Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Будник Светлана Васильевна
ОЦЕНКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СКЛОНОВОГО СТОКА
Специальность 25.00.27 Ц Гидрология суши, гидрохимия, водные ресурсы
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание ученой степени
доктора географических наук
Воронеж - 2009
Работа выполнена в Луганском институте агропромышленного производства
Научный консультант: | доктор географических наук, профессор Хильчевский Валентин Кириллович |
Официальные оппоненты: | доктор географических наук, профессор Коронкевич Николай Иванович доктор географических наук, профессор Мишон Виталий Михайлович доктор технических наук, профессор Дебольский Владимир Кириллович |
Ведущая организация: | Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова |
Защита состоится л24 ноября 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86, ауд. 408.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работников Воронежского государственного педагогического университета (394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86, к. 34).
Автореферат разослан л____ ________ 2009 г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86. Естественно-географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс: 8 (4732) 55Ц19Ц49. Е-mail: shmykov@vspu.ac.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат географических наук,
доцент В. И. Шмыков
Актуальность темы. При решении многих теоретических и практических задач возникает вопрос о необходимости учета гидравлических или гидрохимических особенностей водотоков на склонах. В частности, знание особенностей процессов стока и смыва веществ на склонах важны при прогнозировании наводнений, при проектировании противоэрозионных и дорожных сооружений и т.п.. Особенности гидравлики склоновых потоков изучаются учеными уже давно. Этими вопросами в разной степени занимались Г.И.Швебс, К.М.Зубкова, А.В.Караушев, В.П.Лидов, Н.И.Маккавеев и др. В данное время это направление исследований интенсивно развивают В.Я.Григорьев, М.С.Кузнецов, Г.А.Ларионов, М.А.Неаринг (M.A.Nearng), Ж.Э.Моррисон (J.E.Morrson) и др. Детальные исследования гидрохимии склоновых потоков проводили в свое время А.А.Алекин и П.П.Воронков. В последние годы, в основном, ведутся исследования стока биогенных веществ со склонов в связи с экологическими проблемами применения удобрений (П.С.Пастернак, В.Э.Явтушенко и др). Комплексных исследований гидродинамических и гидрохимических процессов в склоновых водотоках до сего времени не проводилось.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось оценить взаимосвязь гидродинамических и гидрохимических факторов стока со склонов, обосновать концепцию гидрохимического влияния воды на формирование рельефа склона. В задачи исследований входило: 1) моделирование гидравлических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков с учетом особенностей их формирования и изменчивости по длине склона, 2) разработка моделей показывающих взаимосвязь между гидродинамическими особенностями водотоков и химическим составом воды; 3) разработка концепции формирования эрозионно-аккумулятивного рельефа как результата взаимодействия гидродинамических и гидрохимических процессов; 4) создание способов прогнозирования эрозионно и экологически опасных ситуаций на склоне.
Объектом исследований были процессы, протекающие в склоновых водотоках и отвечающие за формирование содержания веществ и размыв склона.
Предметом исследований был сток воды, смыв почвы и растворимых веществ в склоновых водотоках, формирующихся, как в естественных условиях от ливней и при снеготаянии, так и сток при орошении в производственных условиях.
Методология и методы исследований содержат в себе полевые наблюдения за исследуемыми процессами в натурных условиях, математический анализ и построение теоретических концепций формирования процессов. В математический анализ входит статистическое оценивание, вероятностный анализ, математическое моделирование и оптимизация.
Основные защищаемые положения: 1) зависимость содержания химических элементов от динамики потоков; 2) зависимость эродирования склонов от состава воды; 3) существование двух механизмов химического влияния воды на почву; 4) схема дифференциации склона по характеру эрозионных форм и факторам, определяющим размыв; 4) возможность планирования сочетаний агрофонов на склоне на основе анализа изменчивости гидродинамических характеристик при переходе с агрофона на агрофон; 6) модели расчета расходов воды, максимальной глубины воды и мутности воды при снеготаянии и ливнях.
Научная новизна и практическая значимость. Разработаны модели показывающие существование связи химического состава воды с гидродинамическими характеристиками потоков. Выдвинута и обоснована гипотеза о влиянии химического состава воды на эродированость склонов. Миграцию веществ на склоне рекомендуется рассматривать вместе с определением критических доз содержания веществ в воде, при которых происходит интенсивный выход веществ из почвы, обеспечивающий возможность определения мест на склоне с критическим влиянием. Выдвинута гипотеза о наличии двух механизмов химического влияния воды на размыв почвы. Предложена схема дифференциации склона по характеру эрозионных форм и факторам, которые определяют размыв. Определены критические величины содержания некоторых веществ в воде склоновых водотоков, при которых размыв склона усиливается.
Практическая значимость работы заключается, как в представлении анализа натурного материала особенностей стока от ливней и снеготаяния, которые частично раньше никогда для склоновых водотоков не рассматривались (оценка характеристик турбулентности, изменчивость морфометрических характеристик, взаимодействие химических и гидравлических процессов), в определении гидравлических характеристик потоков для юго-востока Украины, где они раньше не определялись, так и в применении материалов исследований к оценке допустимости сочетания агрофонов на склоне, прогнозировании мест на склоне, где вероятность и величина размыва максимальны. Предложены методики определения расходов воды, максимальной глубины воды и мутности воды в склоновых водотоках по длине склона в период снеготаяния и ливней.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов проверена путем статистического оценивания однородности рассматриваемых рядов, расчетом диапазонов варьирования основных статистических показателей оцениваемых характеристик, получения характеристик адекватности моделей исходным данным (по 4 критериям: относительная ошибка, абсолютная ошибка, коэффициент корреляции, критерий качества (критерий Гаусса)). Выдвинутые теоретические гипотезы подтверждаются результатами наблюдений. На основе результатов наблюдений также выведены статистически достоверные эмпирические закономерности.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 446 страницах машинописи, содержит 53 таблицы, 54 рисунок, список литературы включает 646 наименований. Приложения представлены отдельным томом на 79 страницах.
Диссертация состоит из 6 разделов. В первом разделе рассматриваются генетические отличия стока на склонах разного происхождения и анализируются существующие представления о гидравлике и гидрохимии стока на склонах.
Во втором разделе рассматриваются основные проблемы и задачи исследований эрозионных процессов на склонах, приводится методика исследований, характеристика объектов исследований и анализируется полнота и репрезентативность исходных данных.
В третьем разделе рассматриваются гидродинамические процессы в склоновых водотоках, приводятся эмпироко-статистические модели: режимы течений, кинетичность, гидравлические сопротивления, касательные напряжения, изменчивость морфометрических характеристик склоновых водотоков, характеристики турбулентности.
В четвертом разделе рассматриваются гидрохимические особенности стока на склонах, особенности моделирования и агрессивность водных растворов относительно почв, приводятся эмпирико-статистические модели для расчета содержания химических элементов в воде склоновых водотоков.
Пятый раздел посвящен оценке взаимосвязи гидрохимических и гидравлических процессов в склоновых водотоках. Проводится анализ особенностей эрозионно-акумулятивного процесса в склоновых водотоках, который представляется как синтез гидродинамических и гидрохимических процессов в водотоках. Представлены критические величины содержания растворимых веществ в воде склоновых водотоков, при которых наблюдается интенсивный размыв почвы. Предлагаются методы прогнозирования размыва склона.
Шестой раздел посвящен вопросам применения эмпирико-статистических моделей гидродинамических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков при проектировании элементов организации территории землепользования. Приводятся методы расчета стока воды и размыва склона по длине, а также методика определения эрозионно-опасных сочетаний агрофонов на склоне.
Публикации. Результаты исследований представлены в 69 научных работах, в том числе в 52 статьях, как географического профиля (33), так и почвоведческого (19), в 2 монографиях и брошюре. Из опубликованных работ по теме диссертации 3 статьи и 1 монография написаны в соавторстве (В.К.Хильчевський, В.Т.Малютяк), 16 работ опубликованы в журналах, рекомендуемых для опубликования материалов докторских диссертаций.
Апробация. Материалы работы неоднократно докладывались на научно-практических конференциях: ФСталий розвиток агроекосистем в умовах обмеженого ресурсного забезпеченняФ, г.Киев,1998 г.; научно-практический семинар "Вчимося господарюватиФ, пгт.Чабаны,1999 г.; ГИС - Форум, Киев, 2000 р.; ДКафедр гдролог та гдрохм КНУ м. Т.Г.Шевченка 50 роквФ, г.Киев, 2000 г.; ДВедення землеробства в умовах посухиФ, г.Одесса, 2001 г.; I Всеукраинская конференция ДГдрологя, гдрохмя гдроекологяФ, г.Киев, 2001 г.; ДВизначення перспективних шляхв науково-методично пдтримки та наукового забезпечення виконання державних комплексних програмФ, г.Киев (Госводхоз), 2001 г.; VI съезд почвоведов и агрохимиков, г.Умань, 2002 г.; ДГдрометеорологя охорона навколишнього середовища-2002Ф, г.Одесса, 2002 г.; ДЕкологчн проблеми басейнв транскордонних рчокФ, г.Луцк, 2002 г., УСучасн проблеми охорони довклля, рацонального використання водних ресурсв та очищення природних стчних водФ, г.Миргород, 2003 г.; УЕколого-економчн проблеми водогосподарського та будвельного комплексу пвдня УкраниФ, г.Херсон, 2003 г.; II Всеукраинская конференция ФГдрологя, гдрохмя гдроекологяФ, г.Киев, 2003 г.; УВодне господарство: завдання в перод реформування економки перспективи розвиткуФ, г.Киев, 2003 г. ; VI Всеросcийский гидрологический съезд, секция 6. УПроблемы руселовых процессов, эрозии и наносовФ, С.-Петербург, 2004 г; ФСтан земельних угдь та полпшення х використанняФ, пгт.Чабаны, 2005 г.; международная конференция УПроблеми лсово рекультивац порушених земель УкраниФ, г.Днепропетровск; 2006 г.; III всеукраинской конференции УГдрологя, гдрохмя, гдроекологяФ, 2006 г.; на международном симпозиуме по речным наносам, г.Москва, 2007 г.; на всеукраинской конференции УМониторинг природных и техногенных средФ, г.Симферополь, 2008 г.; на международной конференции Геоэкологические проблемы современности, г.Владимир, 2008 г.; на XXIII Совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, г.Калуга, 2008. Кроме того, материалы диссертации неоднократно докладывались на семинарах Института агроэкологии и биотехнологии УААН, на научно-техническом совете Института гидротехники и мелиорации УААН, на семинарах кафедры гидрологии и гидроэкологии КНУ им..Т.Г.Шевченко, на семинарах Национального аграрного Университета (г.Киев) и Житомирского национального агроэкологического университета (г.Житомир).
Работа выполнялась в рамках следующих научно-технических программ: "Плодородие почв" ("Разработать систему рационального использования земельных ресурсов Луганской области и охраны почв от эрозии") 1996-2000 гг., задание "Разработать критерии агроэкологической оценки земель, естественных и культурных фитоценозов и принципы размещения экосистем в агроландшафтах балочных водосборов" (номер госрегистрации 0196U012534), где автор выступала как исполнитель; "Агроэкологический мониторинг и моделирование устойчивых ландшафтов и агросистем " (по темплану института гидротехники и мелиорации: "Научные основы устойчивых агроэкосистем") 2001-2005 гг., задание 01 "Разработать мероприятия по экологически безопасному использованию и охране естественного ресурсного потенциала ландшафтов на мелиоративных системах" (номер госрегистрации 0101U006508), где автор была ответственным исполнителем, а в 2003 г. научным руководителем темы.
Материалы работы используются в учебном процессе Житомирского национального агроэкологического университета, Восточноукраинского национального университета им.В.Даля, Таврического национального университета им.В.И.Вернадского. Методические рекомендации приняты для ознакомления Государственной гидрометеорологической службой Украины, институтом агропромышленного производства УААН.
Основное содержание работы
Раздел 1. Сток на склонах: факторы формирования и особенности развития процесса. Основным отличием между существующими видами склонового стока (талого, ливневого, стока при орошении дождеванием и напуском) является разница в энергетическом взаимодействии, как потоков воды, так и капель дождя искусственного или естественного, с подстилающей поверхностью. Энергия склонового стока, формирующегося от ливней или при снеготаянии выше энергетических параметров потоков, которые наблюдаются при орошении.
