Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы 14
1.1. Ограниченность применения математических моделей для количественной оценки эффективности противоэрозионных технологий 14
1.2. Сложности определения основных параметров подстилающей поверхности склоновых земель
1.2.1. Критический анализ методов определения гидравлических сопротивлений водного потока на подстилающей поверхности 24
1.2.2. Некоторые особенности определения гидравлических параметров подстилающей поверхности 34
1.3. Обзор методов и технических средств контроля параметров подстилающей поверхности 36
1.3.1. Параметры и классификация способов контроля шероховатости поверхности 36
1.3.2. Анализ известных методик и технических средств контроля параметров подстилающей поверхности 41
1.4. Недостатки существующих подходов по оценке эффективности и проектированию противоэрозионных технологий 52
1.4.1. Агротехнические требования при проведении противоэрози-онных технологий 52
1.4.2. Особенности проектирования противоэрозионных мероприятий, применяемых на склоновых агроландшафтах 53
1.4.3. Существующие и разработанные методы оценки противоэро-зионных технологий 58
1.5 Выводы по главе 1 60
ГЛАВА 2. Математическое моделирование движения водного потока на склоновом агроландшафте 63
2.1. Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики водного потока 63
2.1.1. Математическая модель движения временного водного потока 63
2.1.2. Аналитическое решение модели в дифференциальной форме 71
2.1.3. Графоаналитическое решение модели в дифференциальной форме
2.2. Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики наносонесущего водного потока 83
2.3. Направление движения и формирование стока атмосферных осадков на склоновом агроландшафте 95
2.4. Математическое моделирование направления движения водотока по подстилающей поверхности 98
2.5. Математическое моделирование направления развития микрорусла в подстилающей поверхности 103
2.6. Энергетическое обоснование движения водного потока 107
2.7. Сравнение результатов расчета водной эрозии почвы с данными наблюдений на склоновых агроландшафтах 114
2.8. Выводы по главе 2 119
ГЛАВА 3. Экспериментальные установки и методики исследований 121
3.1. Методика и профилометр для определения направления дви жения стока атмосферных осадков 121
3.1.1. Устройство профилометра и принцип работы 121
3.1.2. Обоснование конструктивно-технологических параметров профилометра для определения направления движения стока атмосферных осадков 125
3.2. Устройство и методика для моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности 127
3.3. Устройство и методика для моделирования развития микрорусла в подстилающей поверхности 130
3.4. Профилографы и методика для определения среднего уклона, шероховатости и волнистости элементарной площадки в полевых условиях
3.4.1. Устройство профилографов и принципы их работы 133
3.4.2. Обоснование конструктивно-технологических параметров профилографов 143
3.4.3. Методика определения коэффициента гидравлической шероховатости эродированной почвы
3.5. Гидродинамический способ определения эквивалентной шероховатости поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях 152
3.6. Методика количественной оценки растительных элементов на поверхности почвы 157
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований ... 160
4.1. Исследование гидродинамической характеристики водного потока 160
4.2. Результаты экспериментальных исследований по определению направления движения стока атмосферных осадков 162
4.3. Результаты экспериментальных исследований по моделированию направления движения водотока по подстилающей поверхности 164
4.4. Результаты экспериментальных исследований по моделированию развития микрорусла в подстилающей поверхности 168
4.5. Результаты экспериментальных исследований по определению основных параметров подстилающей поверхности в полевых условиях 172
4.5.1. Результаты исследований по определению среднего уклона, шероховатости и волнистости элементарной площадки в по левых условиях 172
4.5.2. Результаты экспериментальных исследований коэффициента гидравлической шероховатости 180
4.6. Результаты экспериментальных исследований по определению эквивалентной шероховатости поверхности для оценки проти воэрозионных мероприятий на склоновых землях 192
4.7. Результаты экспериментальных исследований по количественной оценке растительных элементов на поверхности почвы 194
4.8. Выводы по главе 4 197
ГЛАВА 5. Реализация результатов экспериментальных исследований 201
5.1. Разработка и применение методики проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах 201
