Содержание к диссертации
Введение
2. Предмет и методы исследования 18
2.1. Качественная картина ветровок эрозии почвы 18
2.2. Масштабный фактор. Подход к моделированию ветровой эрозии почвы 25
2.3. Экспериментальные методы исследования ...29
2.4. Выводы 34
3. Движущие силы ветровой эрозии почвы 35
3.1. Силы, действующие на почвенную частицу со стороны воздушного потока 35
3.2- Природа подъемной силы 36
3.3, Теоретическое и экспериментальное решение задачи о подъемной силе и межагрегатном сцеплении 39
3.4. Межагрегатное сцепление в несвязной почве 45
3.5. Выводы 46
4. Закон выдувания почвы 48
4.1. Экспериментальный закон выдувания 48
4.2. Аналоги закона выдувания 55
4.3. Нуль-модель ветровой эрозии почвы и ее проверка 57
4.4. Выводы 59
5. Закономерности движения почвенных частиц и континуумов 60
5.1. Движение одиночной частицы 60
5.2. Движение ансамбля почвенных частиц 65
5.3. Модель воздушно-почвенного потока в приближениях механики многофазных сред 69
5.4. Выводы 73
6. Уравнение потерь почвы с больших территорий 75
6.1. Структура воздушно-почвенного потока при безвозвратном уносе частиц 75
6.2. Структура пылевого облака при механической обработке почвы 78
6.3. Структура воздушно-почвенного потока при скачкообразном движении частил 80
6.4. Исследование модели структуры потока.,. 84
6.5. Баланс ветровой эрозии почвы в условиях неограниченного поля 87
6.6. Выводы 93
7. Механизмы ветровой эрозии почвы при наличии границ выдувания 95
7.1. Влияние границ на механизмы эрозии 95
7.2. Уравнение сохранения потока массы над движущейся поверхностью переходного у частка 101
7.3. Стадийность единичного явления ветровой эрозии почвы. 103
7.4. Динамика потерь почвы с непрерывным распределением частиц по размерам 107
7.5. Выводы 108
8. Механизмы абразии при ветровой эрозии почвы 109
8.1. Постановка задачи абразии 109
8.2. Удар частицы о поверхность с выбиванием почвенной массы 110
8.3. Потоки массы при самовозникающей эрозии с абразией 114
8.4. Экспериментальная: проверка теоретического решения задачи абразии. 115
8.5. Выводы 119
9. Влияние лавинного эффекта и абразии на перенос почвы ветром 120
9.1. Потеря массы частицами при скачкообразном движении 120
9.2. Суммарный поток массы от почвы в атмосферу 123
9.3. Экспериментальная проверка модели 125
9 А Выводы 132
10. Полномасштабное явление ветровой эрозии почвы 133
10.1.. Предпосылки построения полномасштабной модели ветровой эрозии почвы 133
10.2. Простая модель стратифицированной атмосферы 136
10.3. Движение почвенной частицы в стратифицированной атмосфере 139
10.4. Уравнение сохранения потока массы для почвенного континуума в стратифицированной атмосфере 148
10.5. Структура воздушно-почвенного потока в стратифицированной по плотности атмосфере 149
10.6. Стадия аккумуляции 151
10.7. Проверка модели 155
10.8. Выводы 164
11. Теоретические основы защиты почвы путем увеличения связности 165
11.1- Экспериментальный закон выдувания связной почвы 165
11.2. Оценка эффективности воздействий на почву с целью повышения её устойчивости к выдуванию 172
11.3. Параметризация модели выдувания связной почвы 174
11.4. Теория оструктуривания песчаной почвы кондиционером 181
11.5. Выводы 188
12. Заключение 189
13- Литература 195
- Масштабный фактор. Подход к моделированию ветровой эрозии почвы
- Теоретическое и экспериментальное решение задачи о подъемной силе и межагрегатном сцеплении
- Модель воздушно-почвенного потока в приближениях механики многофазных сред
- Структура воздушно-почвенного потока при скачкообразном движении частил
Введение к работе
Почва — основа существования человеческой цивилизации. Эта идея занимает центральное положение в учении об экологических функциях почвы, развиваемом трудами Г.В. Добровольского, Л.О. Карпачевского, Е.Д. Никитина [50, 55, 56, 58, 59, 79, 80, 81, 82, 83]. Главными, наиболее быстро текущими и часто принимающими характер катастрофы, факторами их нарушения в глобальном масштабе Г.В. Добровольский [56] называет водную и ветровую эрозии. Важнейшая из функций почвы, обеспечение человека пищей, в наибольшей степени нарушается именно в результате эрозии почвы. Об этом свидетельствует динамика самого информативного показателя обеспеченности люден продовольствием, объема производства зерна на душу населения. Достигнув максимума (346 кт) в 1984 году, он снижается и, при сохранении темпов снижения, к 2030 году опустится до 248 кг, то есть, до уровня пятидесятых годов двадцатого столетия [268]. Среди главных причин такого положения, наряду с ростом самого населения, —эрозия почвы. Механизмы се влияния весьма многообразны. Это и снижение плодородия эродированных почв, и уменьшение площади пашни в результате образования оврагов и надвигания песков, и загрязнение почв сельскохозяйственных угодий вредными веществами, в том числе токсичными солями, приносимыми ветром с поверхности солончаков и отвалов горных пород, а также снижение фотосинтеза в результате загрязнения листовой поверхности пылью [67, 115, 117,26В],
Почва - регулятор вещественного состава атмосферы [54]. Эрозионные процессы оказывают прямое и весьма сильное влияние на эту функцию почвенного покрова планеты, в первую очередь через ускорение минерализации почвенного органического вещества, приводящее, в конечном счете, к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа и связанному с ним усилению парникового эффекта [207]. Ветровая эрозия почвы является главной причиной наполнения атмосферы почвенной пылью. Причем масштабы ее поступления в атмосферу столь велики, что она начинает влиять на тепловой баланс планеты [241].
Почва - основа существования наземных экосистем. Представления о ее экосистемных функциях и механизмах их реализации непрерывно реширяются. Некоторые из этих механизмов связаны с ветровой эрозией почвы. В частности, появились сведения о том, что почвенная пыль, приносимая ветрами из Сахары, является важнейшим источником существования водных экосистем Атлантического океана и тропических лесов бассейна Амазонки, куда ежегодно приносится из Сахары до 190 кг/га почвы [274], а также бассейна Средиземного моря [228].
Почва — важнейший регулятор биогенного углерода на Земле. Расчетное содержание его в метровом слое почвы составляет 2,5 10 " ту что в три раза превышает содержание в атмосфере и в 4,5 раза - в живых организмах. Эрозия приводит к его утрате почвой, во-первых, в результате механического удаления из эродируемой почвы, во-вторых, в ходе ускоренной минерализации, вызванной эрозией, как в эродированной почве, так и в наносной (ТаблЛЛЛ). Процессы, приводящие к этому, требуют углубленного изучения, но уже теперь не подлежит сомнению, что одним из немногих возможных способов изъятия избытка углерода из атмосферы является запасание его в виде специфического органического вещества почвы. Известен и метод достижения этой цели — использование почвозащитных систем земледелия [87, 89].
Почва — среда обитания человека и се эрозия приводит к нарушению этой сред ооб разую щей функции. Обыкновенная почвенная пыль, поднятая в воздух во время пыльных бурь, часто становится причиной увеличения заболеваемости астмой [268], а при большом ее количестве в атмосфере, как это было 8-9 апреля 2001 года в Пекине, а также 14 мая того же года в Каире, нарушается жизнь огромного мегалополиса. Ситуация столь серьезна, что во многих странах законодательно вводятся пределы допустимого содержания пыли в атмосфере [268]. Кроме того, пыль может служить причиной возникновения эпидемий, так как содержит повышенное количество спороносных аэробных бактерий [1], Еще большую опасность несет радиоактивная пыль, источниками которой являются эродируемые ветром почвы загрязненных территорий [128], а также золоотвалы теплоэлектростанций, работающих на углях, содержащих радиоактивные элементы и тяжелые металлы [109, 113].
Частота и масштабы проявления ветровой эрозии почв, которые стали глобальными, а также темпы и тенденции в ее распространении имеют угрожающий характер. Об этом свидетельствуют многочисленные материалы последних международных форумов ученых и общественности, организованных Докучаевским обществом почвоведов [154, 155s 204], Международным обществом почвоведов (ISSS) [249], Международной организацией мелиорации почв (ISCO) [276, 207], Европейским обществом охраны почв (ESSC) [208], Организацией охраны почв и вод (SWCO).
Эрозии подвержены почвы на площади в 1,643 млрд. га, из них в чрезмерной степени - на площади в 250 млн.га (Табл.1). Водная эрозия распространена на площади в 1094 млн.га, а ветровая - на плошали в 549 млн,га. Ареалы почв, пораженных этими двумя видами эрозии, совпадают лишь частично. Согласно прямым спектрометрическим измерениям со спутника [253], пыльные бури, как крайнее проявление ветровой эрозии почвы наиболее часто и устойчиво повторяются в Северном полушарии, в так называемом "пыльном поясе1", протянувшемся от западных окраин Северной Африки, через Ближний и Средний Восток, Центральную и Южную Азию в Китай. Ветровой эрочии подвержены почвы всех климатических поясов, в том числе, арктического [262]. Причем анализ динамики площадей проявления пыльных бурь показал, что основной причиной их усиления являются природные причины, поскольку основной прирост произошел за счет малонаселенных территории.
