ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 7, с. 890-896
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.4
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ И ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА ЭРОДИРУЕМОСТЬ ОБРАЗЦОВ ЧЕРНОЗЕМА (МОДЕЛЬНЫЙ ОПЫТ)*
© 2014 г. Г. А. Ларионов, О. Г. Бушуева, Н. Г. Добровольская, З. П. Кирюхина,
С. Ф. Краснов, Л. Ф. Литвин
Географический факультет МГУ им М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: larionov425@mail.ru Поступила в редакцию 26.09.2013 г.
Результаты исследований показали очень тесную почти функциональную связь интенсивности размыва образцов и соответственно эродируемости модельных образцов почвы с температурой воды, использованной в экспериментах. Это дает основание полагать, что нарушение связей между частицами размываемых образцов почвы происходит за счет не гидравлических, а электростатических сил, возникающих между одинаково ориентированными относительно твердой фазы почвы одно-молекулярными слоями воды вокруг смежных почвенных агрегатов. Эрозионные параметры образцов также сильно зависят от влажности почвы. Наименьшая интенсивность размыва образцов из тяжелосуглинистого чернозема наблюдается при исходной влажности 22—24%. Как при уменьшении, так и при увеличении исходной влажности скорость размыва увеличивается, а вариабельность результатов уменьшается.
Ключевые слова: межагрегатные связи, электростатические силы, разрушение межагрегатных связей, правило Ван-дер-Ваальса.
DOI: 10.7868/S0032180X14070107
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы оценки противоэрозионной стойкости и эродируемости почв, механизмов эрозии почвы склоновыми потоками малой глубины — фундаментальные проблемы эрозиоведения, исследования которых имеют почти вековую историю. Для этой цели используются вращающиеся цилиндры [16], гидродинамические трубы [13]. Основой являются эксперименты на гидрологических лотках различных типов [2, 3, 10—16]. Исследования механизмов отрыва частиц и эродируемости почвы на гидравлических лотках позволяют достаточно строго контролировать гидрологические условия и водно-физические параметры почв в экспериментах. Несмотря на это результаты отличаются высокой вариабельностью. Например, в работе Неарин-га с соавт. [16] при тщательном соблюдении единообразия в подготовке модельных образцов почвы интенсивность размыва колебалась в широких пределах. Средние коэффициенты вариации результатов по двум сериям опытов с различными почвами составила 44.6 и 50.4%. При этом вариабельность уменьшается в экспериментах с большой скоростью размыва до 18.9—34.5% и возрас-
* Работа выполнена в рамках проектов для поддержки ведущих научных школ РФ НШ-79.2012.5 и НШ-1010.2014.5.
тает (в отдельных случаях до 100% и более) при малой скорости размыва.
Одной из причин такого положения вещей могло служить визуальное определение момента остановки эксперимента. В вышеприведенной работе [16] образцы формировались в металлическом кольце диаметром 12.7 см. Толщина образца составляла около 2 см. В связи с большим диаметром образца в процессе размыва в нем появляются отдельные крупные вымоины с завихрением потока и поверхность образца становится неровной, что приводит к существенному изменению условий размыва. Для исключения неоднородности условий размыва опыт прекращался в тот момент, когда во всех опытах смывалось приблизительно одинаковое количество почвы еще до образования крупных вымоин, что естественно ведет к субъективизму при определении времени размыва. Для исключения этого фактора вариабельности в наших исследованиях [5—7] мы продолжали эксперимент до полного размыва образца, поддерживая его поверхность на уровне дна лотка путем экструзии почвы из контейнера с помощью толкателя, приводящегося в движение специальным винтом, а для обеспечения относительной однородности поверхности образца его сечение сократили до 14 см2 (2 х 7 см).
