Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭРОЗИИ ПОЧВ ПРИ СТОКЕ ТАЛЫХ ВОД

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭРОЗИИ ПОЧВ ПРИ СТОКЕ ТАЛЫХ ВОД"

к-ъовЧХ'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯПСТВЕШШХ ПАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НОЧБЕИНЬШ ИНСТИТУТ ни с пи В. П. ДОКУЧАЕВА

Па правах рукописи УДК 031/1 632.125:63 Ш.2.

КОСО КОЖИ ИИ Валентин Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭРОЗИИ ПОЧВ ПРИ СТОКЕ ТАЛЫХ ВОД

Специальность 03.0С.27 — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученом етопепи кандидата сслмчнжозиистютшмх наук

Москва 1992

Работа выполнена п отделе эрозии почв Почвенного института им. В. В. Докучаева.

доктор сельскохозяйственных паук П. С. ТРЕГУБОВ

Официальные оплопепты: доктор географических наук В. Я. ГРИГОРЬЕВ кандидат биологических пауг; II. М. САПОЖНИКОВ

Ведущая организация — Всероссийский научно-нсследова-тельскии институт земледелия и защиты почв от эрозии, г. Курск. ^

Защита состоится «./„/...»..193$ г. в /1:1.... часов на заседании Специализированного 'совета К 020.25.01 в Почвенном институте им. В. В. Докучаева по адресу: 109017, Москва, Пыжевский пер., д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке пнетп-

Отэывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Москва, 109017. Пыжевский пер., д. 7, Почвенный институт пм. В. В. Докучаева, Ученому секретарю Специализированного совета.

Научный р у к о в о д п т с л ь:

тута.

Автореферат разослан «

Учепыц секретарь Специализированного совета, доктор географических наук

М. С. СИМАКОВА

Актуальность темы. В Российской Федерации более 36 млн. га сельскохозяйственных угодий расположены на склонах различной крутизны н подвергается воздействию процессов эрозии. Эрозия приводит к снижению почвенного плодородия, заилению водоемов, ухудшению качества воды, провоцирует и активизирует многие другкэ негативные процессы. Актуальность проблемы защити почв от эрозии связана с задачами охрены почв и окружающей среды, увеличения производства и улучшения качества сельскохозяйственной продукции.

По данным академика РАСХН А.Н. Кчттановя, только за сшт предотвращения процессов эрозии и рационального использования эродированных почв производство сельскохозяйственной продукции можно увеличить минимум на 20-30Î,

Эрозия почв - сложный многофакторный процесс, характеризующийся большой дифференциацией s пространстве и во времени. Провести прямой учет интенсивности эрозионных процессов для каждого поля или влементарного склона не представляется возможны*, поэтому на практике используются модели эрозии почв, позволяющие расчетнш путем оценить темпы смыва и эффективность противоэрози-онных мероприятий, Одной из актуальных является задача разработки моделей эрозии почв при стока талых вод е использованием гидромеханической теории эрозионных процессов.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - изучить особенности применения гидромеханических моделей смыва для прогнозирования процессов эрозии почв при стоке талых вод. Были намечены следутапие задачи:

I, Разработать и построить лабораторную установку типа »розненного лотка, позволяющую моделировать условия смыва почв при «оке талых вод.

2. Изуч! ыва мерзлых темно-се-

-г-

рых лесных почв,

3. Изучить влияние процессов замерзания-оттаивания на проти-воэроэионную стойкость томно-серых лесных почв разной степени вродировянности.

4, Разработать принципиальную схему модели эрозии темно-серых лесных почв при стоке талых вод.

Нчучная новизна« Разработаны методы экспериментального определения противоерозионной устойчивости мерзлое почв у. конструкция эрозионного лотка, позволяющая моделировать условия смыва мерзлых почв при стоке талых вод. Установлено наличие особого, предельно-тврмоэрозионного, типа размыва мерзлых темно-серых лесных почв« характеризующегося зависимостью интенсивности ошва почв от тепловой энергии потока. Предложено уравнение для расчета интенсивности смыва мерзлых почв в случае предельно-термозро-зиокного типа размыва; получены эмпирические значения входящих в уравнение параметров для темно-серых лесных почв разной степени вродированности. Разработаны схемы основных блоков модели эрозии почв при стоке талых вод. Защищаемые положения

I. Изменение противоэроэионной стойкости почв* в результате процессов замерзания и оттаивания определяет особенности проявления »роэии при стоке талых вод*

Z. Процессы вроаии мерзлых тонно-мрмх лвсмых почв харак- , теризуются наличием двух типов размыва: зро»ионного, при котором интенсивность смыва определяете* механической внврпий потока, и пре де л ьно-термоэроз ионного, при которой жтексиаиость «мим определяется твпдомй внергивй потока*

3. При прогнозировании процессов «розни почв, вывиваемой стоком талых вод, гидромеханические модам омым ДОяяш дополнять-

■ _з_

ся уравнениями прдДдльно^герыоэроэионного типа размыва.

Практичзская ценность туээультатов. Разработанные методы и уравнения могут использоваться для оценки устойчивости темно-серых лесных почв к эрозии при стока талых род.

Выявленные закономерности изменения противозрозионной стойкости темно-серых лесных почв разной степени эродированности при замарзании-оттаивании, а также уравнения и показатели предзльно-термоэрозионного типа размыва почв могут быть использованы для прогнозирования интенсивности эрозии в период стока талых вод.

