Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ТЕОРИЯ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВЫ

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "ТЕОРИЯ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВЫ"



На правах рукописи

ГЛАЗУНОВ Геннадий Павлович

ТЕОРИЯ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИЯ ПОЧВЫ

Специальность: 03.00.27—почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на факультете почвоведения Московского государственного университета нмени М.В.Ломоносова

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор, Л.О. Карпачевский (Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова) доктор географических наук В.П. Чичагов (Ии-т географии РАН) доктор сельскохозяйственных наук П.М. Сапожников (ФКЦ "Земля")

Ведущее учреждение: Почвенный ин-т им. В.В.Докучаева

Защита состоится 20 мая 2005 года в 15.30 в ауд. М-2 на заседании диссертационного Совета Д501.001.57 при МГУ нмени М.В.Ломоносова (119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан «_» апреля 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук,

профессор Никифорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Почва - основа существования человеческой цивилизации. Эта идея занимает центральное положение в учении * об экосистемных и биосферных функциях почвы, развиваемом трудами Г\В. Добровольского, Л.О. Карпачевского, Е.Д. Никитина, Главными, наиболее быстро текущими н часто принимающими характер катастрофы, факторами их нарушения в глобальном масштабе Г.В. Добровольский называет водную и ветровую эрозии.

Важнейшая из функций почвы, обеспечение человека пищей, нарушается ветровой эрозией, которая приводит к снижению плодородия эродированных почв, уменьшению плошади пашни (в результате засыпания или полного выдувания — на плотных породах), загрязнению почв сельскохозяйственных угодий вредными веществами (в том числе токсичными солями, приносимыми ветром с поверхности солончаков и отвалов горных пород), снижению фотосинтеза (в результате загрязнения листовой поверхности пылью).

Эрозией нарушается и средообразующая функция почвы: появление в воздухе почвенной пылн, приводит к увеличению заболеваемости астмой, я при большом ее количестве в атмосфере (например, 8-9 апреля 2001 года в Пекине, а 14 мая - в Каире) нарушается жизнь огромного мегалополиса. Масштабы поступления в атмосферу почвенной пыли столь велики, что она начинает влиять на тепловой баланс планеты. Особую опасность несет радиоактивная пыль, источниками которой являются эродируемые ветром почвы загрязненных территорий и эолоотвалы теплоэлектростанций, работающих на углях, содержащих радиоактивные элементы и тяжелые металлы. Ситуация столь серьезна, что во многих странах законодательно вводятся пределы допустимого содержания пыли в атмосфере.

В то же время, почвенная пыль, приносимая ветрами, является важнейшим источником существования водных экосистем Атлантического океана и тропических лесов бассейна Амазонки, куда ежегодно таким способом доставляется из Сахары до 190 кг/га почвы. Следует также отметить, что наиболее плодородные почвы Евразия и Америки сформировались именно на эоловых отложениях.

Почва - важнейший регулятор биогенного углерода на Земле. Эрозия приводит к утрате углерода почвой, во-первых, в результате механического удаления нз эродируемой почвы, во-вторых, а ходе ускоренной минерализации, вызванной эрозией, как в эродированной почве, так и в наносной.

Эрозии подвержены почвы на площади в 1,643 млрд. га, в том числе ветровой - на площади в 549 млн.га. В Российской ГГ"эринии ни и'чтипли и 11

ЦНБ МСХА

млн.га почвы эродированы водой, а на площади 15,9 млн.га - ветром, тогда как реальная опасность проявления водной эрозии существует еще на 29,6 млн.га, а ветровой - на 45 млн.га. Причем в таких важнейших в отношении устойчивого производства зерна регионах, как Поволжский и Северо-Кавказский, к категории эродированных и опасных в эрозионном плане относится до 90% площади сельскохозяйственных угодий.

В этой связи исследование причин распространения ветровой эрозии почвы, изучение её механизмов, анализ потоков массы, приводимых в движение ветром, а также выявление особенностей возникновения, залегания и функционирования эродированных почв, наряду с разработкой методов прогнозирования ветровой эрозии почвы и научных основ ее предупреждения, являются своевременными и неотложными задачами почвоведения. Ряд проблем, связанных с механизмами ветровой эрозии, актуален и для смежных дисциплин (механики, биологии, геологии, планетологии, физики атмосферы) и отраслей хозяйства (горной; энергетики, транспорта, космонавтики).

Цель работы: создание теории ветровой эрозии почвы в рамках законов механики многофазных сред и разработка основ количественных методов прогнозирования эрозии и расчета противоэрозионных мероприятий.

Задачи исследования:

1) Выяснение природы подъемной силы, отрывающей почвенную частицу от поверхности и переносящей ее по воздуху, и разработка метода ее нахождения.

2) Теоретическое и экспериментальное исследование механизма выдувания почвы на микроуровне и разработка нуль-модели ветровой эрозии почвы.

3) Исследование закономерностей поведения индивидуальных почвенных частиц в воздушном потоке и формирования структуры воздушно-поч веняого потока.

4) Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов ветровой эрозии почвы на макроуровне и разработка модели потерь почвы с учетом лавинного эффекта нарастания переноса почвы и абразии.

5) Создание и проверка физически содержательной полномасштабной модели единичного явления ветровой эрозии почвы.

6) Исследование силы межагрегатного сцепления и разработка теоретических основ главных видов противоэрозионных мероприятий, основанных на оструктуривании почвы.

Место проведения работы. Изложены результаты исследования механизмов ветровой эрозии почв районов ее распространения -Ставропольского и Краснодарского краёв, Ростовской, Волгоградской,

Брянской областей. Работа выполнена автором в Московском университете, на факультете почвоведения. Большое влияние на выработку направления, целей и методов исследования оказало личное общение с сотрудниками факультета А.Г. Гаелем, MC. Кузнецовым, Ф.Р Зайдельманом, Л.О. Карпачевским, А.Д. Ворониным, Е.А. Дмитриевым, ПЛ. Березиным, Е.В. Шейным, Л.Ф. Смирновой, CA. ШобоЙ, И.С. Урусевской, М.Н. Строгановой, A.C. Владыченсхим, В.Д. Васильевской, A.C. Яковлевым, С.Я Трофимовым, В.П. Самсоновой, а также сотрудниками географического факультета, Н.И. Маккавее вым, М.Н. Заславским, P.C. Чаловым, Г.А. Ларионовым, Л.Ф. Литвиным, Е.Ф. Зориной, HJ3. Хмелевой; Почвенного ин-та им. В,В. Докучаева, П.С. Трегубовым, Г.И. Васильевым, Д.С. Булгаковым, Е.М. Сдобниковым, H.H. Захаровой, П.М. Сапожниковым; Всероссийского научно» исследовательского института агролесомелиорации М.И. Долгилевичем, Ю.И. Васильевым, А.Н. Сажиным; Центральной торф »-болотной опытной станции А.И. Поздняковым; Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и защиты почв от эрозии Ю.П. Суханове ким и А.П. Щербаковым; Государственного научно-исследовательского и проекта о-изыскательского института "Аэропроект" Б,А. Хотиным за которое автор всем указанным лицам благодарен. Автор признателен работникам кафедры эрозии почв B.C. Родионову, E.H. Есафовой, В.К. Орловой, ВЛ, Григорьеву, АД. Флессу, A.B. Бобкову, А.И. Михайлову, с которыми сотрудничал при работе и в поле и в лаборатории. Автор признателен работникам Всероссийского научно-исследовательского института новых материалов C.B. Михей кину и А.Ю. Смирнову, которые обеспечили обработку почвенных образцов кондиционерами в рамках сотрудничества при выполнении проектов МНТЦ (589-97 и 1567-01) с использованием принадлежащих им препаратов, рецептур и технологий. Переходу на качественно новый уровень исследований, основанный на применении в почвоведении методов механики, автор обязан общением с сотрудниками механико-математического факультета МГУ С.Г. Поповым, А.Я. Сагомоняном и В.М. Геядугозьш. В.М. Гендугову автор выражает особую признательность за многолетнее наставничество в области механики и консультирование в процессе подготовки диссертации. Автор благодарен академику Г.В. Добровольскому за поддержку научного направления, находящегося на стыке почвоведения с сопредельными дисциплинами, в рамках которого выполнена диссертация. Защищаемые положения. 1 ) Отрыв и вовлечение почвенных частой в поток при ветровой эрозии происходит под действием тех вихрей с вертикальной осью вращения, которые

касаются почвы своим торцом; подъемная сила, приложенная к частице, определяется её сечением н избыточным давлением на оси вихря, которое пропорционально квадрату средней скорости потока и его плотности; возникновение подъемной силы не связано с формой частиц и условиями их обтекания потоком, а коэффициент подъемной силы является почвенной константой.

2) Потеря почвы с ограниченного участка определяется законом выдувания, согласно которому логарифм параметра массообмена, нормированного своим значением при критической скорости ветра, прямо пропорционален почвенной постоянной выдувания и разности между единицей и квадратом частного от деления критической скорости ветра на фактическую.

3) Характер движения произвольной почвенной частицы в потоке известной скорости и плотности определяется ей эрозионным числом (отношением подъемной силы к весу): если оно больше единицы, то частица уносится безвозвратно для источника, если меньше единицы, то частица, поднявшись, выпадает из потока, если оно равно единице, то частица в пределе имеет горизонтальную траекторию; положение движущейся почвенной частицы в пространстве, а вместе с тем и структура воздушно-почвенного потока, определяются уравнениями траектории, главным членом которых является эрозионное число.

4) Внутренним механизмом ограничения лавинного эффекта нарастания переноса и абразии почвы при ветровой эрозии с постоянной скоростью ветра служит истирание скачущих частиц до размера летучих при этой скорости.

5) Единичное явление ветровой эрозии почвы развивается стадийно; формирование зон усиленного, переменного и умеренного выдувания, а также зон отсутствия выдувания и оссдання скачущих частиц определяется свойствами почвы, а формирование зоны оседания подвешенных частиц -свойствами частиц и полем скоростей ветра; баланс ветровой эрозии почвы при постоянной скорости ветра и структура возникающего воздушно-почвенного потока определяются в зависимости от свойств почвы (критической скорости ветра, критического значения параметра массообмена, почвенной постоянной выдувания, агрегатного состава и шероховатости эродируемой поверхности) на каждой из стадий особо, с использованием выведенных соотношений.

6) Формирование структуры в песчаной почве при добавлении в нее кондиционера из класса интерполиэлектролитных комплексов происходит в два этапа: первоначально молекулами кондиционера заполняются активные центры на поверхности почвенных частиц, что сопровождается слабым линейным ростом межагрегатного сцепления; по мере исчерпания свободных активных

центров начинают формироваться связи между молекулами кондиционера с формированием "паутины" из его нитей, что приводит к логарифмическому закону роста сцепления с увеличением дозы кондиционера.

7) Комплексная математическая модель полномасштабного явления ветровой эрозии почвы, основанная на принципах мезомеханики и представлениях о взаимопроникающем движении континуумов, где в качестве 1-го континуума выступает ансамбль частиц радиуса г,, имеюших собственную скорость V,.

Научная новизна.

Найдены; подъемная сила, отрывающая почвенную частицу от поверхности и переносящая её в потоке, физической природой которой являются вихри с осями, перпендикулярными поверхности и критерий поведения частицы в потоке - эрозионное число {Е( =ЗЛ_1/гр./4£?;Л.). Предложен метод нахождения коэффициента подъемной силы на основе испытаний почвенных образчиков воздушным потоком » аэродинамической трубе.

Установлен закон выдувания почвы, основанный на параметре массообмена и постоянной, характеризующей почвенные свойства, который имеет более общий вид, чем известные, на основании которого построена нуль* модель ветровой эрозии, ставшая ядром физически содержательной математической модели полномасштабного явления ветровой эрозии почвы

Количественно обоснованы общепринятые качественные представления о характере движения почвенных частиц при пыльных бурях. На этой основе: а) детализировано известное представление об убывании концентрации почвенной фазы в воздухе с высотой, б) найдено объяснение аномальному ограниченному росту концентрации почвенной фазы с высотой, в основе которого - восходящее движение частиц (согласно уравнению траектории) над неэродируем ым полем, примыкающем с подветренной стороны к эродируемому, в) установлена причина возникновения периодических структур в поле концентрации почвенной фазы потока а стационарных условиях, связанная с неоднородностью по размерам выдуваемых частиц и создаваемое этим расслоение почвенной фазы на отдельные континуумы и г) обосновано разделение эоловых наносов на два типа по условиям формирования - из частиц, переносимых скачками, и частиц, переносимых в подвешенном состоянии.

