5 Методы изучения деградации почв
Тема: Методы изучения деградации (эрозии) почв
1. Натурные методы исследования.
2. Моделирование эрозии.
Для изучения влияния отдельных факторов и их сочетаний на проявление эрозии оценки интенсивности эрозии, эффективности различных противоэрозионных мероприятий применяются различные методы полевых и лабораторных исследований.
Методы изучения эрозии можно разделить на натурные исследования и моделирование эрозии в поле и на лабораторных установках.
1. Натурные методы исследования.
Рекомендуемые файлы
Учет эрозии по замеру объема струйчатых размывов.
Этим методом определяю объем смытой почвы за период стока талых вод, после выпадения одного или нескольких ливней (Соболев, 1945). После стока талых вод или выпадения ливня поперек склона – перпендикулярно линии стока – на протяжении, например, 100 м вдоль протянутой мерной ленты замеряется ширина и глубина всех образовавшихся струйчатых размывов и затем высчитывается их суммарное сечение.
Применяя данный метод можно получить разные величины смыва почвы на том или ином склоне. Объясняется это несколькими причинами. Во-первых, это зависит от количества профилей, по которым учитывались струйчатые размывы. Так, если на склоне длиной 250 м будет заложено 10 профилей, то мы получим один объем смытой почвы, а если 20 то другой. При этом разница может составлять 20, 40% и более. Во-вторых, при замере объема струйчатых размывов в значительной мере проявляется субъективный фактор. Как показывает опыт, разница в замерах объема струйчатых размывов, выполненных разными исследователями, иногда достигает 20–30%. Связано это с разной точностью замера сечений струйчатых размывов и степенью учета мельчайших размывов и намывов. В-третьих, замеряя сечения струйчатых размывов через 10 или 20 м, мы как бы предполагаем прямолинейное расположение струйчатых размывов вниз по склону, хотя в действительности оно извилистое. Поэтому иногда рекомендуется подсчет смытой почвы проводить с учетом коэффициента на извилистость струйчатых размывов.
Значение этого коэффициента в зависимости от крутизны, длины склона, а также от других факторов может колебаться от 1,1 до 1,4. В-четвертых, при подсчете объема струйчатых размывов условно принимается их прямоугольное сечение, хотя в действительности они имеют самые разнообразные формы: прямоугольные, треугольные, трапецевидные и др.
Возникают сложности при использовании описанного метода на полях, где почва перед стоком алых вод была обработана вдоль склона. В этом случае трудно установить количество почвы, снесенной по бороздам при струйчатом стоке осадков.
В то же время метод учета струйчатых размывов позволяет без сложного оборудования на любом участке поля в первом приближении определить смыв почвы от стока талых вод, выпадения одного или нескольких ливней на различном агрофоне.
Для оценки интенсивности многолетней поверхностной эрозии используют метод шпилек (Белян, Роменский, 1954), основанный на замере изменения уровня поверхности почвы в результате эрозии. Этот метод применяется не только на малых площадках, но и для оценки интенсивности эрозии по всему склону. По продольному профилю склона закладывается ряд реперов, по которым ведут замеры изменения уровня почвы.
На исследуемой площадке размещаются опорные реперы, на которые в процессе измерения опирается жестокая дюралевая балка двутаврового сечения длиной 150 см. На балке помещается подвижная тележка с установленным на ней шпиценмасштабом. Вертикальные промеры проводятся через 2 см.
Метод короткодистанционной стереофотометрической съемки.
Для детального изучения закономерностей и интенсивности эрозии на небольших площадках применяется метод короткодистанционной стереофотометрической съемки, который позволяет точно определить объем смытой и намытой почвы путем учета мельчайших изменений поверхности почвы после выпадения осадков
Изучение эрозии на стоковых площадках.
Стоковые площадки позволяют учитывать как жидкий, так и твердый сток, т.е. склоновый сток воды и смыв почвы.
На стоковых площадках расположенных на какой-либо части водосборного бассейна, данные по стоку и смыву не отражают процесса формирования стока и смыва на всем водосборе.
Изучение интенсивности эрозии на малых водосборных бассейнах.
В отличие от стоковых площадок твердый сток на малых водосборах (например, балки) может быть результатом проявления поверхностной и линейной эрозии. Определение интенсивности эрозии этим методом может дать явно заниженные показатели по сравнению с действительным проявлением эрозии на склонах водосборного бассейна, так как часть смытой почвы не достигает места где установлен водослив, и откладывается в виде наносов у подножий склонов, а также по днищам ложбин, лощин и балок выше створа, где отбираются пробы на мутность стока.
