Диссертация (1151678), страница 26
Текст из файла (страница 26)
По формулеДарси рассчитывались объемы влаги, перетекшей из слоя в слой. Числоциклов перерасчета примерно соответствует времени прохождения поучастку дождевальной машины.4.3. Оценка устойчивости сети временных водотоков водосборнойплощади антропогенных агроландшафтовЭрозионные процессы, связанные с избыточным поливом, приводят кпотере плодородия почв. Эрозионная устойчивость поверхности склонахарактеризуется потенциалом эрозионной устойчивости ϕ=A/m равнымработе, которую нужно совершить для разрушения и выноса единицы массы181почвы.Меняющаяся сеть временных водотоков, заставляя форму русланепрерывноперестраиваться,напрямуювлияетнасклоновыеагроландшафты [104, 105, 123].Количественная оценка отклонения от истинного уклона извилистогопути, по которому происходит сток атмосферных осадков, воды приизбыточном поливе, смыв или аккумуляция наносов почвы на исследуемойводосборной площади важна при исследовании экологии антропогенныхагроландшафтов.
Процесс стекания воды со склонов по мелкой сетибольшого числа микроручейков – временных водотоков при поливе или впериод выпадения дождевых осадков и снеготаяния, и процесс образованияпромоин, оврагов и речных систем взаимозависимы. Границы русла задаютполе скоростей потока, а поток изменяет границы русла размывами иотложениями.
Направление, скорость, расход и продолжительность стока,как со склонов, так и по речным системам зависят от их извилистости или отмеандрирования потока по руслу.Если в области протекания микроручейка имеет место перепад высотыв 5 см, то скорость микроручейка может увеличиться до 1 м/c.Определить устойчивость русла из отношения силы сопротивленияэрозии к силе скоростного напора можно по предложенной В.М. Лохтинымформуле:k=Gd= 2,FH v(4.3.1)где G – вес частицы, FH – сила скоростного напора, оказывающего лобовоедавление на частицу, d – средний поперечный размер частицы, v – скоростьводного потока.При замене в (4.3.1) квадрата скорости километрическим падением Н(разностьювысотуровненнойповерхностирекивдвухточках,расположенных на километровом удалении одна от другой по течению реки)получаем число Лохтина Λ*=d/H, которое позволяет судить о сравнительной182устойчивости русел рек близких порядков.
Для интегральной оценкиустойчивости русел разработано достаточно много гидроморфологическихзависимостей, основанных на числе Лохтина. Однако вопросы о том, какоценить стокоформирующую поверхность и водосборную площадь на основепредложенныхзависимостейвнаучнойлитературепрактическинерассматриваются. При допущении возможности интегральной оценки почислу Лохтина микроручейковой системы стокоформирующей поверхностиможно предположить возможность существования подобия между речнойсистемой в целом и микроручейковой системой стокоформирующейповерхности, ручейковой системой водосборной площади.РассмотримсекундныйрасходQxмикроручейковойсистемыстокоформирующей поверхности.
В первом приближении можно считать,что он на некотором удалении l от водораздельной линии в момент времени tимеет величину, равную Qx. Поскольку эта величина переменная (от 0 до Qxmax.)как по длине микроручейка, так и во времени, то при слиянии n ручейковnрасход равен Qx = ∑ Q xk , а при разделении Qxk = Qx k =1n∑ Q xj ,где Qxi –j =1j ≠kсекундный расход некоторого k-го ручейка.Шероховатостью подстилающей поверхности, а также наличиеммикрорельефа, образованного при агромелиоративных и культуртехническихмероприятиях (плантаже, глубоком рыхлении, фрезеровании) и другихантропогенных воздействиях вызывается меандрирование микроручейкавдоль склона.
В отличие от естественной подстилающей поверхности,образованныеврезультатепочвообработкиагрегатыпостепеннораспадаются под действием дождевых капель или в период снеготаяния,периодически повторяющихся процессов замерзания-оттаивания образуяповерхность с относительно однородной шероховатостью. С характернымразмером шероховатости соизмерима глубина потока в микроручейке, а отпространственного распределения шероховатости зависит его извилистость.Припересеканиимикроручейкаграницыобластейсразличными183потенциалами эрозионной стойкости направления стока отклоняется отуклона.Этотмикроручейкеэффектмаланаиболееизаметен,деформациякогдаскоростьподстилающейпотокавповерхностиосуществляется практически под прямым углом, т.е.
на начальном этапеформирования микрорусла. Что касается мезорельефа, то, направление стокас высокой точностью совпадает с уклоном поверхности. Таким образом,основной вклад в формирование микрорусла будет оказывать тот наклонповерхности микрорельефа, который по значению действующей компонентысилы тяжести обуславливает скорость стекания эффективных атмосферныхосадков.
Обозначая уклон через i, а через α значение угла наклона на том жеудалении l от водораздельной линии в определенный момент времени t,получим g sinα=gi.Поверхность склона, в которую врезается микроручеек, характеризуетсянекоторой эрозионной стойкостью. Для описания характеристик объектов,зависящих от содержания в них влаги удобно использовать различного родапотенциалы, представляющие собой отношение интенсивной величины кэкстенсивной величине.