Анализ натурных наблюдений за формированием стока на склонах позволяет принять следующую схему процесса стока на склонах: 1) сток на склоне подразделяется на ручейковый и межручейковый (G.R.Foster, 1982, С.Ю.Булыгин; М.А.Неаринг, 1999 и др.); 2) инфильтрация на сток во время ливней влияет слабо, при снеготаянии инфильтрация происходит преимущественно в оттаявшем слое почвы в горизонтальном направлении; 3) мутность бокового притока при снеготаянии невысока в сравнении с ручейковой, ее можно приравнять к нулю, при ливнях она будет зависеть от взмучивающего воздействия капель дождя и транспортирующей способности потока. При прекращении выпадения дождя мутность бокового притока уменьшается; 4) поверхностная аккумуляция является одним из ведущих факторов стока; 5) неравномерное поступление воды в ручейковую сеть вызывает волновое перемещение жидкости (Н.И.Макавеев, А.М.Калинин, 1968 и др.). Волновое перемещение жидкости можно учесть функцией расширения- сужения русела (И.Ф.Карасев, В.В.Коваленко, 1992).
Энергетика и русловые процессы в водотоке формируются на протяжении всего пути его прохождения и видоизменяются по его длине. Причем, путь прохождения воды по склону даже на одном и том же участке исследований от года до года изменяется, так как микрорельеф участка изменяется, изменяются и условия формирования стока (наличие ледяной корки или оттаявшей почвы и т.п.). Поэтому, методической основой измерений стока на склонах являются измерения, как характеристик стока, так и факторов его формирования в нескольких местах по длине склона.
Гидрохимические характеристики склоновых водотоков, как и динамические подвержены изменению по длине склона и изменяются также при изменении природно-климатической ситуации и хозяйственного использования земель. Изменение состава воды по длине склона ведет к изменению ее способности растворять разные соединения. Различают несколько видов агрессивности воды по составу растворителей и по характеру влияния. Интенсивное перемешивание растворов усиливает их растворяющие свойства.
Раздел 2. Методические особенности исследований стока на склонах. Технология проведения наблюдений предусматривает несколько этапов: 1) выбор участка исследований; 2) выбор водотока; 3) разбивка створов по длине водотока; 4) собственно проведение измерений и отбор проб в створах наблюдений; 5) нивелирование участка исследований после прохождения стока. Основные требования к выбору водотока: относительная прямолинейность и отсутствие бокового оттока. В створе наблюдений водотока измеряются следующие характеристики: а) скорость и глубина воды, ширина водотока по урезу воды, уклон водной поверхности, температура воды, отбор проб на мутность и химический состав, б) на линии створа: температура воздуха, температура почвы, глубина оттаивания агрофона, отбор проб на влажность и плотность почвы и гранулометрический и химический состав почвы. При ливнях и дождевании дополнительно определяется количество осадков, выпавшее на момент измерения.
Исследования проводились в следующих природных зонах: Степной и Лесостепной, соответственно в Луганской и Киевской областях, на разных агрофонах и почвенных разностях. Талый сток изучался на черноземе обычном на лессах, песках и мергелях, на мергелях, на черноземе типичном на легком суглинке и серых лесных почвах на лессах на зяби, озими и многолетних травах. Наблюдения за ливневым стоком проводились на черноземе обычном на лессах, песках и мергелях, на мергелях и серых лесных почвах.
В период наблюдений (1996-2003 гг.) условия формирования стока значительно отличались по годам. В весенний период сток формировался как в результате интенсивной солнечной радиации при резких перепадах температур на протяжении суток (1996 г.) так и в результате вторжения теплых воздушных масс с одновременным выпадением осадков (2002 г., 2003 г.). Сток проходил по хорошо промерзшей почве (2003 г.) и по слабо промерзшей (2000 г.). В отдельные годы (1998г., 1999 г.) на протяжении зимнего периода наблюдалось 3 и более оттепели, на протяжении которых успевал сформироваться сток. В летний период сток также формировался в разных условиях: дожди выпадали на влажную уплотненную и не уплотненную почву, на сухую переуплотненную почву и т.п. Всего был замерен сток от 25 дождей. При разных сочетаниях факторов формирования сток был замерен от дождей с количеством осадков 0,4-49,6 мм, интенсивностью выпадения осадков максимальной 0,15-1,73 мм/мин, средней - 0,0138-0,55 мм/мин, продолжительностью 5- 569 мин.
Анализ изменчивости характеристик стока по годам, типам почв, агрофонам показал, что среднеквадратичная ошибка расчета при расчетах по годам в целом выше, чем при расчетах всего ряда наблюдений, или при дифференциации данных по типам почв и агрофонов. Проверка рядов данных, дифференцированных по типам почв, агрофонов и годам на однородность, т.е. соответствие выборочного ряда общей совокупности наблюдений по критерию Стьюдента показала, что ряды, дифференцированные по агрофонам наиболее однородны, а по годам - наименее однородны.
Раздел 3. Гидродинамические процессы в склоновых водотоках. Решающую роль в процессах транспорта наносов, рассеяния энергии, диффузии и др. отводят турбулентности потоков. Измерение в натуре характеристик турбулентности в склоновых потоках провести сложно из-за громоздкости существующей в настоящее время аппаратуры. Однако оценить их величины через осредненные параметры потоков вполне возможно. Правомерность такого подхода базируется на том, что многие характеристики турбулентности открытых потоков сначала были определены в лотках, а потом проверены на реках, склоновые же потоки по своим параметрам ближе к лоткам, чем реки. Гидродинамические особенности водотоков обычно характеризуются следующими характеристиками: число Рейнольдса (Re), число Фруда (Fr), гидравлические сопротивления, касательные напряжения, относительная ширина и устойчивость русела, диссипация энергии и масштабы вихрей. Оценки таких величин как число Рейнольдса (Re), число Фруда (Fr), коэффициенты Шези (C) и шероховатости (n), турбулентное трение (t) проводились раньше (о чем подробно описано в главе 1), такие характеристики как вязкостное трение (b), относительная ширина (B/h) и устойчивость русела (), диссипация энергии () и масштабы вихрей для склоновых водотоков приводятся впервые.
При любых условиях формирования талого стока в склоновых водотоках преимущественно наблюдается переходный режим течения. По длине склона происходят колебания режима течения. Наибольшее влияние при снеготаянии на величину числа Рейнольдса оказывают расход воды в водотоке, форма русела и длина склона.
Тип снеготаяния влияет на величину числа Рейнольдса. Наибольшая обеспеченность больших значений чисел Re отмечена при адвективном типе снеготаяния, наименьшая - при солярном. При Re>5000 Fr=0,138-4,68, в 51,9% случаев Fr>1.
Движение воды по склону при ливнях носит как ламинарный, так и турбулентный характер. Причем, характер движения воды в водотоке по длине склона может существенным образом изменяться. Характер режима движения воды по склону существенным образом зависит от агрофона, даже значимость влияния факторов на число Рейнольдса на разных агрофонах отличается. Так, если для многолетних трав и пропашных значимость факторов уменьшается в следующем порядке: интенсивность осадков, продолжительность дождя, время от начала выпадения дождя, то для пара наиболее значимы плотность почвы, время от начала дождя и длина склона от водораздела до створа измерения, на естественном кормовом угодье наиболее значима максимальная глубина потока, уклон склона и влажность почва. При Re>5000 Fr=0,0908-5,94, в 53% случаев Fr>1.
При ливнях склоновые водотоки чаще находятся в бурном состоянии (по числу Фруда), чем при снеготаянии (соответственно 24,5 % случаев и 12,3 %). Вероятность их аэрации при ливнях также выше. Вероятность формирования бурного состояния потока выше при турбулентном режиме течения, чем при переходном. Вероятность формирования не распластанных потоков (B/h<7) выше при Re<5000 и Fr<1. На формирование величины числа Fr как при ливнях, так и при талом стоке преимущественно влияют влажность почва, уклон и длина склона, гранулометрический состав почвы.
Обеспеченность формирования бурных потоков при солярно- адвективном типе снеготаяния выше, чем при адвективном, при солярном типе снеготаяния обеспеченность формирования бурных потоков наименьшая (3%).
Статистический анализ взаимосвязей величин Fr и характеристик подстилающей поверхности, морфометрии склона и агрофона показал, что от года до года значимость факторов в зависимостях меняется, так как изменяются сами условия формирования стока, тип снеготаяния и др. Однако, среди исследованных факторов наибольшее влияние на формирование величины числа Fr имеют влажность почва, ее глубина оттаивания, уклон и длина склона, гранулометрический состав почвы.
Значение коэффициента Шези С изменяется в очень широких пределах для талого стока 1,26-1512 м0,5/с при коэффициенте вариации Cv= 3,98, для ливней 1, 04-465 м0,5/с при Cv =2,03. Обеспеченность краевых величин выборок небольшая. Чаще всего экстремально высокие величины С встречаются на зяби. Здесь же встречаются и наибольшие величины Сv, наименьшие - на озими. Вероятность того, что величина С превысит 50 м0,5/с на зяби составляет 9%, на многолетних травах 7%, на озими 0,6%. Длина склона и его уклон при талом стоке решающего значения на величину коэффициента С не имеют. В основном, величина С определяется здесь формой русела (или ее составными: шириной и глубиной русела), глубиной оттаивания почвы, агрофоном, влажностью и плотностью почвы и температурой воды, т.е., в основном, суммарное сопротивление формируется за счет местных условий. От агрофона к агрофону значимость влияния факторов на величину коэффициента Шези изменяется. Так, если на зяби преимущество остается за формой русела, плотностью почвы, длиной склона и температурой воды, то на многолетних травах - за почвенной разностью, влажностью почвы, длиной склона и температурой воды, на озимых - за формой русела, плотностью почвы и уклоном склона.
Наибольшие величины С при ливнях отмечены на многолетних травах и естественном кормовом угодье, наименьшие - на пару. Длина линии стока воды здесь несомненно влияет на величину гидравлического сопротивления: чем дальше от водораздела проводятся измерения, тем большие величины С можно наблюдать. Влияние уклона склона здесь незначительно. Наибольшее влияние на величину С при ливнях имеют плотность почвы, количество осадков, форма русела и интенсивность осадков, причем, от агрофона к агрофону значимость влияния факторов на формирование величин С изменяется. Так, на естественном кормовом угодье величина коэффициента Шези больше зависит от (факторы расположены в порядке уменьшения их значимости) плотности почвы, интенсивности осадков, температуры воды и длины склона, а на пропашных от количества осадков, плотности почвы, интенсивности осадков и гранулометрического состава почвы, на пару - от длины склона, интенсивности осадков, времени от начала выпадения осадков и влажности почвы, на многолетних травах - от длины склона, гранулометрического состава почвы, уклона склона и времени от начала выпадения осадков.
Анализ изменения коэффициента шероховатости (n) для талого стока, вычисленного по формуле Шези- Маннинга, показал, что максимальные его значения наблюдаются на озими. На зяби наблюдается максимальная изменчивость величины коэффициента шероховатости в створе измерений. Наименьшая величина коэффициента шероховатости отмечена на многолетних травах, здесь и изменчивость этой величины в створе незначительная. Максимальное из наблюденных значений коэффициента шероховатости на черноземах на лессах составило: для зяби - 0,202, для озими - 0,18, для многолетних трав - 0,151, на черноземах на песках для зяби - 0,049 на черноземах типичных на легких суглинках 0,097, на серых лесных почвах 0,378. Вероятность того, что величина коэффициента шероховатости превысит 0,1 составляет 9,6 %, в то время как с гарантией в 52 % можно утверждать, что его величина не превысит 0,05.
При ливнях коэффициент шероховатости изменяется от 0,000907 до 0,367 при Cv=1,18. Здесь абсолютный максимум n наблюдается на пару, вариация n здесь минимальна, а наибольшая вариация n наблюдается на выравненных уплотненных поверхностях (0, 002-0,091) при Cv = 1, 5-1,7. В общем, вероятность того, что n превысит 0,1 составляет 13,1%.
