Режимы движения и механизмы истирания почвенных агрегатов при эрозии почв

Трудность построения полной модели водной эрозии почв на склоне определяется разномасштабностью составляющих ее процессов, достигающей в пределе 10⁹. Отсюда следует, что элементы общей теории эрозии почвы необходимо строить с учетом масштаба. Целью данной работы было получение в рамках гидравлического приближения аналитического решения задачи об измельчении почвенных агрегатов в процессе переноса стационарным склоновым потоком. В связи с этим исследовали отрыв, перенос, преобразование и переотложение единичной, первоначально свободно лежавшей на дне временного водного потока почвенной частицы (агрегата). Как и ранее, в случае с ветровой эрозией почвы, исследование проводили методами механики многофазных сред в мезомасштабе, в отличие от эмпирических и подходов на основе произвольно вводимых уравнений и статистических распределений. Под преобразованием частицы понимается ее истирание в результате многократного ударного взаимодействия с ложем временного водного потока на склоне. В результате, в рамках гидравлического приближения впервые найдено (в форме уравнений) аналитическое решение задачи об измельчении в результате истирания почвенных агрегатов, переносимых стационарным склоновым потоком. Установлено, что степень истирания, характеризуемая отношением текущего радиуса почвенного агрегата к исходному, определяется его механическими свойствами и соотношением гидравлических характеристик потока и агрегатов. При этом механические свойства агрегата учитываются двумя эмпирическими коэффициентами уравнения истирания, а гидравлические характеристики потока и агрегата – эрозионным числом. В результате теоретического решения расширен физический смысл эрозионного числа, которое оказалось не только соотношением вихревой подъемной силы и силы веса агрегата, определяющим тип его движения в потоке, но и показателем его предельного истирания при транспортировке стационарным водным потоком. Указанные коэффициенты, учитывающие механические свойства истираемых водным потоком агрегатов, могут быть найдены экспериментально, опытами в гидравлических лотках, подобных использованному в настоящих исследованиях.

1. Гендугов В.М., Глазунов Г.П. Ветровая эрозия почвы и запыление воздуха. М.: Физматлит, 2007. 240 с.

2. Гендугов В.М., Глазунов Г.П. О единстве механизмов водной и ветровой эрозии почвы // Почвоведение. 2009а. № 5. С. 598–605.

3. Гендугов В.М., Глазунов Г.П. Подъемная сила в водном потоке, размывающем почву // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2009б. № 2. С. 32–36.

4. Глазунов Г.П., Гендугов В.М. О подъемной силе ветра, переносящего почвенные частицы // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2000. № 3. С. 43–52.

5. Ларионов Г.А. Истирание почвенных агрегатов в склоновых потоках // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 16. / под ред. Р.С. Чалова. М., 2008. С. 74–83.

6. Ларионов Г.А., Бушуева О.Г., Добровольская Н.Г., Кирюхина З.П., Литвин Л.Ф., Максимова И.А. Разрушение почвенных агрегатов в склоновых потоках // Почвоведение. 2007. № 10. С. 1263–1269.

7. Ларионов Г.А., Добровольская Н.Г., Кирюхина З.П., Краснов С.Ф., Литвин Л.Ф., Горобец А.В., Судницын И.И. Влияние плотности почвы, сопротивления разрыву и инфильтрации воды на скорость разрушения межагрегатных связей // Почвоведение. 2017. № 3. С. 354–359. DOI: 10.7868/S0032180X17010099.

8. Domokos G., Jerolmack D.J., Sipos A.Á., Török Á. How River Rocks Round: Resolving the Shape-Size Paradox, PLOS ONE, 2014, vol. 9, no. 2, e88657, DOI: 10.1371/journal.pone.0088657.

9. Le Bouteiller C., Naaim¬Bouvet F., Mathys N., Lavé J. A new framework for modeling sediment fining during transport with fragmentation and abrasion, J. Geophys. Res. Earth Surf, 2011, vol. 116, F03002, DOI: 10.1029/2010JF001926.

10. Perfetti G., Depypere F., Zafari S., van Hee P., Wildeboer W.J., Meesters G.M.H. Attrition and abrasion resistance of particles coated with pre¬mixed polymer coating systems, Powder Technology, 2012, vol. 230, no. 11, p. 1–13, DOI: 10.1016/j.powtec.2012.04.009.

11. Wang J., Li Z., Cai C., Ma R. Particle size and shape variation of Ultisol aggregates affected by abrasion under different transport distances in overland flow, Catena, 2014, vol. 123, no. 4, p. 153– 162, DOI: 10.1016/j.catena.2014.07.020.