Поэтому эрозионную стойкость можно выразитьчерез потенциал ψ, представляющий собой энергию необходимую дляразрушения и выноса почвы в конкретных условиях ее залегания к массевыносимой почвы [129]ψ=ΔA,Δm(4.3.2)где ΔА – энергия, затраченная на разрушения и вынос Δm – единицы массыпочвы.При таком рассмотрении процесса, средние глубина h и ширина bмикроручейка должны зависеть от трех различных параметров: расхода Qx,м3/с; компоненты силы тяжести gi, м/с2; потенциала эрозионной стойкости ψ,Дж/кг≡м2/с2.Общий вид искомых функциональных зависимостей для ширины иглубины следующий184h = A1Q xx1 ( gi ) 1 ψ z1 ,(4.3.3)b = A2 Q xx2 ( gi ) 2 ψ z2 .(4.3.4)yyПрименяя метод размерностей для единиц измерения длины и времени,приравниваем соответственно, показатели степеней в правой и левой частях(4.3.3) и (4.3.4).
Получаем две системы уравнений:⎧1 = 3 x1 + y1 + 2 z1 ,⎨⎩0 = x1 + 2 y1 + 2 z1 ;(4.3.5)⎧1 = 3 x2 + y 2 + 2 z 2 ,⎨⎩0 = x2 + 2 y 2 + 2 z 2 .(4.3.6)Подставив в выражение (4.3.3) y1 и z1 выраженные через х1, а ввыражение (4.3.4) y2 и z2 выраженные через х2 после преобразованийполучаем:x1⎧⎪ ⎛ gi ⎞ 2 1 ⎫⎪hgi= A1 ⎨Qx ⎜⎜ ⎟⎟⎬ ,ψψψ⎪⎩ ⎝ ⎠⎪⎭(4.3.7)x2⎧⎪ ⎛ gi ⎞ 2 1 ⎫⎪bgi= A2 ⎨Qx ⎜⎜ ⎟⎟⎬ .ψ⎪⎩ ⎝ ψ ⎠ ψ ⎪⎭(4.3.8)Величину в фигурных скобках (4.3.7) и (4.3.8) можно определить, каккритерий Лохтина:⎛ gi ⎞Λ = Qx ⎜⎜ ⎟⎟⎝ψ⎠Безразмерная величина21.ψ(4.3.9)hgiв левой части уравнения (4.3.7) можетψиспользоваться как основная количественная характеристика эрозионногоразрушения подстилающей поверхности склоновым потоком и движениянаносов:Э=hgi.ψ(4.3.10)Приняв за относительную ширину микрорусла величину отношения185ширины к высоте ε=b/h, для выражений (4.3.7) и (4.3.8) получаемЭ = A1Λx1 ,(4.3.11)εЭ = A2 Λx2 .(4.3.12)Умножая Э на массу воды в рассматриваемом отсеке сечения Δmв,получаем в числителе hgiΔmв – работу совершаемую гравитационнойкомпонентой водного потока.
Умножая ψ на Δmп – массу подстилающейповерхности в том же отсеке сечения и на коэффициент kr, учитывающийсопротивление силам трения, получаем ψΔmпkr – энергию, необходимую дляэрозионного разрушения. Коэффициент kr определяется как отношениеизменения удельной энергии потока жидкости взаимодействующего сшероховатой поверхностью к изменению удельной энергии потока жидкости,взаимодействующего с гладкой поверхностью [203].Полученные выражения (4.3.11) и (4.3.12) при подстановке числовыхзначений позволяют сделать следующие выводы:1.
Э1 =h1 giψ= 1 , эрозионное разрушение в данной точке водосборнойплощади не происходит, а атмосферные осадки стекают по микроруслу недеформируя его (равновесие системы микрорусло – водный поток).Поскольку величины ψ, h, i положительные, то по (4.3.11) можнозаписать1x⎞11x⎞1⎛Э⎛1Λ = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ .⎝ A1 ⎠⎝ A1 ⎠2. Э2 =h 2 giψ(4.3.13)> 1 , в данной точке водосборной площади происходитэрозионное разрушение, поскольку атмосферные осадки стекают помикроруслу, смывая подстилающую поверхность1x⎞1⎛ЭΛ = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ .⎝ A1 ⎠(4.3.14)1863.
Э3 =h 2 giψ< 1 , в данной точке водосборной площади происходитаккумуляция наносов1x⎞1⎛ЭΛ = ⎜⎜ 3 ⎟⎟ .⎝ A1 ⎠4.Эmax =h max giψ(4.3.15)>>1, эрозионные процессы приобретают опасныйхарактер1x⎞1⎛ЭΛ = ⎜⎜ max ⎟⎟ .⎝ A1 ⎠(4.3.16)Исследования формирования стока на сходящихся поверхностяхпоказали, что особую опасность имеет волна, образующаяся между верхней инижней частями потока:1n⎤ 1+1⎡ l J (L - 0,5l τ )hв = ⎢ τ ст⎥⎣ C k (L - l τ ) ⎦,1n⎞⎤ 1+1⎡ J (L - l τ ) ⎛ 1hн = hmax = ⎢ ст⎜ 2 - 1⎟⎥2C⎝u⎠⎦⎣k(4.3.17),(4.3.18)где Jст – интенсивность атмосферных осадков, благодаря которым образуетсясток; lτ – расстояние от водораздела по направлению стока τ; L – длинасходящегося склона; Ck=m (sinα ) 2 – постоянная склона, зависит от уклона,nмикрорельефа, густоты растительности на поверхности, m – коэффициентпоказывающий шероховатость склона и извилистость микроручейков; α –угол уклона склона в рассматриваемой точке водосборной площади; hв,hн=hmax – глубина слоя потока в сечении соответственно между верхней инижней частями потока; n1 и n2 – степенные коэффициенты; u – параметр,зависящий от расстояния lτ.Наблюдаемое на склонах образование периодически повторяющихсяминиатюрных «плесов» и «перекатов» (конусов выноса) при стекании187атмосферных осадков объясняется критерием Лохтина, поскольку онотражает нестационарность процесса взаимодействия микрорусла с воднымпотоком.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
