Вплив подовжньої форми схилу на розвиток ерозійних процесів

За формою подовжнього профілю схили звичайно поділяють на прямі – ухил по довжині схилу не змінюється, випуклі – ухил униз по схилі росте й увігнуті – ухил зменшується (рис. 4.7). Цілком очевидно, що теоретично найбільш ерозійно небезпечними є випуклі схили, найменш – увігнуті. Дійсно, на випуклих схилах збільшення глибини стікання вниз по схилу супроводжується збільшенням ухилів, що забезпечує зростання як еродуючої, так і транспортувальної здатності потоків, і як результат – наростання змиву грунту. На увігнутих схилах можливе збільшення інтенсивності наносоутворення вниз по схилу компенсується зменшенням еродуючої і транспортувальної здатності потоків унаслідок зменшення ухилів. Останнє на увігнутих ділянках схилів спричинює часткову або повну акумуляцію наносів, що переносяться потоком. Пряма, випукла та увігнута форми подовжнього профілю схилів вигляду, поданого на рис. 4.7, добре апроксимуються степеневою функцією

Н(х) = Н₀ - η x^ν (4.15)

де Н(х) – позначка профілю на відстані х від вододілу, м;
Н₀ – позначка вододілу;
η і ν – параметри. Для випуклих схилів ν > 1, для прямих – ν = 1, для увігнутих – ν < 1.

Рис. 4.7. Подовжні форми схилів:
а) пряма; б) випукла; в) увігнута

Аналіз форми подовжніх профілів схилів Степу і Лісостепу України показує, що вираз (4.15) являє собою не більш ніж осереднену модель схилової макроформи. Реальні схили мають більш складну форму подовжнього профілю – на макроформу, що в переважній більшості випадків є випуклою (ν = 1,2-1,6), накладається вторинна хвилястість. Монотонною (найчастіше – монотонно випуклою) є лише верхня частина схилу. Нижче відповідно до вже викладеного має місце чергування ділянок різної крутизни з характерним розміром від декількох перших десятків до кількох сотень метрів.

Як ілюстрацію наведемо (рис. 4.8) комп'ютерну карту просторового розподілу ділянок різної подовжньої кривизни в межах улоговини Плоскої – експериментального водозбору Богуславської польової гідрометеорологічної бази УкрНДГМІ (південь Київської області) із площею водозбору 8,5 га. Улоговина є частиною прямого схилу довжиною близько 450 м і середнім ухилом 2,5% при діапазоні значень 1,5-3,5%. Грунти – темно-сірі лісові опідзолені крупнопилувато-легкосуглинкові, на більшій частині незмиті, у нижній частині слабко- та середньозмиті. Улоговина повністю розорана і використовується в сівозміні для вирощування різних сільськогосподарських культур. Побудова карти подовжньої кривизни виконана на основі даних детальної зйомки рельєфу поверхні улоговини, проведеної співробітниками УкрНДГМІ, з використанням можливостей ГІС-пакету PCRaster (Нідерланди). Аналіз карти показує, що на поверхні улоговини вниз по його поверхні увігнуті ділянки закономірно змінюються випуклими, і навпаки.

Рис. 4.8. Чергування ділянок різної подовжньої кривизни в межах улоговини Плоскої (темно-сірим тоном позначені випуклі ділянки, світло-сірим – увігнуті)

Характер вторинної хвилястості подовжнього профілю схилів у кожному конкретному випадку є функцією спільного впливу багатьох факторів, серед яких – довжина й ухил схилу, його макроформа, грунтові, фітоценотичні і кліматичні умови, а також характер використання схилу (сівозміна, агротехніка тощо). Цілком зрозуміло, що результат спільного впливу великої кількості настільки різноманітних факторів може бути досить різним. Більш того, при зміні одного або кількох з цих факторів відповідно до принципу Ле-Шательє має відбуватися зміна параметрів такої хвилястості. Очевидно, саме через цей механізм саморегуляції і забезпечується стійкість схилів як системи.

Параметри мезо- і мікромасштабної хвилястості подовжнього профілю схилів і їх залежність від визначальних факторів у даний час вивчені недостатньо. Однак слід підкреслити той величезний вплив, що чинять і макроформа подовжнього профілю схилу, і його вторинна хвилястість на характер та інтенсивність ерозійно-акумулятивного процесу на схилі, і в зв'язку з цим – необхідність її урахування на різних етапах протиерозійного проектування.

Спроби врахувати вплив форми схилу на інтенсивність ерозійного процесу почали робитися досить давно. Зокрема, Б.В. Поляков (1946) вважав, що за інших рівних умов на схилах з випуклим профілем інтенсивність змиву в 1,5 рази більше, а на схилах, з увігнутим профілем – у 2 рази менше, ніж на схилі з прямим подовжнім профілем. У математико-статистичній моделі змиву грунту (Лавровский и др., 1987; Справочник., 1990) було прийнято, що для випуклих схилів інтенсивність змиву в 1,2 рази вище, а для увігнутих схилів – у 1,2 рази нижче, ніж для прямих, тобто розходження значно менше, ніж за Б.В. Поляковым. За оцінкою В.В. Сластихіна (1964), на випуклих схилах порівняно з прямими змив може бути більшим у 2,5-2,9 рази, а на увігнутих – меншим у 1,5-1,7 рази. P.M. Лі, Д.Б. Симонсом і Д.Р. Кардером (Li et al., 1976) за даними штучного дощування ділянок довжиною 5 м і середнім ухилом 10% отримано, що інтенсивність змиву при випуклій формі в 4,5 рази більше, а при увігнутій – у 15 разів менше, ніж при прямій.

Як видно з наведених цифр, коефіцієнт, що враховує вплив форми схилу за даними різних авторів розрізняється досить істотно, що цілком природно, тому що, в принципі, неможливо однією цифрою (коефіцієнтом) відобразити досить складні зміни не тільки інтенсивності, але й характеру ерозійно-акумулятивного процесу по довжині схилу на схилах з різним характером і ступенем крутизни.

Спроби визначити вплив форми схилу в рамках емпіричного підходу за допомогою розрахунку модуля змиву як середньозваженого з урахуванням переважних ухилів у межах окремих сегментів схилу (Срибный, 1991; Митчел, Бубензер, 1984; Ларионов, 1993) є також не зовсім вдалими, оскільки такий підхід у принципі не може привести до рішення, яке б дозволяло прогнозувати зони акумуляції і кількісно оцінювати обсяги матеріалу, який відкладається.

Перспективним уявляється підхід, заснований на використанні як показника, який характеризує вплив форми подовжнього профілю схилу на інтенсивність та на характер ерозійного процесу, першої похідній функції, що відображає вплив ухилу на змив грунту (4.6), оскільки саме через зміну ухилу виявляється вплив форми подовжнього профілю на змив грунту, тобто

(4.16)

де І^m(L₂) і І^m(L₁) – значення функції впливу ухилу на змив грунту на відстані L₂ і L₁від вододілу відповідно.

Показник (4.16) характеризує і ступінь подовжньої випуклості або увігнутості поверхні схилу: чим більший ступінь випуклості або вігнутості, тим більше абсолютне значення похідної функції впливу ухилу f₁(I) по довжині схилу L, а також характер кривизни: для випуклих ділянок схилів (ухил збільшується) похідна позитивна, для увігнутих (ухил зменшується) – похідна від'ємна. Якщо ухил не змінюється, величина цього показника дорівнює 0.