История изучения ветровой эрозии почвы

Рубрики: Рефераты

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 [131], С. С.Соболева [177], В. П.Чичагова [199, 200]. Начало научному подходу к изучению ветровой эрозии почв и разработке противоэрозионных мероприятий положено трудами классиков почвоведения В. В.Докучаева (1883), П. А. 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. Попруженко (1893), ..которые уделяли внимание ветровой эрозии в первую очередь в качестве фактора образования и преобразования почв [209], а также трудами великих исследователей Центральной Азии Н. М. Пржевальского (1883), Н. Ф. Дубровина (1890), В. И. Ро-боровского (1900), П. К.Козлова (1897), Г. Е. 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 [199]. 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. Шаврыгина (1936) позволил уточнить географию, интенсивность, периодичность и механизмы ветровой эрозии почв [208], а работами Б. А. Федоровича (1948), А. С. Кесь (1964), М. П. Петрова (1950), И. П.Герасимова (1959) — механизмы эолового рельефообра-зования и осадконакопления [131, 200]. 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 [199], при анализе регионального и глобального переносов вещества ветром и выяснении происхождения осадочных пород и наносных почв [21, 36, 124, 131, 163].

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 монографиях Т. Ф. Якубова [208], С. С. Соболева [177], А. Е. Дьяченко и Н. Т. Макарычева [77], В. В. Звонкова [85], Е. А. Чакветадзе [196], П. С. Захарова [84], А. С. Утешева и О. Е. Семенова [182], М. И. Долгилевича [69, 70, 73], А. А. Зайцевой [81], А. Н. Каштанова [99], Е. И. Рябова [158, 159], К. С. Кальянова [91], Н. В. Краснощекова [107], Д. А. Куртенера и И. Б. Ускова [114], ГА. Ларионова [117], Ю. И. Васильева [22], А. Г. Гаеля и Л. Ф. Смирновой [29] и сборниках работ [15, 24, 126, 147, 151, 187, 241, 321], а также в сборниках [266] и монографиях иностранных авторов: Д. А. Уддена [332], И. И. Фри [251], Р. А. Бэг-нолда [219], Конке и Бертрана [104], Х. Х. Беннетта [11], B. C. Чепила и Н. П. Вудрафа [240], Ф. Петтиджона, П. Потера и Р. Сивера [141], Н. Гудзона [59], Р. П.С. Моргана [297], М. Холи [279].

Этими работами были созданы предпосылки к ветро-эрозионному районированию территории СССР, которое осуществлено работами Л. Т. Земляницкого [15], С. И.Сильвестрова [152], К. С. Кальянова [91], Г. А.Ларионова [117]. 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. Г. Гаелем (1957) [15], А. Г. Гаелем и Л. Ф. Смирновой (1960, 1967, 1970), Р. Я. Рамазановым (1972), Э. Л. Рябихиным (1973), Ю. И. Кришталь (1973), А. А. Гортлев-ским (1974), В. А. Белолипским (1976), Г. И. Васильевым, Д. С. Булгаковым, Л. Н. 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 проти-воэрозионную 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; Краснощеков, 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; Краснощеков, 1984), на Дальнем Востоке (Дербенце-ва, 1987), на юге Украины (Лавровский, Другова, Игуменцев, 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 в нашей стране основой разработки систем организационно-хозяйственных, агротехнических, гидротехнических и лесомелиоративных противоэрозионных мероприятий, составляющих в совокупности региональные почвозащитные системы земледелия (Каштанов, 1974; Бараев, 1975; Моргун, Шикула, Тарарико, 1983; Ивлев, Дербенцова, 1988; Каштанов, Лисец-кий, Швебс, 1994; Кирюшин, 1996).

