Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока

Специальность 25.00.27 - Гидрология суши, гидрохимия, водные ресурсы

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени

доктора географических наук

Будник Светлана Васильевна

Воронеж - 2009

Работа выполнена в Луганском институте агропромышленного производства

Научный консультант: доктор географических наук, профессор Хильчевский Валентин Кириллович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Коронкевич Николай Иванович

доктор географических наук, профессор Мишон Виталий Михайлович

доктор технических наук, профессор Дебольский Владимир Кириллович

Ведущая организация: Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «24» ноября 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86, ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работников Воронежского государственного педагогического университета (394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86, к. 34).

Автореферат разослан «____» ________ 2009 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86. Естественно-географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс: 8 (4732) 55-19-49. Е-mail: shmykov@vspu.ac.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат географических наук,

доцент В. И. Шмыков

Аннотация. Будник С.В. Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока. Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук. Специальность 25.00.27 - гидрология, гидрохимия, водные ресурсы. Воронеж. 2009 г.

Рукопись содержит теоретические и эмпирические обобщения по проблеме склонового стока и смыва. Рассматриваются факторы формирования стока и смыва растворенных и взвешенных веществ со склонов. На основе материалов полевых наблюдений за формированием талого, ливневого стока и стока при орошении дается оценка гидродинамических характеристик склонового стока (коэффициенты Шези и шероховатости, числа Рейнольдса и Фруда, турбулентное и вязкостное трение, относительная ширина русела, критерий устойчивости русел, диссипация энергии, масштабы вихрей) и анализируется изменение содержания химических элементов в воде водотоков по длине и уклону склона, агрофону, характеру снеготаяния и др. Выявлено, что в верхней части склона химическая составляющая факторов размыва склона может быть более значимой, чем динамическая. Приводятся критические величины содержания веществ в воде водотоков при которых размыв максимален. Предлагается теоретическая схема размыва склона водотоком по длине. Проведенные исследования позволили предложить методику расчета эрозионной опасности агрофонов на склоне, эмпирические зависимости для расчета расходов и мутности воды и максимальной глубины воды, содержания химических элементов в водотоках по длине склона.

The Abstract. Budnik S.V. The Estimation intercoupling hydrochemical and hydrodynamic factor of slopes flow. The Thesis on competition degree doctor of the geographical sciences.. The Profession 25.00.27 - hydrology, hydrochemistry, water resources. The Voronezh- 2009.

Manuscript contains theoretical and empirical generalizations on problem of slopes flow and soil loss. They Are Considered factors of the shaping the overland flow and soil loss dissolved and weighted material with slope. On base material field observations for snow melt runoff and storm runoff and flow at irrigation is given estimation hydrodynamic features of slopes flow (the factors Chezy and roughnesses, numbers Reynolds and Froude, hydraulic shear stress and shear viscous stress, relative width of the bed , criterion to stability beds, dissipation energy, scales of the curls) and is analysed change the contents chemical element in water flow on length and gradient of the slope, agricultural background, nature snowmelt and is others. Revealled that in higher part of the slope chemical forming factor of the erosion of the slope can be more significant, than dynamic. Happen to the critical values of the contents material in water flow under which erosion maximum. The theoretical scheme of the erosion of the slope flow is offered on length of slope. The Called on studies have allowed to offer the methods of the calculation erosion dangers agricultural background on slope, empirical dependencies for calculation of the expenses and turbidities of water and maximum depth of water, contentses chemical element in flows on length of the slope.

Актуальность темы. При решении многих теоретических и практических задач возникает вопрос о необходимости учета гидравлических или гидрохимических особенностей водотоков на склонах. В частности, знание особенностей процессов стока и смыва веществ на склонах важны при прогнозировании наводнений, при проектировании противоэрозионных и дорожных сооружений и т.п.. Особенности гидравлики склоновых потоков изучаются учеными уже давно. Этими вопросами в разной степени занимались Г.И.Швебс, К.М.Зубкова, А.В.Караушев, В.П.Лидов, Н.И.Маккавеев и др. В данное время это направление исследований интенсивно развивают В.Я.Григорьев, М.С.Кузнецов, Г.А.Ларионов, М.А.Неаринг (M.A.Nearіng), Ж.Э.Моррисон (J.E.Morrіson) и др. Детальные исследования гидрохимии склоновых потоков проводили в свое время А.А.Алекин и П.П.Воронков. В последние годы, в основном, ведутся исследования стока биогенных веществ со склонов в связи с экологическими проблемами применения удобрений (П.С.Пастернак, В.Э.Явтушенко и др). Комплексных исследований гидродинамических и гидрохимических процессов в склоновых водотоках до сего времени не проводилось.

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось оценить взаимосвязь гидродинамических и гидрохимических факторов стока со склонов, обосновать концепцию гидрохимического влияния воды на формирование рельефа склона. В задачи исследований входило: 1) моделирование гидравлических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков с учетом особенностей их формирования и изменчивости по длине склона, 2) разработка моделей показывающих взаимосвязь между гидродинамическими особенностями водотоков и химическим составом воды; 3) разработка концепции формирования эрозионно-аккумулятивного рельефа как результата взаимодействия гидродинамических и гидрохимических процессов; 4) создание способов прогнозирования эрозионно и экологически опасных ситуаций на склоне.

Объектом исследований были процессы, протекающие в склоновых водотоках и отвечающие за формирование содержания веществ и размыв склона.

Предметом исследований был сток воды, смыв почвы и растворимых веществ в склоновых водотоках, формирующихся, как в естественных условиях от ливней и при снеготаянии, так и сток при орошении в производственных условиях.

