2.1. Природные и антропогенные факторы и процессы

На развитие, изменение и трансформацию геосистем различного уровня организации оказывают воздействие как природные факторы и процессы, так и технические (социально-экономические), определяющие в совокупности развитие производительных сил общества, использование территорий и акваторий в ходе хозяйственной деятельности.

Процессы развития современных геосистем подразделяются на три группы: ритмические, динамические и эволюционные (табл. 2.1).

Этот процесс трансформации геосистем можно проследить на примере северо-западного региона России. До 90% территории Ленинградской области находится в зоне неотектонических поднятий. Здесь идет ощутимый процесс наступления лесов на болотные массивы, круче и длиннее становятся овраги, шире и выше оползни. Там, где сейчас в области растут дачные поселки горожан (на торфяных почвах в осиново-еловых лесах) еще 50 лет назад были черноольховые болота.

В то же время зонами опусканий в Ленинградской области являются: Приневская впадина, Финский залив, Ладога. Сюда и направляются сточные воды со всей территории области. Кроме того, сам Санкт-Петербург производит большое количество вредных отходов. При этом естественные факторы очистки выводятся из строя: Ладога с ее чистой водой быстро загрязняется, из-за сооружения дамбы прекратилось самоочищение Финского залива при нагоне воды во время наводнений. Сказанное выше является наглядным примером, когда на практике не учитываются и игнорируются законы динамики геосистем, что в итоге может привести к экологической катастрофе.

Таблица 2.1. Основные проявления развития современных геосистем

Можно назвать сотни крупных и мелких стихийных катастроф, которые ежегодно происходят на нашей планете, вызывая в ландшафтах обратимые и необратимые изменения и трансформации в растительном и почвенном покрове, в гидрологическом режиме природных вод, а также в экосистемах в целом. Так, например, в России ежегодно регистрируется около 100 природных катастроф. Причем наибольшую опасность представляют смерчи, ураганы и наводнения.

Однако перечисленные выше явления изучаются многими отраслями наук и имеется много публикаций, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Более подробно рассмотрим развитие процесса эрозии, одного из важнейших внешних (экзогенных) процессов, существенно влияющего на эволюцию форм земной поверхности в целом и ландшафтов в частности.

Процессы эрозии лучше всего можно проследить с момента их зарождения на наиболее юных современных аккумулятивных равнинах - на молодых террасах рек.

Развитие эрозионного рельефа на плоской аккумулятивной равнине начинается с образования промоин-оврагов.

В развитии оврагов различают четыре основные стадии (рис. 2.1).

В рыхлых породах, особенно в лёссах, овраги очень быстро проходят первую стадию, нередко даже минуя ее и начиная свое развитие непосредственно со второй стадии (это отмечал еще в 1877 г. В. В. Докучаев).

Борьба с оврагами в первой стадии развития наиболее проста. Достаточно неглубокую промоину сгладить (вспашкой всвал, или сгладить вручную, или дорожными машинами) и засеять многолетними травами, чтобы потоки талых и ливневых вод, концентрирующихся в получившейся ложбине, стекали бы по задерненной поверхности, устойчивой против размыва. В отдельных случаях, при более глубоких промоинах, приходится применять донные сооружения (плетни-запруды из живых ивовых кольев и фашин; запруды с водосливами из местного строительного материала - известняка, песчаника и пр.), сочетая их с облесением.

Рис. 2.1. Стадия развития продольного профиля оврага (по С. С. Соболеву¹)

Нужно помнить, что борьба с оврагами в первой стадии их развития всегда наиболее доступна, наиболее эффективна и уберегает сельскохозяйственную территорию от разрушения. Эти приемы необходимо сочетать с регулированием поверхностного стока на всем водосборе оврага.

Вторая стадия развития оврага, или стадия врезания висячего оврага вершиной, начинается с момента образования вершинного перепада или обрыва. Овраг растет обвалами своей вершины в обратном направлении относительно стока воды.

Одновременно с ростом оврага в длину происходит углубление русла оврага ниже вершинного перепада. Обычно высота вершинного перепада или обрыва достигает 2-10 м, реже 12-15 м; глубина же оврагов, имеющих такие вершины, достигает в ряде районов 25-30 м и даже 40 м и более (например, в Приволжье, Приднепровье, на правобережье р. Десны). Такая глубина оврагов, в 2-3 раза превышающая высоту обрыва вершины, объясняется последующим врезанием (углублением) русла оврага ниже вершины.

