Сущность дефляций почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.459

Сущность дефляций почв

Койбаков С.М.

Иманалиев Т.К.

ТарГУ им.М.Х.Дулати, г.Тараз.

Как было отмечено выше, дефляция - разрушение и снос почв ветром. Она происходит в том случае, когда скорость ветра постигает значения, при котором её разрушительная сила превышает силу противодефляционной устойчивости почвы. Рассмотрим, как это происходит.

Эродирование почвы ветром представляет собой физический процесс, протекающий при взаимодействии воздушного потока с поверхностью почвы. Закономерности взаимодействия воздушного потока с почвой довольно хорошо изучены и могут служить теоретическим основанием для разработки и рекомендации эффективных приемов защиты почвы от губительного воздействия ветра. Необходимо прежде всего выявить механизм отрыва почвенных частиц ветром, их подъема и переноса.

Еще Г.Н. Высоцкий (1894) в конце прошлого столетия отмечал ,что по мере приближения к поверхности скорость ветра снижается тем больше, чем более шероховата поверхность почвы. В более позднее время ученые установили основные закономерности изменения скорости ветра у поверхности почвы в зависимости от её шероховатости (Сапожникова,1946) .

Наиболее полно и обоснованно механизм отрыва частиц почвы от её поверхности описан в работе американских ученных (Конке,Бертран,1962) на основе исследований ряда ученных США и Канады. Изложенный этими ученными механизм процесса подтверждается более поздними данными, полученными в нашей стране с помощью полевых аэродинамических установок ПАУ-2 и ПАУ-3. дефляция почва эродирование

Движение частиц почвы ветром начинается под влиянием взаимодействия динамических и статических сил, возникающих при обтекании их поверхности воздушным потоком. При движении потока воздуха на шарообразную частицу, лежащую свободно на поверхности почвы, действуют несколько сил: тяжести, лобового напора воздуха, атмосферного давления, сцепления, подъемная сила.

Если суммарное значение сила тяжести частицы, атмосферного давления и силы сцепления оказывается приближенно равной силе лобового напора воздуха, частица начинает двигаться, волочась по поверхности. Если сумма силы тяжести частицы, атмосферного давления и сцепления оказывается меньше подъемной силы, частица поднимается воздух.

На свободную частицу действует: силы лобового давления ветра скоростью , сила тяжести и подъёмная сила (сила Магнуса) . Первоначально , с увеличением скорости ветра до критической величины свободная частица начинает кататься с угловой скоростью . Направление угловой скорости по верху совпадает с направлением ветра, что повлечетснижению местного давления (снизу давления-атмосферное). Разность давлении по вертикальному диаметру создает подъемную силу () как подъемная сила превалирует силу тяжести частицы, G, последняя отрывается (поднимается) от поверхности земли ( рис.1). После этого частица может подниматься скачком, так как вращающаяся частица снизу имеет угловую скорость, направленную противоположную сторону скорости ветра, а сверху по направлению сторону скорости ветра. Этот эффект известный как эффект Магнуса создает силу Магнуса, направленный верх (подъемная сила). Под действием силы Магнуса частица поднимается скачком, поскольку угловая скорость быстро убивает и принимает нулевое значение на высоте h на этой высоте воздушный поток движется турбулентно, в ядро которой градиент продольной скорости значительно (частица не вращается). Значить пылевая частица по вертикали подвергается действию только силы тяжести , что заставляет частицу падать вниз. Все это происходить при наличии горизонтальной скорости , следовательно на определенном расстоянии по горизонтали.

Подъемная сила частицы возникает следствие того, что в пределах высоты, равной диаметру частицы, скорость движение воздуха различно. Поток , поступающий под нижнюю часть шарообразного комочка, из-за шероховатости поверхности почвы имеет меньшую скорость и большую плотность. В результате этого над частицей - повышенного. Возникает подъемная сила, действующая на частицу.

Движение почвенных частиц в несколько стилизованном виде можно представить следующим образом: на высоте 0,2-0,4 мм, то есть у самой поверхности почвы, скорость воздушного потока близка к нулю, с высотой она быстро возрастает. Воздействие ветра на частицы и агрегаты разного размера неодинаковы. Наиболее легко передвигается на поверхности комочки и частицы примерно 0,1-0,5 мм в диаметре, которое выдвигается из приземного штилевого слоя и под натиском воздушного потока приобретает вращательное движение с частотой вращения 200- 1000 об/с (рис.3).