На долю эрозии приходится 83% площади территории деградированных почв [242], В наибольшей степени эрозии подвержены почвы наиболее густо населенных регионов земного шара. Это свидетельствует в пользу общепринятого представления о том, что в местах обитания человека современная эрозия имеет, в основном, антропогенный характер [207]. Особенно опасным является то, что эти же регионы являются и главными источниками продовольствия;. Серьезность сложившейся ситуации подтверждается и тем знаменательным фактом, что более всего эрозия почв распространена не только в самых отсталых в промышленном отношении странах, но и в самых развитых [268],
Согласно данным государственного учета [47] по состоянию на 1 января 1996 гола фактически подвержено эрозии почв 28% (51 млн.га) площади территории сельскохозяйственных угодий Российской Федерации. Кроме того, на 35% (66 млн.га) существует реальная опасность проявления эрозионных процессов. На площади в 35 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 Из вышесказанного можно заключить, что исследование причин распространения ветровой эрозии почв, изучение её механизмов, анализ потоков массы почвы, приводимых в движение ветром, а также выявление особенностей возникновения, залегания и функционирования эродированных почв, наряду с разработкой методов прогнозирования ветровой эрозии почв и. научных основ ее предупреждения, являются своевременными и неотложными задачами почвоведения. Вместе с. этим, важное для дальнейшего развития почвоведения значение имело бы решение проблем происхождения и развития эологенных почв и горных породив частности, лёссов, почв предгорий и высокогорий, ряда пустынных и песчаных почв, а также засоляемых вследствие нанесения солей ветром [5, 191, 205,233, 115].
Проблема ветровой эрозии почв, традиционно исследуемая в рамках почвоведения и сельского хозяйства, стала междисциплинарной. Укажем на некоторые из аспектов явления ветровой эрозии, изучение которых является актуальным для ряда смежных дисциплин и отраслей хозяйства.
Механика. Закономерности отрыва, переноса и отложения в виде наносов твердых частиц потоками жидкости и газа [138, 140, 187, 261, 161, 275].
Биология. Влияние засекания почвенными частицами, переносимыми ветром, на рост и развитие растений; зависимость интенсивности фотосинтеза от степения запыления листовой поверхности [180, 182]; механизмы подъема в воздух и переноса ветром семян и живых организмов [201, 21, 22, 258] механизмы межконтинентального переноса бактерий и грибов [223].
Экология, Механизмы подъема в. атмосферу и переноса ветром радионуклидов и других загрязняющих веществ с почвенной пылью; закономерности формирования их природных и антропогенных ареалов [146, 105, 106,279,216].
Эпидемиология. Механизмы переноса возбудителей болезней и загрязняющих веществ с почвенной и промышленной пылью [20, 106, 260].
Геология. Механизмы и природная обстановка формирования древних осадочных отложений, в особенности залежей полезных ископаемых, под действием ветра [111, 157, 190,213].
Вулканология. Механизмы переноса и отложения вулканической пыли ветром [111].
Грунтоведение. Механизмы разрушения и методы закрепления фундаментов и опор инженерных сооружений в подвижных эоловых песках [120].
Горнодобывающая промышленность. Механизмы подъема пыли в горных выработках и с поверхности хвостохранилшц горно-обогатительных комбинатов, отвалов шахт и карьеров и методы обеспыливания [218].
Планетология» Закономерности формирования рельефа под действием ветра на Земле [171] и других планетах солнечной системы [107, 206, 249].
Климатология Восстановление палеоклиматов и тарирование климатологических моделей на основе исследования закономерностей эолового осадконакопления в прошлом [46, 229,230] и настоящем [258].
Физика атмосферы. Влияние почвенной пыли, поднимаемой ветром, на динамику и вещественный состав атмосферы [167, 188, 193].
Космонавтика. Прогнозирование пыльных бурь на планетах солнечной системы для целей обеспечения безопасности поднимаемых и спускаемых аппаратов [219, 189].
Наземный транспорт. Защита транспортных систем от песчаных заносов, выдувания и снижения дальности видимости на автодорогах [76, 70].
ВОЗДУШНЫЙ транспорт. Снижение нылимости грунтов на аэродромах [166].
Микроэлектроника. Обеспыливание поверхности воздушным потоком и ударной волной [261].
Энергетика. Исследование механизмов переноса тонкодисперсных частиц газовым потоком в целях повышения безопасности реакторов [185], обеспыливание золо- и шлакохранилищ [113].
1.2 Состояние и история исследований по ветровой эрозии почвы.
Под эрозией почвы в настоящее время понимают совокупность взаимосвязанных процессов отрыва, переноса и отложения почвы (иногда материнской и подстилающей пород) поверхностным стоком временных водных потоков и ветром [34, 97], Разрушительное действие ветра на почву, посевы и жилища испокон веку привлекало внимание людей и было предметом изучения. История этих исследований красочно изложена в замечательных произведениях Д.В. Наливкина [111], С.С.Соболева [152], В,П. Чичагова [170, 171], Начало научному подходу к изучению ветровой эрозии почв и разработке противоэрозионных мероприятий положено трудами классиков почвоведения, В,В. Докучаева (1883), ПА. Костычева (1887), Н.М. Сибирцева (1893), В.Р. Вильямса (1900-1901), их сотрудников и последователей, П.А. Земятченского (1984), Г.Н. Высоцкого (1894), И.И. Белецкого (1895), Н.А. Соколова (1884), А.А. Бычихина (1892), С, Попружснко (1893), которые уделяли внимание ветровой эрозии в первую очередь в качестве фактора образования и преобразования почв [175], а также трудами великих исследователей Центральной Азии, Н.М, Пржевальского (1883), Н.Ф. Дубровина (1890), В.И. Роборовского (1900), ПК. Козлова (1897), ПЕ. Грум-Гржимайло (1898), М.В. Певцова (1883), Г.Н. Потанина (1883), В.А. Обручева (1895), которые исследовали физические, почвоведческие, геологические и географические аспекты ветровой эрозии в местах, где деятельность ветра, в силу крайней степени своей выраженности, является определяющим фактором природной среды [170]. На основе преимущественно описательного, сравнительно-географического метода исследований, они получили первые, не потерявшие своего значения до сих пор, сведения о причинах, интенсивности и масштабах проявления ветровой эрозии почв и способах ее предупреждения. Этот метод, длительное время бывший основным в эрозионных исследованиях, работами А.Н. Вознесенского (1930), СО. Воробьева (1930), М.Г. Чижевского (1939), П.И. Шаврьтгина (1936), позволил уточнить географию, интенсивность, периодичность и механизмы ветровой эрозии почв [174], а работами Б.А-Федоровича (1948), А.С. Кесь (1964), М.П, Петрова (1950), ИЛ. Герасимова (1959) - механизмы эолового рельефообразования п осадконакопления [171, 111]. Сравнительно-географический метод до сих пор продолжает оставаться незаменимым при описании ветровой эрозии почв малоисследованных территорий, таких, как Центральная Азия, где ветры особенно сильны, а эрозия достигает невиданной интенсивности [170], при анализе регионального и глобального переносов вещества ветром и выяснении происхождения осадочных пород и наносных почв [111, 16, 140,29].
Расширение методической базы, обусловленное применением стационарного и сравнительно-аналитического методов исследования, позволило углубить качественные представления о механизмах явления ветровой эрозии почв, получить количественные оценки ее распространения и степени опасности, положить начало разработке противоэрозионных мероприятий на научной основе. Огромное число экспериментальных и теоретических работ по этим разделам почвоведения нашло свое обобщение в ряде монографий: Т.Ф. Якубова [174], СС. Соболева [152], А.Е, Дьяченко и НЛ\ Макарычева [66], В.В. Звонкова [72], Е.А. Чакветадзе [168], П.С Захарова [71], АС Утешева иО.Е, Семенова [156], МИ. Долгилевича [60, 61, 63], А.А. Зайцевой [69], А.Н. Каштанова [85], Е.И: Рябова [136, 137], К.С. Кальянова [78], Н.В. Краснощекова [93],.Д.А. Куртенера и И.Б. Ускова [100], Г\А. Ларионова [102], Ю.И. Васильева [17], А-Г. Гаеля и Л.Ф. Смирновой [24] и сборников работ [12, 130, 159, 127, 108, 19, 266, 202], а также в сборниках [220] и монографиях иностранных авторов: Д.А Уддена [277], И.И. Фри [209], Р.А, Бэгпольда [184], Конке и Бертрана [91], Х.Х. Беннетта [10], В.С_Чепила и Н.П. Вудрафа [201], Ф, Петтнджона, П. Потера и Р: Сивера [121], Н. Гудзона [50], Применительно к территории СССР этими работами были созданы предпосылки к ветро-эрозионному районированию территории СССР, которое осуществлено работами Л.Т. Земляницкого [12]; СИ. Сильвестрова [131]; К.С Кальянова [78], Г.А. Ларионова [102].