Методология и методы исследований содержат в себе полевые наблюдения за исследуемыми процессами в натурных условиях, математический анализ и построение теоретических концепций формирования процессов. В математический анализ входит статистическое оценивание, вероятностный анализ, математическое моделирование и оптимизация. вода сток русло гидродинамический

Основные защищаемые положения: 1) зависимость содержания химических элементов от динамики потоков; 2) зависимость эродирования склонов от состава воды; 3) существование двух механизмов химического влияния воды на почву; 4) схема дифференциации склона по характеру эрозионных форм и факторам, определяющим размыв; 4) возможность планирования сочетаний агрофонов на склоне на основе анализа изменчивости гидродинамических характеристик при переходе с агрофона на агрофон; 6) модели расчета расходов воды, максимальной глубины воды и мутности воды при снеготаянии и ливнях.

Научная новизна и практическая значимость. Разработаны модели показывающие существование связи химического состава воды с гидродинамическими характеристиками потоков. Выдвинута и обоснована гипотеза о влиянии химического состава воды на эродированость склонов. Миграцию веществ на склоне рекомендуется рассматривать вместе с определением критических доз содержания веществ в воде, при которых происходит интенсивный выход веществ из почвы, обеспечивающий возможность определения мест на склоне с критическим влиянием. Выдвинута гипотеза о наличии двух механизмов химического влияния воды на размыв почвы. Предложена схема дифференциации склона по характеру эрозионных форм и факторам, которые определяют размыв. Определены критические величины содержания некоторых веществ в воде склоновых водотоков, при которых размыв склона усиливается.

Практическая значимость работы заключается, как в представлении анализа натурного материала особенностей стока от ливней и снеготаяния, которые частично раньше никогда для склоновых водотоков не рассматривались (оценка характеристик турбулентности, изменчивость морфометрических характеристик, взаимодействие химических и гидравлических процессов), в определении гидравлических характеристик потоков для юго-востока Украины, где они раньше не определялись, так и в применении материалов исследований к оценке допустимости сочетания агрофонов на склоне, прогнозировании мест на склоне, где вероятность и величина размыва максимальны. Предложены методики определения расходов воды, максимальной глубины воды и мутности воды в склоновых водотоках по длине склона в период снеготаяния и ливней.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов проверена путем статистического оценивания однородности рассматриваемых рядов, расчетом диапазонов варьирования основных статистических показателей оцениваемых характеристик, получения характеристик адекватности моделей исходным данным (по 4 критериям: относительная ошибка, абсолютная ошибка, коэффициент корреляции, критерий качества (критерий Гаусса)). Выдвинутые теоретические гипотезы подтверждаются результатами наблюдений. На основе результатов наблюдений также выведены статистически достоверные эмпирические закономерности.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 446 страницах машинописи, содержит 53 таблицы, 54 рисунок, список литературы включает 646 наименований. Приложения представлены отдельным томом на 79 страницах.

Диссертация состоит из 6 разделов. В первом разделе рассматриваются генетические отличия стока на склонах разного происхождения и анализируются существующие представления о гидравлике и гидрохимии стока на склонах.

Во втором разделе рассматриваются основные проблемы и задачи исследований эрозионных процессов на склонах, приводится методика исследований, характеристика объектов исследований и анализируется полнота и репрезентативность исходных данных.

В третьем разделе рассматриваются гидродинамические процессы в склоновых водотоках, приводятся эмпироко-статистические модели: режимы течений, кинетичность, гидравлические сопротивления, касательные напряжения, изменчивость морфометрических характеристик склоновых водотоков, характеристики турбулентности.

В четвертом разделе рассматриваются гидрохимические особенности стока на склонах, особенности моделирования и агрессивность водных растворов относительно почв, приводятся эмпирико-статистические модели для расчета содержания химических элементов в воде склоновых водотоков.

Пятый раздел посвящен оценке взаимосвязи гидрохимических и гидравлических процессов в склоновых водотоках. Проводится анализ особенностей эрозионно-акумулятивного процесса в склоновых водотоках, который представляется как синтез гидродинамических и гидрохимических процессов в водотоках. Представлены критические величины содержания растворимых веществ в воде склоновых водотоков, при которых наблюдается интенсивный размыв почвы. Предлагаются методы прогнозирования размыва склона.

Шестой раздел посвящен вопросам применения эмпирико-статистических моделей гидродинамических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков при проектировании элементов организации территории землепользования. Приводятся методы расчета стока воды и размыва склона по длине, а также методика определения эрозионно-опасных сочетаний агрофонов на склоне.

Публикации. Результаты исследований представлены в 69 научных работах, в том числе в 52 статьях, как географического профиля (33), так и почвоведческого (19), в 2 монографиях и брошюре. Из опубликованных работ по теме диссертации 3 статьи и 1 монография написаны в соавторстве (В.К.Хильчевський, В.Т.Малютяк), 16 работ опубликованы в журналах, рекомендуемых для опубликования материалов докторских диссертаций.

Апробация. Материалы работы неоднократно докладывались на научно-практических конференциях: ”Сталий розвиток агроекосистем в умовах обмеженого ресурсного забезпечення”, г.Киев,1998 г.; научно-практический семинар "Вчимося господарювати”, пгт.Чабаны,1999 г.; ГИС - Форум, Киев, 2000 р.; „Кафедрі гідрології та гідрохіміі КНУ ім. Т.Г.Шевченка 50 років”, г.Киев, 2000 г.; „Ведення землеробства в умовах посухи”, г.Одесса, 2001 г.; I Всеукраинская конференция „Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія”, г.Киев, 2001 г.; „Визначення перспективних шляхів науково-методичної підтримки та наукового забезпечення виконання державних комплексних програм”, г.Киев (Госводхоз), 2001 г.; VI съезд почвоведов и агрохимиков, г.Умань, 2002 г.; „Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища-2002”, г.Одесса, 2002 г.; „Екологічні проблеми басейнів транскордонних річок”, г.Луцк, 2002 г., “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очищення природних і стічних вод”, г.Миргород, 2003 г.; “Еколого-економічні проблеми водогосподарського та будівельного комплексу півдня України”, г.Херсон, 2003 г.; II Всеукраинская конференция ”Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія”, г.Киев, 2003 г.; “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку”, г.Киев, 2003 г. ; VI Всеросcийский гидрологический съезд, секция 6. “Проблемы руселовых процессов, эрозии и наносов”, С.-Петербург, 2004 г; ”Стан земельних угідь та поліпшення їх використання”, пгт.Чабаны, 2005 г.; международная конференция “Проблеми лісової рекультивації порушених земель України”, г.Днепропетровск; 2006 г.; III всеукраинской конференции “Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія”, 2006 г.; на международном симпозиуме по речным наносам, г.Москва, 2007 г.; на всеукраинской конференции “Мониторинг природных и техногенных сред”, г.Симферополь, 2008 г.; на международной конференции «Геоэкологические проблемы современности», г.Владимир, 2008 г.; на XXIII Совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, г.Калуга, 2008. Кроме того, материалы диссертации неоднократно докладывались на семинарах Института агроэкологии и биотехнологии УААН, на научно-техническом совете Института гидротехники и мелиорации УААН, на семинарах кафедры гидрологии и гидроэкологии КНУ им..Т.Г.Шевченко, на семинарах Национального аграрного Университета (г.Киев) и Житомирского национального агроэкологического университета (г.Житомир).