Выявлена изменчивость показателей явления ветровой эрозии почвы при постоянстве скорости ветра, которая обусловлена свойствами почвы -структурным составом, размерами эродируемого поля и глубиной выдуваемой толщи. Тем самым количественно обоснованы известные представления о стадийности единичного явления ветровой эрозии почвы; уточнены и дополнены представления об отдельных пространственно-временных стадиях; выявлен новый механизм эрозии, связанный с отступанием границы эродируемой поверхности в результате обнажения ветроупора (например, плужной подошвы), скорость которого на порядки превышает скорость углубления этой поверхности в результате выдувания. Созданная на этой основе модель объема потерь почвы (ИР" = ^ позволяет

прогнозировать пространственную и временную динамику выдувания почвы.

Впервые разработана модель ветровой эрозии с абразией в условиях лавинного эффекта нарастания переноса почвы. Это стало возможным на основе: а) решения задачи ударного взаимодействия падающей частицы с почвой, которое было получено с использованием теории проникания, б) решения задачи о самовозникающем потоке абразива, в основе которого — лавинный эффект нарастания переноса почвы, в) решения проблемы самоограничения лавинного эффекта, в основе которого — конечность числа скачков частицы, обусловленная ее обтачиванием н переходом в категорию летящих.

Построена и верифицирована математическая модель полномасштабного явления ветровой эрозии почвы, охватывающая все стадии переноса частиц (отрыв, подъем, перенос и отложение), которая не имеет аналогов. При верификации модели впервые использован сопряженный анализ математической модели явления, его космической фотографии, среднесуточных полей метеорологических величин и материалов полевых измерений пыльной бури в аналогичных условиях.

Разработана и исследована модель формирования структуры песчаной почвы под действием интерполиэлектролитного комплекса, применяемого для закрепления выдуваемых почв; определена соответствующая ей структура уравнения критической скорости ветра; усовершенствована методика лабораторной оценки протнводефляционной эффективности почвенных кондиционеров.

Совокупность полученных результатов формирует новое направление в почвоведении, механику ветровой эрозии почвы. Его сущность состоит в исследовании явления ветровой эрозии в рамках законов механики и накопленного в почвоведении опыта. Его предметом является почвенный

покров Земли, как объект разрушения, преобразования и созидания ветром. Среди задач нового направления — познание причин возникновения ветровой эрозии, объяснение механизмов отрыва, подъема, переноса, преобразования и отложения почвенных частиц ветром; разработка методов количественного учета, научного описания, протезирования и предупреждения эрозии. Для него характерно использование методов почвоведения, теории размерностей и подобия, механики многофазных сред, теоретической и экспериментальной аэромеханики. Характерным для нового направления подходом, вытекающим из механизма ветровой эрозии, является изучение многофазной среды воздух-почва в мезомасшгабе, сущность которого состоит в том, что траектории движения частиц радиуса г, соответствуют траектории /-го континуума.

Практическая ценность н реализация работы.

Использование разработаной методики определения и расчета подъемной силы ветра позволит продвинуться в решении теоретических проблем водной и ветровой эрозии почвы, а также пневмо- и гидротранспорта. Разработанная аналитическая модель ветровой эрозии почвы будет полезна при комплексной оценке качества земель, разработке, испытании и оценке эффективности приемов защиты почв от ветровой эрозии. Методика комплексного исследования полномасштабного явления ветровой эрозии, основанная на сопряженном исследовании космических снимков, текущих и архивных полей метеорологических величин и почвенной информации полностью ответчает концепции и методолгин ГИС и будет востребована при создании ГИС мониторинга качества окружающей природной среды. Использование методики предварительной оценки эффективности почвенных кондиционеров иа основе испытаний обработанной ими почвы в аэродинамической трубе, увеличит точность и надежность оценки.

Материалы работы используются в учебном процессе при подготовке почвоведов на факультете почвоведения МГУ им ЛИ. В. Ломоносова.

Работа поддержана грантами Международного научно-технического центра (проекты №№ 589-97 и 1567-01) и Российского фонда фундаментальных исследований (проекты ЖМа 00-04-48047 и 04-04-48558-а).

Рекомендации по использованию научных выводов.

К постановке и решению научных и прикладных задач, связанных с оценкой объема выдувания почвы и установлением места и объема оседания почвенной пыли, рекомендуется подойти комплексно, преодолев существующую разобщенность исследований. Дня этого предназначены: аналитическая модель полномасштабного явления ветровой эрозии почвы и основанная на ней методика комплексного исследования ветровой эрозии.

Применение сопряженного исследования космических снимков пыльных бурь, результатов полевых измерений эрозии, в том числе на аналогичных почвах, и текущих, а также архивных полей метеорологических величин (скорости ветра и температуры воздуха), позволяет перевести на количественную основу в рамках законов механики решение таких задач, как мониторинг окружающей природной среды, обоснование происхождения эологенных почв, выяснение причин и уточнение источников аэрального засоления и загрязнения почв, а также запыления атмосферы, оценка опасности ветровой эрозии и разработка и оценка элементов и систем противозрозионных мероприятий.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены или доложены на: конференции по проблемам и использованию почв в Будапеште (1994), II съезде общества почвоведов (1996), втором конгрессе Европейского общества охраны почв во Фрайзинге (1996), 9-й и 12-й конференциях Международной организации мелиорации почв в Бонне (1996) и Пекине (2002), 16 съезде международного общества почвоведов в Монпелье (1998), международной конференции «Опустынивание и деградация почв» в Москве (1999), III и IV съездах Докучаевского общества почвоведов (2000, 2004), конференции «Функции почв в биосферно-геосферных системах» в Москве (2001), нз заседании ученого совета факультета почвоведения МГУ (2000), в МГУ им. М.В.Ломоносова на Ломоносовских чтениях, секция почвоведения (2000, 2004), секция механики (2003), на теоретическом семинаре академика Г.В Добровольского (2001).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, десяти глав, заключения; она включает 211 стр. машинописного текста, 66 рисунков и 20 таблиц. Список литературы включает 282 работы, включая 107 на иностранных языках.

Автору принадлежат: составление программ исследований, разработка новых и модификация известных методов исследований; сбор полевого материала и проведение лабораторных экспериментов, обобщение литературного материала, теоретическое обобщение материалов и выводы из работы. Использованы материалы, полученные лично автором, или под его руководством, а также иные материалы, о чем сообщается в тексте.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Ветровая эрозия почвы — глобальное явление.

Основные сведения о ветровой эрозии почвы изложены и систематизированы в монографиях ILA. Bagnold (1941), Т.Ф. Якубова (1946, 1962), С.С.Соболева (1948, i960), Д.В. Наливкина (1956, 1970), Х.Х. Беннетта (1958), А.Е. Дьяченко и Н.Т. Макарычева (1959), Г. Конке и А. Бертрана (1962),

П.С. Захарова (1965), H.A. Чакветадзе (1967), A.C. Утешева и O.E. Семенова (1967), М.И. Долгилевича (1967, 1978), A.A. Зайцевой (1970), А.Н. Каштанова (1974), Е.И. Рябова (1974, 1996), Н. Гудзона (1974), M.Holy (1980), ГЛ. Можейко, В.М. Москаленко, С.Ю. Булыгина, Д.О. Тимченко, А.Б. Лавровского,

A.П. Канаш (1980), R.P.C. Morgan (1995), А.Г. Гаеля и Л.Ф. Смирновой (1999),

B.П. Чичагова (1998, 1999). Обобщение этого обширного экспериментального материала, позволило создать начала теории ветровой эрозии (Bagnotd, 1941; Знаменский, 1958; Chepil, Woodruff, 1963; Бочаров, 1963; Звонков, 1962; Ревут, Масленкова, Романов, 1973; Шиятый, 1965,1976; Лавровский, 1971; Рамазанов, 1972; Рябихин, 1973; Кришталь, 1973; ГортлевскиЙ, 1974; Белолипскнй, 1976; Трегубое, Васильев, Булгаков, Гавриленко, Калиниченко, 197S; Закиров, 1980; Долгилевнч, Васильев, Сажнн, 1981; Краснощекое, 1984; Вербицкий, 1987; Курте мер, Ус ков, 1988; Васильев, 1997, Паракшина, 2004), провести ветро-эрознонное районирование территории страны (Земляницкий, 1957; Сильвестров, 1965; Кальянов, 1976; Ларионов, 1993), разработать систему организационно-хозяйственных, агротехнических, гидротехнических и лесомелиоративных противоэрозионных мероприятий, составляющих в совокупности региональные почвозащитные системы земледелия (Родомакин,' 1967; Орловский, 1967; Каштанов, 1974; Бараев, 1975; Извеков, Рыбалкнн, 1975; Моргун, Шикула, Тарарико, 1983; Ивлев, Дербенцова, 1988; Полуэктов, 1989; Каштанов, ЛисецкиЙ, Швебс, 1994; Кирюшин, 1996). Эта система нуждается в дальнейшем совершенствовании с учетом изменения технологий сельскохозяйственного производства, общего увеличения нагрузки на окружающую природную среду и наметившегося изменения климата. >

Усиление деградации почвы вызвало повышение интереса к исследованию ее причин и механизмов, о чем свидетельствует возросшее число публикаций И появление новых специализированных журналов: "Soil technology", "Land Degradation and Rehabilitation", "Land Husbandry", "Earth Surface Processes and Land forms". Повысилось качество исследований в области ветровой эрозии почвы, о чем свидетельствует применене новой измерительной техники — лидаров, солнечных фотометров, счетчиков фотонов, пьезо- и мембранных датчиков переноса почвы, усовершенствованных аэродинамических установок. Особенно широкие возможности открылись в области использования данных космической съемки (Закарин, Каздаев, Бекмухамедов, Дедова, 2002), которая позволяет анализировать явление ветровой эрозии почвы во всей его полноте, от стадии выдувания до стадии аккумуляции. Одако такого сопряженного исследования полномасштабного единичного явления ветровой эрозии почвы на микро-, мезо- и макроуровнях,

нет. Приходится заключить, что на данном этапе развития эрозиоведения экспериментальные исследования информативнее теоретических, что является стимулом для развития теоретических исследований.

Другим стимулом служит необходимость совершенствования методов прогнозирования эрозии и планирования гротивоэрозионных мероприятий, поскольку существующие методы, основанные на обобщении опытных данных, перестали соответствовать современным технологиям сельскохозяйственного производства ( Argabright, 1991 ; Fryrear, 1996). По общему мнению приоритетными здесь являются теоретические исследования (Голицын, 1974; Andersen, 1991; Hagen, 1991). Ключевое значение в теории ветровой эрозии почвы имеет разработка модели выдувания почвы, В модели выдувания интенсивность потерь почвенной массы [кг/мг/с] ставится в зависимость от скорости воздействующего потока, чаще всего степенной функцией (Chepü, 1963; Знаменский, 1958; Надирашвили, 1980; Шиятый, 1980). От модели выдувания к модели потерь почвы [кг] переходят путем учета продолжительности явления эрозии, ширины эродируемого участка (размера в направлении поперек ветра), его длины (протяженности вдоль ветра) и некоторой функции расстояния вдоль ветра. При определении эмпирических коэффициентов вместо уравнения потерь пользуются уравнением переноса почвы [кг/м/с], поскольку методы опенки переноса точнее, чем методы оценки потерь почвы.

