Время: мин, ч

Рис. 3. Водопроницаемость (х, мм/мин) обыкновенного тяжелосуглинистого чернозема при различной мутности воды: 1 – чистая вода; 2 – 600 г почвы на 10 л воды; 3 – периодическое взмучивание воды с поверхности почвы

0 10 20 30 40 50 1 2 3 4 5 6

Время: мин, ч

Рис. 4. Пример определения эрозионноопасного слоя (массы) воды относительно водопроницаемости почвы: 1 – интенсивность дождя; 2 – установившаяся скорость фильтрации при полном насыщении почвы водой; 3 – водопроницаемость сухой почвы; х - водопроницаемость почвы и интенсивность дождя, мм/мин

Табл. 2. Характеристика различных дождей по их интенсивности

Интервал времени, мин	Слой осадков, Мм		Интенсивность дождя, мм/мин			Интервал времени, мин		Слой осадков, Мм		Интенсивность дождя, мм/мин
18.VIII.1938 г., Тамбов						27.V.1983 г., Льгов
2	0,3		0,15			10		3,8		0,38
1	8,5		8,20			10		6,8		0,30
9 1	12,6 13,0		0,46 0,40			10 10		9,4 12,6		0,26 0,32
2	18,2		2,80			10		18,2		0,56
9	19,0		0,09			10		19,4		0,12
2	20,0		0,50			10		20,0		0,08
18	20.3		0.02			10		20,2		0,02
22.VII.1953 г., Моршанск						10		22,4		0,22
						50		24,8		0,05
10	7,5		0,75			4. V. 1983 г., Лиски
4	17,8		2,58
4		21,3		0,88			4		0,1		0,02
10		23,5		0,22			10		2,3		0,22
3		23,7		0,07			10		6,9		0,46
42		24,4		0,02			10		12,3		0,54
4		24,7		0,06			10		10,1		0,08
10		24,8		0,01			14		13,2		0,01
8.VIII.1956 г., Орел						31.VI.1983 г., Конь-Колодезь
3	0,5		0,17			23		1,0		0,04
7	0,7		0,03			10		3,9		0,29
3	1,0		0,10			10		10,9		0,70
10	1,3		0,03			10		16,1		0,52
2	1,6		0,15			10		16,7		0,06
4 1	2,8 8,8		0,30 6,00			30 20		17,0 17,6		0,01 0,03
4	10,3		0,38			30		17,7		0,00
3	10,9		0,30			7. VI. 1983 г., Воронеж
5	11,3		0,08
62	12,3		0,02
5	12,7		0,08			27		0,1		0,00
19 3	12,9 13,4		0,01 0,17			10 10 20		1,8 2,3 4,9		0,17 0,05 0,13
15.VI.1959 г., Курск						10 20		5,7 6,2		0,08 0,01
10	9,8		0,98			20		7,0		0,04
3	15,0		1,73			10		7,7		0.07
2	15,8		0,40			30		8,2		0,02
2	20,0		2,10			10		9,0		0,08
1	24,7		4,70			20		10,0		0,05
5	25,4		0,14			150		11,5		0,01
4	25,8		0,10
2	26,1		0,15
1	26,4		0,30
3	30,0		1,20
2	31,7		0,85
1	32,0		0,30
5	34,3		0,46
4	34,5		0,05

Изучая водопроницаемость светло-каштановых легкосуглинистых почв в зависимости от различной мутности воды (10, 20 и 27 г/л в начальный период после взбалтывания) было также установлено (Расторгуев, Спиридонов, 1966), что она в течение 1-го часа уменьшается в 1,3 раза, а в течение 6 ч – в 1,6 раза относительно водопроницаемости чистой воды при ее напоре 50 мм. Очевидно, для ориентировочного учета характера влияния гидро­статического напора (20-25 мм) и мутности воды (в ее достаточно широком диапазоне) водопроницаемость почв в реальных условиях выпадения дождей будет в 1,7 раза меньше относительно стандартных условий ее определения. Необходимо также учитывать влияние сельскохозяйственных культур и агротехнических приемов (Болокан, 1981).

В рамках рассматриваемой проблемы определенный интерес представляют данные, полученные в учхозе № 1 Саратовского СХИ (табл. 3). Они свидетельствуют о том, что в условиях полива методом дождевания, повышение интенсивности дождя относительно скорости водопоглощения почвой приводит к формированию поверхностного стока воды и значительному смыву почвы даже при очень малых уклонах местности. Хорошо просматривается также влияние проективного покрытия по фазам развития кукурузы. С нарастанием вегетативной массы растений сокращается поверхностный сток, возрастает водопоглощение, снижается интенсивность ирригационной эрозии.