Работа выполнялась в рамках следующих научно-технических программ: "Плодородие почв" ("Разработать систему рационального использования земельных ресурсов Луганской области и охраны почв от эрозии") 1996-2000 гг., задание "Разработать критерии агроэкологической оценки земель, естественных и культурных фитоценозов и принципы размещения экосистем в агроландшафтах балочных водосборов" (номер госрегистрации 0196U012534), где автор выступала как исполнитель; "Агроэкологический мониторинг и моделирование устойчивых ландшафтов и агросистем " (по темплану института гидротехники и мелиорации: "Научные основы устойчивых агроэкосистем") 2001-2005 гг., задание 01 "Разработать мероприятия по экологически безопасному использованию и охране естественного ресурсного потенциала ландшафтов на мелиоративных системах" (номер госрегистрации 0101U006508), где автор была ответственным исполнителем, а в 2003 г. научным руководителем темы.

Материалы работы используются в учебном процессе Житомирского национального агроэкологического университета, Восточноукраинского национального университета им.В.Даля, Таврического национального университета им.В.И.Вернадского. Методические рекомендации приняты для ознакомления Государственной гидрометеорологической службой Украины, институтом агропромышленного производства УААН.

Основное содержание работы

Раздел 1. Сток на склонах: факторы формирования и особенности развития процесса. Основным отличием между существующими видами склонового стока (талого, ливневого, стока при орошении дождеванием и напуском) является разница в энергетическом взаимодействии, как потоков воды, так и капель дождя искусственного или естественного, с подстилающей поверхностью. Энергия склонового стока, формирующегося от ливней или при снеготаянии выше энергетических параметров потоков, которые наблюдаются при орошении.

Анализ натурных наблюдений за формированием стока на склонах позволяет принять следующую схему процесса стока на склонах: 1) сток на склоне подразделяется на ручейковый и межручейковый (G.R.Foster, 1982, С.Ю.Булыгин; М.А.Неаринг, 1999 и др.); 2) инфильтрация на сток во время ливней влияет слабо, при снеготаянии инфильтрация происходит преимущественно в оттаявшем слое почвы в горизонтальном направлении; 3) мутность бокового притока при снеготаянии невысока в сравнении с ручейковой, ее можно приравнять к нулю, при ливнях она будет зависеть от взмучивающего воздействия капель дождя и транспортирующей способности потока. При прекращении выпадения дождя мутность бокового притока уменьшается; 4) поверхностная аккумуляция является одним из ведущих факторов стока; 5) неравномерное поступление воды в ручейковую сеть вызывает волновое перемещение жидкости (Н.И.Макавеев, А.М.Калинин, 1968 и др.). Волновое перемещение жидкости можно учесть функцией расширения- сужения русела (И.Ф.Карасев, В.В.Коваленко, 1992).

Энергетика и русловые процессы в водотоке формируются на протяжении всего пути его прохождения и видоизменяются по его длине. Причем, путь прохождения воды по склону даже на одном и том же участке исследований от года до года изменяется, так как микрорельеф участка изменяется, изменяются и условия формирования стока (наличие ледяной корки или оттаявшей почвы и т.п.). Поэтому, методической основой измерений стока на склонах являются измерения, как характеристик стока, так и факторов его формирования в нескольких местах по длине склона.

Гидрохимические характеристики склоновых водотоков, как и динамические подвержены изменению по длине склона и изменяются также при изменении природно-климатической ситуации и хозяйственного использования земель. Изменение состава воды по длине склона ведет к изменению ее способности растворять разные соединения. Различают несколько видов агрессивности воды по составу растворителей и по характеру влияния. Интенсивное перемешивание растворов усиливает их растворяющие свойства.

Раздел 2. Методические особенности исследований стока на склонах. Технология проведения наблюдений предусматривает несколько этапов: 1) выбор участка исследований; 2) выбор водотока; 3) разбивка створов по длине водотока; 4) собственно проведение измерений и отбор проб в створах наблюдений; 5) нивелирование участка исследований после прохождения стока. Основные требования к выбору водотока: относительная прямолинейность и отсутствие бокового оттока. В створе наблюдений водотока измеряются следующие характеристики: а) скорость и глубина воды, ширина водотока по урезу воды, уклон водной поверхности, температура воды, отбор проб на мутность и химический состав, б) на линии створа: температура воздуха, температура почвы, глубина оттаивания агрофона, отбор проб на влажность и плотность почвы и гранулометрический и химический состав почвы. При ливнях и дождевании дополнительно определяется количество осадков, выпавшее на момент измерения.

Исследования проводились в следующих природных зонах: Степной и Лесостепной, соответственно в Луганской и Киевской областях, на разных агрофонах и почвенных разностях. Талый сток изучался на черноземе обычном на лессах, песках и мергелях, на мергелях, на черноземе типичном на легком суглинке и серых лесных почвах на лессах на зяби, озими и многолетних травах. Наблюдения за ливневым стоком проводились на черноземе обычном на лессах, песках и мергелях, на мергелях и серых лесных почвах.