Диапазон изменения величин турбулентного трения при талом стоке составил 0, 000061-95,0 Н/м2. Вероятность того, что величина t превысит 10 Н/м2 составляет 19,2 %. В нашем случае нулевые значения мутности не отвечали минимальным касательным напряжением в потоке, 1/3 наблюдений, при которых наносы не транспортировались, приходились на диапазон величин турбулентного трения 1, 47-1,72 Н/м2, что наблюдались, в основном, на озими в утренние время при возобновлении стока воды по размоинам по еще не оттаявшей почве. Обеспеченность больших значений турбулентного трения выше на озимых, далее идут многолетние травы и зябь, в то время как для вязкостного трения, наоборот, максимальные значения преимущественно наблюдаются на зяби, на озими значения вязкостного трения выше, чем на зяби в области очень редких повторяемостей. Вероятность превышения вязкостным трением турбулентного выше на многолетних травах, далее идет зябь, на озими вероятность того, что вязкостное трение превысит турбулентное минимальная.
Вязкостное трение при ламинарном режиме меньше, чем при других режимах движения воды, однако именно при ламинарном режиме и близкому к нему наблюдается превышение вязкостным трением турбулентного трения.
Величина турбулентного трения при ливнях изменялась в пределах 0,000424 - 25,87 Н/м2, при Cv = 1,18. Вероятность того, что турбулентное трение превысит 5 Н/м2 составляет 36,4 %, 10Н/м2-15 %.
Величина вязкостного трения при ливнях составляла 0,00344 - 0,16 Н/м2 при Cv=0,80. Вероятность того, что вязкостное трение превысит 0,065 Н/м2 составляет 2,8%, а 0,05 Н/м2-7,5%. В процентном отношении вязкостное трение составляет от турбулентного 0,024-4022 %, в 5,6 % случаев вязкостное трение превышает турбулентное, в других случаях вязкостное трение составляет от турбулентного не более 88 %. Причем, в 86 % случаев величины вязкостного трения составляют от турбулентного не более 7 %. При ливнях вероятность появления больших значений турбулентного и вязкостного трение выше, чем при талом стоке.
При ливнях максимальные величины турбулентного и вязкостного трения наблюдаются на естественном кормовом угодье и на многолетних травах. На пропашных величина турбулентного трения не превышает 3,6 Н/м2, а на пару 8,9 Н/м2. Здесь t в 40% случаев превышает 5 Н/м2, в то время как на естественном кормовом угодье величина t в 13 % случаев превышает 10 Н/м2, а в 31,7% случаев - 5 Н/м2, на многолетних травах в 53 % случаев величина t превышает 10 Н/м2, а в 70,6 % случаев 5 Н/м2.
Величины турбулентного трения, которые наблюдаются, практически всегда превышают предлагаемые в литературе критические величины. На формирование турбулентного трения при талом стоке влияют в основному агрофон и тип снеготаяния.
При ливневом стоке вероятность формирования больших величин турбулентного трения больше чем при снеготаянии. Здесь на формирование турбулентного трения большее влияние имеют агрофон, уклон склона и характеристики дождя (количество осадков, их интенсивность и др.). По частоте появления больших величин турбулентного трения при талом стоке агрофона можно расположить в следующий убываемый ряд: многолетние травы, зябь, озимь, при ливневом стоке: естественное кормовое угодье, многолетние травы, пар, пропашные.
Проведенные исследования показали, что несмотря на то, что вязкостное трение в большинстве случаев существенно меньше чем турбулентное влияние вязкостного трения на размыв не меньше, а в некоторых случаях и больше, чем турбулентного. Что, вероятно, связано с особенностями структуры талой воды при талом стоке, и взаимодействии нагретой солнцем почвы с холодной водой атмосферных осадков при ливнях.
Ручейковые потоки на склонах можно отнести к русловым сильно деформирующимся, поэтому к ним также может быть применен аппарат изучения русловых процессов на реках. Возможность применения соотношений, которые характеризуют морфометрию и стойкость речных русел к склоновым потокам вытекает из вывода, сделанного Н.А. Ржаницыным (1985) на основе анализа натурных данных: плановые формы русловых образований естественных русловых потоков любых размеров, которые формируются в процессе свободного меандрирования между руслом (грунтами ложа) и потоком, геометрически подобны друг другу.
В отличие от рек, начало формирования и все стадии развития которых человек не в состоянии проследить натурно, стадии формирования ручейковой сети на склонах проследить легко. Так, (если одновременно со снеготаянием не выпадает дождь) в связи с тем что нижняя часть склонов прогревается лучше, а также в силу действия законов гравитации (потоки влаги в снеге и под снегом по еще не оттаявшей почве направлены в понижения рельефа) первоначальное формирование ''русловых'' размывов наблюдается в нижней части склона, потом, по мере таяния снега и почвы, зона ''русловых'' размывов продвигается вверх по склону. Так, на озими за двое суток стока зона ''руслового'' размыва продвинулась вверх на 60 м. Причем, на ниже расположенных участках изменился характер русловых форм. Если в начале наблюдений в верхней зоне ''русловым'' размывам характерные были практически прямолинейные очертания, то после продвижения зоны вверх здесь наблюдались извилистые формы типа меандр, а на нижних участках склонов начали образовываться побочни и осередки, т.е. вместе с зоной ''русловых'' размывов продвигаются и русловые формы. Временной фактор здесь играет важную роль. Время существования стока зависит от запасов снега на полях, глубины промерзания почвы, типа снеготаяния и других, что в свою очередь, определяет то каких стадий морфогенеза достигнут русловые образования на склоне. Поэтому исследовать морфогенез русловых форм на склонах целесообразно, как во времени, так и в пространстве, причем здесь особое значение приобретает определение обеспеченности (вероятности появления) тех или других величин морфометрических характеристик на разных элементах рельефа и в связи с изменчивостью других определяющих факторов формирования стока.
Максимальные глубины потоков при снеготаянии были в пределах 0,004-0,11 м, вероятность того, что максимальная глубина превысит 0,05 м составляет 8,7 %. Диапазон изменения ширины потоков (В) составил 0, 02-7,11 м, причем, самые широкие потоки отмечались на супесчаных и суглинистых почвах, самые узкие - на тяжелосуглинистых. Диапазон изменения B/h (h- средняя глубина потока) составил 1, 14-444,4 , в 28,5 % случаев величина B/h менее 7, в этом случае поток нельзя считать плоским, причем на многолетних травах в 17% случаев B/h<7 , на озимых - в 36% и на зяби - в 25 % . Поскольку травы создают подпор и оказывают содействие распластыванию потока, ручейки размыва на травах встречаются реже, скрепление почвы корнями растений здесь крепче, стенки русела более устойчивые, что и определяет их более распластанную форму. На зяби почва более распылена и не сдерживается корнями растений, поэтому и процент случаев не распластанных потоков здесь больше, чем на многолетних травах.
Прослеживается некоторая связь вероятности появления величин B/h<7 с разновидностью почв и грунтов. Так, на мергелях величин B/h<7 не наблюдалось вообще, на черноземах обыкновенных на слабомощных лессах, подстилаемых мергелем вероятность появления величин B/h<7 составляет 18,8 %, на черноземах на песках - 6 %, на черноземах обыкновенных на лессе - 30,8 %, на серых лесных почвах 35%, на черноземах типичных 30%. По всей видимости, распределение величин вероятности превышения здесь связано с плотностью и гранулометрическим составом почв. Из всех исследуемых почв и грунтов наиболее плотными являются мергели, но они также имеют и наиболее комковатую структуру, в то время как серые лесные почвы имеют значительную плотность, но верхний их пласт сильно распылен, практически безструктурен.
С увеличением длины склона вероятность появления величин B/h<7 убывает, так при длине склона 0- 50 м вероятность того, что B/h<7 составляет 43,4 %, а при длине 150- 350 м - 19 %, т.е. ближе к водоразделу потоки менее распластаны.
С увеличением уклона склона вероятность появления величин B/h<7 убывает, при уклоне склона 10- 50Й - вероятность появления величин B/h<7 составляет 21,2 %, а при 100- 170 Й - 35,7 %, т.е. с увеличением уклона склона вероятность формирования более распластанных потоков увеличивается.
Диапазон изменения критерия устойчивости русел по И.Ф.Карасеву (1983) (=B/h, -коэффициент гидравлического сопротивления) при талом стоке составил 0, 00335-105,5, при этом <4,5 наблюдалось в 56 % случаев, а >9,5 - в 18 %. С увеличением уклона склона вероятность формирования потоков с >9,5 возрастает, а потоков с <4,5 - убывает. Длина склона влияет на , но зависимость эта не однозначна. Вероятность формирования <4,5 на зяби больше чем на озими и многолетних травах, а >9,5 - наоборот - меньше. Наибольшие величины на многолетних травах, наименьшие - на зяби, т.е. наибольшая разветвленность русел на многолетних травах.
При снеготаянии: агрофон на распластаность потоков влияет слабо, только на многолетних травах обеспеченность B/h немного выше, чем на других агрофонах. В то время как на обеспеченность критерия устойчивости агрофон влияет. Так, если при обеспеченностях 40- 100% величины на озими имеют наибольшие обеспеченности, а на зяби - наименьшие, то при обеспеченностях 0- 5% наоборот.
Тип почвы влияет на величину B/h, наибольшую обеспеченность имеют потоки на черноземах на песках, в средней части кривой - на серых лесных почвах, в зоне малых обеспеченностей - потоки на мергелях и черноземы на мергелях. Наименее распластанными оказались потоки на черноземе типичном на легком суглинке и на черноземе обыкновенном на лессе.
Критерий устойчивости также зависит от типа почв. Так, в зоне малых обеспеченностей (0-10%) наибольшую обеспеченность имеет на серых лесных почвах, т.е. здесь потоки могут быть более разветвленные, потом идут черноземы на мергелях и черноземы на песках, в зоне же больших обеспеченностей (50-100%) наибольшую обеспеченность имеют потоки на черноземе типичном, потом идут серые лесные, мергели, чернозем на лессе, чернозем на песках и чернозем на мергелях.
Влияние режима потока на B/h выражено слабо, однако, можно утверждать, что при 700<Re<5000 обеспеченность величин B/h немного выше, чем при других режимах. В зоне редких повторяемостей ( 0-30%) обеспеченность больших значений B/h для Re>5000 наименьшая.
На величину влияние режима потока более выражена, чем на B/h, так при ламинарном режиме обеспеченность выше (только в зоне очень больших вероятностей 80- 100% ниже), чем при переходном и турбулентном.
Состояние потока (по числу Fr) влияет на величину B/h, так при бурном состоянии течения вероятность появления распластанных потоков выше, чем при спокойном. Лишь в зоне 25- 40% кривые обеспеченности совпадают.
При бурном режиме обеспеченность ниже, чем при спокойном.
Мутность воды на распластанность потоков влияет, однако это влияние не выражено прямо. Так, при нулевой мутности вероятность того, что русло окажется не распластанным составляет 42%. Вероятно, это связано с протеканием воды по ледяной корке. Наиболее низкая обеспеченность нераспластанных русел (23 %) наблюдается в диапазоне мутности 0, 018-2,0 кг/м3, что говорит скорее всего об интенсивном увеличении расходов воды в этот момент. Увеличение нераспластанных русел при мутности 2,0- 5,0 кг/м3 и 5,0-10,0 кг/м3 (соответственно 31 % и 36 %) скорее всего говорит об усилении врезания русел при увеличении транспортирующей способности потоков. Уменьшение нераспластанных русел при мутности 10, 0-99,99 кг/м3 скорее всего говорит о насыщенности потоков наносами в пределах их транспортирующей способности.
Тип снеготаяния влияет на величины B/h и . Так, при солярно- адвективном типе снеготаяния обеспеченность распластанных потоков ниже (59,4 %), чем при других типах снеготаяния, наибольшая обеспеченность распластанных потоков (B/h>7) (83 %) наблюдается при адвективном снеготаянии.
Для величин их обеспеченность при адвективном снеготаянии всегда меньше, чем при солярном, в то время как обеспеченность величин при солярно- адвективном снеготаянии неоднозначна, в области больших обеспеченностей ( 10-100%) она ниже, чем при других типах снеготаяния, а в области более редких повторяемостей - выше.
Изменчивость величин B/h при снеготаянии значительна, как по длине склона, уклону склона так и по агрофонам, типам почв и типам снеготаяния. Тоже наблюдается и для . Однако, здесь изменчивость по типам почв наименьшая.
При ливнях максимальная глубина потоков изменялась в пределах 0,003-0,08 м при Cv = 0,77. В 5% случаев максимальная глубина потоков превысила 0,05 м. Диапазон изменения ширины водотоков составил 0,019 - 3,0 м, Cv =1,41. Причем, самые широкие потоки отмечались на многолетних травах и естественном кормовом угодье, а самые узкие - на пропашных.