Дальнейший, качественный и количественный рост исследований по ветровой эрозии почв связан с развитием и применением методов моделирования, физического, математического, численного.
Начало экспериментальным методам изучения механизмов ветровой эрозии почв на примере песков Сестрорецких дюн было положено работами видного геолога Н.А. Соколова (1884)- Наиболее содержательные результаты при изучении механизмов ветровой эрозии были получены А.И. Знаменским (1958), (1959), А.Ґ. Гаелем (1957) [12], А.Г. Гаелем и Л.Ф. Смирновой (1960), (1967), (1970), Р.Я. Рамазановым (1972), ЭЛ. Рябнхиным (1973); ЮЛ Кришталь (1973); В.А- Белолипским (1974); Г Л Васильевым, Д.С- Булгаковым, ЛЛ Гавриленко, А.С. Калиниченко (1978) с применением инструментальных методов, основанных на измерении переноса почвенных частиц ветром во время пыльных бурь в полевых условиях.. Для. выяснения механизмов отрыва почвенных частиц ветром потребовалась разработка методов физического моделирования на основе аэродинамических труб. Их использование позволило выяснить противоэрозионную роль агрегатного состава почвы, межагрегатного сцепления, шероховатости почвенной поверхности, количества и качества пожнивных остатков, мульчирующих покрытий, почвенных кондиционеров (Бочаров, 1963; Долгилевич, 1967; Шиятый, Лавровский, 1971; Семенов, 1972; Ревут, Масленкова, Романов, 1973; Закиров, 1980; Красношеков, 1984; Вербицкий, 1987; Куртенер, Усков, 1988; Васильев, 1997), Необходимость оценки эффективности противоэрозионных мероприятий привела к разработке и использованию стационарного метода, который стал основным в. почвенно-эрозионных исследованиях. Он успешно применялся в Северном Казахстане (Чакветадзе, 1967; Родомакин, 1967), Сибири (Орловский, 1967; Каштанов, 1974; Севастьянов, 1977; Краснощекое, 1984), на Дальнем Востоке (Дербенцева, 1987), на юге Украины (Лавровский, Другова, Игуменнев, 1983), на Северном Кавказе (Трегубов, 1977, 1978; Кошкин, 1988, Полуэктов, 1989), в Белоруссии (Кришталь, 1973). Обобщение накопленного обширного, но разнородного описательного и экспериментального материала, позволило создать начала теории ветровой эрозии почв (Соболев, 1948; Гаель, 1952; Звонков, 1962; Захаров, 1965; Долгилевич, 1967; Долгилевич, Васильев, Сажин, 1981; Куртенер, Усков, 1988; Васильев, 1997), послужившей основой разработки систем организационно-хозяйственных, аїротехническнх, гидротехнических и лесомелиоративных противоэрозионных мероприятий, составляющих в совокупности региональные почвозащитные системы земледелия (Каштанов, 1974; Бараев, 1975; Моргун, Шикула, Тарарико, 1983; Ивлев, Дсрбенцова, 1988; Каштанов, Лисецкий, Швебс, 1994; Кирюшин, 1996).
Наблюдаемое в последнее время увеличение интереса к проблемам эрозии почв и расширение тематики исследований выражается в увеличении числа научных публикаций по этой теме и появлении новых научных журналов, посвященных, в основном, проблемам эрозии и охраны почв, таких, как "Soil technology", "Land Degradation and Rehabilitation", "Land Husbandry", "Earth Surface Processes and Landforms". Оно сопровождается повышением уровня экспериментальных исследований, в первую очередь за счет применения качественно новой измерительной техники. Так, при регистрации и отслеживании пыли, поднятой в воздух во время обработки почвы или в результате эрозии, стали применять лидары [231]? солнечные фотометры [247]; счетчики фотонов [227]; при изучении переноса почвы ветром - пьезо- [272, 272] и мембранные датчики [270] с высокой собственной частотой измерения, изокпнетические пылеуловители [254], усовершенствованные полевые [251] и лабораторные [176, 257] аэродинамические установки, аэро- и космическую съемку [48, 49], В то же время приходится констатировать, что на данном этапе развития эрозиоведсния экспериментальные исследования информативнее теоретических. Это является отражением обшего положения в современной науке, для которой характерно преобладающее развитие численных методов. Такое положение дел является дополнительным стимулом к развитию теоретических исследований, которым, собственно, и посвящена настоящая работа.
1.3, Цели и задачи исследования. Отмечая достижения в рехнении перечисленных проблем, необходимо отметить главное, что мешает дальнейшему продвижению в их решении, это использование единого механизма при исследовании разномасштабных природных явлений из которых складывается ветровая эрозия почвы и последующее навязывание его при объяснении опытных данных. 11ри описании разномасштабных процессов надо исходить из того, что явления "микромира" не тождественны явлениям "макромира , и использовать адекватные масштабу методы. Поскольку в основе явления ветровой эрозии почвы лежат отрыв, перенос, преобразование и отложение почвенных частиц воздушными потоками, то есть физические процессы, для описания которых в рамках законов механики многофазных сред имеются вполне адекватные методы [112, 142], они и были использованы в настоящей работе.
Для решения множества перечисленных научных и прикладных проблем эрозиоведения необходимо разработать теорию, которая давала бы качественное описание механизмов явления ветровой эрозии почвы и позволяла перейти к количественным расчетам (прогнозированию). Поэтому математическая постановка задач осуществлялась при некоторых ограничениях, упрощающих решения, но не меняющих его качественное содержание. И эти приближения сохраняются во всем объеме диссертации, хотя сами решения указывают на необходимость учета динамики тех или иных параметров, которые принимались постоянными величинами. Это обстоятельство указывает на возможность построения новой теории путем уточнения уже созданной или даже на основе отказа от принятых предположений относительно этих параметров, что, впрочем, выходит за рамки данной диссертации. Создаваемая теория при появлении новых условий и решений позволяет их учитывать, что и прослеживается в содержании данной работы.
С учетом сказанного целью данной работы является: создание в рамках законов механики многофазных сред теории ветровой эрозии почвы и разработка основ количественных методов прогнозирования эрозии и расчета противоэрозионных мероприятий»
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие комплексные задачи:
1. Выяснение природы подъемной силы, отрывающей почвенную частицу от поверхности и переносящей ее но 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-почвенного потока,
4. Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов ветровой эрозии почвы на макроуровне к 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 прогивоэрозионных мероприятий, основанных на оструктуриванни почвы.
Работа состоит из 1 Іглан, заключения и списка литературы.
1.4. Краткое описание работы,
В первой главе приведены сведения о масштабах распространения и вредоносности ветровой эрозии почвы, проанализированы основные теоретические и прикладные проблемы эрозиоведения и других дисциплин» предметом которых является ветровая эрозия. Обоснована необходимость разработки теории ветровой эрозии, как инструмента углубления исследований и основы практических мер по охране почвы» Дан краткий обзор состояния и истории исследований по ветровой эрозии почвы. Сформулированы и обоснованы цели диссертационной работы, намечены задачи исследования, приведено краткое описание содержания работы и полученных результатов. Обосновано создание нового научного направления в почвоведении — механики ветровой эрозии почвы.
Вторая глава посвящена выяснению предмета исследования, обоснованию новых методических подходов и описанию использованных методов. На основе анализа новых экспериментальных данных и обобщения существующих представлений дана качественная картина явления ветровой эрозии почвы, необходимая для ее количественного описания на основе методов механики многофазных сред и представлений о многоскоростных континуумах и взаимопроникающем движении компонентов. Обоснована необходимость разномасштабного подхода к исследованию, вытекающая из физики явления - несводимости законов макромира к законам микромира. В механике многофазных сред микромасштаб исследования определяется молекулярно-кинетическими размерами, то есть расстоянием между молекулами, средними длинами свободного пробега и т.п. Соответственно этому макромасштаб определяется размерами, значительно превышающими молекулярно-кинетические, и в то же время сильно уступающими расстояниям, на которых макроскопические или осредненпые параметры смеси или фаз меняются существенно (вне поверхностей разрыва) [201]. То есть, в макро мае штабе рассматривается смесь, в которой размер частиц твердой фазы велик в сравнении с молекулярно-кинетическими размерами, а их концентрация столь значительна, что они оказывают существепое влияние и па поток в целом и друг на друга, И если первое условие в случае ветровой эрозии почвы удовлетворяется (размер почвенных частиц, влекомых ветром, действительно превышает молекулярно-кинетические размеры), то второе -нет- Действительно, сосуществование в потоке скачущих частиц и переносимых ветром в подвешенном состоянии, не вызывает сомнения [24, і11, 201], а это свидетельствует о том, что суммарная их концентрация в воздухе, даже при самых сильных пыльных бурях, недостаточна для оказания существенного влияния друг на друга. Более того, показано [64], что влияние почвенной фазы на движение собственно воздуха пренебрежимо мало хотя в тонкой структуре воздушного потока могут быть обнаружены изменения, вызванные насыщением его пылью [9].