В период наблюдений (1996-2003 гг.) условия формирования стока значительно отличались по годам. В весенний период сток формировался как в результате интенсивной солнечной радиации при резких перепадах температур на протяжении суток (1996 г.) так и в результате вторжения теплых воздушных масс с одновременным выпадением осадков (2002 г., 2003 г.). Сток проходил по хорошо промерзшей почве (2003 г.) и по слабо промерзшей (2000 г.). В отдельные годы (1998г., 1999 г.) на протяжении зимнего периода наблюдалось 3 и более оттепели, на протяжении которых успевал сформироваться сток. В летний период сток также формировался в разных условиях: дожди выпадали на влажную уплотненную и не уплотненную почву, на сухую переуплотненную почву и т.п. Всего был замерен сток от 25 дождей. При разных сочетаниях факторов формирования сток был замерен от дождей с количеством осадков 0,4-49,6 мм, интенсивностью выпадения осадков максимальной 0,15-1,73 мм/мин, средней - 0,0138-0,55 мм/мин, продолжительностью 5- 569 мин.

Анализ изменчивости характеристик стока по годам, типам почв, агрофонам показал, что среднеквадратичная ошибка расчета при расчетах по годам в целом выше, чем при расчетах всего ряда наблюдений, или при дифференциации данных по типам почв и агрофонов. Проверка рядов данных, дифференцированных по типам почв, агрофонов и годам на однородность, т.е. соответствие выборочного ряда общей совокупности наблюдений по критерию Стьюдента показала, что ряды, дифференцированные по агрофонам наиболее однородны, а по годам - наименее однородны.

Раздел 3. Гидродинамические процессы в склоновых водотоках. Решающую роль в процессах транспорта наносов, рассеяния энергии, диффузии и др. отводят турбулентности потоков. Измерение в натуре характеристик турбулентности в склоновых потоках провести сложно из-за громоздкости существующей в настоящее время аппаратуры. Однако оценить их величины через осредненные параметры потоков вполне возможно. Правомерность такого подхода базируется на том, что многие характеристики турбулентности открытых потоков сначала были определены в лотках, а потом проверены на реках, склоновые же потоки по своим параметрам ближе к лоткам, чем реки. Гидродинамические особенности водотоков обычно характеризуются следующими характеристиками: число Рейнольдса (Re), число Фруда (Fr), гидравлические сопротивления, касательные напряжения, относительная ширина и устойчивость русела, диссипация энергии и масштабы вихрей. Оценки таких величин как число Рейнольдса (Re), число Фруда (Fr), коэффициенты Шези (C) и шероховатости (n), турбулентное трение (ф_t) проводились раньше (о чем подробно описано в главе 1), такие характеристики как вязкостное трение (ф_b), относительная ширина (B/h) и устойчивость русела (И), диссипация энергии (е) и масштабы вихрей для склоновых водотоков приводятся впервые.

При любых условиях формирования талого стока в склоновых водотоках преимущественно наблюдается переходный режим течения. По длине склона происходят колебания режима течения. Наибольшее влияние при снеготаянии на величину числа Рейнольдса оказывают расход воды в водотоке, форма русела и длина склона.

Тип снеготаяния влияет на величину числа Рейнольдса. Наибольшая обеспеченность больших значений чисел Re отмечена при адвективном типе снеготаяния, наименьшая - при солярном. При Re>5000 Fr=0,138-4,68, в 51,9% случаев Fr>1.

Движение воды по склону при ливнях носит как ламинарный, так и турбулентный характер. Причем, характер движения воды в водотоке по длине склона может существенным образом изменяться. Характер режима движения воды по склону существенным образом зависит от агрофона, даже значимость влияния факторов на число Рейнольдса на разных агрофонах отличается. Так, если для многолетних трав и пропашных значимость факторов уменьшается в следующем порядке: интенсивность осадков, продолжительность дождя, время от начала выпадения дождя, то для пара наиболее значимы плотность почвы, время от начала дождя и длина склона от водораздела до створа измерения, на естественном кормовом угодье наиболее значима максимальная глубина потока, уклон склона и влажность почва. При Re>5000 Fr=0,0908-5,94, в 53% случаев Fr>1.

При ливнях склоновые водотоки чаще находятся в бурном состоянии (по числу Фруда), чем при снеготаянии (соответственно 24,5 % случаев и 12,3 %). Вероятность их аэрации при ливнях также выше. Вероятность формирования бурного состояния потока выше при турбулентном режиме течения, чем при переходном. Вероятность формирования не распластанных потоков (B/h<7) выше при Re<5000 и Fr<1. На формирование величины числа Fr как при ливнях, так и при талом стоке преимущественно влияют влажность почва, уклон и длина склона, гранулометрический состав почвы.

Обеспеченность формирования бурных потоков при солярно- адвективном типе снеготаяния выше, чем при адвективном, при солярном типе снеготаяния обеспеченность формирования бурных потоков наименьшая (3%).

Статистический анализ взаимосвязей величин Fr и характеристик подстилающей поверхности, морфометрии склона и агрофона показал, что от года до года значимость факторов в зависимостях меняется, так как изменяются сами условия формирования стока, тип снеготаяния и др. Однако, среди исследованных факторов наибольшее влияние на формирование величины числа Fr имеют влажность почва, ее глубина оттаивания, уклон и длина склона, гранулометрический состав почвы.