Наметившиеся климатические изменения и усиление антропогенного давления на природную среду привели к интенсификации ветровой эрозии, что вызвало всплеск научных и научно-прикладных исследований в области ветровой эрозии, который выражается не только в количественном росте числа научных публикаций 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 Land-forms», но и в повышении 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 [278], солнечные фотометры [300], счетчики фотонов [273]; при изучении переноса почвы ветром в приземном слое — пьезо — [327] и мембранные датчики [325] с высокой собственной частотой измерения, изокинетические пылеуловители [309], при физическом моделировании ветровой эрозии — усовершенствованные полевые [13, 107, 306] и лабораторные [71, 107, 207, 312] аэродинамические установки. Одновременно с развитием экспериментальных методов изучения ветровой эрозии совершенствовались системы дистанционного зондирования на основе аэрокосмической съемки [57, 58], что привело к накоплению огромного экспериментального материала, позволяющего анализировать явление ветровой эрозии почвы во всей его полноте, от стадии выдувания до стадии аккумуляции. Однако о наличии такого рода проектов, посвященных сопряженному исследованию полномасштабного единичного явления ветровой эрозии почвы на микро-, мезо — и макроуровнях, неизвестно. Приходится заключить, что на данном этапе развития эрозиоведения экспериментальные исследования информативнее теоретических. Это отражает общее положение в современной науке, для которого характерна опора на высокотехнологичные методы получения первичной информации в больших объемах и ее анализ численными методами. Такое положение дел является стимулом к развитию теоретических исследований, которым, в основном, и посвящена настоящая работа.

Еще одним мотивом, побуждающим к теоретическим исследованиям, является необходимость совершенствования методов прогнозирования эрозии и планирования противоэрозионных мероприятий, поскольку существующие методы, основанные на обобщении опытных данных, перестали соответствовать современным технологиям сельскохозяйственного производства, которые явно или неявно учитываются в эмпирических моделях эрозии, предназначенных для конечного пользователя [216, 254]. И в этом отношении создание теории ветровой эрозии почвы, которая давала бы качественное описание механизмов явления и позволяла перейти к количественным расчетам (прогнозированию), по общему мнению является приоритетной задачей [55, 213, 214, 272]. Ключевое значение в теории ветровой эрозии почвы имеет разработка модели выдувания почвы.

При построении комплексных эрозионных моделей для конечного пользователя наиболее широко используется решение Бэгнолда [219], который для случая стационарной сальтации, не зависящей от расстояния, т. е. при условии Уо = 0 и Cf(C) = 1, в уравнении вида (2.2.3) предложил В = 3 и указал способ нахождения коэффициента А, Который зависит от плотности почвенных частиц, их среднего размера и ускорения силы тяжести. Идея Бэгнолда о том, что на некотором расстоянии от края перенос почвы ветром стабилизируется, использована в «американском» уравнении ветровой эрозии почвы в виде графоаналитического метода [337], который описан в [111]. Разработанный путем обобщения наблюдений в натурных условиях [235], он неявно зависит от технологии сельскохозяйственного производства в регионе исследований, т. е. на равнинах Северной Америки, и, по причине распространения новых технологий, на смену ему разрабатывается новая методика [254]. В усовершенствованном уравнении ветровой эрозии почвы [254] Фрайрие и др. [252] использовали зависимость вида (2.2.8), основанную на полевых измерениях Стаута [326], при условии С = О, Х = I, а = е, Где е — основание натуральных логарифмов, А = —уо, где уо — максимальный возможный перенос почвы ветром при данных условиях, расстояние от наветренного края эродируемого участка в направлении потока, на котором перенос достигает 63,2% от максимально возможного при данных условиях. Идея Бэгнолда лежит также в основе эмпирических уравнений Шиятого и др. [204], Лавровского и др. [115], Можейко и др. [127], Бехнера и др. [227].

