Литература
Аксенов П.И. Щелевание мерзлой почвы и перспективы его применения // Механизация работ по защите почв от водной эрозии. М., 1969, с. 170-176.
Аристов И.Ф., Иванов В.Д., Дощечкина Г.В. Некоторые физико-химические и водно-физические свойства почв склонов и днищ балок. – Науч.-техн. Бюл. По проблеме «Защита почв от эрозии». Курск, 1974, вып. 2, с. 30-35.
Бажин Н.А., Павлова К.К. Интегральные показатели водопоглотительной способности почв. – Метеорология и гидрология, 1978, № 6, с. 71-76.
Иванов В.Д. О температурной активности целинного и окультуренного типичного мощного чернозема. –Науч. Тр. Курской с.-х. оп. Ст., 1971, т. 7, ч. 1, с. 138-148.
Иванов В.Д. Метод расчета интенсивности поверхностного смыва с пахотных склонов в ЦЧО. – Геоморфология, 1980, № 4, с. 61-66.
Михайлова Н.Ф., Иванов В.Д. Продуктивность плакорных участков Стрелецкой степи в зависимости от внешних условий. – Тр. Центрально-черноземного гос. заповедника им. проф. В.В.Алехина, 1977, вып. 13, с. 14-22.
Рязанцев В. К. Зависимость потерь талых вод от промерзания и влажности почво-грунтов на малых водосборах в ЦЧО. – Науч. Тр. Воронежем СХИ, 1978, т. 97, с. 215-228.
Серых Г.И., Леконцев Б.А., Черепанов М.Е. Снижение стока талых вод — неотложная задача. – Земледелие, 1979, № 1, с. 31-32.
Сурмач Г.П. К вопросу об изучении весеннего стока в сети лесных полос на черноземах Куйбышевского Заволжья. – В кн.: Вопросы земледелия и борьбы с эрозией почв в степных и лесостепных районах СССР. Саратов, 1959, т. 2, с. 489-497.
Цыкин Е. Н. Водопроницаемость талых вод и ее динамика во время снеготаяния. – В кн.: Снег и талые воды. М., 1956, с. 101-111.
Чириков Ф.B., Малюгин А.Б. Ход влажности в подзолистой почве при замерзании и оттаивании. – Научно-агроном. ж., 1926, № 1, с. 40-51.
Шалабанов А.А. Пропускает ли воду мерзлая почва? – Почвоведение, 1903, т. 5, № 3. С. 269-274.
Шпак И.С. Зависимость коэффциента стока от влажности и глубины промерзания почвы. – Почвоведение, 1969, № 12, с. 57-61.
Юшкевич Л. Водопроницаемость таломерзлого прииртышского чернозема л возможности ее улучшения. – В кн.: Тезисы докл. на IV зональной науч.-произв. конф. молодых ученых и специалистов с. х. - Тюмень, 1978, с. 144-145.
Яровенко В.В. и др. Эрозия почв и меры борьбы с ней. Курск: Курское кн. изд-во, 1962. 98 с.
Иванов В.Д. Влияние влажности и глубины промерзания почв на поверхностный сток талых вод. – Почвоведение, 1982, № 6. С. 80-86.
5.3. Эрозионная опасность дождя как сопряженная функция
его интенсивности и водопроницаемости почв
Одна из причин отсутствия в настоящее время надежных методов прогноза дождевой эрозии – отсутствие теоретически и экспериментально обоснованной методики определения эрозионной опасности дождей и способов количественного их выражения. Оценка энергии выпадающих дождей и массы стекающей по поверхности почвы воды в строгих рамках классической механики сама по себе выполнима, и в этом направлении трудностей принципиального характера практически нет (Иванов, 1985; 1988; Иванов, Кузнецова, Попов, 1990, Методические рекомендации…, 1987, Мирцхулава, 1970, Сластихин, 1961; 1964; 1975, Швебс, 1968; 1974).
Однако использование указанных подходов осложняется тем, что не вся энергия дождей расходуется на отрыв и перемещение почвенных частиц вниз по склону. Дожди небольшой интенсивности и значительной продолжительности не приводят к формированию поверхностного стока и смыва почв. Такие дожди считают неэрозионно опасными. Очевидно также, что эрозионная опасность дождя не может быть определена безотносительно к объектам его воздействия: почвам, состоянию их поверхности, вида растительности и т. д.