Значение коэффициента Шези С изменяется в очень широких пределах для талого стока 1,26-1512 м^0,5/с при коэффициенте вариации Cv= 3,98, для ливней 1, 04-465 м^0,5/с при Cv =2,03. Обеспеченность краевых величин выборок небольшая. Чаще всего экстремально высокие величины С встречаются на зяби. Здесь же встречаются и наибольшие величины Сv, наименьшие - на озими. Вероятность того, что величина С превысит 50 м^0,5/с на зяби составляет 9%, на многолетних травах 7%, на озими 0,6%. Длина склона и его уклон при талом стоке решающего значения на величину коэффициента С не имеют. В основном, величина С определяется здесь формой русела (или ее составными: шириной и глубиной русела), глубиной оттаивания почвы, агрофоном, влажностью и плотностью почвы и температурой воды, т.е., в основном, суммарное сопротивление формируется за счет местных условий. От агрофона к агрофону значимость влияния факторов на величину коэффициента Шези изменяется. Так, если на зяби преимущество остается за формой русела, плотностью почвы, длиной склона и температурой воды, то на многолетних травах - за почвенной разностью, влажностью почвы, длиной склона и температурой воды, на озимых - за формой русела, плотностью почвы и уклоном склона.

Наибольшие величины С при ливнях отмечены на многолетних травах и естественном кормовом угодье, наименьшие - на пару. Длина линии стока воды здесь несомненно влияет на величину гидравлического сопротивления: чем дальше от водораздела проводятся измерения, тем большие величины С можно наблюдать. Влияние уклона склона здесь незначительно. Наибольшее влияние на величину С при ливнях имеют плотность почвы, количество осадков, форма русела и интенсивность осадков, причем, от агрофона к агрофону значимость влияния факторов на формирование величин С изменяется. Так, на естественном кормовом угодье величина коэффициента Шези больше зависит от (факторы расположены в порядке уменьшения их значимости) плотности почвы, интенсивности осадков, температуры воды и длины склона, а на пропашных от количества осадков, плотности почвы, интенсивности осадков и гранулометрического состава почвы, на пару - от длины склона, интенсивности осадков, времени от начала выпадения осадков и влажности почвы, на многолетних травах - от длины склона, гранулометрического состава почвы, уклона склона и времени от начала выпадения осадков.

Анализ изменения коэффициента шероховатости (n) для талого стока, вычисленного по формуле Шези- Маннинга, показал, что максимальные его значения наблюдаются на озими. На зяби наблюдается максимальная изменчивость величины коэффициента шероховатости в створе измерений. Наименьшая величина коэффициента шероховатости отмечена на многолетних травах, здесь и изменчивость этой величины в створе незначительная. Максимальное из наблюденных значений коэффициента шероховатости на черноземах на лессах составило: для зяби - 0,202, для озими - 0,18, для многолетних трав - 0,151, на черноземах на песках для зяби - 0,049 на черноземах типичных на легких суглинках 0,097, на серых лесных почвах 0,378. Вероятность того, что величина коэффициента шероховатости превысит 0,1 составляет 9,6 %, в то время как с гарантией в 52 % можно утверждать, что его величина не превысит 0,05.

При ливнях коэффициент шероховатости изменяется от 0,000907 до 0,367 при Cv=1,18. Здесь абсолютный максимум n наблюдается на пару, вариация n здесь минимальна, а наибольшая вариация n наблюдается на выравненных уплотненных поверхностях (0, 002-0,091) при Cv = 1, 5-1,7. В общем, вероятность того, что n превысит 0,1 составляет 13,1%.

Диапазон изменения величин турбулентного трения при талом стоке составил 0, 000061-95,0 Н/м². Вероятность того, что величина ф_t превысит 10 Н/м² составляет 19,2 %. В нашем случае нулевые значения мутности не отвечали минимальным касательным напряжением в потоке, 1/3 наблюдений, при которых наносы не транспортировались, приходились на диапазон величин турбулентного трения 1, 47-1,72 Н/м², что наблюдались, в основном, на озими в утренние время при возобновлении стока воды по размоинам по еще не оттаявшей почве. Обеспеченность больших значений турбулентного трения выше на озимых, далее идут многолетние травы и зябь, в то время как для вязкостного трения, наоборот, максимальные значения преимущественно наблюдаются на зяби, на озими значения вязкостного трения выше, чем на зяби в области очень редких повторяемостей. Вероятность превышения вязкостным трением турбулентного выше на многолетних травах, далее идет зябь, на озими вероятность того, что вязкостное трение превысит турбулентное минимальная.

Вязкостное трение при ламинарном режиме меньше, чем при других режимах движения воды, однако именно при ламинарном режиме и близкому к нему наблюдается превышение вязкостным трением турбулентного трения.

Величина турбулентного трения при ливнях изменялась в пределах 0,000424 - 25,87 Н/м², при Cv = 1,18. Вероятность того, что турбулентное трение превысит 5 Н/м² составляет 36,4 %, 10Н/м²-15 %.

Величина вязкостного трения при ливнях составляла 0,00344 - 0,16 Н/м² при Cv=0,80. Вероятность того, что вязкостное трение превысит 0,065 Н/м² составляет 2,8%, а 0,05 Н/м²-7,5%. В процентном отношении вязкостное трение составляет от турбулентного 0,024-4022 %, в 5,6 % случаев вязкостное трение превышает турбулентное, в других случаях вязкостное трение составляет от турбулентного не более 88 %. Причем, в 86 % случаев величины вязкостного трения составляют от турбулентного не более 7 %. При ливнях вероятность появления больших значений турбулентного и вязкостного трение выше, чем при талом стоке.

При ливнях максимальные величины турбулентного и вязкостного трения наблюдаются на естественном кормовом угодье и на многолетних травах. На пропашных величина турбулентного трения не превышает 3,6 Н/м², а на пару 8,9 Н/м². Здесь ф_t в 40% случаев превышает 5 Н/м², в то время как на естественном кормовом угодье величина ф_t в 13 % случаев превышает 10 Н/м², а в 31,7% случаев - 5 Н/м², на многолетних травах в 53 % случаев величина ф_t превышает 10 Н/м², а в 70,6 % случаев 5 Н/м².

Величины турбулентного трения, которые наблюдаются, практически всегда превышают предлагаемые в литературе критические величины. На формирование турбулентного трения при талом стоке влияют в основному агрофон и тип снеготаяния.