Диапазон изменения величины B/hср при ливнях составляет 3, 17-128,8, в 7,5% случаев B/h<7. Причем, вероятность формирования потоков с B/h<7 на многолетних травах составляет 5,9%, на естественном кормовом угодье 6,67%, на пару 26,7% на зерновых колосовых не распластанные потоки не формировались.
При ливнях агрофон значительно влияет на распластанность потоков. Наибольшая обеспеченность B/h наблюдается на многолетних травах, далее идут пропашные, зерновые колосовые, полевая дорога, наименьшая обеспеченность B/h отмечена на паре и естественном кормовом угодье.
На величину агрофон также значительно влияет, здесь агрофона в порядке убывания обеспеченности располагаются в следующей последовательности: многолетние травы, пар и пропашные, полевая дорога и зерновые колосовые, наименьшая обеспеченность на естественном кормовом угодье.
Тип почвы влияет на B/h , наибольшая обеспеченность величин B/h, наблюдается на серых лесных почвах, потом идут черноземы на лессах, на песках, на мергеле и мергеле. На серых лесных почвах и на черноземе на песках величин B/h<7 не наблюдалось.
На критерий устойчивости тип почва также влияет. Наибольшая обеспеченность отмеченная на черноземе на лессе, т.е. здесь можно ожидать более разветвленные русела, потом идут серые лесные, чернозем на мергеле, чернозем на песках и мергеле.
Режим потоков влияет на B/h, наибольшей обеспеченностью здесь отличаются ламинарный и турбулентный режим.
На обеспеченность режим потока также влияет. Причем, в зоне меньших повторяемостей (0-50%) обеспеченность выше при ламинарном режиме, в зоне 60- 100% - при турбулентном. При переходном режиме обеспеченность наименьшая.
Состояние потока влияет на величину B/h, только в зоне 80- 100% при бурном режиме обеспеченность B/h выше, а в зоне 0- 40% - ниже, чем при спокойном. Величин B/h<7 при бурном режиме не наблюдается.
На критерий устойчивости состояние потока влияет сильнее, чем на B/h. В целом, обеспеченность при бурном состоянии потока ниже, чем при спокойном, только в зоне 75- 100% вероятностей обеспеченность при бурном состоянии выше.
Влияние B/h на мутность воды не выражено прямо.
Прослеживается влияние уклона склона на величину B/h, с увеличением уклона склона изменчивость B/h уменьшается. Изменчивость величин B/h по агрофонам и типам почв разная, наибольшие величины коэффициентов вариации (Cv) отмечены на многолетних травах и пару, наименьшие - на зерновых колосовых и полевой дороге. По типам почв наименьшие величины Cv наблюдались на черноземе на лессе и на черноземе на мергеле.
Изменчивость величин больше, чем B/h, здесь также прослеживается некоторая связь с уклоном склона, по агрофонам и разновидностям почв Cv резко отличаются. Наибольшие величины коэффициентов вариации (отмеченные на пару и зерновых колосовых, наименьшие - на полевой дороге и пропашных. По почвенным разностям наибольшая изменчивость отмечена на черноземе на лессе, наименьшая на мергеле и серых лесных почвах.
Склоновые потоки при ливнях с большим основанием можно считать плоскими, чем при талом стоке. Не плоские потоки ( B/h<7) при талом стоке чаще всего встречаются на многолетних травах, дальше идут озимь и зябь. При ливнях же меньше всего встречается величин B/h<7 на многолетних травах и естественном кормовом угодье, на пару неплоские потоки встречаются чаще всего.
Ближе к водоразделу потоки менее распластаны.
При талом стоке с увеличением уклона склона распластанность потоков увеличивается. При ливнях зависимость величин B/h<7 от уклона склона менее четкая.
Как и для рек, форма русла склоновых потоков зависит от расхода воды, в то время как выявленные для рек зависимости B/h от мутности для склоновых потоков проявляются слабо. Причем, дифференциация склоновых потоков по происхождению, что сказывается на особенностях руслоформирования, отражается и на степени соответствия особенностей взаимосвязей формы русела с определяющими факторами, выявленными для рек и для склоновых водотоков. Так, выявленные особенности формирования формы русела при ливнях более отвечают аналогичным исследованиям для рек.
В силу отличий в генезисе талого и ливневого стока наблюдаются отличия и во влиянии факторов на распластанность и стойкость русел склоновых водотоков. Причем, для B/h этих отличий больше, чем для , вероятно здесь нивелирующим фактором является гидравлическое сопротивление, которое учитывается в формуле. На распластанность водотоков при талом стоке агрофон практически не влияет, при ливнях же влияет, режим потока при талом стоке влияет слабо, при ливнях - существенным образом, в то время как состояние потока при талом стоке влияет на величину B/h , а при ливнях практически не влияет. Тип почв в обеих случаях влияет на формирование русел. Влияние мутности воды на распластанность русел сказывается не прямо, наблюдается изменение формы кривых обеспеченности относительной ширины русел для разных диапазонов мутности воды.
На критерий устойчивости и при ливнях и при талом стоке влияют агрофон, тип почвы и режим потока. Только состояние потока при ливнях имеет меньшее влияние на , чем при талом стоке.
Тип снеготаяния влияет на формирование русел склоновых водотоков.
Диапазон изменения внешнего масштаба турбулентности L для склоновых потоков при снеготаянии лежит в пределах от 0,0025 до 1,8 м при Cv 1,59. Диапазон изменения микромасштаба турбулентности лежит в пределах от 0,00041 м до 0,0235 м при Cv =1,9.
Влияние длины склона до места измерения и уклона склона на величины масштабов вихрей в склоновых водотоках неоднозначно, но в целом, наблюдается тенденция уменьшения масштабов вихрей с увеличением длины и уклона склона. Наибольшие величины микромасштаба вихрей отмечаются на озимых, дальше идут зябь и многолетние травы, а наибольшие величины масштабов больших вихрей отмечаются на зяби, потом идут многолетние травы и озимь. Наибольшие величины и изменчивость масштабов вихрей отмечаются на черноземах обыкновенных на лессах, наименьшие на серых лесных почвах.
При ливнях масштаб больших вихрей изменяется в пределах 0, 00143-0,299 м при Cv = 1,19. Микромасштаб турбулентности - 0, 0000355-0,000592, Cv=0,91. Максимальные величины масштаба больших вихрей наблюдались на естественном кормовом угодье, микромасштаб вихрей - на многолетних травах.
В некоторых случаях величины, которые характеризуют энергетическое состояние склоновых потоков превышают те же характеристики для рек.
В наших исследованиях диссипация энергии () при талом стоке изменялась в пределах 1,8 10-7-1,903 м2/с3 при коэффициенте вариации Cv = 1,53, при ливнях - 6,4 10-6 - 0,814 при Cv=1,23.
Большие, в сравнении с реками, величины диссипации энергии в склоновых водотоках говорят о более интенсивном переходе механической энергии в тепловую.
Наибольшие величины диссипации энергии при талом стоке отмечены на озими, здесь также наблюдается и ее наибольшая изменчивость. На многолетних травах величины и изменчивость диссипации энергии минимальные. С длиной склона величины увеличиваются. Влияние уклона склона на величину неоднозначно.
Наибольшие величины диссипации энергии при ливнях наблюдаются на естественном кормовом угодье и многолетних травах. С длиной склона явной связи не прослеживается. С увеличением уклона склона диссипация энергии растет.
Анализ эмпирических кривых обеспеченности дифференцированных по характерным диапазонам влияющих факторов, показал следующее.
Агрофон влияет на величину диссипации энергии. Так, если при талом стоке агрофона в порядке убывания величины диссипации энергии располагаются следующим образом: озимь, зябь, многолетние травы, то при ливнях - естественное кормовое угодье, многолетние травы, пар, полевая дорога, пропашные и зерновые колосовые.
Тип почва также влияет на величину , однако среди подтипов почв расхождения слабеют. Так, при снеготаянии ряд почв в убывающем порядке значений величины диссипации энергии располагается следующим образом: чернозем типичный, серые лесные, чернозем обыкновенный на песках, чернозем обыкновенный на лессе, мергель, чернозем обыкновенный на мергеле; при ливневом стоке: мергель, чернозем обыкновенный на мергеле, чернозем обыкновенный на лессе, серые лесные и чернозем обыкновенный на песках. Если при талом стоке на мергелях и черноземе обыкновенном на мергеле величины минимальны, то при ливнях наоборот.
Тип снеготаяния также влияет на величину диссипации энергии. Так, при адвективном типе снеготаяния величина диссипации энергии наибольшая, при солярном типе снеготаяния - наименьшая, при солярно- адвективном типе снеготаяния принимает промежуточные значения.
Режим (по числу Рейнольдса Re) и состояние потока (по числу Фруда Fr) влияют на величины при обеих типах формирования стока. Так, при числе Рейнольдса Re > 5000 и Fr>1 максимально, при Re<700 и Fr<1 - минимально.
Примечательно, что в склоновых водотоках при снеготаянии температура воды при Re>5000 и частично при Fr>1 ниже, чем при других режимах и состояниях потока. При ливнях дифференциации кривых температуры воды по Re не наблюдается, а при Fr>1 температура воды немного ниже (температура воды при ливнях вообще выше, чем при снеготаянии).
Анализ кривых обеспеченностей рН воды и содержания химических элементов в воде склоновых водотоков при снеготаянии дифференцированных по режиму и состоянию потока показали, что при Re>5000 рН и содержание всех элементов в воде водотоков ниже, чем при Re<700. Для Fr>1 на черноземе обыкновенном на лессе рН воды ниже, чем при Fr<1, а для чернозема типичного на легком суглинке наоборот при Fr>1 рН воды выше, выше здесь и содержание в воде водотоков НСО3-. Содержание других элементов, как на черноземе обыкновенном, так и на черноземе типичном безусловно зависит от числа Fr, что отражается в расхождениях в форме кривых для разных состояний потоков. Однако, однозначно сказать при каком состоянии потока содержание веществ выше нельзя (рис.1, 2).
Агрофон и тип снеготаяния также влияют на содержание веществ в воде склоновых водотоков.
При ливнях же, наоборот, при Re>5000, а особенно четко это заметно при Fr>1 рН воды и содержание практически всех элементов выше, чем при ламинарном режиме и при спокойном состоянии, что говорит о преобладающем расходовании диссипирующей энергии при ливнях на химические реакции.
Кроме того, температурная обстановка при ливнях и талом стоке в корне отличается. При ливнях идет поступление холодной воды на прогретую солнцем почву, а при снеготаянии наоборот, более теплая вода поступает на промерзлую почву.
Расход тепла при диссипации энергии при талом стоке направлен, преимущественно, на оттаивание ложа ручейка, а при ливневом стоке - на протекание химических реакций.
При рассмотрении факторов, которые имеют влияние на мутность воды выявлено, что наличие турбулентного режима течения еще не означает интенсивный размыв почвы, тогда как наличие бурного состояния потока практически всегда сопровождает интенсивный размыв (рис.3, 4).
Эмпирические зависимости мутности воды склоновых водотоков от факторов, которые предопределяют сток и смыв, по годам отличаются как набором факторов так и степенью их влияния. Для талого стока наиболее значимыми оказались такие факторы как длина и уклон склона, глубина оттаивания почвы, температура воды, турбулентное трение, гранулометрический состав почвы. При ливнях наиболее значащими являются турбулентное трение, диссипация энергии, длина склона, агрофон, интенсивность осадков.
При введении в эмпирические модели для определения мутности воды переменных, характеризующих химический состав воды, качество зависимостей существенным образом улучшается. Особенности изменения мутности воды в склоновых водотоках, как при снеготаянии так и при ливнях свидетельствуют о необходимости проводить дифференциацию моделей по агрофонам или типам почв. При этом целесообразно учитывать химический состав воды, которая существенным образом влияет на разрушение почвенной структуры.
Диапазон изменения гидродинамических характеристик в склоновых водотоках при дождевании меньше, чем при выпадении естественных ливней, меньше и их энергетический потенциал. Здесь формируются, в основном, распластанные потоки. Вязкостное трение при орошении дождеванием относительно выше, чем при ливнях и менее изменчиво, чем турбулентное. Разность в их величинах здесь меньше, чем в естественных потоках, не редки случаи превышения вязкостным трением турбулентного. В бурном состоянии такие потоки находятся часто, однако величины чисел Рейнольдса редко достигают 5000.