Уравнения на основе степенной функции получили теоретическое и экспериментальное обоснование и уточнение формы в работах O'Brien, Rindlaub (1936), Bagnold (1941), Chepü, Milne (194t), Zingg (1953), Знаменского (1958). Horikawa (I960), Дюнина (1963), Бочарова (1963), Owen (1964), Kadîb (1965), Шиятого (1965, 1976), Bisal (1968), Духнова (1973), Gillette (1977), Бютнер (1978), Азарова (1986), Долгилевича, Васильева (1974), Можейко и др. (1980), Буракова (1981), El-Asswad, Groenevelt, Ntckling (1986), Лавровского, Игуменцева, Уткина, ДруговоЙ (1989), Приотера и др. (1991), Ларионова (1993), Sbao, Raupach, Findlater (1993), Васильева (1997), Bohner et al. (2003), Нее-J in In, Soon-Un g Parie (2003), однако обобщение их не представляется возможным, поскольку показатель степени при скорости потока изменяется от 0 до б. То же самое относится и к вариантам уравнения выдувания на основе степенной (Kawamura, I960; Гвоздиков, 1962; Рябихин, 1973; White, 1979; Надирашвили, 1980; Закиров, 1969), показательной функций (Эшмуратов, Мирзажанов и Зияходжаев, 1984; Семенов, 1988) и их комбинации (Ларионов, Кирюхина, Жаркова, 1999), а также трехпараметрической S -образной (Warren et al., 2004).

Все приведенные решения основываются на идее о существовании предела интенсивности переноса при заданной скорости ветра и о его достижении на сравнительно небольшом расстоянии от начала эродируемого участка. Для случая ветровой эрозии чистого, отсортированного ветром песка, при умеренной скорости ветра с ней согласуются экспериментальные данные Bagnold (1941), а для монофракций почвы — данные Stout (1990). Во всех остальных случаях, то есть при обычных условиях ветровой эрозии, опытные данные не дают однозначного ответа на вопрос о форме зависимости потерь почвы от расстояния. В связи с этим экспериментальные исследования развиваются в направлении совершенствования техники измерения и накопления информации на разных почвах при разных условиях проявления ветровой эрозии (Stout, 1990; Stout, Zobeck, 1996; Sterk, Stein, 1997), a теоретические исследования направлены на выявление структуры воздушно-почвенного потока (Qzsoy et d, 1994; Gillette, 1997; Niemeyer et al., 1999). И в этом случае экспериментальные исследования оказываются информативнее теоретических. В частности, на основании простого эмпирического обобщения Fryrear, Saleh (1993) рекомендуют раздельно учитывать горизонтальные потоки аэровзвеси и скачущих частиц, используя для первого степенную зависимость концентрации от высоты, а для второго - показательную. В то же время Butterfield (1999) с использованием датчика на основе лазера, позволяющего сканировать воздушно-почвенный поток по высоте с шагом в 19 мкм, обнаружил три слоя, различающихся законом распределения концентрации по высоте: 0-2 мм, 2-19 мм и выше 19 мм. Причем максимум интенсивности переноса песка (размер песчинок от ISO до 250 мкм, средний — 184 мкм) обнаружен в слое до 2 мм. Разобщенность экспериментов указывает на необходимость более осмотрительного подхода к суммированию расхода, измеренного пылеуловителями разной высоты, экстраполяцией, как в сторону земли, так и в направлении атмосферы, и побуждает к проведению теоретического исследования этого вопроса (Namikas, 2003). Предметом исследования должна стать структура воздушно-почвенного потока, но, в отличие от упомянутых выше работ, исследование структуры в диссертации проведено методами механики многокомпонентных потоков (Нигматулин, 197$). При известной структуре возможна количественная оценка массопсрепоса и потерь почвы.

Раз возникнув, массоперенос не прекращается ло исчерпания эродируемой почвы, что случается сравнительно редко, или до затухания ветра, что случается значительно чаще. И для целей моделирования и для задач восстановления эродированных почв существенное значение имеют

пространственные характеристики массообмена на эродируемой территории. Обширный экспериментальный материал, собранный и обобщенный в работах Соболева (1948), Дьяченко и Макарычева (1959), Якубова (1962), Долгилевича с сотрудниками (1978, 1981), Родомакина (1967), Зайцевой (1970), Чакветадзе (1967), Орловского с сотрудниками (1967), Можейко с сотрудниками (1980), Трегубова с сотрудниками (1978), свидетельствует о существовании н закономерном чередовании в пределах эродируемого поля участков (зон) существенно различающихся по характеру повреждений почвы и интенсивности ее выдувания. Каждый из них выделяется преобладанием одного из процессов: 1) выдувания почвы; 2) движения скачущих частиц, сопровождаемого их измельчением и выбиванием покоящихся частиц; 3) аккумуляции мелкозема и 4) затухания эрозии вследствие полного исчерпания выдуваемого материала. По завершении эрозии этим участкам соответствуют почвы разной степени эроднрованностк, причем четвертому и первому -наиболее сильно эродированные почвы, третьему - наносные, второму -комплекс свеянно-навеянных почв. Поскольку в перечисленных работах дается лишь качественная интерпретация опытных данных, представляется целесообразным дополнить ее количественным анализом.

При создании теории ветровой эрозии почвы важное значение имеет создание модели аккумуляции. Геологическим, географическим, почвоведческим и геоморфологическим аспектам формирования эоловых наносов посвящена обширная литература, сводка которой имеется в работах Наливкина (1956, 1970), Гаеля (1951, 1952), Федоровича (1950, 1961), Родомакина (1967), Пазннич (1994), Чичагова (1999) н других. Анализ этих материалов показывает, что грубозернистые эоловые наносы (песчаные, супесчаные, псевдопесчаные) формируются в основном из частиц, переносимых скачкообразно, а мелкозернистые (пылеватые, глинистые, лессы) - из частиц, переносимых в вид« аэровзвеси. Аккумуляцию скачущих частиц описывают с использованием уравнений переноса, а седиментацию тонкодисперсных частиц традиционно исследуют в рамках диффузионной теории (Нойстадт, Ван Допт, 1985; Вызова и др., 1991). Атмосферная диффузия определяется атмосферной турбулентностью, поэтому все теории турбулентной диффузии содержат одни и те же характеристики турбулентности в пограничном слое атмосферы: вертикальные профили трех составляющих скорости ветра (горизонтальной продольной, горизонтальной поперечной и вертикальной поперечной), вертикальные профили их дисперсий и временных масштабов, а также местоположение и мощность источника пыли. При моделировании ветровой эрозии почвы мощность источника почвенной пыли

определяют на основе уравнения переноса в приземном слое (Marticorena et al„ 1997; McKenna Neuman, Maxwell, 1999), одного из рассмотренных выше. Главный недостаток подхода к моделированию на основе диффузионной теории, отсутствие движущей силы, был понятен с самого начала построения теории, но свидетельства качественного несоответствия диффузионных моделей действительности появились сравнительно недавно, в результате развития новых экспериментальных методов. В частности, использование лидара показало, что пыль, поднимаемая работающим почвообрабатывающим агрегатом, распространяется в виде компактного султана, который долго не рассеивается в атмосфере (Holmen, Eichinger, Flocchini, 1998). Об этом же свидетельствуют компактные шлейфы почвенной пыли, наблюдаемые на космо- и аэроснимках-на большом удалении от её источника, эродируемого поля, а также случаи возрастания концентрации почвенной пыли с высотой, наблюдаемые на границах эродируемых полей (Fryrear, Sateh, 1993). Эти примеры указывают на отсутствие согласования между опытом и представлениями диффузионной теории. Поскольку основная причина такой разобщенности теории с опытом ясна, для ее устранения следует строить теорию в рамках законов механики с учетом действующих сил. Главная трудность здесь состоит в решении проблемы подъемной силы.

Успешное её решение позволит подойти к решению ещё одной задачи, о критической скорости. Критическая скорости ветра входит во все уравнения ветровой эрозии. Проблемам её нахождения посвящена обширная литература, обзор которой есть в работах Bagnold (1941), Chepil, Woodruff (1963), Звонкова (1962), Дюнина (1963), Долгнлевича и Васильева (1967, 1973), Lyles, Disrud, Krauss (1970), McKenna-Neuman, Nîckling (1989), Greeley et al. (2003). Критическая скорость находится из условия предельного равенства сил, вырывающих структурный элемент ИЗ почвы, силам удерживающим. Разнообразие существующих подходов к определению действующих сил определяет многообразие форм уравнения критической скорости, а необоснованность уравнений ' подъемной силы заставляет обратиться к решению этой проблемы в рамках законов механики с привлечением представления о вихревом характере подъемной силы. ' :

Решение задачи о подъемной силе позволит перейти к решению задачи ударного действия скачущих частиц. Скачущие частицы не только повреждают посевы, но и способствуют увеличению потерь почвы в результате её диспергации. Вопросам ударного взаимодействия падающих частиц с подстилающей поверхностью посвящена обширная литература, что объясняется не только важностью этого явления для ветровой эрозии, но и

широким его использованием в технике. В многочисленных обзорах этой литературы подчеркивается важность эмпирических методов, в особенности, основанных на использовании новых технических средств, но указывается и на необходимость теоретических исследований (Andersen, Hallet, 1986; Andersen, Sorensen.WHlets, 1991; Namikas, 2003). Известные теоретические проработки посвящены оптимизации статистических решений, однако статистические методы, как известно, носят поисковый характер, поэтому в диссертации делается упор на методы механики, в данном случае на теорию проникания (Сагомонян, 1974), которая позволяет исследовать ударное действие одиночной падающей частицы. Возможность распространения решения для одиночной частицы на весь поток обусловлена необходимостью решения задачи количественного описания выдувания почвы и сепарации испускаемых почвой частиц, что является основной задачей диссертации. ES решение откроет возможность решения задач колнчественого исследования абразии почвы.

Построение теории ветровой эрозии почвы в рамках законов механики основано на анализе действующих сил. В связи с этим представляется необходимым и противоэрозионные приемы оценивать на основе анализа их воздействия на силы, препятствующие эрозии. Наиболее общим результатом применения противозрозионных приемов является увеличение устойчивости почвы к действию ветра. Оно достигается либо увеличением веса почвенных агрегатов, либо увеличением межагрегатного сцепления. Трудность измерения сил сцепления в воздушно-сухих почвах обусловлена их малой величиной. Известны попытки определить сцепление (Зимон, 1967, 1978), рассчитать его в зависимости от влажности почвы (MctCenna-Keuman, Ntckling, 1989), измерить микропенетрометрами (Rice, McEwan, Mullins, 1999), однако ни в одной из известных работ прочность формирующихся межатрегатных связей не была изучена сопряженно со структурой этих связей, что и определило еще одно направление исследований диссертации.

Отмечая достижения в изучении ветровой эрозии и построении ее теории, необходимо отметить главное, что мешает дальнейшему продвижению, это использование единого механизма при исследовании разномасштабных природных явлений, из которых складывается ветровая эрозия почвы, и последующее навязывание его при объяснении опытных данных.

Предмет и методы исследования.

При анализе явления ветровой эрозии почвы наряду с методами почвоведения применяли методы теории подобия и анализа размерности (Седов, 1972), механики многофазных сред (Ландау, Лившиц, 1953; Нигматулин, 1978) и дифференциальных уравнений в частных производных

(Смирнов, 1948). При анализе качественной картины явления ветровой эрозии почвы, как объекта механики многофазных сред, выявлены его особенности, не позволяющие вести исследования в макромасштабе и вынуждающие поэтому ввести новый масштаб, названный мезомасштабом. На основании этого анализа при условии ряда допущений (о превышении почвенными частицами молекулярных размеров; о малости их по сравнению с характерными расстояниями; об отсутствии взаимного влияния частиц в потоке и их влияния на поток; о пренебрежении дроблением и агрегированием частиц в воздухе; о постоянстве плотности воздуха по высоте в приземном слое, о сферичности частиц и двумерности потока) выписаны уравнения движения частиц почвы в вертикальной и продольной координатах

~ ^ = ^ж ~ - А)г ~ m«r?v\ ^=с/лг*рЛУи ~ U)1,

решения которых для отдельных частиц обобщаются на потоки массы взаимопроникающих многоскоростных континуумов.