При ливневом стоке вероятность формирования больших величин турбулентного трения больше чем при снеготаянии. Здесь на формирование турбулентного трения большее влияние имеют агрофон, уклон склона и характеристики дождя (количество осадков, их интенсивность и др.). По частоте появления больших величин турбулентного трения при талом стоке агрофона можно расположить в следующий убываемый ряд: многолетние травы, зябь, озимь, при ливневом стоке: естественное кормовое угодье, многолетние травы, пар, пропашные.

Проведенные исследования показали, что несмотря на то, что вязкостное трение в большинстве случаев существенно меньше чем турбулентное влияние вязкостного трения на размыв не меньше, а в некоторых случаях и больше, чем турбулентного. Что, вероятно, связано с особенностями структуры талой воды при талом стоке, и взаимодействии нагретой солнцем почвы с холодной водой атмосферных осадков при ливнях.

Ручейковые потоки на склонах можно отнести к русловым сильно деформирующимся, поэтому к ним также может быть применен аппарат изучения русловых процессов на реках. Возможность применения соотношений, которые характеризуют морфометрию и стойкость речных русел к склоновым потокам вытекает из вывода, сделанного Н.А. Ржаницыным (1985) на основе анализа натурных данных: плановые формы русловых образований естественных русловых потоков любых размеров, которые формируются в процессе свободного меандрирования между руслом (грунтами ложа) и потоком, геометрически подобны друг другу.

В отличие от рек, начало формирования и все стадии развития которых человек не в состоянии проследить натурно, стадии формирования ручейковой сети на склонах проследить легко. Так, (если одновременно со снеготаянием не выпадает дождь) в связи с тем что нижняя часть склонов прогревается лучше, а также в силу действия законов гравитации (потоки влаги в снеге и под снегом по еще не оттаявшей почве направлены в понижения рельефа) первоначальное формирование ''русловых'' размывов наблюдается в нижней части склона, потом, по мере таяния снега и почвы, зона ''русловых'' размывов продвигается вверх по склону. Так, на озими за двое суток стока зона ''руслового'' размыва продвинулась вверх на 60 м. Причем, на ниже расположенных участках изменился характер русловых форм. Если в начале наблюдений в верхней зоне ''русловым'' размывам характерные были практически прямолинейные очертания, то после продвижения зоны вверх здесь наблюдались извилистые формы типа меандр, а на нижних участках склонов начали образовываться побочни и осередки, т.е. вместе с зоной ''русловых'' размывов продвигаются и русловые формы. Временной фактор здесь играет важную роль. Время существования стока зависит от запасов снега на полях, глубины промерзания почвы, типа снеготаяния и других, что в свою очередь, определяет то каких стадий морфогенеза достигнут русловые образования на склоне. Поэтому исследовать морфогенез русловых форм на склонах целесообразно, как во времени, так и в пространстве, причем здесь особое значение приобретает определение обеспеченности (вероятности появления) тех или других величин морфометрических характеристик на разных элементах рельефа и в связи с изменчивостью других определяющих факторов формирования стока.

Максимальные глубины потоков при снеготаянии были в пределах 0,004-0,11 м, вероятность того, что максимальная глубина превысит 0,05 м составляет 8,7 %. Диапазон изменения ширины потоков (В) составил 0, 02-7,11 м, причем, самые широкие потоки отмечались на супесчаных и суглинистых почвах, самые узкие - на тяжелосуглинистых. Диапазон изменения B/h (h- средняя глубина потока) составил 1, 14-444,4 , в 28,5 % случаев величина B/h менее 7, в этом случае поток нельзя считать плоским, причем на многолетних травах в 17% случаев B/h<7 , на озимых - в 36% и на зяби - в 25 % . Поскольку травы создают подпор и оказывают содействие распластыванию потока, ручейки размыва на травах встречаются реже, скрепление почвы корнями растений здесь крепче, стенки русела более устойчивые, что и определяет их более распластанную форму. На зяби почва более распылена и не сдерживается корнями растений, поэтому и процент случаев не распластанных потоков здесь больше, чем на многолетних травах.

Прослеживается некоторая связь вероятности появления величин B/h<7 с разновидностью почв и грунтов. Так, на мергелях величин B/h<7 не наблюдалось вообще, на черноземах обыкновенных на слабомощных лессах, подстилаемых мергелем вероятность появления величин B/h<7 составляет 18,8 %, на черноземах на песках - 6 %, на черноземах обыкновенных на лессе - 30,8 %, на серых лесных почвах 35%, на черноземах типичных 30%. По всей видимости, распределение величин вероятности превышения здесь связано с плотностью и гранулометрическим составом почв. Из всех исследуемых почв и грунтов наиболее плотными являются мергели, но они также имеют и наиболее комковатую структуру, в то время как серые лесные почвы имеют значительную плотность, но верхний их пласт сильно распылен, практически безструктурен.

С увеличением длины склона вероятность появления величин B/h<7 убывает, так при длине склона 0- 50 м вероятность того, что B/h<7 составляет 43,4 %, а при длине 150- 350 м - 19 %, т.е. ближе к водоразделу потоки менее распластаны.

С увеличением уклона склона вероятность появления величин B/h<7 убывает, при уклоне склона 10- 50‰ - вероятность появления величин B/h<7 составляет 21,2 %, а при 100- 170 ‰ - 35,7 %, т.е. с увеличением уклона склона вероятность формирования более распластанных потоков увеличивается.

Диапазон изменения критерия устойчивости русел по И.Ф.Карасеву (1983) И (И=B/h?л, л-коэффициент гидравлического сопротивления) при талом стоке составил 0, 00335-105,5, при этом И <4,5 наблюдалось в 56 % случаев, а И >9,5 - в 18 %. С увеличением уклона склона вероятность формирования потоков с И >9,5 возрастает, а потоков с И <4,5 - убывает. Длина склона влияет на И, но зависимость эта не однозначна. Вероятность формирования И <4,5 на зяби больше чем на озими и многолетних травах, а И >9,5 - наоборот - меньше. Наибольшие величины И на многолетних травах, наименьшие - на зяби, т.е. наибольшая разветвленность русел на многолетних травах.