Другим фактором большого разброса экспериментальных данных по размыву почвы является неравномерность процесса размыва во времени, о чем свидетельствуют визуальные наблюдения. Моменты длительной стабильности поверхности образца время от времени сменяются интенсивным отрывом частиц почвы. Такая периодичность особенно отчетливо проявляется при низких скоростях потока воды. Причем, как правило, с поверхности образца потоком отрываются не отдельные агрегаты, а целые пласты. Принятая методическая новация позволила сократить вариабельность результатов, обусловленную как субъективностью определения момента прекращения опыта, так и нестационарностью процесса отрыва частиц почвы водным потоком. Например, при исследовании эродируемости модельных образцов черноземной почвы различной плотности [6] вариабельность была существенно меньше, чем в вышеупомянутых опытах Неарин-га с соавт. [16], и колебалась в пределах от 15.5 до 27.0%. Для уменьшения вариабельности результатов экспериментов также была изменена методика подготовки образцов почвы к испытанию [5—7]. Для устранения неравномерного уплотнения почвы в контейнере навеска делилась визуально на 4 равные части, которые поочередно укладывались в контейнер и каждая часть уплотнялась плунжером, на обращенной к почве поверхности которого для лучшего обеспечения сцепления между смежными слоями имелась регулярная насечка в виде усеченных пирамид высотой 1.5—2 мм с гранями под углом 60°. На боковых сторонах плунжера были прочерчены 4 риски, соответствующие четырем положениям плунжера, обеспечивающих заданную плотность образца во всех четырех порциях почвы. Однако наблюдения за размывом образцов показали, что сцепление между смежными слоями оказалось слабее, чем внутри каждой порции, несмотря на меры, принятые с целью увеличения площади контакта между смежными слоями. Нередко после смыва очередного слоя одновременно на всей поверхности размываемого образца обнажалась рифленая поверхность — результат уплотнения очередной порции почвенной навески плунжером с насечкой на обращенной к почве стороне. В связи с этим в дальнейших исследованиях отказались от послойной укладки навески почвы в контейнер с последующим уплотнением при помощи винтового пресса. Тщательно перемешанную на листе пергаментной бумаги навеску переносили в контейнер, разравнивали и после каждой порции уплотняли вручную пестиком квадратного сечения. Последняя порция укладывалась в надставку, установленную на контейнер, и также разравнивалась. Затем в надставку вставлялся плунжер, высота которого точно равнялась высоте надставки. После этого плунжер полностью утапливался
в надставке при помощи винтового пресса. Для уменьшения неравномерности уплотнения образца его высоту уменьшили до 2 см. Однако и после этого вариабельность скорости размыва и соответственно эродирумости оставалась достаточно высокой — 15—27% [6].
Дальнейшие поиски в этом направлении привели к мысли, что вариабельность результатов исследования эродируемости модельных образцов почвы может также зависеть от температуры воды в гидравлическом лотке и от влажности почвенной массы, из которой формируются модельные образцы. Как известно, с ростом температуры вязкость воды уменьшается и соответственно должно уменьшаться гидравлическое сопротивление ее движению и, следовательно, скорость потока воды будет расти при прочих равных условиях. Однако, согласно третьему закону Ньютона, величина воздействия потока на его ложе и на поверхность образца почвы в нашем случае останется неизменной, и поэтому не приходится ожидать изменения скорости размыва образца. Между тем единичные наблюдения свидетельствовали, что с ростом температуры воды интенсивность размыва почвы заметно увеличивается, что в свою очередь может оказывать существенное влияние на вариабельность скорости размыва образцов, так как температура воды в установке меняется в достаточно широких пределах в результате превращения механической энергии, сообщаемой насосом воде, в тепловую.
Можно также предположить, что влажность навески почвы, используемой для приготовленной модельного образца, будет оказывать некоторое влияние на сцепление между частицами почвы и, как следствие, на скорость его размыва и, соответственно, на эродируемость.
В связи с вышесказанным, целью настоящей работы является исследование влияния на интенсивность размыва модельных образцов почвы температуры воды в установке и влажности навесок почвы, использованных для изготовления модельных образцов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Вместо традиционно используемых в лабораторных условиях гидравлических лотков для изучения эрозионных свойств почвы в наших исследованиях размыв образцов почвы проводился струей воды направленной вертикально вниз. Струя воды при встрече с препятствием, поверхность которого перпендикулярна оси струи, растекается по поверхности равномерно во все стороны от точки пересечения оси струи воды, называемой точкой торможении [4]. Скорость растекания воды по поверхности перпендикулярной оси струи в гидромеханике принимается рав-
Рис. 1. Схема установки для исследования ударного разрушения почв и грунтов струей воды. Обозначения: 1 — насос; 2 — конический кран; 3 — расходомер; 4 — насадка квадратного сечения; 5 — кассета с образцом почвы; 6 — плунжер; 7 — подающий винт, 8 — приемная емкость для воды. Детали 5, 6 и 7 объединены в один блок, который соединен с деталью 4 через рамку двумя винтами (с левой и с правой сторон) и может вращается вокруг этих винтов в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка.
ной скорости падения струи, а в точке торможения (центр струи) равной нулю. Использование в наших экспериментах размыва почвы падающей струей воды связано с двумя обстоятельствами. Первое обстоятельство технического характера. Установка для размыва почвы падающей струей воды очень компактна. Для ее размещения и работы на ней достаточно всего 4—5 м2 площади, что имеет решающее значение в условиях дефицита свободных помещений. С другой стороны, такая установка позволяет проводить испытание образцов почвы при столь больших (вплоть до терминальной скорости падения воды, наблюдаемой в высоких вершинах оврагов и даже больших) скоростях, что недостижимо в гидравлических лотках. Данные по размыву образцов почвы в столь широком диапазоне скоростей по
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.