В исследовании ирригационной эрозии методом дождевания применительно к производственным условиям при сопоставлении интенсивности дождя с интенсивностью водопоглощения почвами следует учитывать характер водоподачи и режим орошения. Время непрерывного дождевания определенной площади, связанное с конструкцией дождевальных машин и скоростью их движения имитирует условия водопоглощения и эрозии, близкие к характеру выпадения ливневых дождей. В этом случае интенсивность дождя не должна превышать водопоглощения воды почвами, а в случае превышения необходимо сократить время водопода­чи. Интенсивность дождя может превышать водопоглощение при увели­чении интервала времени между очередными проходами дождевальных машин за счет расхода части воды на заполнение неровностей поверх­ности почвы и инфильтрации.

Табл. 3. Формирование стока и смыва темно-каштановой легкоглинистой почвы при орошении кукурузы (ДДА – 100 МА, i = 4,25 мм/мин, уклон – 0,005)

Время дождевания площадок, мин	Поливная норма, мм	Поверхност­ный сток, мм	Слой впитавшейся воды, мм	Водопоглощение в режиме орошения, мм/мин	Средняя мутность воды, кг/м3	Смыв почвы, кг/гa
Фаза 11-13 листьев, 14 июня
4,7	20	4,4	15,6	3,3	0,5	22
9,7	40	6,4	33,6	3,6	2,6	168
14,1	60	11,0	49,0	3,5	6,5	718
18,8	80	16,1	63,9	3,4	5,6	899
Фаза выметывания метелок, 24 июня
4,7	20	3,5	16,5	3,5	0,4	14
9,4	40	8,2	31,8	3,4	2,5	204
14,1	50	15,3	44,7	3,2	5,3	811
18,8	80	14,8	65,2	3,5	5,5	814
Фаза цветения, 4 июля
4,7	20	-	20,0	4,2	-	-
9,4	40	6,3	33,7	3,6	2,7	171
14,1	60	14,9	55,1	3,9	4,7	699
18,8	80	13,8	66,2	3,5	5,0	690
Фаза потемнения нитей початков, 21 июля
4,7	20	-	20,0	4,2	-	-
9,4	40	5,4	34,6	3,7	2,6	141
14,1	60	5,3	54,7	3,9	4,9	259
18,8	80	9,7	70,3	3,7	4,7	454

Применительно к условиям проведенного эксперимента (табл. 3) в условиях производства интенсивное водопоглощение (3,2-4,2 мм/мин) темно-каштановых легкосуглинистых почв связано с режимом орошения. Водоподача на стоковые площадки осуществлялась в течение 1 мин с интервалами в 10 мин при относительно постоянной интенсивности дож­дя (4,25 мм/мин), с различными поливными нормами (20-80 мм). Но даже в этом случае формировался поверхностный сток воды, а величи­на смыва почв по существу в равнинных условиях достигала за один полив 0,9 т/га без учета водорастворимых веществ; суммарный смыв – до 2,8 т/га.

Реальная водопроницаемость темно-каштановой почвы в условиях непрерывного дождевания изменялась в пределах 0,29-0,36 мм/мин. Нетрудно представить, что могло бы произойти, если бы в течение 10 мин был произведен непрерывный полив с интенсивностью дождя 4,25 мм/мин. Из 425 м³ воды, поданной на каждый гектар пашни, 392 м³ теря­лось бы с поверхностным стоком, нанося невосполнимый ущерб почвам в результате катастрофической эрозии на склоновых землях. Поэтому в оценке интенсивности ирригационной эрозии всегда следует учитывать в полном объеме все особенности и специфику конкретных условий оро­шения и полива.

Допустимая интенсивность дождевания для тяжелых почв составля­ет 0,06-0,45 мм/мин (Поляков, 1977). В нашем опыте для глинистых каштановых почв она составила 0,29-0,36 мм/мин. Вероятно, в зависимости от вод­но-физических свойств почв этот показатель может изменяться в широ­ких пределах. Не случайно поэтому в справочной литературе (Экономика мелиорации…, 1978) для нечерноземной зоны допустимая интенсивность дождевания колеблется в широком диапазоне: для песчаных почв 0,15-0,7, супесчаных 0,12-0,5, суглинистых 0,10-0,4, глинистых 0,03-0,1 мм/мин. На скорость впитывания существенное влияние оказывает диаметр капель (Поляков, Меженский, 1977).

В определении массы стокообразующей (невпитавшейся) воды луч­ше использовать данные по водопроницаемости почв, полученные в условиях искусственного дождевания. При отсутствии таких данных в практических целях можно использовать имеющиеся многочисленные данные по водопроницаемости различных почв в стандартных условиях, при гидростатическом напоре 50 мм и отсутствии эффекта взмучивания и разбрызгивания почвы падающими каплями воды, уменьшенными в 1,7 раза. И в первом, и во втором случаях следует учитывать степень увлажнения почвы, предшествующую выпадению дождей. Так, на сухой каштановой почве минимальная интенсивность искусственного дождя, при которой зарождался сток на разных агрофонах, составила 1 мм/мин, а на влажной – 0,75 мм/мин, или в 1,33 раза меньше (Коль, 1950).