Потоки, формирующиеся при орошении напуском, как правило, спокойные, режим течения ламинарный или переходной, наносы транспортируются преимущественно в близи дна. Диапазон изменения гидродинамических характеристик при орошении напуском ниже, чем у естественных водотоков, однако сопоставимы с изменчивостью характеристик водотоков, которые сформировались при дождевании. Распластанность русел при орошении напуском меньше, чем при орошении дождеванием, число Фруда в них также ниже, случаев превышения вязкостным трением турбулентного не зафиксировано.
Раздел 4. Гидрохимические процессы в склоновых водотоках. Содержание веществ в склоновом стоке определяется местом отбора проб и динамическими особенностями водотоков на момент отбора проб. Мера тесноты этих зависимостей колеблется, как для разных химических элементов, разных поверхностей, так и для разных погодно- климатических условий. В разных условиях формирования степень влияния факторов на содержание веществ в склоновых водотоках изменяется. Среди динамических характеристик наибольшее влияние на содержание веществ в склоновых водотоках имеют факторы гидравлического сопротивления.
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).
Раздел 5. Взаимодействие гидродинамических и гидрохимических факторов эрозионно-акумулятивного процесса в склоновых водотоках. Содержание веществ в воде склоновых водотоков разного генезиса зависит от динамических характеристик потоков. Сравнение разных зависимостей содержания веществ в воде склоновых водотоков при снеготаянии построенных по данным наблюдений 2003 года от содержания веществ в почве и снеге , а также от гидравлических характеристик потока показали (табл. 1-3), что общие модели, которые содержат комплекс разнообразных показателей (гидрохимических, гидравлических, почвенных) имеют большую
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)
Показатели адекватности | pН | НСО3- | Cl- | NO3- | Ca2+ | Mg2+ | Na+ | NH4+ | Сухой остаток | P | hmax |
Относительная ошибка | 62,5 | 43,65 | 24,9 | 12,4 | 36,0 | 24,7 | 53,2 | 32,6 | 79,7 | 77,7 | 43,3 |
Абсолютная ошибка | 39,3 | 54,8 | 16,3 | 33,6 | 45,3 | 23,4 | 62,1 | 19,4 | 75 | 72,3 | 0 |
Коэффициент корреляции | 2,83 | 4,62 | 9,33 | 14,1 | 3,58 | 47,3 | 55,9 | 14,6 | 20,6 | 36,9 | 7,29 |
Критерий качества | 40,3 | 54,8 | 14,8 | 33,8 | 45,3 | 23,5 | 62,2 | 19,3 | 44 | 72,3 | 16,2 |
Определение мутности воды по гидравлическим характеристикам точнее, чем по гидрохимическим, однако, модель, которая вмещает и гидравлические и гидрохимические показатели является лучшей. Определение содержания веществ в воде водотока, его мутности и максимальной глубины по содержанию веществ в почве показывает меньшую адекватность, чем определение по содержанию веществ в воде водотока.
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 SO42- 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 SO42- 50- 500 мг/дм3 количество продуктов коррозии возрастает, дальнейшее увеличение концентрации SO42- 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-, SO42-, CO32-, 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.
h
L
Lv Lo Lот Lкр Lот Lкр
Lв1 Lн1 Lв2 Lн2 Lв3
Рис. 6. Идеальная схема размыва склона водотоком по длине.
(h - глубина размыва, L - длина склона от водораздела)
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 - ой точке есть функция:
hi = ctgf(Lv,Lo,Li) + k , k=0,1,2Е (1)
где L - длина отрезка в -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,ioc,Q, агрофон) (2)
где ск - уклон склона , oc - интенсивность осадков , Q - расход воды.
Lo = f(L, cк, N, d, свойства почв, агрофон) (3)
где N - мощность потока, d - диаметр почвенных агрегатов.
Lот = f(dср, Q, dmin, Icк ), (4)
где dmn, dср - минимальный и средний диаметр взвешенных частиц.
На рис.6 Lв - длина при которой мутность Р равняется транспортирующей способности, с этой длины начинается отложение наносов, здесь h = hmax (hmax - максимум глубины потока по длине склона), Lн - длина, при которой Р перешла нижнюю границу мутности при данной энергетической способности и здесь она ниже транспортирующей способности. При Lв : Р = Рт, Р - мутность воды; Рт - транспортирующая способность потока.
В пределах от Lв до Lн : Р < Рт, причем Р в диапазоне Lот = Lв < L < Lн уменьшается, т.е. наносы выпадают из потока.
В диапазоне от Lн 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 Й и длине Lo= 7м.
Lкр = f(Q, N, Co, Eh, pН, t, Е) (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; mn- при минимальном, max=...и mn=...- соответственно максимальное или минимальное влияние при указанном содержании веществ)
Показатель, относительно которого содержание веществ критично | Характеристика | Талый сток | ивневый сток | ||
Обеспечивается максимум показателя | Обеспечивает-ся минимум показателя | Обеспечивается максимум показателя | Обеспечивает-ся минимум показателя | ||
Максимальная глубина воды, м | РН | 7-7,7 | 6,4-6,6;7,5-8,0; max =7,7 | min, max, 6,8 | |
HCO3-, мг/дм3 | 74,6 | 110 | |||
Cl-, мг/дм3 | 7,29-11,16 | 19,0 | 15-40, max=35,0 | ||
SO42-, мг/дм3 | max | min | 73-110; max=95,0 | ||
Ca2+, мг/дм3 | 4-28 | 30-35 | 0-80,max=63 | ||
Mg2+, мг/дм3 | 0-38,max=23 | max | |||
Na+, мг/дм3 | 0-3,77 | 6,33-9,36 | 4,4-43, max=38 | 55-80 | |
K+,мг/дм3 | 0,5-2,1 | 7,0; max | |||
NO3-, мг/дм3 | 5,03 | 9,1-11,55 | 49,2 | max | |
NH4+, мг/дм3 | 1,5-3,5 | min | min | max | |
Сухой остаток, г/дм3 | 0,118 | 0,42-0,46 | |||
Мутность воды, г/м3 | РН | 7,3-8,5 | 7,8; 6,5-8 | ||
HCO3-, мг/дм3 | 62,6-119,7 | min; 12,2 | 90-135; max=110 | 0; 140 | |
Cl-, мг/дм3 | 11,15-13,7; 17,5-22,5 | 3,5; 15,38; 26,4 | 30-50; max=36 | ||
SO42-, мг/дм3 | 15,97 | min | 95 | min; 18-22 | |
Ca2+, мг/дм3 | 20-30; 45 | 10;34-35 | 20-110; max=67 | ||
Mg2+, мг/дм3 | 0-32; max=23 | ||||
Na+, мг/дм3 | 0,3-1,8; 7,09-10,1; 16,14 | 4,07; 12,37 | 20-40; max=37,4 | ||
K+,мг/дм3 | 1,5-3 | ||||
NO3-, мг/дм3 | 7,5-14,0 | 43,8 | max | ||
NH4+, мг/дм3 | 0-1;1,8;3,5 | 1,3-1,4;2,5-3 | max | min | |
Сухой остаток, г/дм3 | 0,141-0,234 | max | 0,44 | ||
Таблица 5.
Критические величины содержания веществ в склоновых водотоках, формирующиеся при орошении (max - при максимальном содержимом веществ; mn- при минимальном, max=...и mn=...-соответственно максимальное или минимальное влияние при указанном содержании веществ)
Показатель, относительно которого данное содержание веществ критично | Характерис-тика | Орошение Волжанка | Орошение напуском | ||
Обеспечивается максимум показателя | Обеспечивается минимум показателя | Обеспечивается максимум показателя | Обеспечивается минимум показателя | ||
Максимальная глубина воды, м | РН | 7,68 | max | ||
HCO3-, мг/дм3 | 240-250 | 188,42 | |||
Cl-, мг/дм3 | 266, max (292) | 270 | min | ||
SO42-, мг/дм3 | 525,6 | 430-450 | max | ||
Ca2+, мг/дм3 | 0-250 | ||||
Mg2+, мг/дм3 | 80-90 | 60-70 | 60; max | ||
Na+, мг/дм3 | max | 130-150 | max | min | |
NO3-, мг/дм3 | 19,98-41,9 | 34,24 | max | ||
NH4+, мг/дм3 | 0,35-0,45 | ||||
Сухой ост-аток,г/дм3 | max | 1,6; max | min | ||
Мутность воды, г/м3 | рН | 7,4-7,5;8,3-8,4 | 8,17-8,40 | ||
HCO3-, мг/дм3 | 230-250 | max | min | ||
Cl-, мг/дм3 | 247; max | 266 | 275-290 | min | |
SO42-, мг/дм3 | 525,6 | 180-230 | 280-300 | ||
Ca2+, мг/дм3 | 163-175 | max | min | ||
Mg2+, мг/дм3 | 84-87 | 82-97 | |||
Na+, мг/дм3 | 25-35; 190-200; max | 70-80 | max | min | |
NO3-, мг/дм3 | 25,1;64,0 | 26-31,56 | |||
NH4+, мг/дм3 | 0,21; max | 0,4-0,5 | |||
Сухой остаток, г/дм3 | 1,1; 1,54 | 1,28-1,32 | max | min | |
на почвы (о чем говорилось выше). Наиболее разные между собой критические величины для стока при орошении и талого стока, критические величины для ливневого стока занимают промежуточное положение. Для одних веществ они ближе к талому стоку (как, например, для НСО3-) для других - к стоку при орошении (на пример, NO3-). Имея уравнение зависимости изменения содержания химических веществ по длине склона, по таблицам критических величин содержания веществ можно определить в каком месте на склоне влияние химической составляющей на размыв максимально.
Полученные выводы говорят о необходимости учета химической активности склоновых водотоков при создании методик проектирования противоэрозионных сооружений. Поскольку на коротких участках склона, которые создаются при противоэрозионной организации территории, химическая составляющая имеет большее влияние на размыв, чем динамическая.
Основной конечной целью исследований изменения характеристик стока и смыва по длине склона является определение мест на склоне с максимальным и минимальным размывом, где вероятность разрушения почв или сооружений соответственно максимальна или минимальна. Для ее решения целесообразно применить методы оптимизации (в частности симплекс- метод) в комплексе с эмпирическими и полуэмпирическими моделями смыва и стока.
Алгоритм решения можно представить в таким образом. Оптимизируется продольная площадь размыва по длине склона. При оптимизации на минимум определяются места на склоне, где размывов не будет. При оптимизации на максимум определяются места на склоне, где будет наблюдаться интенсивный размыв.
Склон по длине, как сказано выше делится на 4 зоны, которые имеют отличия в формировании размыва.
Тогда продольная площадь размыва (W) будет определяться целевой функцией:
W = C1Lv+C2Lo+C3Loт +n(C4Lкp+C5Loт) mn (max) (6)
Система ограничений включает следующие уравнения:
1) Ограничение по длине склона:
Lv+Lo+Lот +n(Lкр +Loт) = Ls (7)
- Ограничение по глубине базиса эрозии:
Lv+C2Lo+C3Loт +n(C4Lкp+C5Loт) ≤ HLs (8)
C1 = 0 (9)
0=C2=hm1 (10)
0=C3=hm1 (11)
C4=hm2 (12)
0=C5=hm2 (13)
- Ограничение по транспортирующей способности потока
C4Lкр-C5Lот ≤0 (14)
где Сi - коэффициенты, по физическому содержанию соответствующие осередненй максимальной глубине размыва на участке; n - число периодов чередования зон критического размыва и отложения наносов. зависит от длины склона, количества и интенсивности осадков, агрофона и др.; Ls - длина склона; Н - падение склона; hm1 - максимальная глубина размыва в зоне соответствующей начальной длине размыва, переменная величина, которая зависит от химического состава воды, динамики потока, характеристик подстилающей поверхности и др.; hm2 - максимальная величина размыва в зоне критического размыва, также переменная величина, которая зависит от динамики потока, гранулометрического состава почвы, химического состава воды и др.
Данная система уравнений содержит 3 неизвестных, что определяются эмпирическим путем (n, hm1,hm2). В частности, число периодов можно определить по формуле:
n = X1X2X3X4X5; (15)
X1 = 10,04+7,5210-7Ls3,0;
X2 = 1,078Imin/(0,01166+Imin);
X3 = 1,179-0,001916Tnn3,0;
X4 = 0,8378+0,0004172Imax+222,9/Imax2;
X5 = 0,9771+0,00922af.