Оценка интенсивности многолетней эрозии.
Для оценки и картографирования интенсивности смыва почвы за весь период сельскохозяйственного использования земель рекомендуется следующая методика: на почвенно-эрозионных картах по каждому типу почв выделяются контуры с почвами разной степени смытости. Для каждого типа почв по литературным данным или по материалам полевого обследования определяется мощность гумусовых горизонтов несмытых почв.
По найденным значениям мощности смытого слоя почвы По найденным значениям мощности смытого слоя почвы По найденным значениям мощности смытого слоя почвы Н и количеству лет Кл, для каждого контура рассчитывается интенсивность – среднегодовая потеря слоя почвы Иэ в миллиметрах.
Изучение интенсивности роста оврагов.
Изучение интенсивности роста овражной сети обычно проводится с помощью установки постоянных реперов и сопоставления материалов повторной аэросъемки территории.
Для изучения динамики линейной эрозии пользуются методом наземной стереоскопической съемки, путем сравнения результатов повторных съемок, выполненных с постоянных пунктов.
Оценка интенсивности эрозии по заилению прудов.
Очень часто об интенсивности эрозии судят по данным заиления прудов.
Величину смыва почвы характеризует естественный сток наносов водотока (Ре), который рекомендуется определять из уравнения седиментационного баланса прудов:
где – Ре – естественный сток наносов водотока в створе плотины пруда; Рсо – сброс наносов из пруда; Ро – отложение наносов в пруду; Рзат – сток наносов с площади занятой прудом; Рхоз – изъятие наносов из пруда вместе с водой на хозяйственные нужды; Робр – продукты обрушения берегов; Рэол – продукты эоловой аккумуляции в пруду; Рвн – продукты внутренней жизни водоема.
Оценка интенсивности эрозии по модулю сока наносов.
Для характеристики современного проявления эрозии часто используют данные месячного, сезонного и годового твердого стока в речной сети. В этих целях используют модуль эрозии (модуль стока взвешенных наносов), который выражается в тоннах твердого стока, отнесенного к 1 км 2 водосборной площади.
В формировании твердого стока в речной сети участвует не только эрозия почв, но и другие почворазрушающие процессы, проявляющиеся на водосборном бассейне – осыпи, обвалы, боковая речная эрозия, сели дефляция и т.д.
2. Моделирование эрозии.
Моделирование эрозии ставит своей целью с помощью активного эксперимента ускорить изучение эрозии, выявить закономерности процесса, исследовать противоэрозионную устойчивость почв, влияние слоя и интенсивности осадков, физического состояния почв и других отдельных факторов на проявление эрозии. Моделирование эрозионных процессов можно проводить в полевых условиях с помощью дождевальных агрегатов, а также в лабораторных условиях на дождевальных установках, гидрологических лотках и другими методами.
Дождевальные установки для изучения эрозии в полевых условиях.
Изучение эрозии, вызываемой дождями, а также изучение эффективности различных противоэрозионных мероприятий проводится методом моделирования дождей и склонового стока с помощью различных установок с площадью полива от 0,25 до 1000–1500 м 2 . При искусственном дождевании в принципе возможно имитировать дождь любой структуры с большим диапазоном как слоя, так и интенсивности выпадения осадков. Основное требование к дождевальным установкам – обеспечение параметров искусственного дождя, соответствующих (или близких) реальным ливням.
Все дождеватели в зависимости от принципа получения дождя разделяются на капельные и насадковые. В капельных дождевателях для образования капель используются сита с отверстиями, нити, иглы, капиллярные трубки. Среди насадковых дождевателей выделяются струйные, дефлекторные и центробежные.
Капельные дождеватели обеспечивают равномерный, но однородный крупнокапельный дождь. Для уменьшения диаметра капель используется дополнительное дробление крупных капель (струй) на специальной сетке. Это позволяет получить необходимую интенсивность при малом количестве каплеобразователей.
Дождь создаваемый насадковыми дождевателями, характеризуется широким спектральным составом капель и высокой интенсивностью. Недостаток установок этого типа – неравномерность распределения по площади и несоответствие спектрального состава интенсивности дождя. Кроме того, скорость падения капель меньше скорости падения капель естественного дождя. Для снижения интенсивности дождевание делают прерывистым.