5.1.1. Разработка методики проектирования и контроля противоэро зионных технологий на склоновых агроландшафтах 201
5.1.2. Применение методики контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах 212
5.2. Применение методов и технических средств контроля для поч-венно-мелиоративных изысканий при реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» 224
5.3. Разработка рабочих органов противоэрозионных машин
5.3.1. Разработка рабочих органов противоэрозионных почвообрабатывающих машин 234
5.3.2. Разработка сошников посевных машин 243
5.3.3. Разработка рабочих органов для внутрипочвенного внесения жидких мелиорантов 251
5.4. Выводы по главе 5 257
ГЛАВА 6. Экономическая и энергетическая эффективность внедренных разработок 260
6.1. Технико-экономическая оценка противоэрозионной технологии 260
6.2. Технико-экономическая оценка применения технических средств контроля противоэрозионной технологии 268
Заключение 272
Список литературы
- Сложности определения основных параметров подстилающей поверхности склоновых земель
- Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики наносонесущего водного потока
- Обоснование конструктивно-технологических параметров профилометра для определения направления движения стока атмосферных осадков
- Результаты экспериментальных исследований по моделированию развития микрорусла в подстилающей поверхности
Введение к работе
Актуальность темы исследования. За последнее десятилетие в России уделяется большое внимание проблемам снижения плодородия почв, разрушения почвенного покрова, ухудшения и уменьшения земельных ресурсов, а также первоочередным научно-техническим, организационным и другим мероприятиям по сохранению агроландшафтов и экосистем. Поэтому не случайно Правительством Российской Федерации были признаны приоритетными федеральные целевые программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 - 2010 годы и на период до 2013 года» и «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы».
В концепциях федеральных программ отмечается, что на агроландшафтах существенно увеличилось количество почв, подверженных эрозии и действию различных негативных явлений, в особенности для пашни плодородие почв снизилось на 30…60 %. В настоящее время не проводится ежегодный контроль за состоянием склоновых агроландшафтов, что не позволяет систематизировать и рационально оценивать эти явления. Важно перейти от пятилетнего обследования на ежегодный количественный контроль параметров подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов.
Степень её разработанности. Вопросам поверхностного задержания стока уделялось значительное внимание, поскольку, решая их, возможно активно управлять процессами стокообразования и эрозии почв при внедрении и контроле противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах. В нашей стране и за рубежом разработано множество подходов к оценке противоэрози-онных технологий, однако не все из них соответствуют действительности происходящих процессов. Наблюдаемое несоответствие вероятнее всего объясняется недостаточным учетом параметров почвы. Эти параметры на склоновых агроландшафтах меняются существенно, и гидравлика склонового стока имеет свои принципиальные особенности по сравнению, например, с речными процессами, таким образом, возникают определенные затруднения научного, методического и технического плана.
Следовательно, отсутствие научно обоснованных подходов для разработки методов и технических средств контроля, а также рабочих органов почвообрабатывающих машин для противоэрозионных технологий, направленных на сохранение и повышение плодородия почв путем снижения интенсивности и предупреждения процессов водной эрозии на склоновых агроландшафтах, является актуальной и практически значимой научной проблемой.
Как следует из вышеизложенного комплексное решение проблемы мониторинга и оценки противоэрозионных технологий с учетом концепций федеральных программ в первую очередь связано с отысканием объективных показателей подстилающей поверхности склоновых земель, удовлетворяющих требованиям практики, и разработкой методов и технических средств контроля для их определения.
Цели и задачи. Цель исследований – повышение эффективности мелиоративных мероприятий за счет существенного снижения интенсивности эрозионных процессов на основе разработки методов и технических средств контроля, а также рабочих органов почвообрабатывающих машин для противоэрози-онных технологий на склоновых агроландшафтах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
1. Разработать уравнение движения временного водного потока для
оценки и проектирования противоэрозионных технологий и средств механиза
ции, применяемых на склоновых агроландшафтах.
