C., Himics, M., Scarpa, S., Matthews, F., Bogonos, M., Poesen, J., Borrelli, P. Projections of soil loss by water erosion in europe by 2050, 2021. Environmental science & policy, 124: –  P.380-392.
4. Borrelli P., Robinson D.A., Fleischer L.R., Lugato E., Ballabio C., Alewell C., Meusburger K., Modugno, S., Schutt, B. Ferro, V. Bagarello, V. Van Oost, K., Montanarella, L., Panagos P. An assessment of the global impact of 21st century land use change on soil erosion, 2013 (2017).  Nature Communications, 8 (1). –  P.1-13.
5. Panagos P, Borrelli P, Poesen J, Ballabio C, Meusburger K, Lugato E, Montanarella L, Alewell C. The new assessment of soil loss by water erosion in Europe. ENVIRONMENTAL SCIENCE and POLICY 54; 2015. ). – P. 438-447.
6. Maltsev K.A., Yermolaev O.P. Assessment of soil loss by water erosion in small river basins in Russia, Catena, 2020. Vol. 195, 2020. – P. 1-10.
7. Иванов М.А. Оценка динамики землепользования в бассейнах рек лесостепной зоны Европейской территории России по данным Landsat / Иванов М.А., Мальцев К.А. // Эрозионные, русловые и устьевые процессы (исследования молодых ученых университетов): сборник статей по материалам XI семинара молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Н. Новгород: Мининский университет, 2016. – С. 117-124.
8. Мальцев К.А., Мухарамова С.С. Статистический анализ данных в экологии и природопользовании (с использованием программы Statgraphics Plus) // 2011. – С. 26-36.
9. Ларионов Г.А. Эрозия почв и дефляция: основные факторы и количественные оценки // Москва : МГУ // 1993. – С. 29-36.
10. Мальцев К. А., Ермолаев О. П. Потенциальные эрозионные потери почвы на пахотных землях европейской части России // Почвоведение. 2019. № 12. – С. 1502–1512
11. Литвин Л. Ф., Кирюхина З. П., Краснов С. Ф., Добровольская Н. Г. География динамики земледельческой эрозии почв на европейской территории России // Почвоведение. 2017. № 11. – С. 1390–1400.
12. Ivanov M.A., Prishchepov A.V., Golosov V.N., Method of croplands dynamics mapping in river basins of the European part of Russia for the period of 1985–2015// Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. -. 2017. – P. 161–171.
13. Мальцев К. А., Голосов В.Н., Гафуров А.М. Цифровые модели рельефа и их использование в расчетах темпов смыва почв на пахотных землях. Ученые записки Казанского Университета, серия естественные науки.  2018. – С. 514–530.
14. Notebaert B. WATEM/SEDEM version 2006 Manual // Group. 2006. – P.4-19.
15. Модель ESA World [Электронный ресурс]: WorldCover ESA. – Режим доступа: https://esa-worldcover.org/en (дата обращения: 20.02.2022).
16. Федеральная служба государственной статистики – https://rosstat.gov.ru/ (дата обращения: 15.03.2022)
17. Почвенная карта РСФСР. М-б 1 : 2500000 / Под ред. Фридланда В.М. М.: ГУГК, 1988. 16 л. – https://soil-db.ru/map?lat=55.7558&lng=37.6173 (дата обращения: 20.03.2022)
18. Единый государственный реестр почвенных ресурсов России, [Электронный ресурс]: ЕГРПР. – Режим доступа: http://egrpr.soil.msu.ru/index.php (дата обращения: 22.03.2022)
19. Данные наблюдений на метеостанции [Электронный ресурс]: ФГБУ «ВНИГМИ-МЦД» – Режим доступа: http://aisori-m.meteo.ru/ (дата обращения: 30.03.2022)
20. Канатьева Н.П., Краснов С.Ф., Литвин Л.Ф. Современные изменения климатических факторов эрозии в Северном Приволжье // Эрозия почв и русловые процессы. 2010. № 17. С. 14–28.