где max - максимальный уклон склона, Й; mn - минимальный уклон склона, Й, Tnn- разновидность почв и грунта ( 3-чернозем обыкновенный на лессе, 5 -чернозем обыкновенный на мергеле, 4- чернозем обыкновенный на песках, 6- мергеле; af - агрофон (1 - пар (зябь, для снеготаяния), 4 - естественное кормовое угодье, многолетние травы).
Относительная ошибка модели E = 3,0 %; абсолютная ошибка модели E1 = 0,117; коэффициент множественной корреляции r= 0,999; критерий качества модели s/ =0,049.
Поскольку процесс размыва и аккумуляции динамический и места наибольших размывов и отложений меняются в зависимости от количества осадков, их интенсивности, агрофона и т.п. необходимо проводить серию расчетов для выявления зон наиболее вероятного размыва и отложения наносов. Кроме того, при продолжительном периоде стока зоны размывов имеют тенденцию регрессивно передвигаться по потоку, что также может быть учтено эмпирически при последовательном пересчете.
Предложенный метод более динамичен и учитывает прерывистость процесса, в отличие от имеющихся. Привязка к длине склона разрешает использовать его при создании проектов землепользования с применением ГС - технологий.
Раздел 6. Вопросы применения эмпирико-статистических моделей гидродинамических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков при проектировании элементов организации территории землепользования. Оптимальное планирование территории землепользования и севооборотов в ней, рациональное проектирование надежных противоэрозионных мероприятий требуют прогноза количества смыва материала в зависимости от основных факторов, которые обуславливают явление.
Количество смыва материала зависит не только от агрофона, но и от последовательности их расположение. Потоки, которые стекают по склону, как правило, проходят через несколько агрофонов, а также через лесные полосы и дороги (в местах концентрации), изменяя свои параметры.
Анализ зависимости гидродинамических характеристик потоков от условий года и агрофона показал наибольшую зависимость от последних динамической скорости (v*) и коэффициента Шези, величины которых и предлагается использовать для оценки вариантов сочетания агрофонов и организации территории землепользования наряду с величинами стока наносов по длине склона.
Динамическая скорость потока (т.е. продольная составляющая веса столба жидкости, которая характеризует касательное напряжение в потоке) увеличивается в местах перехода к новому агрофону, при движении по агрофону она затухает, по всей вероятности вырабатывается устойчивый режим пульсаций.
Стабилизирующий эффект агрофона выражается на озимых в уменьшении динамической скорости в 1, 08-1 ,06 раз, на зяби - в 1,28 раз; на стерне многолетних трав- 1,25 раз.
При переходе же от одного агрофону к другому динамическая скорость увеличивается для сочетания многолетние травы - озимые в 1, 38-1,34 раза (в том числе и при наличии лесной полосы); при переходе от зяби к зяби (через дорогую) - в 1,15 раза.
По величине роста v* можно судить об эрозионной опасности сочетаний агрофонов, чем больше степень роста v*, тем опаснее сочетание. Критерием эрозионной опасности сочетания агрофонов может служить отношение динамической скорости потока после перехода на следующий агрофон (v*н) к динамической скорости до перехода (v*в):
Kv* = v*н/v*в, (16)
Если v*в>v*н - то опасности усиления эрозии нет, здесь Kv* <1. При v*н= v*у - изменений энергетической активности потока не наблюдается, Кv*=1. При v*в<v*н - сочетание агрофонов опасно, причем, чем больше разность, т.е. Kv*>1, тем более опасное сочетание.
Согласно исследованиям талого стока сочетание многолетние травы - озимь имеет величину Kv* = 1, 38-1,34, т.е. оно крайне опасно. Это явление обусловлено тем, что из многолетних трав сбрасывается большой объем осветленной воды по всей ширине полосы посева, так как почва под травами оттаивает меньше и медленнее, чем под другими агрофонами. Осветленная вода имеет значительный эрозионный потенциал.
По результатам исследований можно заключить, что наиболее опасно сочетание: многолетние травы - озимь, а также практически любые сочетания при переходе через дороги, наименее опасным из исследованных есть сочетание: зябь - многолетние травы.
Для прогноза v* по длине склона при разных агрофонах рекомендуется формула (С.В.Будник, В.Т.Малютяк,1997):
v*=0,0317(0,0828 + 0,662Af + 1,585/Af2)(1,066 - 0,00071L-
- 0,146/L)(1/(1,24 - 0,00893Ic + 0,0000713Ic2)), (17)
где v* - динамическая скорость (v*= , h - глубина воды в водотоке, м; - уклон водной поверхности; g- ускорение свободного падения, м/с2) м/с; Af - агрофон (его численные значения: 2- многолетние травы, 3- озимь, 4- зябь); L - длина склона,м; c - уклон склона, Й.
Относительная ошибка расчета по формуле составляет 6,8%, коэффициент множественной корреляции 0,88, критерий качества s/=0,48.
Сочетание озимые - зябь; многолетние травы - озимые - не устойчиво. Наиболее устойчивое сочетание зябь - многолетние травы.
Определение потенциального стока, смыва и максимальной глубины воды на склонах является основой для проведения ряда проектных выискиваний под строительство гидротехнических и водопропускных сооружений на склонах. Для этих целей, как правило, определение гидрологических элементов проводится для многолетних обеспеченных климатических величин осадков, температур и т.п. Кроме этого, определение гидрологических величин склонового стока важно при эксплуатации искусственных и естественных водоемов. В частности, при расчете водного баланса небольших водохранилищ, количества наносов, которые поступают в них, и т.п. Здесь уже расчеты, как правило, ведутся по месяцам согласно осадкам, которые поступают на водосбор. Четких методик отработанных конкретно для таких целей не существует. Существующие рекомендации для расчета потенциального стока и смыва со склонов с разной степенью эффективности применяются для целей защиты почв от эрозии, здесь в зависимости от скоростей течения, объемов стока, или в зависимости от объемов смытой почвы со склонов определяются расстояния между стокорегулирующими рубежами. Последний способ считается наиболее обоснованным, так как разрешает сразу оценивать результаты почвоохранной системы земледелия и эффективность разных мероприятий.
Проведенные нами исследования разрешают также предложить способ определения изменения расходов воды, мутности воды и максимальной глубины воды по длине склона. Предлагаемый способ позволяет определять гидрологические величины, как для конкретных условий года, так и для многолетних обеспеченных величин.
Расходы воды в склоновых водотоках при снеготаянии можно определить по зависимости (порядок расположения факторов в зависимостях определяет их значимость в модели):
Q = X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10; (18)
X1 = 0,006808-0,004214Tnn+0,0006954Tnn2;
X2 = 115,5hmax1,461;
X3 = 0,9523exp(0,009227/t);
X4 = 0,00161lp2,013exp(-0,02664lp);
X5 = 4,083Tch18,53exp(-7,065Tch);
X6 = 0,6742⋅1,131af;
X7 = 1,406⋅0,9944Ic;
X8 = 0,9971⋅1,001zo;
X9 = 1,256⋅0,96Ob;
X10 = 1,02exp(-0,6703/Ls),
где t - температура воды в водотоке, оС, af - агрофон (2- многолетние травы, 3- озимые, 4- зябь); hmax - максимальная глубина воды в водотоке, м; Tnn - разновидность почвы (2- серые лесные, 3 - чернозем обыкновенный на лессах, 4 - чернозем обыкновенный на песках, 5 - чернозем обыкновенный на слабомощном лессе, подстилаемом мергелем, 6 - мергель, 7 - чернозем типичный на легком суглинке; Tch - тип снеготаяния (2 - адвективный, 3- солярный, 4 - солярно- адвективный); lp - максимальная глубина промерзания почвы за зиму, см; Ls - длина склона от водораздела до створа измерения, м; c - уклон склона, Й; XS - сумма осадков за осенне-зимний период, мм.
E = 156,05 %, E1 = 0,000м3/с, r = 0,91, s/ = 0,42.
Мутность воды в склоновых водотоках при снеготаянии при наличии информации о химическом составе воды можно определить по следующей зависимости:
P = 0,001X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12; (19)
X1 = 5586-168,8HCO+5,68HCO2;
X2 = -43,81+13,45pHn-1,001pHn2;
X3 = 1,196-0,09144Nan0,5;
X4 = 4,487-4,375pn+1,298pn2;
X5 = 1,001+6,059Q-0,00002348/Q;
X6 = 1,182-0,0005074Ls-5,345/Ls;
X7 = 1,438-0,04507Na-0,07529/Na2;
X8 = -16,29+15,97Ic0,02;
X9 = 0,9204+1,927So1,5;
X10 = 1,065-0,0189af;
X11 = 0,9136+0,000000145XS2,5;
X12 = 0,9845+0,004564zo,
де HCO3 - содержание гидрокарбонатов в воде водотока, мг/дм3; Na - содержание натрия в воде водотока, мг/дм3; pHn Ц кислотность почвы; Q - расход воды в водотоке, м3/с; pn - плотность почвы, г/см3; Nan - содержание натрия в почве, мг/100 г почвы; So - критерий Траска-Крумбейна , d25, d75 - соответственно диаметр почвенных частиц 25% и 75% обеспеченности (сухое просеивание), мм.
E = 143,9%, E1 = 1,2 кг/м3, r = 0,82, s/σ = 0,58.
Максимальная глубина воды в водотоке может быть определена по следующей зависимости:
hmax = X1X2X3X4X5X6X7X8X9; (20)
X1 = 0,04742Ls/(89,09+Ls);
X2 = 1/(106,8-29,65pHn+2,071pHn2);
X3 = 1/(1,519-0,3286zo+0,0375zo2);
X4 = 1/(0,9581-0,008324Nan+0,0006553Nan2);
X5 = 1/(1,848-0,07068Ic+0,0009172Ic2);
X6 = 1/(1,603-0,03258lp+0,0003012lp2);
X7 = 1,02NO3n/(0,0002629+NO3n);
X8 = 1/(1,034-351700exp(-0,4985Wn));
X9 = 1/(-0,1211+0,01266XS-0,00003358XS2),
где Wn - влажность почвы, %.
E = 22,04 %, E1 = 0,001 м, r = 0,88, s/σ=0,48.
Оценку величины расходов воды склоновых водотоков, формирующихся при ливнях, рекомендуется вести по следующей зависимости.
Q = X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11; (21)
X1= 0,001287+3,06?10-10Ls3,0;
X2= 5228hmax2,507;
X3= 8,562?10-8tv9,485exp(-0,6178tv);
X4= 1/(0,8548+2,325exp(-11,56io));
X5= 1/(1,064-1,007exp(-9,756dcp));
X6= 1/(1,038-637,2exp(-3,333Tnn));
X7= 1/(1,157-0,0009179prx);
X8= 1/(0,8786+0,1594af-0,03123af2);
X9= 1/(1,078-0,01974X+0,000596X2);
X10= 1/(1,025-0,9756exp(-0,06976Ic));
X11= 1/(0,9766-0,06958imax+0,1324imax2),
где tv - температура воздуха, ос; o - интенсивность осадков в конкретный момент времени, мм/мин; Tnn - разновидность почв (2- серая лесная на лессе; 3- чернозем обыкновенный на лессах, 4 - чернозем обыкновенный на песках, 5 - чернозем обыкновенный на мергелях, 6 - мергели); prx - продолжительность выпадения осадков, мин; af - агрофон (1 - пар, 2 - многолетние травы, 3 - пропашные, 4 - естественное кормовое угодье, 5 - полевая дорога, 6- зерновые колосовые); X - количество осадков, мм; max - максимальная интенсивность осадков, мм/мин.
E = 71,1%, E1 = 0,000 м3/с, r = 0,96, s/=0,26.
Определить величину мутности воды водотоков, которые формируются при ливнях можно по следующей зависимости.
P = 0,001X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13; (22)
X1 = 124700-59230Tnn+7182Tnn2;
X2 = 0,4592+0,000627bp+28,17/bp;
X3 = 0,9532+0,00006591τt3,0;
X4 = 1,26-4,101/(B/h);
X5 = 1,136-1,356Coo-0,00003056/Coo2;
X6 = 0,9449+76200Ls-4,0;
X7 = 0,6522+0,03084Clo-0,0005838Clo2;
X8 = 0,8277+0,0004392prx+8,294/prx;
X9 = 1,032-0,05367SO4n-0,5;
X10 = 1,035-3,556Wn-1,5;
X11 = 0,9632+9496Ic-4,0;
X12 = 1,034-0,005622Nao-0,5;
X13 = 1,007-0,0005393Nan1,5,
где t - турбулентное трение, Н/м2; Соо - сухой остаток в водной вытяжке из почвы, г/100 г ; Clo - содержание хлоридов в атмосферных осадках, мг/дм3; SO4n - содержание сульфатов в почве, мг/100г; Wn - влажность почвы, %; Nao - содержание натрия в атмосферных осадках, мг/дм3; Nan - содержание натрия в почве, мг/100 г.