При снеготаянии: агрофон на распластаность потоков влияет слабо, только на многолетних травах обеспеченность B/h немного выше, чем на других агрофонах. В то время как на обеспеченность критерия устойчивости И агрофон влияет. Так, если при обеспеченностях 40- 100% величины И на озими имеют наибольшие обеспеченности, а на зяби - наименьшие, то при обеспеченностях 0- 5% наоборот.

Тип почвы влияет на величину B/h, наибольшую обеспеченность имеют потоки на черноземах на песках, в средней части кривой - на серых лесных почвах, в зоне малых обеспеченностей - потоки на мергелях и черноземы на мергелях. Наименее распластанными оказались потоки на черноземе типичном на легком суглинке и на черноземе обыкновенном на лессе.

Критерий устойчивости также зависит от типа почв. Так, в зоне малых обеспеченностей (0-10%) наибольшую обеспеченность имеет И на серых лесных почвах, т.е. здесь потоки могут быть более разветвленные, потом идут черноземы на мергелях и черноземы на песках, в зоне же больших обеспеченностей (50-100%) наибольшую обеспеченность И имеют потоки на черноземе типичном, потом идут серые лесные, мергели, чернозем на лессе, чернозем на песках и чернозем на мергелях.

Влияние режима потока на B/h выражено слабо, однако, можно утверждать, что при 700<Re<5000 обеспеченность величин B/h немного выше, чем при других режимах. В зоне редких повторяемостей ( 0-30%) обеспеченность больших значений B/h для Re>5000 наименьшая.

На величину И влияние режима потока более выражена, чем на B/h, так при ламинарном режиме обеспеченность И выше (только в зоне очень больших вероятностей 80- 100% ниже), чем при переходном и турбулентном.

Состояние потока (по числу Fr) влияет на величину B/h, так при бурном состоянии течения вероятность появления распластанных потоков выше, чем при спокойном. Лишь в зоне 25- 40% кривые обеспеченности совпадают.

При бурном режиме обеспеченность И ниже, чем при спокойном.

Мутность воды на распластанность потоков влияет, однако это влияние не выражено прямо. Так, при нулевой мутности вероятность того, что русло окажется не распластанным составляет 42%. Вероятно, это связано с протеканием воды по ледяной корке. Наиболее низкая обеспеченность нераспластанных русел (23 %) наблюдается в диапазоне мутности 0, 018-2,0 кг/м³, что говорит скорее всего об интенсивном увеличении расходов воды в этот момент. Увеличение нераспластанных русел при мутности 2,0- 5,0 кг/м³ и 5,0-10,0 кг/м³ (соответственно 31 % и 36 %) скорее всего говорит об усилении врезания русел при увеличении транспортирующей способности потоков. Уменьшение нераспластанных русел при мутности 10, 0-99,99 кг/м³ скорее всего говорит о насыщенности потоков наносами в пределах их транспортирующей способности.

Тип снеготаяния влияет на величины B/h и И. Так, при солярно- адвективном типе снеготаяния обеспеченность распластанных потоков ниже (59,4 %), чем при других типах снеготаяния, наибольшая обеспеченность распластанных потоков (B/h>7) (83 %) наблюдается при адвективном снеготаянии.

Для величин И их обеспеченность при адвективном снеготаянии всегда меньше, чем при солярном, в то время как обеспеченность величин И при солярно- адвективном снеготаянии неоднозначна, в области больших обеспеченностей ( 10-100%) она ниже, чем при других типах снеготаяния, а в области более редких повторяемостей - выше.

Изменчивость величин B/h при снеготаянии значительна, как по длине склона, уклону склона так и по агрофонам, типам почв и типам снеготаяния. Тоже наблюдается и для И. Однако, здесь изменчивость по типам почв наименьшая.

При ливнях максимальная глубина потоков изменялась в пределах 0,003-0,08 м при Cv = 0,77. В 5% случаев максимальная глубина потоков превысила 0,05 м. Диапазон изменения ширины водотоков составил 0,019 - 3,0 м, Cv =1,41. Причем, самые широкие потоки отмечались на многолетних травах и естественном кормовом угодье, а самые узкие - на пропашных.

Диапазон изменения величины B/hср при ливнях составляет 3, 17-128,8, в 7,5% случаев B/h<7. Причем, вероятность формирования потоков с B/h<7 на многолетних травах составляет 5,9%, на естественном кормовом угодье 6,67%, на пару 26,7% на зерновых колосовых не распластанные потоки не формировались.

При ливнях агрофон значительно влияет на распластанность потоков. Наибольшая обеспеченность B/h наблюдается на многолетних травах, далее идут пропашные, зерновые колосовые, полевая дорога, наименьшая обеспеченность B/h отмечена на паре и естественном кормовом угодье.

На величину И агрофон также значительно влияет, здесь агрофона в порядке убывания обеспеченности располагаются в следующей последовательности: многолетние травы, пар и пропашные, полевая дорога и зерновые колосовые, наименьшая обеспеченность на естественном кормовом угодье.

Тип почвы влияет на B/h , наибольшая обеспеченность величин B/h, наблюдается на серых лесных почвах, потом идут черноземы на лессах, на песках, на мергеле и мергеле. На серых лесных почвах и на черноземе на песках величин B/h<7 не наблюдалось.

На критерий устойчивости тип почва также влияет. Наибольшая обеспеченность И отмеченная на черноземе на лессе, т.е. здесь можно ожидать более разветвленные русела, потом идут серые лесные, чернозем на мергеле, чернозем на песках и мергеле.

Режим потоков влияет на B/h, наибольшей обеспеченностью здесь отличаются ламинарный и турбулентный режим.

На обеспеченность И режим потока также влияет. Причем, в зоне меньших повторяемостей (0-50%) обеспеченность И выше при ламинарном режиме, в зоне 60- 100% - при турбулентном. При переходном режиме обеспеченность И наименьшая.

Состояние потока влияет на величину B/h, только в зоне 80- 100% при бурном режиме обеспеченность B/h выше, а в зоне 0- 40% - ниже, чем при спокойном. Величин B/h<7 при бурном режиме не наблюдается.