Продольный профиль дна оврага на второй стадии развития мало связан с профилем склона, на котором он развился, но еще сильно отличается от так называемого «профиля равновесия», так как крутое русло оврага продолжает углубляться на всем своем протяжении, а устье оврага часто бывает отделено перепадом или крутым скатом от дна долины или другого местного базиса эрозии. Иными словами, во второй стадии развития овраги бывают обычно висячими.

Склоны оврага во второй стадии развития имеют форму вертикальных обрывов или крутых неустойчивых откосов. Осыпь в нижней части склона еще не формируется, так как быстрые потоки талых или дождевых вод при интенсивном врезании дна оврага размывают и выносят обвалившиеся глыбы.

Вторая стадия в развитии оврага быстро протекает в однородных рыхлых грунтах, например в лёссах, но бывает весьма длительной при наличии прослоев твердых пород, которые образуют трудноразрушаемые структурные перепады в руслах или в устье оврагов (Средне-Русская возвышенность, Приволжье, Заволжье). В таких случаях развивается ступенчатый продольный профиль русла оврага с целой серией «висячих» отрезков, число которых соответствует числу структурных перепадов. Ступенчатые продольные профили оврагов нередко наблюдаются даже в слоистых суглинках.

В третьей стадии развития оврага форма оврага в плане, как и во второй стадии, зависит от глубины врезания оврага в склон, на котором он развивается.

Четвертая стадия развития оврага - стадия затухания - начинается после выработки продольного профиля русла оврага, приближающегося к «профилю равновесия», вследствие чего прекращается глубинная эрозия, сглаживается обрыв вершины, прекращается рост в длину, реже подмываются склоны, у подножия склонов формируется устойчивая осыпь, а дно оврага затягивается овражным аллювием.

Четвертая стадия развития оврага заключается также в его расширении вследствие меандрирования потока. Склоны оврагов постепенно осыпаются до крутизны, не превышающей угла устойчивого естественного откоса, вследствие чего овраг еще более расширяется. Устойчивые склоны и вершины оврага постепенно зарастают растительностью, и на них формируется почвенный покров.

По окончании четвертой стадии развития овраг превращается в балку. Бороться с оврагами в четвертой стадии их развития не приходится; нужно только умело содействовать скорейшему затуханию оврага. В первую очередь необходимо регулировать донными сооружениями меандрирование потока в русле оврага, чтобы талые и дождевые воды не подмывали стенок оврага. Кроме того, надо содействовать скорейшему зарастанию склонов оврага древесной, кустарниковой и травяной растительностью. 50

Развитие склонов оврага. Одновременно с развитием вершины, ростом оврагов и превращением их в балки идет развитие отдельных элементов «овражной долины», в том числе развитие склонов или откосов оврага. Можно выделить ряд стадий развития склонов. Обычно выделяют четыре стадии развития склона оврага. Эти стадии, от самой юной, у вершины оврага, до самой зрелой у устья, являющейся переходом к склону балок, можно нередко наблюдать в одном и том же достаточно длинном овраге (рис. 2.2).

При повторных циклах эрозии образуются овраги, прорезающие и углубляющие дно балки. В отличие от оврагов, образовавшихся при первом цикле эрозии - первичных оврагов, овраги, сформировавшиеся при повторных циклах эрозии, называют вторичными оврагами.

Развитие вторичных оврагов, возникающих на дне балок в результате повторных циклов эрозии, мало отличается от развития первичных оврагов. Особенностью вторичных донных оврагов является то, что к их вершинам поступает очень большое количество талой и дождевой воды, так как развиваясь на дне балок, этот тип оврагов «наследует» от балок уже сформированный водосбор. Большие массы воды, поступающие в донные овраги, обусловливают быстрый их рост и затрудняют закрепление.

Надо отметить и другую особенность вторичных донных оврагов, заключающуюся в том, что они формируются при понижении базиса эрозии на поверхности дна балки, имеющей вогнутый продольный профиль, соответствующий «профилю равновесия». Поэтому донные овраги обычно имеют в плане Узкую линейную форму.

Наибольшее распространение на территории Европейской части нашей страны имеют первичные береговые овраги и вторичные донные овраги, особенно последние. Первичные вершинные овраги, имеющие началом вершины древних балок, когда современный цикл эрозии по интенсивности и раз-витию превосходит древние циклы эрозии, и овраги, которые, выходя за пределы древних балок, прорезают плоские не расчлененные эрозией водоразделы, встречаются реже.

Рис. 2.2. Распределение стадий развития склонов в растущем овраге (по С. С. Соболеву)

Важнейшим фактором в биосфере является социально-экономическая деятельность человека. В результате технического прогресса происходит комплекс процессов переработки ресурсов и использования систем жизнеобеспечения Земли в промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и на транспорте.