-
Обосновать основные параметры контроля подстилающей поверхности, значительно влияющие на интенсивность эрозионного процесса для склонового агроландшафта.
-
Для определения интенсивности процессов эрозии почв на склоновых агроландшафтах разработать методы и технические средства контроля, позволяющие получить достоверную информацию об изменении основных параметров подстилающей поверхности склонового агроландшафта.
-
Для снижения интенсивности процессов эрозии почв разработать конструктивно-технологические схемы рабочих органов противоэрозионных почвообрабатывающих машин, обеспечивающих создание противоэрозионной подстилающей поверхности склонового агроландшафта.
5. Провести энергетическую и технико-экономическую оценку эффек
тивности рекомендуемых противоэрозионных технологий с применением раз
работанных орудий и технических средств контроля.
Объектом исследования являются почвы земель сельскохозяйственного назначения, технические средства контроля параметров подстилающей поверхности, водный поток, рабочие органы машин, семенной материал и мелиоранты для противоэрозионных технологий, сельскохозяйственные земли, находящиеся в различных формах пользования, владения или собственности.
Предмет исследования - параметры контроля подстилающей поверхности склоновых земель, закономерности технологических процессов контроля и работы рабочих органов машин для противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах.
Научную новизну работы составляют: разработано уравнение движения временного водного потока по подстилающей поверхности склонового агро-ландшафта; предложена гидродинамическая характеристика водного потока движущегося по подстилающей поверхности склонового агроландшафта; разработан метод определения среднего уклона, шероховатости и волнистости подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов; разработан метод определения направления стока атмосферных осадков в полевых условиях; разработаны устройства для профилирования поверхности почвы: профилометр и профилографы; предложены конструктивно-технологические схемы рабочих органов противоэрозионных почвообрабатывающих машин; предложены номограммы для подбора противоэрозионных мелиоративных технологий на склоновом агроландшафте.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы, для реализации которых, созданы производственные образцы профилографов и лабораторные приборы. Уравнение движения временного водного потока позволило спрогнозировать эрозионные процессы на склоновых землях СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики.
Результаты работы использовались при проектных и изыскательских мероприятиях для реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Канашского района Чувашской Республики в рамках федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы». Для рассматриваемых условий были выполнены почвенно-мелиоративные изыскания (в т.ч. определение потенциала эрозионной стойкости почв, коэффициента гидравлической шероховатости дневной поверхности почв с отображением в виде карт изолиний). Подготовлена конструкторская документация по выпуску профилографов.
Результаты исследований отражены в отчете по гранту РФФИ №13-05-97048 на тему «Совершенствование методики оценки противоэрозионных мероприятий для оптимизации технологий экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции растениеводства на склоновых землях» (государственный регистрационный номер ЦИТиС: № 01201366219).
Материалы исследований переданы федеральному государственному бюджетному учреждению «Управление мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения по Чувашской Республике» и Министерству образования и молодежной политики Чувашской Республики.
Разработанные автором методы контроля противоэрозионных технологий используются в учебном процессе ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, ФГБОУ ВО Костромская ГСХА и других вузов.
Методология и методы исследований. Исследования проводились на основе анализа и синтеза технологических процессов с использованием положений и законов классической механики, гидродинамики, механики двухфазных сред, математического моделирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Уравнение движения временного водного потока по подстилающей поверхности склонового агроландшафта.
-
Параметры контроля подстилающей поверхности, значительно влияющие на интенсивность эрозионного процесса для склонового агроландшафта.
-
Методы и технические средства контроля основных параметров подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов.
-
Конструктивно-технологические схемы рабочих органов противоэро-зионных машин.
-
Результаты энергетической и технико-экономической оценки эффективности рекомендуемых противоэрозионных технологий.
Степень достоверности и апробация результатов. Выполнение лабораторных и полевых экспериментальных исследований с применением современ-
ных методов моделирования, средств измерений и методов обработки данных позволяет получить обоснованные, достоверные и соответствующие теме диссертации результаты исследований и общие выводы.