Изложенное дает основание продолжить поиск в оценке эрозионной опасности дождей с использованием косвенных методов, лежащих за пределами классических представлений, но отражающих физическую и энергетическую сущность процесса эрозии. Один из таких подходов был использован американскими исследователями (Wischmeier and Smith,1965). Эрозионный индекс (эрозийность) дождя они характеризовали произведением кинетической энергии дождя на среднюю максимальную его интенсивность 30-минутной продолжительности. Аналогичный подход в определении эрозионного индекса дождей использован в работах Ларионова (1984) и Тарабрина с соавт. (1981). Остается невыясненным, чем вызвана необходимость умножать кинетическую энергию дождя на его интенсивность.
Если в смелом отходе от классических представлений в определении эрозионности дождя американских исследователей стоит солидная широкая сеть многолетних наблюдений на стоковых площадках, выполненных по единой программе, то в условиях отсутствия такой сети длительных наблюдений за смывом почвы возникает необходимость систематизации обширного разнородного материала полевых наблюдений на качественно новой методической основе. Наличие разрозненных экспериментальных наблюдений за смывом почвы определяет необходимость разработки таких приемов и средств определения показателей эрозионной опасности дождей, которые могли бы быть использованы в качестве рациональной методической основы для систематизации и обобщения имеющихся сведений и накопления новой информации.
Существенный недостаток описанного метода оценки эрозионной опасности дождей заключается в чрезмерной обособленности определяемых показателей и отсутствии связи с почвенным фактором, объектом воздействия, которые в совокупности и определяют специфические зональные особенности проявления эрозионных процессов.
Представляется маловероятным сам факт определения потенциала эрозионной опасности дождей вне связи с объектом воздействия – почвами. Эрозионная опасность дождей определяется не только силой их воздействия, но и свойствами конкретной почвенной разности, условиями ее состояния и увлажнения. Один и тот же дождь в зависимости от свойств и состояния объекта воздействия имеет различную оценку эрозионной опасности. В противном случае неизбежны дальнейшие осложнения в определении показателей эродируемости почв и прогноза их потерь со склонов. В качестве альтернативного интегрального показателя свойств почв, отражающих их генезис и условия определения эрозионной опасности дождей, может быть использована их водопроницаемость.
Поскольку показатель эрозионной опасности дождя призван отражать его способность вызывать смыв и размыв почв, постольку он и должен определяться с учетом свойств и состояния объекта воздействия. Совершенно очевидно, что дожди с абсолютно одинаковыми физическими и энергетическими характеристиками будут иметь различную эрозионную опасность в зависимости от начальной интенсивности водопоглощения, установившейся скорости фильтрации почв, их противоэрозионной стойкости и некоторых внешних условий. Применительно к конкретным условиям эрозионная опасность дождя определяется сопряженным взаимодействием во времени двух функций: интенсивности дождя и водопроницаемости почв.
Анализ функционального взаимодействия интенсивности дождя во времени и водопроницаемости почв в одной системе координат (рис. 1) позволил выявить следующие закономерности.
1. Неэрозионноопасными являются дожди любой продолжительности, интенсивность которых равна или ниже установившейся скорости фильтрации почв (на рис. 1 - ниже линии ЕД). Дожди с интенсивностью, превышающей установившуюся скорость фильтрации почв, являются эрозионноопасными (на рис. 1- выше линии ЕД). В данном случае влажность почв соответствует или близка их наименьшей влагоемкости, что может иметь место после предшествующего выпадения дождей или произведенного полива.
2. Эрозионноопасные дожди могут приводить или не приводить к поверхностному стоку воды и смыву почв в зависимости от начальной скорости водопоглощения (впитывания), предшествующей степени увлажнения почв, их состояния и свойств (на рис. 1 – выше точек А и В; точка С соответствует максимальной интенсивности).
3. Наложение кривых интенсивности дождя и водопроницаемости почв во времени в единой системе координат и масштабе позволяет с достаточной точностью определить эрозионноопасный слой дождя как произведение его средней эрозионноопасной интенсивности на соответствующий отрезок времени и определить его эрозионно опасную массу на единице площади.
4. На основе определения массы эрозионноопасной части дождя и скорости падения капель, связанных с его интенсивностью и диаметром капель, может быть вычислена кинетическая энергия той части дождя применительно к конкретным почвам, которая совместно с энергией стекающей массы воды по склону и будет определять соответствующую величину смыва почв.
Такова в общих чертах теоретическая основа, позволяющая решать двуединую задачу – дать объективную характеристику эрозионноопасной части дождя и через показатель удельного смыва перейти к расчету потерь почвы со склонов (ливневой эрозии). В действительности же дело обстоит сложнее. Обусловлено это динамикой используемых величин.
Рис. 1. Схема, раскрывающая физическую сущность определения эрозионной опасности дождя: 1 – водопроницаемость почвы; 2 – интенсивность дождя; х – время: минуты, часы; у – водопроницаемость почвы и интенсивность дождя, мм/мин, пояснения в тексте
0 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5
Время: мин, ч
Рис. 2. Водопроницаемость (х, мм/мин) чернозема обыкновенного тяжелосуглинистого слабосмытого на лёссовидном карбонатном суглинке при различном гидростатическом напоре воды (мм): 1 – 50; 2 – 100; 3 – 20
Возьмем для примера такой показатель, как водопроницаемость почв. Существенное варьирование водопроницаемости обыкновенного тяжелосуглинистого чернозема, сформированного на карбонатном лёссовидном суглинке даже на небольшом (100 га) участке (табл. 1), указывает на необходимость определения и использования их средневзвешенных характеристик применительно к конкретной почве. Варьирование обусловлено состоянием поверхности почвы, различным уплотнением пахотных и подпахотных ее слоев, наличием трещин, кротовин, различной степенью иллювиированности переходных горизонтов и т. д. Исследования водопроницаемости почв выполнены в июне-июле 1986-1987 гг. в колхозе «Дружба» Кантемировского районана Воронежской обл., на 5-м и 6-м полях первого производственного участка.
Особой спецификой и динамикой обладают дожди (Ливневые дожди…, 1961; Метеоролог. Ежемесячник, 1983). Они различны по продолжительности и интенсивности. Дождь может иметь прерывистый и непрерывный характер, один или несколько максимумов (пиков) интенсивности (табл. 2). Все это накладывает сложный отпечаток на определение его эрозионной опасности.
Сравнивая интенсивность и характер выпадения отдельных дождей (табл. 2) с водопроницаемостью обыкновенного чернозема (см. табл. 1), можно по установившейся скорости фильтрации определить, что дожди по метеостанциям Тамбов, Моршанск, Орел, Курск являются эрозионноопасными. Дожди, интенсивность которых ниже установившейся скорости фильтрации (Льгов, Лиски, Воронеж, Конь-Колодезь), являются неэрозионноопасными. На самом же деле, в реальной обстановке функциональное взаимодействие процессов выпадения дождей и водопроницаемости почвогрунтов гораздо сложней. Наибольшую сложность представляет учет влияния малого гидростатического напора стекающей воды и различной ее мутности на уменьшение водопроницаемости почв в период выпадения дождей.
Специально выполненные исследования показали, что установившаяся скорость фильтрации тяжелосуглинистого слабосмытого чернозема в конце 5-го и 6-го часа, приведенная к температуре 10°С, при напоре чистой, невзмученной воды слоем 20, 50 и 100 мм соответственно была равна 1,2, 1,9 и 2,15 мм/мин (рис. 2). Установившаяся скорость фильтрации чистой воды карбонатного среднесмытого глинистого чернозема в нижней части склона в конце 5-го и 6-го часа при напорах 25, 50 и 75 мм была соответственно равна 0,32; 0,42 и 0,51 мм/мин. Следовательно, при оценке эрозионной опасности дождя необходимо исходить из условий влияния гидростатического напора воды, который в естественных условиях всегда меньше стандартного определения водопроницаемости при наборах 50 и 100 мм. Если принять величину гидростатического напора воды 20-25 мм, то для первой почвы эрозионноопасными будут дожди, интенсивность которых превысит 1,2 мм/мин, а для карбонатных среднесмытых глинистых черноземов – 0,32 мм/мин.
Приведенные данные свидетельствуют и о том, что при изменении гидростатического напора в 2 раза установившаяся скорость фильтрации почв изменяется относительно стандартных уровней примерно в 1,3 раза.
Водопроницаемость почв зависит не только от гидростатического давления, но и от мутности воды, которая, в свою очередь, зависит от интенсивности дождя и свойств почв. При стандартном (50 мм) напоре чистой воды установившаяся скорость фильтрации чернозема обыкновенного слабосмытого тяжелосуглинистого на поле под эспарцетом равна 1,9 мм/мин, при мутности ее из расчета 600 г почвы на 10 л воды (после минутного отстаивания 3 г/л) – 0,62 мм/мин, а при периодическом взмучивании воды с фильтрующей поверхностью почвы – 0,32 мм/мин, т. е. соответственно в 3 и 6 раз меньше (рис. 3).
В связи с этим эрозионноопасными для этих почв будут дожди с интенсивностью более 0,25 вместо 1,9 мм/мин при стандартных условиях определения водопроницаемости.
Установившаяся скорость фильтрации чистой воды при стандартном напоре (50 мм) чернозема среднесмытого глинистого обыкновенного на чистом пару равна 0,42 мм/мин. При мутности воды из расчета 400 и 1000 г почвы на 10 л воды (соответственно 2,8 и 5,8 г/л после минутного отстаивания взвеси) скорость фильтрации соответственно равна 0,35 и 0,28 мм/мин, или примерно в 1,3 раза меньше, а при меньшем напоре эрозионноопасными будут дожди с интенсивностью более 0,24 мм/мин.
137
Табл. 1. Варьирование водопроницаемости чернозема обыкновенного тяжелосуглинистого
на участке 100 га (Н = 50 мм, t = 10 оС)
Минуты |
Водопроницаемость в различных точках, мм/мин |
Средняя |
|||||||||||||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|||||||||||
1 |
7,8 |
7,8 |
10,9 |
14,4 |
1,4 |
19,2 |
10,1 |
10,1 |
20,2 |
9,7 |
16,1 |
10,1 |
10,3 |
6,2 |
10,3 |
10,3 |
4,0 |
4,8 |
10,1 |
10,0 |
|||||||||
2 |
6,7 |
7,0 |
8,4 |
9,8 |
0,7 |
10,0 |
7,4 |
5,6 |
10,1 |
4,0 |
6,7 |
10,1 |
5,2 |
4,0 |
5,2 |
4,1 |
3,1 |
2,0 |
4,3 |
6,0 |
|||||||||
3 |
5,0 |
5,0 |
8,7 |
10,4 |
0,3 |
5,8 |
6,7 |
5,7 |
5,4 |
2,7 |
4,7 |
9,7 |
2,9 |
3,5 |
5,0 |
2,1 |
1,4 |
0,8 |
5,6 |
4,8 |
|||||||||
5 |
3,1 |
4,3 |
5,6 |
6,9 |
0,5 |
8,1 |
3,7 |
4,8 |
4,0 |
2,8 |
5,1 |
10,5 |
4,1 |