Наибольшее распространение в последнее время при проведении экспериментальных исследований по изучению эрозии в лабораторных условиях и на малых полевых площадках получили струйные насадки. Требуемый спектральный сосав капель и высокая равномерность обеспечиваются чередованием групп насадок разного типа (например, струйные и дефлекторные) и диаметра, а также гидропульсацией или вибрацией в одной или двух плоскостях.
На больших стоковых площадках для создания искусственного дождя используются в основном насадки дефлекторного типа. Насадки такого типа при достаточно большом радиусе действия (5–8 мм) обеспечивают дождь высокой интенсивности при высокой равномерности распределения его по площади. Использование дополнительных стояков к насадкам позволяет увеличить высоту падения капель и улучшить тем самым энергетические характеристики дождя, а более частое расположение насадок – повысить равномерность распределения.
Изучение ирригационной эрозии.
В нашей стране в 20 в проводились большие работы по дальнейшему расширению орошаемых площадей. В связи с этим уделялось внимание изучению ирригационной эрозии, возникающей при дождевании и бороздковом поливе, а также совершенствованию методов исследований.
для определения эрозионно-допустимых поливных норм часто применяют метод микроплощадок. Основу его составляет визуальнаяч фиксация момента поверхностного водообразования вблизи каждого из расставленных в зоне полива дождемеров. Этот метод позволяет без нарушения сложившегося состояния поверхностного слоя почвы получать в однородных почвенных и агротехнических условиях достаточное количество точек для оценки параметров устанавливаемых зависимостей эрозионно-допустимых норм от энергетических характеристик искусственного дождя.
Изучение эрозии в лабораторных условиях.
Экспериментальные лабораторные изучения эрозии ведутся во многих научных коллективах. При этом применяются различные дождевальные установки.
На лабораторных установках проводится дождевание монолитов, а также дождевание с одновременным напуском воды, имитирующим подток стекающей воды. На такой установке возможно изучение влияния на проявление эрозии степени увлажненности, уплотненности и оструктуренности почв.
В лабораторных условиях изучается водопрочность структурных агрегатов, влияние химического состава, физико-химических и физических свойств почв на их противоэрозионную устойчивость.
Источник
Глава 1. Ветровая эрозия
С.В. Комонов, Е.Н. Комонова
Ветровая эрозия и пылеподавление
Курс лекций. — Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. — 192 с.
Глава 1. Ветровая эрозия
1.8. Методы изучения эрозии грунта
1.8.1. Методология эрозионных исследований
Существуют четыре основных метода:
Для процессов ветровой эрозии характерно наличие собственного объекта и специфических методов исследований. Объект исследования — совокупность явлений и процессов в биосфере, связанных с механическим движением грунтовой массы под действием воздушных потоков. Поэтому одним из основных методов исследования нового направления является аэромеханический. Специфика этого метода в том, что он предполагает изучение свойств грунта, определяющих их противодефляционную стойкость, потоков воздуха, эродирующего грунта, процессов отрыва, переноса и отложения грунтовых частиц. При изучении эрозии грунта наряду с методами грунтоведения применяются и методы смежных наук, таких, гидравлика, физика атмосферы, ,науки о Земле, грунтоведение и др.
Наибольшие успехи достигнуты с использованием сравнительно-географического и стационарного методов. Дальнейшие перспективы сравнительно-географического метода связаны с развитием дистанционных методов:
· аэро- и космической эрозионной фотосъемки;
· наземной эрозионной съемки с использованием спутниковой системы глобальной навигации, которая позволяет очень точно определять на местности эрозионные объекты.
Стационарные методы остаются наиболее важными в сборе информации, необходимой для познания процессов эрозии и разработки противоэрозионных мероприятий.
Наиболее быстрыми темпами развиваются в настоящее время методы моделирования. Это обусловлено теми преимуществами, которые возникают вследствие замены реального объекта исследования его более простой моделью.
Наиболее широко распространенным видом эрозионных моделей являются почвенно-эрозионные карты. Они относятся к классу так называемых графических моделей, для которых характерна очень высокая степень сжатия информации, обеспечивающая ,возможность анализа эрозионной обстановки на больших территориях.
Особенно характерным для эрозионоведения является использование физических моделей. Это единственный метод познания механизмов взаимодействия водных и воздушных потоков с грунтом, приводящего к ее эрозии. Наибольшей степенью абстрактности отличаются математические модели, которые все более широко применяются во всех отраслях.