Апробация работы. Материалы работы долотэны и сбсуждэны на заседании отдела эрозии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева, на Беесосзной научной конференции "Почвенно-прозионныа процессы и мэры борьбы с эрозией почв", Душанбе, 15-17 мая 1991 г., на семинаре к^едры эрозии почв Московского государственного университета им, М.В, Ломоносом» 1991 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, рекомендаций, списка литературы и приложения. Содержит 155 страниц машинописного текста, включая 25 таблиц и 12 рисунков. Список литературы включает 145 наименований на русском языке и 16 наименований на иностранных языках.

Глава I. ПР01£ССи ЭРОЗИИ ПОЧВ ПРИ СТОЙ ТАЛЫХ ВОД И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Важнш моментом в истории изучения процессов эрозии явилась разработка количественных уравнений смыва почв. Первые эмпирические зависимости между величиной смыва почв и факторами рельефа, соэдэннда американскими и советскныи учэнши в 30-40-э годы, стали фундаментом одного из самых перспективных направлений развития зрозиовздешш. В дальнейшем были разработаны более

сложкьв эмпирии с кие модели врозии почв, вызываемой стоко« талых вод, включчюшие наряду с факторами рельефа такие параметры хяк вродируемость почв, почвозащитное действие растительности и про-тивоэрозионных мероприятий, показатели свойств почв и т.д. (Фролов, 1964; Сурыяч, 1976, 1978, 1981; Иванов, 1977; Инструкция по определению расчетных гидрологических характеристик...« 1979; Герасименко, 1967). Там на ившв все вмпирические модели обладает одним существенны! недостатком - они применимы лишь в тех условиях, для которых подучены*•

Принципиально отличаются от эмпирических моделей эрозии почв так называемые гидромеханические модели смыва, в которых удачно сочетаются теорвтжйскда представления и эмпирические данные о мэханизмэ эрозионных процессов. Такой подход использовали в своих работах Маккавеев (1955), Звонков (1903^, Мирцхулява (1970), Кузнецов (1901), Григорьев (1964) и другт. Наиболее известно теоретико-эмпирическое уравгон^е расхода твердого стока Мирцхулавы (1970), разработавшего усталостную теорию размыва связных грунтов, согласно которой процесс разрушения грунта обусловлен накоплением необратимых механико-хиаических измене-, ний при длительном динамическом действии нагрузок'от турбулентного руслового потока. Кузнецов (1981) получил уравнение данной размывавшей скорости потока, в котором учтены особенности протм-воэрозионной стойкости собственно почв. Гидромеханическая теория успешно используется для прогнозирования процессов вроэии грунтов в гидротехническихсооружениях и ирригационной вроэии почв. Работы по использованию гидромеханических модеязй смыве для описания прокосов вроэии почв при стоив талых вод практически отсутствуют» '

По современны* представлениям, вроэия почв при стоке талых

вод осуществляется нэрусловши склонивши потоками. Интенсивность эрозионных процессов при этом определяется соотношением энергии потока и устойчивости почв к эрозии, а также концентрацией наносов в потоке. Вели поток недогружен наносами, а его энергия достаточна для отрыва и перемещения частиц (агрегатов) почвы, то наблюдаются процессы эрозии. Для турбулентных потоков, глубина которых многократно превышает размер отрываемых частиц (агрегатов) интенсивность эрозии пропорциональна отношении скорости потока к критической Аля данной почвы скорости, Бели концентрация наносов в потоке превышает величину его предельной транспортирующей способности, то происходит отделение наносов (Маккавеев, Чалов, Отличительной способностью эрозии почв при стою таких вод является наличие двух типов размыва - эрозионного и термоарозиониого, под которым понимается одновременное воздействие на мерзлую почву тепловой и механической энергии потока. Мерзлая почва обладает повьтвнной противоэроэионной стойкостью за счет цементирующего действия льда и в реальных условиях подвергается смыву тольхо после оттаивания. При этом скорость оттаивания почвы может лимитировать интенсивность смыва, что является характерны* признаком так называемого предельно-термоэроэконного типа размыва (Ершов и др., 1562). Оттаявшая почва обладает пониженной гтротнвоэроэионной стойкость» (Кузнецов, 1961).

Применен»» гидромеханических моделей смыва для прогнозирования процессов эрозии почв при стоке талых вод требует решния многих частных вопросов. Наиболее важные из них - аналитическое описание гидродинамики и динамики тепловой энергии веруеловых склоновых потоков, в таюсе процессов термозрозии мерзлых почв и динамики противоэроэионной стойкости почв.

Глава П. СВЯЛИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Район исследовании расположен а Тульской области на право» бережъа реки Оки в се&эро-восточной части Среднерусской возвышенности и относится к Тульско-Орловскому почвенному округу, серолэсного лессовидно-суглинистого ярозионного типа, главной особенностью которого является резкое преобладание автоморфных серых лесных почв и определяющее влияние процессов »розии на структуру почвенного покрова (Добровольский, Урусевская, 1984).

Исследовались темно-серые лесные почвы средне-тяжалосуглинистого гранулометрического состава, разной степени эродкрован-ности. Описание разрезов и названия почв даны по Классификации и диагностике почв СССР (1875).

