МЕХАНИЗМ ЭРОЗИИ ПОЧВ И СВОЙСТВА ЭРОДИРОВАННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ

2.1. Гидравлическая характеристика потоков и режимы течения

Поверхностная или плоскостная эрозия почв, развивающаяся при стоке талых и ливневых вод, ветровая эрозия или дефляция могут быть рассмотрены как процесс взаимодействия потоков воды и воздуха с почвами. По характеру движения воды по поверхности или внутри почвы ее потоки подразделяются на напорные, безнапорные и струйные.

Напорный поток ограничен твердыми стенками. Движение жидкости в таком потоке происходит под влиянием давления. Примером напорного потока являются движение воды в дренажно-оросительных и осушительных трубах и их аналогов – в кротодренах, а также гравитационное движение воды внутри почвы, усиленное гидростатическим напором при наличии воды на ее поверхности.

Безнапорный – это поток со свободной поверхностью, в котором вода перемещается исключительно под действием силы тяжести. Например, в ручьях (ручейковая эрозия), реках и каналах (русловая эрозия).

Струйные потоки ограничены со всех сторон жидкой или газообразной средой. В этом случае движение потока происходит по инерции под влиянием начальной скорости, созданной давлением или силой тяжести.

Гидравлические элементы потока, характеризующие размеры и формы его поперечного сечения – живое сечение (w), смоченный периметр (c), гидравлический радиус R = ^w/c, расход воды (Q), средняя скорость потока (V) V = ^Q/_w, вязкость (g), шероховатость поверхности и др.) определяют характер движения потоков жидкостей и газов – ламинарный или турбулентный.

Ламинарное (параллельноструйное) движение характеризуется упорядоченным перемещением отдельных частиц без перемешивания и без пульсации скоростей и давлений; поперечные перемещения частиц при этом отсутствуют.

Турбулентное (беспорядочное) движение характеризуется интенсивным перемешиванием частиц и пульсациями скоростей и давления, при этом происходят поперечные перемещения отдельных объемов воды и воздуха.

Важной гидродинамической характеристикой является средняя скорость потоков. Средняя скорость при равномерном движении в открытых руслах определяется также по формуле Шези

где V – средняя скорость, м/с; R – гидравлический радиус, м; I – гидравлический уклон; С – коэффициент Шези, м^0,5/с (Справочник…, 1974).

Шези Антуан (1718-1798) французский инженер-гидролог, преподаватель училища. Впервые вывел формулу расчета расхода воды и скорости ее движения при строительстве водоотводного канала (Бисвас,1975).

Экспериментально установлено, что смена режимов движения происходит при определенной критической скорости, зависящей от вязкости, гидравлического радиуса и безразмерного коэффициента пропорциональности, получившего название критического числа Рейнольдса (R_e), зависящего от условий формирования потока, шероховатости, первоначальных возмущений, конвекционных токов и т.д. Для водотоков русел, каналов, рек и ручьев число (коэффициент) Рейнольдса определяется формулой R_e = V R / g. Если критическое число Рейнольдса в этом случае меньше 575 – режим ламинарный, если больше – режим турбулентный.

По другим авторам (Мирцхулава, 1975; Кузнецов, Глазунов, 1996) для потоков с открытой водной поверхностью ламинарный режим наблюдается при R_e <300, а турбулентный – при R_e >600. В интервале от 300 до 600 поток может быть либо ламинарным, либо турбулентным в зависимости от скорости потока, шероховатости и характера русла.

В природных условиях ламинарные потоки могут встречаться на хорошо задернованных склонах, где вода течет ровным слоем малой глубины с небольшими скоростями, а также на распаханных склонах в начальной стадии снеготаяния, когда талая вода испытывает на своем пути сопротивление снега. Фильтрационные потоки также характеризуются ламинарным режимом ввиду малого диаметра пор и незначительной скорости. И тем не менее турбулентное движение потоков воды и воздуха доминирует, что и приводит к процессам эрозии и дефляции.