Обе указанные причины вынуждают при изучении явления ветровой эрозии почвы ввести мезомасштаб исследования. Это даст возможность исследовать движение индивидуальных почвенных частиц (мнкромасштаб), а выявленные законы их движения обобщить на весь класс (континуум) подобных частиц методами механики гетерогенных сред (мезомасштаб). Поэтому с позиций механики многокомпонентных потоков единичное полномасштабное (в почвенно-гсографическом смысле) явление ветровой эрозии, включающее стадии отрыва, подъема, переноса и отложения частиц ветром, исследуется в мезомасштабе.
В этой же главе приведены сведения о теоретических и экспериментальных методах, использованных при выполнении диссертации, а также о районах взятия образцов для исследований и их почвах. Материалы данной главы нашли свое отражение в ряде публикаций автора [97, 96, 98, 45],
В третьей главе использована, и теоретически и экспериментально обоснована новая трактовка природы подъемной силы, вырывающей частицу из почвы, основанная на действии вихря с вертикальной осью; предложено формальное выражение вихревой подъемное силы на основе уравнения Жуковского. Из собственного и почерпнутого из литературы экспериментального материала по критическим скоростям воздушного потока для разделенных на фракции агрегатов различных почв и сыпучих веществ выведены значения коэффициента подъемной силы, которые могут быть использованы при численных расчетах. Решение задачи о подъемной силе расширило возможности исследования различных аспектов явления ветровой эрозии на количественной основе и позволило перейти к изучєЕіию механизмов потерь почвы, почвозащитного действия противоэрозионных мероприятий, миграции и аккумуляции почвенных частиц, прогнозирования эрозии и расчета противоэрозионных мероприятий. Материалы, главы нашли отражение в публикациях автора [38, 39].
В четвертой главе с использованием теории подобия и анализа резмерности, а также методом эксперимента с образцами почвьь в аэродинамической трубе найдено Солее общее, чем известные, решение задачи об интенсивности выдувания почвы в зависимости от скорости ветра. Оно основано на применении показателя массообмена, предложенного В.М. Гендуговым [25], и успешно использованного при изучении водной эрозии почв [27]. С использованием этого показателя и почвенной постоянной установлен закон выдувания почвы и получено его теоретическое и экспериментальное обоснование.. Уравнение, выражающее этот закон, названное нуль-моделью выдувания, было проверено на. собственном и независимом экспериментальном материале- Для ряда образцовых почв получены величины параметра массообмена и почвенной постоянной, которые могут быть использованы при создании региональных математических моделей ветровой эрозии почвы. Материалы главы отражены в ряде публикаций автора [35,36,37,39].
В пятой главе изучены механизмы ветровой эрозии почвы на равнине -наиболее простой случай, позволяющий исключить из рассмотрения влияние рельефа на силу и направление ветра. Вместе с тем это наиболее важный-в практическом отношении случай, поскольку на равнинах сельскохозяйственные угодья выдуваются большими массивами, а масштабы явления ветровой эрозии сопоставимы с масштабами этих массивов, которые характеризуются сравнительной однородностью в отношении устойчивости к выдуванию. Для этого случая впервые получено решение задачи о траекториях почвенных частиц в рамках законов механики с учетом инерции, объясняющее не только безвозвратный унос частиц, но и скачкообразное их движение (сальтацию).. Введен показатель характера движения почвенной частицы в воздушном потоке, эрозионное число, представляющий собой отношение подъемной силы, действующей на частицу, к её весу, который при значениях близких к единице становится критерием способа движения частицы в потоке. Продемонстрирована исключительная полезность эрозионного числа при построении теории ветровой эрозии почвы. Решения задачи о траекториях индивидуальных почвенных частиц, полученные на основе использования методов механики многофазных сред и представления о взаимопроникающем движении многоскоростных континуумов, обобщены на весь воздушно-почвенный поток, возникающий при ветровой эрозии почвы. Исследована концентрация почвенной фазы континуума почвенных частиц вдоль траектории его центра массы. Найдена возможность перехода от закономерностей движения индивидуальных частиц к закономерностям движения их ансамблей в рамках законов механики. Основные положения теории подтверждены проверкой на собственном экспериментальном материале и материале из независимых источников. Материалы главы опубликованы автором [361.
В шестой главе на основе полученных решений проанализирована структура воздушно-почвенного потока, возникающего при эрозии двухкомпонентной модельной почвы, при эрозии трехкомпонентной модельной почвы, содержащей частицы из категории скачущих и при пульверизационнойг эрозии почвы, сопровождающей сё механическую обработку в ветренпую погоду. Установлено возникновение периодичности в поле концентрации почвенной фазы в воздухе вблизи эродируемой поверхности в условиях постояпой скорости, ветра, в основе которой — разделение почвенных частиц потоком на континуумы с собствепыми траекториями движения, при ветровой эрозии. Проанализированы приходные и расходные статьи баланса ветровой эрозии почвы однородного бесконечного поля; результаты анализа обобщены в форме уравнения потерь почвенной массы. Адекватность полученных моделей действительности подтверждена сопоставлением с результатами опыта. Материалы главы нашли отражение в публикациях автора [39,215] В седьмой главе исследован механизм ветровой эрозии почвы, имеющей пространственные границы выдувания, обусловленные границами поля и наличием ветроустойчивого слоя, например плужной подошвы. Выявлена нестационарность явления ветровой: эрозии почвы при указанных условиях в основе которой - разная длина скачка частиц, переносимых ветром, и вызванная этим разница в балансе приходных и расходных статей эрозии вдоль потока при постоянстве аргументов уравнения выдувания. Установлены закономерности пространственной и временной динамики потерь почвы при постоянстве аргументов уравнения выдувания, приводящие к разделению единичного явления на пространственно-временные стадии согласно механизму эрозии. Общепринятые представления о стадиях ветровой эрозии почвы и соответствующих им зонах в пределах эродируемого поля получили количественное обоснование в рамках развиваемой теории. Получено уравнение потерь почвы от ветровой эрозии с ограниченного поля при наличии внутри почвенной границы выдувания. Материалы главы опубликованы в работах автора [33, 39,215].
В восьмой главе исследовано проникание: падающей по наклонной траектории частицы в тело почвы при ударе. Предложена качественная картина, которая реализована в. виде математической модели взаимодействия абсолютно твердой, не разрушающейся при ударе частицы, с почвенной поверхностью по модели пластической среды. Вызедена математическая модель, впервые вычленяющая вклад абразии в поток почвенной массы, возникающий при ветровой эрозии в направлении от почвы к атмосфере.. Допущения модели проверены на экспериментальном материале. Материалы главы опубликованы [26],
В девятой главе исследовано самовозникающее и самоподдерживающееся при постоянной скорости ветра явление ветровой эрозии в условиях проявления лавинного эффекта нарастания переноса почвы и ее абразии. Поток абразива, представляющий из себя поток скачущих частиц, определяемый саморазвитием явления ветровой эрозии, формально задается уравнениями: а) выдувания, б) траектории и в) выбивания. Тем самым найдено решение, освобождающее от необходимости произвольного назначения потока абразива что отличает настоящее исследование от всех известных.
Предложена модель механизма возіпікновения лавинного эффекта нарастания переноса почвенных частиц и найден механизм самоограничения лавинного эффекта (при неизменной скорости ветра). Получено и проверено на экспериментальном материале обобщенное уравнение потерь почвы, учитывающее лавинный эффект и абразию, в котором раскрыта структура почвенной постоянной и параметра массообмена, что открывает перспективы дальнейших исследований применительно к почвам разного генезиса, свойств и типов хозяйственного использования. Материалы главы опубликованы, в работах [26,41].
В десятой главе исследовано единичное полномасштабное явление ветровой эрозии почвы. При этом впервые проведен сопряженный анализ: а) математической модели целостного явления ветровой эрозии (включающего стадии выдувания, подъема, переноса и отложения частиц), б) его изображения на снимках, сделанных из космоса, в) материалов наземных экспериментов во время пыльных бурь на аналогичных почвах, и г) полей метеорологических величин для исследуемой.территории во время протекания явления, ветровой эрозии, почерпнутых из интерактивного интернет-источника. Математическая модель построена в рамках законов механики с учетом уменыпения плотности воздуха с высотой. Полученные решения позволили исследовать структуру воздушно-почвенного потока в стратифицированной (по температуре и плотности) атмосфере и выявить способность ветра к аккумулированию на ограниченном пространстве однородных почвенных частиц, собранных с огромных по площади эродируемых территорий.
Математическая модель глобального явления, ветровой эрозии почвы, полученная в данной главе, заполняет пробел между локальными моделями ветровой эрозии и глобальными метеорологическими схемами явления Она позволяет 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- 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. Полученные решения создают фундамент для решения многих проблем, в том числе, проблем формирования ареалов повышенной радиоактивности или загрязнения в результате переотложения загрязненных почв (или промежуточных тонкодисперсных продуктов промышленности и энергетики) ветром. Основные положения, излагаемые в данной главе, опубликованы [40],Одиннадцатая глава посвящена теоретическим основам предупреждения ветровой эрозии путем повышения устойчивости почвы к выдуванию. Исследован механизм возникновения структурных связей между механическими элементами в поверхностном слое легкой по гранулометрическому составу почвы, обработанной кондиционером из класса интер полиэлектролитных комплексов. Изучена зависимость межагрегатного сцепления, параметра массообмена и почвенной постоянной выдувания от концентрации кондиционера в почве. Разработана методика оценки эффективности почвенных кондиционеров в снижении выдуваемости почв, предложена новая структура формулы критической скорости ветра для почвы, учитывающая вклад межагрегатного сцепления. Материалы главы опубликованы в работах автора [42, 43, 44].
Обобщая полученные результаты и выводы по главам представляется возможным заключить, что данная: работа открывает новое направление в почвоведении, которое может быть названо механикой ветровой эрозии почвы. Предметом нового направления является почвенный покров Земли, как объект разрушения, преобразования и созидания ветром. Задача нового направления состоит в познании причин возникновения ветровой эрозии, объяснении механизмов оірьіва, подъема, переноса, преобразования и отложения почвенных частиц ветром; в разработке методов количественного учета, научного описания, прогнозирования и предупреждения эрозии. Для него характерно- использование методов почвоведения, теории размерностей и подобия, механики многофазных сред, теоретической механики, экспериментальной аэромеханики и дифференциальных уравнений в частных производных. Специфичным для нового направления методом, вытекающим из особенностей ветровой эрозии почвы, является исследование многофазной среды воздух-почва в мезомасштабе, в отличие от макромасштаба, применяемого в механике сплошной среды. Сущность создаваемого нового направления состоит в переводе ветроэрозионных исследований из области интуитивно-логических представлений в рамки механики многофазных сред. В его основе — несводимость закономерностей ветровой эрозии на макроуровне к закономерностям на микроуровне. Оно базируется на экспериментальных и теоретических исследованиях механизмов ветровой эрозии почвы на разных уровнях и разработке математических моделей разного масштаба, от локальных до глобальных.
Работа выполнена в стенах Московского университета. Начало ее в виде кандидатской дисертации было выполненопод руководством Н.А. Качинского и М.С. Кузнецова. Большое влияние на выработку направления, целей и методов исследования- оказало личное общение с сотрудниками сначала биолго-гючвенного факультета, а затем факультета почвоведения МГУ, А.Г. Гаелем, Л.Ф; Смирновой, Ф.Р Зайдельманом, Л.О. Карпачевским, А.Д, Ворониным, Е:А: Дмитриевым, ILH. Березиным, Е.В. Шейным, С.А. Шобой, И.С. Урусевской, М.Н. Строгановой, А.С. Владыченским, В.Д. Васильевской, П!Н. Балабко, АХ. Яковлевым, С.Я Трофимовым, ВЛ. СамсоновоЙ, а также сотрудниками географического факультета, Н.И. Маккавеевым, М:Н. Заславским, Р.С. Чаловым, Г,А. Ларионовым В.Я Григорьевым, Л.Ф. Лнтвиным, Е.Ф. Зориной, Н.В. Хмелевой; Почвенного пн-та им. В.В, Докучаева, П.Н Трегубовым, Г.И. Васильевым, Д.С. Булгаковым, Е.М. Сдобниковым, Н.Н. Захаровой, FLM. Сапожниковым; Всероссийского научно-исследовательского института агролесомелиорации М:И Долгилевичем, Ю.И. Васильевым,.АЛ. Сажиным; Центральной торфо-болотной опытной станции А.И. Поздняковым; Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и зашиты почв от эрозии ЮЛ, Сухановским и А,П. Щербаковым; Всероссийского научно-исследовательского института новых материалов СВ. Михеикиным и А.Ю. Смирновым; Государственного научно-исследовательского и проектно-изыскательского института "Аэролроект" Б,А. Хотиным за которое автор всем указанным лицам благодарен. Автор признателен сотрудникам кафедры эрозии почв B.C. Родионову, ЕЛ І.Есафовой, А.Д. Флсссу, А,В, Бобкову, А.И. Михайлову, с которыми в разные годы, сотрудничал при работе и в поле и в лаборатории. Переходу на качественно новый уровень исследований, связанный с применением в почвоведении методов механики, автор обязан общением с сотрудниками механико-математического факультета МГУ С.Г. Поповым, А.-Я. Сагомоняном и В.М Гендуговым, В.М- Гендугову автор выражает особую признательность за многолетнее наставничество в области механики и консультирование в процессе подготовки диссертации. Автор благодарен Г.В. Добровольскому за поддержку научного направления, находящегося на стыке почвоведения с сопредельными дисциплинами, в рамках которого выполнена диссертация.
2. Предмет и методы исследования.
Создание физически содержательной теории ветровой эрозии почвы было начато с обобщения известных экспериментальных материалов и воспроизведения на этой основе качественной картины явления, что позволило уточнить предмет исследования при построении количественной іеории. При этом выявлены его особенности, как объекта механики многофазных сред, не позволяющие вести исследования в макромасштабе и вынуждающие поэтому ввести новый масштаб, названный мезомасштабом. Это позволило свести задачу перемещения почвенных частиц в атмосфере к: анализу движения сферического тела известного радиуса и плотности в поле тяготения под действием сил со стороны воздуха. На основании этого анализа выписаны уравнения движения частиц почвы в продольной и вертикальной координатах, которые решаются в последующих главах, а полученные для отдельных: частиц решения обобщаются на потоки массы взаимопроникающих многоскоростных континуумов. Описаны применявшиеся при этом теоретические и экспериментальные методы и полученные результаты,
2.1. Качественная картина ветровой эрозии почвы.
Явление ветровой эрозии почвы зарождается на границе твердой (почвы) и газообразной (воздуха) сред, развивается в прилегающем к Земле слое атмосферы и завершается на земной поверхности, водной или почвенной. Несмотря на изменчивость состава и свойств» атмосфера характеризуется хорошо выраженной структурированностью. Основным элементом ее структуры можно считать вихрь [64, 145, 167]- Вихри могут быть замкнутыми (тороидальными) и открытыми с торцов в поток [111, 122]. Они формируют непрерывный спектр атмосферных образований, от микроскопических завихрении, соизмеримых с размерами молекул, до гигантских систем, именуемых циклонами и антициклонами, соизмеримых с целыми континентами (Рис. 2.1.1).
В этом спектре привлекают внимание своей силой ураганы, бури, тайфуны, имеющие масштабы порядка сотен километров (Рис, 2Л.2). В районе» непосредственно примыкающем к "глазу" урагана, скорость ветра нередко превышает 200 км/ч.
Практически безопасными в отношении эрозии, но очень показательными в иллюстрации единства законов, управляющих движением потоков разного масштаба, являются вихри, возникающие при обтекании сравнительно спокойным потоком высоких препятствий, таких, как горные хребты или одиночные горы, В некоторых случаях такие вихри, имеющие вертикальную ось, формируют серии, называемые "дорожками4 Кармана (Рис. 2.1.3).
Большой разрушительной силой и частотой характеризуются смерчи и тромбы, в Америке именуемые "торнадоч\ Они имеют размер порядка сотен метров (Рис, 2.1.-4) Последним подобны значительно уступающие им в р±вмерах и разрушительной силе атмосферные образования е вертикальной оськх, так называемые "пыльные вихри" Их характерный масштаб порядка десятков метров (Рис, 2,1,5 К Эти вихри вшникашт ш сравнительно спокойная окружающем вспдухе. Но даже такой RO EVX В СВОЮ очередь состоит ш вихрей, которые образуют непрерывный спектр по размерам и частоте прохождения [8, 9. 64, Ш4 167]. Вихреная природа ветра хорошо проявляется при наличии пыли или дыма в воздухе (Рис. 2,1-6).
В з&шисимости от практических или теоретических задач в приземной области атмосферы выделяют более ияш менее однородные слои, і ІЇ-ІЖІШЙ мой атмосферы толщиной 10-17 км называют тропосферой. В нем формируются основные процессы, определяющие іюгоду, в том числе и эроздошюогшеную. Слой толщиной 1-1,5 ravt? в котором на движение воздуха оказывает, заметное влмвдие трение, называют планетарным погращршьш слоем. Самую нижнюю часть -лтого слоя, толщиной около 50-100 му называют приземным слоем Воздух находится в постоянном, чрезвычайно сложном и ичменчивом движении, скорость которого меняется в широком диапазоне [167]. Горизонтальная составляющая этого движения называемся ветром. Её зшраггеритукн скоростью и ншіранлением. Сшроок ветра в пршешюм слое е приближением к поверхности, как правило, убывает, что обусловлено прением. Степень убывания зависит от многих обстоятельств, в первую очередь от шероков&мчгети темной поверхности и типа погоды [167]. Относительно ТОНЇШЙ слой воздуха,, непосредственно пршіегающкй к земной поверхности, в кчггаром собсїнеіию и происходит падение скорости до нуля, набивают пограничным слоем. Впервые на его существование укнінл Д.И. Менделеев в [8R0 г., а математическую іеорию дал Л. Прандтль \]Q\].
В пределах пограничного слоя скорость ветра возрастает Егронордионалыю логарифму высоты над поверхностью, а м его пределами она растет столь медленно, что в первом приближении се можно принять постоянной и тем самым значительно упростить математическое описание явления в 1л$;юм J142, 64 [- Диже при ишпчш одиночных вметуїкш, кошрые несомненно во шущают поток, его можно счшать кву:шоднородньш, поскольку доказано, что степень отклонения скорости от невозмущенного значения обрамки пропорциональна квадрату высоты \4].
Масштабный фактор. Подход к моделированию ветровой эрозии почвы
В первой главе приведены сведения о масштабах распространения и вредоносности ветровой эрозии почвы, проанализированы основные теоретические и прикладные проблемы эрозиоведения и других дисциплин» предметом которых является ветровая эрозия. Обоснована необходимость разработки теории ветровой эрозии, как инструмента углубления исследований и основы практических мер по охране почвы» Дан краткий обзор состояния и истории исследований по ветровой эрозии почвы. Сформулированы и обоснованы цели диссертационной работы, намечены задачи исследования, приведено краткое описание содержания работы и полученных результатов. Обосновано создание нового научного направления в почвоведении — механики ветровой эрозии почвы.
Вторая глава посвящена выяснению предмета исследования, обоснованию новых методических подходов и описанию использованных методов. На основе анализа новых экспериментальных данных и обобщения существующих представлений дана качественная картина явления ветровой эрозии почвы, необходимая для ее количественного описания на основе методов механики многофазных сред и представлений о многоскоростных континуумах и взаимопроникающем движении компонентов. Обоснована необходимость разномасштабного подхода к исследованию, вытекающая из физики явления - несводимости законов макромира к законам микромира. В механике многофазных сред микромасштаб исследования определяется молекулярно-кинетическими размерами, то есть расстоянием между молекулами, средними длинами свободного пробега и т.п. Соответственно этому макромасштаб определяется размерами, значительно превышающими молекулярно-кинетические, и в то же время сильно уступающими расстояниям, на которых макроскопические или осредненпые параметры смеси или фаз меняются существенно (вне поверхностей разрыва) [201]. То есть, в макро мае штабе рассматривается смесь, в которой размер частиц твердой фазы велик в сравнении с молекулярно-кинетическими размерами, а их концентрация столь значительна, что они оказывают существепое влияние и па поток в целом и друг на друга, И если первое условие в случае ветровой эрозии почвы удовлетворяется (размер почвенных частиц, влекомых ветром, действительно превышает молекулярно-кинетические размеры), то второе -нет- Действительно, сосуществование в потоке скачущих частиц и переносимых ветром в подвешенном состоянии, не вызывает сомнения [24, і11, 201], а это свидетельствует о том, что суммарная их концентрация в воздухе, даже при самых сильных пыльных бурях, недостаточна для оказания существенного влияния друг на друга. Более того, показано [64], что влияние почвенной фазы на движение собственно воздуха пренебрежимо мало хотя в тонкой структуре воздушного потока могут быть обнаружены изменения, вызванные насыщением его пылью [9].
Обе указанные причины вынуждают при изучении явления ветровой эрозии почвы ввести мезомасштаб исследования. Это даст возможность исследовать движение индивидуальных почвенных частиц (мнкромасштаб), а выявленные законы их движения обобщить на весь класс (континуум) подобных частиц методами механики гетерогенных сред (мезомасштаб). Поэтому с позиций механики многокомпонентных потоков единичное полномасштабное (в почвенно-гсографическом смысле) явление ветровой эрозии, включающее стадии отрыва, подъема, переноса и отложения частиц ветром, исследуется в мезомасштабе.
В этой же главе приведены сведения о теоретических и экспериментальных методах, использованных при выполнении диссертации, а также о районах взятия образцов для исследований и их почвах. Материалы данной главы нашли свое отражение в ряде публикаций автора [97, 96, 98, 45],
В третьей главе использована, и теоретически и экспериментально обоснована новая трактовка природы подъемной силы, вырывающей частицу из почвы, основанная на действии вихря с вертикальной осью; предложено формальное выражение вихревой подъемное силы на основе уравнения Жуковского. Из собственного и почерпнутого из литературы экспериментального материала по критическим скоростям воздушного потока для разделенных на фракции агрегатов различных почв и сыпучих веществ выведены значения коэффициента подъемной силы, которые могут быть использованы при численных расчетах. Решение задачи о подъемной силе расширило возможности исследования различных аспектов явления ветровой эрозии на количественной основе и позволило перейти к изучєЕіию механизмов потерь почвы, почвозащитного действия противоэрозионных мероприятий, миграции и аккумуляции почвенных частиц, прогнозирования эрозии и расчета противоэрозионных мероприятий. Материалы, главы нашли отражение в публикациях автора [38, 39].
В четвертой главе с использованием теории подобия и анализа резмерности, а также методом эксперимента с образцами почвьь в аэродинамической трубе найдено Солее общее, чем известные, решение задачи об интенсивности выдувания почвы в зависимости от скорости ветра. Оно основано на применении показателя массообмена, предложенного В.М. Гендуговым [25], и успешно использованного при изучении водной эрозии почв [27]. С использованием этого показателя и почвенной постоянной установлен закон выдувания почвы и получено его теоретическое и экспериментальное обоснование.. Уравнение, выражающее этот закон, названное нуль-моделью выдувания, было проверено на. собственном и независимом экспериментальном материале- Для ряда образцовых почв получены величины параметра массообмена и почвенной постоянной, которые могут быть использованы при создании региональных математических моделей ветровой эрозии почвы. Материалы главы отражены в ряде публикаций автора [35,36,37,39].
В пятой главе изучены механизмы ветровой эрозии почвы на равнине -наиболее простой случай, позволяющий исключить из рассмотрения влияние рельефа на силу и направление ветра. Вместе с тем это наиболее важный-в практическом отношении случай, поскольку на равнинах сельскохозяйственные угодья выдуваются большими массивами, а масштабы явления ветровой эрозии сопоставимы с масштабами этих массивов, которые характеризуются сравнительной однородностью в отношении устойчивости к выдуванию. Для этого случая впервые получено решение задачи о траекториях почвенных частиц в рамках законов механики с учетом инерции, объясняющее не только безвозвратный унос частиц, но и скачкообразное их движение (сальтацию).. Введен показатель характера движения почвенной частицы в воздушном потоке, эрозионное число, представляющий собой отношение подъемной силы, действующей на частицу, к её весу, который при значениях близких к единице становится критерием способа движения частицы в потоке. Продемонстрирована исключительная полезность эрозионного числа при построении теории ветровой эрозии почвы. Решения задачи о траекториях индивидуальных почвенных частиц, полученные на основе использования методов механики многофазных сред и представления о взаимопроникающем движении многоскоростных континуумов, обобщены на весь воздушно-почвенный поток, возникающий при ветровой эрозии почвы. Исследована концентрация почвенной фазы континуума почвенных частиц вдоль траектории его центра массы. Найдена возможность перехода от закономерностей движения индивидуальных частиц к закономерностям движения их ансамблей в рамках законов механики. Основные положения теории подтверждены проверкой на собственном экспериментальном материале и материале из независимых источников. Материалы главы опубликованы автором [361.
Теоретическое и экспериментальное решение задачи о подъемной силе и межагрегатном сцеплении
Движение почвенной частицы по воздуху есть результат совокупного действия ряда аэродинамических и электрических сил [9, 11, 60, 65, 68, 72, 74, 77,93, 100, 112, 118, 161, 179, 180, 184, 201]. Рассмотрим действующие силы и выделим главные, определяющие процесс. Поскольку в отсутствие ветра эрозия не наблюдается, аэродинамические силы являются главными. Силам электрической природы остается отклоняющее воздействие, которое в условиях выпадения пыли из спокойной атмосферы может стать существенным в формировании полей аккумуляции [118], Имея в виду получение прозрачного решения, воспользуемся данными [65] о том, что силы электрической природы имеют второй порядок малости по сравнению с аэродинамическими силами, и опустим их из рассмотрения па этом этапе. Ограничиваясь квазистационарным приближением в исследовании эрозии, опустим силы Бассэ и присоединенных масс [112]. Имея в виду, что в момент отрыва частица не вращается, опустим и силу Магнуса, которая проявляется при больших угловых скоростях частицы в воздухе [169, 77]. Природу подъемной силы, которая обеспечивает ускорение частипы в вертикальном направлении, и силы лобового давления, которая обеспечивает ускорение частицы в направлении ветра [9, 11, 53, 62, 72, 184, 195], будем исследовать в рамках принятых в разделе 2.2 приближений.
Природа силы лобового сопротивления считается установленной. Ее связывают с квадратом скорости потока, площадью поперечного сечения частицы и ее формой, учитываемой коэффициентом лобового сопротивления [9, 11,53, 179, 180], Суммарное лобовое сопротивление почвенных агрегатов на единице поверхности почвы равно касательному напряжению на поверхности почвы, определяемому по уравнениям (2,3. L) и (2.3,2).
Относительно природы подъемной силы нет общего устоявшегося мнения. Возникновение этой силы часто связывают с возникновением разницы в давлении между верхней и нижней поверхностями обтекаемой потоком частицы [17, 179, 180, 199, 232]. Подъемная сила, определяемая таким образом, стремительно убывает по мере удаления почвенной частицы от поверхности и на высоте, равной нескольким диаметрам частицы, она стремится к нулю [180, 199], Тем самым исключается возможность подъема частиц на большую высоту, что противоречит действительности.
Например, при скорости ветра в 14,8 м/с, агрегаты пред Кавказе кого чернозема размером 3-5 мм во время пыльной бури перемешались у поверхности, в слое 0-40 см, а 2-3 мм - в слое 0-150 СхМ [14], В результате, для объяснения причин их подскакивания на столь большую высоту дополнительно привлекается представление об упругих силах, проявляющихся при их ударе о поверхность [184, 201, 77]. В данном случае такое объяснение неубедительно. Ведь для того, чтобы причиной отскока частицы стал удар, она прежде должна быть оторвана от поверхности и приведена в движение с достаточной скоростью. Друшми словами, вопрос о подъемной силе, замыкается сам на себя.
Кроме того, рассматриваемая трактовка подъемной силы противоречит экспериментально установленному факту выдувания почвенных частиц из-под мульчирующего покрытия (в частности, из-под сплошного слоя прикрывающих их металлических шариков [62, 61]), а также из узких щелей, перпендикулярных ветру [11], и не объясняет подъема почвенных частиц на многокилометровую высоту [111].
Следовательно, существующие представления о силах, отрывающих частицы почвы от поверхности, не позволяют удовлетворительно объяснить экспериментальные факты, что вынуждает вернуться к их рассмотрению более детально.
При решении вопроса о природе подъемной силы воспользуемся идеей Н.Е. Жуковского о захвате из потока и переносе по воздуху твердых частиц вихрями [68], Отличительной особенностью вихрей является то, что скорость движения воздуха в них стремительно возрастает в направлении от периферии к оси иращения, а давление столь же стремительно падает. При этом нередко создаются условия для преодоления потоком скорости звука, что сопровождается возникновением ударной волны, воспринимаемой на слух, как треск, гром или щелканье бичем [11L, 167, 170]. Н.Е. Жуковский дал не только идею, но и теорию захвата летящей частицы плоским эллиптическим вихрем через боковую "поверхность" в связанных с ним координатах, В соответствии с этой теорией захваченная частица перемещается вдоль градиента напора к оси вихря по спиральной траектории в плоскости, перпендикулярной его оси (Рис. 3.2,1.) Выпадающая из одного вихря частица подхватывается другим, что обеспечивает ее перемещение потоком.
Тот факг, что почвенная частица поддерживается в воздухе именно вихрями, подчеркивается Н.Е.Жуковским путем использования термина "подвешенная частица", который, по-видимому, происходит от подвешенная вихрем частина1 или "подвешенная к вихрю частица". Термин, введенный классиком» точнее отражает динамическую суть явления, чем распространенный сейчас термин "взвешенная в воздухе частица", который ассоциируется со статикой. Однако вихрь, имеющий горизонтальную ось, не может захватить частицу с поверхности, так как боковое его касание почвенной поверхности уничтожает сам вихрь- В то же время многие экспериментальные факты, в частности, результаты наблюдения над торнадо (тромбами), смерчами и пыльными вихрями, а также изображения частиц почвы в воздушном потоке, полученные с использованием специальной кино- и фотосъемки [77, III, 184] (Рис. 3.2.2.), указывают на то, что отрыв частицы от поверхности связан с прохождением вихря. Действительно, взлетающие частицы на Рис, 3,2,2 выглядят так, как они должны были бы выглядеть, поднимаясь внутри вихря, имеющего ось, направленную под достаточно большим углом к поверхности, и вращаясь при этом в плоскости, перпендикулярной к ней. Легко представить, что в проекции на плоскость, перпендикулярную оси подобного вихря, траектории частиц на Рис. 3.2.2 качественно соответствуют картине, полученной Н,Е. Жуковским для плоского вихря (Рис- 3.2.1). В таком случае траектория частицы после отрыва должна зависеть от размера и силы оторвавшего и бросившего ее в поток вихря. А сила зта может быть очень большой, о чем свидетельствуют измеренные скорости вращения частиц в потоке достигающие сотен и тысяч оборотов в секунду [77, 179].
Другим свидетельством в пользу отрыва частиц вихрями служит экспериментально установленный факт колебания частицы перед отрывом от поверхности с частотой, близкой к частоте наиболее сильных пульсаций скорости ветра. Так, средняя частота колебаний почвенных частиц непосредственно перед отрывом от поверхности в лабораторной аэродинамической трубе составляла 1,8 Гц, а частота наиболее сильных пульсаций продольной составляющей скорости составляла 2,3 Гц [238]. Частота пульсаций скорости определяется частотой прохождения вихрей, что подтверждает связь между колебаниями частицы и прохождением вихрей, самые сильные из которых отклоняют частицу от положения равновесия или даже отрывают ее от поверхности. Отставание частоты колебаний частицы от частоты пульсаций вполне обоснованно объясняется [238] гигантской, в три порядка, разницей между плотностью воздуха и плотностью почвы.
Модель воздушно-почвенного потока в приближениях механики многофазных сред
Структура воздушно-почвенного потока при безвозвратном уносе частиц. Качественный анализ воздушно-почвенного потока проведем на основе решении уравнений движения, полученных для случая безвозвратного уноса частиц (Et ]), Особенно простую форму характеристики имеют при vf — v] .
В этом случае они представляют собой прямые (5-3Л0), вдоль которых объемная {аі) и массовая (cf) концентрации постоянны и равны своим значениям на поверхности. При наличии в потоке множества сортов частиц концентрация почвенной фазы в произвольной точке пространства над эродируемой поверхностью определяется числом, w траекторий / почвенных частиц, проходящих через эту точку, и равна сумме концентраций ст,, характерных для каждой из траекторий- Это справедливо по отношению к любой точке потока над эродируемой поверхностью. Следовательно, структура воздушно-почвенного потока определяется содержанием в почве "летучих" при данной скорости ветра фракций агрегатов, г,.
Проиллюстрируем эти выводы на конкретном примере. Рассмотрим эродируемый участок L бесконечного поля в направлении ветра. Для простоты будем считать, что в поверхностном слое почвы, характеризующемся нарушенными ветром межагрегатными связями, содержатся лишь частички двух сортов, г\ и г2 а скорость ветра такова, что частицы обеих сортов выносятся в ноток безвозвратно В таком случае траектории частиц сорта (1), как установлено выше (5.3Л0), представляют собой параллельные прямые, берущие начало на поверхности почвы. Из геометрических соображений следует, что они наклонены под углом arctg{vJU) к горизонту. Аналогично этому траектории частиц сорта (2) также представляют собой прямые, наклоненные под углом arctg{v2lU). Изобразим траектории частиц этих двух сортов, берущие начало в трех точках на отрезке L: в его начале, конце и в произвольной точке А (Рис, 6.1 Л.).
Из полученной плоской модели структуры воздушно-почвенного потока ясно, что в области пространства ВОСМ находятся только траектории частиц сорта (1). Вдоль каждой из них концентрация почвенной фазы равна с,, поэтому во всей этой области она равна с}. В области OCL присутствуют траектории частиц обеих сортов, поэтому в произвольной точке D из этой области две траектории пересекаются- Поскольку вдоль каждой из них концентрация частиц /-го сорта постоянна, то в точке D концентрация твердой фазы равна с = с}+с29 то есть сумме концентраций частиц двух сортов. В области MCN траекторий частиц сортов (1) и (2), исходящих из OL, нет, поэтому в ней нет частиц сортов (1) и (2), то есть концентрация твердой фазы в этой области в данном случае равна нулю с = 0. Наконец, в области NCLK присутствуют только частицы сорта (2) и поэтому концентрация твердой фазы в этой области равна с = с2.
Полученная модель безвозвратного уноса почвы имеет большое эвристическое значение, поскольку она открывает возможность строгого исследования поперечной вертикальной и продольной структур воздушно-почвешюго потока и прогнозирования потерь почвы при ветровой эрозии. Функционирование этой модели возможно лишь при условии поступления в поток почвенных частиц радиусом г19 имеющих скорость v,. Из приведенного рассмотрения следует, что структура пылевого облака над поверхностью почвы в момент ее выдувания достаточно сложна: даже в самом простом случае двухкомпонентной почвы поток расслаивается н образует три основные области с характерными для них концентрациями твердой фазы. Рассмотрим вертикальные и продольные и срезы" этих областей.
Вертикальные профили концентрации твердой фазы, полученные с использованием разработанной модели (Рис. 6.1.2), адекватно отражают изменение структуры пылевого облака. Действительно, в пределах участка выдувания I, (Рис. 6.1.2, профили л-, и х2) концентрация твердой фазы уменьшается с высотой, что качественно согласуется с общепринятыми представлениями и многочисленными опытными данными разных авторов [78, 210, 281]. Но закон ее изменения с высотой закономерно изменяется вдоль потока. Причиной этого, как следует из решения, является богатство агрегатного состава почвы и, как следствие, разнообразие траекторий их подъема. Отсюда следует бесперспективность поиска универсальной модели профиля концентрации в функции только высоты, как это до сих пор широко практикуется [211],,
Механизм формирования структуры воздушно-почвенного потока и её изменения с расстоянием диктует закономерную принципиальную перестройку вертикального профиля, концентрации почвенной фазы в потоке при переходе от эродируемой поверхности к неэродируемой. Суть ее состоит в том, что убывающая функция сменяется ограниченно-возрастающей. Действительно, за пределами эродируемого участка L (Рис. 6,1.2) профиль концентрации описывается возрастающей функцией высоты, как, например, над точками у_ и
Возрастание, естественно, ограничено уравнением траектории: Полученное решение объясняет механизм удивительного явления, возрастания концентрации почвенной фазы в потоке с высотой [210], и, тем самым, дает указание на место в системе эродируемых полей, где это явление проявляется — в зоне, примыкающей к эродируемому полю с подветренной стороны.