Неяродированные темно-серые лесные почвы приурочены, как правило, к водоразделам и приводораэдольнш участкам склонов. В основном, это старопахотные почвы, оредне-тяжеяосуглинксгые по гранулометрическому составу, о четкой дифференциацией профиля на генетические горизонты. Содержание гумуса в пахотном слое составляет около постепенно снижается по профилю, оставаясь до иллювиальных горизонтов мое К. Темно-серые лесные почвы под лееоы обладают высокой противоэроэионной стойкостью, которая в значительной степени утрачивается при длительной распаяю (Кузнецов, 1931). ' 1

В результате процессов эроэиитамно-оарызлесные пахотные почвы постепенно утрачивают верхние наиболее плодородные гумусовые горизонты. В распайку начинают вовлекаться переходный, а яа-теы и иллювиальные горияонты почв, что приводит к уменьшит содержания гумуса в пахотном слое, увеличению доли фулвомнио* в групповом составе гумуса, утяжелению гранулометрического состава, увеличению равновесной плотности, снижению пороаности агрегатов

(табл. I, 2), Анализ показателей свойств темно-серых лесных почв позволяет сделать вывод о типичности выбранных объектов исследования. Основные свойства наяродированных, средне- и сильно-эродированных почв значительно различаются, что доказывает необходимость выделения их в качестве самостоятельных объектов

ИССЛЙДОВЯНИЯ,

Б работе использовались.традиционные методы изучения почв и их модификации. Общепринятые методы применялись при анализе гранулометрического и микроагрегатного состава, водопрочности макроструктуры, пороэности агрегатов, плотности, воличины продельного напряжения сдвига, влажности, наименьшей ьлагоомкостк, температуры и глубины промзрэания почв. 1'э химических свойств определяли: обгое содержание гумуса по Тюрину, содержание органического азота пе Кьэльдалю, рН водной и солевой вытяжки, обменные кальций и магний по Годройцу, гидролитическую кислотность по Каппену, подвижный фосфор по Кирсанову, обменный калий по Насловой,

Полеым наблюдения на экспериментальных водосборах включали следующие измерения: мощности снежного покрова, плотности снега, объема стока воды по водосливам, гидравлических параметров потока, мутности и температуры воды, величины относительных превышэкий на местности.

Моделирование процессов эрозии в лабораторных условиях проводили на специально'созданной установке типа среднего эрозионного лотка (рис. I). Эрозионный лоток представляет собой сборную конструкцию, которая позволяет осуществлять размыв образцов почв нарушенного и естественного сложения в диапазоне регулируемых параметров: температуры воды - от 0,1° до 20°С, скорости потока - от 0,05 до 2,0 м/с, объемного расхода воды -

Таблица I. Показатели хим(тчэсюгх свойств т-эуно-серьсс лзсных почв

»

разреза

Горизонт глубина, см

водный

I Апах 0-23 6,3 5,4 3,1 0,16 3,0 12,0 2,3 13,2 14,0

AI 23-36 6,1 * 5,2 2,8 0,16 2,9 14,3 2,9 14,8 13,8

AB 36-51 6,2 5,2 1,9 0,10 2,2 15,0 3,0 16,7 14,3

BI 51-75 6,1 5,0 1,1 0,07 2,2 , 15,3 3,1 21,3 15,7

BZ 75-96 5,9 . 4,9 0,7 0,05 2,1 16,2 3,4 23,8 16,4

2 Апах 0-23 6,2 5,2 2,6 0,14 3,2 13,2 2,4 14,6 14,5 AB 23-29 6,3 5,2 1,6 0,12 2,9 15,5 2,7 15,3 16,8

3 Апах 0-23 6,0 5,0 1,4 0,09 2,9 13,9 2,9 20,1 23,7 BI 23-35 6,2 5,1 0,9 0,04 2,6 16,2 3,1 22,0 24,2 B2 35-71 6.0 4,9 0,6 0,04 2,1 17,1 3,6 23,7 24,9