На критерий устойчивости И состояние потока влияет сильнее, чем на B/h. В целом, обеспеченность И при бурном состоянии потока ниже, чем при спокойном, только в зоне 75- 100% вероятностей обеспеченность И при бурном состоянии выше.

Влияние B/h на мутность воды не выражено прямо.

Прослеживается влияние уклона склона на величину B/h, с увеличением уклона склона изменчивость B/h уменьшается. Изменчивость величин B/h по агрофонам и типам почв разная, наибольшие величины коэффициентов вариации (Cv) отмечены на многолетних травах и пару, наименьшие - на зерновых колосовых и полевой дороге. По типам почв наименьшие величины Cv наблюдались на черноземе на лессе и на черноземе на мергеле.

Изменчивость величин И больше, чем B/h, здесь также прослеживается некоторая связь с уклоном склона, по агрофонам и разновидностям почв Cv резко отличаются. Наибольшие величины коэффициентов вариации (отмеченные на пару и зерновых колосовых, наименьшие - на полевой дороге и пропашных. По почвенным разностям наибольшая изменчивость И отмечена на черноземе на лессе, наименьшая на мергеле и серых лесных почвах.

Склоновые потоки при ливнях с большим основанием можно считать плоскими, чем при талом стоке. Не плоские потоки ( B/h<7) при талом стоке чаще всего встречаются на многолетних травах, дальше идут озимь и зябь. При ливнях же меньше всего встречается величин B/h<7 на многолетних травах и естественном кормовом угодье, на пару неплоские потоки встречаются чаще всего.

Ближе к водоразделу потоки менее распластаны.

При талом стоке с увеличением уклона склона распластанность потоков увеличивается. При ливнях зависимость величин B/h<7 от уклона склона менее четкая.

Как и для рек, форма русла склоновых потоков зависит от расхода воды, в то время как выявленные для рек зависимости B/h от мутности для склоновых потоков проявляются слабо. Причем, дифференциация склоновых потоков по происхождению, что сказывается на особенностях руслоформирования, отражается и на степени соответствия особенностей взаимосвязей формы русела с определяющими факторами, выявленными для рек и для склоновых водотоков. Так, выявленные особенности формирования формы русела при ливнях более отвечают аналогичным исследованиям для рек.

В силу отличий в генезисе талого и ливневого стока наблюдаются отличия и во влиянии факторов на распластанность и стойкость русел склоновых водотоков. Причем, для B/h этих отличий больше, чем для И, вероятно здесь нивелирующим фактором является гидравлическое сопротивление, которое учитывается в формуле. На распластанность водотоков при талом стоке агрофон практически не влияет, при ливнях же влияет, режим потока при талом стоке влияет слабо, при ливнях - существенным образом, в то время как состояние потока при талом стоке влияет на величину B/h , а при ливнях практически не влияет. Тип почв в обеих случаях влияет на формирование русел. Влияние мутности воды на распластанность русел сказывается не прямо, наблюдается изменение формы кривых обеспеченности относительной ширины русел для разных диапазонов мутности воды.

На критерий устойчивости и при ливнях и при талом стоке влияют агрофон, тип почвы и режим потока. Только состояние потока при ливнях имеет меньшее влияние на И, чем при талом стоке.

Тип снеготаяния влияет на формирование русел склоновых водотоков.

Диапазон изменения внешнего масштаба турбулентности L для склоновых потоков при снеготаянии лежит в пределах от 0,0025 до 1,8 м при Cv 1,59. Диапазон изменения микромасштаба турбулентности лежит в пределах от 0,00041 м до 0,0235 м при Cv =1,9.

Влияние длины склона до места измерения и уклона склона на величины масштабов вихрей в склоновых водотоках неоднозначно, но в целом, наблюдается тенденция уменьшения масштабов вихрей с увеличением длины и уклона склона. Наибольшие величины микромасштаба вихрей отмечаются на озимых, дальше идут зябь и многолетние травы, а наибольшие величины масштабов больших вихрей отмечаются на зяби, потом идут многолетние травы и озимь. Наибольшие величины и изменчивость масштабов вихрей отмечаются на черноземах обыкновенных на лессах, наименьшие на серых лесных почвах.

При ливнях масштаб больших вихрей изменяется в пределах 0, 00143-0,299 м при Cv = 1,19. Микромасштаб турбулентности - 0, 0000355-0,000592, Cv=0,91. Максимальные величины масштаба больших вихрей наблюдались на естественном кормовом угодье, микромасштаб вихрей - на многолетних травах.

В некоторых случаях величины, которые характеризуют энергетическое состояние склоновых потоков превышают те же характеристики для рек.

В наших исследованиях диссипация энергии (е) при талом стоке изменялась в пределах 1,8 10-7-·1,903 м²/с³ при коэффициенте вариации Cv = 1,53, при ливнях - 6,4 •10^-6 - 0,814 при Cv=1,23.

Большие, в сравнении с реками, величины диссипации энергии в склоновых водотоках говорят о более интенсивном переходе механической энергии в тепловую.

Наибольшие величины диссипации энергии при талом стоке отмечены на озими, здесь также наблюдается и ее наибольшая изменчивость. На многолетних травах величины и изменчивость диссипации энергии минимальные. С длиной склона величины е увеличиваются. Влияние уклона склона на величину е неоднозначно.

Наибольшие величины диссипации энергии при ливнях наблюдаются на естественном кормовом угодье и многолетних травах. С длиной склона явной связи не прослеживается. С увеличением уклона склона диссипация энергии растет.

Анализ эмпирических кривых обеспеченности дифференцированных по характерным диапазонам влияющих факторов, показал следующее.

Агрофон влияет на величину диссипации энергии. Так, если при талом стоке агрофона в порядке убывания величины диссипации энергии располагаются следующим образом: озимь, зябь, многолетние травы, то при ливнях - естественное кормовое угодье, многолетние травы, пар, полевая дорога, пропашные и зерновые колосовые.