Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Причины капельно-дождевой эрозии почв. Обзор литературы 9
1.1. Понятие и классификация видов эрозии почв 9
1.2. Процесс формирования капельно-дождевой эрозии 11
1.3. Структура искусственного дождя и ее влияние на капельно-дождевую эрозию 18
1.4. Способы диагностики капельно-дождевой эрозии 29
1.5. Выводы по главе 1 34
Глава 2. Моделирование процесса капельно-дождевой эрозии 37
2.1. Теоретическое обоснование формирования капельно-дождевой эрозии 37
2.2. Методика исследований 42
2.3. Физические и химические характеристики почв и грунтов 45
2.4. Результаты исследований 48
2.5. Выводы по главе 2 57
Глава 3. Капельная эрозия почв и аппаратная база для ее определения 59
3.1. Обзор существующей аппаратной базы для определения величины капельной эрозии 59
3.2. Методика определения массы разбрызганной почвы 60
3.3. Результаты опредления массы разбрызганной почвы 61
3.4. Разработка конструкции приборов регистрации динамического действия дождя на почву 69
3.5. Методика лабораторных испытаний приборов 71
3.6. Результаты лабораторных исследований полезной модели 76
3.7. Изучение силы удара капли с помощью полезной модели 82
3.8. Изучение возможности определения диаметров капель с помощью полезной модели 87
3.9. Влияние полиакриламида на разбрызгивание почвы 90
3.7. Выводы по главе 3 94
Глава 4. Капельно-дождевая эрозия орошаемого агроландшафта Шацкого района Рязанской области 96
4.1. Природная характеристика орошаемого агроландшафта 96
4.2. Методика исследований 96
4.3. Результаты исследований 101
4.4. Выводы по главе 4 104
Глава 5. Сравнительная эффективность затрат на определение величины капельной эрозии 106
5.1. Общие положения расчета эффективности 106
5.2. Выводы по главе 5 111
Заключение 112
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации 115
Приложения 117
Приложение 1 117
Приложение 2 123
Приложение 3 124
Библиографический список 126
- Структура искусственного дождя и ее влияние на капельно-дождевую эрозию
- Физические и химические характеристики почв и грунтов
- Разработка конструкции приборов регистрации динамического действия дождя на почву
- Общие положения расчета эффективности
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В Российской Федерации большая часть сельскохозяйственных земель расположена в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения. В этой связи получение стабильных высоких урожаев сельскохозяйственных культур невозможно без обоснованного управления такими режимами агроландшафтов, как водным, воздушным и питательным. Одним из инструментов такого управления является дождевание. Существующие способы расчета режима орошения позволяют избежать появления поверхностного стока и не учитывают разрушающее действие капель дождя на структурные агрегаты почвы. Уменьшение степени капельной эрозии должно достигаться путем учета свойств конкретной почвенной разности и структуры искусственного дождя. Такой подход, в целом, позволит снизить разрушение структуры почвы и, как следствие, уменьшит вынос питательных веществ за пределы контура увлажнения.
Диагностика процесса капельной эрозии является сложной задачей. Однако своевременное выявление такого вида деградации может отсрочить и предотвратить некоторые виды потери плодородия, связанные, прежде всего, с разрушением структуры. Это особенно актуально при проектировании и реконструкции мелиоративных систем. В государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020 годы запланированы мероприятия по реконструкции и строительству мелиоративных систем. В этой программе также предусматривается существенное повышение экологической составляющей мелиоративных мероприятий за счет использования природоохранных технологий и технических средств в мелиорации. Поэтому актуальным становится вопрос разработки и исследований оперативных способов контроля показателей эрозии.
Актуальность темы определяется широким распространением техники полива дождеванием, при котором высока вероятность возникновения капельно-дождевой эрозии. Существующие методики и приборы несовершенны и требуют уточнений.
Степень ее разработанности. Изучение капельно-дождевой эрозии можно отнести к сложным вопросам мелиорации. Учеными подробно разработана классификация эрозионных процессов. Вместе с тем, существуют большие различия в выводах при изучении теоретических аспектов капельной эрозии. Практические результаты достигнуты в разработке безопасной дождевальной техники. К настоящему времени сложилась группы расчетных и инструментальных методов, с помощью которых осуществляют мониторинг капельно-дождевой эрозии. Большинство из этих способов значительно трудоемки и финансово затратные. Таким образом, настоящая диссертационная работа направлена на выявление факторов, определяющих капельную эрозию, разработку технических средств и технологии их применения для мониторинга капельно-дождевой эрозии.
Цели и задачи. Целью работы является совершенствование технологии и технических средств мониторинга капельно-дождевой эрозии почв в условиях Нечерноземной зоны Российской Федерации. Мониторинг должен своевременно выявлять и оценивать величину факторов, которые определяют уровень опасности возникновения эрозии и разрушающего действия капель искусственного дождя на структурные агрегаты почв разного гранулометрического состава.
Для достижения поставленной цели автору необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Выявить факторы, которые определяют уровень опасности возникновения
эрозии и разрушающего действия капель искусственного дождя на структурные
агрегаты почв разного гранулометрического состава.
2. Оценить существующий способ определения величины капельно-
дождевой эрозии.
-
Разработать технические средства и технологии их применения для диагностики капельно-дождевой эрозии.
-
Провести сравнительный анализ существующей и разработанной технологий определения капельно-дождевой эрозии.
Научная новизна:
– произведена комплексная оценка показателей развития капельно-дождевой эрозии:
– предложены технические средства (патенты на полезную модель № 155056 и изобретение № 2518744) и технологии их применения для оценки капельно-дождевой эрозии почв;
– зарегистрирована программа для ЭВМ № 2015614657 для обработки результатов исследований капельно-дождевой эрозии, полученных с помощью патента на полезную модель 155056, изобретение 2518744;
– получены эмпирические формулы для расчета величины капельной эрозии при орошении.
Теоретическая и практическая значимость работы. По результатам выполнения работы установлена зависимость радиуса разлета почвенных фракций от параметров дождя; установлена зависимость массы разбрызганной почвы от радиуса разлета почвенных фракций, что упрощает проведение лабораторных измерений, за счет устранения необходимости в сборе и взвешивании разбрызганных почвенных фракций; установлена зависимость между величиной частоты колебаний мембраны разработанного прибора и массы разбрызганной почвы, в результате чего также отпадает необходимость в сборе и взвешивании разбрызганных почвенных фракций в полевых условиях.
Результаты диссертационной работы следует использовать при сборе полевых данных по определению, прогнозу и предупреждения возникновения капельной эрозии почвы при поливе сельскохозяйственных культур различной дождевальной техникой в условиях Нечерноземной зоны РФ. Материалы исследований могут также
служить основой для разработки мелиоративных мероприятий, направленных на предотвращение капельной эрозии на орошаемых агроландшафтах.
Методология и методы исследования. Гранулометрический состав определен по Н.А. Качинскому; наименьшая влагоемкость (НВ) – по В.Е. Кабаеву; обменные N– NH4, N–NO3 и N–NO2 – колориметрически; подвижные соединения P2O5 и K2O – по А.Т. Кирсанову; pHH2O – по ГОСТ 26483–85; Eh – потенциометрически; диаметры капель по методике В.Д. Воркова. Для исключения влияния состава воды в лабораторных исследованиях использовалась дистиллированная вода, подготовленная по ГОСТ 6709–72. Точечные пробы почв отбирались с орошаемых участков по ГОСТ 28168–89 с глубины 5...10 см. Наименование горизонтов давалось по методике Почвенного института имени В.В. Докучаева, которая заложена в основу Полевого определителя почв (2008 г.) и имеет корреляцию с традиционной классификацией 1977 г. Математический анализ выполнен в программных комплексах «Statistica 10.0» и MATLAB R2013b (version 8.2). Методика отдельных опытов описана в главах диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
-
Элементы методики мониторинга капельно-дождевой эрозии почв с учетом параметров почвы.
-
Характеристики искусственного дождя и почв и их влияние на капельную эрозию.
-
Элементы конструкции разработанных технических средств для определения капельно-дождевой эрозии почв.
-
Оценка капельно-дождевой эрозии почвы орошаемого участка Рязанской области Шацкого района.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов, полученных в ходе проведения лабораторных и полевых исследований, подтверждена большим объемом экспериментального материала, полученного и проанализированного автором диссертации. Настоящая квалификационная работа выполнена с использованием современных методов, оборудования и с использованием апробированных методик исследования.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры мелиорации и рекультивации земель Института природообустрой-ства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева», а также на международных научно-практических конференциях в 2012–2013 гг.:
– Международный молодежный научный форум «Наука, инновации и международное сотрудничество молодых ученых аграриев» в ФГБОУ ВПО МГУП (г. Москва, 2012 г.);
– «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем» в ФГБОУ ВПО МГУП (г. Москва, 2013);
– VI-ая Международная (10-ая Всероссийская) научная конференция молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации» в ФГБНУ ВНИИ «Радуга» (г. Коломна, 2013).
По результатам диссертационных исследований опубликовано 11 работ, из них 4 в научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, получены патенты на полезную модель № 155056 и изобретение № 2518744, зарегистрирована программа для ЭВМ № 2015614657.
Структура искусственного дождя и ее влияние на капельно-дождевую эрозию
В Российской Федерации большая часть сельскохозяйственных земель расположено в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения. В этой связи получение стабильных высоких урожаев сельскохозяйственных культур невозможно без обоснованного управления режимами агроландшафтов. Одним из инструментов такого управления является дождевание. Этот способ полива позволяет регулировать микроклимат орошаемой территории, поддерживать влажность корнеобитаемого слоя почвы в оптимальных пределах, автоматизировать и механизировать агротехнику растений. Но, как и любой вид мелиорации, орошение усиливает антропогенную нагрузку на агрогеосистему. В первую очередь воздействию подвергается почвенное тело. И если эта нагрузка рассчитана с учетом хозяйственной емкости агрогеосистемы, то мелиорация сопровождается сохранением и воспроизводством совокупности свойств, характеризующих плодородие почвы. Однако иногда возникают и отрицательные последствия. Например, при неудовлетворительном качестве искусственного дождя повреждаются листья, цветы, завязи растений, разрушается структура почвы, на ее поверхности образуются лужи и корка. Последние являются следствием явления, которое называется капельная эрозия.
Эрозии при дождевании возникает тогда, когда средняя интенсивность искусственного дождя im начинает превышать скорость впитывания воды почвой Kt. Очевидно, что капельная эрозия, т. е. разрушение структурных агрегатов, начинается до появления поверхностного стока.
Капельная эрозия обусловлена динамическим воздействием капель искусственного дождя на почву. У падающих капель увеличивается энергия и, следовательно, сила удара, вследствие которой разрушаются структурные агрегаты почвы. В момент удара раздробленные почвенные частицы разбрызгиваются, и происходит кольматация, приводящая к возникновению почвенной корки.
Стоит отметить, что почвенная корка вызывает целый ряд деградационных процессов, приводящих к снижению плодородия, которое становится главной геоэкологической проблемой орошаемых агроландшафтов. Одними из первых вопрос капельной эрозии начали изучать американские ученые в начале 20 века. Так, J. O. Laws и W. D. Ellison рассмотрели механику падающих капель и интегральное действие дождя на твердую поверхность и почвенные частицы [131, 147].
В нашей стране эрозию почвы изучали ученые В. В. Докучаев, В. Р. Вильямс, А. Н. Костяков и др. Ими было отмечено, что эрозия интенсивнее всего протекает на почвах, лишенных растительного покрова, с пониженной водопроницаемостью и низким содержанием гумуса. Поэтому они предложили для борьбы и предотвращения эрозии улучшать физические свойства почвы и обогащать ее органическим веществом.
В. В. Докучаев пришел к выводу о том, что из-за многообразия факторов, которые обуславливают эрозию почвы, мероприятия по предупреждению и борьбе с этим явлением должны быть «систематичными и последовательными, как сама природа» [30, 31]. Академику В. Р. Вильямсу принадлежит учение о травопольной системе земледелия, в котором в качестве главной причины эрозии он указывает на бесструктурность пахотных почв [9]. A. Н. Костяков отмечает, что при увеличении крупности капель дождя усиливается удар, уменьшается поглощение воды и сильно возрастает размыв почвы. При этом потеря питательных веществ с 1 га орошаемого массива может быть выше чем вынос их урожаем сельскохозяйственных культур. А чем лучше развиты растения, тем лучше они защищают почву[66]. B. Р. Вильямс также указывает на то, что корни многолетних трав способствуют созданию комковатой структуры и накоплению перегноя в активном слое почвы. Корни многолетних бобовых обогащают почву азотом и кальцием, а в результате электролитической диссоциации катион кальция поглощается перегноем и придает агрегатам почвы прочность, т. е. способность не размываться водой [10]. А. А. Корецкая называет «коварной» и «злостной» эрозию, вызванную действием капель дождя, причем под действием капель более мелкие частицы почвы вымываются и разрушаются еще интенсивнее [65]. А. С. Извеков считает, что при капельной эрозии продукты разрушения переносятся дождевыми каплями и заполняют трещины и поры в почве, что снижает инфильтрацию и стимулирует другие виды эрозии почвы [74]. Д. А. Маштаков отмечает, что эрозионная опасность искусственного дождя определяется не только силой воздействия, но и свойствами конкретной почвенной разности [73].
Это позволяет сделать предположение, что если определить силу удара и свойства почвы, процесс разбрызгивания можно регулировать. Определением силы удара занимались многие ученые. Сам процесс удара подчиняется законам классической механики Ньютона. Так, например, в работах В. В. Сластихина [103], А. П. Исаева [50] и др. сила удара связана со скоростью падения капли и ее диаметром. Для расчета силы удара F капли дождя В. В. Сластихин использовал следующую формулу: F = 0,385 d d3du (1) где dd - диаметр капли, см; и - начальная скорость капли, см/с [103]. A. П. Исаев для расчета силы удара о поверхность почвы использовал следующую зависимость F=ud , (2) где dd - диаметр капли, см; и - начальная скорость капли, см/с [49]. Формулы (1)-(2) просты для расчета, но не учитывают плотность капли. В. М. Московкин и В. Ф. Гахов так же исследовали расчетные зависимости для определения силы удара капли о почву. Было установлено, что чем большей конечной скоростью обладает капля, тем большее воздействие она оказывает на почву. Причем это воздействие больше у капель большего диаметра. Ими предложена формула:
Физические и химические характеристики почв и грунтов
Формула (34) дает приближенное значение величины р. Строгое гидромеханическое решение этой задачи учитывает кумулятивный эффект волн давления, возникающих в капле в начальной фазе удара о твердую поверхность. Оно представлено в дифференциальном виде и требует применения численных методов расчета[116]. В момент удара о поверхность, в том числе о поверхность почвы, капля ведет себя как твердое тело. Однако, как подтверждают многочисленные исследования зарубежных ученых, продолжительность действия давления на почву в этот момент настолько короткое, что оно не влияет на эрозию [133]. В ранних исследованиях этого процесса показано схожее с эффектом гидравлического удара воздействия капель на твердые поверхности [14, 52, 122, 132, 163].
Во второй фазе удара давление в капле резко падает, и она растекается по поверхности. Причем распределение давлений симметрично относительно точки удара [142, 164]. В экспериментах американских ученых установлено, что максимальное давление на почву приходится на некотором расстоянии от точки удара. Похожие результаты имели место в исследованиях с твердыми поверхностями, однако давление на почву было намного меньше [142, 143, 155]. Так максимальное давление удара о почву в эксперименте M. A. Nearing от падения 5,6 мм капли с высоты 14 м на некотором расстоянии (сопоставимым с размерами капли) от точки удара составило порядка 400 кПа, а в соответствии с приведенными им графическими данными вблизи удара давление в этих условиях составило 100 кПа [152, 155].