Основное содержание диссертационной работы докладывалось на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА в период с 2002 по 2015 г.г.; на всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства», посвященной 50-летию инженерного факультета (г. Чебоксары, 24-25 ноября 2011 г.); на первой международной молодежной научно-практической конференции «Достижения современной науки в области энергосбережения» (г. Чебоксары, 4-7 декабря 2013 года); на третьей и восьмой межрегиональной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс: состояние, проблемы и перспективы развития» (г. Чебоксары, 10-11 февраля 2009 г. и 11-12 февраля 2015 г.); на XVIII Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2015» (серебряная медаль, г. Москва, 02-05 апреля 2015 г.); на VIII Международной (XII Всероссийской) научной конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (дипломом II степени, г. Москва, 9 октября 2015 г.); на Международной научно-практической конференции «Продовольственная безопасность и устойчивое развитие АПК» (г. Чебоксары, 20-21 октября 2015 г.); на Международной научно-практической конференции «О широком развитии мелиорации земель для получения высоких урожаев зерна и других сельскохозяйственных культур» (г. Москва, 1 июня 2016 г.). Материалы диссертации были представлены на I и II открытом Евразийском форуме «Мелиорация: эффективные технологии и инвестиции» (г. Москва, 10-11 октября 2014 г. и 8-9 октября 2015 г.), конкурсе «Лучший проект в интересах агропромышленного комплекса Российской Федерации» (г. Москва, 02-05 апреля 2015 г.).
Личный вклад соискателя. Разработаны лично соискателем: методы определения среднего уклона, шероховатости, волнистости подстилающей поверхности и направления стока атмосферных осадков в полевых условиях, технические средства для профилирования поверхности почвы, номограммы определения мелиоративных подрайонов и подбора противоэрозионных мелиоративных технологий на склоновом агроландшафте.
Основное содержание диссертации отражено автором в 40 печатных работах, в том числе: 2 монографии, 21 статью в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, 11 патентов РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 38,68 усл. п.л., из которых доля авторского вклада – 83,61 %. В автореферате приведены 34 наиболее значимые работы.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 280 наименований, в том числе 40 на иностранных языках, и приложений на 43 страницах. Работа изложена на 345 страницах, включает 21 таблицу и 126 рисунков.
Сложности определения основных параметров подстилающей поверхности склоновых земель
При формировании поверхностного водного стока в период выпадения атмосферных осадков определяющую роль играет характеристика подстилающей поверхности склонового агроландшафта. Склоновый агроландшафт представляет собой природно-территориальный комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами [113, 207]. Поскольку он характеризуется экологической неустойчивостью, то для обеспечения его равновесного состояния выполняется система агрономических, мелиоративных и экологических мероприятий. Оценивая состояние склоновых агроландшафтов, необходимо учитывать параметры склонов, размеры контуров, гидрологический режим, типы и разновидности почв, эрозионные процессы, хозяйственные условия, местоположение и др.
Изучение механизма взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью склоновых земель позволит успешно защищать почвы склоновых аг-роландшафтов от смыва [90]. В нашей стране и за рубежом разработано множество теорий русловых процессов [65, 79, 89, 164], однако не все из них соответствуют действительному эрозионному процессу. Например, в работе [159] отмечается, что получение совершенно разных значений для расчетных данных и данных наблюдений и опытов объясняется недостаточным учетом параметров и характеристик почвы.
Одним из таких параметров является шероховатость поверхности почвы, которая представляет собой множество микровариаций неровностей, образован 25 ных в результате ряда причин: механической обработки почвы, воздействия окружающей среды (температура, влажность, давление, атмосферные осадки, биологические и почвообразовательные процессы, тектонические процессы и т. д.), физико-механических свойств самой почвы и др. Шероховатость стокофор-мирующей поверхности также определяет потенциал для удержания почвенных частиц и может быть использована для прогнозирования водной и ветровой эрозии [51, 57].
Вопросам поверхностного задержания стока уделялось значительное внимание, поскольку, решая их, возможно активно управлять процессами стокообразова-ния и эрозии почв при внедрении противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах.