Сбор, подготовку и транспортировку образчиков пахотных почв из мест проявления ветровой эрозии (в Краснодарском и Ставропольском краях, Волгоградской, Ростовской, Брянской областях) в лабораторию для анализов и испытаний в аэродинамической трубе проводили по методикам, разработанным в Почвенном институте им. В.В. Докучаева (Поспергелнс, 1978). При изучении механизмов сопротивления почвы (в исходном состоянии или обработанной кондиционером) выдуванию применяли методы экспериментальной аэромеханики (Попов, 1947, 1955; Пэнхерст, Холдер, 1955) и эрозиоведения (Кузнецов, Глазунов, Григорьев, 1986) с использованием лабораторной аэродинамической установки прямого типа с закрытой рабочей камерой, снабженной циклоном-пылеуловителем (Рис. 1 ):

М"

Рис. I. Аэродинамическая труба: 1 — рабочая камера, 2 — почвенный образчик, 3 — камера Эйфеля, 4 — комбинированная трубка для измерения скорости потока, 5 - входная часть трубы, б — воздуховод, 7 — циклон-пылеуловитель, 8 — съемный поддон для извлечения уловленных почвенных частиц, 9 ~ вентилятор, 10-задвижка, 11 - пульт управления.

Физические и химические характеристики определяли по общепринятым методам (Аринушкина, 1970; Вадюкмна, Корчагина, 1986; Шенн, 2001), а плотность мелких почвенных агрегатов определяли методом сравнения с эталоном (СИерЛ, 1950).

Первичную обработку данных, оценку точности измерений и достоверности различий, а также подбор уравнений производили на основе общепринятых методов (Дмитриев, 1995) с использованием пакетов прикладных программ ЗЫетШс \VorkPJace и 81{рпаР1о1.

Движущие силы ветровой эрозии почвы.

Взаимодействие ветра с земной поверхностью сопровождается возникновением ряда сил, которые и являются непосредственной причиной движения почвенных частиц. Это силы: подъемная, лобового давления, вязкости, Магнуса, Бассэ, присоединенных масс, Кориолисз, упругости, электрической природы. Имея в виду получение прозрачного решения в рамках квазистационарного приближения, ограничились лишь силами первого порядка значимости, подъемной, лобового сопротивления и вязкости (Дюнин, 1963; Ннгматулин, 1978).

Определение силы лобового сопротивления, а с ней н касательного напряжения на почвенной поверхности, не вызывает затруднений. Относительно подъемной силы нет общепринятого решения. Подъемную силу традиционно относят на счет разности скоростей потока, обтекающего покоящуюся частицу сверху и снизу, по аналогии с крылом самолета (АЫегзеп^огешеп^Шеи, 1991). В отличие от самолета при отрыве частицы от поверхности скорости обтекающих ее сверху и снизу потоков выравниваются и подъемная сила исчезает, что экспериментально показал еще СЬерН (1958). Поэтому обратились к подъемной силе вихря.

Теорию захвата частички из потока вихрем дал Жуковский (1923), но его плоский вихрь при контакте с поверхностью уничтожается. В то же время Скворцов с соавторами (1929) установили, что мелкие пылинки, лежащие на поверхности почвенных частиц, "...могут быть сдуты только, если воздух нижних ярусов пробивается отсасывающим частицу внхорьком". В таком случае теорию Жуковского следует распространить на вихри с вертикальной осью, что позволяет найти подъемную силу, не вдаваясь в детали взаимодействия индивидуального вихря с почвой. Это объясняется тем, что средняя плотность кинетической энергии вихрей определяется плотностью кинетической энергии порождающего их воздушного потока, которая однозначно определяется его средней скоростью за пределами слоя шероховатости. Поэтому подъемную силу вихря Рж связали с избыточным

давлением, создающимся вблизи его оси, которое пропорционально квадрату средней скорости воздушного потока, его плотности и площади сечения частицы. С учетом равенства в момент отрыва удерживающих сил (веса и сцепления <Ре) подъемной уравнение имеет вид:

мы». 1 ...................... .....- К„хг?РР\ - г..

Выписывая его для образцов с разными г„ получили системы уравнений по числу фракций I. Неизвестными в них являются сила сцепления и коэффициент подъемной силы. Решение этих уравнений (Рис. 2) позволило определить подъемную силу и результирующую сил сцепления в проекции на вертикальную ось. Оказалось, что коэффициент подъемной силы варьирует столь незначительно, что его можно считать постоянным «»0,12), а подъемная сила при скоростях ветра выше критической на порядок превышает лобовую:

Гжш 0,12* г?р,Ог; ¿>0,0078л-г/!р,СЛ Показано, что коэффициент подъемной силы может быть обобщен на частицы, находящиеся в свободном воздушном потоке, вдали от эродируемой поверхности.

Межагрегатное сцепление.

Исследование природы сцепления — один из основных предметов физики почв, поскольку око в значительной степени определяет физико-механические и технологические свойства почвы, а также ее противоэрозионную стойкость . (Катнчева и др., 1989; Карпачевскнй, 1997). Межагрегатное сцепление возникает в результате действия межмолекулярных сил, кулоновсхих сил, электрических сил (за счет доноряо-акцепторной связи), химической связи и расклинивающего давления тонкого слоя жидкости на поверхности частиц (Зимон, 1967, 1978). Предложенный метод определения результирующей сил сцепления в проекции на вертикальную ось ^ можно отнести к прямым методам, поскольку в его основе - измерение силового воздействия воздушного потока на почву при критической скорости.

о 4Ж1о» ыР^р^

Рис. 2. Соотношение между удерживающей и подъемной силами (нН) на основании собственных и литературных экспериментальных данных по критическим скоростям ветра для монофракций почв и сыпучих веществ (всего 19 литературных источников).

Полученные с его использованием величины для монофракций сухих почв и песков, изменяются от 28 нН до 402 нН, причем значения для песка, тяготеют к нижней границе этого диапазона, а значения для тяжелых почв, - к верхней. Сравнительно низкое (10-100 нН) межагрегатное сцепление песчаных зерен обусловлено гладкостью их поверхности, а сравнительно высокое (более 100 нН) тяжелых почв, - относительно высокой поверхностной шероховатостью, обеспечивающей возможность взаимного зацепления. для сухих несвязных песков по своим значениям соответствует проявлению электрических и молекулярных сил (Зимон, 1967, 1978). Межагрегатное сцепление не зависит от размера частиц. Аналогичные результаты, но другими методами, были получены в опытах со стеклянными шариками диаметром от 0,02 до 0,5 мм. В этих опытах сила сцепления между шариками, вычисляемая как разность между прочностью контакта и опорной силой, оказалась практически постоянной, изменяясь от 3,9 до 5 нН (Рикиза^га, Юшига, 1974). По нашей методике и экспериментальным данным Кегееп (1973) по критическим скоростям для стеклянных шариков получена весьма близкая величина ^ - 8 нН, что свидетельствует о правильности метода.

Закон выдувания почвы.

С использованием теории подобия и анализа размерности получено более общее, чем известные из литературы, выражение для зависимости (Рис. 3) интенсивности выдувания почвы от скорости ветра и касательного напряжения — закон выдувания почвы на микроуровне (Рис. 4.), на основании которого выведена математическая модель

Аллювиальная

ю__ггерноня«

! почва ;

5 * ПФ '

в < ''к

-10 |----

ч

■ I

г

Типичная выдувания

Рис. 4, Экспериментальный закон выдувания почвы.

Рис. 3. кривая почвы.

выдувания почвы — нуль-модель ветровой эрозии, у которой есть аналог, закон фазового перехода первого рода Клапейрона-Клаузиуса, когда скрытая теплота фазового перехода не зависит от давления. Здесь а представляет собой

безразмерную константу, характеризующую почвенные

свойства, а параметр массообмена В по смыслу соответствует концентрации частиц, утративших связь с почвой сы, то есть скорее принадлежащих потоку, чем почве. Тог факт, что выдувание однозначно определяется параметром шероховатости г0, почвенной постоянной а, критической скоростью иш и значением параметра массообмена при критической скорости (Рис.3), придает им статус важнейших почвенно-эрозионных констант. Они приведены для ряда почв вместе с агрегатным составом. Успешная проверка уравнения выдувания на независимом экспериментальном материале (Рис. 5) позволяет использовать его в качестве ядра уравнения потерь почвы от ветровой эрозии.

я™ наносами (о).

Закономерности движения почвенных частиц н континуумов. В результате решения уравнений движения индивидуальной почвенной частицы в проекциях на вертикальную и горизонтальную оси найдены скорость движения почвеяил» н»™>™ « = — п/л вим«м™и1> траектории:

Здесь Е, — эрозионное число почвенной частицы, равное отношению подъемной силы Жуковского к ее весу,о, = з^>17/4^рп. Если £, > 1, то ^>0, значит частица поднимается. Если£( =1, то у^ =0, значит частица в пределе движется горизонтально. Если £,<1, то у^ <0, значит, вектор вертикальной составляющей скорости ее движения направлен вниз и частица, стартовавшая с поверхности, возвращается на нее, то есть, она совершает скачек. Если Е, = 1, то при х-»-« из уравнения траектории следует^ = И,«V*/аг Эту характерную высоту назвали А,, высотой сальтации частицы радиуса г,.

Показано, что центр масс п} частиц радиуса движется точно так же, как одиночная частица этого радиуса, если начальная скорость старта частиц совпадает с начальной скоростью старта центра масс Она оказалась пропорциональной скорости ветра и коэффициенту сопротивления почвенной

М1

Рис. 5. Проверка точности расчета ^„^по уравнению выдувания на материалах лабораторных опытов Ю.И.Васильева (1997) с предхавказскими черноземами разной степени распыленности (V) и полевых опытов В.С.Чепила и Р-А.Майлна (1941) со свежими эоловыми

Высоте одос* и Висопскмкак м

^тнна мм. м

* " « ИЮО И00 зсоо «во яке

Рис. б. Траектории центра масс для образца из монофракций песка радиусом 0,122 мм и агрегатов предкавказского чернозема радиусом 2 мм (по уравнению траектории при разных скоростях ветра), поверхности ^ = с^и. Продольную скорость частицы приняли равной скорости ветра V*, = С/, Эти величины служат граничными условиями уравнений движения центра масс частиц. В результате непрерывного старта частиц г, с поверхности почвы в воздушном потоке возникает континуум частиц г,, траектории движения центра масс которого подчиняются уравнению траектории индивидуальной частицы (Рис. б).

Траектории центров масс континуумов, частицы которых неодинаковы (г,*г1 )> но стартуют со скоростью не совпадают. Это

взаимопроникающие континуумы. Для них введено и проанализировано уравнение неразрывности. Изменение массы 1-го континуума в элементарном объеме потока (Рис. 7) за время Л/ выражено уравнением:

(14

Для плоской стационарной ветровой эрозии из него получено уравнение неразрывности 1-го континуума:

до, др, (ди. ЭуЛ

Из него получено уравнение характеристики, совпадающее с траекторией движения частицы радиуса г, (Рис. 8). Его анализ вскрывает изменение объемной концентрации почвенных частиц в потоке а* то есть структуру потока, в зависимости от эрозионного числа Е, (Рис. 8). В частности,

объем потока.

Уравнение характеристики

V (Г; О^

Е1 > 1

* разрежение

Егш 1

Е,< 10

к { " •

1 > СС( - сгушеии«

к I *

! =1 =^>а - а, = сопи

чу

Э1п а,

9*

фг

в зоне перемещения скачущих частиц объемная и массовая концентрации постоянны вдоль характеристики.

Уравнение потерь

почвы е больших территорий.

Исследована структура воздушно-почвенного потока' в зависимости от свойств эродируемой почвы (Рис. 9). Установлен механизм

формирования периодической структуры воздушно-

почвенного потока в случае стационарной ветровой эрозии двухкомпонентной почвы при Е, > 1 в основе которого — постоянство концентрации вдоль траектории. Объяснено аномальное распределение (ограниченное возрастание с высотой) концентрации почвенной фазы в воздухе, наблюдаемое на границах эродируемых участков, в основе которого движение безвозвратно уносимых частиц по восходящим траекториям. Показано, что формирование шлейфа пыли, поднимаемой при механической обработке почвы, не соответствует закону диффузии, ио может быть объяснено действием подъемной силы.

Рис. 8. Характер движения континуумов в зависимости от эрозионного числа.

Oci.il 0*1<г О с^йе,*,

41 г 1 1 1 1.

Н

г

Рис. 9. Структура потока при безвозвратном уносе частиц: 1) прямолинейные траектории, 2) вертикальные профили концентрации на разном удалении от края, 3) продольные профили концентрации.