По мнению H. Ghadiri существует две причины появлению такого кольца высокого давления вокруг точки удара. Во-первых, само воздействие длится очень короткий промежуток времени примерно тысячные и десятитысячные доли секунды [79, 133, 134]. Во-вторых, от точки удара распространяется боковой (радиальный) поток, и именно он способствует образованию сферических каверн на поверхности почвы. Скорость радиального потока больше скорости капли в момент удара [140, 142, 174]. В результате этого в почве возникает сопротивление сдвигу, от величины которого зависит характер эрозии [92]. Причем величина сопротивления сдвигу не зависит от размеров капли или от прочности агрегатов почвы [134].
К концу второй фазы удара возникает так называемая «корона» из брызг. Характеристики «короны» зависят от влажности почвы, наличия или отсутствия слоя воды на ее поверхности, а также шероховатости поверхности [92, 134, 135]. Также есть мнение, что шероховатость, которая развивается в момент удара, существенно влияет на количество разбрызганной почвы [146]. Причем величина шероховатости каверны возрастает с увеличением диаметра капли [151].
Масса разбрызганной почвы зависит от устойчивости почвы к деформациям и сил сцепления между частицами, т. е. связности. Связность определяет величину сопротивления сдвигу [92].
Кроме того установлено, что если капельной эрозии подвергаются насыщенные водой почвы или почвы, на поверхности которых есть слой воды, то это не приводит к изменению их плотности и пористости [84]. Однако наблюдаемое уплотнение почвы является результатом появления корочки на ее поверхности вследствие разрушения агрегатов и упаковки разбрызганных частиц [148].
При попадании на сухую почву капля впитывается в нее [4]. С увеличением влажности растет и величина «короны». Одновременно и возрастает давление почвенной влаги, рост которого также обусловлен взаимодействием с каплей. Однако при появлении на поверхности почвы пленки или слоя воды характер «короны» меняется. Это установлено многочисленными экспериментами скоростной фотосъемки [92, 153]. Капли начинают разлетаться не под острым углом к поверхности, а вертикально вверх. 2.2. Методика исследований
Опыт по моделированию капельной эрозии почв проводился на установке, показанной на рисунке 2.1. Сосуд Мариотта позволяет обеспечить постоянную скорость истечения капель, несмотря на понижение уровня воды. Для образования капель использовались медицинские иглы (инъекторы) с внутренними диаметрами 0,060 (34G), 0,110 (32G), 0,365 (23G) и 0,410 (22G) мм, в результате были получены капли диаметром dd 1,73, 1,96, 2,32 и 2,73 мм соответственно с высотой падения h 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5 м каждая. Эрозии подвергались образцы модельных почвогрунтов с содержанием гумуса 0%, по гранулометрическому составу супеси и легкие суглинки. Исследовались образцы следующего фракционного состава: 3,0…1,0 мм, 1,0…0,5 мм, 0,5…0,25 мм, 0,25 мм. Контроль – образец, состоящий из смеси равных долей анализируемых фракций. Для исключения влияния химического состава капель использовалась дистиллированная вода, подготовленная по ГОСТ 6709–72. Образцы увлажнялись до уровней 0,4 НВ (наименьшей влагоемкости), 0,7 НВ, НВ и полной влагоемкости (ПВ). В них формировались каверны dp, размер которых 1,7, 2,0, 2,3, 2,7 и 3,0 мм. В качестве параметра, характеризующего интенсивность капельной эрозии, в нашем опыте принято максимальное расстояние разлета s почвенных частиц, которое регистрировалось от одиночного воздействия капли на почву данного уровня влажности. Повторность опыта пятикратная [42].
Разработка конструкции приборов регистрации динамического действия дождя на почву
Общее число исследованных образцов составило 440. Для выявления связи между исследуемыми величинами проведен корреляционный анализ. Коэффициенты корреляции r между массой т разбрызганных частиц и величинами h и dd для контрольного образца, фракции 0,25 мм и образцов почв из хозяйств и опытного участка лежат в пределах 0,45...0,88, причем все значения менее 0,6 относятся к диаметрам капель dd. Максимальный коэффициент корреляции между dd и т составляет 0,7 для контрольного образца супеси, минимальный 0,45 – для фракции 0,25 мм супеси. Кроме того, статистической значимости между dd и т не выявлено (уровень значимости p 0,05) ни в одном из образцов. Вероятно, это связано с исследованием всего двух размеров капель [43].
Стоит отметить, что сокращение числа вариантов диаметров капель обосновано в более ранних исследованиях автора данного диссертационного исследования, в которых установлен минимальный и максимальный диаметр [42, 43].
Установлено достоверное влияние высоты падения капли на массу разбрызганных частиц ( p 0,05). Наиболее существенно это проявляется в статистической характеристике образцов фракции 0,25 мм супеси и суглинка ( p = 0,004 и p = 0,012 соответственно). Эти результаты подтверждают предварительные исследования. Корреляционная связь тесная, прямая ( r = 0,68...0,88). Полученные значения статистики позволяют говорить о наличии зависимости между массой т разбрызганных частиц и высотой падения капли h . Корреляционные матрицы для параметров капельной эрозии дисперсных образцов приведены в таблицах 6 и 7 [43].
На рисунке 3.2 приведены графики распределения значений массы разбрызганных частиц в зависимости от высоты падения капли для образцов супеси. Как видно из приведенных данных, наиболее подвержена разрушению и, как следствие, разлету фракция 0,25 мм. Причем от удара капли размером 2,73 мм на этих образцах разлетаются частицы общей массой 0,056 ± 0,004 г. При тех же условиях, но на контрольных образцах, т = 0,033 ± 0,005 г. Но и капля размером 1,73 мм может также разбрызгать сопоставимое количество почвенных частиц: 0,043 ± 0,003 г для фракции 0,25 мм и 0,016 ± 0,004 г для контрольного образца при падении с высоты 2,5 м [43]. г
Зависимость массы разбрызганной почвы от высоты падения капель: а – супесь, контрольный образец; б – супесь, фракция 0,25 мм; 1 – для капли dd = 1,73 мм; 2 – для капли dd = 2,73 мм; 3 – среднее значение; 4 – доверительный интервал; 5 –ошибка среднего
Исследования образцов суглинка также показали, что наиболее подвержена капельной эрозии фракция 0,25 мм. Для этих образцов масса разбрызганных частиц составила 0,037 ± 0,003 г и 0,026 ± 0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно. На контрольных образцах значения т были несколько ниже и составляли 0,025 ± 0,003 г и 0,013 ± 0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно [43].
Использование модельных почвогрунтов позволило рассмотреть процесс разбрызгивания без учета влияния содержания питательных веществ. Однако такой процесс, связанный с разбрызгиванием частиц почвы, был характерен и для образцов почв из орошаемых хозяйств Коломенского района Московской области и опытного участка, расположенного в Шацком районе Рязанской области. Для агротемногумусового (PU) горизонта почвы супесчаного гранулометрического состава фермерского хозяйства «ИП глава КФХ Бабунов Ю. А.» масса разбрызганных частиц составила 0,022 ± 0,004 г и 0,012 ± 0,003 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно. Для агрогумусового (P) горизонта почвы легкого суглинистого гранулометрического состава ЗАО «Акатьевский» масса разбрызганных частиц составила 0,016 ± 0,003 г и 0,008 ± 0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно. Для агротемногумусового (PU) горизонта почвы суглинистого гранулометрического состава опытного участка масса разбрызганных частиц составила 0,013 ± 0,002 г и 0,007 ± 0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно [43]. Под агрогумусовым в [86] понимается агрогенно-преобразованный горизонт.
Как и предполагалось, величины т для почв из хозяйств и опытного участка оказались меньше, чем массы разбрызганных частиц для аналогичных условий почвогрунтов. Однако между параметрами разлета модельных почвогрунтов и образцов почв существует тесная прямая корреляционная связь, вероятно, из-за исследования одного диапазона фракций. Коэффициенты корреляции также находятся в пределах r = 0,7...0,99. Причем также наблюдается достоверное влияние высоты падения капли на массу т (уровень значимости p = 0,001...0,04 и r = 0,7...0,88). Образцы почв более устойчивы к капельной эрозии, это объясняется влиянием их органоминерального состава на процесс капельной эрозии [43]. Коэффициенты корреляции между параметрами разбрызганной почвы и модельных почвогрунтов (дисперсных грунтов) представлена в таблицах 8 и 9. Таблица 8
Похожие результаты получены исследователями M. A. Nearing и J. M. Bradford. Они также изучали количество разбрызганной почвы от однократного воздействия на нее капли. В их эксперименте капля диаметром 5,7 мм ударяла о почву с высоты 13 м. Особое внимание ученые удели явлению сопротивления почвы сдвигу, возникающему при ударе. В соответствии с приведенными ими данными, в условиях эксперимента максимальная масса составила 0,05 г [43, 153].
Для выявления закономерностей между максимальным расстоянием S разлета частиц почвы и суммарной массой т разбрызганных частиц по выражениям (35) и (36) произведен расчет величины s для всех образцов. Ранее показано, что максимальное расстояние разлета частиц супеси s = 59,3 ± 0,6 см (при h = 2,5 м, dd = 2,73 мм и w = НВ) отмечено у фракции 0,25...0 мм. У контрольных образцов при тех же условиях s = 46,4 ± 0,4 см [42, 43]. По выражению (35) s = 47,5 см, что является достаточно точным результатом [43]. В результате регрессионного анализа получены два выражения, отражающие зависимость суммарной массы разбросанных частиц от их максимального разлета: т = – 27,385 + exp(3,31 + 0,000023 s), R2 = 0,93 ± 0,02; (40) т = – 16,102 + exp(2,779 + 0,000036 s), R2 = 0,89 ± 0,04, (41) где s – расстояние разлета частиц, см; т – масса разбрызганной почвы, г. Выражение (40) соответствует разлету частиц супеси, (41) – суглинку. Влажность на уровне НВ. Коэффициент детерминации R2 свидетельствует о высокой точности подбора уравнений регрессии [43].
На рисунке 3.3 построены кривые зависимости значений массы m разбрызганных частиц от расстояния s разлета частиц. Как видно из рисунка 3.3, полученные зависимости отражают общие закономерности капельной эрозии. Однако очевидно, что для полного описания количества
Общие положения расчета эффективности
Искусственный дождь – полидисперсный, а значит, по диаметру только одной капли неверно судить обо всем дождевом потоке. Наиболее информативным является медианный диаметр капель dm, физический смысл которого состоит в том, что вероятность P выпадения капель диаметра больше или меньше dm составляет 50 % [18].
Помимо чисто научных целей анализ крупности дождя необходим при настройке дождевальных аппаратов в почвенно-климатических условиях конкретного хозяйства. Но трудоемкий и затратный процесс прямого определения этого параметра ограничивает использование dm в мелиоративной практике. Целью исследований, описанных в этом параграфе, является изучение возможности использования частоты v в качестве акустического маркера для дифференцированной оценки диаметра dm капель дождя [46]. Сама идея акустических измерений не является новой. Этой проблеме посвящены исследования гидрологов, метеорологов, физиков, мелиораторов, почвоведов и ученых других специальностей. Большинство авторов акцентирует внимание на том, что капли больших диаметров вызывают колебания на меньших частотах по сравнению с более мелкими каплями [157, 161, 162]. Причем отмечается, что при ударе капли крупностью 0,8...1,1 и более 2,2 мм активнее генерируют звуковые колебания [158]. Об устойчивых пиках звуковых колебаний падающей капли пишут также В. Е. Прохоров и Ю. Д. Чашечкин [91]. Капли 0,8...1,1 мм генерируют звук с частотой в среднем v = 14...16 кГц, капли более 2,2 мм – менее 10 кГц [126]. Другими исследователями при определенных условиях зарегистрированы пики на уровне примерно 50 кГц для капель 4,1 мм [156].
Измерения указанных авторов проводились в основном для падающих в воду капель. Это позволяет предположить, что характерные особенности возможны и при ударе капли о сухую поверхность мембраны прибора [46].
Всего исследовано 80 файлов и такое же количество соответствующих им звуковых колебаний v. Выявлено достоверное влияние высоты падения капли на частоту звуковых колебаний. Коэффициент корреляции r медианных значений выборок v и высот падения капель h составляет 0,66 (p = 0,005), а для медианных значений выборок v и диаметров dm корреляция обратная, и r = – 0,54 (p = 0,031). Корреляция отдельных измерений указанных величин определяется на уровне 0,68...0,81 (p = 0,005...0,04) и – 0,67... – 0,50 (p = 0,004) соответственно для h и dm. Обратная зависимость между частотой и диаметром характеризует установленную особенность импактного воздействия капель большего размера генерировать звуковые колебания несколько меньшей частоты. Полученные результаты с некоторой осторожностью и поправкой на условия эксперимента сравнимы с данными, указанными в работах [91, 126, 156, 157, 158, 161, 162]. Но генерация звуковых колебаний в определенной степени проявляет стохастический характер. Во время эксперимента зарегистрированы единичные величины v, отличающиеся от медианных примерно в 5...10 раз. Эти величины исключены из генеральной совокупности [45].
В процессе исследований была отмечена следующая особенность. Если капля падает не в центр мембраны прибора, а, например, на ее край, то одна и та же капля при падении с одной и той же высоты генерирует звук абсолютно разной частоты. Вероятно, эта разница должна сглаживаться при исследовании не отдельных капель, а дождевого потока. В последнем случае полидисперсные по составу капли окажут интегральное воздействие. Такой механизм является предметом дальнейших исследований [46].
Для предупреждения и снижения капельной эрозией используют различные методы, например, применяют химические полимеры и структурообразователи. Полиакриламид (ПАА) – это полимер, обладающий высокой молекулярной массой. Известно, что ПАА на орошаемых землях уменьшает поверхностное уплотнение и образование корки, предотвращает проявление последствий эрозии [11, 137, 172].
Для контроля эрозии используют анионные растворимые в воде соединения ПАА. Исследования показали, что для достижения этой цели требуется в 10...100 раз меньшее количество полиакриламида по сравнению с другими видами полимеров [127, 128]. Но применение ПАА ограничено из-за их высокой стоимости [11].
Известно несколько исследований, посвященных изучению снижения капельной эрозии с помощью полиакриламида. Ученые из Ирана изучали влияние ПАА при дождевании на мергелистых почвах. Boroghani M. и др. в [128] установили, что применение ПАА в концентрации 0,2, 0,4 и 0,6 г/м2 позволяет снизить капельную эрозию при орошении интенсивностью 65… 120 мм/ч, но статистических различий между результатами опытов с полимером не найдено. Статистически значимыми оказались различия между контрольным испытанием без ПАА и его различным содержанием в образцах почвы. Максимальный эффект от полиакриламида в снижении капельной эрозии на 40% по сравнению с контролем наблюдался при концентрации 0,4 г/м2. Похожие результаты получены в работах [121, 166].
В Молдавском комплексном отделе УкрНИИГиМ разработан способ дождевания с добавками полиакриламида для снижения крупности капель искусственного дождя. Рекомендуется концентрация полимера 0,1...0,5 г/л. В результате уменьшаются размеры капель, улучшается впитывание воды в почву [109].
С помощью патента 2518744 [114] выполнены исследования полиакриламида для снижения капельной эрозии. Цель исследований заключалась в создании оперативного способа контроля показателей эрозии при искусственном дождевании с добавками ПАА [58].
Удар и перемещение капли регистрировались по передней кромке в направлении ее движения. Для образования капель использовали сосуд Мариотта и установленные в его основании иглы (инъекторы) с внутренним диаметром 0,060 (34G) и 0,410 (22G) мм, с помощью которых получены капли диаметром 1,73 и 2,73 мм соответственно. Капли падали с высоты h 1,0 и 2,5 м. Рабочая жидкость для образования капель - дистиллированная вода (ГОСТ 6709-72), температура 20 С, коэффициент поверхностного натяжения а = 0,07286 Н/м, плотность 998,203 кг/м3. Температура лабораторного помещения 21 С, относительная влажность воздуха 53 %. Также проведаны эксперименты с поверхностными образцами глинисто-иллювиального агрочерноземома (PU-AU-BI), отобранные с опытного участка в Шацком районе Рязанской области [58]. Описание образцов приведено в [57]. Образцы доводились до влажности НВ с помощью раствора