Все приведенные решения основываются на идее о существовании предела интенсивности переноса при заданной скорости ветра и о его достижении на сравнительно небольшом расстоянии от начала эродируемого участка. Для случая ветровой эрозии чистого, отсортированного ветром песка, при умеренной скорости ветра, она подтверждена экспериментально Бэгнолдом [219], а теоретически — Стаутом [326] применительно к монофракциям почвы. Во всех остальных случаях, т. е. при обычных условиях ветровой эрозии, опытные данные не дают однозначного ответа на вопрос о форме зависимости потерь почвы от расстояния. В связи с этим экспериментальные исследования развиваются в направлении совершенствования техники измерения и накопления информации на разных почвах при разных условиях проявления ветровой эрозии [324, 326, 327], а теоретические исследования направлены на выявление структуры воздушно-почвенного потока [235, 256, 300, 302]. И в этом случае экспериментальные исследования оказываются информативнее теоретических. В частности, на основании простого эмпирического обобщения Фрайрие и Салех [253] рекомендуют раздельно учитывать горизонтальные потоки аэровзвеси и скачущих частиц, используя для первого степенную зависимость концентрации от высоты, а для второго — показательную. В то же время Баттерфилд [230] с использованием датчика на основе лазера, позволяющего сканировать воздушно-почвенный поток по высоте с шагом в 19 мкм, обнаружил три слоя, различающихся законом распределения концентрации по высоте: 0-2 мм, 2-19 мм и выше 19 мм. Причем максимум интенсивности переноса песка (размер песчинок от 150 до 250 мкм, средний — 184 мкм) обнаружен в слое до 2 мм.

Разобщенность экспериментов указывает на необходимость более осмотрительного подхода к суммированию расхода, измеренного пылеуловителями разной высоты, экстраполяцией как в сторону почвы, так и в направлении атмосферы, и побуждает к проведению теоретического исследования этого вопроса [299]. Предметом исследования должна стать структура воздушно-почвенного потока, но, в отличие от упомянутых выше работ, исследование структуры будет проведено методами механики многокомпонентных потоков [132]. Установив структуру, можно будет перейти к количественным оценкам массопереноса. В отдельное направление группируются исследования ветровой эрозии почв, защищенных полезащитными лесополосами, представленные работами Дубова и др. [74], Долгилевича и др. [73], Надирашвили [129]. Массоперенос и потери почвы изучаются этими исследователями в зависимости от скорости ветра в функции пространственных координат. Тем самым предметом исследования становится влияние лесополос на поле скоростей ветра, что выходит за рамки настоящей работы.

Раз возникнув, массоперенос не прекращается до исчерпания эродируемой почвы, что случается сравнительно редко, или до затухания ветра, что случается значительно чаще. И для целей моделирования, и для задач восстановления эродированных почв существенное значение имеют пространственные характеристики массообмена на эродируемой территории. Обширный экспериментальный материал, собранный и обобщенный в работах Соболева [177], Дьяченко и Макарычева [77], Якубова [208, 209], Долгилевича с сотрудниками [72, 73], Родомакина [154], Зайцевой [81], Чакветадзе [196], Орловского с сотрудниками [187], Можейко с сотрудниками [127], Трегубова с сотрудниками [24] свидетельствует о существовании и закономерном чередовании в пределах эродируемого поля участков (зон), существенно различающихся по характеру повреждений почвы и интенсивности ее выдувания. Каждый из них выделяется преобладанием одного из процессов:

Выдувания почвы;

Движения скачущих частиц, сопровождаемого их измельчением и выбиванием покоящихся частиц;

Выпадения частиц из потока и накопления мелкозема и

Затухания эрозии вследствие полного исчерпания выдуваемого материала.

По завершении эрозии этим участкам соответствуют почвы разной степени эродированности, причем четвертому и первому соответствуют наиболее сильно эродированные почвы, третьему — наносные почвы, второму — комплекс свеянно-навеянных почв. Поскольку в перечисленных работах дается лишь качественная интерпретация опытных данных, представляется целесообразным дополнить ее количественным анализом.

В теории ветровой эрозии почвы важное значение имеет не только модель выдувания, но и модель аккумуляции. Геологическим, географическим, почвоведческим и геоморфологическим аспектам формирования эоловых наносов посвящена обширная литература, сводка которой имеется в работах Наливкина [130, 131], Гаеля [26, 27], Федоровича [184, 185], Родомакина [154], Чичагова [200] и других. Из этих материалов следует, что грубозернистые эоловые наносы (песчаные, супесчаные, псевдопесчаные) формируются, в основном, из частиц, переносимых скачкообразно, а мелкозернистые (пылева-тые, глинистые, лессы) — из частиц, переносимых в виде аэровзвеси. В первом случае аккумуляцию связывают со снижением скорости несущего потока при обтекании местных препятствий, тогда какво втором — со снижением размаха вертикальных пульсаций скорости до некоторого минимума, обеспечивающего оседание частиц. Аккумуляцию скачущих частиц количественно описывают с использованием указанных выше уравнений переноса, среди которых чаще всего привлекают формулу Бэгнолда [141]. Аккумуляцию тонкодисперсных частиц, как и их перенос на большие расстояния, традиционно исследуют в рамках диффузионной теории [9, 206]. Формулы приземного переноса уже были критически рассмотрены выше, поэтому обратимся к диффузионным моделям.

