1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЧУВАШСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» УДК 631.6.02 На правах рукописи ВАСИЛЬЕВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА СКЛОНОВЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ 06.01.02 Мелиорация, рекультивация и охрана земель Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант: доктор технических наук, профессор Максимов Иван Иванович Чебоксары - 2016 2 ОГЛАВЛЕНИЕ стр. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..... 7 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ…………………. 14 1.1. Ограниченность применения математических моделей для количественной оценки эффективности противоэрозионных технологий……………………………………………………………. 1.2. 14 Сложности определения основных параметров подстилающей поверхности склоновых земель………………………………… 24 1.2.1. Критический анализ методов определения гидравлических сопротивлений водного потока на подстилающей поверхности… 24 1.2.2. Некоторые особенности определения гидравлических параметров подстилающей поверхности……………………………. 1.3. 34 Обзор методов и технических средств контроля параметров подстилающей поверхности……………………………………… 36 1.3.1. Параметры и классификация способов контроля шероховатости поверхности…………………………………………………… 36 1.3.2. Анализ известных методик и технических средств контроля параметров подстилающей поверхности……………………… 1.4. 41 Недостатки существующих подходов по оценке эффективности и проектированию противоэрозионных технологий……… 52 1.4.1. Агротехнические требования при проведении противоэрозионных технологий………………………………………………… 52 1.4.2. Особенности проектирования противоэрозионных мероприятий, применяемых на склоновых агроландшафтах…………… 53 1.4.3. Существующие и разработанные методы оценки противоэро- 1.5 зионных технологий……………………………………………… 58 Выводы по главе 1………………………………………………... 60 3 ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОДНОГО ПОТОКА НА СКЛОНОВОМ АГРОЛАНДШАФТЕ……………. 2.1. 63 Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики водного потока…………. 2.1.1. Математическая модель движения временного 63 водного потока……………………………………………………………… 63 2.1.2. Аналитическое решение модели в дифференциальной форме… 71 2.1.3. Графоаналитическое решение модели в дифференциальной форме………………………………………………………………. 2.2. 78 Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики наносонесущего водного потока……………………………………………………………… 2.3. Направление движения и формирование стока атмосферных осадков на склоновом агроландшафте…………………………. 2.4. 95 Математическое моделирование направления движения водотока по подстилающей поверхности…………………………… 2.5. 83 98 Математическое моделирование направления развития микрорусла в подстилающей поверхности…………………………… 103 2.6. Энергетическое обоснование движения водного потока………. 107 2.7. Сравнение результатов расчета водной эрозии почвы с данны- 2.8. ми наблюдений на склоновых агроландшафтах……………….. 114 Выводы по главе 2………………………………………………… 119 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ………………………………………………………………… 3.1. 121 Методика и профилометр для определения направления движения стока атмосферных осадков…………………………….. 3.1.1. Устройство профилометра и принцип работы………………….. 3.1.2. Обоснование конструктивно-технологических 121 121 параметров профилометра для определения направления движения стока атмосферных осадков…………………………………………….. 125 4 3.2. Устройство и методика для моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности………………. 3.3. Устройство и методика для моделирования развития микрорусла в подстилающей поверхности……………………………. 3.4. 127 130 Профилографы и методика для определения среднего уклона, шероховатости и волнистости элементарной площадки в полевых условиях……………………………………………………… 133 3.4.1. Устройство профилографов и принципы их работы…………… 133 3.4.2. Обоснование конструктивно-технологических параметров профилографов……………………………………………………. 143 3.4.3. Методика определения коэффициента гидравлической шероховатости эродированной почвы………………………………… 3.5. 150 Гидродинамический способ определения эквивалентной шероховатости поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях………………………………… 3.6. 152 Методика количественной оценки растительных элементов на поверхности почвы ……………………………………………….. 157 ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ... 160 4.1. Исследование гидродинамической характеристики водного потока……………………………………………………………… 4.2. Результаты экспериментальных исследований по определению направления движения стока атмосферных осадков…………… 4.3. 160 162 Результаты экспериментальных исследований по моделированию направления движения водотока по подстилающей поверхности………………………………………………………….. 4.4. Результаты экспериментальных исследований по моделированию развития микрорусла в подстилающей поверхности……. 4.5. 