Показано, что в потоке, состоящем из скачущих и уносимых безвозвратно частиц, над бесконечным эродируемым полем формируется слоистая структура. В случае двух сортов скачущих частиц (г|>'*2)> над отрезком ¿А/ формируется шесть параллельно расположенных слоев (Рис. 10) с различными концентрациями почвенной фазы: 1) самый нижний слой, представляющий собой почвенную поверхность с теми почвенными частицами 1-го и 2-го

Рис. 10. Структура потока слое сальтации.

сортов, которые утратили межагрегатное сцепление (с = С1+С2); 2) слой движения скачущих частиц 1-го и 2-го сортов, толщина которого определяется высотой скачка частиц 1-го сорта (с ** 2с|+2сг); 3) -верхняя граница слоя сальтации частиц 1-го сорта ( с ш с,+2а); 4) — слой, в котором присутствуют только скачущие частицы 2-го сорта (с - 2с1>; 5) - верхняя граница слоя сальтации частиц 2-го сорта ( с « С1); 6) — слой; чистого воздуха, расположенный выше верхней границы слоя сальтации почвенных частиц (с = со). Добавление в

поток произвольного числа п сортов скачущих частиц или переход к непрерывной функции распределения почвенных частиц по размерам сильно усложняет задачу, ио не изменяет решения, суть которого состоит в том, что над бесконечным однородным эродируемым полем формируется стационарный воздушно-почвенный поток постоянной структуры для которого характерно убывание концентрации почвенной фазы и размеров переносимых ветром почвенных частиц с высотой, параметры которого определяются структурой эродируемой почвы и плотностью её частиц.

Из развиваемой теории следует удвоение концентрации почвенной фазы в слое сальтации, обусловленное постоянством концентрации вдоль траектории и неизбежным пересечением траекторий, которое подтверждено нами на материалах Почвенного ин-та им, В.В.Докучаева по изучению структуры почв н почво-воэдушного потока во время пыльных бурь на Северном Кавказе (Васильев, Булгаков, Гавриленко, Калиниченко, 1978).

Подведение баланса потоков массы при стационарной ветровой эрозии вдали от границ эродируемого участка привело к уравнению потерь:

И-

-т5гВжи^ ехр[-а

а, + а2

где: а, — суммарная среднеобъемная концентрация в почве частиц, относящихся к категории уносимых безвозвратно при скорости ветра и, I кг/кг]; аг — то же из категории скачущих.

Механизмы ветровой эрозии почвы при наличии границ выдувания. Исследовано влияние границ (наземной х, и внутрипочвенной О) на формирование механизмов потерь почвы (Рис. 11) и установлены механизмы

Рис. 11. Стадийность эрозии.

закономерностям, что и над неподвижной, а все выводы, полученные для неподвижной (вдоль ветра) поверхности, применимы и к движущейся. Для случая с непрерывным распределением в почве частиц (агрегатов) по размерам, выведены уравнения объема (У потерь с учетом стадийности явления эрозии (Рис. 12).

обособления в рамках явления ветровой эрозии пространственно-временных стадий: а) усиленного выдувания (в зоне выдувания у наветренного края эродируемого поля), б) переменного выдувания (на переходном по выдуванию участке эродируемого поля, который следует за первым участком), в) умеренного выдувания (в зоне переноса и выдувания, которая формируется у подветренного края поля) и г) отсутствия выдувания (в зоне обнажения ветроупорного слоя); найдены характерные времена стадий

Доказано, что структура потока над движущейся поверхностью переходного по выдуванию участка подчиняется тем же

ГГ:

\УХ + + при

—С/и

V

Рис, 12. Объем потерь почвы по стадиям ветровой эрозии ( почва с непрерывным распределением частиц по размерам).

Механизмы абразии при ветровой эрозии почвы. Абразия исследована в предположениях о саморазвивающемся явлении ветровой эрозии с привлечением теории проникания. Найдена масса почвы М, выбиваемой при ударе о нее падающей частицы от,, в функции горизонтальной (К) и вертикальной (V скоростей этой частицы:

Я А 1.8-У2 Л,

м

Справедливость теоретических положений, на которых построена модель выбивания, подтверждена сопоставлением с экспериментальными данными Rice, McEwan, Mullins (1999) по изучению механизма ударного действия песчинок, падающих на почву да потока под острым углом. От индивидуальной падающей частицы к потоку массы падающих частиц перешли с использованием нуль-модели, согласно которой q4 Тогда поток выбитой массы равен qM = Но эта модель не учитывает лавинообразное нарастание потока падающих за счет отскакивающих. Проблема моделирования лавинного эффекта решена на основе предположения о том, что при каждом ударе падающая частица теряет постоянную долю своей массы у до тех пор пока после и-го скачка ока не перейдет в категорию летящих. Потребное число скачков найдено как л-й член геометрической прогрессии, при котором масса частицы уменьшилась до критического значения перехода в подвешенное состояние. Для перехода от индивидуальной частицы к суммарному потоку скачущих частиц с произвольной единичной поверхности неограниченного поля просуммировали все скачущие частицы, включая взлетающие первый раз (Фос согласно нуль-модели), отскакивающие первый раз, отскакивающие второй раз и так далее, завершая отскакивающими л-й раз. Эта сумма равна сумме членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии. Её оценка (завышенная) равна S = <?,* Переход от точной суммы к её оценке позволяет исключить из рассмотрения число скачков.

Результирующий поток частиц от почвы в воздух состоит из потока скачущих и потока уносимых безвозвратно: q = S+q>. Поток уносимых безвозвратно <р складывается из "поставляемых" нуль-моделью <?<и *¥)> выбиваемых падающими, откалывающихся от скачущих при ударах о поверхность и теми из скачущих, что истерлись до критического значения. Найденное для полного потока уравнение имеет вид:

где = В^е" , 0™а—0. Здесь р л — прочностные характеристики почвы и показатели трения скольжения.

Полученная модель адекватна ветровой эрозии с абразией в длинной полевой аэродинамической трубе и пыльной буре в Нигере (Рис. 13).

Полномасштабное явление ветровой эрозии почвы.

Согласно полученному решению почвенные частицы в подвешенном состоянии в пределе неограниченно поднимаются над поверхностью, что противоречит физике явления. Причина этого состоит в допущении

постоянства плотности воздуха по высоте, которое приемлемо при моделировании приземного слоя, но вносит ошибку, которая увеличивается с увеличением высоты переноса частиц.

Имея в виду построение модели глобального переноса почвенных частиц в исходные уравнения движения ввели зависимость плотности воздуха от высоты в функции температуры, которая убывает на 0,65 градуса при подъеме на 100 м (Хргнан, 1969). В результате нового решения уравнения движения почвенной частицы, теперь с учетом изменения плотности воздуха по высоте, получены: а) уравнения траектории почвенной частицы разной степени детализации, которые являются обобщением уравнения траектории, полученного для слоя постоянной плотности воздуха (вблизи поверхности); б) уравнения максимальной высоты ,

р р г,_____ 1 Д о '»г .

подъема частицы в щ>г": —

стратифицированной по плотности

«'У V /I 1 ¿У

атмосфере, которые с разной т,~^г"к"яКи*Р,л\}-лУ) - - <рцгхх—

степенью детализации обобщают

формулу толщины слоя сальтации;

в) уравнение размера частиц,

переносимых на предельных

высотах подъема (Рис. 14).

Впервые получено решение задачи о структуре воздушно-почвенного потока в глобальной постановке, с учетом действия подъемной силы и изменения плотности воздуха с высотой. Оно

)п(<?{//г>

Рис. 13. Выдувание почвы с абразией: в полевой аэродинамической трубе (1 — песок с зернами 0,22 мм; 2 — глинистые агрегаты 0,44 мм; 3 — тонкопесчанисто-суглинистые агрегаты 0,18 мм; 4 — то же 0,11 мм) и в натуре во время пыльных бурь в Нигере (5 — песчаная альфисоль) — обработка материалов Чепила и Вудрафа (№№ 1 — 4) и Стерка и Стай на — (№5).

Рис. 14. Приближенное решение уравнения движения почвенных частиц в воздухе с учетом изменения его плотности по высоте.

Рис. 15. В немасштабная схема траекторий трех сортов частиц в воздушно-почвенном потоке с переходом от области с постоянной скоростью к области с убывающей скоростью ветра в функции расстояния.

указывает на расслоение воздушно-почвенного потока по размеру переносимых ветром почвенных частиц и по их концентрации в двухфазном потоке. Доказано, что структура слоистого воздушно-почвенного потока при постоянстве метеорологических величии целиком определяется, свойствами эродируемой почвы.

Полученные решения делят все переносимые ветром данной силы почвенные частицы на два класса, переносимых скачками и уносимых безвозвратно для источника, и предопределяют существование двух типов эолового наноса: а) из частиц переносимых скачками и б) из частиц, переносимых в подвешенном состоянии.

Скачущие частицы могут сформировать нанос (Рис. 15) непосредственно за эродируемым участком, если скорость ветра не превышает критическую для участка осадконакопления. В противном случае этот участок и сам подвергается эрозии. Те частицы, что переносятся в подвешенном состоянии, не могут образовать осадка при ветре, вызвавшем эрозию, за исключением случая, вполне возможного, вымывания их из атмосферы дождем, который в данной работе не исследуется. В отсутствие дождя они выпадают в осадок на удалении от места выдувания там, где скорость ветра снижается то такой степени, что эрозионное число становится меньше единицы. Место их выпадения определяется точкой на земной поверхности, в которой ее пересекает линия траектории, рассчитанной по уравнению траектории с использованием скорости ветра в функции расстояния. Более крупные частицы при прочих равных условиях выпадут раньше (ближе к источнику), чем мелкие. Время начала стадии аккумуляции подвешенных в потоке частиц определяется скоростью ветра и растоянием до места, где произойдет его снижение до

величин, обеспечивющих£, <1, то есть начало выпадения частиц из потока. Время завершения стадии аккумуляции определяется временем долета частиц до места выпадения, то есть в конечном счете — скоростью ветра.

Поток массы частиц из категории безвозвратно уносимых с эродируемого поля при заданной скорости ветра и откладываемых на участке аккумуляцниции, , определяется уравнением выдувания, учитывающим лавинный эффект и абразию. Важнейшим следствием из проведенного анализа является вывод о накоплении в точке** частиц /-того сорта, собранных ветром на участке выдувания Математическая модель полномасштабного

явления ветровой эрозии почвы заполняет пробел между локальными моделями ветровой эрозии и глобальными метеорологическими схемами явления. Она позволяет связать закономерности выдувания на мнкроуровне, то есть на малой, в масштабах всего явления ветровой эрозии, поверхности с закономерностями подъема почвенной массы в воздух, ее переноса воздушным течением и отложения с формированием эоловых наносов. Важнейший вывод из материалов работы состоит в том, что все основные черты явления ветровой эрозии при заданных скорости ветра и законе изменения плотности воздуха с высотой определяются свойствами самой почвы.

м. _ « 40чкм, им. t^j* НФ км

to Ш 1»

2650 кг/м5; р.=1,164 ki/m'; <р-б;К.-0,18; а =24,5; В, * 0,0037; 11= 0,000018 гаДм с);

--f, ■ д^* в KИ. - [41 км

__ . - 141 mm

......v.-да

UM * 7,6 м/с, Ц я 8 м/с,

Рис. 16. Моделирование полномасштабного явления ветровой эрозии почвы (фото NASA ID STS043-151-086; поле скоростей ветра - от NOAACDC).

Качественное соответствие математической модели полномасштабному явлению ветровой эрозии почвы доказано на примере единичного явления ветровой эрозии почвы, имевшего место на территории Судана (под 21° с.ш. и 38° в.д.) в течение трех дней августа 1991 г. и зафиксированного на пленку из космоса 11 августа (Рис. 16).

Теоретические основы защиты почвы путем увеличения связности.

Анализ взаимодействия воздушного потока с почвой, обработанной кондиционером, ведется теми же методами, что и несвязных. Для придания образцам дерново-подзолистой супесчаной почвы, взятым из пахотного слоя в районе Новозыбкова Брянской области, связности их опрыскивали растворами препарата ИПЭК, который представляет собой однорастворную смесь КЖ)3 (5%) и равных количеств промышленно производимых полиэлектролитов; поли-М-М-диметиддиаллиламмоний хлорида (ВПК-402) и натриевой соли карбокснмети л целлюлозы. В случае с аллювиальной дерновой кислой примитивной почвой из Московской области (Табл. 1) кондиционер синтезировали непосредственно в почве путем последовательного нанесения на ее поверхность ручным опрыскивателем сначала раствора полианиока — натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы(10,0г. полимера на 1,0 м2), а затем — поликатиона 1Ч,1Ч-диметил-К,Ы-диаялиламмониЙ хлорида (ВПК-402) в таком же количестве. Перед испытанием образцы почвы высушивали до воздушно-сухого состояния. Доза раствора была постоянной (2000 мл/м2), поэтому показателем дозы действующего вещества взята его концентрация (%) в рабочем растворе.

Табл. I. Свойства образцов монофракций аллювиальной дерновой кислой примитивной почвы (Московская область), обработанных кондиционером, и параметры модели ее выдувания. ____

гхЮ*, [м] 16 30 46 51 75 204

V., [м/с] 5,1 5,6 6,5 8,0 11,2 12,4

У. (0), [м/с] 7,9 7,1 7,8 12,5 11,4 12,8

Но) 0,09 0,04 0,04 0,04 0,03 0,05

я. (о)*™* 21 8 8 2 3 6

О™, [кг/кг] 0,0062 0,0025 0,0012 0,0005 0,0005 0,0005

Сил., [кг/кг] 0,0042 0,0002 0,002 0,0014 0,0017 0,0008

Установлено, что обработка почвы кондиционером приводит к снижению выдувания, но не устраняет его. Слабое, но измеримое, выдувание почвы начинается при весьма малых значениях скорости ие (Рис. 17, 18). Степень снижения выдувания столь существенна, что исследование его

нпэк-о.«*

3 4 14 7

« 1« 2« 3« 4« 50 М 7«

(

Рис. 17. Выдувание дерново-подзолистой супесчаной почвы в координатах >> = = х-иЦи] при разных воздействиях на неё.

закономерностей и прогнозирование численных значений представляет интерес только в специальных, методических целях, связанных, в частности, с изучением вторичного подъема радиоактивной или токсичной пыли или пылення грунтов аэродромов.

На графике экспериментальной кривой достоверно выявляется С/,, которой соответствует \j\ju\ = 1, что позволяет считать ее аналогом размывающей скорости водного потока (Гендугов и др., 1997) и разрушающая скорость , при которой происходит срыв корки, сопровождаемый

катастрофическим нарастанием переноса (Рис. 18). Возможность выявления разрушающей скорости ограничена мощностью установки (в нашем случае 40 м/с).

При и,<и.<С/11ф выполняется закон выдувания на микроуровне, что приводит к нуль-модели вьщувания обработанной кондиционером, связной почвы:

В(С) = ВХ{С) ехр

1 ,у

у{С)[ и? у

аргументы которой, в отличие от случая с контрольной почвой, зависят от концентрации в ней кондиционера (С). Величины С/, (С), у(С) и Вш (С) сохраняют постоянное для образца, кондиционера, его дозы и способа обработки значение.

Дня выявления связи между аргументами уравнения вьщувания и показателями свойств почвы в соответствии с требованиями теории подобия и анализа размерностей

Рис. 18. Выдувание обработанной кондиционером аллювиальной дерновой почвы (срыв корки при и, я 33 м/с - верхняя точка на графике).

из них сформировали безразмерные комплексы при анализе которых ограничились первыми тремя членами разложения искомой /(С) в ряд Тейлора, имея в виду малость концентрации кондиционера в почве (как правило, сотые доли единицы) (Табл. 2).

Наиболее тесно связанными с дозой кондиционера оказались критическая и разрушающая скорости. Вид функции I/, (С) характеризует особенности взаимодействия конкретного кондиционера с почвой. В данном случае он указывает на зависимости £/, (С) от размера частиц, содержания органического вещества и илистых частиц, которые могут оказать влияние на формирование структурных связей при обработке почвы кондиционером. Использование в качестве аргумента величины характеризующей эффективность

растворителя (вода) почвенного кондиционера в снижении выдувания почвы, вызвано необходимостью вычленения вклада кондиционера. Но в случае воды эта величина приобретает важное самостоятельное значение, поскольку позволяет учесть влияние атмосферных осадков на устойчивость почвы и служит естественной мерой эффективности водорастворимых почвенных кондиционеров и мульчирующих веществ.

Табл. 2. Характеристики уравнений связи вида >> = 1+ах+Ьх* для монофракций аллювиальной дерновой кислой почвы, обработанных кондиционером

№ У x SEE а SE Р Ь SE Р R

1 илсуило) с 0,9 826 145 <0,0001 -66958 25599 0,01 0,7

2 С 0?7 2097 641 0,006 -763997 371621 0,06 0,7

3 у(сУу( о) с 7,6 2923 1255 0,03 -193343 221334 0,4 0,3

4 BJO/BJO) с 2,1 926 342 0,01 -154598 60270 0,01 0,3

5 и. т/и. \frfrua 0,2 0,008 0,003 0,05 -0,00004 0,00002 0,1 0,6

6 иЛо)!и. С. 190 128 1 ОД -16726 22416 0,5 0,4

7 ил о)М с„ 0,2 1,6 1.4 0,3 -0,8 4,0 0,8 0,4

Примечание, у - зависимая переменная; х — независимая; а, Ь — коэффициенты; SEE — стандартная ошибка расчета по уравнению связи; SE -стандартная ошибка коэффициента; Р — вероятность ошибочного суждения о значимости коэффициента; R — коэффициент корреляции.

График экспериментальной зависимости a — f(C) (Рис. 19) при 1¡у{С) = а указывает на наличие линейной связи между постоянной выдувания и концентрацией действующего вещества кондиционера. Тем самым раскрывается физический смысл постоянной выдувания, как показателя сцепления.

о

игок,*/.

Полученные результаты

свидетельствуют о возможности прогнозирования выдувания песчаной почвы, обработанной кондиционером типа ИПЭК, с использованием уравнения выдувания и предложенных зависимостей для его параметров. Применимость уравнений связи (Табл. 2) ограничена не только областью малых концентраций кондиционера, но и допущениями теории.

результаты

Рис. 19 Зависимость почвенной постоянной выдувания от количества кондиционера.

Появление в почве кондиционера в концентрации С приводит к изменению силы межагрегатного

сцепления, которая становятся функцией концентрации и качества кондиционера, а также условий и способа его внесения в почву и условий высыхания. Результирующую сил сцепления в проекции на вертикальную ось, исходя из малости концентраций кондиционера, находили тем же способом, что и в случае необработанных почв. В момент наступления критической скорости ветра, то есть С/, ■= С/^ (С), силы противодействия отрыву уравниваются с подъемной силой. Полагая справедливо Гж »/"(С). Решение

относительно сферичных одиночных частиц приводит к критической скорости ветра для почвы, обладающей межагрегатным сцеплением:

Для исходных образцов в воздушно-сухом состояния = 0,18, а =» 75 [нН], причем вероятность ошибочного суждения о значимости этих величин меньше 0,0001.

В отсутствие кондиционера сцепление обусловлено силами механического зацепления, электрической природы, капиллярными, соотношение которых определяется физическими и химическими свойствами почвы. Кондиционер, вступая во взаимодействие с почвой, изменяет соотношение этих сил и добавляет к ним новые, в частности, механическую прочность нитей кондиционера. Создание физически содержательного уравнения критической скорости ветра сводится к раскрытию вида функции Р - Р(С), в данном случае - на примере интерполиэлектролитного комплекса.

График зависимости РХС) от содержания кондиционера и гумуса, рассчитанных на единицу поверхности имеет два разных,

отчетливо выраженных участка (Рис.20), что свидетельствует о разных механизмах формирования структуры межагрегатных связей.

При анализе влияния кондиционера на сцепление учитывали, что молекулы ИПЭК имеют большие молекулярные массы и обладают одновременно гидрофильными и гидрофобными свойствами (в разных участках цепи), что позволяет им взаимодействовать не только с почвенной

10x10* 100x10* ЫО* 10x10"3 100x10-* С+С^Лкг/«3]

Рис. 20. Зависимость силы межагрегатного сцепления от количества кондиционера и содержания органического вещества в почве.

поверхностью, но и между собой, с формированием своеобразной "паутины". Поскольку в основе этих взаимодействий лежат электрохимические явления, к их анализу привлекли закон Фарадея, полагая, что число связей молекул кондиционера с почвенными частицами (а с ним и масса кондиционера Л/, [кг/м}]), приходящееся на единицу их поверхности, прямо пропорционально заряду Q на поверхности почвенных частиц »£,£>, гдеДг,-электрохимический эквивалент почвенного кондиционера.

Количество электричества удобно выразить в расчете иа единицу поверхности в обработанном кондиционером слое, Q (Кл/мг]. Чем больше тем больше кондиционера может прореагировать с почвенной поверхностью. Избыточное, сверх Q по заряду, количество кондиционера, будет расходоваться на создание связей между молекулами собственно кондиционера. Оба вида взаимодействия (между кондиционером и почвой и между молекулами

ДС),[Н] ° кондиционер - почва

V кондиционер - кондиционер

- линия регрессии

собственно кондиционера) приводят к увеличению сцепления, но могут потребовать, разного удельного прироста количества кондиционера. Для выяснения этого от зарядов перешли к концентрациям. Выразив заряд, нейтрализованный гумусовыми веществами Qrpí , через их концентрацию С^ [кг/кг] и удельную поверхность почвы 5 [мг/кг], получили свободный заряд, доступный кондиционеру, и эквивалентное ему количество кондиционера С,„ =£,(£?- / ) на единицу поверхности [кг/м1].

При известном См можно оценить порядок величин электрохимических эквивалентов гумуса и кондиционера.

Наличие двух участков на ¡рафике (Рис. 20) подтверждает обоснованность предложенного качественного механизма формирования структурных связей. В основе пропорциональности сцепления концентрации кондиционера и гумуса — заполнение кондиционером свободных активных центров на почвенной поверхности. В основе пропорциональности сцепления логарифму концентрации кондиционера и гумуса - расходование кондиционера на создание и укрепление "паутины". Переходной точке при этом соответствует £>*•.> масса кондиционера [кг/м2], эквивалентная свободному заряду на ее поверхности в исходном, до применения кондиционера, состоянии.

Аналогия с электрохимическими процессами, будучи весьма приблизительной, опирается на главное — пропорциональность количества молекул кондиционера, связанных с почвенной поверхностью, ее электрическому заряду. В связи с этим величины кк и к^ могут найти

применение в теории

оструктуривания почв.

Для практики оструктуривания важно, что общепринятая мера эффективности кондиционера в виде отношения интеисивн остей

выдувания обработанной и исходной почв = 9и>НЧ1И11 оказалась

величиной переменной, что приводит к неопределенности оценок (Рис. 21). Поэтому предложено его проинтегрировать в диапазоне скоростей АО ■ £/, - £/,:

а ^Я^^и = = -.

СКОрОСТИ- I

ю-1 10-1 1»»

10-1 10»

. , 1

X" - -Моигрсиь ----КГ», ----ППЭК-0Д2 ----НГВК-0,064 -— ИШК^ОД -----ИПЖ-0,64 -ИГОК-2

10 20 30 40 50 V, мСс

Рис. 21. Зависимость показателя эффективности кондиционера от

Чем больше интервал, тем надежнее оценка эффективности кондиционера. В нашем случае максимальная скорость воздушного потока достигала 40 м/с вблизи поверхности, что обеспечивает предельную величину й£/ 40 м/с. Интегральная характеристика К является полезным инструментом для оценки эффективности разных кондиционеров и применяемых доз (Табл. 2).

Табл. 2. Показатели эффективности воздействий на устойчивость к выдуванию пахотной дерново-подзолистой супесчаной почвы (Новозыбковскнй район Брянской области).____

Воздействие 40 о относительно ^

кг/мгс контроля н,о КЖ), м/с

Контроль 329,902 1 0,000001 0,000004 7,4

н,о 0,00039 840904 1 3,1 7,8

Ii.NO, 0,0012 274002 0,33 1 7,9

ИПЭК 0,02% 0,00079 417416 0,50 1,5 8,7

ИПЭК 0,064% 0,00133 247312 0,29 0,9 7,5

ИПЭК 0,2% 0,00053 622069 0,74 2,3 8,4

ИПЭК 0,64% 0,00036 914292 1,09 3,3 21,0

ИПЭК 2% 0,000044 7531032 8,96 27,5 33,2

Заключение.

Конкретизация предмета количественного исследования в рамках диссертации потребовала создания качественной картины явления ветровой эрозии почвы, которая и была получена путем обобщения существующих качественных и количественных представлений. При этом были выявлены основные недостатки существующих исследований, которые кратко можно свести к разобщенности исследований, отставанию уровня теоретических исследований от экспериментальных, использованию единого механизма при исследовании явления ветровой эрозии, н обоснована необходимость разномасштабного подхода к исследованию, вытекающая из физики явления -несводимости законов макромира к законам микромира. Б связи с этим была определена специфика явления ветровой эрозии почвы, как объекта механики многофазных сред, учет которой позволил обосновать введение нового, промежуточного, масштаба исследования - мезомасштаба и тем самым получить инструмент обобщения закономерностей движения одиночной

почвенной частицы на движение их потоков (мезомасштаб) - на основе методов механики многофазных сред и представлений о многоскоростных континуумах и взаимопроникающем движении компонентов.

На основе идеи Н.Е. Жуковского предложен и качественно обоснован механизм возникновения подъемной силы ветра, отнесенный на счет действия вихря с вертикальной осью, опирающегося торцом на поверхность и засасывающего через него почвенную частицу. Подъемная сила вихревого потока, как и у Н.Е. Жуковского, уравнением подъемной силы поставлена в зависимость от его средней скорости. Теоретически и экспериментально обоснована методика совместного определения коэффициента подъемной силы и силы межагрегатного сцепления для равнозернистых образцов почв и других сыпучих веществ на основе их испытаний воздушным потоком в аэродинамической трубе. Доказано, что при скоростях ветра выше критической вихревая подъемная сила на порядок превышает касательное напряжение и поэтому должна рассматриваться в качестве основной силы, вызывающей ветровую эрозию почвы.

На основе теоретического решения уравнения движения частицы для предельного случая начала движения и экспериментального определения критических скоростей ветра получены значения межагрегатного сцепления и коэффициента подъемной силы, присущие несвязным полидисперсным телам разной природы, которые могут быть использованы в моделях ветровой эрозии. Обоснована возможность обобщения коэффициента подъемной силы на частицы, перемещаемые в свободном воздушном потоке, вдали от эродируемой поверхности.

С использованием теории подобия и анализа размерности и результатов испытаний почвенных образцов в аэродинамической трубе установлен эмпирический закон выдувания несвязной почвы в условиях ограниченности её поверхности — закон выдувания почвы на микроуровне. В его основе — параметр массообмена, который является условием общности почвы и эродирующего её воздушного потока. Выведена и проверена на независимом экспериментальном материале более общая, чем известные, математическая модель выдувания почвы - нуль-модель ветровой эрозии. Введены новые физически содержательные показатели состояния почвы - почвенная постоянная выдувания и критическое значение параметра массообмена при ветровой эрозии и табулированы их величины в зависимости от агрегатного состава ряда почв. Тем самым созданы основы для создания физически содержательной модели ветровой эрозии почвы.

На основе решения уравнений движения установлены три типа переноса частиц почвы ветром: а) подъем вдоль наклонной прямой, приводящий к безвозвратному уносу частицы, б) подъем вдоль кривой, стремящейся к горизонтальной линии, также приводящий к безвозвратному уносу н в) перемещение вдоль кривой, замкнутой на поверхность, приводящее к скачкам частицы вдоль поверхности (сальтации); выведено еднное для всех типов переноса уравнение траектории частицы, основанное на действующих силах. Установлена зависимость скорости индивидуальной частицы от времени.

Доказано существование предела высоты скачка частицы в приземной области (области постоянства плотности воздуха по высоте). Тем самым доказано существование слоя сальтации. Вскрыт механизм образования слоя сальтации и формирования его структуры, которая определяется исключительно свойствами эродируемой почвы. Выведено уравнение толщины слоя сальтации, которая определяется скоростью вылета частицы с эродируемой поверхности. Возможность его решения обеспечена путем решения задачи о скорости вылета усредненной почвенной частицы под действием ветра.

Найден показатель поведения частицы в потоке — эрозионное число, представляющее собой отношение подъемной силы Жуковского, действующей на данную частицу, к ее весу. Если эрозионное число больше единицы, то частица уносится потоком безвозвратно по восходящей траектории, если меньше единицы, то частица скачет, если равно единице, то частица стремится к предельной высоте переноса на высоте слоя сальтации. Продемонстрирована исключительная информативность эрозионного числа, которое входит в качестве аргумента в уравнения механики ветровой эрозии почвы.

В результате анализа уравнения неразрывности установлено постоянство объемной и массовой концентраций почвенной фазы вдоль характеристик воздушно-почвенного потока; тем самым открыта возможность анализа структуры последнего. Решения, полученные для индивидуальных частиц, обобщены на их совокупности, движение которых описано с привлечением представлений о почвенных многоскоростных континуумах и их взаимопроникающем движении. Установлена зависимость свойств почвенного континуума от эрозионного числа составляющих его частиц.

С использованием разработанной теории проанализирован простейший случай ветровой эрозии двухшмпонентной почвы и выявлена сложная структура воздушно-почвенного потока, для которой характерны три основные области с разными концентрациями твердой фазы и закономерное изменение концентрации вдоль потока и по высоте. Установлено, что причиной

возникновения периодичности в структуре потока при постоянной его скорости является неоднородность эродируемой почвы.

В рамках разработанной теории найдено объяснение аномальному распределению (ограниченному возрастанию с высотой) концентрации почвенной фазы в воздухе, регистрируемому, как правило, на границах эродируемых полей или рабочих участков; установлено удвоение концентрации почвенной фазы в слое сальтации и, подтвержденное анализом полевого материала из независимого источника. Показано, что распространение почвенной пыли, поднимаемой при механической обработке почвы, не следует закону диффузии, но может быть объяснено в рамках развиваемой теории действием вихревой подъемной силы.

Установлена структура воздушно-почвенного потока, возникающего над бесконечным эродируемым полем произвольного агрегатного состава. Её характерной особенностью является убывание концентрации почвенной фазы и размеров переносимых ветром частиц с высотой.

Выведены уравнения скорости выдувания, глубины выдувания и потерь почвы при ветровой эрозии однородного бесконечного поля в стационарных условиях. Адекватность полученных решений действительности подтверждена опытными данными.

Выявлены причины обособления пространственно-временных стадий в единичном явлении ветровой эрозии, в основе которых — связь между длиной скачка частицы и её размером. Как следствие, вблизи наветренной границы возникает зона эрозии, для которой характерна наибольшая скорость выдувания; вблизи подветренной границы — зона с наименьшей скоростью выдувания; между ними — зона (участок) с переменной, от максимальной, в его начале, до минимальной, в его конце, скоростью выдувания.

Выявлен новый механизм ветровой эрозии в основе которого - движение поверхности переходного (по интенсивности выдувания) участка. Установлена причина начала движения поверхности переходного участка - обнажение ветроупора (например, уплотненного слоя в виде плужной подошвы) в результате выдувания. Показано, что с момента своего возникновения ЭТОТ механизм становится определяющим, так как скорость движения поверхности переходного участка на 2-3 порядка превышает скорость углубления поверхности почвы в результате выдувания. Движение поверхности переходного участка является внешней причиной закономерной смены стадий ветровой эрозии.

Доказано, что закономерности формирования структуры воздушно-почвенного потока над движущейся поверхностью переходного участка такие

же, как и над неподвижной поверхностью эродируемого поля, а все выводы, полученные для неподвижной (в горизонтальном направлении) эродируемой поверхности, применимы и к движущейся поверхности. Тем самым открыта возможность исследования структуры потока над движущейся поверхностью переходного участка и подведения баланса приходных и расходных статей ветровой эрозии. На этой основе выведены уравнения объема потерь почвы от ветровой эрозии, учитывающие ее стадийность.

Исследован механизм ударного взаимодействия твердой, не разрушающейся при ударе, частицы с почвой по модели пластической среды М найдена масса выбиваемой ею почвы, определяемая скоростью ветра и плотностью почвы и частицы. Доказана адекватность выведенной математической модели явлению ударного взаимодействия падающей частицы с почвой, сопровождаемому выбиванием почвенной массы. Найден поток массы выбиваемых частиц в функции потока падающих в рамках модели самовозникающего и самоподдерживающегося явления ветровой эрозии почвы, характеризующий вклад абразии в явление выдувания.

Установлен механизм возникновения абразии и лавинного эффекта нарастания переноса почвы ветром; выявлена причина его самоограничения, состоящая в истирании скачущих частиц до критического размера начала полета и выведении их тем самым из зоны ударного взаимодействия с почвой.

Теоретическим путем раскрыта структура полного потока почвенной массы, направленного от почвы в атмосферу при ветровой эрозии. Этот поток состоит из: а) первоначально неподвижных почвенных частиц, отрываемых вихревой подъемной силой и разделяемых ею на безвозвратно уносимые и скачущие; б) частиц первоначально консолидированной почвы, выбиваемых из нее по механизму проникания другими частицами, движущимися скачками; в) обломков, теряемых скачущими частицами при ударе; г) тех частиц из категории скачущих, размер которых в результате истирания уменьшился до предела их перехода в безвозвратно уносимые (улетающие).

Выведено уравнение выдувания, учитывающее лавинный эффект нарастания переноса почвы, абразию поверхности скачущими частицами, потерю ими массы в результате истирания и возможность их перехода в категорию ■ безвозвратно уносимых в результате истирания; продемонстрирована адекватность уравнения выдувания опытным данным; получены ориентировочные значения его параметров, которые могут быть применены к аналогичным по физическим свойствам почвам для целей прогнозирования эрозии и глобального переноса почвенной пыли. Выявлена структура: а) показателя истирания частицы при ударе о почву, б) постоянной

выдувания к в) параметра массообмеиа, учитывающая абразию в условиях самоподдерживающейся эрозии.

Исследованы предпосылки и обоснован способ построения модели полномасштабного явления ветровой эрозии почвы на основе простой модели стратифицнрованной атмосферы. В результате решения уравнения движения почвенной частицы в стратифицированной по плотности атмосфере получены: а) уравнения траектории почвенной частицы разной степени детализации, обобщающие уравнение траектории для приземного слоя с постоянной плотностью воздуха; б) уравнения максимальной высоты подъема частицы разной степени детализации, обобщающие формулу толщины слоя сальтации для приземного слоя; в) уравнение размера частиц, переносимых на предельных высотах подъема.

Доказано, что решения, полученные для нестратифицированной атмосферы, применимы и к стратифицированной по плотности атмосфере. Тем самым открыта возможность анализа структуры воздушно-почвенного потока при пыльных бурях.

Количественно обоснованы причины перехода явления ветровой эрозии в стадию аккумуляции; установлены её пространственно-временные границы, приводящие к формированию двух, ближней и дальней, зон аккумуляции; созданы основы прогнозирования объема оседающей из воздуха почвы.

Получена математическая модель полномасштабного явления ветровой эрозии почвы, заполняющая пробел между локальными моделями ветровой эрозии и глобальными метеорологическими схемами явления, позволяющая связать закономерности выдувания на микроуровне, то есть на малой в масштабах всего явления ветровой эрозии поверхности, с закономерностями подъема пыли в атмосферу, глобального ее переноса воздушным течением и отложения с формированием эоловых наносов. Доказана её адекватность полномасштабному явлению ветровой эрозии почвы.

Установлено определяющее влияние свойств почвы на закономерности отрыва, подъема, переноса и осаждения почвенных частиц воздушным потоком. Важнейший вывод из настоящей работы состоит в том, что все основные черты явления ветровой эрозии при заданных скорости ветра и законе изменения плотности воздуха с высотой определяются свойствами самой почвы.

Установлен закон выдувания связной почвы. Разработана теория оструктуривания несвязной песчаной почвы кондиционером из класса интерполиэлектролитных комплексов. Найдены параметры уравнения выдувания почвы в функции концентрации в ней кондиционера. Обоснована методика оценки эффективности кондиционера в повышении устойчивости

почвы к выдуванию. Предложена новая структура формулы критической скорости ветра для почвы, учитывающая вклад межагрегатного сцепления.

