Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Прогнозирование водной эрозии почв
8.1. Теоретические и прикладные аспекты Среди почвоведов-эрозиоведов и других специалистов, занятых исследованиями процессов водной эрозии почв и разработками почвозащитных приемов, не найдется, пожалуй, более актуальной проблемы, чем прогнозирование ее интенсивности. Основанное на раскрытии сущности и закономерностей явления прогнозирование выступает ведущим и определяющим критерием в разработке комплекса противоэрозионных мероприятий – важным условием повышения плодородия почв на пахотных склонах. Схематическое представление о развитии водной эрозии земной поверхности приведено в табл. 1. В конкретном регионе она обусловлена поверхностным стоком талых, ливневых, ирригационных, пойменно-аллювиальных и русловых вод в отдельности или же в их различном сочетании. В Центрально-Черноземных областях (ЦЧО), например, основная доля склоновой эрозии (~85%) вызвана поверхностным стоком талых вод; остальная часть приходится на долю ливневой эрозии и смещения почвенной массы вниз по склону (механическая эрозия). В целом по стране доминирует склоновая эрозия, вызванная поверхностным стоком талых вод и частично ливневых, а также вариантами их различных сочетаний. Донная эрозия носит сугубо локальный и более ограниченный характер, а ирригационная – результат несовершенных систем и способов полива. Особой разновидностью является овражная эрозия, характерными признаками которой служат наличие в вершине оврага резкого перепада высот, подмыв и размыв основания почвогрунтов, сопровождающихся локальными просадочными явлениями, что приводит к обвалам и разрушению поверхностных слоев почвы. С возрастанием интенсивности эрозионных и аккумулятивных процессов резко снижается продуктивность сельскохозяйственных земель, поэтому суждения о природном равновесии между эрозией и аккумуляцией [Скоморохов, 1984] не могут быть основанием для самоуспокоенности и ревизии сложившихся подходов к защите почв от эрозии и повышения их плодородия на основе организационно-хозяйственных, агротехнических, фито- и гидротехнических мероприятий. Борьба с эрозией почв – это одновременно и борьба за накопление и продуктивное использование влаги, борьба с засухой, борьба за высокие и устойчивые урожаи.
Прогнозирование водной эрозии складывается из нескольких этапов. На первом этапе отрабатывается теоретическая модель процесса, на втором – нормативные показатели ее составляющих, на третьем – ее апробация применительно к среднемноголетним показателям эрозии в природных условиях, на четвертом – отрабатываются значения основных параметров к заданному уровню вероятности действующего фактора (воды), на последнем этапе завершается ее проверка в естественных условиях при заданных уровнях вероятности. Исследования по прогнозированию эрозии на сегодняшний день соответствуют третьему этапу. На данном этапе как никогда ранее возникает необходимость детального анализа методических подходов, чтобы полнее оценить достигнутое и определить пути дальнейшего научного поиска. Зависимость интенсивности склоновой эрозии (Iэ) от основных факторов хорошо известна и определяется совокупной функцией гидрометеорологического (G), геоморфологического (Н), почвенного (Р), растительного (R) и антропогенного (A) факторов, т. е. Iэ = f(G, H, P, R, A). (1) Если в отношении основных определяющих факторов мнение исследователей однозначно, то в отношении их учета в расчетах смыва почв наблюдается разнобой и неоднозначность. Происходит это в силу чрезвычайной сложности и динамичности процесса эрозии, породивших различные методы в оценке отдельных факторов и особенно их совокупного взаимодействия между собой. Табл. 1.Условия формирования и развития водной эрозии земной поверхности
Поскольку эрозия – процесс взаимодействия почвогрунтов с движущейся массой воды, то она и определяется при прочих равных условиях энергетическим воздействием воды на земную поверхность. Данное представление о механизме процесса водной эрозии выступает в качестве методологической основы ее прогнозирования. Заметим также, что первые два фактора (G и Н) определяют меру энергетического воздействия воды на почвогрунты (Р). Вместе они составляют сущность процесса. Растительность и антропогенные факторы выполняют корректирующую функцию как ослабляющие или ускоряющие процесс эрозии и могут быть учтены через соответствующие поправочные коэффициенты. Изложенная концепция исходит из самой природы процесса эрозии и способна в различных условиях отражать ее сущность. Несмотря