Россия
сотрудник
Россия
Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ТБК 56 Сельское хозяйство
В статье рассматривается движение водного потока на склоне, при этом выявляются основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению. Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностного баланса. При проведении анализа водного потока получили уравнение движения временного водного потока, которое позволяет решать следующие основные задачи: анализ возможности движения водного потока на тех или иных подстилающих поверхностях, определение и анализ параметров потока при ускорении, торможении или при равномерном его движении и другие. Также данное уравнение можно использовать в решении обратных задач, например, по определению коэффициента гидравлической шероховатости, потенциала эрозионной стойкости и других параметров стокоформирующей поверхности. Проведенный анализ позволяет судить о возможности воздействия на водный поток различными противоэрозионными подстилающими поверхностями с заданной гидравлической шероховатостью и другими препятствиями, в результате чего обеспечивается эффективное управление движением временного водного потока.
склоновый агроландшафт, водный поток, гидравлическая шероховатость, подстилающая поверхность.
Эрозия почвы на склоновых агроландшафтах представляет собой необычайно сложный процесс, происходящий под влиянием множества факторов: природно-климатических и геологических условий, рельефа, состояния подстилающей поверхности, хозяйственного использования склоновых земель. Ученые давно пытаются найти актуальные подходы и способы количественной оценки эрозии почвы, которая приносит огромный ущерб сельскому хозяйству и экологии. Целый ряд трудов посвящен методам прогноза почвенной эрозии [1-8].
В конце XIX века Уолни выполнил первую научную работу по исследованию почвенной эрозии. Первоначально были выведены однофакторные уравнения для определения выноса почвы, представляющие собой частные и некоторые случаи при постоянстве ряда факторов. Впоследствии, в результате дальнейшего познания механизма эрозии почв, выведены многофакторные уравнения. Довольно полная информация по исследованиям известных многочисленных моделей для определения поверхностного смыва почвы представлена в работах Г.П. Швебса [9, 10].
Условия, материалы и методы исследований.
Рассматривая движение водного потока на склоне, примем следующие допущения [11, 12, 13]:
1. Процесс движения атмосферных осадков в виде стока на склоновом агроландшафте происходит по мелкой сети множества микрорусел, пересекающихся и сливающихся в одно целое, тогда для первого приближения можно принять водосборную площадь как линейный канал, где происходят присущие водному потоку явления (изменения интенсивности стока по длине пути, появление боковых притоков и т.д.).
2. Вследствие продолжительности во времени взаимодействия осадков и подстилающей поверхности почва сильно переувлажняется, и с некоторым приближением не учитываются инфильтрационные процессы влаги.
При движении водного потока можно выявить основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению [14].
Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностного баланса. Мощностной баланс определяется затратами энергии потока на преодоление внешних и внутренних сопротивлений потоку по времени. Запишем уравнение мощностного баланса в общем случае [14]:
где – составляющая силы тяжести элементарного объема водного потока, Н;
– сила сопротивления размыву подстилающей поверхности склона водным потоком, Н; - сила сопротивления движению водного потока, обусловленная шероховатостью подстилающей поверхности склона, Н; - сила сопротивления движению потока растительных элементов, Н; - сила сопротивления движению потока, обусловленная влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Н; - сила сопротивления инерции потока, Н; - скорость движения элементарного объема водного потока, м/с.
Спроецируем уравнение (1) на ось вдоль склона с учетом скалярного произведения векторов сил и скорости потока [14]:
(2)
или
(3)
где Nα – мощность водного потока, Дж/с;
Nψ – потери мощности водного потока на размыв подстилающей поверхности склона, Дж/с; Nφ- потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона, Дж/с; Nδ – потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона, Дж/с; Nγ – потери мощности водного потока, обусловленные влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Дж/с; Nj – потери мощности водного потока, обусловленные влиянием инерции потока, Дж/с [15].