BI 29-53 6,1 5,0 1,0 0,06 2,2 16,3 3,2 20,4 21,3 B2 53-83 6,0 5,0 0,7 0,04 • 2,1 16,7 3,4 25,0 23,5

Тяблица 2. Показатели дузи*псккх свойств томно-сзрых лесных почв

-!-

1

* ! Горизонт, (Плот-паз-! глубина, 1ность,

Р33»! ¡г/»3

1

; Среди Фактор

• I д ия м-г то; Л г с л&Т) е-^еодо- * ¡ноети" ^прочных!1пс Ка-

• < а грз ГЧ-(чинск0-,ТОВ, %

Плотность твердой

Ч^ЗЫ,

г/см3

(Псроз- ! частиц, агрзг^тов,^

|кДставГИЧЭС"1 всаопрочность ] % |<0,01мм¡-¿О ,001мм|>0,£5мм|

Ш лро Д 0 вя ннч я ПС1ЕЯ

Длах 0-23 1,26 2,1)0 33,0 43,0 20,2 24,4 3,6 0,26 12,9

АХ гз-зб 1,27 2,ео 41,0 49,1 21,4 32,5 5,9 0,35 14,0

АВ 36-51 1,33 2,04 37,0 49,5 25,1 46,9 13,9 0,53 11,2

В1 51-75 1,45 2,70 33,0 51,7 31,9 Не опр. е,9

Б2 75-96 1,45 2,72 34,0 51,9 33,3 я щ 10,2

Среднязрод!фованная почва

Апах 0-23 1,29 2,ез 37,0 50,2 24,7 28,4 3,8 0,30 6,9

АВ 23-29 1,35 2,65 37,0 50,4 23,6 45,9 II.9 0,55 11,2

В1 29-53 1,43 2.70 34,0 51,9 31,С 58,3 16,3 0,70 14,2

В2 53-83 1.45 2,72 34,0 52,5 32,9 Из опр. 9,7

СилънопродирСЕЗннчя почвз

Апах 0-23 1,32 35,0 52,5 32,9 50,3 11,0 0,55 6.4

Б1 23-35 1,45 2,70 32,0 52,4 32,8 59,8 16,3 0,68 9.1

Б2 35-71 1,45 2,72 33,0 52,5 32,6 38,6 8,3 0,43 9.8

Рис. I. Схэыа эрозионного лотка (. бассейн 7. Вентили

г Мешалка А Насос -Напорный бак

5. Лерелиа

6. Подача воды

& Гибкий шланг % Пульт управления Л Бачок-терморегулятор п. Направляющие п. винтовая ось

а Ложе лотка

11 Термостабилизатор

15 Кассета с почвой

(б-Приеод устройства вменения угла наклона

17. бак отстойник

ц. водопровод

от 0,01 до 1,0 л/с, угла наклона - от 0° до 12°. Основнъы отличием данной установки является возможность осуществления размыва образцов мерзлых поче потоком воды заданной температуры.

Моделирование процессов эрозии почв при стоке тэлых вод требует большого количества воДы с температурой близкой к 0°С. Охлаждение воды осуществлялось в наружном бассейне емкостыо В м3 путем добавления расчетного количества льда или снега. Теплоизоляция кассеты с образцом мерзлой почвы достигалась путам помещения ее в специальный блок-термостабилизатор, выполненный нэ толстостенного пенопласта.

Устойчивость мерзлых почв к эрозии определяли с использованием методических разработок Зршова и др. (1962). Противоэрози-онную стойкость неыерзлых почв определяли по Кузнецову (1901).

Глава И, ПРОТЪСОРОЗИСИНАЯ СТОГХОСТЬ ТЕННО-СЗРЮС ЯЗСИЬХ ПСЧЗ

В подавляющее большинство уравнений смыва (моделей эрозии) входят параметры, оценивавшие противоэроэионную стойкость или продируямость почв. При этом используются как различные термины и опрадеяения, так и различные методы количественной оценки почвенных параметров, влиявших на интенсивность эрозионных процессов. Заславский (1983) выделил три фактора эрозионной опасности в связи с почвекньии условиями: I) водопроницаемость почв; 2) противоэрозионная стойкость (устойчивость) почв; 3) общий уровень плодородия почв* 6 настоящей работе рассматриваются только воцрооы противоярозионной стойкости почв, под которой понимается "способность почв противостоять смывающему воздействию потоков" (Заславский, 1963). Количественны* показателем противозрозионной стойкости почв, в соответствии а гидромеханической теорией, являются критические (размывающая и нзразмывашая)

скорости потока,

В нпштх аксперимеитах была проведена проверка пригодности созданной лабораторной установки для моделирования эрозионных процессов и получены исходные данные для сравнения особенностей размыве немерзлых и мерзлых темно-серых лесных почв разной степй' ни вродированности.

Экспериментальное определение размывашей скорости потока для образцов нарушенного сложения показало (табл. 3), что про-тивояроэионнпя стойкость темно-серых лесных почв разной степени яродированности при постоянной плотности 1,10 г/см3 определяется величиной средневзвешенного диаметра водопрочных агрегатов ( <1 ). С увеличением степени эродированное?и почв их противо-ярозионнал стойкость возрастает. Это связано с утратой высокой исходной водопрочности пахотного ¿лоя незродиромниых темно-серых лесных почв в результате длительного сельскохозяйственного использования и с относительно высокой водопрочностыо горизонтов, вовлеченных в пахотный слой эродированных почв.

Удовлетворительное совпадение полученных экспериментально и рассчитанных по уравнениям Мирцхулавы (1968) и Кузнецова (1961) значений критических скоростей потока указывает ма.вов-мощность использования возданной установки Для моделирования процессов эрозии.

Донная размывавшая скорость потока для образцов нарушенного сложения характеризует противоэрозионну» стойкость почв на свежзвспаханной зяби (Кузнецов, 1961). Анализ образцов почв, отобранных в позднеосенний период, пок&Ьал, что &а время после вспашки и до замерзания почвы увеличиваются плотность почвы, средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов (4 ), возрастает величина сцептания (С), что приводит к увеличению противо-

Таблица 3. Противоэроэионная стойкость тэ«ко-с«рых лзеных почв разной степени рродироранности и £лкторн ее определявшие

Степень

зродиро-

ванноети

Плотность

т/иа

!

■ »

т/м3 | Р'* I

' Г 1 ■

¡Доитл рпзмыраю-¡шая скопость по-2 (Тока, М/с .

т/м • ¿..по

< »кспери-• мент (Куэно-I |ЦОву

Образцы нарувэиного сложения, свежевспаханная зябь Наародиро-

ванная 0,84 1,10 2,60 38,0 - - 0,10-0,12 0,12

0,14-0,10 0,14

Среднеэродированная 1,16 1,10 2,63 37,0 -

Сияьноароди- ^

рованная 1,43 1,10 2,64 35,0 - - 0,1С-0(18 0,1С

Образцы »нарушенного сложения, зябь в позднеосенний период Нэяродиро- , '

ванная 1,06 1,26 2,60 38,0 0,47 0,13 0,14-0,16 0,13

ром№ая<Ш~ 1,53 1,29 2,63 37,0 0,42 0,34 0,10-0,20 0,Г6

роввндая0"*1" 1,70 1,32 2,64 35,0 0,36 0,40 0,18-0,20 0,17 То же, после замерзания-оттаивания

ЙГ0" 0,62 1,15 2,60 38,0 - .

роввнная0*"" 0,71 1^21 2,63 37,0 0,54 0,06 0,12^,14 О.П

роминая^"" 0,94 1,25 2,64 35,0 ;0,51 0,10 0,14-0,16 0,13

Примечание. V - плотность дверкой фазы; Р - пороэкость агрегатов; К - коэффициент однородности по Иирцхулаве.

0,06-0,10 0,09'

ярозиснной стоГ.хости почв (табл. 3). Донная раэмымющая скорость потом длр нзэродированных почв увзличивяется в 1,4 ряз* и со-СТ9РЛПОТ 0,15 и/с. Для сроднаэродированных и сильно^родированных почр хонняя разиивгшоая скорость потока увеличивается соответственно в 1,3 и 1,1 раза и составляет 0,15 м/с.

г.пм 1У. гадзишв црогевсерсеисннсй староста ташо-отиа дзашс почв в р^дычтя прирсосв эачи^я-оттлквдшя

Г1сл зякянком процассов зпыерзяния-оттяивания противолрози-оннч» стойкость тгыно-сарых лзеннх почт* знячитэльно снижается, денная рязмиачишл скорость потока для оттаявших монолитных образцов нзг'родкрокчнных почп послз трех циклов ззмарзания-оттаи-гйния в ведотешекнеи состоянии уменьшается в 1,7 раза, средне-предироранных - в 1,5 раза и сильноэродировянных - в 1,3 ряза (табл. 3\

1!оиз некие противопрозионной стойкости оттаявших почв связано с уызныязвнем диеызтра подстрочных агрегатов и величины сцеплания, В результате многократного замораживания-оттаивания обрлэцоэ тгмно-еэрых лзегояс почв средне во вешанный диаметр водо-про^шкх агрегатов уызныиязтея в 1,6-2,2 раза, величина продольного напряжении сдвига в 2,2-4,5 раза, плотность - ка 3-1К,

Измзнзние параметров, опрздзляшит противоэрозкенную стойкость почв, зависит от вэличиш обшей влажности мерзлых почв и количества циклов замерзания-оттаивания. Снижение противоярози-енной стойкости почв в результате процессов замерзания-оттаива-кия наблвдаэтея при их влажности более 753 от НВ. При влажности мзрзлкх почв менее 75!? от НВ изменение величины сцепления и средневзвешенного диаметра водопрочних агрегатов после оттяим-

N.

ния находится в пределах ошибки эксперимента. Основные изменения

-15в противо?роэ ионной стойкости почв происходят уже при однократной заызраакии-оттаивании, При увеличении кояиччетм циклов за-иерэания-оттаивйнкя от I до 3 интенсивность смыва почв уклеивается в 1,5 раза» Дальнзйше увеличение количества циклов зя-мерэания-оттаивпния незначительно сказывпется на протквоэрози-онной стойкости ПОЧВ.

Изменение температуры Сот -5° до и длительности за-

мораживания (от 1,5 до 14 суток! практически не оказываат влияния на величину противоярозионной стойкости оттаявших почв, ■ , Темно-серые »скыв почвы разной степени дродированнооти, находящиеся после оттаивания в яедонасышзнном состоянии, на восстанавливают первоначальной противопрозионной стойкости с течз-нием времени. Частичное восстановление противо?роэконной стойкости отталваих почв происходит посла высушивания,

Экслертонтальные и расчетные значения донной р^змкваюшей скорости потока для оттаямих темно-серых лесных почв разной степени зродмрованности различаются не более чем на 15-18?!, что указывает на возможность использования уравнения Кузнецова (1961) при оценке их противопрозионной стойкости.

Оттаявшие темно-серые лесные эродированные почвы обладает бояьвей противопрозионной стойкость», чем не эродированные.

Глава У. ЭРОЗИЯ ИБРЗДЬК ПОЧВ

Экспериментальны» данна» свидетельствуют о наличии двух различных типов размыва, определяющих интенсивность смыва мерзлых темно-серых лесных почв (рис.2, Э). Первый из них (рис. 2, кримя проэионный тип размыва, характеризуется зависимостью интенсивности омыва от скорости потока и пониженной проткяоэрозионной стойкостью оттаявших почв. Второй (рис, 2, кривея предольно-термо^розионный тип размыва, по определению Зршова и др.

Ptic, 2. Хярпктгр эчр^симости интенсивности сиыва ( 1 мерзлъгг лосних почв ст скорости ПОТОМ ( У ) при постоянной т^млс рлтурз РОДЫ.

- - - контроль, неыорэлпл псч«л; V пор - пороговая спорость потека, рязд'тлягааая дрч тяпч рчэмывэ

Рис. 3. Характер зявистости интенсивности емнва < ^. 1 мерзлых темно-серых лесных почв от температуры воды ( ) при постоянной скорости поток«.

- - - контроль, немзрэлак поч&ч; 1, пер - порогомя температуря воду, разделяющая Два тилч рпэыыв*

(1962), характеризуется величиной максимально возможной (прэд^ль ной) интенсивности смив* Мерзлой почр«, которая зависит от темпе ратуры воды и не зависит от скорости потока.

В случал предельно-тзрыоярозионного типа размыва унтзнеявность смыва мерзлых тоыно-езрых Лесных почв лимитируется.скоростью их оттаивания и рассчитывается по уравнзнию:

п*- И (^-Гкр) >

1 ** V/ - V/**

■ . 2 * где - предельная интенсивность смыва, кг/с*м ; К,. - т-?провой показатель раэмываэмости почвы; - температуря воды, °С;.

- критическая температура воды, °С; Рд. - плотность льда, хг/м3; V/ - влажность почвы, У/ил.- содзрианке неэчыерэшей воды,

Критическая температура воды определяется по омт*рическому уравнению: »

и» = 0.05-^ • .

где 1|ф. - критическая температуря воды, °С; Хп, - температура мерзлой почвы, °С.

*

Значения теплового показателя разыкваемоети ( К* ) для мерзлых темно-сэрых лесных почв разной степени эродируемости получены ?кспершентально на установке типа эрозионного лотка (табл. 4).

Выявлена определенная связь между плотностью мерзлых темно-серых лесных почв и эначением теплового показателя раэмываемое-тя • с увеличением плотности значение теплового показателя раз-мымемости уменьшается» Количественной характеристикой устойчивости мерзлых почв к эрозии при предельно-термозрозионном типе размыва может служить величина, обратная вначлнкю теплового по- * казателя раэмываемости - тЬ (табл. 4). Для одинаковых агрофо-

Тэ блица 4. Тепловой показатель размываеыости (К^ ) мерзлых темно-, серых лесных почв и (факторы его определяющие

,3гж™ ■ I (ч-ИЧ"* (¡г-®4

! 1 ' 1 г/см3 1 1

Образцы нарутзнного сложения

Стогна г>р?дяро- _ „

в'лктя, Лпах , 8,07 2,00 1,10-1,26 12,4

Склыюэг од иро—

ванная, Апах 7,22 1,41 1,15-1,31 13,9

Образцы ненарушняого сложения

Изанодирован- Отвальная ная*, Алах зябь

Средне.? цедированная," Ал^х

Сильнояродиро-ьчнная, Лпах

Нзэрсдипсглн- Стчрня с пая, Апах Пшеницы

СиЛЪНОЭТЮДИрО-

5,71 3,10 1,20-1,29 17,5

5,47 2,60 1,24-1,29 18,3

-1,65 1,41 1,25-1,36 21,5

4,19 2,80 1,32-1,36 23,9

2,60 1,45 1,45-1,46 35,7

2,25 0,95 1,45 44,4

ное устойчивость мерзлых темно-серых лесных пйчв к ярозии возрастает с увеличением степени эродированном и. Тип размыва мерзлой почвы в произвольном створе "х" при данной скорости ¡потока " V« " и температурэ воды " " зависит от соотноознйя потенциальной интенсивности смыва оттаявшей почвы С^от) и предельной интенсивности смыва морэлой почвы и мо*ет быть определен

из условия:

Яш-'.

к

•Яш.-

г-

- предельно-термояроэжжный тип размыва {

ийГ

(■У*1). ^ 4 - эрозионный .ТИП размыва.

<Л0

Различия в противоэрозионной устойчувости кеморз'лых и мерзлы* почв зависят от количества льда, цемзктирушего (скрсплтжсго) почвенныз отдельности. Экспержонтяяьныо исследования показали, что при вллжностк «вне« б0£ от НВ размыв мзрэлых темно-серых явсчя почв практически не отличается от размыва почв, не. под-вергавяихся замораживанию. При влажности мерзлых почв более 80!$ от НВ они не подвергается размыву в мэрэлом состоянии при скорости потока до 2,0 м/с. Практически эроэионньм прпцзсск-на таких почвах возможны только после их оттаивания. :

■ Глава У1, ОВЦАЯ СХЕМА ПРОЦЕССОВ ЭРОЗИИ 1Ш10-СВШ ЛЕСНЫХ' • ПОЧВ ПП1 СТСК5 ТАЛЫХ ВОН (ДЛЯ ЭШЕНТШШ СКЛСНСВ)

Общая схема процессов эрозии почв при стоке талых вод с элементарного склона включает три основных блока: "сток талых вод", "трансформация поверхностного стока" и "динамика противозаконно й устойчивости почв". ;'.-'. - -

Блок "сток талых вод" характеризует процессы динамики снежного покрова, динамики тепловой энергии в снеге, снеготаяния, динамики тепловой энергии в почве, динамики влажности и льдис-тости почвы, образования поверхностного отока (рис. 4), В качестве примера рассмотрен* модель тало-дождевого стока Гидрометцентра СССР {Беяьчтюв, Корень, IV79, 1983), которая модот быть. испольаована при моделировании провесов эрозии, вызываемой стоком таяых воя с учетом необгодшыхггажэквя** пространственного * временного вага опробования мя элементарных склонов.

Интенсивность эрозионных гроцвсоов во многом определяется XnftepenpnifieJI в формировании emmoro поцюва и сне гота ян»« ■ в прелеаах элементарного склона, что требует .втешгош «лемеи-тарннх.стомонл поверхностей, под которой поншавтс* однородны?

ДИНАМИКА СНЕЖНОГО ПОКРОВА

Динамика тепловои энергии а' снеге

динамика тепловой

ЭНЕРГИИ в ПОЧВЕ

СНЕГОТАЯНИЕ.

динамика влажности

и льдистости почвы

поверхностный сто«

т

процессы замерзания" оттаивания

ГИДРОДИНАМИКА СИМОНОВЫХ ПОТОКОВ

ЭРОаионныи Тип размыва

гШШ)

динамика тепловой Энергии склоновых потоков

( Ц; еь)

ДИНДМИНА ПРОТИЬОЭ-РОЭИОННОЙ СТОИПОСТИ

(М^ЧР»)

ПРСДСЛьнО -ТЕРМОЭОО-1ИОНИЫЛ ТИП РАЗМЫВА

. (и-и)-й.

4 *4 V* - И**

ТРАНСПОРТИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОТОКОВ

ДИНАМИКА УСТОЙЧИВОСТИ к ЭРОЗИИ МЕРЗЛЫХ'ПОЧЬ

(к^и-, м^)

эроьий почв

Рис, 4, Схгма модели "эрозия почв при стока таяык вод"

-21в отношении условий формирования талого стока участкй склон«.

Блок "трансформация поверхностного стока" »растеризует гидродинамику нерусловых склоновых потоков и динамику тепловой энергии потока (рис. 4).

Полевые исследования в период стока талых вод помами, что гиХравлтмские параметры сформировавшихся склоновых потоков, имевших мерзлое и оттаявшее русло, значительно различается (тябл, 5), Потоки, стекающие по мерзлому руслу, характеризуются относительно более высокой скоростью и меньшей величиной гидравлического со- . противления. Коэффициент шероховатости (по Ианнингу^ потоков с мерэЫ* руслом.изменяется от 0,021 до 0,033, а потоков с тали» • руслом - от 0,037 до 0,062, Ручьи с мерзлы* руслом имеют, как правило, турбулентный режим (число Рвйкольдса иэменявтеч от 2915 до 3752х, ручьи с тальм руслом имеют как турбулентный, так и по- , реходнкй режим (число Рейнольдса изменяется от 716 до. 91701. Поскольку сток воды па мерзлому руслу харч'ктергн для лрздельно-тер-мопрозионного .типа ряэмива, а .сток веды по талому руслу - для лрозконного типа разным, то можно сделать вывод, что гидравлические перчметры склоновых потоков стоке талых вод наряду с другими факторами определяются типом размыва мерзлых почв,

; Едок "динамика протувозроаиониой устойчивости почв" характеризует процессы изменения величины сцепления, размеров водопрочных агрегатов и плотности почв при »ровионном типе размыва, а также изменение влажности, температуры, льдист ости и криогенной текстуры мерзлых почв при предеяьно-тврмоэроэконноы типе равным. Совокупность названных блоков, атакже гидромеханическюс уравнений-смыва, уравненийпредельяо-твриоэрозионного типа равные в» и транспортирую«»* способиост* потоков представляет собой модель эрозии почв при стоке талы* вод(рис. 41.

£ßl

iß аз «о w w

и н и н и

о* о о" о" о*

CJ tO «5 О <4

ш n rt м Ы

»->* w c\f сп со

Ю О

Si С" С4- о»

W N W fr) W

<D

о

О о

8 Э й

о" о о"

Q О Л О) ы

о 1— О О

О н

р Í0

öS

Oí t-ч çj C4Í О о

о* о* а" о" о'

8» « a Й

Ii

о" о*

<0 Oí tí N W M

t^ О» CM I-»

о

о" о* о

Й&5

ооо

£ £ Р

я » »

ООО ф W «

и rt Oí

333

л п m >-<»-< и

о" о" о*

ю о «г Ol с>

нон

S

о В о

из f¡ о *"*. » о* о" о*

п ¡S S н о о

о п р w Л «

3 8 8

ооооооооо

tiï

J*

oí*

Г)

К А

ё" « S»

ГЭ о »4 с» % w Г->—'

Q* »4 а* H о N и» ÍSI '.О ы ►ч аз"

п V о О Г-Т О iO 3 & H П й

о* о* о" о о о' О* о*

о о о О н Й íO

о о о_ s 8

о о о" о* о* о* о о*

в. 1 g о* ■rt О S |-< о <3

о" о о* о о О* о* о"

® a Ol1«

о>

»*4 Ц> О

Ol Ol

CD CD С4'

ЛООО.О^нО'О

w n M

Ч S a g Ш § a 1H E g i g S

о о* о" о" о о* о" о* о" о" о" о" о* о*

g к

ка

<ь г J

ь*

i. Ю дед о

ипр,

S

m

<с

о о

I о

Obs g О CT

S. 5 I ¡

f. s = ^ **

и s in ■е- « 1 -о «

с д ос S 4

МО

ж

•• 1 s

m

ЮР, и

о — о

5 5 5

Q, О 5

У

О

о С t С

с; f. ОС

О V

* е

ч о. ••

о о i out*

о о »

X а к

а с н ж

*î é г о

ж г iE е-

и о о

J я с

О, О

о а. г;

I

Гз

_ a их э

Р

= I •

с J

» •« i. IQ

m о ig«

2 £• V «

, £

С S

i x

9 <c

s a

s. s

g X

о « с.

a о

& *

ф

о

a

X t*

£ p.