В [230] отмечаются принципиальные особенности гидравлики склонового стока. Известные коэффициенты для оценки гидравлического сопротивления не могут в полной мере удовлетворять сегодняшним требованиям и подходам к оценке процесса взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью, поскольку возникает ряд ограничивающих причин [101, 103, 263]: - применение известных эмпирических зависимостей для расчета коэффициента гидравлического трения и коэффициента Шези, использование и выбор которых ограничивается условиями эксперимента, в которых они получены [101]; - выбор коэффициента шероховатости с использованием известных таблиц, например Гангилье-Куттера и применением только описательного и качественно го подходов для рассматриваемых условий и характеристик подстилающей по верхности [234]; - известные коэффициенты гидравлического трения и Шези не имеют последова тельного изменения своей величины и существенно меняются в зависимости от параметров водного потока и микрорусла [88, 89].
Понятие «гидравлическое сопротивление» [101, 202, 263] представляет собой силы трения, проявляющие себя при движении водного потока, и существенно зависят от его вязкости и неровностей, слагающих микрорусло, формы поперечного сечения водного потока по длине, количества транспортируемых ча 26 стиц почвы и органических включений и других дискретных препятствий. Зная касательное напряжение и скорость движения потока воды, можно определить работу сил трения.
В работах [88, 89] установлена связь касательного напряжения на стенках русла с параметрами потока, которая определяет основу теории гидравлического сопротивления открытых русел. Сила тяжести и сила трения на стенках в неде-формируемом русле действуют одинаково при равномерном движении реальной жидкости. Основное уравнение установившегося равномерного движения представим в виде z0=pgIR, (1.22) где г0 - составляющая напряжения, касательная к плоскости русла, Па; р плотность водного потока, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; I - уклон подстилающей поверхности по которой движется водный поток; R - гидравлический радиус водного потока, м. Составляющая силы тяжести, совпадающая с направлением течения, должна быть равна полной силе сопротивления [121]. Шези А., основатель этого направления работ, предложил выражение для расчета касательно напряжения г0= , (1.23) С2 где С - коэффициент, м1/2/с; V - скорость водного потока, м/с. Ниже приведенные эмпирические формулы, полученные в результате обработки большого количества материала и информации, но не обладающего теоретическими подтверждениями [20, 106], позволяют определить коэффициент Шези С.
Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики наносонесущего водного потока
Прибор содержит раму 1, цепные измерители 2, держатель 3 с отверстиями 4, большими относительно ширины цепочного измерителя, втулки 5, установленные на держатель 3 с возможностью перемещения вдоль него. Одни концы цепочных измерителей 2 закреплены на одном конце рамы 1 на штырях 6, а другие концы пропущены через отверстия 4 держателя 3. Цепочные измерители 2 в начальных точках отсчета и на свободных концах имеют ограничительные указатели 7. На одной стороне рама 1 имеет уровень 8, компас 9 и угломер 10, а на другой - несъемную 11 и съемную 12 линейки. Для натяжения цепочных измерителей рама имеет поворотные пружины 13. На раме имеется пенал 14.
Прибор накладывают на обработанную почву горизонтально или строго параллельно ее поверхности с учетом направления обработок почвы, склона, сторон света. Затем с держателя вручную разматывают одновременно все цепочные измерители и с учетом необходимых интервалов одновременно с индивидуальной подправкой вручную их опускают на поверхность почвы, при этом следят, чтобы измерители описывали все ее неровности. Затем от указателя из точек отсчета делают линейкой или по линейке на раме фактическое измерение превышений их запасной длины до внутренней стороны рамы перед держателем. После снятия прибором линейных измерений можно на этих же местах наложений снять при натяжении пружинами всех или нужного числа измерителей координатные показания о размерах, числе и степени неровностей на площади. Наконец, после всех необходимых замеров, на месте наложения можно с помощью сетки или сита и весов учесть агрегатный состав почв в поле путем деления массы частиц на всю массу просеянной и не прошедшей свободно сквозь сито почвы.