на ее общность, она в каждом конкретном проявлении процесса эрозии выступает определяющей. Естественно, что при этом необходимо учитывать всю совокупную специфику процесса, определяющего его интенсивность. Так, прогнозирование склоновой эрозии при относительно равномерно распределенной микроручейковой сети на пахотных землях (плоскостной смыв) и русловой эрозии должно быть принципиально различным не только между собой, но и строго применительно к талым или ливневым водам. Оценка интенсивности ирригационной эрозии должна строиться с учетом способа полива и исключительно применительно к соответствующей поливной технике, определяющей условия и интенсивность водоподачи; то же самое относится и к овражной эрозии. В сельском хозяйстве наибольший практический интерес представляет склоновая эрозия, вызываемая действием талых или ливневых вод. Несмотря на внешнее сходство, эти два процесса принципиально различаются между собой. Если эрозия почв, вызванная поверхностным стоком талых вод в соответствующем регионе, развита повсеместно и повторяется практически ежегодно, то ливневая эрозия носит эпизодический характер и проявляется локально, на небольших площадях, преимущественно на чистых парах и под пропашными культурами. Различные условия снегонакопления, увлажнения и промерзания почв, интенсивности водоотдачи (снеготаяния), формирования ледяной корки и т. д. Ставят интенсивность ее проявления в значительную зависимость от динамичного и трудноучитываемого гидрометеорологического фактора. Отсюда исследования должны строиться преимущественно на материалах наблюдений в конкретной гидрометеорологической обстановке с учетом почвозащитной эффективности снежного покрова и специфического характера энергетического воздействия стекающей массы воды на почвы.
Сравнительное рассмотрение приведенных в табл. 2 обобщенных данных показывает, что эродирующая способность естественных ливневых дождей по мутности воды в 5 раз превышает эродирующую способность талых вод и в 2-3 раза - искусственное дождевание на тяжело- и среднесуглинистых черноземах. Ливневая склоновая эрозия характеризуется специфическим энергетическим воздействием воды на почву, где решающее значение имеет энергия падающих капель воды, интенсивность и продолжительность ливня. Энергетическое же воздействие стекающей массы воды на почвы в практике расчета смыва почв некоторыми исследователями [Wishmeier, Smith, 1965] не учитывается. Она проявляется кратковременно при положительных температурах почвы и воздуха, небольшой величине поверхностного стока и определенной защищенности почв растительностью. Принципиальные различия и особенности склоновой эрозии в условиях выпадения ливней и поверхностного стока талых вод определяют их различную генетическую природу и указывают на невозможность описать эти два процесса одной и той же зависимостью. Подчеркивая способ передачи энергии воды на почвы (табл. 1) с использованием образных выражений В.В. Звонкова [1962], мы тем самым стремились усилить эти различия. Конкретно же вопрос заключается в оценке энергетического действия воды на почвы. Справедливо критикуя американских исследователей (Wishmeier, Smith, 1965) за отход от классического определения энергии дождя, М.Н. Заславский (1977) показал, что эрозийность дождя весьма абстрактно характеризует его энергию. Перспективными в этом отношении являются исследования В.В.Сластихина (1964) и Г.И.Швебса (1974). Сущность же состоит в том, чтобы не столько повысить точность определения энергии дождя и стекающих вод по земной поверхности, сколько отыскать приемлемые связи между энергетическим воздействием воды и применительно к стандартным условиям величиной смыва почв. Именно такую зависимость между эрозийностью дождя как произведения его кинетической энергии на среднюю максимальную интенсивность 30-минутной продолжительности и величиной смыва почв нашли американские исследователи. Они отразили ее в показателе эродируемости конкретных почв, представляющем отношение количества смытой почвы к величине эрозийности дождя. Таким образом, в основу прогнозирования водной эрозии за меру энергетического воздействия дождя ими была принята его эрозийность и величина удельного смыва почв.
В смелом отходе от классических представлений в прогнозировании ливневой эрозии как раз и обнаружилась «работоспособность» указанного метода. И хотя немало противников и скептиков у их авторов было и в США, жизнь подтвердила полезность использования на данном этапе разработанного метода в решении практических вопросов защиты почв от эрозии.