Атмосферная диффузия определяется атмосферной турбулентностью, поэтому все теории турбулентной диффузии содержат одни и те же характеристики турбулентности в пограничном слое атмосферы: вертикальные профили трех составляющих скорости ветра (горизонтальной продольной, горизонтальной поперечной и вертикальной поперечной), вертикальные профили их дисперсий и временных масштабов, а также местоположение и мощность источника пыли. При моделировании ветровой эрозии почвы мощность источника почвенной пыли определяют на основе уравнения переноса в приземном слое [292, 293], одного из рассмотренных выше.

Главный недостаток моделирования на основе диффузионной теории — отсутствие движущей силы — был понятен с самого начала построения теории, но свидетельства качественного несоответствия диффузионных моделей действительности появились сравнительно недавно, в результате применения новых экспериментальных методов. В частности, использование лидара показало, что пыль, поднимаемая работающим почвообрабатывающим агрегатом, распространяется в виде достаточно плотного султана, который долго не рассеивается в атмосфере [278]. Об этом же свидетельствуют компактные шлейфы почвенной пыли, наблюдаемые методами космо — и аэросъемки на большом удалении от ее источника, эродируемого поля (рис. 2.3.1). В полном соответствии с выводами, основанными на визуализации пылевых шлейфов, находятся и результаты измерения профиля концентрации почвенной фазы, согласно которым вблизи наветренной границы неэродируемого поля коцентрация почвенной пыли в воздухе ограниченно возрастает с высотой [253]. Эти примеры указывают на отсутствие согласования между опытом и представлениями диффузионной теории. Поскольку основная причина такой разобщенности теории с опытом ясна, для ее устранения следует строить теорию в рамках законов механики, учитывая действующие силы [132]. Главная трудность здесь состоит в решении проблемы подъемной силы.

Взаимодействие вихревого потока (ветра) с элементами земной поверхности сопровождается возникновением ряда сил, которые и являются непосредственной причиной движения почвенных частиц. К ним относятся: подъемная сила Жуковского, сила лобового давления, сила вязкости, сила Магнуса, сила Бассэ, сила Кориолиса, сила упругости, силы электрической природы [10, 14, 62, 69, 70, 76, 79, 85-87, 90, 107, 114, 132, 138, 189, 213, 214, 219, 240]. Величина каждой из перечисленных сил в конечном счете определяется скоростью ветра.

Природа силы лобового сопротивления считается установленной. Ее связывают с квадратом скорости потока, площадью поперечного сечения частицы и ее формой, учитываемой коэффициентом лобового сопротивления [10, 14, 62, 213, 214]. Сумма лобовых сопротивлений всех почвенных агрегатов, расположенных на единице поверхности почвы, равна касательному напряжению, развиваемому потоком воздуха на этой поверхности.

Природа подъемной силы, приложенной к частице на поверхности почвы, трактуется по-разному. Общепринятый подход состоит в том, что возникновение подъемной силы относят на счет разности скоростей потоков, обтекающих покоящуюся частицу сверху и снизу, как в случае с крылом самолета [22, 213, 214, 238, 280]. Другой распространенный подход состоит в том, что подъемную силу связывают с вращением частицы вокруг точки опоры под действием лобового давления [242, 243]. Несостоятельность обоих подходов состоит в том, что подъемная сила, определяемая подобным образом, стремительно убывает по мере удаления частицы от поверхности вылета вследствие выравнивания указанных скоростей, что и было экспериментально подтверждено Чепилом [238]. Тем самым исключается возможность подъема частиц на большую высоту, что противоречит действительности. Например, при скорости ветра в 14,8 м/с агрегаты предкавказского чернозема размером 3-5 мм во время пыльной бури перемещались у поверхности в слое 0-40 см, а 2-3 мм — в слое 0-150 см [19]. В результате, для объяснения причин их подскакивания на столь большую высоту дополнительно привлекается представление об упругих силах, проявляющихся при ударе о поверхность [90, 219, 240]. 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. Другими 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 [70]), а также из узких щелей, перпендикулярных ветру [14].