E = 37,6%, Е1=1,04 г/м3, r=0,94, s/σ=0,34.
Максимальную глубину воды можно определить по следующей эмпирической зависимости
Для пара
hmax = X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10; (23)
X1= 1/(4668-267,2Wn+3,851Wn2);
X2= 1/(0,9773+1,225dcp-3,492dcp2);
X3= 1/(0,9781+26,6exp(-0,3077prx));
X4= 1/(4,258-22,66So+38,81So2);
X5= 1/(1,061-0,00251bp);
X6= 0,4909imax-0,3854exp(0,8199imax);
X7= 1,035Ls0,009268exp(-0,00218Ls);
X8= 1/(1,068-11070exp(-15,5pn));
X9= 0,2131Ic0,467exp(-0,005333Ic);
X10= 0,9666X0,014,
где bp - время от начала выпадения осадков к моменту измерения, мин; pn - плотность почвы, г/см3.
E= 16,7 %; E1=0,001 м; r=0,965; s/=0,26.
Для многолетних трав
hmax = X1X2X3X4X5X6X7; (24)
X1= 0,02582-0,00002245Ls+9,754/Ls2;
X2= 0,5971+7,162io-12,03io2;
X3= 1,374-0,4718dcp-0,006346/dcp2;
X4= 1,779-0,01676bp+0,0000695/bp2;
X5= 1,066-0,0003419So-4,0;
X6= 1,056-0,000001646Wn3,0;
X7= 1,185imax0,08039exp(-0,1932imax).
E=12,4%; E1=0,001м; r=0,96; s/ = 0,27.
Для пропашных
hmax = X1X2X3X4X5X6X7X8; (25)
X1 = -0,0007194+0,06675bp-0,5;
X2= 1/(1,349-0,00391Ic-0,00001676Ic2);
X3= 1/(0,9487+23530exp(-11,76pn));
X4= 0,9945+0,2952dcp-0,0003812/dcp2;
X5= 0,8846+0,003914X+4,883/X2;
X6=1,007-6,544?10-22io-4,0;
X7= 1,017-81,32Ls-4,0;
X8= 0,9666+0,0002421So-4,0.
E=9,87%; E1=0,000м; r=0,99; s/=0,136.
Для естественного кормового угодья
hmax = X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10; (26)
X1 = 0,01946+0,0001087Tnn;
X2= 0,5498+4,655io-1,402io2;
X3= 2,946-0,007968Ic-13120/Ic2;
X4= 0,7902+0,05865X0,5;
X5= 3,704-0,6948pn-2,346/pn;
X6= 0,783bp0,07257exp(-0,001191bp);
X7= -0,06967+0,07413Wn-0,001126Wn2;
X8= 1,016exp(-0,01318/imax);
X9= 0,8455dcp-0,1156exp(0,121dcp);
X10= 0,9843exp(2,031/Ls).
E=29,6%; E1=0,001м; r=0,89; s/=0,45.
Для зерновых колосовых
hmax = X1X2X3X4X5X6X7X8X9; (27)
X1= 1/(109,1-117,3io+36,39io2);
X2= 1/(0,4764+0,01823Ls-0,0001139Ls2);
X3= 1/(2,504-0,08815bp+0,001088bp2);
X4= 1/(0,9714+691,7exp(-0,8026Wn));
X5= 1/(4,784-20,77So+27,94So2);
X6= 1/(9,038-170,4dcp+893,5dcp2);
X7= Ic/(-2,076+1,105Ic);
X8= 1/(2,099-2,288pn+1,13pn2);
X9= 1/(0,9713-0,007843imax+0,01908imax2).
E= 7,28%; E1=0,000 м; r=0,995; s/=0,0995.
Особенности агрофонов определяют наличие расхождений в значимости тех или других факторов для разных агрофонов. Кроме того, предложенные зависимости содержат в себе факторы динамики зависимых переменных (Q, P, hmax) во времени (bp, o) и пространстве (Ls). Такие характеристики как So, dcp, Wn, pn также динамичны и изменяются по длине склона и во времени.
Заключение
1. На основе натурных наблюдений и эмпирико-статистического моделирования разработаны специфические аспекты гидродинамики склоновых водотоков. В частности выявлено: а) зависимость динамических характеристик от погодно-климатических условий года, агрофона, морфометрии склона и гранулометрического состава почв. От года к году значимость влияния факторов меняется; б) критические величины числа Рейнольдса и касательных напряжений не должны быть фиксированными, а должны зависеть от погодно-климатических условий и состояния подстилающей поверхности; в) при анализе касательных напряжений в потоке необходим учет вязкостного трения. Несмотря на относительно малые величины его влияние на смыв и транспортировку наносов в некоторых случаях значительнее, чем турбулентного трения, особенно при малой мутности воды; г) наличие турбулентного режима еще не означает интенсивный размыв почвы, в то время как наличие бурного состояния потока сопровождается интенсивным размывом склона т.к. при турбулентном режиме бурное состояние наблюдается в 52-53% случаев; д) гидравлические сопротивления в склоновых водотоках формируются, в основном, за счет местных факторов; е) диапазон изменения диссипации энергии в склоновых водотоках превосходит те же величины для рек, что говорит о более интенсивном переходе здесь механической энергии в тепловую и др.
2. Разработаны эмпирико-статистические модели для расчета основных гидродинамических характеристик склоновых водотоков.
3. На основе натурных наблюдений и эмпирико-статистического моделирования разработаны специфические аспекты гидрохимии склоновых водотоков: а) состав воды склоновых водотоков естественного происхождения гидрокарбонатно-кальциевый, а стока при орошении - сульфатно-натриевый и сульфатно-кальциевый; б) выявлена зависимость содержания веществ в воде склоновых водотоков от погодно-климатических особенностей года, агрофона, характеристик почв и морфометрии склонов.
4. Разработаны эмпирико-статистические модели расчета содержания химических элементов в воде склоновых водотоков.
5. Разработаны модели, показывающие наличие взаимосвязи между гидродинамическими характеристиками склоновых водотоков и содержанием веществ в воде склоновых водотоков: а) рассмотрен вопрос о границах агрессивного состава воды для почв; б) выдвинута гипотеза о существовании двух механизмов химического воздействия воды на ложе ручейка, что связано с изменением структуры воды при изменении её минерализации. Для талого стока и стока при орошении механизмы химического воздействия различны; в) предложены эмпирико-статистические модели.
6. Разработана концепция формирования эрозионно-аккумулятивного рельефа склонов, как результат взаимодействия гидродинамических и гидрохимических процессов: а) склон по длине можно разделить, по меньшей мере, на 4-е зоны (зона концентрации стока, зона начала размыва склона, зона отложения наносов, зона критического размыва); б) в верхней части склона большее влияние на размыв оказывает химическая составляющая, а в нижней - динамическая составляющая; в) основным рычагом процесса размыва склона является лавинообразное поступление воды на водосбор, вследствие чего возникают прерывные волны с обрушенным фронтом, вызывающие пульсации энергии по длине потока и как следствие изменение в зонах с максимальной пульсацией всех гидродинамических и гидрохимических показателей потока.
7. Разработаны способы прогнозирования эрозионно и экологически опасных ситуаций на склонах: а) для прогнозирования мест на склоне где наиболее вероятен размыв почвы целесообразно использовать методы оптимизации (математическое программирование); предложен метод расчета допустимости сочетания агрофонов на склонах по изменению динамической скорости потоков.
8. Разработаны методики расчета основных гидрологических характеристик склоновых водотоков, формирующихся при снеготаянии и ливнях.
Поведенные исследования позволяют рекомендовать дополнить существующую систему проектирования противоэрозионных сооружений на склонах в системе организации территории землепользования следующими положениями:
1.Размещение первого сооружения и последующих на склоне необходимо проектировать выше места концентрации стока, а не на нем как это делается сейчас. Поскольку в этом месте наиболее вероятен размыв грунта и разрушение сооружения.
2.Расстояния между сооружениями необходимо назначать с учетом химического состава воды, так как на коротких участках склона, которые создаются при строительстве сооружений, химическая составляющая более может оказаться более значимой, чем динамическая.
3. Необходимо учитывать планируемый на данной территории севооборот и соответствующую ему систему удобрений, т.к. внесение удобрений способствует повышению выщелачивания веществ и будет влиять на устойчивость сооружений.
4. Чередование агрофонов на склоне должно соответствовать допустимому изменению гидродинамических характеристик водотоков, так чтобы переход от одного агрофона к другому не сопровождался усилением энергетической активности водотоков.
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 значимее механической, что должно быть учтено при проектировании сооружений на склонах с целью повышения, как устойчивости почв, так и сооружений.
Уточнение системы проектирования противоэрозионных сооружений на склонах позволит как улучшить их устойчивость на склонах, так и решить часть вопросов экологического характера. Будет способствовать общему увеличению стабильности агроландшафтных комплексов на склонах и увеличению их продуктивности.
Список научных работ.
Монографии:
1. Будник С.В., Хильчевский В.К. Гидродинамика и гидрохимия склоновых водотоков.- К.:ИГЛ.:Обр, 2005.- 367 с.
2. Будник С.В. Ливневый сток со склонов.- Житомир.-2007.-184 с.
Брошюры:
1. Будник С.В. Методические рекомендации по проведению полевых наблюдений за стоком на склонах.-Житомир.-2008.-16 с.
Список статей опубликованных в журналах, рекомендуемых для опубликования материалов докторских диссертаций:
1. Будник С.В. Измерение уклонов водной поверхности временных водотоков на склонах //Почвоведение.- 1999. -№ 5.- С.585-586.
2. Будник С.В. Промерзание и оттаивание почвы при перераспределении химических элементов на склоне.//Аграрная наука.- 2000.-№7.-С.28-29.
3. Будник С.В. Формирование уступов в водороинах на склонах.//Почвоведение. - 2001.- №9.- С.1147-1150.
4. Будник С.В. Агрессивность воды как составляющая эрозионного процесса. //Аграрная наука.- 2002.- №2.- С.8-9.
5.Будник С.В. Генетические особенности стока на склонах.//Аграрная наука.-2002.-№7.-С.19-20.
6. Будник С.В. Оценка параметров турбулентности склоновых водотоков //Водные ресурсы.- 2002.- №3.- С.319-321
7. Будник С.В. Касательные напряжения в склоновых водотоках.//Водные ресурсы.-2002.-№5.-С.583-586.
8. Будник С.В. Изменчивость морфометрических характеристик склоновых водотоков. //Известия РАН, серия географическая.- 2002.- №5.- С.47-51.
9. Будник С.В. Коэффициенты шероховатости и Шези склоновых водотоков. // Гидротехническое строительство.- 2003.- №8.- С.51-53.
10. Будник С.В.Оценка режима склоновых водотоков при ливнях //Почвоведение.- 2003.- № 6.- С.740-745.
11. Будник С.В. Мутность воды в склоновых водотоках при ливнях.//Водные ресурсы.-2004. №4.- С.431-435.
12. Будник С.В. Динамика характеристик атмосферных осадков при ливнях.//Аграрная наука.-2006.-№3.-С.28-30.
13. Будник С.В. Миграция веществ с поверхностным стоком при снеготаянии. //Агрохимия .- 2006.- №5.- С.70-77.
14. Будник С.В. Вязкостное трение в склоновых водотоках при ливнях.//Почвоведение, -2007.- №2.- С.208-214.
15. Будник С.В. Миграция веществ в склоновых водотоках при ливнях.//Аграрная наука,-2008.- №3.- С.25-27.
16. Будник С.В. Изменение глубины воды по длине склона при снеготаянии.// Гидротехническое строительство,- №2.-2009.- С.24-27.
