Исследование устойчивости склоновых агроландшафтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование устойчивости склоновых агроландшафтов

Бжеумыхов В.С., Шекихачев Ю.А., Хажметов Л.М.

Кабардино-Балкарский государственный

аграрный университет им. В.М. Кокова

Аннотация

Производство сельскохозяйственной продукции на склонах должно основываться на тщательно продуманной почвозащитной технологии, отвечающей специфическим требованиям горного земледелия и оптимальной для механизации производственных процессов. Следует еще иметь в виду, что технология горного земледелия должна быть гибкой и адаптивной к быстро изменяющимся условиям внешней среды. Следовательно, и комплексы машин для механизации технологических процессов должны отвечать этим требованиям.

Таким образом, система агротехнических мероприятий по вовлечению склоновых агроландшафтов в сельскохозяйственное производство должна обеспечивать высокую продуктивность сельскохозяйственных культур, комплексную механизацию технологических процессов и, что самое главное, предотвращение водной эрозии почв, возникающей под действием выпадающих осадков.

Исходя из этой комплексной задачи, в данной статье теоретически исследован процесс воздействия дождевых осадков на почву. Анализ результатов предыдущих исследований показал, что определяющей характеристикой осадков, влияющей на процессы эрозии, следует считать конечную скорость дождевой капли. Теоретические исследования проведены нами с учетом влияния ветра, так как дожди зачастую сопровождаются ветрами довольно большой скорости.

Анализ полученных результатов показывает, что в условиях склоновых агроландшафтов существенно возрастает значение горизонтальной составляющей силы удара, что является причиной усиления здесь эрозионных процессов.

Теоретические зависимости и результаты, изложенные в данной статье, могут быть использованы при разработке агротехнических мероприятий по защите склоновых агроландшафтов от эрозионных процессов и технических средств для их реализации.

Ключевые слова: СКЛОНЫ, ОСАДКИ, ДОЖДЬ, КАПЛЯ, ВЕТЕР, ЭРОЗИЯ, ПОВЕРХНОСТНЫЙ СТОК

Террасирование является широко известным приемом для вовлечения склоновых агроландшафтов в сельскохозяйственное производство во многих регионах России и за рубежом. При решении вопроса о террасировании необходимо учитывать местные почвенно-климатические условия, возможности сохранения почвы от эрозии, использование средств механизации по уходу за сельскохозяйственными культурами, наличие трудовых ресурсов и сложившийся опыт ведения сельскохозяйственного производства на склонах.

Главная проблема при эксплуатации террас - защита полотна от эрозионных процессов. Водная эрозия здесь вызывается поверхностным стоком, поэтому важнейшими климатическими факторами, определяющими эрозионную опасность террас, являются дождевые осадки, а также режим снеготаяния. При этом ведущая роль принадлежит осадкам, которые формируют поверхностный сток.

Таким образом, система агротехнических мероприятий по вовлечению склоновых агроландшафтов в сельскохозяйственное производство должна обеспечивать высокую продуктивность сельскохозяйственных культур, комплексную механизацию технологических процессов и, что самое главное, предотвращение водной эрозии почв, возникающей под действием выпадающих осадков. С учетом этого, основные вопросы, которые следует рассмотреть при прогнозировании эрозионных процессов, следующие:

конечная скорость дождевой капли, ее предельные размеры, траектория и угол падения;

процесс воздействия дождевой капли на поверхность почвы.

На процесс воздействия дождевой капли на поверхностный слой почвы оказывают влияние множество факторов [1-5], главный из которых - скорость ветра, определяющая конечную скорость дождевой капли и ее предельные размеры.

При определении конечной скорости дождевой капли необходимо учитывать, что закон падения тел, полученный Галилеем, верен лишь для падения тел в пустоте. В данном случае дождевая капля падает в воздухе, поэтому наблюдаются некоторые отступления от этого закона, вызванные наличием сопротивления среды ее падению. При этом живая сила падающей дождевой капли тратится на образование вихревых движений воздуха и преодоление молекулярных сил прилипания воздуха к падающей дождевой капле.

Кроме того, следует учитывать также и влияние ветра на траекторию движения дождевой капли, т.к. дожди зачастую сопровождаются ветрами довольно большой скорости.

Дифференциальные уравнения движения дождевой капли запишутся в виде:

(1)

(2)

где: и - проекции скорости дождевой капли на инерциальные оси координат, м/с; - сила давления ветра, Н; - сила сопротивления воздуха при горизонтальном сносе дождевой капли под давлением ветра, Н; - вес дождевой капли, Н; - сила сопротивления воздуха при вертикальном падении дождевой капли под действием собственного веса, Н.

Силы , и определятся из выражений:

(3)

(4)

(5)

где: - аэродинамический коэффициент; - площадь поперечного сечения дождевой капли, м²; - скорость ветра, м/с; - удельный вес воздуха, Н/м³; g - ускорение свободного падения, м/с².

После некоторых математических преобразований из (1) получим:

,(6)

где: .

Интегрируя выражение (6), получим:

,(7)

Постоянную интегрирования С₁ найдем с учетом начальных условий: равна скорости ветра на высоте нижней границы тучи :

(8)

Таким образом, выражение для расчета горизонтальной составляющей абсолютной скорости движения дождевой капли с учетом влияния ветра будет иметь вид:

.(9)

Аналогично получаем выражение для расчета вертикальной составляющей абсолютной скорости дождевой капли:

,(10)

где .

Окончательно абсолютная скорость дождевой капли с учетом влияния ветра определится по выражению:

.(11)

Угол наклона касательной к траектории движения дождевой капли относительно поверхности почвы определится по выражению:

.(12)

Разделив переменные и проинтегрировав выражение (10) (приняв, что высота падения ), получим:

.(13)

При исследовании эрозионных процессов на террасированных склонах большой интерес представляет определение максимально возможного диаметра дождевой капли. Пусть мы имеем дождевую каплю радиусом , которому дадим приращение . Можно записать, что:

,

где: - давление внутри капли, Н/м²; - приращение объема дождевой капли, м³; - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; - приращение поверхности капли, м².

Из выражения (14) после некоторых преобразований получим:

,(15)

где - диаметр дождевой капли, м.

Из выражения (15) окончательно получим выражение для расчета предельного диаметра дождевой капли:

,(15)

водный эрозия почва склон

где - удельный вес воды, Н/м³.

Давление, которое испытывает почва от удара одной дождевой капли, можно рассчитать по формуле:

.(16)

Сила удара одной капли равна:

(17)

где - коэффициент, характеризующий влияние мульчирующего слоя из растительности на процесс разрушения почвы дождевыми каплями

С использованием выражения (12) построена зависимость угла падения дождевой капли от скорости ветра (рис. 1). Из этого графика видно, что, например, при скорости ветра 5 м/с на высоте 2 м (при падении капли с высоты 1200 м) дождевая капля диаметром 1 мм падает под углом 23^о к горизонту, а диаметром 5 мм - уже 44^о, что совпадает с реальной картиной и подтверждает корректность полученных зависимостей.

Рис. 1. Зависимость угла падения дождевой капли от ее диаметра (при скорости ветра 5 м/с)

С использованием выражения (13) установлено, что, например, при скорости ветра 5 м/с на высоте 2 м дождевая капля диаметром 1 мм с высоты 1000 м падает 460 с, а диаметром 5 мм - 206 с.

При =0,075 Н/м и =9810 Н/м³ получим =6,89 мм, что достаточно хорошо коррелирует с результатами, полученными в [6, 7]. В этих работах отмечается, что предельные диаметры дождевых капель не превышают 6-7 мм. Данное обстоятельство подтверждает корректность полученных выражений и их пригодность для определения предельного размера дождевой капли.

Нами решена также задача определения максимальной скорости дождевой капли. При этом результаты наших расчетов сравнивались с результатами исследований В.Шмидта, В.М.Лебедева [7], П.А.Молчанова [8] и А.Б.Шупяцкого [9] (рис. 2). Из построенных графиков видно, что наши данные довольно хорошо согласуются с результатами, полученными указанными исследователями.

Рис. 2. Зависимость предельной скорости дождевой капли от ее диаметра: 1 - по В.Шмидту; 2 - по В.М.Лебедеву; 3 - по формуле автора; 4 - по А.Б. Шупяцкому и П.А Молчанову

С использованием выражения (17) построена зависимость силы удара дождевой капли о ровную поверхность при отсутствии ветра (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость силы удара дождевой капли о поверхность почвы

В результате математического моделирования процесса падения дождевой капли и ее воздействия на поверхностный слой почвы террасированных склонов получены теоретические зависимости, характеризующие движение дождевых капель с учетом влияния ветра и их воздействие на полотно террасы. Полученные зависимости могут служить основанием при разработке агротехнических мероприятий по защите террасированных склонов от эрозионных процессов и технических средств для их реализации.

Список использованных источников

1. Шекихачев Ю.А. Системный подход к проблеме повышения устойчивости склоновых земель / NovaInfo.Ru. - 2016, т.1, № 43. - С. 58-62.

2. Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Фиапшев А.Г. Анализ факторов, влияющих на возникновение и развитие эрозионных процессов на склоновых землях / Международный научный журнал «Инновационная наука». - 2016, №3/2016. - С. 21-23.

3. Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Фиапшев А.Г. Модель повышения устойчивости агромелиоландшафта / Материалы Международной (заочной) научно-практической конференции «Научная мысль XXI века» (28 сентября 2016 г., г. Кишинев, Молдавия). - Кишинев: Editura «Liceul». - 2016. - С. 32-35.

4. Шекихачев Ю.А., Тенгизов А.Х. Исследование влияния агрометеорологических факторов на развитие водной эрозии почв / Тезисы докладов региональной научно-практической конференции Юга России «Производственный потенциал АПК и его использование в условиях рынка». - Владикавказ. - 2000. - С. 85-86.

5. Шекихачев Ю.А., Пазова Т.Х., Шекихачева Л.З. Моделирование процесса водной эрозии на склоновых землях Кабардино-Балкарской республики / Международный научный журнал «Наука и мир». - 2014, №2(6), т.1. - С.193-194.

6. Исаев А.П. Гидравлика дождевальных машин. - М.: Машиностроение. - 1973. - 215 с.

7. Лебедев В.М. Дождевальные машины. - М.: Машиностроение. - 1977. - 246 с.

8. Мосияси А.С. Влияние экспозиции склонов и растительного покрова на термический и водный режим почвы // В кн.: Ученые записки Краснодарского СХИ. - Краснодар. - 1961. - С. 46-51.

9. Шупяцкий А.Б. Форма и скорость падения дождевых капель // Известия АН СССР. Серия геофизики. - 1959, №5. - С. 136-142.

Размещено на Allbest.ru