Американские исследователи (Конке и Бертран 1962) так описывают механизм передвижения почвенных частиц. «Когда частица катится поверхности почвы, её верхняя часть движется гораздо быстрее, чем ветер, а нижняя часть двигается противоположном направлений. Так как воздух у поверхности частицы вращается вместе с нею, выше частицы создается парциальный вакуум, а под ним воздух сжимается. Оба эти изменения давления стремятся приподнять частицу. Частица подпрыгивает воздух почти вертикально, но инерция горизонтального движения заставляет её подниматься под углом 75- 90?.

1-ил; 2-мельки песок; 3-средний песок;

Рис 2. Комочки почвы диаметром 0,1-0,5мм выдвинуты из штилевой полосы и под ударами ветра начинают перекатываться

Она поднимается на высоту 15-30 см но иногда на 60 и даже 90 см. По мере поднятия в воздух вращение вокруг оси замедляется, и частица вступает в слой со значительно большей скоростью ветра.

Рис 3. Силы, вызывающие скачок образное движение частиц диаметром 0,1-0,5 мм.

Потеряв, таким образом , вертикальный импульс, частица переноситься ветром по слегка снижающиеся траектории уголь, под которым она подает на поверхность почвы составляет от 6 до 12°.

Высота подъема частиц зависит от соотношения их массы и подъемной силы; последняя, свою очередь, определяется градиентом скорости и площадью поверхности частицы. В зависимости от массы и высоты подъема частица падает с различной ударной силой. Попадая на комочки большого размера, она дробит их, увеличивает тем самом количество скачущих частиц («лавинный эффект», о чем будет сказано далее). Скачущие частицы, падая на поверхность почвы, выбивают их из штилевой полосы, далее их подхватывают ветровой поток , в зависимости от массы и формы поднимает на ту или иную, чаще всего на очень большую высоту, и относит далеко от место эродирования . Комочки же от 0,5 до 1 мм передвигается перекатыванием трутся друг о друга, соударяется и разрушаясь, в свою очередь, увеличивают количество комочков наиболее агрессивных«прыгающих» фракций .

Таким образом, наиболее эрозионно-активными является фракции размером 0,1-0,5 мм в диаметре из-за передвижения скачками. Это главная, активная часть почвенных частиц, вызывающая разрушения самой почвы, засекание и уничтожение растений, насекомых и даже мелких диких степных животных.

Из изложенного вытекает, ветровая эрозия почвы есть не пассивный процесс, а весьма активный агент весьма разрушительной силы. Если насыщенный активными (скачущими) частицами пылевоздушный поток с эродирующего поля перебрасывается на соседнее, пока не эродирующее (скажем, сильно глыбистые) поле, оно также начинает эродировать под воздействием бомбардирующих активных фракций.

Основные факторы, определяющие податливость почвы к ветровой эрозии: ветер определенной скорости, степень распыления верхнего слоя почвы и сохранность пожнивных остатков на ее поверхности. Скорость ветра, при которой начинается движение эрозионно-опасных фракций почвы, именуется ее порогом. Этот порог, при котором начинается эрозия, различен для почв с разрывом состоянием их поверхности.Минимальная скорость ветра, при которой начинается отрыв, подъем и перенос в воздушном потоке частиц почвы, называется критической (пороговой) скоростью. Для разных почв критическая скорость ветра различно (табл.1)

Таблица 1. Пороговая скорость ветра на высоте 10…15см.

Следует отметить, что на пороговую скорость ветра, а значит, и на интенсивность дефляции, влияет множество факторов: климатические условия, гранулометрический состав почвы, плотность минеральных частиц (удельная масса твердой фазы), сила сцепления с другими частицами,защищенность поверхности почв, хозяйственная деятельность человека.

Зависимость критической скорости ветра, или скорости дефляции почв, от размера минеральных частиц (гранулометрического состава) почв сложна, так как, помимо прямого влияния размера частиц на сопротивляемость почвы дефляции, существует множество косвенных взаимозависимостей, которые могут приводить к прямо противоположному эффекту. Остановимся сначала на чисто физических закономерностях зависимости критической скорости ветра от ряда факторов.

Критическая скорость ветра (м/с), по М.И.Долгилевичу выражается следующим уравнением.

=, (1)

где - диаметр частиц м; - плотность частиц, г/; - плотность воздуха, г/; - ускорение свободного падения, 9,8 м/; - атмосферное давление г/; - сила сцепления частиц, г/; и - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Более простое выражение критической скорости ветра (м/с) дал У.Чепил.

= . (2)

где - удельный вес частиц; - диаметр частиц.

Приведенные формулы справедливы для почвенных частиц >0,1 мм. Для частиц 0.1 мм эта зависимости имеет иной вид, а именно с уменьшением диаметра частиц при размере их 0,1 мм вновь начинает расти данное явление связано с увеличением сил сцепления между мелкими частицами.