Антропогенное воздействие особенно ярко проявляется в процессе функционирования и разрастания городов (урбанизация), функционирования сельского хозяйства (трофического базиса цивилизации), горного производства (необходимой части материального базиса цивилизации), гидротехнических и водохозяйственных объектов (прежде всего водохранилищ и каналов), лесного хозяйства, горно-металлургического производства, топливно-энергетического комплекса.

В результате техногенной деятельности человечество перерабатывает около 10010⁹т сырья в год, при этом перемещая в процессе его добычи около 10010¹⁰т горной породы, используя при этом около 10010¹⁰т воды и около 10010¹²Вт энергии.

При этом энергия техногенных сил, перемещающая материал по земной поверхности, в целом значительно уступает энергии, получаемой от Солнца.

Если ежегодный поток солнечной энергии на Землю составляет около 5400 Эдж, то выработка и потребление энергии человечеством - около 0,4 Эдж. Одним из критериев, позволяющих объективно сравнивать энергию техно- и экзогенных процессов является масса перемещаемого твердого материала. О перемещении вещества планетарными потоками (в млрд т/год) можно судить по данным табл. 2.2, составленной Л. Л. Розановым [26] в результате анализа и обобщения ряда литературных источников.

Под действием природных (экзогенных и эндогенных) и техногенных факторов происходит прежде всего технолитоморфная трансформация окружающей среды на региональном уровне. Она выражается в изменении рельефа суши и морского дна в результате интенсивного образования провалов, воронок, оседании поверхности, создании карьеров, отвалов, терриконов, золохранилищ, возбуждении негативных рельефообразующих процессов (плоскостной и линейной эрозии Почв, дефляции почв, карста и др.).

На глобальном уровне технолитоморфная дестабилизация окружающей среды выражается в воздействии на глобальный климат посредством изменения альбедо преобразованных и вновь возникающих искусственных поверхностей через увеличивающуюся шероховатость подстилающей поверхности, а также в прямом кинетическом влиянии подвижно-неподвижных морфологических объектов (механические устройства, самоходные установки и др.).

В результате технолитоморфогенеза образуется реальное естественно-искусственное морфолитообразование - интегральная геотехноморфная поверхность (по Л. Л. Розанову) географической оболочки (рис. 2.3).

Ярким примером влияния техногенных факторов на окружающую среду является территория г. Москвы.

Длительное осушение водоносных горизонтов в связи со строительством метрополитена и значительное снижение подземных вод на водозаборах (в Москве находится в эксплуатации более 400 гидрогеологических скважин) оказывали свое влияние на развитие техногенных инженерно-геологических процессов деформации горных пород.

Таблица 2.2 Перемещение материала планетарными потоками

Рис. 2.3. Примерная схема интегральной геотехноморфной поверхности (по Л. Л. Розанову, 2001)

На рис. 2.4 показана схема региональных вертикальных смещений поверхности территории излучены р. Москвы, произошедших под влиянием осушения безнапорных водоносных горизонтов и снижения уровня напорных вод.

Аналогичные интенсивные процессы вертикальной деформации поверхности Земли отмечаются и в других крупных городах мира, в таких, как Токио и Мехико.

На территории г. Москвы развиваются и процессы подтопления поверхностных гражданских и промышленных сооружений. Так, за счет неизбежных потерь воды из водоносных подземных коммуникаций (водопроводов, канализации и теплосети) и аварийных сбросов, в грунтах, служащих основанием для сооружения различных объектов, сформировался водоносный горизонт почвенных вод, уровень которых поднялся до глубины заложения фундаментов. Под влиянием этих процессов происходит Подтопление фундаментов зданий, изменение свойств геологической среды, которое может привести к деформации сооружений. Именно под влиянием этих процессов происходит, например, подтопление здания МГУ на Ленинских горах.

Рис. 2.4. Схема вертикальных смещений поверхности земли в излучине р. Москвы¹: 1 - 5 - величины смещений, мм (1 - в пределах допустимых ошибок измерений, 2 - до 20, 3 - от 20 до 40, 4 - от 40 до 60, 5 - от 60 до 80); 6 - изолинии оседания поверхности; 7 - предполагаемые линии оседания поверхности; 8 - линии метрополитена

С целью изучения прогнозной оценки всего комплекса техногенных процессов в г. Москве функционирует математическая модель, на которой все действующие техногенные процессы строго запрограммированы, что позволяет производить их прогнозную оценку и применять контрольно-предупредительные меры по защите окружающей среды.