Устройство для измерения рельефа поверхности [1] содержит основание, выполненное в виде замкнутой четырех угольной рамы с продольными и поперечными сторонами, служащими направляющими для установочно-подвижных кареток.
Первая пара установочно-подвижных кареток размещена на поперечных сторонах прямоугольной рамы, вторая пара располагается на продольных сторонах. Измерительный мост прикреплен своими концами к установочно-подвижным кареткам и несет на себе направляющую, на которой подвижно смонтированы измерительная каретка с измерительным штоком и средство регистрации перемещений измерительного штока, выполненное в виде двух барабанов и с перематываемым носителем записи и записывающего элемента, смонтированного на измерительном штоке. Основание снабжено четырьмя опорными ножками, которые могут быть выполнены регулируемыми по высоте [1].
Основание устанавливается опорными ножками на исследуемый участок рельефа, измерительный мост крепится на подвижных каретках, размещенных на поперечных сторонах замкнутой рамы основания. Измерительный шток приводится во взаимодействие с контролируемой поверхностью, после чего перемещают измерительную каретку вдоль направляющей. При этом записывающий элемент вычерчивает на носителе записи профиль контролируемой поверхности. Для увеличения вертикального масштаба записи может быть использована повышающая механическая передача [1].
Наиболее популярные методы, применяемые в зарубежных странах для получения информации о шероховатости поверхности почвы, широко представлены в литературе. Среди них: метод пин-метр (pin meter), или профилометрирование [246, 254, 267], стерео-фотография [274, 275], метод теней [251, 252, 253], лазерное сканирование [247, 257], метод цепи [260, 269] и акустического рассеяния [264].
Устройство пин-метра, или профилометра, простое, состоящее из зондов, расположенных в один ряд и имеющих возможность опускаются на поверхность почвы (рисунок 1.8). Положение зонда, возможно, фиксируют в электронном варианте или в виде фотографий и позже переводят в цифровые данные [246, 265, 274].
Основным недостатком данного способа является потенциально разрушительный эффект булавок, который не позволит провести дальнейшие измерения. Главное преимущество - его простота и легкость работы в полевых условиях. Рисунок 1.8 – Профилометр для замера высоты неровностей поверхности почвы через 20 мм
Метод теней (рисунок 1.9) базируется на принципе, что имеется прямая зависимость между величиной шероховатости поверхности почвы и площадью тени от структуры почвы при заданных параметрах падающего солнечного света [251].
Черно-белая фотография экспериментального участка супесчаных почв пашни (метод теней) Шероховатость в [251] была определена данным методом в лаборатории с использованием полусфер разного диаметра с различным распределением заданной высоты полусфер и площади их поверхности. Результаты анализа теней сравнивались с данными исследований проведенных с помощью цепей и моделированием неровностей. Этот метод оказался довольно надежным, информацию легко обрабатывать технически и анализировать, что в целом сокращает продолжительность проведения полевых исследований.
Автоматизированные лазерные приборы позволяют исследовать параметры дневной поверхности почвы без ее разрушения. Однако приборы несколько громоздки и охватывают лишь небольшую площадь исследования [248, 268]. Также известно, что лазерные приборы технически ограничены при использовании на открытом воздухе из-за помех от других источников света [247, 256, 257].
Первое использование роликовых цепей для измерения шероховатости поверхности почвы было проведено Салехом (рисунок 1.10), который показал, что роликовые цепи является более удобными для измерения шероховатости поверхности почвы, чем профилометры [269].
Обоснование конструктивно-технологических параметров профилометра для определения направления движения стока атмосферных осадков
Рассматривая движение водного потока на склоне, примем следующие допущения [45, 57, 211]: 1. Процесс движения атмосферных осадков в виде стока на склоновом агро-ландшафте происходит по мелкой сети множества микрорусел, пересекающихся и сливающихся в одно целое, тогда для первого приближения можно принять водосборную площадь как линейный канал, где происходят присущие водному потоку явления (изменения интенсивности стока по длине пути, появление боковых притоков и т.д.). 2. Вследствие продолжительности во времени взаимодействия осадков и подстилающей поверхности почва сильно переувлажняется, и с некоторым приближением не учитываются инфильтрационные процессы влаги.
При движении водного потока можно выявить основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению [60].
Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностно-го баланса. Мощностной баланс определяется затратами энергии потока на преодоление внешних и внутренних сопротивлений потоку по времени. Запишем уравнение мощностного баланса в общем случае [60]: Рv+Р v+Рv+Р,v+Рv+Рv = 0. (2.1) a ц/ ср о у j где Ра - составляющая силы тяжести элементарного объема водного потока, Н; Р - сила сопротивления размыву подстилающей поверхности склона водным по 64 током, Н; Р - сила сопротивления движению водного потока, обусловленная шероховатостью подстилающей поверхности склона, Н; Р8 - сила сопротивления движению потока растительных элементов, Н; Р - сила сопротивления движению потока, обусловленная влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Н; Р. - сила сопротивления инерции потока, Н; v - скорость движения элементарного объема водного потока, м/с. Спроецируем уравнение (2.1) на ось вдоль склона с учетом скалярного произведения векторов сил и скорости потока [60]: Pavcos0 +Pl//vcos180+P(pvcos180o +Psvcos180 +Pyvcos 180 +P,.vcos180 =0 (2.2) или Na=Nv,+Ntp+Ns+Nr+NJ, (2.3) где Na - мощность водного потока, Дж/с; N - потери мощности водного потока на размыв подстилающей поверхности склона, Дж/с; N - потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона, Дж/с; Ns - потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона, Дж/с; N потери мощности водного потока, обусловленные влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Дж/с; N - потери мощности водного потока, обусловленные влиянием инерции потока, Дж/с [46].
Выражение (2.3) является уравнением мощностного баланса водного потока движущегося по подстилающей поверхности склона. Распишем каждую составляющую, входящую в это уравнение [60]. Мощность водного потока, движущегося по склону, определяется по выражению: Na=pgiQl, (2.4) где р - плотность водного потока, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; / - уклон подстилающей поверхности склона; Q - расход водного потока, м3/с; / -длина рассматриваемого участка водного потока, м. Потери мощности водного потока на размыв или на разрушение и вынос частиц почвы подстилающей поверхности склона определяются по выражению Максимова И.И. [146]: N4/=PnXv 2 l-, (2.5) где рп - плотность почвы, кг/м3; х - смоченный периметр, м; / - длина рассмат Z риваемого участка размываемой почвы, м; — - скорость размыва временного во t дотока или скорость эрозионного разрушения, м/с; Z - слой почвы, размываемый потоком воды за определенное время /, м. Потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона определяются по выражению, полученному Васильевым С.А. в [41, 42, 57]: N = A2Jlv 3pZl, (2.6) где ер - коэффициент гидравлической шероховатости; Л - коэффициент сопро-тивления гладкой поверхности. Потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона определяется по выражению, предложенному В.С. Боровковым [34]: Ns= , (2.7) 2д2 S = =, (2.8) ыавсз где 8 - комплексная гидродинамическая характеристика растительного слоя [34]; - размер стороны квадратной площадки, на которой находится один растительный элемент, м; а - высота растительных элементов, м; в - поперечный размер растительных элементов, м; с - коэффициент гидродинамического сопротивления растительного элемента, з - коэффициент взаимного влияния (затенения) элементов растительности при достаточно близком их расположении.
Результаты экспериментальных исследований по моделированию развития микрорусла в подстилающей поверхности
Определение зависимости стока наносов от параметров определяющих движение водного потока представляет собой сложную научную задачу, рассматриваемую при решении фундаментальных и прикладных мелиоративных и гидравлических проблем управления водным потоком на склоновом агроландшафте. Особенно остро возникает вопрос при проектировании и оценке эффективности противоэрозионных мелиораций.