Рейнольдс Осборн (1842-1912) – английский физик, инженер. Основные труды по теории динамического подобия, течению вязкой жидкости, теории турбулентности и смазки. Экспериментально установил один из критериев подобия – число Рейнольдса.

На его основе разработана формула Прандтля, позволяющая определить скорость потока воздуха (ветра) на данной высоте:

где V_z – скорость потока ветра на данной высоте от поверхности объекта; Y – поверхностное трение; Р – плотность потока; z – высота измеренной скорости потока; k – 1/30 высоты поверхностных неровностей.

Прандтль Людвиг (1875-1953) – немецкий ученый, один из основоположников аэродинамики, создатель научной школы прикладной гидроаэромеханики.

В познании физической сущности механизма взаимодействия потоков воды и воздуха с почвенными частицами важное значение имеет взаимосвязь между давлением и скоростями потоков (уравнение Бернулли): Р₁ – Р₂ = 0,5 h (V₂² - V₁² ), где Р₁ - давление в точке с малой скоростью (V₁); Р₂ – давление в точке с большой скоростью (V₂); h - единица массы потока.

Бернулли Даниил (1700-1782) – академик (1725-1733) и иностранный почетный член (1733) Петербургской АН, сын Иоганна Бернулли. Разрабатывал законы механики жидких и газообразных тел (уравнение Бернулли).

2.2. Гидроаэромеханическое взаимодействие потоков с почвами

Воздействие потока воды и воздуха на почвенную частицу можно представить и виде гидроаэромеханической схемы (рис.2.1).

Рис. 2.1. Схема воздействия потока воды или воздуха на почвенную частицу: F₁ – подъемная, выталкивающая сила Архимеда; F₂ – давление, обусловленное различием скоростей потока; F₃ – сила вращательного момента; F₄ – сила потока (лобовое сопротивление); F₅ – сила тяжести (инертности) почвенной частицы; F₆ –сила сцепления частицы с почвой; F_R=(F₁ + F₂ + F₃ + F₄) – (F₅ + F₆) – результирующая сила

Рассмотренная гидроаэромеханическая схема воздействия потока воды и воздуха на почвенную частицу дает лишь самое общее представление о механизме эрозии почв. В действительности он сложнее. Так, водная эрозия, вызванная выпадением ливневых дождей, стоком талых вод в период половодья и концентрированными потоками воды во временных и постоянных водотоках, несмотря на их общую схожесть имеет существенные различия. Особое место занимает так называемая ирригационная эрозия при поливах по бороздам, напуском или дождеванием. В каждом конкретном случае в оценке интенсивности эрозии должна учитываться вся совокупность факторов, ее обусловливающих.

Так, американские исследователи (Wischmeier and Smith, 1965) в прогнозировании интенсивности ливневой эрозии использовали модель энергетического воздействия падающей капли дождя. Нами (Иванов, Кузнецова, Попов, 1990) эрозионное воздействие дождя оценивалось по стокоформирующей массе воды на поверхности почв как результат двух сопряженных функций – интенсивности дождя и водопроницаемости почв.

При поверхностном стоке воды и плоскостном смыве почв в оценке и прогнозировании эрозии многие исследователи используют критические (размывающие) скорости потоков воды (Мирцхулава, 1975; Косцов, 1971; Кузнецов, Глазунов, 1996 и др.).

На основе модели движения воды по наклонной плоскости и меры ее энергетического воздействия на почвы (Caine, 1976), позволяющей полнее учесть гидрологические и геоморфологические факторы эрозии, осуществлен прогноз ее интенсивности и выполнено районирование территории ЦЧО (Иванов, 1985; Рожков, Иванов, 1973).

Несмотря на существенные достижения в познании природы и механизма процессов эрозии почв все еще существует множество назревших и трудноразрешимых проблем, над которыми продолжают работать ученые. Однако сам механизм процесса эрозии позволяет понять, что почвы теряют самую ценную ее часть – илистые и коллоидные частицы, составляющую основу почвенно-поглощающего комплекса, и определяющую ее агрофизические и биохимические свойства, уровни реального и потенциального плодородия.