Рассмотрим конкретный пример формирования стокообразующей массы воды по обобщенным данным водопроницаемости обыкновенного чернозема (см. табл. 1), уменьшенным в 1,7 раза при выпадении дождя 4 мая 1983 г., который зарегистрирован метеостанцией Лиски (см. табл. 2). Определить стокообразующую эрозионноопасную массу воды можно графоаналитическим методом с использованием миллиметровой бумаги. Первая точка пересечения кривых водопроницаемости и интенсивности дождя (рис. 4) указывает время, по истечении которого водопроницае­мость почв равна интенсивности дождя. За это время сухая с поверхно­сти почва способна впитать 16,5-миллиметровый слой воды, а слой вы­павшего дождя составит 4,0 мм. Разность между ними указывает на остаточную возможность поглощения воды почвой, которая будет равна 12,5 мм.

Слой невпитавшейся дождевой воды до очередной точки пересечения кривых с учетом остаточной впитывающей способности почв через 8 мин составит ~2 мм, он способен задержаться в неровностях поверхности почвы. Таким образом, можно утверждать, что выпавший дождь в отно­шении сухого с поверхности тяжелосуглинистого обыкновенного черно­зема не является эрозионноопасным, поскольку не приводит к форми­рованию поверхностного стока воды и потерям почвы.

Рассмотрим другой случай, когда эта же почва была увлажнена до величины, близкой к наименьшей влагоемкости, а установившаяся ско­рость фильтрации равна 1,1 мм/мин. Слой невпитавшейся воды от пер­вого его пика составил 28,4, от второго – 3,8 мм. Суммарный слой невпитавшейся эрозионноопасной части дождя в этом случае составит 32,2 мм, или 322 т/га. Совершенно ясно, что при различной степени увлажнения почв перед выпадением дождя его эрозионная опасность по массе невпитавшейся воды будет изменяться в широких пределах.

Характерно, что кинетическая энергия дождя Е (т/га), рассчитанная по формуле американских исследователей (Singh,1976; Wischmeier, Smith, 1978), с использованием средневзвешенной эрозионноопасной его интенсивности I (см/ч) по формуле

Е = 210 + 89 lg I

оказалась близкой к эрозионноопасной невпитавшейся массе дождевой воды (соответственно 328 и 322 т/га), определенной графоаналитическим методом.

Таким образом, в оценке кинетической энергии дождя лежит ее эрозионноопасная стокообразующая масса, выраженная определенной зависимостью через его средневзвешенную эрозионноопасную интенсивность. В этой, конечно же, условной оценке кинетической энергии дождя отсутствует скорость падения капель, связанная с диаметром капель и характером воздушной среды. Вероятно, авторы сочли целесообразным упростить расчеты, поскольку капля, падающая в спокойном воздухе, быстро достигает конечной (максимальной) скорости, при которой сопротивление воздуха уравновешивается весом капли (Линслей, Колер, Паулюс, 1962). Конечная скорость капли увеличивается лишь при возрастании ее диаметра от 0,1 до 4 мм. Дальнейшее увеличение диаметра от 4 до 6,5 мм не приводит к существенным изменениям конечных скоростей водяных капель. В связи с этим, видимо, отпадает, по мнению американских исследователей, необходимость учета малоизменяемых скоростей падения капель наиболее эрозионноопасной их части – с диаметром более 4 мм.

Между диаметром капель и скоростью их падения установлена зависимость (Сластихин, 1964; 1975) вида где d – диаметр капель.

Установлена (Сластихин, 1961) также возможность оценки энергии дождя зависимостью Е = 0,8 hd_cp, где h – слой осадков, мм; d – средний диаметр капель, мм; Е – энергия (работа) дождя, кг·м/м².

Характерно, что при одной и той же интенсивности дождь с каплями диаметром 2,5 мм вызывает в 5 раз большее разрушение почвы и почти в 2 раза более мощное образование почвенной корки по сравнению с мелким дождем (Агролесомелиорация, 1956).

Существует также связь между интенсивностью дождя и диаметром капель (Мирцхулава, 1970; Elwell and Stocking, 1973). Эти зависимости и связи можно использовать в опреде­лении средней скорости падения капель относительно эрозионноопас­ной массы (т/га) дождя для определения меры его энергетического воздействия на почву в классическом исполнении по формуле

При движении воды по разной поверхности в относительно равно­мерно распределенной микроручейковой сети воздействие энергии воды на почву определится выражением (Рожков, Иванов, 1973) E₂ = mg 0,5L sin, где m – мас­са поверхностного стока воды; L – средневзвешенная длина линии сто­ка;  - крутизна склона.