Статьи, опубликованные по теме диссертации в других изданиях:
17. Будник С.В., Малютяк В.Т. Оценка сочетаний вариантов организации территории и агротехники на основе анализа гидродинамических характеристик временных водных потоков.// Вiсник аграрноi науки.- 1997.-N7.- С.9-13
18. Будник С.В.,Хильчевский В.К.Аспекты рельефообразования на склонах в системе элементов организации территории землепользования./В.сб.:Картография та вища школа.-Вип.4.-2000.-С.64-68.
19. Будник С.В. Гидродинамические особенности склоновых водотоков // Гдрологя, гдрохмя гдроекологя.- 2000.- Т.1.-С.131-134.
20. Будник С.В. Методы анализа некоторых особенностей морфометрии склонов // Картографя та вища школа.- 2001.-Вип.5.-С.80-84.
21. Будник С.В. Кинетичность временных водотоков на склонах // Культура народов Причерноморья.- 2001.-Вып.21.С.11-13.
22. Будник С.В. Оценка режима склонового стока при снеготаянии // Гдрологя, гдрохмя гдроекологя.- 2001.- Вип.2.- С.279-282.
23. Будник С.В. Совершенствование системы проектирования элементов организации территории землепользования с привлечением ГИС-технологий. // Картографя та вища школа.- 2001.- Вип.6.-С.34-37.
24. Будник С.В. Аспекты совершенствования системы мер по защите почв от эрозии // Всник аграрно науки пвденного регону.- Одеса:СМИЛ.-2001.-Вип.2.-С.21-23.
25. Будник С.В. Миграционные процессы на склоне. Экологическая безопасность и устойчивость техногенных ландшафтных структур // Зб.тр.:Захист довклля вд антропогенного навантаження.- 2002.- Вип.6.-С.18-29.
26. Будник С.В. Агрессивность водных растворов, почвы и миграция веществ на склонах.//В зб.:Людина довклля: проблеми неоеколог.- Харкв.-2002.- Вип.3.- С.37-42.
27. Буднк С.В. Хльчевський В.К. Особливост моделювання гдрохмчних процесв у вод склоновых водотокв. // Всник Кивського унверситету.- Географя.- 2002.- Вип.48.- С.32-34.
28. Будник С.В. О критических касательных напряжениях в склоновых водотоках при снеготаянии.// Гдрологя, гдрохмя гдроекологя. - 2002.- вип.3.- С.112-115.
29. Будник С.В. Коэффициенты шероховатости склоновых водотоков // В зб.:Гдрологя, гдрохмя гдроекологя.- 2002.- Вип.4.-С.64-68.
30. Буднк С.В. Розпластансть стйксть русел схилових водотокв // Водне господарство Украни.- 2002.- №5-6.-С.18-22.
31. Будник С.В.Диссипация энергии в склоновых водотоках // Культура народов Причерноморья.- 2002.- вип.36.- С.200-205
32. Буднк С.В. Гдравлчн та гдрохмчн особливост стоку при зрошенн // Водне господарство Украни, 2003. №5-6. С.28-32
33. Будник С.В. Дифференциация склона по характеру эрозионных форм и факторам, определяющим размыв./Матерали мжн.конф. УГдрометеорологя охорона навколишнього середовища- 2002Ф.- Одеса.-2003.- С.53-58.
34. Будник С.В. Некоторые принципы размещения противоэрозионных сооружений на склонах с учетом их пространственной устойчивости /В зб.:Агрохмя почваознавство.- 2002.- вип.63.- С.103-110
35. Будник С.В. Мутность воды в склоновых водотоках при снеготаянии // Гдрологя, гдрохмя гдроекологя.- Вип.5.- 2003.-С.65-72.
36. Будник С.В. Применение методов оптимизации при прогнозировании размыва склона. // Картографя та вища школа.- 2003.- Вип.8.- С.95-97.
37. Будник С.В. Прогнозирование эрозионно и экологически опасных ситуаций на склоне.// Фзична географя та геоморфологя.- 2003.- №44.- С.83-87.
38. Будник С.В. Методика проведения полевых наблюдений за стоком на склонах.// Гдрологя, гдрохмя гдроекологя.- 2004.-Вип.6.-С.31-39.
39. Буднк С.В. ВзамозвТязок гдрохмчних та гдродинамчних характеристик схилового стоку при снготаненн // Водне господарство Украни, 2004. №1-2. С.15-20.
40. Буднк С.В. Взамодя гдравлчних гдрохмчних характеристик схилоового стоку при зливах, та критичн величини вмсту речовин у вод водотокв. // Водне господарство Украни.- 2004.- №5-6.- С.33-39.
41. Будник С.В. Определение потенциального стока и смыва со склонов при ливнях. //Гдрологя, гдрохмя гдроекологя. - 2005.- Том 7.- С.173-182.
42. Буднк С.В. Пдходи до прогнозування эрозионно та екологчно небезпечних ситуацй в агроландшафтах схилв. // Зб.наукових праць нституту землеробства УААН. - 2005.- Спецвипуск.- С.38-42.
43. Будник С.В. Динамика характеристик подстилающей поверхности при ливнях. // ерунтознавство .- 2005.-№1-2.-С.89-98.
44. Будник С.В. Взаимодействие гидродинамических и гидрохимических факторов склонового стока.// Гдрологя, гдрохмя, гдроекологя.- 2006.-Вип.9.- С.38-48.
45. Будник С.В. Определение расстояний между стокорегулирующими рубежами в проектах почвозащитной системы земледелия.// ерунтознавство, Т.7.-№3-4, 2006.-Кив-Днпропетровськ, С.67-71.
46. Буднк С.В. Мграця речовин на схилах при снготаненн.// Водне господарство Украни.-2007.-№1.-С.53-58.
47. Budnik S.V. Sediment runoff slopes at storm.// Proceedings of the tenth International symposium on river sedimentology.-Moscov.-2007.-V.1.-P.156-162.
48. Будник С.В. Оптимизация агроландшафтов. ЦЖитомир.-2007.-311 с. (учебное издание).
49. Будник С.В. Скорость движения воды по склону при снеготаянии.// Культура народов Причерноморья.-Симферополь.-2007.-Вып.116.- С. 97-100.
50. Будник С.В. Скорость движения воды по склону при снеготаянии. // Ученые записки Тав-рического национального университета им.В.И.Вернадского.- Т.20 (59).-№2.-серия география.-2007.- С.316-321.
51. Будник С.В. Скорость движения воды в склоновых водотоках и время добегания воды по склону при ливнях. /В сб.: Геоэкологические проблемы современности.-Владимир-Москва, 2008.-49-50 с.
52. Будник С.В. Касательные напряжения и мутность воды в склоновых водотоках при снеготаянии.// Культура народов Причерноморья, Симферополь.- 2009.- №151,-С.94-101.
Тезисы докладов на конференциях:
1. Буднк С.В. Мграця богенних елементв у поверхневому шар грунту пд час снготанення /Матерали конференц УСталий розвиток агроекосистем в умовах обмеженого ресурсного забезпеченняФ.- К.: АтаБ УААН.- 1998.-С.18-19.
2. Буднк С.В. Ерозйно-акумулятивний процес та агресивн властивост води / Матерали практич. семнару УВчимося господарюватиФ.- З УААН Чабани.- Ч.II.- 1999.- С.16-17.
3. Будник С.В. Использование методов анализа временных рядов при изучении некоторых особенностей морфологии склонов // Матерали ГС-Форуму.- Кив.-2000.-С.112-114.
4. Будник С.В. Касательные напряжения в склоновых водотоках при снеготаянии. /Тези доповд до VI зТ`зду грунтознавцв та агрохмкв (м.Умань) у спец. вип. Зб.ФАгрохмя рунтознавствоФ.- Кн.3.- 2002.- С.19-20.
5. Будник С.В. Дифференциация склона по характеру эрозионных форм и факторам, определяющим размыв./Тези доповд мжн.конф. УГдрометеорологя охорона навколишнього середовища- 2002Ф.- Одеса.-2002.- С.187-188.
6. Будник С.В. Совершенствование методов и методологии эрозионных исследований // Труди наук.-практ. конф. Сучасн проблеми охорони довклля, рацонального використання водних ресурсв та очистки природних стчних вод, м.Миргород.- К.:Знання.-2003.- С.73-76.
7. Будник С.В. Взаимодействие гидрохимических и динамических характеристик стока на склонах при снеготаянии//Тези II всеукр.конф. УГдрологя, гдрохмя гдроекологяФ.Кив.- 2003.-С.93-94.
8. Будник С.В. Мутность воды в склоновых водотоках. // Тезисы докладов VI Всеросийского гидрологического съезда . Секция 6. Проблемы руселовых процессов, эрозии и наносов.- С-Пб.: Гидрометиздат.- 2004 г.- С.109-111.
9. Будник С.В. Определение расстояний между стокорегулирующими рубежами в проектах почвозащитной системы земледелия. //Тези доповдей мжнародно конференц Проблеми лсово рекультивац порушених земель Украни.- Днпропетровськ :ДНУ.- 2006.- С.101-102.
10.Будник С.В. Взаимодействие факторов образования склонового стока и смыва.// Тези III всеукрансько науково конференц Гдрологя, гдрохмя, гдроекологя.-К.-2006.-22-23.
11. Будник С.В. Склоновый сток в системе мониторинга чрезвычайных ситуаций./ Материалы Всеукраинской научной конференции Мониторинг природных и техногенных сред.- Симферополь.-2008.-С.31-33.
12. Будник С.В. Влияние характеристик ливней на сток наносов со склонов.// Матерали мжнародно науково-практично конференц Науков дослдженя: теоря та експеримент -2008.- Полтава.- 2008.- С.93-94.
13. Будник С.В. Глубина воды в склоновых водотоках при снеготаянии./ XXIII Совещание Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов,- Калуга -2008.- C.100-101.
14. Будник С.В. Эрозионно-экологические аспекты устойчивого развития территорий в контексте смены климата.// Матерали мжнародно науково-практично конференц Розвиток наукових дослджень л2008, секця Землевпорядкування.-Полтава 2008.-С.-15-16.
Аннотация. Будник С.В. Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока. Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук. Специальность 25.00.27 - гидрология, гидрохимия, водные ресурсы. Воронеж. 2009 г.
Рукопись содержит теоретические и эмпирические обобщения по проблеме склонового стока и смыва. Рассматриваются факторы формирования стока и смыва растворенных и взвешенных веществ со склонов. На основе материалов полевых наблюдений за формированием талого, ливневого стока и стока при орошении дается оценка гидродинамических характеристик склонового стока (коэффициенты Шези и шероховатости, числа Рейнольдса и Фруда, турбулентное и вязкостное трение, относительная ширина русела, критерий устойчивости русел, диссипация энергии, масштабы вихрей) и анализируется изменение содержания химических элементов в воде водотоков по длине и уклону склона, агрофону, характеру снеготаяния и др. Выявлено, что в верхней части склона химическая составляющая факторов размыва склона может быть более значимой, чем динамическая. Приводятся критические величины содержания веществ в воде водотоков при которых размыв максимален. Предлагается теоретическая схема размыва склона водотоком по длине. Проведенные исследования позволили предложить методику расчета эрозионной опасности агрофонов на склоне, эмпирические зависимости для расчета расходов и мутности воды и максимальной глубины воды, содержания химических элементов в водотоках по длине склона.
The Abstract. Budnik S.V. The Estimation intercoupling hydrochemical and hydrodynamic factor of slopes flow. The Thesis on competition degree doctor of the geographical sciences.. The Profession 25.00.27 - hydrology, hydrochemistry, water resources. The Voronezh- 2009.
Manuscript contains theoretical and empirical generalizations on problem of slopes flow and soil loss. They Are Considered factors of the shaping the overland flow and soil loss dissolved and weighted material with slope. On base material field observations for snow melt runoff and storm runoff and flow at irrigation is given estimation hydrodynamic features of slopes flow (the factors Chezy and roughnesses, numbers Reynolds and Froude, hydraulic shear stress and shear viscous stress, relative width of the bed , criterion to stability beds, dissipation energy, scales of the curls) and is analysed change the contents chemical element in water flow on length and gradient of the slope, agricultural background, nature snowmelt and is others. Revealled that in higher part of the slope chemical forming factor of the erosion of the slope can be more significant, than dynamic. Happen to the critical values of the contents material in water flow under which erosion maximum. The theoretical scheme of the erosion of the slope flow is offered on length of slope. The Called on studies have allowed to offer the methods of the calculation erosion dangers agricultural background on slope, empirical dependencies for calculation of the expenses and turbidities of water and maximum depth of water, contentses chemical element in flows on length of the slope.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле