ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 5, с. 612-622
УДК 631
ЭРОЗИЯ ПОЧВ
ОСНОВА КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПОЧВ ТАДЖИКИСТАНА ПРИ ДОЖДЕВОМ СТОКЕ
© 2004 г. О. А. Базаров, В. Я. Григорьев
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119899, Москва, Воробьевы горы
Поступила в редакцию 27.07.2002 г.
В результате верификации и упрощения аналитических зависимостей противоэрозионной стойкости почв (ПЭС) от их свойств, параметров дождя, гидравлических характеристик дождевых потоков разработан расчетный метод определения количественного показателя ПЭС почв - критической (размывающей) донной скорости дождевых потоков Удр.
ВВЕДЕНИЕ
Распашка и освоение целинных и залежных земель предгорных и горных районов в условиях сильного расчленения рельефа, частого выпадения ливней и слабой сопротивляемости почв к разрушительному действию дождевого стока приводят к активизации дождевой эрозии и сильной эродирован-ности почв Таджикистана. Земли, подверженные той или иной степени эрозии, составляют 98% от общей площади сельскохозяйственных угодий Таджикистана. Давно уже назрела острая необходимость в разработке и проведении почвозащитных противоэрозионных мероприятий практически на всей площади освоенных земель.
Для разработки и районирования противоэрозионных мер необходимо оценить опасность проявления дождевой эрозии и наметить необходимые мероприятия для районов разной опасности эрозии почв. В свою очередь для оценки опасности эрозии почв необходимо количественно оценить и картографировать противоэрозионную их стойкость (ПЭС), определяющую сопротивляемость почв разрушающему и размывающему действию поверхностного дождевого стока в различных климатических и рельефных условиях. Для этой цели крайне необходимо установить аналитические зависимости количественного показателя ПЭС почв в явном виде от легкоопределяемых базовых характеристик дождевых осадков, почв, растительности и рельефа, которые могут быть отражены на картографических материалах. Решению этой задачи посвящена данная работа.
ТЕОРИЯ ВОПРОСА
Количественным показателем ПЭС почв может служить критическая (размывающая) скорость потока Удр, при которой наблюдается непрерывный непрекращающийся отрыв почвенных частиц (агрегатов), и выше которой происходит интенсивный смыв и размыв почвы [5, 13].
Трудности оценки противоэрозионной стойкости почв величиной Удр при воздействии дождевых потоков, связаны со слабой изученностью разрушающей и турбулизирующей деятельности дождевых капель. Влияние капель дождя на противоэрозионную стойкость почв весьма многообразно. Исследования показали, что оно зависит от энергетических параметров и характера дождя, глубины потоков и свойств почв [11]. Теоретически описать эту зависимость пока не представляется возможным. В то же время экспериментально установлено, что капли дождя влияют на величину размывающей скорости путем изменения водопрочно-сти структуры и масштаба пульсаций в потоке.
Для их аналитического описания предложены эмпирические формулы. Изменения водопрочно-сти структуры почвы при воздействии дождевых капель оценивается по эмпирической зависимости [11]:
йд = й у + (й0- й у) ехр (-кЕг),
(1)
где ё0, ёу - средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов соответственно для предварительно капиллярно-увлажненной почвы и в момент стабилизации разрушения, мм; Р - энергетическая характеристика капель дождя (Р = 0.033г /с?к); Ук, ёк -скорость падения (м/с) и средний размер (мм) дождевых капель; г, £ - интенсивность (мм/мин) и длительность (мин) воздействия дождя; к - коэффициент, учитывающий степень исходного увлажнения почвы: для почв в воздушно-сухом состоянии к = 0.10; для предварительно капиллярно-увлажненных почв к = 0.03.
Величина ёу зависит от исходной водопрочнос-ти структуры почв (й) и находится по эмпирической формуле:
йу = 0.28й ехр (0.26й). (2)
Капли дождя создают добавочную турбулентность потока, причем степень ее влияния на ПЭС
почв зависит от скорости падения капель, интенсивности дождя, а также критической взмучивающей скорости падения капель, вызывающей подвижку частиц на дне потока, и количественно оценивается по полуэмпирическому уравнению [7, 11]:
Пд - п'[ 1+0.28г(У2к/У2кр -1)]
при
У к > У кр , (3)
где пд , П - коэффициенты, характеризующие пульсацию скоростей в водном потоке соответственно при дожде и без дождя; Укр - критическая взмучивающая скорость падения капель дождя для почвы, м/с.
Величина Укр зависит от гидравлической крупности частиц (ю) и глубины (Н) дождевых потоков и определяется по полуэмпирической формуле:
У = 4 78ГН °'81
кр \д
ю = 4.78, А Ф V Д
Н а81
Ф
'2*(Р - Ро)Сд(1- р/100)
(4)
1.75 Ро
где У , У и Удр - донная размывающая скорость потока соответственно для несвязной, связной почвы и при дождях, м/с; К1, К2, К3 - безразмерные коэффициенты (функции), учитывающие влияние на Удр: межагрегатного сцепления, появляющегося в результате уплотнения почвы и связывающего действия корней растений (К1); изменения сС при воздействии дождя (К2); турбулиру-ющего действия дождевых капель (К3). Величина Удр0 определяется в основном размером водопрочных агрегатов (<):
Удр0 - Ко «Iе.
(7)
где Н - глубина потока; Д - высота выступов шероховатости (Д = 0.7<д), м; ю - гидравлическая крупность частиц (агрегатов), м/с; р, р0 - плотность твердой фазы почвы и воды, т/м3; р - пористость агрегатов, %; ф - параметр турбулентного поведения частиц, равный отношению величин ю при разных режимах течения.
Безразмерная величина ф является функцией от размера (<д) почвенных частиц [2]. Для частиц размером меньше 1.5 мм параметр ф находится по эмпирической формуле [3]:
ф -4.1 х 10-2ТСд при 0.1 < Сд < 1.5 мм (5)
Для частиц (агрегатов) более 1.5 мм, при температуре воды 20°С, параметр ф равен единице.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ и первые попытки практического применения этого расчетного метода для оценки и картографирования ПЭС почв показали, что некоторые громоздкие расчетные формулы можно представить в виде функций от базовых картографических признаков и значительно упростить без существенной потери точности расчета. Наиболее обосновано проводить их преобразование и упрощение на основе аналитического описания взаимосвязей основных аргументов формул, представленных гидрологическими, гидравлическими и почвенными характеристиками.
Экспериментально-теоретические формулы, разработанные ранее [6, 8] для расчета Удр, могут быть записаны в самом общем виде:
V - и УдРд - У^^ад, (6)
Значение К0 зависит от плотности твердой фазы почвы (р) и пористости агрегатов (р). Величины р и р для большинства почв изменяются в незначительных пределах, поэтому для приближенных расчетов могут быть приняты постоянными, равными средним их значениям для исследуемых почв. Величина коэффициента К0 изменяется в пределах 2.9-3.5 (в среднем он равен 3.2) и имеет размерность м0.5/с.
Влияние межагрегатного сцепления почвы (С;) и связывающего действия корней растений (т2) оценивается функцией К1:
К! - Ш2\ 1 +
1.25 кс:
(р + Р0)(1- р/100) с
,1 1.2 кс;
: 1 + —сг~
(8)
где т2 - коэффициент, характеризующий связывающее действие корневых систем растений и зависящий от содержания живых корней растений
(Я, %) диаметром менее 1 мм; К - коэффициент
;
однородности почвы по сцеплению (К - 0.5); Су -нормативная усталостная прочность почвы на разрыв, характеризующая межагрегатное сцепление, т/м2. Остальные обозначения прежние. Величина С; определяется по соотношению [8]:
с; - ¡с,
где I - коэффициент, зависящий от плотности почвы (р^ т/м3); С - сцепление почвы (по методу Цытови-ча) после насыщения ее до водовместимости, т/м2.
Величины < и С определяются экспериментально или расчетным путем по эмпирическим зависимостям их от содержания физической глины, плотности и других свойств почв [6, 8, 9, 11]. Для исследуемых и других почв по экспериментальным данным выявлена связь между < и С вида < = а(1 + К)С, которая позволяет упростить формулу для расчета К1:
К1 - т2(1 + 0.41 /а) при К - 0.5,
(9)
х
где а - коэффициент, зависящий от отношения физического песка (СфП) к физической глине (Сфг), определяется по формуле а = 1.9 х 10-3 (сфп/сфг)13. Сопоставление расчетных величин К1 по (8) и (9) показало удовлетворительное их соответствие. Средняя относительная ошибка равна 12%. Следовательно, зависимость (9) можно использовать для расчета К1 и Удрс, причем минуя трудоемких определений сцепления почв (С). Значения т2 и I, которые обычно устанавливаются по таблицам [8], можно определить по эмпирическим формулам:
т2 = 1+4х 10 2ехр(23Я) и
I = 6 х 10Лхр[8.6(р^ -1.2)].
(10)
йу = 0.4 й.
(12)
вы (при Ж = Wk). Приближенные его значения при других влажностях в диапазоне от гигроскопической (Жг) до капиллярной влагоемкости (Жк) определяются по эмпирической формуле:
К = 0.11 -0.08 .
Для наиболее частых случаев когда дожди выпадают на поверхность воздушно-сухой почвы, получена более простая эмпирическая формула для расчета К2:
К2 = 0.15 й0/( й¥°я) при 0.1 < ¥ < 1.
(13)
Функция К2, учитывающая влияние дождя на размер водопрочных агрегатов (д), устанавливается на основе учета взаимосвязей аргументов и упрощения формул (1) и (2). Например, скорость падения дождевых капель (Ук) и их размер (д) для естественных дождей по данным ряда авторов, изложенным в работе [14], тесно связаны с интенсивностью дождя (г) и могут быть определены расчетным путем по простым эмпирическим формулам:
Ук = 4.11^4; йк = 2.48Г0'2; Ук = 6.47гол,
где г - интенсивность дождя, мм/мин.
Тогда необходимая для расчета К2 комплексная характеристика энергетического воздействия дождя ¥, зависящая от Ук, йк и г, определяется по простому эмпирическому соотношению:
¥ = 0.557г .
Достаточно громоздкая эмпирическая формула (2) для определения йу в диапазоне наиболее вероятных значений размера водопрочных агрегатов для многих почв (д < 6 мм) аппроксимируется простым эмпирическим соотношением:
(11)
Другая функция К3, оценивающая турбулизи-рующую роль дождевых капель, устанавливается в результате преобразования формул (3) и (4). Они преобразуются на основе связей Ук с г и А, ф, ю с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.