Модели эрозии грунта строятся на более или менее полном учете факторов и условий эрозии. В зависимости от масштаба модели бывают:
Модели также подразделяются на:
· статистические, не вскрывающими физического смысла процесса эрозии,
· логико-математические, основанными на уравнениях, с той или иной степенью точности описывающих влияние разных факторов эрозии.
Логико-математические модели делятся на три класса.
· Модели с сосредоточенными параметрами, т. е. не учитывающие пространственной неоднородности района проявления эрозии или отдельной площади пыления.
· Модели с сосредоточенно-распределенными параметрами, т. е. переходные.
· Модели с распределенными параметрами, основанные на дифференциальных уравнениях в частных производных.
Подавляющее большинство моделей эрозии относится к первому классу. В классе моделей с сосредоточенными параметрами выделяются:
· системные модели типа «черный ящик», т. е. модели, типа «вход — выход»;
· системно-физические или концептуальные модели тина «серый ящик», т. е. модели, частично учитывающие физику процессов, частично построенные по типу «черного ящика»;
· физические непрерывные модели, т. е. модели целиком построенные на учете физики явления.
В зависимости от степени завершенности можно выделить исследовательские модели
· модели более низкого уровня, но более полные, доведенные до возможности практического использования при планировании мероприятий по охране от ветровой эрозии.
Математические модели являются не только средством познания, но и объектом исследования. В связи с этим, распространяются методы вычислительного эксперимента.
Основу вычислительного эксперимента составляет триада «модель-алгоритм-программа». Создание комплексных моделей все более широко распространяется в связи с увеличением доступности высокопроизводительных ЭВМ. Чаще всего комплексная модель состоит из большого числа простых и комплексных подмоделей, описывающих: погоду, осадки, температуру, солнечную радиацию, ветер, температуру грунта, динамику элементов минерального питания (азота, фосфора), ограничивающие факторы, систему механической обработки, влияние мелиорации (дренаж, орошение, удобрение, известкование, внесение пестицидов, эрозию и др.
Для описания ветровой эрозии в модели используют модифицированные версии «универсального уравнения потерь грунта» и «уравнения ветровой эрозии». Указанная модель имитирует перечисленные процессы с шагом в одни сутки.
Исходя из степени вмешательства исследователя в ход изучаемого процесса все многообразие применяемых экспериментальных методов можно условно разделить на четыре группы
1. Пассивный эксперимент в природе. Наиболее общая задачача, решаемая с привлечением пассивных экспериментов, является определение объема потерь, переноса или накопления грунта в зависимости от факторов эрозии. В эту группу отнесены методы наблюдения и измерения, которые не сопровождаются вмешательством в естественный ход процессов и не оказывают влияния на конечный результат этих процессов. Степень «вмешательства» в естественное течение изучаемых процессов изменяется от метода к методу.
2. Активный эксперимент в природе. К этой группе отнесены методы наблюдения и измерения, использование которых предполагает активное вмешательство исследователя в целях создания искусственных условий, благоприятных для хода процесса в природе или для его видоизменения. При изучении ветровой эрозии также применяют метод активного эксперимента в натурных условиях.
3. Физическое моделирование.
3.1. К первой группе методов относятся:
· метод реперов для оценки смыва грунта и для оценки переотложения грунта по поверхности поля в процессе дефляции;
· метод повторного нивелирования для целей определения потерь грунта от эрозии и дефляции;
· методы измерения мутности воды в ручейках при снеготаянии;
· методы измерения переноса грунта песко-пылеуловителями во время пыльных бурь;
· фотограмметрический метод определения потерь грунта от эрозии и дефляции и т.д.
3.2. Типичным примером методов второй группы является метод стоковых площадок, позволяющий оценить противоэрозионную эффективность разных, главным образом, агротехнических мероприятий. Метод стоковых площадок является комплексным методом. Он включает непрерывное измерение стока (твердого и жидкого), осадков, физических свойств грунта, почвозащитной роли растительности на ограниченном участке склона в течение продолжительного времени.
3.3. Физическое моделирование применяют с целью изучения в лабораторных условиях частично или полностью не изученных физических процессов. К преимуществам методов физического моделирования относится возможность углубленного изучения механизма процессов и роли отдельных факторов эрозии. К недостаткам относиться известная трудность перенесения результатов лабораторных опытов на натуру. Единственной возможностью ее преодоления является обеспечение максимально возможного подобия процессов в модели и натуре. Оно достигается при соблюдении требований подобия:
· геометрического (для выполнения этого требования достаточно добиться того, чтобы модель-оригинал и модель-образ были геометрически подобны),
· кинематического (для выполнения этого требования необходимо обеспечить пропорциональность скоростей и ускорений и одинаковое их направление относительно границ, в геометрически подобных моделях),
· динамического (для выполнения этого требования необходимо добиться пропорциональности и однонаправленности сил, действующих в сходственных точках моделей).