Сток наносов для склонового водотока состоит из стока влекомых наносов, переносимых в придонном слое, и взвешенных наносов, переносимых во всем по 84 токе. Применяемые в настоящее время подходы для определения общего стока наносов в недостаточном объеме удовлетворяют современным требованиям и не позволяют оценивать явления и процессы воздействия водного потока на подстилающую поверхность. Основные причины заключаются в следующем: - применение в гидравлических расчетах полу- или эмпирических зависимостей, использование которых ограничено требованиями и условиями тех опытов в которых они получены [26, 134, 140]; - расчет стока наносов на применении чисто описательных (а не количественных) параметров водотока и микрорусла [159, 230]; - сток наносов меняется постоянно, поскольку в динамике находятся параметры потока и русла [65, 159].
Потери энергии водного потока на перенос наносов связанны с режимом движения, интенсивностью стока, потенциалом эрозионной стойкости почвы, шероховатостью подстилающей поверхности и другими параметрами. Учитывая то, что перечисленные параметры для склоновых агроландшафтах меняются существенно и гидравлика склонового стока имеет свои принципиальные особенности [230, 234], по сравнению, например, с речными процессами при определении общего стока и транспортирующей способности водного потока реки, возникают определенные затруднения научного, методического и технического плана. Таким образом, в настоящее время отсутствуют доступные с точки зрения практики методики учета наносов в гидравлических расчетах, что ограничивает принятие управленческих решений при проектировании противоэрозионных мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах.
Как правило, в гидравлических расчетах принимают равномерное или квазиравномерное движение водного потока, когда установится баланс сил сопротивления и движущих сил [65]. Для гидравлического расчета сил сопротивления сдерживающих движение водного потока необходимы данные о характеристике подстилающей поверхности исследуемого мелиоративного мероприятия на водосборной площади. Полевые эксперименты по определению основных параметров подстилающей поверхности [40, 48, 53, 56, 171, 173], таких как коэффициент гид 85 равлической шероховатости, потенциал эрозионной стойкости почвы, количественные данные о расположении растений и пожнивных остатков на подстилающей поверхности и других критериев, обеспечат возможность получения информации о характере движения водного потока на склоне.
При проектировании противоэрозионных мелиораций, как правило, преследуют цель предотвращения эрозионных процессов или разрушения дневной поверхности почвы, однако не учитывают транспортирующую способность потока.
Многочисленные исследования о влиянии наносов на размыв микрорусла подтверждают, что количество наносов в потоке влияет на величину неразмыва-ющей скорости и несколько снижает ее [159]. Фундаментальные исследования в этом направлении позволят не только установить определенные зависимости, но и раскрыть картину взаимодействия водного потока и микрорусла в динамике.
Примем следующее дополнительное допущение к выше перечисленным: течение водного потока в микрорусле имеет равномерный и становившейся режим с постоянной концентрацией почвенных частиц по времени и длине пути. В реальности концентрация почвенных частиц в потоке существенно меняется. Известно, что общая масса транспортируемых почвенных частиц разделяется на транзитные наносы и руслоформирующие наносы, располагающиеся на границе взаимодействия водного потока и верхнего слоя почвы.
Запишем уравнение движения временного наносонесущего водного потока в упрощенной безразмерной форме [46, 61]: где / - уклон подстилающей поверхности склона; /я- сумма уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности; V – уклон гидравлических потерь на трение [40, 175]; / - уклон гидравлических потерь на размыв подстилающей поверхности склона [146]; is - уклон гидравлических потерь на преодоление растительных элементов [34]; iy - уклон гидравлических потерь на преодоление волнистости поверхности; / уклон гидравлических потерь на преодоление инерции потока; is - уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц; ic - уклон гидравлических потерь на преодоление стокоформирующей поверхности.
Для анализа движения водотоков несущих наносы можно, опираясь на уравнение баланса уклонов (2.20), использовать графическую зависимость изменения уклонов гидравлических потерь водного наносонесущего потока от скорости его движения, которое будем называть гидродинамической характеристикой водного наносонесущего потока (рисунок 2.7) [61].