Различной критической скоростью ветра для частиц разного диаметра объясняется сортировка минеральных частиц по их диаметру в аридных районах. Эта сортировка приводит к образованию песчаных и глинистых пустынь, а также лёссовых отложений на окружающих пустыни территориях. Примером могут служить пустыни Средней Азии. Сортировка отложений по гранулометрическому составу на пески и глины объясняется тем, что при преобладающей скорости ветров в Каракумах от 2 до 5 м/с не месте остаются частицы менее 0,01 и более 1 мм, а крупнопылеватые частицы размером 0,01 … 0,05 мм выносятся с территории на большое расстояние, измеряемое сотнями и тысячами километров, и оседают в виде лессов. Именно в результате такой сортировки образовались отложения лессов на периферии пустынь. При сильных ветрах частицы крупнее 0,5 мм перемещаются на незначительное расстояние, вследствие чего образуются песчаные бугры и барханы, а мелкие глинистые частицы из- за большой силы сцепления образуют плотные корки и остаются на месте между буграми. Они могут перемещаться лишь с водными потоками в наиболее низкие места. Это явление наблюдается в период весенних и осенних дождей. Именно таким путем на месте разливов мутных потоков образуются такыры - глинистые отложения с плоской поверхностью.

В переувлажненном состоянии такырная масса не поддается разрушающему воздействию ветра, а при иссушении такыры приобретают сцементированность и также не дефлируются. Именно с этими свойствами связано устойчивое сосуществование в пустынях такыров и перемещающихся с ними песчаных почв.

Однако в основной части сельскохозяйственных районов нет таких контрастных условий, характеризующихся резкой сменой иссушения и увлажнения, а поверхность почвы накрыта растительностью. Поэтому резкой дифференциации почв по гранулометрическому составу - на глинистые и песчаные - в соответствии с формами рельефа - обычно не наблюдается.

Вследствие этого на практике при расчете критической скорости ветра специфическим поведением частиц. Обычно частицы диаметром больше 1 мм называют ветроустойчивыми, а частицы диаметром меньше 1 мм - дефляционно неустойчивыми. Необходимо отметить, что дефляционная устойчивость частиц зависит не только от их размера, но и то удельной массы, которая определяется их минералогическим составом (табл.2)

Минералы, преобладающие почвах (кварц и полевые шпаты), по удельной массе различаются мало, поэтому при расчетах этими различиями пренебрегают и для минеральной массы почв принимают = 4 м/с.

Таблица 2. Критическая скорость ветра для минералов с разной удельной массы (диаметр частиц d=0.25 мм ).

Иначе обстоит дело с органическим веществом почв, гумусом, удельная масса которого значительном меньше, чем минералов. Из-за этого скорость дефляции сильно гумусированных почв может возрастать. Особенно велики скорости разрушения ветров осушенных торфияников, которые после распашки интенсивно развиваются.

Наибольшее развитие дефляция почв получила в Белоруссии, в основном на территории Полеся. Она начало проявляться 20…25 лет назад в связи с быстрым развитием осущительных мелиорации и распашкой торфияных почв. Понижение уровня грунтовых вод вызвало пересыхание поверхностных слоев торфа, сведение леса привело к образованию обширных открытых площадей и повышенной деятельности ветра.

Дефляция на торфяных почвах Полесья проявляется весной, в начале лета, реже осенью.Ей способствуют сильные ветры, малое количество осадков, низкая относительная влажность воздуха, слаборазвитый покров сельскохозяйственных культур. Ветровая эрозия начинается при скорости ветра на высоте флюгера 8 м\с и более; такие ветры преобладают весной и осенью. Дефляция обычно носит локальный характер, проявляясь на отдельных полях, однако при более сильных ветрах возникают рыльные бури, охватывающие большие территории, продолжительностью до нескольких суток. Основная масса почвенных частиц имеет диаметр, не превышающий 1 мм, 90% выносимого с полей мелкозема перемещается на высоте до 40 см от поверхности почв.

Дефляции подвергаются чаще всего поля пропашных культур, в меньшей степени яровых зерновых, еще менее - озимых. Многолетние травы надежно защищают почву от дефляции. В севообороте , где озимые занимают три поля, яровые хлеба - два, травы - два и пропашные - три, средний ежегодный вынос торфа составляет около 1 т\га.

Литература

1. С.М.Койбаков./Проблемы эксплуатации гидротехнических и мелиоративных объектов в сложных природно-климатических условиях. - Тараз, «Тараз университеті», 2003. - 254с.

Размещено на Allbest.ru