Кинематического и динамического подобия можно достичь только при соблюдении геометрического подобия. Для того, чтобы соблюсти геометрическое подобие, необходимо обеспечить постоянство масштаба всех линейных характеристик (в том числе характеристик шероховатости) модели и натуры. Под масштабами понимают отношение между одноименными величинами натуры (
размерными величинами: 
– время, 
– характерный размер (длина), 
– скорость, 
– давление, 
– объемная сила (в случае сил веса 
, т.е. вектору ускорения силы тяжести).
По определению два потока являются подобными, если в сходственных пространственно-временных точках области их движения они отличаются между собой только масштабами перечисленных величин, описывающих эти потоки. Если перечисленные размерные переменные в дифференциальных уравнениях нормировать некоторыми постоянными значениями указанных переменных, то безразмерные дифференциальные уравнения, граничные и начальные условия и другие условия единственности решения этих уравнений станут одинаковыми для подобных потоков жидкости. В эти безразмерные дифференциальные уравнения входят безразмерные выражения, которые называют «числами подобия». Они одинаковы для двух подобных потоков:
– число Струхала, (95)
– число Эйлера, (96)
– число Рейнолъдса, (97)
– число Фруда. (98)
Кроме масштабов потоков в эти «числа» входят и физические постоянные потоков: 
– плотность потока, 
– кинематическая вязкость потоков. Если в постановке задачи моделирования содержатся сведения о потоках, достаточные для составления какого-либо из приведенных чисел подобия, оно становится критерием подобия. Перечисленные условия подобия являются необходимыми условиями. Установление достаточных условий подобия упирается в необходимость строгого доказательства теоремы о существовании и единственности решений уравнений Стокса для конкретной задачи, что сделано лишь для простейших случаев. Поэтому в общем случае подобные потоки должны были бы отвечать одновременно всем четырем критериям. Однако на практике составить все четыре критерия подобия не представляется возможным, так как не все величины, вводимые при составлении безразмерных уравнений и граничных и начальных условий, описывающих потоки, могут быть заданы заранее. Значения некоторых из них могут быть получены только после того, как будет найдено единственное решение поставленной задачи. Поэтому на практике удается добиться лишь частичного подобия. Поскольку полного динамического подобия добиться практически невозможно, среди действующих в модели сил следует выбрать наиважнейшую и пренебречь другими, слабо влияющими на изучаемое явление.
В таком случае говорят о частичном динамическом подобии и определяют критерии подобия для частных случаев. На частицу потока действуют силы разной природы. Их результирующая равна силе инерции. Каждое из приведенных чисел подобия учитывает одну из действующих сил и силу инерции:
· число Эйлера — силу давления,
· число Рейнольдса — силу вязкости,
· число Фруда — силу тяжести,
· число Струхала — силы, вызывающие автоколебания в потоке.
Приближенное моделирование по одному критерию возможно, если известно, что влияние других значительно слабее. При слабой зависимости изучаемого явления от того или иного критерия говорят об автомодельности относительно этого критерия.
На основе значений критериев подобия можно определить соотношение между масштабами различных величин, обеспечивающее подобие оригинала и модели.
Если для двух сравниваемых потоков известны какие-либо масштабы и физические константы потока и количество их достаточно для составления каких-либо из перечисленных выше чисел подобия, то эти числа становятся уже критериями подобия. Если они для сравниваемых потоков равны, то эти потоки подобны. Количество критериев подобия меньше, чем количество чисел подобия. Это обусловлено тем, что не все масштабы, вводимые при составлении безразмерных уравнений и граничных и начальных условий, описывающих поток, могут быть заданы заранее. Значения некоторых из них могут быть получены только после того, как будет найдено единственное решение поставленной задачи.
Следовательно, метод подобия можно использовать для целей моделирования тогда, когда известны дифференциальные уравнения, описывающие поток. И, если числа подобия для сравниваемых потоков равны, то это означает, что сравниваемые потоки подобны. Полнота подобия, следовательно, зависит от полноты описания этих потоков привлеченными для этих целей дифференциальными уравнениями.
Источник