Выводы

1. Эродирующее действие вихревого воздушного потока обеспечивается подъемной силой тех вихрей, которые, имея вертикальную ось вращения, касаются почвы торцом, через который и захватываются почвенные частицы. Подъемная сила определяется размером частицы а также плотностью и средней скоростью воздушного потока согласно уравнению подъемной силы Жуковского. При скоростях ветра выше критической для почвы вихревая подъемная сила на порядок превышает касательное напряжение и поэтому рассматривается в качестве основной силы, вызывающей ветровую эрозию.

2. Выдувание несвязной почвы в условиях ограниченности её поверхности подчиняется эмпирическому закону - закону выдувания почвы на микроуровне, хоторый по структуре сходен с частным случаем равновесного закона фазового перехода первого рода Клапейрона-Клауз ну с а. Из него выведена и проверена на независимом экспериментальном материале более общая, чем известные, математическая модель выдувания почвы - нуль-модель ветровой эрозии.

3. Состояние почвенной частицы, испытывающей воздействие ветра, определяется эрозионным числом, равным отношению подъемной силы к её весу, которое при значениях близких к единице становится критерием способа перемещения частицы ветром: если эрозионое число больше единицы, то частица уносится потоком безвозвратно по восходящей траектории, если меньше единицы, то частица скачет, если равно единице, то частица, поднимаясь, приближается к предельной высоте переноса, которая определяет максимальную толщину слоя сальтации данной фракции. Эрозионное число отличается высокой информативностью — оно входит в качестве аргумента в уравнения механики ветровой эрозии почвы.

4. Пространственная ограниченность выдуваемой почвы (по глубине и с поверхности), непрерывность распределения агрегатов по размерам и детерминированность траекторий предопределяют обособление в рамках единичного явления ветровой эрозии следующих пространственно-временных стадий с одинаковым макромеханизмом эрозии: усиленной интенсивности выдувания, переменной интенсивности выдувания, умеренной интенсивности выдувания, отложения скачущих частиц, отложения подвешенных частиц и прекращения выдувания; выявлен и исследован новый макромеханизм ветровой эрозии, основанный на движении поверхности переходного участка.

5. Структура полного потока почвенной массы, направленного в атмосферу при ветровой эрозии формируется из: а) первоначально неподвижных почвенных частиц, отрываемых вихревой подъемной силой и разделяемых ею на безвозвратно уносимые и скачущие, 6) частиц первоначально консолидированной почвы, выбиваемых из нее по механизму проникания другими частицами, движущимися скачками, в) обломков, теряемых скачущими частицами при ударе, г) частиц из категории скачущих, размер которых в результате истирания уменьшился до предела их перехода в безвозвратно уносимые (улетающие); при постоянной скорости ветра она определяется исключительно свойствами почвы.

6. Выведено уравнение выдувания, учитывающее лавинный эффект нарастания переноса почвы, абразию поверхности скачущими частицами, потерю ими массы в результате истирания и возможность их перехода в категорию безвозвратно уносимых в результате истирания; подтверждена его адекватность опытным данным; выявлена структура показателя истирания частицы при ударе о почву, а также постоянной выдувания и параметра массообмена при самоподдерживающейся эрозии с абразией.

7. Получена математическая модель полномасштабного явления ветровой эрозии почвы, заполняющая пробел между локальными моделями ветровой эрозии и глобальными метеорологическими схемами явления, позволяющая связать закономерности выдувания на микроуровне, то есть на малой в масштабах всего явления ветровой эрозии поверхности, с закономерностями подъема пыли в атмосферу, глобального ее переноса воздушным течением и отложения с формированием эоловых наносов; доказана её адекватность полномасштабному явлению ветровой эрозии почвы.

3. Разработана теория оструктурнвання несвязной песчаной почвы кондиционером из класса интерполиэлектролитных комплексов; установлен закон выдувания связной почвы; найдены параметры уравнения выдувания почвы в функции концентрации в ней кондиционера; обоснована методика оценки эффективности кондиционера в повышении устойчивости почвы к выдуванию; предложена новая структура формулы критической скорости ветра для почвы, учитывающая вклад межагрегатного сцепления.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

Гендугов В.М., Глазунов Г.П. Механизм абразии при ветровой эрозии почвы // Почвоведение. 2005. №4, с.499 - 504.

Глазунов Г.П. Критическая скорость ветра как показатель противодефляцноннойстойкости почв //Почвоведение, 1983.№3,с, 112-118.

Глазунов Г.П. Оценка противодефляционой стойкости почв Северного Кавказ »//Земельные и водные ресурсы: проти воэроз ио н нал зашита и регулирование русел: Сборник /Под ред. Чалова P.C. М.: Изд-во МГУ, 1990. С. 164-172.

Глазунов Г.П. Опасность ветровой эрозии и противодефляционная стойкость почв запада Брянской области// Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 27-30 июня 1996 г., Санкт-Петербург. Книга 2. С.ЗЗ 1-332.

Глазунов Г.П. Основы теории потерь почвы от ветровой эрозии // Почвоведение, 2001. №12, с. 1493-1502.

Глазунов Г.П. Эрозия почв. С. 1258 - 1261 //Глобалистика: Энциклопедия / Гл. Ред. И.И. Мазур, А.Н. Чумаков; «Диалог» — М.: ОАО Изд-во «Радуга», 2003.-1328 с.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М. О выдувании почв//Вестник Моск. Ун-та, 1997. Сер. 17. Почвоведение. JÊ3, с. 10-14.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М. О структуре почво-воздушного потока при ветровой эрозии почв. Основы математического моделирования явления //Вестник Моск. Ун-та, 1999. Сер. 17. Почвоведение. №1, с.32-37.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М. Модель безвозвратного уноса почвы ветром //Вестник Моск. Ун-та, 1999. Сер. 17. Почвоведение, с.38-45.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М. О подъемной силе ветра, переносящего почвенные частицы //Вестник Моск. Ун-та, 2000. Сер. 17. Почвоведение. №3, с,43-52.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М. Механизмы ветровой эрозии почв // Почвоведение, 2001. №6, с.741-755,

Глазунов Г.П., Гендугов В.М. Модель крупномасштабного явления ветровой эрозии почв и ее верификация// Почвоведение, 2003. № 2, с. 228-239.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М., Михейкин C.B., Смирнов АЛО. Выдувание связных почв и оценка эффективности почвенных кондиционеров // Вестник Моск. Ун-та, 1999. Сер. 17. Почвоведение. Jfe4,c.36-44.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М. Теория ветровой эрозии почв //Тезисы докладов III съезда Докучаеве кого общества почвоведов (11-15 июля 2000 г., Суздаль). М.: Почвенный институт им. В.В.Докучаева РАСХН, 2000. Кн. 2. С.311-312.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М., Михейкин C.B., Смирнов А.Ю., Михайлов А.И., Есафова E.H. Выдувание почвы, обработанной кондиционером // Вестник Моск. Ун-та, 2001. Сер. 17. Почвоведение. N'3, с. 44-50.

Глазунов Г.П., Гендугов В.М., Михейкин C.B., Смирнов А.Ю., Михайлов А.И., Есафова E.H. Механизмы противодефляционной стойкости почвы,

обработанной кондиционером // Вестник Моск. Ун-та, 2001, Сер. 17. Почвоведение. №3, с. 51-56.

Кузнецов М.С., Глазунов Г.П., Григорьев В.Я. Методы изучения эрозионных процессов. - М.: Изд-во МГУ, 1986. -J 04 с.

Кузнецов М.С., Глазунов Г.П., Зорина Е.Ф. Физические основы эрозии почв. - М.: Изд-во МГУ, 1992. - 93 с.

Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв. - М.: Изд-во МГУ, 1996.-335 с.

Кузнецов М.С., Глазунов Г.П, Глава. 8. Эрозия, как основной фактор деградации почв. С. 455-482 // Деградация и охрана почв. Под ред. Г.В.Доборовольского. М. 2002. - 651 с. ■

Glazunov G. Wind erosion resistivity of some semi-arid soils/ Conference on Problems and management of soil salini-zation-alkalizatioin in Europe. 26-30 April 1994. Budapest & Karcag Hungary, p.16.

Glazunov G. Wind erosion modelling and prediction of soil loss// ESSC Second International Congress Abstracts/September 1-7, 1996. Faculty of Agriculture and Horticulture, Technical University of Munich. Germany. P. 83,

Glazunov G.P. Potential Hazard of Wind Erosion in Regions Afffected by Chernobyl's Fallout/ZTowards Sustainable Land Use. 9Л Conference of the Internationa) Soil Conservation Organisation. Conf. abstracts. Bonn. 1996. P. 87.

Glazunov G.P. Potential Hazard of Wind Erosion in Regions Afffected by Chernobyl's Fallout// Advances in Geoecology. 1998.31,301-306.

Glazunov G., Gendugov V. 1998. The new concept of wind erosion modelling. Proceedings of the 16-th World Congress of Soil Science. Montpellier, 2026/08/1998. Scientific registration No 980. Symposium No 31. P. 1-7.

Glazunov G.P., Gendugov VJvI. Mechanizms and forcasting of wind erosion of soils// Desertification and soil degradation/Proceedings of the international scientific conference/ Moscow. Russian Federation. Institute of Soil Science of Moscow State University and Russian Academy of Sciences. 11-15 November, 1999. Moscow 1999. P. 221-232.

Glazunov G.P., Gendugov V.M., Nurmukanova N. Mechanics of Wind Erosion of Soils / Proceedings of 12th International Soil Conservation Organization (ISCO) Conference. IV. Dynamic Monitoring, Forecasting and Evaluation of Soil Erosion Watershed Management and Development Desertification Control. - Beijing 26-31 May 2002. P.p. 613-618.

Обоз качен и я.

В-параметр массообмена; В,— В при £/ = £/,; £,— эрозионное число;/•'эк-сила подъемная в проекции на вертикаль; лобовое сопротивление; сила сопротивления Стокса; сила сцепления в проекции на вертикаль; Q -потеря почвы от ветровой эрозии [кг] за время I [с] с площади й [м1]; К^-коэффициект подъемной силы; Л- универсальная газовая постоянная; Г— абсолютная температура; £/— скорость потока воздуха; У,— и за пределами слоя шероховатости; У,— критическая скорость ветра, при которой начинается эрозия; Укомпоненты скорости смещения переходного по интенсивности потерь участка эродируемой почвенной поверхности; ТУЯ— объем потерь почвы; а, и 3<рг)}4г?ря% — коэффициент сопротивления почвенной поверхности; с/— коэффициент лобового сопротивления частицы; концентрация частиц, утративших сцепление с почвой; е — основание натуральных логарифмов; g— ускорение силы тяжести; А£ - скрытая теплота фазового перехода; р-давление; у - интенсивность выдувания почвы; >;,»}-радиус частиц; (-время; Ч»1*!»«) — компоненты скорости ветра; у,,^,^— скорость частиц и ее проекции иа оси; проекции начальной скорости старта центра масс на оси х,у\

V*- вертикальная составляющая скорости /-го континуума, к которой асимптотически стремится v&;x,z,y~ горизонтальная продольная, поперечная и вертикальная координаты; гй- параметр шероховатости почвенной поверхности; а— постоянная выдувания; «„,/?— произвольные постоянные; а,,а'- объемная концентрация частиц соответственно, в почве и в потоке (при ( = 0, а, = а,°); А— приращение величины, падение температуры воздуха при подъёме на 100 м; Р%,Р^,Р^РЧ,РП>Р~ плотность: воздуха, воздуха на уровне моря, частиц почвы, падающих частиц, поверхностного слоя почвы, I-го континуума; <р-~ коэффициент Стокса; ^ - вязкость воздуха; г- касательное напряжение, [Н/мг].

Издательство ЦПИ при механико-математическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. Подписано в печать /$. 03 ¿?.£" Формат 60*90 J/I6. Усл. печ.л.£МГ

Тираж /4СЬю, Заказ /3

Лицензия на издательскую деятельность ИД В 04059, огг 20.02.2001 f.

Отпечатано с оригинал-макета на типографском оборудовании механнко-матеметическогэ факультета

»-6367