Табл. 2. Сравнительные показатели интенсивности эрозионных процессов, вызванных талыми водами на зяби, естественными ливнями и искусственным дождеванием – на чистом пару
Специально проведенные 10-летние опыты (Mutchler и др., 1976) с целью проверки расчетного метода заставили их авторов признать, что выявленными расхождениями между расчетными и экспериментальными показателями смыва в практических целях можно пренебречь. Указанные недостатки методического характера здесь в значительной мере компенсировались широкой сетью многолетних наблюдений на стоковых площадках за смывом почвы по единой программе. В условиях отсутствия такой сети длительных наблюдений возникает необходимость систематизации обширного разнородного материала полевых наблюдений на качественно новой методической основе. Перспективным в этом отношении является определение не общей энергии дождя, а энергии эрозионноопасной его части, включая и энергию стекающей массы воды по земной поверхности. Совершенно другой подход должен быть в определении поверхностного склонового стока талых вод. Остановимся на нем подробнее. В классическом варианте энергия потока (Е) определяется массой воды (т) и скоростью ее движения (υ), т. е. (2) Однако здесь есть ряд обстоятельств, не позволяющих и затрудняющих использовать его в практических целях. Значительное и трудноучитываемое перераспределение массы стекающей воды по земной поверхности и вместе с ней большая динамика скорости ее движения в изменчивой ручейковой сети на склонах обязывают изыскивать другие методические подходы. Один из них заключается в том, что за меру энергетического воздействия стекающей массы талых вод на почвы может быть принята полная ее работа (А) на единице площади (га) при средневзвешенных значениях длины (L) и крутизны (α) линии стока (Иванов, 1984) на элементарном склоновом водосборе, т. е.
A = mgO,5L sinα, (3) где g – ускорение силы тяжести. Такой подход позволяет связать воедино основной гидрометеорологический (т) и геоморфологический (L и α) факторы эрозии в оценке энергии воды при ее движении по наклонной земной поверхности, избегая динамичную и трудноучитываемую скорость и сохраняя при этом ясную физическую сущность процесса. На этой методической основе появляется возможность систематизировать весьма разнородный экспериментальный материал полевых наблюдений за стоком воды и смывом почв на временных стоковых площадках. Можно определить показатели эродируемости (Q) почв применительно к стандартному агрофону (например, на зяби) отношением количества смытой почвы (Р) к полной работе сточной воды (А) на стоковых площадках (4) С помощью показателей эродируемости почв выражается связь между величиной смыва почв и полной работой воды и определяется количеством смытой почвы, приходящейся на единицу работы воды за период снеготаяния. Нетрудно представить, что интенсивность эрозии может быть определена произведением соответствующих показателей эродируемости почв на работу стекающей массы талых вод с введением ряда относительных коэффициентов (К), учитывающих форму продольного профиля склона, экспозицию, растительность, влажность и глубину промерзания почв, агротехнику (Иванов,1984) Iэ = Q ·A = Q · mg · 0,5 · L · sin a · K. (5) Таков методический подход, положенный нами в основу расчета среднемноголетней интенсивности смыва почв со склонов талыми водами. Он впервые был теоретически обоснован В.Г.Глушковым (1934) и практически использован в установлении связей между мутностью рек и полной работой стекающей воды с водосборов В.В. Протопоповым (1968). Касаясь вопросов влияния превышения длины и крутизны линии стока на смыв почвы со склонов, было показано, что влияние этих основных геоморфологических факторов должно рассматриваться в такой их связи, в которой они находятся между собой в природных условиях. В рамках такой модели склонов величина смыва почв находится в прямой или близкой к ней зависимости от произведения длины линии стока на ее уклон, находящихся в первой степени. На практике это означает, что величина смыва почв на склоне или элементарной водосборной площади находится при прочих равных условиях от превышений по линиям стока в конкретной микроручейковой сети склона или водосбора. Многочисленные экспериментальные материалы подтвердили исходную теоретическую основу предложенного расчетного метода, в которой длина и уклон также находятся в первой степени. Была показана и недостаточная обоснованность показателей степеней при длине и уклоне, используемых в расчетах смыва почв другими исследователями (Иванов, 1984). Выяснилось также, что на основе показателей мутности потоков на склонах практически невозможно систематизировать материалы полевых наблюдений на стоковых площадках для достоверной характеристики смываемости (эродируемости) основных типов и подтипов почв из-за недоучета влияния факторов длины и крутизны. В этом отношении изложенная нами методика выгодно отличается тем, что в показателе эродируемости почв одновременно учитывается длина и крутизна стоковой площадки, что способствует повышению достоверности определения показателей эродируемости почв. Материалы наблюдений на временных стоковых площадках и длительные стационарные наблюдения Нижнедевицкой водно-балансовой станции и гидрометеорологической обсерватории «Каменная