Возникновение подъемной силы объясняют также формированием вблизи обтекаемой поверхности сплошной области пониженного давления, которая засасывает частицу с поверхности [76, 70]. Недостатком такой трактовки подъемной силы является то, что она не позволяет объяснить дальнейший подъем оторванных от поверхности частиц, наблюдаемый в природе. Объяснение этому давно найдено классиком механики Н. Е. Жуковским [79], который решил задачу захвата твердой частицы из потока вихрем. В связи с этим представляется обоснованным поиск решения проблемы подъемной силы на путях обобщения решения Жуковского на случай отрыва частицы с поверхности вихрем. Эта задача и решается в работе.

Успешное решение этой проблемы позволит подойти к решению еще одной задачи — о критической скорости. Критическая скорости ветра Xq Входит во все уравнения ветровой эрозии (2.2.1)—(2.2.9). Обзор методов ее нахождения имеется в обобщающих работах [22, 70, 76, 85, 219, 240] и ряде новых публикаций [211, 242, 243, 328]. В рамках теоретического исследования критическая скорость находится из условия равенства сил, вырывающих структурный элемент из почвы, силам, удерживающим его на месте. Разнообразие существующих подходов к определению действующих сил определяет многообразие форм уравнения критической скорости. Для вывода уравнений подъемной силы обратимся к решению в рамках законов механики с привлечением представления о вихревом характере подъемной силы.

Решение задачи о подъемной силе позволит перейти к решению задачи ударного действия скачущих частиц. Скачущие частицы не только повреждают посевы, но и способствуют увеличению потерь почвы в результате ее диспергации. Вопросам ударного взаимодействия падающих частиц с подстилающей поверхностью посвящена обширная литература, что объясняется не только важностью этого явления для ветровой эрозии, но и широким его использованием в технике. В многочисленных обзорах подчеркивается важность эмпирических методов, в особенности основанных на использовании новых технических средств, но указывается и на необходимость теоретических исследований [213, 214, 299]. Известные теоретические исследования посвящены оптимизации статистических решений, однако статистические методы, как известно, являются оценочными и поисковыми, поэтому в данной работе делается упор на методы механики, а именно на теорию проникания [160], которая позволяет исследовать ударное действие одиночной падающей частицы. Распространение решения, полученного для одиночной частицы, на весь поток позволяет перейти к основной задаче — количественному описанию выдувания почвы и сепарации потоков испускаемых почвой частиц. Ее решение откроет возможность количественного исследования абразии почвы.

Построение теории ветровой эрозии почвы в рамках законов механики подразумевает опору на анализ действующих сил. В связи с этим представляется необходимым и противоэрозионные приемы оценивать по их воздействию на силы, либо препятствующие, либо содействующие эрозии почвы. Наиболее общим результатом применения противоэрозионных приемов является увеличение устойчивости почвы к действию ветра. Оно достигается увеличением веса почвенных агрегатов или увеличением их сцепления с соседними частицами. Трудность измерения сил сцепления обусловлена их малой величиной.

Тем не менее, уже появились работы, в которых делаются попытки учесть сцепление в воздушно-сухих сыпучих почвах [87, 88], измерить его специально сконструированными микропенетрометрами [312], рас считать его в зависимости от влажности почвы [289]. Поскольку ни в одной из работ прочность формирующихся межагрегатных связей не была изучена сопряженно со структурой этих связей, возникло еще одно направление исследований.

Отмечая достижения в исследовании ветровой эрозии почвы и построении ее теории, необходимо отметить главное, что мешает дальнейшему продвижению, — использование единого механизма при исследовании разномасштабных природных явлений, из которых складывается ветровая эрозия почвы, и последующее навязывание его при объяснении опытных данных.

Метки: