Тип почва также влияет на величину е, однако среди подтипов почв расхождения слабеют. Так, при снеготаянии ряд почв в убывающем порядке значений величины диссипации энергии располагается следующим образом: чернозем типичный, серые лесные, чернозем обыкновенный на песках, чернозем обыкновенный на лессе, мергель, чернозем обыкновенный на мергеле; при ливневом стоке: мергель, чернозем обыкновенный на мергеле, чернозем обыкновенный на лессе, серые лесные и чернозем обыкновенный на песках. Если при талом стоке на мергелях и черноземе обыкновенном на мергеле величины е минимальны, то при ливнях наоборот.

Тип снеготаяния также влияет на величину диссипации энергии. Так, при адвективном типе снеготаяния величина диссипации энергии наибольшая, при солярном типе снеготаяния - наименьшая, при солярно- адвективном типе снеготаяния е принимает промежуточные значения.

Режим (по числу Рейнольдса Re) и состояние потока (по числу Фруда Fr) влияют на величины е при обеих типах формирования стока. Так, при числе Рейнольдса Re > 5000 и Fr>1 е максимально, при Re<700 и Fr<1 - минимально.

Примечательно, что в склоновых водотоках при снеготаянии температура воды при Re>5000 и частично при Fr>1 ниже, чем при других режимах и состояниях потока. При ливнях дифференциации кривых температуры воды по Re не наблюдается, а при Fr>1 температура воды немного ниже (температура воды при ливнях вообще выше, чем при снеготаянии).

Анализ кривых обеспеченностей рН воды и содержания химических элементов в воде склоновых водотоков при снеготаянии дифференцированных по режиму и состоянию потока показали, что при Re>5000 рН и содержание всех элементов в воде водотоков ниже, чем при Re<700. Для Fr>1 на черноземе обыкновенном на лессе рН воды ниже, чем при Fr<1, а для чернозема типичного на легком суглинке наоборот при Fr>1 рН воды выше, выше здесь и содержание в воде водотоков НСО₃^-. Содержание других элементов, как на черноземе обыкновенном, так и на черноземе типичном безусловно зависит от числа Fr, что отражается в расхождениях в форме кривых для разных состояний потоков. Однако, однозначно сказать при каком состоянии потока содержание веществ выше нельзя (рис.1, 2).

Агрофон и тип снеготаяния также влияют на содержание веществ в воде склоновых водотоков.

При ливнях же, наоборот, при Re>5000, а особенно четко это заметно при Fr>1 рН воды и содержание практически всех элементов выше, чем при ламинарном режиме и при спокойном состоянии, что говорит о преобладающем расходовании диссипирующей энергии при ливнях на химические реакции.

Кроме того, температурная обстановка при ливнях и талом стоке в корне отличается. При ливнях идет поступление холодной воды на прогретую солнцем почву, а при снеготаянии наоборот, более теплая вода поступает на промерзлую почву.

Расход тепла при диссипации энергии при талом стоке направлен, преимущественно, на оттаивание ложа ручейка, а при ливневом стоке - на протекание химических реакций.

При рассмотрении факторов, которые имеют влияние на мутность воды выявлено, что наличие турбулентного режима течения еще не означает интенсивный размыв почвы, тогда как наличие бурного состояния потока практически всегда сопровождает интенсивный размыв (рис.3, 4).

Эмпирические зависимости мутности воды склоновых водотоков от факторов, которые предопределяют сток и смыв, по годам отличаются как набором факторов так и степенью их влияния. Для талого стока наиболее значимыми оказались такие факторы как длина и уклон склона, глубина оттаивания почвы, температура воды, турбулентное трение, гранулометрический состав почвы. При ливнях наиболее значащими являются турбулентное трение, диссипация энергии, длина склона, агрофон, интенсивность осадков.

При введении в эмпирические модели для определения мутности воды переменных, характеризующих химический состав воды, качество зависимостей существенным образом улучшается. Особенности изменения мутности воды в склоновых водотоках, как при снеготаянии так и при ливнях свидетельствуют о необходимости проводить дифференциацию моделей по агрофонам или типам почв. При этом целесообразно учитывать химический состав воды, которая существенным образом влияет на разрушение почвенной структуры.

Диапазон изменения гидродинамических характеристик в склоновых водотоках при дождевании меньше, чем при выпадении естественных ливней, меньше и их энергетический потенциал. Здесь формируются, в основном, распластанные потоки. Вязкостное трение при орошении дождеванием относительно выше, чем при ливнях и менее изменчиво, чем турбулентное. Разность в их величинах здесь меньше, чем в естественных потоках, не редки случаи превышения вязкостным трением турбулентного. В бурном состоянии такие потоки находятся часто, однако величины чисел Рейнольдса редко достигают 5000.

Потоки, формирующиеся при орошении напуском, как правило, спокойные, режим течения ламинарный или переходной, наносы транспортируются преимущественно в близи дна. Диапазон изменения гидродинамических характеристик при орошении напуском ниже, чем у естественных водотоков, однако сопоставимы с изменчивостью характеристик водотоков, которые сформировались при дождевании. Распластанность русел при орошении напуском меньше, чем при орошении дождеванием, число Фруда в них также ниже, случаев превышения вязкостным трением турбулентного не зафиксировано.

Раздел 4. Гидрохимические процессы в склоновых водотоках. Содержание веществ в склоновом стоке определяется местом отбора проб и динамическими особенностями водотоков на момент отбора проб. Мера тесноты этих зависимостей колеблется, как для разных химических элементов, разных поверхностей, так и для разных погодно- климатических условий. В разных условиях формирования степень влияния факторов на содержание веществ в склоновых водотоках изменяется. Среди динамических характеристик наибольшее влияние на содержание веществ в склоновых водотоках имеют факторы гидравлического сопротивления.

Среди основных особенностей стока химических веществ на склонах можно выделить следующие: 1) по длине склонового водотока химический состав воды трансформируется; 2) минерализация воды по длине водотока в целом увеличивается; 3) изменение содержания веществ по длине склона носит периодический характер; 4) как правило, в водоток с поверхности водосбора поступает вода менее минерализованная в сравнении с водой в водотоке. Минерализация вод, которые поступают из водосбора, изменяется во времени.

Как правило, диапазон изменения содержания веществ в склоновом стоке выше, чем в воде атмосферных осадков (или воде, которая подается на орошение) и выше чем в водной вытяжке из почвы.

Содержание веществ в почве сильнее зависит от длины и уклона склона, чем в склоновом стоке, который определяется большей изменчивостью факторов, влияющих на последний.

Поступление веществ в склоновые воды из почвы во многом определяется составом самой воды, которая поступает на водосбор. Опыты по выщелачиванию веществ из 0-3 см пласта чернозема типичного на легких суглинках и из серой лесной почвы на лессе талой водой с добавлением разных доз удобрений показали, что в некоторых случаях увеличение доз удобрений приводит к уменьшению выхода веществ из почвы. В частности, при обработке почв растворами KCl и (NH₄)₂SO₄ с увеличением концентраций внесенных солей вытеснения фосфора падает. В то время как при обработке почвы растворами NH₄OH содержание фосфора в вытяжке увеличивается. В первом случае вытесняются фосфаты из минеральной части почвы, во втором - из органической. При обработке почвы растворами NH₄OH также повышается, в сравнении с вытяжками на растворах KCl и (NH₄)₂SO₄, выход хлоридов в 1, 2-20 раза, натрия - в 1,8 раза, кальция - в 2 раза, калия в 1, 3-1,7 раза. Выщелачивание аммония с увеличением концентраций удобрений в растворах, в основном, увеличивается. Все это говорит о том, что при моделировании процессов смыва веществ со склонов, а в конечном итоге и расчет устойчивости почв и сооружений к выщелачиванию необходимо учитывать запланированный для данной территории севооборот и соответствующую ему систему удобрений. В результате модель должна иметь значительную гибкость и чувствительность, как относительно естественных процессов, так и согласно степени антропогенного влияния.

Наблюдается зависимость содержания химических элементов в воде склоновых водотоков от гидродинамических характеристик потоков. Направленность и теснота этих взаимосвязей изменяется, как для разных элементов, так и разных динамических характеристик. Так, при дождевании содержание хлоридов имеет прямую зависимость от турбулентного трения и обратную от вязкостного. Содержание веществ в склоновых водотоках определяется характером снеготаяния, агрофоном, глубиной оттаивания почвы и рельефом местности. По длине склона, в основном, увеличивается содержание HCO₃^-, NO₃^-, Mg²⁺, Cl^-, Ca²⁺, pН и сухого остатка. Содержание NH₄⁺ по длине склона, в основном, уменьшается, исключения составляют участки возле лесных полос и гидротехнических сооружений, где их содержание немного увеличивается. Однако, пройдя лесную полосу тенденция к уменьшению содержания аммония сохраняется (рис.5).

Раздел 5. Взаимодействие гидродинамических и гидрохимических факторов эрозионно-акумулятивного процесса в склоновых водотоках. Содержание веществ в воде склоновых водотоков разного генезиса зависит от динамических характеристик потоков. Сравнение разных зависимостей содержания веществ в воде склоновых водотоков при снеготаянии построенных по данным наблюдений 2003 года от содержания веществ в почве и снеге , а также от гидравлических характеристик потока показали (табл. 1-3), что общие модели, которые содержат комплекс разнообразных показателей (гидрохимических, гидравлических, почвенных) имеют большую

адекватность исходным данным: в них относительная ошибка на 6, 5-52 % ниже, абсолютная ошибка на 0- 77% ниже, коэффициент корреляции на 0, 8-66% выше, критерий качества на 3, 8-77% ниже. Изменчивость коэффициента корреляции наименьшая, а относительной ошибки и критерия качества - наибольшая, что говорит о том, что оценка зависимостей только по коэффициенту корреляции нежелательна, она не будет достаточно отображать изменение качества модели. Между абсолютной ошибкой модели и критерием качества существует тесная зависимость, однако они по-разному характеризуют адекватность зависимостей, поэтому желательно использовать оба показателя.

Таблица 1. Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей, построенных по гидрохимическим показателям (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

Показатели адекватности	рН	НСО3-	Cl-	NO3-	Ca2+	Mg2+	Na+	NH4+	Сухой остаток	P	hmax
Относительная ошибка	36,1	8,64	31,5	6,47	8,26	30,4	16,3	39,7	21,11	41,5	51,95
Абсолютная ошибка	34,6	34,11	18,3	5,05	18,8	10,9	30,6	3,33	0	76,9	-50
Коэффициент корреляции	2,13	1,52	12,6	1,12	0,77	9,24	7,62	2,06	0,81	66,5	26,27
Критерий качества	35	34,15	18,4	5,05	18,7	11,1	30,8	3,8	32,03	76,9	35,12



Таблица 2.. Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей, построенных по гидравлическим характеристикам (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

Показатели адекватности	pН	Сухой остаток	P	hmax
Относительная ошибка	49,37	73,77	47,69	21,34
Абсолютная ошибка	50	66,67	44,27	-50
Коэффициент корреляции	4,63	11,06	5,7	-2,54
Критерий качества	49,53	75,1	44,29	-8,32

Таблица 3. Процент разности точности комплексной модели относительно зависимостей построенных по показателям содержания веществ в водной вытяжке из почвы (со знаком (-) процент снижения точности, без знака - процент повышения точности)

Показатели адекватности	pН	НСО3-	Cl-	NO3-	Ca2+	Mg2+	Na+	NH4+	Сухой остаток	P	hmax
Относительная ошибка	62,5	43,65	24,9	12,4	36,0	24,7	53,2	32,6	79,7	77,7	43,3
Абсолютная ошибка	39,3	54,8	16,3	33,6	45,3	23,4	62,1	19,4	75	72,3	0
Коэффициент корреляции	2,83	4,62	9,33	14,1	3,58	47,3	55,9	14,6	20,6	36,9	7,29
Критерий качества	40,3	54,8	14,8	33,8	45,3	23,5	62,2	19,3	44	72,3	16,2

Определение мутности воды по гидравлическим характеристикам точнее, чем по гидрохимическим, однако, модель, которая вмещает и гидравлические и гидрохимические показатели является лучшей. Определение содержания веществ в воде водотока, его мутности и максимальной глубины по содержанию веществ в почве показывает меньшую адекватность, чем определение по содержанию веществ в воде водотока.

При талом стоке максимальная мутность и размыв почвы отмечаются, в основном, при минимальном содержимом растворенных веществ в воде склоновых водотоков, однако, начиная с определенного содержания веществ при увеличении минерализации воды размыв и мутность снова возрастают. Это означает наличие по меньшей мере двух механизмов химического влияния на ложе ручейка воды водотока. При низкой минерализации воды химическое влияние воды на ложе ручейка сказывается, в основном, в виде реакций, связанных с гидролизом. В результате чего, в кристаллической решетке минералов катионы металлов замещаются на ионы водорода. Повышение содержания веществ в воде изменяет ее структуру (обмен между ближайшими молекулами происходит медленнее, чем в чистой воде). На границе распределения вода- порода возникают дополнительные напряжения, которые приводят к разрушению породы, здесь имеет место: гидратация, разогрев и рост кристаллов. В обеих случаях наблюдается ослабление сцепления между почвенными частичками и их расщепление, которое облегчает механическое влияние потока воды на дно ручейка и способствует более интенсивному смыву частичек. Г. Лидер (1986) также, указывает на наличие нескольких механизмов влияния воды при выветривании горных пород. Второй механизм влияния наиболее характерен для стока при орошении, так как минерализация воды в этом случае выше.

Результаты исследований позволяют сделать следующий вывод: эрозия почв является не только механическим процессом разрушения почв, но также и химическим процессом разъедания почвы водой. Причем, для приводораздельных элементов рельефа химическая составляющая может быть более значимой чем механическая, что должно быть учтено при проектировании сооружений на склонах с целью повышения, как устойчивости почв, так и сооружений.

При ливневом стоке, как и при стоке, формирующемся при снеготаянии и орошении, размыв почвы во многом определяется содержанием веществ в воде водотока. По длине склона состав воды претерпевает изменения, которые способствуют изменению способности водотока к размыву. Состав атмосферных осадков в большей степени влияет на состав воды в склоновом водотоке, чем состав почвенного покрова.

Как при орошении дождеванием, так и при орошении напуском состав воды в водотоке существенным образом влияет на размыв, влияние же состава оросительной воды и водной вытяжки из почвы выражен слабее. Несмотря на высокую взаимозависимость содержания элементов в воде водотока, модели, которые включают дополнительно гидродинамические характеристики показывают большую адекватность исходным данным. Получены некоторые критические дозы содержания веществ в воде склоновых водотоков, которые формируются при орошении. Причем, критические границы содержания веществ для стока при дождевании и при орошении напуском практически совпадают. Например, содержание нитратов в воде водотоков обеих видов стока было практически одинаковым, максимальный размыв при дождевании отмечается в диапазоне содержания NO₃- 19, 98-41,9 мг/дм³, а при орошении напуском - при 31, 56-34,24 мг/дм³. Содержание сульфатов в воде водотоков, формирующихся при орошении напуском достигало 355 мг/дм³ и с увеличением содержания SO₄^2- размыв здесь увеличивался, при дождевании же содержание сульфатов достигало 561,6 мг/дм³ и максимальный размыв наблюдался при 525,6 мг/дм³, до этого значения максимальный размыв также увеличивается, а потом уменьшается. Интересно, что в работе (Б.Л.Рейзин и др., 1976) при исследовании коррозии металлов при интенсивном перемешивании показано, что в интервале содержания SO₄^2- 50- 500 мг/дм³ количество продуктов коррозии возрастает, дальнейшее увеличение концентрации SO₄^2- приводит к незначительному увеличению продуктов коррозии.

Стойкость естественно-антропогенных систем на склонах во многом определяется корректным расположением ее элементов, которые не активизирует отрицательные естественные процессы, в том числе сток и смыв почвы. С этой точки зрения вопрос изучения процессов стока и смыва со склонов необходимо рассматривать с позиций возможности прогнозирования эрозионно-опасных ситуаций на склоне, т.е. определения мест возможного максимального влияния на почву и грунт и величины этого влияния, а не ограничиваться учетом смыва и стока только со всего водосбора. Этот вопрос в разных интерпретациях занимает ученых уже давно (А.Н.Бефани, 1949, 1986 и др., А.А.Светличный, 1991, Г.И.Швебс, А.А.Светличный, 2001, В.В.Белов , 1980).

На примере анализа размоин выявленная неоднотипность распределения глубин размыва по длине склона как следствие неоднородности динамики потоков на разных отрезках склона. Исследование вопросов агрессивности водных растворов позволили предположить необходимость учета характеристик химического состава водотоков при прогнозировании величин размыва склонов (в частности рН, Cl^-, SO₄^2-, CO₃^2-, сухой остаток).

В результате анализа, как литературных источников, так и натурных данных, пришли к заключению, что образование выбоин (микропорогов) в руслах водотоков в разных случаях может происходить по-разному, т.е. необходима классификация механизмов их образования. В основе такой классификации должны быть следующие пункты: 1) изменение транспортирующей способности потока; 2) многоструйность потока (при пересечении струй, отраженных от стенок русла, образовывается ''бурун''), при талом стоке течение в ручейках в 50% случаев наблюдается одной струей, при ливневом стоке этот процент в 2 и более раз ниже; 3) изменение минерализации воды по пути прохождения водотока, его разрушительное действие преобладает на уплотненных поверхностях, где механическое влияние ограничено; 4) неравномерное поступление больших объемов воды в ручейковую сеть, что создает волновое перемещение с обрушенным фронтом. В основном, наблюдается при ливнях значительной интенсивности и при выпадении дождей в период снеготаяния.

В чистом виде каждый из перечисленных механизмов не оказывается. В каждом конкретном случае один из них доминирует, но всегда сопровождается другими вариантами, так как одни из них взаимно обуславливают существование других, но в разных условиях часть из них может не достигать своего ''апогея'' разрушительной силы. Однако во всех случаях результатом проявления действия вышеперечисленных факторов есть периодичность в эродованности склонов.

h

L

Lv Lo Lот Lкр Lот Lкр

Lв₁ Lн₁ Lв₂ Lн₂ Lв₃

Рис. 6. Идеальная схема размыва склона водотоком по длине. (h - глубина размыва, L - длина склона от водораздела)

Процесс размыва склона можно разбить на несколько этапов (рис.6), некоторые из которых при недостаточной длине склона или расходах поступающей воды, характера агрофона и др. могут не достигаться (особенно в системе противоэрозионных сооружений), что подтверждается натурными наблюдениями за характером изменения глубины водороин по длине склона. На скачкообразные изменения процесса стокообразования указывалось еще в 1949 г. в роботах А.Н.Бефани (1949) и др. В предлагаемой работе проводится дифференциация склона на участки согласно характеру эродированности поверхности. Расстояние от водораздела, пройдя которое, поток приобрел способность размывать почву, назовем длиной концентрации стока (Lv). На этом участке размывов не наблюдается. Пройдя расстояние Lv, поток начинает интенсивно образовывать размоину. Процесс здесь выглядит сложнее, чем просто механическое увеличение скорости потока, который стекает под действием сил веса, особенно при талом стоке. Вода, которая образовывается от таяния снега, фильтруется в оттаявшей толще и частично стекает по поверхности. В том месте, где наблюдается концентрация сил потока, которые размывают и растворяют, образуется размыв.

Расстояние, пройдя которое, поток достиг своего насыщения, назовем Lo - начальной длиной размыва. На этом расстоянии глубина размыва нарастает по мере продвижения вниз по склону. Достигши первого насыщения (глубина здесь достигла своего максимума), наступает период осаждения наносов (расстояние Lот - длина осаждения наносов), его длина должна зависеть, прежде всего, от насыщенности потока мелкими фракциями и коллоидами, так как последнее влияет на пульсационный режим потока. Здесь сказывается влияние особенностей почвы на эродирование поверхности. Глубина же предельного размыва в каждом периоде должна зависеть главным образом от мощности потока, его структуры и химического состава воды.

Поскольку предельный размыв наступает лавинообразно, можно предположить, что величина глубины размыва по длине склона должна меняться с периодичностью, подобной периодичности положительной ветви ctg , т.е. глубина размыва в і - ой точке есть функция:

h_i = ctgf(Lv,Lo,L_i) + рk , k=0,1,2… (1)

где Lі - длина отрезка в і -и точке считая от начала участка стабилизации размыва , т.е. от Lo, это общая длина от водораздела за исключением (Lv+Lo).

В свою очередь :

Lv = f(Iск,i_oc,Q, агрофон) (2)



где Іск - уклон склона , іoc - интенсивность осадков , Q - расход воды.

Lo = f(Lі, Іcк, N, d, свойства почв, агрофон) (3)

где N - мощность потока, d - диаметр почвенных агрегатов.

Lот = f(d_ср, Q, d_min, Icк ), (4)

где d_mіn, d_ср - минимальный и средний диаметр взвешенных частиц.

На рис.6 Lві - длина при которой мутность Р равняется транспортирующей способности, с этой длины начинается отложение наносов, здесь hі = hmaxі (hmaxі - максимум глубины потока по длине склона), Lні - длина, при которой Р перешла нижнюю границу мутности при данной энергетической способности и здесь она ниже транспортирующей способности. При Lві : Р = Рт, Р - мутность воды; Рт - транспортирующая способность потока.

В пределах от Lві до Lні : Р < Рт, причем Р в диапазоне Lот = Lві < Lі < Lні уменьшается, т.е. наносы выпадают из потока.

В диапазоне от Lні до Lв(и+1) наблюдается резкий скачек, поток здесь набирает необходимое количество наносов (?Р), т.е. здесь Р+?Р=Рт. Размеры отрезка Lкр находятся в пределах 0, 05-0,2м, а длина Lот - в пределах 2- 3 м при общем уклоне склона 37 ‰ и длине Lo= 7м.

Lкр = f(Q, N, Co, Eh, pН, t, …) (5)

где Lкр - место катастрофического размыва почвы, должно определяться как энергетическим состоянием потока, так и временем протекания химических реакций, Со - сухой остаток в воде водотока, Eh - окислительно-восстановительный потенциал, рН - кислотность воды, t - температура воды.

Конечно, модель размыва склона, представленная на рис.6 идеализированная. В природе строгой периодичности не наблюдается, амплитуда и частота размывов по длине склона изменяются.

Сравнение моделей от стока разного происхождения показывает, что наибольшую роль в деформациях русла играет химическая составляющая при орошении напуском, потом идет орошение дождевальной установкой "Волжанка", ливни и талый сток. Однако, сказать однозначно, что такая последовательность закономерна нельзя, поскольку длины исследуемых участков во всех случаях разные, а дифференциация факторов, которые влияют, при талом стоке по длине показала, что в верхней части склона химическая составляющая более значима.

Анализ материалов натурных исследований разрешает уточнить некоторые положения выдвинутой раньше и приведенной выше теории. Поскольку натурные эксперименты связаны с множеством сложностей, расположить створ наблюдений строго в месте перехода от одной зоны в другую не всегда возможно. На данный момент мы можем констатировать, что в зоне Lo (начальная длина размыва) на величину максимальной глубины воды в водотоке, в основном, влияют химический состав воды, динамика потока, влажность почвы. В зоне Lот (длина осаждения наносов) на формирование максимальной глубины воды прежде всего влияет динамика потоков, потом идет химический состав воды и гранулометрический состав почвы. Температура воды в любом случае влияет на процесс размыва.

Для зоны критического размыва (Lкр) мы пока что можем констатировать значительное изменение мутности воды, падение рН, увеличение содержания гидрокарбонатов, хлора и суммарного содержания солей в воде водотока, уменьшение содержания сульфатов, кальция и магния ( на расстоянии в 1 м от створа на уступе и на выходе из водоворота, высота уступа 40 см).

Критические величины содержания веществ в склоновых водотоках разного происхождения представлены в табл. 4-5. Количественный состав растворенных веществ в водотоках разный, поэтому критические величины содержания веществ также отличаются для стока разного происхождения в силу наличия нескольких механизмов химического влияния воды

Таблица 4.. Критические величины содержания веществ в воде склоновых водотоков, формирующиеся при ливнях и снеготаянии (max -при максимальном содержимом веществ; mіn- при минимальном, max=...и mіn=...- соответственно максимальное или минимальное влияние при указанном содержании веществ)

Показатель, относительно которого содержание веществ критично	Характеристика	Талый сток	Ливневый сток
		Обеспечивается максимум показателя	Обеспечивает-ся минимум показателя	Обеспечивается максимум показателя	Обеспечивает-ся минимум показателя
Максимальная глубина воды, м	РН	7-7,7		6,4-6,6;7,5-8,0; max =7,7	min, max, 6,8
	HCO3-, мг/дм3	74,6		110
	Cl-, мг/дм3	7,29-11,16	19,0	15-40, max=35,0
	SO42-, мг/дм3	max	min	73-110; max=95,0
	Ca2+, мг/дм3	4-28	30-35	0-80,max=63
	Mg2+, мг/дм3			0-38,max=23	max
	Na+, мг/дм3	0-3,77	6,33-9,36	4,4-43, max=38	55-80
	K+,мг/дм3	0,5-2,1	7,0; max
	NO3-, мг/дм3	5,03	9,1-11,55	49,2	max
	NH4+, мг/дм3	1,5-3,5	min	min	max
	Сухой остаток, г/дм3	0,118		0,42-0,46
Мутность воды, г/м3	РН	7,3-8,5		7,8; 6,5-8
	HCO3-, мг/дм3	62,6-119,7	min; 12,2	90-135; max=110	0; 140
	Cl-, мг/дм3	11,15-13,7; 17,5-22,5	3,5; 15,38; 26,4	30-50; max=36
	SO42-, мг/дм3	15,97	min	95	min; 18-22
	Ca2+, мг/дм3	20-30; 45	10;34-35	20-110; max=67
	Mg2+, мг/дм3			0-32; max=23
	Na+, мг/дм3	0,3-1,8; 7,09-10,1; 16,14	4,07; 12,37	20-40; max=37,4
	K+,мг/дм3	1,5-3
	NO3-, мг/дм3	7,5-14,0		43,8	max
	NH4+, мг/дм3	0-1;1,8;3,5	1,3-1,4;2,5-3	max	min
	Сухой остаток, г/дм3	0,141-0,234	max	0,44

Таблица 5. Критические величины содержания веществ в склоновых водотоках, формирующиеся при орошении (max - при максимальном содержимом веществ; mіn- при минимальном, max=...и mіn=...-соответственно максимальное или минимальное влияние при указанном содержании веществ)

Показатель, относительно которого данное содержание веществ критично	Характерис-тика	Орошение «Волжанка»	Орошение напуском
		Обеспечивается максимум показателя	Обеспечивается минимум показателя	Обеспечивается максимум показателя	Обеспечивается минимум показателя
Максимальная глубина воды, м	РН	7,68		max
	HCO3-, мг/дм3	240-250		188,42
	Cl-, мг/дм3	266, max (292)		270	min
	SO42-, мг/дм3	525,6	430-450	max
	Ca2+, мг/дм3			0-250
	Mg2+, мг/дм3	80-90	60-70	60; max
	Na+, мг/дм3	max	130-150	max	min
	NO3-, мг/дм3	19,98-41,9		34,24	max
	NH4+, мг/дм3	0,35-0,45
	Сухой ост-аток,г/дм3	max		1,6; max	min
Мутность воды, г/м3	рН	7,4-7,5;8,3-8,4		8,17-8,40
	HCO3-, мг/дм3	230-250		max	min
	Cl-, мг/дм3	247; max	266	275-290	min
	SO42-, мг/дм3	525,6		180-230	280-300
	Ca2+, мг/дм3	163-175		max	min
	Mg2+, мг/дм3	84-87		82-97
	Na+, мг/дм3	25-35; 190-200; max	70-80	max	min
	NO3-, мг/дм3	25,1;64,0		26-31,56
	NH4+, мг/дм3	0,21; max	0,4-0,5
	Сухой остаток, г/дм3	1,1; 1,54	1,28-1,32	max	min



на почвы (о чем говорилось выше). Наиболее разные между собой критические величины для стока при орошении и талого стока, критические величины для ливневого стока занимают промежуточное положение. Для одних веществ они ближе к талому стоку (как, например, для НСО₃^-) для других - к стоку при орошении (на пример, NO₃^-). Имея уравнение зависимости изменения содержания химических веществ по длине склона, по таблицам критических величин содержания веществ можно определить в каком месте на склоне влияние химической составляющей на размыв максимально.

Полученные выводы говорят о необходимости учета химической активности склоновых водотоков при создании методик проектирования противоэрозионных сооружений. Поскольку на коротких участках склона, которые создаются при противоэрозионной организации территории, химическая составляющая имеет большее влияние на размыв, чем динамическая.

Основной конечной целью исследований изменения характеристик стока и смыва по длине склона является определение мест на склоне с максимальным и минимальным размывом, где вероятность разрушения почв или сооружений соответственно максимальна или минимальна. Для ее решения целесообразно применить методы оптимизации (в частности симплекс- метод) в комплексе с эмпирическими и полуэмпирическими моделями смыва и стока.

Алгоритм решения можно представить в таким образом. Оптимизируется продольная площадь размыва по длине склона. При оптимизации на минимум определяются места на склоне, где размывов не будет. При оптимизации на максимум определяются места на склоне, где будет наблюдаться интенсивный размыв.

Склон по длине, как сказано выше делится на 4 зоны, которые имеют отличия в формировании размыва.

Тогда продольная площадь размыва (W) будет определяться целевой функцией:

W = C1Lv+C2Lo+C3Loт +n(C4Lкp+C5Loт) mіn (max) (6)

Система ограничений включает следующие уравнения:

1) Ограничение по длине склона:

Lv+Lo+Lот +n(Lкр +Loт) = Ls (7)

2) Ограничение по глубине базиса эрозии:

Lv+C₂Lo+C₃Loт +n(C₄Lкp+C₅Loт) HLs (8)

C₁ = 0 (9)

0=C₂=h_m1 (10)

0=C₃=h_m1 (11)

C₄=h_m2 (12)

0=C₅=h_m2 (13)

3) Ограничение по транспортирующей способности потока

C₄Lкр-C₅Lот 0 (14)

где Сi - коэффициенты, по физическому содержанию соответствующие осередненій максимальной глубине размыва на участке; n - число периодов чередования зон критического размыва и отложения наносов. зависит от длины склона, количества и интенсивности осадков, агрофона и др.; Ls - длина склона; Н - падение склона; hm1 - максимальная глубина размыва в зоне соответствующей начальной длине размыва, переменная величина, которая зависит от химического состава воды, динамики потока, характеристик подстилающей поверхности и др.; hm2 - максимальная величина размыва в зоне критического размыва, также переменная величина, которая зависит от динамики потока, гранулометрического состава почвы, химического состава воды и др.

Данная система уравнений содержит 3 неизвестных, что определяются эмпирическим путем (n, hm1,hm2). В частности, число периодов можно определить по формуле:

n = X₁X₂X₃X₄X₅; (15)

X₁ = 10,04+7,52·10^-7Ls^3,0;

X₂ = 1,078I_min/(0,01166+I_min);

X₃ = 1,179-0,001916Tnn^3,0;

X₄ = 0,8378+0,0004172I_max+222,9/I_max²;

X₅ = 0,9771+0,00922af.

где Іmax - максимальный уклон склона, ‰; Іmіn - минимальный уклон склона, ‰, Tnn- разновидность почв и грунта ( 3-чернозем обыкновенный на лессе, 5 -чернозем обыкновенный на мергеле, 4- чернозем обыкновенный на песках, 6- мергеле; af - агрофон (1 - пар (зябь, для снеготаяния), 4 - естественное кормовое угодье, многолетние травы).

Относительная ошибка модели E = 3,0 %; абсолютная ошибка модели E₁ = 0,117; коэффициент множественной корреляции r= 0,999; критерий качества модели s/у =0,049.

Поскольку процесс размыва и аккумуляции динамический и места наибольших размывов и отложений меняются в зависимости от количества осадков, их интенсивности, агрофона и т.п. необходимо проводить серию расчетов для выявления зон наиболее вероятного размыва и отложения наносов. Кроме того, при продолжительном периоде стока зоны размывов имеют тенденцию регрессивно передвигаться по потоку, что также может быть учтено эмпирически при последовательном пересчете.

Предложенный метод более динамичен и учитывает прерывистость процесса, в отличие от имеющихся. Привязка к длине склона разрешает использовать его при создании проектов землепользования с применением ГІС - технологий.

Раздел 6. Вопросы применения эмпирико-статистических моделей гидродинамических и гидрохимических характеристик склоновых водотоков при проектировании элементов организации территории землепользования. Оптимальное планирование территории землепользования и севооборотов в ней, рациональное проектирование надежных противоэрозионных мероприятий требуют прогноза количества смыва материала в зависимости от основных факторов, которые обуславливают явление.

Количество смыва материала зависит не только от агрофона, но и от последовательности их расположение. Потоки, которые стекают по склону, как правило, проходят через несколько агрофонов, а также через лесные полосы и дороги (в местах концентрации), изменяя свои параметры.

Анализ зависимости гидродинамических характеристик потоков от условий года и агрофона показал наибольшую зависимость от последних динамической скорости (v*) и коэффициента Шези, величины которых и предлагается использовать для оценки вариантов сочетания агрофонов и организации территории землепользования наряду с величинами стока наносов по длине склона.

Динамическая скорость потока (т.е. продольная составляющая веса столба жидкости, которая характеризует касательное напряжение в потоке) увеличивается в местах перехода к новому агрофону, при движении по агрофону она затухает, по всей вероятности вырабатывается устойчивый режим пульсаций.

Стабилизирующий эффект агрофона выражается на озимых в уменьшении динамической скорости в 1, 08-1 ,06 раз, на зяби - в 1,28 раз; на стерне многолетних трав- 1,25 раз.

При переходе же от одного агрофону к другому динамическая скорость увеличивается для сочетания многолетние травы - озимые в 1, 38-1,34 раза (в том числе и при наличии лесной полосы); при переходе от зяби к зяби (через дорогую) - в 1,15 раза.

По величине роста v* можно судить об эрозионной опасности сочетаний агрофонов, чем больше степень роста v*, тем опаснее сочетание. Критерием эрозионной опасности сочетания агрофонов может служить отношение динамической скорости потока после перехода на следующий агрофон (v*н) к динамической скорости до перехода (v*в):

Kv* = v*н/v*в, (16)

Если v*в>v*н - то опасности усиления эрозии нет, здесь Kv* <1. При v*н= v*у - изменений энергетической активности потока не наблюдается, Кv*=1. При v*в<v*н - сочетание агрофонов опасно, причем, чем больше разность, т.е. Kv*>1, тем более опасное сочетание.

Согласно исследованиям талого стока сочетание многолетние травы - озимь имеет величину Kv* = 1, 38-1,34, т.е. оно крайне опасно. Это явление обусловлено тем, что из многолетних трав сбрасывается большой объем осветленной воды по всей ширине полосы посева, так как почва под травами оттаивает меньше и медленнее, чем под другими агрофонами. Осветленная вода имеет значительный эрозионный потенциал.

По результатам исследований можно заключить, что наиболее опасно сочетание: многолетние травы - озимь, а также практически любые сочетания при переходе через дороги, наименее опасным из исследованных есть сочетание: зябь - многолетние травы.

Для прогноза v* по длине склона при разных агрофонах рекомендуется формула (С.В.Будник, В.Т.Малютяк,1997):

v_*=0,0317(0,0828 + 0,662Af + 1,585/Af²)(1,066 - 0,00071L-

- 0,146/L)(1/(1,24 - 0,00893Ic + 0,0000713Ic²)), (17)



где v* - динамическая скорость (v*= , h - глубина воды в водотоке, м; І - уклон водной поверхности; g- ускорение свободного падения, м/с²) м/с; Af - агрофон (его численные значения: 2- многолетние травы, 3- озимь, 4- зябь); L - длина склона,м; Іc - уклон склона, ‰.

Относительная ошибка расчета по формуле составляет 6,8%, коэффициент множественной корреляции 0,88, критерий качества s/у=0,48.

Сочетание озимые - зябь; многолетние травы - озимые - не устойчиво. Наиболее устойчивое сочетание зябь - многолетние травы.

Определение потенциального стока, смыва и максимальной глубины воды на склонах является основой для проведения ряда проектных выискиваний под строительство гидротехнических и водопропускных сооружений на склонах. Для этих целей, как правило, определение гидрологических элементов проводится для многолетних обеспеченных климатических величин осадков, температур и т.п. Кроме этого, определение гидрологических величин склонового стока важно при эксплуатации искусственных и естественных водоемов. В частности, при расчете водного баланса небольших водохранилищ, количества наносов, которые поступают в них, и т.п. Здесь уже расчеты, как правило, ведутся по месяцам согласно осадкам, которые поступают на водосбор. Четких методик отработанных конкретно для таких целей не существует. Существующие рекомендации для расчета потенциального стока и смыва со склонов с разной степенью эффективности применяются для целей защиты почв от эрозии, здесь в зависимости от скоростей течения, объемов стока, или в зависимости от объемов смытой почвы со склонов определяются расстояния между стокорегулирующими рубежами. Последний способ считается наиболее обоснованным, так как разрешает сразу оценивать результаты почвоохранной системы земледелия и эффективность разных мероприятий.

Проведенные нами исследования разрешают также предложить способ определения изменения расходов воды, мутности воды и максимальной глубины воды по длине склона. Предлагаемый способ позволяет определять гидрологические величины, как для конкретных условий года, так и для многолетних обеспеченных величин.

Расходы воды в склоновых водотоках при снеготаянии можно определить по зависимости (порядок расположения факторов в зависимостях определяет их значимость в модели):

Q = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀; (18)

X₁ = 0,006808-0,004214Tnn+0,0006954Tnn²;

X₂ = 115,5h_max^1,461;

X₃ = 0,9523exp(0,009227/t);

X₄ = 0,00161lp^2,013exp(-0,02664lp);

X₅ = 4,083Tch^18,53exp(-7,065Tch);

X₆ = 0,67421,131^af;

X₇ = 1,4060,9944^Ic;

X₈ = 0,99711,001^zo;

X₉ = 1,2560,96^Ob;

X₁₀ = 1,02exp(-0,6703/Ls),

где t - температура воды в водотоке, ^оС, af - агрофон (2- многолетние травы, 3- озимые, 4- зябь); h_max - максимальная глубина воды в водотоке, м; Tnn - разновидность почвы (2- серые лесные, 3 - чернозем обыкновенный на лессах, 4 - чернозем обыкновенный на песках, 5 - чернозем обыкновенный на слабомощном лессе, подстилаемом мергелем, 6 - мергель, 7 - чернозем типичный на легком суглинке; Tch - тип снеготаяния (2 - адвективный, 3- солярный, 4 - солярно- адвективный); lp - максимальная глубина промерзания почвы за зиму, см; Ls - длина склона от водораздела до створа измерения, м; Іc - уклон склона, ‰; XS - сумма осадков за осенне-зимний период, мм.

E = 156,05 %, E₁ = 0,000м³/с, r = 0,91, s/у = 0,42.

Мутность воды в склоновых водотоках при снеготаянии при наличии информации о химическом составе воды можно определить по следующей зависимости:

P = 0,001X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀X₁₁X₁₂; (19)

X₁ = 5586-168,8HCO+5,68HCO²;

X₂ = -43,81+13,45pHn-1,001pHn²;

X₃ = 1,196-0,09144Nan^0,5;

X₄ = 4,487-4,375pn+1,298pn²;

X₅ = 1,001+6,059Q-0,00002348/Q;

X₆ = 1,182-0,0005074Ls-5,345/Ls;

X₇ = 1,438-0,04507Na-0,07529/Na²;

X₈ = -16,29+15,97Ic^0,02;

X₉ = 0,9204+1,927So^1,5;

X₁₀ = 1,065-0,0189af;

X₁₁ = 0,9136+0,000000145XS^2,5;

X₁₂ = 0,9845+0,004564zo,

де HCO₃ - содержание гидрокарбонатов в воде водотока, мг/дм³; Na - содержание натрия в воде водотока, мг/дм³; pHn - кислотность почвы; Q - расход воды в водотоке, м³/с; pn - плотность почвы, г/см³; Nan - содержание натрия в почве, мг/100 г почвы; So - критерий Траска-Крумбейна , d₂₅, d₇₅ - соответственно диаметр почвенных частиц 25% и 75% обеспеченности (сухое просеивание), мм.

E = 143,9%, E₁ = 1,2 кг/м³, r = 0,82, s/ = 0,58.

Максимальная глубина воды в водотоке может быть определена по следующей зависимости:

h_max = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉; (20)



X₁ = 0,04742Ls/(89,09+Ls);

X₂ = 1/(106,8-29,65pHn+2,071pHn²);

X₃ = 1/(1,519-0,3286zo+0,0375zo²);

X₄ = 1/(0,9581-0,008324Nan+0,0006553Nan²);

X₅ = 1/(1,848-0,07068Ic+0,0009172Ic²);

X₆ = 1/(1,603-0,03258lp+0,0003012lp²);

X₇ = 1,02NO₃n/(0,0002629+NO₃n);

X₈ = 1/(1,034-351700exp(-0,4985Wn));

X₉ = 1/(-0,1211+0,01266XS-0,00003358XS²),

где Wn - влажность почвы, %.

E = 22,04 %, E₁ = 0,001 м, r = 0,88, s/=0,48.

Оценку величины расходов воды склоновых водотоков, формирующихся при ливнях, рекомендуется вести по следующей зависимости.

Q = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀X₁₁; (21)

X₁= 0,001287+3,06?10^-10Ls^3,0;

X₂= 5228h_max^2,507;

X₃= 8,562?10^-8tv^9,485exp(-0,6178tv);

X₄= 1/(0,8548+2,325exp(-11,56io));

X₅= 1/(1,064-1,007exp(-9,756d_cp));

X₆= 1/(1,038-637,2exp(-3,333Tnn));

X₇= 1/(1,157-0,0009179prx);

X₈= 1/(0,8786+0,1594af-0,03123af²);

X₉= 1/(1,078-0,01974X+0,000596X²);

X₁₀= 1/(1,025-0,9756exp(-0,06976Ic));

X₁₁= 1/(0,9766-0,06958i_max+0,1324i_max²),

где tv - температура воздуха, ос; іo - интенсивность осадков в конкретный момент времени, мм/мин; Tnn - разновидность почв (2- серая лесная на лессе; 3- чернозем обыкновенный на лессах, 4 - чернозем обыкновенный на песках, 5 - чернозем обыкновенный на мергелях, 6 - мергели); prx - продолжительность выпадения осадков, мин; af - агрофон (1 - пар, 2 - многолетние травы, 3 - пропашные, 4 - естественное кормовое угодье, 5 - полевая дорога, 6- зерновые колосовые); X - количество осадков, мм; і_max - максимальная интенсивность осадков, мм/мин.

E = 71,1%, E₁ = 0,000 м³/с, r = 0,96, s/у=0,26.

Определить величину мутности воды водотоков, которые формируются при ливнях можно по следующей зависимости.

P = 0,001X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀X₁₁X₁₂X₁₃; (22)

X₁ = 124700-59230Tnn+7182Tnn²;

X₂ = 0,4592+0,000627bp+28,17/bp;

X₃ = 0,9532+0,00006591_t^3,0;

X₄ = 1,26-4,101/(B/h);

X₅ = 1,136-1,356Coo-0,00003056/Coo²;

X₆ = 0,9449+76200Ls^-4,0;

X₇ = 0,6522+0,03084Clo-0,0005838Clo²;

X₈ = 0,8277+0,0004392prx+8,294/prx;

X₉ = 1,032-0,05367SO₄n^-0,5;

X₁₀ = 1,035-3,556Wn^-1,5;

X₁₁ = 0,9632+9496Ic^-4,0;

X₁₂ = 1,034-0,005622Nao^-0,5;

X₁₃ = 1,007-0,0005393Nan^1,5,

где ф_t - турбулентное трение, Н/м²; Соо - сухой остаток в водной вытяжке из почвы, г/100 г ; Clo - содержание хлоридов в атмосферных осадках, мг/дм³; SO₄n - содержание сульфатов в почве, мг/100г; Wn - влажность почвы, %; Nao - содержание натрия в атмосферных осадках, мг/дм³; Nan - содержание натрия в почве, мг/100 г.

E = 37,6%, Е₁=1,04 г/м³, r=0,94, s/=0,34.

Максимальную глубину воды можно определить по следующей эмпирической зависимости

Для пара

h_max = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀; (23)

X₁= 1/(4668-267,2Wn+3,851Wn²);

X₂= 1/(0,9773+1,225d_cp-3,492d_cp²);

X₃= 1/(0,9781+26,6exp(-0,3077prx));

X₄= 1/(4,258-22,66So+38,81So²);

X₅= 1/(1,061-0,00251bp);

X₆= 0,4909i_max^-0,3854exp(0,8199i_max);

X₇= 1,035Ls^0,009268exp(-0,00218Ls);

X₈= 1/(1,068-11070exp(-15,5pn));

X₉= 0,2131Ic^0,467exp(-0,005333Ic);

X₁₀= 0,9666X^0,014,

где bp - время от начала выпадения осадков к моменту измерения, мин; pn - плотность почвы, г/см³.

E= 16,7 %; E₁=0,001 м; r=0,965; s/у=0,26.

Для многолетних трав

h_max = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇; (24)

X₁= 0,02582-0,00002245Ls+9,754/Ls²;

X₂= 0,5971+7,162io-12,03io²;

X₃= 1,374-0,4718d_cp-0,006346/d_cp²;

X₄= 1,779-0,01676bp+0,0000695/bp²;

X₅= 1,066-0,0003419So^-4,0;

X₆= 1,056-0,000001646Wn^3,0;

X₇= 1,185i_max^0,08039exp(-0,1932i_max).

E=12,4%; E₁=0,001м; r=0,96; s/у = 0,27.

Для пропашных

h_max = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈; (25)

X₁ = -0,0007194+0,06675bp^-0,5;

X₂= 1/(1,349-0,00391Ic-0,00001676Ic²);

X₃= 1/(0,9487+23530exp(-11,76pn));

X₄= 0,9945+0,2952d_cp-0,0003812/d_cp²;

X₅= 0,8846+0,003914X+4,883/X²;

X₆=1,007-6,544?10^-22io^-4,0;

X₇= 1,017-81,32Ls^-4,0;

X₈= 0,9666+0,0002421So^-4,0.

E=9,87%; E₁=0,000м; r=0,99; s/у=0,136.

Для естественного кормового угодья

h_max = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉X₁₀; (26)

X₁ = 0,01946+0,0001087Tnn;

X₂= 0,5498+4,655io-1,402io²;

X₃= 2,946-0,007968Ic-13120/Ic²;

X₄= 0,7902+0,05865X^0,5;

X₅= 3,704-0,6948pn-2,346/pn;

X₆= 0,783bp^0,07257exp(-0,001191bp);

X₇= -0,06967+0,07413Wn-0,001126Wn²;

X₈= 1,016exp(-0,01318/i_max);

X₉= 0,8455d_cp^-0,1156exp(0,121d_cp);

X₁₀= 0,9843exp(2,031/Ls).

E=29,6%; E₁=0,001м; r=0,89; s/у=0,45.

Для зерновых колосовых

h_max = X₁X₂X₃X₄X₅X₆X₇X₈X₉; (27)

X₁= 1/(109,1-117,3io+36,39io²);

X₂= 1/(0,4764+0,01823Ls-0,0001139Ls²);

<...