1. Васильченко, Г. В. Воздействие потоков на мелиоративные и водохозяйственные сооружения / Г. В.Васильченко. – Минск : Ураджай, 1985. – 175 с.
2. Полуэктов, Е. В. Регулирование водного режима эродированных почв противоэрозионными приемами / Е. В. Полуэктов // Почвоведение. – 1993.– № 3. – С. 80-99.
3. Рекомендации по созданию комплекса агролесомелиоративных противоэрозионных мероприятий / Г. П. Сурмач и др. – Волгоград, 1973.
4. Сурмач, Г. П. Водная эрозия и борьба с ней / Г. П. Сурмач. – Л. : Гидрометеоиздат, 1976. – 254 c.
5. Сурмач, Г. П. К вопросу об изучении весеннего стока в сети лесных полос на черноземах Куйбышевского Заволжья / Г. П. Сурмач // Вопросы земледелия и борьбы с эрозией почв в степных и лесостепных районах СССР. – Саратов,1959. – Т. 2. – С. 489-497.
6. Сурмач, Г. П. Опыт расчета смыва почв для построения комплекса противоэрозионных мероприятий / Г. П. Сурмач // Почвоведение. – 1979. – № 4. –С. 92-104.
7. Швебс, Г. И. О приемах изучения смыва почв / Г. И. Швебс // Почвоведение. – 1957. – № 5. – С. 105-109.
8. Эрозия почвы / пер. с англ. и предисловие М. Ф. Пушкарева. – М. : Колос, 1984. – 415 с.
9. Швебс, Г. И. Теоретические основы эрозиоведения / Г. И. Швебс. – Киев; Одесса : Вища школа, 1981. – 219 с.
10. Швебс, Г. И. Формирование водной эрозии, стока наносов и их оценка : на примере Украины и Молдавии / Г. И. Швебс. – Л. : Гидрометеоиздат, 1974. – 183 с.
11. Васильев, С. А. К вопросу о формировании стока на склоновых землях / С. А. Васильев, И. И. Максимов, А. А. Васильев // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф., посвященной 75-летию со дня открытия ЧГСХА. – Чебоксары, 2006. – 680 с.
12. Васильев, С. А. Совершенствование методики и технических средств оценки для проектирования противоэрозионных технологий на склоновых землях : дис. … канд. техн. наук : 05.20.01 / Васильев Сергей Анатольевич – Чебоксары, 2006. – 161 с.
13. Ткачев, А. А. Развитие методологии расчета параметров неустановившегося течения воды при водораспределении в каналах оросительных систем : дис. ... д-ра техн. наук : 06.01.02 / Ткачев Александр Александрович. – Новочеркасск, 2011. – 297 с.
14. Васильев, С. А. Энергетический подход для построения гидродинамической характеристики водного потока на склоновом агроландшафте / С. А. Васильев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : наука и высшее профессиональное образование. – 2015. – № 4 – С. 194-200.
15. Васильев, С. А. Математическая модель для прогноза эрозионных процессов на склоновых агроландшафтах / С. А. Васильев // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2015. – № 9. – С. 96-100.
16. Максимов, И. И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель : дис. … д-ра техн. наук : 05.20.01 / Максимов Иван Иванович. – Чебоксары, 1996. – 325 с.
17. Васильев, С. А. Гидравлическая шероховатость : энергетический подход и практическое приложение / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов // Чебоксары : ВФ МАДИ, 2010. – 204 с.
18. Боровков, В. С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях / В. С. Боровков. - Л. : Гидрометеоиздат, 1989. – 285 с.
19. Лопырев, М. И. Защита земель от эрозии и охрана природы : учеб. пособие для вузов / М. И. Лопырев, Е. И. Рябов.– М. : Агропромиздат, 1989. – 240 с. : ил.
20. Рожков, А. Г. Борьба с оврагами / А. Г. Рожков. – М. : Колос, 1981.– 197 c. : ил.