степь» окончательно убедили нас в отсутствии надежной связи между смывом и массой стекающих талых вод, выраженной через мутность. Более надежная связь (ошибка 8-12%) выражается через показатель эродируемости почв. В своих построениях мы исходили из того, что определяющей характеристикой смыва почв является не продольный профиль склона, а средневзвешенная длина линии стока элементарного водосбора. Поверхностный сток воды и плоскостной смыв почвы происходят в микроручейковой сети по кратчайшему пути ручейками, устремленными по малейшим уклонам в сторону ближайшего более крупного водотока. Поэтому средневзвешенная длина линии стока на склоне или водосборе всегда меньше длины склона и не превышает 450-500 м. В природе по существу нет склонов и элементарных водосборов, не расчлененных овражно-балочно-ложбннной сетью, различного рода повышениями и понижениями местности, определяющими как сам тип микроручейковой сети, так и средневзвешенную длину линии стока. Внутри более крупных водотоков мы уже имеем дело не с плоскостным смывом почвы, а с русловыми процессами, подчиняющимися другим законам гидравлики и гидродинамики. Сами же водотоки являются своеобразными транспортными артериями, обеспечивающими вынос продуктов смыва в гидрографическую сеть более высокого порядка. Рассчитывать же смыв почвы по профилю склона вне связи с площадью водосборов и средневзвешенной длиной линии стока на них представляется возможным только при условии нахождения между ними определенной связи, что и определяет необходимость дополнительных исследований. В решении вопросов прогнозирования склоновой эрозии, вызванной поверхностным стоком талых вод, мы стремились как можно полнее обосновать методологическую основу и своего рода модель процесса с использованием специальной карты поверхностного склонового стока талых вод (Рязанцев, 1981). В связи с этим предложенный метод способен приближенно отражать среднемноголетние показатели смыва почв. Он использован нами в обосновании границы равновесия между эрозией и скоростью почвообразования, в установлении категорий эрозионноопасных земель и в проектировании противоэрозионных мероприятий на расчетной основе. Табл. 3. Экспериментальные и расчетные показатели смыва почв на зяби
Примечание. Цифры в скобках – смыв почвы при норме стока талых вод, прочерк – нет данных.
Дальнейшее совершенствование метода состоит в более полном отражении почвенного фактора, так как показатель эродируемости почв одновременно отражает в себе интегрированный комплекс внешних гидрометеорологических (экологических) условий, а коэффициенты, учитывающие степень смытости, гранулометрический состав, солонцеватость и карбонатность, не могут в полной мере отражать многообразную внутреннюю природу почвенных разновидностей. Поэтому в расчетах необходимо использовать относительный комплексный показатель противоэрозионной стойкости почв (Р), учитывающий содержание водопрочных агрегатов размером 0,01 мм, степень насыщенности основаниями, содержание гумуса, суммарное содержание полуторных окислов, относительный гранулометрический показатель структурности почв (по данным механического состава), содержание диспергирующих солей и свободных карбонатов. При этом формула расчета будет иметь вид (Иванов, 1985) Iэ = Q mg 0,5 L sinα PК. (6) Использование методики для прогнозных расчетов возможно двумя путями. Один из них основан на прогнозном определении поверхностного стока талых вод, исходя из запасов воды в снеге перед началом снеготаяния, влажности и глубины промерзания почв. Другой – на определении склонового стока заданных уровней вероятности по картам нормы стока, коэффициента его вариации и кривых трехпараметрической гаммы распределения. Однако и в том и другом случае это возможно только при установлении связей между показателями эродируемости почв с величинами поверхностного стока различных уровней вероятности. В прогнозировании склоновой водной эрозии почв не исключены и другие методические решения. Из множества их наиболее перспективные будут определяться правильно избранной методологией учета совокупности природных и антропогенных факторов эрозии в их тесной и закономерной связи между собой, а также уровнем достоверности составляющих элементов (параметров). Необходимо дальнейшее совершенствование методологической основы прогнозирования водной эрозии и переход на расчетную основу в проектировании противоэрозионных мероприятий.
8.2. Формулы расчета смыва почв
Для более полной информации приведем различные формулы расчета смыва почв со склонов применительно к условиям стока талых вод и выпадения дождей. Следует заметить, что большинство из них не обеспечено соответствующими обоснованными значениями параметров, дающих саму возможность производить необходимые практические расчеты. Однако их систематизация представляет определенный научный и практический интерес, поскольку дает возможность сравнительного анализа и определения наиболее перспективных подходов в объективной количественной оценке интенсивности процессов эрозии. Табл. 4. Формулы расчета смыва почв талыми водами
Табл. 5. Формулы расчета смыва почв в условиях выпадения обильных дождей
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-20; просмотров: 364; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.141.35.60 (0.032 с.) |