3,2 |
5.7 |
3,1 |
1,3 |
0,4 |
4,1 |
4,3 |
|||||||||
5 |
3,9 |
3,6 |
5,2 |
5,9 |
0,2 |
5,6 |
3,9 |
4,0 |
3,9 |
3,0 |
4,0 |
8,9 |
4,0 |
3,2 |
6,3 |
2,1 |
0,8 |
1,0 |
4,2 |
3,9 |
|||||||||
10 |
3,3 |
3,1 |
5,5 |
5,5 |
0,3 |
5,3 |
3,8 |
2,0 |
5,2 |
2,6 |
3,9 |
5,9 |
3,3 |
2,9 |
4,7 |
2,1 |
1,0 |
1,4 |
4,8 |
3,5 |
|||||||||
10 |
3,3 |
2,4 |
5,2 |
4,7 |
0,3 |
4,0 |
3,4 |
2,0 |
4,4 |
1,4 |
5,3 |
5,8 |
2,6 |
3,0 |
4,0 |
1,9 |
1,0 |
1,0 |
2,9 |
3,1 |
|||||||||
10 |
3,1 |
2,7 |
4,9 |
4,4 |
0,2 |
4,0 |
2,3 |
2,0 |
4,8 |
2,0 |
4,9 |
5,7 |
3,1 |
0,6 |
4,0 |
1,8 |
1,0 |
1,2 |
2,7 |
3,0 |
|||||||||
15 |
2,6 |
2,2 |
3,8 |
3,8 |
0,1 |
2,7 |
2,3 |
2,1 |
4,5 |
2,8 |
4,6 |
5,0 |
3,1 |
2,8 |
3,2 |
2,7 |
0,8 |
1,2 |
4,0 |
2,8 |
|||||||||
15 |
2,9 |
1,9 |
3,1 |
3,4 |
0,2 |
3,1 |
3,1 |
1,7 |
3,7 |
2,6 |
3,9 |
4,8 |
2,3 |
2,6 |
2,7 |
1,4 |
0,8 |
1,2 |
3,9 |
2,6 |
|||||||||
30 |
2,9 |
2,0 |
3,1 |
3,2 |
0,1 |
3,2 |
2,4 |
1,7 |
3,9 |
2,8 |
3,8 |
4,1 |
2,6 |
2,4 |
1,7 |
2,1 |
0,8 |
1,1 |
3,6 |
2,5 |
|||||||||
30 |
1,8 |
2,0 |
3,1 |
3,2 |
0,2 |
2,7 |
2,0 |
1,7 |
3,3 |
2,0 |
3,7 |
3,1 |
2,8 |
2,6 |
2,1 |
1,3 |
1,0 |
1,1 |
3,6 |
2,3 |
|||||||||
30 |
1,8 |
2,1 |
3,1 |
2,8 |
0,2 |
3,3 |
2,5 |
1,7 |
3,0 |
2,1 |
3,1 |
3,0 |
2,4 |
2,1 |
2,1 |
1,6 |
1,0 |
1,1 |
3,5 |
2,2 |
|||||||||
30 |
1,8 |
2,1 |
2,8 |
2,4 |
0,2 |
2,4 |
2,3 |
1,7 |
2,7 |
2,0 |
2,7 |
2,7 |
2,4 |
2,1 |
1,8 |
1,7 |
1,0 |
1,1 |
3,5 |
2,1 |
|||||||||
30 |
1,4 |
2,0 |
2,8 |
2,3 |
0,2 |
2,3 |
2,3 |
1,7 |
2,7 |
1,5 |
3,0 |
1,8 |
2,6 |
2,2 |
1,9 |
1,4 |
0,9 |
1,1 |
3,1 |
2,0 |
|||||||||
30 |
1,4 |
2,0 |
2,8 |
2,1 |
0,2 |
2,1 |
2,0 |
1,7 |
2,6 |
1,7 |
2,7 |
1,5 |
2,4 |
2,1 |
1,6 |
1,4 |
1,0 |
1,1 |
3,3 |
1,9 |
|||||||||
30 |
1,4 |
2,0 |
2,3 |
2,0 |
0,1 |
2,1 |
2,2 |
1,7 |
2,6 |
— |
2,5 |
1,5 |
2,4 |
2,1 |
— |
1,3 |
1,0 |
1,0 |
3,0 |
1,8 |
|||||||||
30 |
1,5 |
2,1 |
2,3 |
2,0 |
0,1 |
2,3 |
1,9 |
1,7 |
2,5 |
— |
2,3 |
1,3 |
2,4 |
2,0 |
— |
1,3 |
1,0 |
1,0 |
3,0 |
1,8 |
|||||||||
30 |
1,4 |
2,0 |
2,2 |
— |
— |
— |
2,2 |
1,7 |
— |
— |
— |
— |
2,2 |
2,0 |
— |
— |
— |
— |
3,0 |
— |
|||||||||
Примечание. Водопроницаемость в каждой точке определялась в четырехкратной повторности.
0 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5 6