Транспорт и аккумуляция наносов.

Для водного потока14

Для правильного понимания процесса эрозии важно учитывать не только размываю-

щую, но и транспортирующую способность потока. Под транспортирующей способностью

потока понимают наибольший возможный при данном гидравлическом режиме потока рас-

ход наносов.

Поток может переносить частицы либо перекатыванием и волочением по дну, либо во

взвешенном состоянии. Скачкообразное перемещение (сальтация) является переходной фор-

мой движения частиц. Перекатывание и волочение частиц происходит преимущественно под

действием лобового усилия при сравнительно малых скоростях потока. При увеличении ско-

рости подъемное усилие, вызывает скачкообразное движение частиц. При еще более высо-

ких скоростях оторванные частицы уже не возвращаются на дно, а подхватываются вихрями,

возникающими в придонной области, и поднимаются в толщу потока. По мере приближения

к поверхности потока энергия вихря уменьшается, и частица под действием силы тяжести

движется по пологой кривой вниз, однако новый вихрь подхватывает ее и снова выносит

вверх. Чем крупнее частица тем труднее подняться ей до поверхности потока. Поэтому

крупные частицы концентрируются преимущественно в придонной области, а тонкие – отно-

сительно равномерно распределены в толще потока. Это приводит к увеличению суммарной

концентрации наносов (мутности) от поверхности к дну.

Увеличение скорости потока сопровождается увеличением его транспортирующей спо-

собности и выражается формулой Эри: P=AV6;

Где Р- вес переносимой частицы; А- коэффициент, зависящий от уклона дна, формы и

плотности частицы и глубины потока; V- средняя скорость потока.

Расчет твердого расхода производится раздельно для влекомых и взвешенных наносов.

Расход наносов связан прямой зависимостью со скоростью потока и обратной – с гидравли-

ческой крупностью влекомых частиц. Гидравлической крупностью частиц называется ско-

рость осаждения частиц в неподвижной воде. Расчет скоростей падения механических час-

тиц почвы обычно проводят по формуле Стокса, в которой учитываются:

r – эффективный радиус падающей частицы; 1- удельный вес частицы; - удельный

вес жидкости, в которой ведется анализ; g - ускорение силы тяжести при свободном падении

тела; - вязкость жидкости.

Эта закономерность положена в основу методики проведения механического анализа

почв. Для примера частица диаметром 0,5 мм имеет гидравлический радиус или скорость па-

дения 52,8 мм/с; d- 0,05мм – 1,25 мм/с и d-0,005мм – 0,01 мм/с.

При дефляции (ветровой эрозии).

Для ветровой эрозии, как и для водной, характерными являются не только процесс от-

рыва частиц, но и процессы их переноса и аккумуляции. В каждом явлении ветровой эрозии

почв наблюдается четыре стадии: дефляции, трансформации, аккумуляции и стабилизации,

которые закономерно сменяют друг друга в пространстве и во времени. Каждой из стадий

соответствует свой тип нарушения почвенного покрова.

На начальной стадии дефляции, под действием пульсирующего воздушного потока

происходит ослабление и нарушение связей между отдельными частицами поверхностного

слоя почвы, сопровождающееся их отрывом и переносом. На этой стадии начинается форми-

рование двух фазного потока воздух-почва. Твердая фаза этого потока представлена катя-

щимися по поверхности, скачущими или взвешенными в воздушном потоке частицами. Раз-

деление частиц на скачущие и летящие достаточно условно. Тип движения каждой частицы в

конечном итоге определяется ее размерами и скоростью ветра, а эти характеристики перио-

дически их меняются. Если вертикальная составляющая скорости ветра, направленная вверх,

превышает аэроразмер частицы (аналог гидравлической крупности), то частица будет пере-

мещаться во взвешенном состоянии, причем высота, дальность и продолжительность полета

обратно пропорциональны размеру частиц.15

Характерной особенностью стадии дефляции, является то. Что число отрывающихся от

поверхности частиц превышает число возвращающихся на поверхность за то же время. В ре-

зультате формируются зоны выдувания и участки дефлированных почв. Со временем интен-

сивность выдувания в наветренной части местности начинает уменьшаться вследствие само-

отмостки или падения скорости ветра и стадия дефляции переходит в стадию стабилизации.

Явление самоотмостки обусловлено селективностью выдувания, в первую очередь выносят-

ся наиболее подвижные частицы, а менее подвижные и крупные остаются на месте. И со

временем при постоянном ветровом потоке, сдувание почвы прекратиться. Однако известны

случаи, когда ветровая эрозия прекращалась только после сдувания (выноса) всего пахотного

слоя и выхода на поверхность плужной подошвы.

Если длина поля достаточна для насыщения ветрового потока твердой фазой, стадия

дефляции сменяется стадией трансформации. При которой двухфазный поток и почва нахо-

дятся в стадии, близкой к динамическому равновесию; т.е. число частиц покинувших поч-

венную поверхность в единицу времени, равно числу частиц, выпавших из ветрового потока

за это же время.