J

& с

а *

c £ X

к

e о

9 **

g e

a:

о

S 3

_ о

a N

? -

О £

3 Л

а. о

£ £

»

о ■ С

л

в

о

и*

г.

•о h о >1

о

X M

о

X X

о &

в о и о

s

о р. е

Я

£■

0 &

4

1 2

Л

5

0

1

í->

í; о с

s к а»

£

о

x

g

о &

в: w м

X В

Si

г

и

0

Л

«

«

в.

г

1 о К

£

M

S

Л

«

Е, S

i

с

«

о M

с

а с '

а

л

о X •о о ti о с ti

р. » s о с

a

А (*

о о № £

S-

№ О

s е-

X о g

о к

а: о

S s

о о

О Ü «

К /О

X О.

Ü с.

* Й

»

а

а

-23-■ВЫВОДЫ

1. Особенностью эрозии почв при стоке плых вод ямя^тся наличке двух типов раэмдоа: ярозиокнсго, при которой иктзксктмость смыва определяется механической энергией поток1», и прздэлько-тар-моярозиоиного, при котором интенсивность смыва определяется тепловой лнвргиай потока,

2. Рйэработяннчп методика и конструкция прозионного лотка позволяют окспериыанталыю определять интенсивность смыв* и воличину теплового показателя размываем ости мерзлых почв в условиях, наиболее приближенных к нятурнш.

3. Величину предельной интенсивности смыва для мерзлых темно-серых лесных почв разной степени эрудированности можно получить и рясчетнъм путем, используя предложенные уравнения и эмпирические значения теплового показателя размываемости,

4.Противо?роэионная стойкость темно-серых яэснмх почв значительно снижается в результате процессов замерзания-оттаивания: происходит умоны&нга средневзвешенного диаметра водопрочных агрегатов, плотности к величины сцепления.

5. Способность томно-мрых лесных пчхотньгс почв противостоять смывлгкшзну воздействии» потока возрастает в увеличением степени эродированное**,

6. Гидромеханические модели омыва должны дополняться урав-" не нижи предельно—терм оэроз ионного типа размыва мерзлых почв при прогнозировании процвссов эрозии, вызываемой стоком талых вод,

7. Принципиальная схема модели эроени почв при стока талых воддолжна состоять ка следуюокх основных блоков:

. а) блока, "сток талых вод", характвривуюпего процессы образования* поверхностного стока при снеготаянии;

<р блока "трансформация поверхностного отоиа", характвризу-

сязго динямиху тепловой энергии и гидродикзмику склоновых потоков;

в) блока "динамика противоярозионной устойчивости почв"» ха-рактариэуюизго процессы изменения плотности, агрегатного состава, величины сцепления, влажности, льдистости и теыггорэтуры почвы;

г) блока "эрозия и седиментация", характеризующего эрозионные и тзрмоэрозионт» процессы, а также провесы транспортировки и переотловдния наносов.

расснзшидаи

Противоэрозионную стойкость и значения теплового показателя размываомости мчрэлых почв рекомендуется определять экспериментально на образцах нзнарутиного сложения, используя предложенную методику и конструкции эрозионного лотка.

Для приближенных рзсчзтов величины предельной интенсивности .смыва мерзлых темно-серых лесных почв разной степени эродированное™ рзкошциузтся испольэоьять полученные ураензния и эмпирические значения теплового показателя размыва емоети.

По матаричлаы диссертации опубликованы сяэдугдге работы

1. Косонсжккн Б.И. Г-оделированиэ процессов эрозии при стоке талых вод// Почвенно-эрозионные процессы и мзры борьбы с эрозией почв.-Душанбе: Дониш, 1991. С. 102-104.

2, Косоножкин Б.И., Дмитренко В.Н. Измерение скорости потока в мелкой ручзйковой сети// Гидрологические факторы плодородия почв. М., 1963. С. 1М-ЮС.

.. 3. Косоноккик &.!'., Дмитренко В.Н. О моделировании состава пахотного слоя эродированных темно-серых лесных почв// Эродированные почвы и эффективность почвозащитных мероприятий. М., ■1967. С. 84-87. ; -

4. Косоножкин В,И., Дмитрзнко В.Н,, Скидвнов И.й. Влияние полимеров на водопрочность темно-серых лесных эродированных почв у. урожайность сельскохозяйственных культур// Эродированные почвы и повшение их плодородия -в странах-членах СЭВ.* П., 1989. С. Ю&-П2.

5. Гаврилепко Л. II., Косояожтш В. II. Методические вопросы прогнозирования эрозионных процессов Ц Почвеппо-эро-зпопные процессы ц меры борьбы с эрозпен почв. Душанбе: Допиш, 1091. С. 102—104,

6. Макарова Г. П., Косопожкин В. И. Опыт окультуривания темно-серых лесных сильносмытых почв // Эрозия почв и научные основы борьбы с пен. М., 1985. С. 2!—27.

Подп. к печ. 2-11.92. Объем 1,5 п. л. Зак. 050. Тир. 110 Типография МП ГУ хм. В. И. Левкяа