Из уравнения: (6-L2) следует, что поток твердой фазы определяется; концентрацией почвенных частиц и воздухе, что и требовалось..
Полученная (Рис. 6.1,3.) картина изменения усредненных концентраций и связанных с ней потоков твердой фазы с расстоянием соответствует общепринятым представлениям и известным экспериментальным данным. В частности, увеличение горизонтального потока с расстоянием вдоль ветра на начальном участке эродируемого поля многократно подтверждалось прямыми измерениями в поле [11, 71, 201, 271,272]. Убывание же документировано хуже [194]. Скорее всего это связано с организационными трудностями измерения потока твердой фазы одновременно на большой территории, а также с техническими трудностями измерения природных потоков с низкой концентраций твердой фазы
Структура воздушно-почвенного потока при скачкообразном движении частил
Возникновение и структура воздушно-почвенного потока определяются эрозионными числами Ег почвенных частиц в потоке. Случай с Et 1 разобран в разделе 6.1, где показано, что п любой точке такого потока массовая концентрация с, остается неизменной. При Я, = 1 частицы, согласно решению, бесконечно приближаются к предельной высоте горизонтального полета по (53.12). При Ef ! частицы /-го сорта передвигаются скачками вдоль выпуклых траекторий. Поскольку частицы абсолютно одинаковые, их траектории также одинаковы. Качественный анализ воздушно-почвенного потока в этом случае проведем на основе решений уравнений движения, полученных в главе 5, Для исключения краевого эффекта примем дополнительное условие - будем считать эродируемое поле бесконечным. Такая идеализация соответствует той части реального конечного поля, в пределах которой не проявляется влияние границы поля.
Рассмотрим траекторию, имеющую начало в произвольной точке А (Рис, 6.3Л) и конец в точке В. По причине одинаковости траекторий положение точки В относительно А строго определено уравнением траектории (5.1.20), Кроме того, » точке В может заканчиваться только одна траектория, а именно АВ. Начинаться в ней может тоже только одна траектория, обозначим се ВС. В точке /) может заканчиваться тоже только одна траектория, обозначим ее ЕА и так далее, до бесконечности. Отсюда ясно» что дуги ЕАУ АВ ВС , а также бесконечное количество луг, которое можно последовательно присоединить к ним слева и справа во уравнению траектории (5.1 -2D), явдяются фактически участками одной траектории» причем одинаковыми участками. В соответствии с (5.3.14) концентрация частий і-то сорта вдоль нее остается поетошгной, равной сг Следовательно, ома будет постоянной, равной с/л и в каждой из точек этой траектории, Е. А- В, С располагающихся на поверхности.
Поскольку положений точки А выбрано 11 рои: волы І о, этот вывод имеет силу применительно ко всей эродируемой поверхности. Постоянство концентрации сс частиц /-го сорта на поверхности отражает тот достаточно очевидный факт, что при указанных условиях задачи число частиц поступающих в произвольную точку из потока, равно числу вылетающих из нее.
В точку Д представляющую собой наивысшую точку траектории частиц /-го copra, моїут с течением времени попасть только частицы тгого еоргя, стартовавшие щ точки А. Следовательно, ш этой точке согласно (53.14) концентрации почвенной фазы будет оставаться постоянной, равной с„ кш и в начальной и шнсчноЛ точках рассматриваемой душ АВ, В физическом плане это обусловлено равенством числа поступающих в нее частиц числу покидающих ее. Так как положение АВ выбрано произвольно, тгот ВЫВОД справедлив по отношению ко всему слою толщиной 2/ представляющему собой мерхшою граншцу слоя еаиьтшри, расположенную на высоте h согласно уравнению (5Л.22), В математическом плане этот слой представляет собой плоскую поверхность, постольку я масштабах, характерных цяя рассматриваемого явления на макроуровне, порядок размеров частин пренебрежимо май по сравнению с порядком размеров эродируемой поверхности Каждая траектория состоит да участков подъема (AD) и падения частиц (DB). Иі одинаковости формы траекторий, обусловленной одмшжоноечыо частин, следует что для каждой тонки на восходящей вегвв А!) всегда найдется проходящая через нее ветвь соседней траекторий, имеющей начало tm отрезке EAt а для каждой точки на нисходящей ветви DBy всегда найдется проходящая через нее ветвь траектории, имеющей начало на отрезке АВ. Отсюда следует, что в любой точке потока, между поверхностью почвы и высотой Д пересекаются две траектории, а концентрация твердой фазы в точке пересечения равна сумме концентраций, соответствующих каждой из траекторий. Поскольку частицы одинаковы, эта сумма равна удвоенной концентрации частиц данного сорта, 2с,. Следовательно, на дуге ЛВ, за исключением точек ее начала, Л, конца, 5, и максимума высоты подъема, Д концентрация почвенных частиц равна 2с,-, Поскольку положение АВ выбрано произвольно, вывод о том, что концентрация частиц 7-го сорта постоянна и равна 2с,ч применим ко всему слою сальтации данной фракции, за исключением двух его граничных слоев: нижнего, расположенного на поверхности почвы, и верхнего, расположенного на высоте максимума траектории; /i..
Таким образом, при Et 1 над эродируемой, однородной по агрегатному составу почвой, в условиях бесконечного поля над ним образуется слой сальтации, в пределах которого концентрация почвенных частиц ї-то сорта будет равна. 2с,-, а-на. его-границах с,. Над слоем сальтации, толщина которого определяется уравнением (5Л .22), воздух будет чистым. При условии Е. 1, когда все частицы z-ro сорта будут уноситься безвозвратно, над почвенной поверхностью сформируется однородный запыленный слой с концентрацией почвенной фазы с,. Толщина этого слоя стремится к бесконечности, В физическом плане, она ограничена вертикальной составляющей скорости подъема частицы и временем развития явления ветровой эрозии.
Если число сортов скачущих частиц равно двум, то, согласно (5Л.20) образуются два. взаимопроникающих слоя сальтации с характерными для: формирующих их частиц траекториями. В: первую очередь эти слои различаются толщиной, которая определяется высотой подскакивания, частиц. При этом более крупным частицам соответствует меньшая толщина слоя сальтации. Поскольку континуумы, являются взаимопроникающими, концентрация частиц в любой точке общего пространства равна сумме концентраций, присущих каждому из континуумов, в данном случае двух, в этой точке» Поэтому в каждой точке меньшего слоя сальтации концентрация равна 2с\+2с2, где С] и с2 - соответственно, концентрации частиц первого и второго сортов. На верхней границе меньшего слоя сальтации, как было показано выше, концентрация равна си поэтому суммарная концентрация твердой фазы в потоке на этой высоте: равна с\+2с2. На верхней границе большего слоя сальтации, в силу тех же причин концентрация равна е .. На поверхности почвы она равна С+с Над верхним слоем сальтации концентрация почвенных частиц при данных условиях задачи равна нулю.
В случае почвы, состоящей из двух фракций, каждая из которых при данной скорости Ue способна лететь, поскольку для каждой из них Е, 1, сформируется два азаимопроникающих континуума. Поскольку принято условие бесконечности эродируемого поля, эти потоки не могут разойтись, несмотря на различие в углах наклона тр&еггорий слагающих их частиц, и континуумы будут везде взаимопроникающими с концентрацией іючненной фазы, равной сумме концентраций каждой ш фракцийt c -cs.
Результирующий поток, состоящий из скачущих и улетающих безвозвратно частиц, над бесконечным -эродируемым негром нолем имеет слоистую структуру. В случае дух сортов скачущих ч&сищ (г{ г- ). над отрезком LM формируется шесть параллельно расположенных слоев (Рие.&Л,2) с различными концентрациями почвенной фазы., указанными в круглых скобках: I) самый нижний слой, предстааііяющий собой почвенную поверхность с теми почвенными частицами 1-го и 2-го сортов, которые утратили межагрегатное сцепление (с - &) ?); 2) слой движения скачущих частиц 1-го и 2-го сортов толщина коїорого определяется высотой скачка частиц 1-го сорта {с 2с 2с?}: 3) - верхняя граница слоя ешшгации чясгиц 1-го сорта ( с - с\+2сз): 4) - слой, в котором присутствуют только скачущие частицы 2-го сорта {с 2с ); 5) — верхняя Гранина слоя с&тьтации частиц 2-го сорта ( с - с2): 6) слой чистою воздуха, расположенный нылш верхней іряннцм слоя сальтации почвенных частий {с щ).