Большинство авторов моделей насыщенного переноса сходятся на том, что расход

твердой фазы почвенно-воздушного потока пропорционален кубу скорости ветра. Для ста-

дии трансформации характерно формирование комплекса свеянно-навеянных почв представ-

ленных в виде микродюн на поверхности почвы.

Стадия трансформации сменяется стадией аккумуляции для которой характерно преоб-

ладание процессов отложения твердой фазы из потока над процессами отрыва и выноса.

Причиной этого служит снижение транспортирующей способности ветра, которое обуслов-

лено снижением его скорости. Чаще всего это происходит либо в результате встречи потока

с каким либо препятствием (выступающими формами рельефа, растениями, деревьями, ин-

женерными сооружениями и др.), либо в результате резкого увеличения живого сечения по-

тока (при пересечении долины реки, балки, оврага и т.п.). Моделирование ветроэрозионного

процесса имеет большие трудности и разработано в меньшей степени.

ФАКТОРЫ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ.

Климатические факторы.

Непосредственное влияние на размах эрозионных процессов, оказывают суммарное ко-

личество осадков, их вид, продолжительность, интенсивность, а также время выпадения.

Опосредованно на развитие эрозионных процессов влияют температура, влажность воздуха,

а так же скорость и продолжительность ветра.

Эрозия почвы во время дождя происходит при совместном воздействии потока воды и

падающих капель. Капли дождя разрушают структуру почвы, создают в потоке добавочную

турбулентность, повышающую ее размывающую и транспортирующую способность. Капли

дождя несут большую энергию, однако большая ее часть (2/3) расходуется на уплотнение

почвы и меньшая на отрыв и перемещение частиц почвы. Удары капель дождя заставляют

подниматься в воздух тонны почвы на одном гектаре, но только небольшая часть ее выно-

сится потоками воды. Само по себе разбрызгивание почвы также может привести к некото-

рому перемещению частиц с верхней части склона на нижнюю, если уклон достаточно вы-

ражен. Это связано с тем, что траектория движения частиц при всплесках вниз по склону

длиннее, чем вверх.

Энергия дождевой капли, определяющая размер причиняемых почве разрушений в

месте ее падения, зависит от размера капли (т.е. от ее массы) и ее скорости. Известно что при

движении капли в воздухе скорость ее падения становиться постоянной, а численное ее зна-

чение зависит от состояния атмосферы и от размера капли. Vк= 13 dк

,

Где Vк – скорость падения дождевой, м/с; dк - диаметр капли, см. Для практических це-

лей можно использовать следующие соотношения, dк 0,5мм-2,06 м/с; -1мм-4,03; 2-6,49;3-

8,06;4-8,83; 5- 9,09; 6- 9,30. Постоянная скорость падения крупной капли достигается при па-16

дении ее с высоты около 20 м. Это обстоятельство необходимо учитывать при прогнозе эро-

зии почв от ливней и при орошении.

По размеру капель дожди неоднородны, поэтому можно говорить лишь о преобла-

дающем размере капель, для дождей интенсивностью 1-2 мм/мин, преобладают капли 2-3

мм, при интенсивности 2-4 мм/мин диаметр капель около 3-4 мм. Существует тесная обрат-

ная связь между интенсивностью дождя и его продолжительностью т.е. чем больше интен-

сивность тем короче ливень.

На первый взгляд эрозия почв должна получить большое развитие в наиболее увлаж-

ненных регионах. В действительности переплетение причинно-следственных связей, обу-

славливающих характер развития эрозии почв, гораздо сложнее. Сопоставление количест-

венных показателей увлажненности территорий и пораженности их эрозионными процесса-

ми не показало существенной связи между суммарным количеством осадков и размахом эро-

зии. Одной из причин такого положения дел является то, что величина смыва почв теснее

всего связана не с общим количеством осадков, а сих интенсивностью. Причем имеет боль-

шое значение не осредненная интенсивность осадков за весь дождь, а только за некоторый

его интервал, приуроченный к пиковому (наибольшему) значению интенсивности ливня. По-

этому в ходе экспериментальных исследований обычно связывают величину смыва почвы за

один ливень пяти -, десяти-, двадцати- и тридцатиминутной интенсивности.

Пятиминутная интенсивность дождей в разных регионах: Предуралье-0,8 мм/мин;

Подмосковье- 1,7; Западная Сибирь – 1,9; Молдова – 3,0; Колхида – 3,8 мм/мин.

При увеличении выбранного интервала времени максимальная интенсивность дождей

падает. Так, например, 30-минутная интенсивность ливней 20% обеспеченности, составляет

для: Предуралья- 0,6; Подмосковья –0,8 мм/мин; Западная Сибирь – 0,9; Молдова –