Общая мера воздействия энергии воды на почву будет равна

Е = Е₁ + Е₂.

Если теперь, по данным стоковых площадок, отнести количество смы­той почвы (Р) с единицы площади к общему энергетическому воздейст­вию воды (Е), то получим величину удельного смыва данной почвы (Q), равную

С помощью величины удельного смыва можно систематизировать и обобщить имеющийся в нашей стране большой разрозненный материал, выполнить специальные исследования, установить применительно к раз­личным почвам показатели эродируемости, осуществить прогноз ливне­вой эрозии.

Литература

1. Агролесомелиорация / Под ред. проф. Суса Н.И. - М.: Сельхозгиз, 1956. 511 с.

2. Волокон Н.И. Исследование воздействия сельскохозяйственных культур и агротех­нических приемов на водопроницаемость почвы: Автореф. канд. дис. Кишинев, 1981. 25с.

3. Иванов В.Д. Методологические проблемы прогнозирования водной эрозии // Почвоведение. 1985. № 12. С. 87-97.

4. Иванов В.Д. Водная эрозия и система почвоводоохранных мероприятий (лекция). Воронеж: ВСХИ, 1988. 42 с.

5. Иванов В.Д., Кузнецова Е.В., Попов В.Г. Эрозионная опасность как сопряженная функция интенсивности дождя и водопроницаемости почв // Почвоведение,1990, № 8. С. 106-117.

6. Коль С.А. Полевые экспериментальные исследования потерь дождя на инфиль­трацию методом искусственного дождевания в Сальской степи // Тр. ГГИ. 1950. Вып. 24. С. 72-108.

7. Ливневые дожди и суточные количества осадков за 1936-1959 гг. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 410 с.

8. Линслей Р.К., Колер М.А., Паулюс Д.Л. X. Прикладная гидрология: Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 86 с.

9. Ларионов Г.А. Методика средне- и мелкомасштабного картографирования эрозионноопасных земель / Актуальные вопросы эрозиоведения. М.: Колос, 1984. С. 40-66.

10. Метеорологический ежемесячник. Вып. 28. Ч. II. Обнинск, 1983. 107 с.

11. Методические рекомендации по определению энергетической структуры поверхност­ного стока на склонах. М., 1987. 34 с.

12. Мирцхулава Ц.Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. М.: Ко­лос, 1970. 240 с.

13. Поляков Ю.П. Ирригационная эрозия земель и приемы ее предотвращения // Почвоведение. 1977. № 3. С. 91-95.

14. Поляков Ю.П., Меженский В.И. О влиянии интенсивности искусственного дождя, диаметра капель и уклона орошаемого участка на скорость впитывания // Сб. науч. тр. ЮжНИИГИМа. Вып. 25. Новочеркасск, 1977. С. 53-66.

15. Расторгуев Л.И., Спиридонов Е.С. Водопроницаемость почвы в зависимости от мутности воды // Почвоведение. 1966. № 8. С. 109-111.

16. Сластихин В.В. Некоторые теоретические и натурные исследования ливневого сто­ка и смыва // Изв. АН МССР. 1961. № 11. С. 8-19.

17. Сластихин В.В. Вопросы мелиорации склонов Молдавии. Кишинев: Картя Мол-довеняскэ, 1964. 212 с.

18. Сластихин В.В. Система формул для определения характеристик капель дождя// Науч.-техн. бюл. по проблеме «Защита почв от эрозии». Вып. 7. Курск, 1975. С. 16-17.

19. Тарабрин Н.П., Докудовская О.Г. Методика расчета эрозионного индекса дождей//3акономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. М.: Изд-во МГУ, 1981. С. 78-79.

20. Швебс Г.И. Материалы к изучению эродирующего действия капель воды // Почвоведение. 1968. № 2. С. 133-140.

21. Швебс Г.И. Формирование водной эрозии стока наносов и их оценка. Л.: Гидро­метеоиздат, 1974. 184 с.

22. Экономика мелиорации земель нечерноземной зоны РСФСР. Л.: Лениздат, 1978. 288с.

23. Elwell Н.A. and Stocking M.A. Reinfall parameters to predict surface runoff jields and soil losses from selected field-plot studies // The Rhodesian j. Agricultural Res. 1973. V. 11. № 2. Р. 123-129.

24. Singh A. Reinfall erosivity analysis of soil conservation research centre vasad (Gujarat) // Indian Forester. 1976. V. 102. P. 126-132.

25. Wischmeier W.H. and Smith D.D. Predicting ReinfalI-Erosion Losses from cropland East of the Rocky Mountains // A. R. S. Agriculture Handbook. 1965. May, № 282.

26. Wischmeier H., Smith D. Predicting rainfall erosion losses // USDA. 1978. 531. P. 1-57.