164 168 Результаты экспериментальных исследований по определению основных параметров подстилающей поверхности в полевых условиях…………………………………………………………… 172 5 4.5.1. Результаты исследований по определению среднего уклона, шероховатости и волнистости элементарной площадки в полевых условиях…………………………………………………… 172 4.5.2. Результаты экспериментальных исследований коэффициента гидравлической шероховатости………………………………….. 4.6. 180 Результаты экспериментальных исследований по определению эквивалентной шероховатости поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях……………. 4.7. 192 Результаты экспериментальных исследований по количественной оценке растительных элементов на поверхности почвы…… 194 4.8. Выводы по главе 4………………………………………………… 197 ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ…………………………………………………………….. 5.1. Разработка и применение методики проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах………………………………………………….. 5.1.1. 201 201 Разработка методики проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах………… 201 5.1.2. Применение методики контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах……………………………… 5.2. 212 Применение методов и технических средств контроля для почвенно-мелиоративных изысканий при реконструкции межхо- 5.3. зяйственной оросительной системы «Дружба»………………… 224 Разработка рабочих органов противоэрозионных машин…….. 233 5.3.1. Разработка рабочих органов противоэрозионных почвообрабатывающих машин…………………………………………………. 234 5.3.2. Разработка сошников посевных машин………………………… 243 5.3.3. Разработка рабочих органов для внутрипочвенного внесения 5.4. жидких мелиорантов……………………………………………… 251 Выводы по главе 5………………………………………………… 257 6 ГЛАВА 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕННЫХ РАЗРАБОТОК……………………………………... 6.1. Технико-экономическая оценка противоэрозионной технологии………………………………………………………… 6.2. Технико-экономическая оценка 260 применения 260 технических средств контроля противоэрозионной технологии……………. 268 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………... 272 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………... 276 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………... 303 Приложение А. Документы, подтверждающие техническую новизну методов, технических средств и орудий при применении противоэрозионных технологий ………………………………………………………………... 304 Приложение В. Результаты выполненных научных исследований………… 321 Приложение С. Документы о внедрении результатов выполненных на- учных исследований………………………………………………………… 330 Приложение D. Документы, подтверждающие степень достоверности и апробации результатов исследований ……………………………………….. 343 7 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования. За последнее десятилетие в России уделяется большое внимание проблемам снижения плодородия почв, разрушения почвенного покрова, ухудшения и уменьшения земельных ресурсов, а также первоочередным научно-техническим, организационным и другим мероприятиям по сохранению агроландшафтов и экосистем [116, 165, 166, 237]. Поэтому не случайно Правительством Российской Федерации были признаны приоритетными федеральные целевые программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006–2010 годы и на период до 2013 года» и «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014– 2020 годы» [122]. В концепциях федеральных программ отмечается, на агроландшафтах существенно увеличилось количество почв, подверженных эрозии и действию различных негативных явлений, в особенности для пашни плодородие почв снизилось на 30…60 %. В настоящее время не проводится ежегодный контроль за состоянием склоновых агроландшафтов, что не позволяет систематизировать и рационально оценивать эти явления. Важно перейти от пятилетнего обследования на ежегодный количественный контроль параметров подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов. Степень её разработанности. Водная эрозия почвы склоновых агроландшафтов является наиболее распространенным и опасным видом их деградации [57]. Под действием эрозии резко снижается плодородие почвы, уменьшается урожайность получаемой продукции, ухудшается структура почвенного покрова и нарушается выполнение технологического процесса при возделывании сельскохозяйственных культур, которое проявляется в снижении устойчивости хода противоэрозионных машин на склонах, расчлененных промоинами и оврагами, производительности агрегата, увеличении износа машин [57]. Кроме того, разрушаются 8 дорожные полотна как с твердым покрытием, так и дороги сельскохозяйственного назначения. Вопросам поверхностного задержания стока уделялось значительное внимание, поскольку, решая их, возможно активно управлять процессами стокообразования и эрозии почв при внедрении и контроле противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах [238]. В нашей стране и за рубежом разработано множество подходов к оценке противоэрозионных технологий, однако не все из них соответствуют действительности происходящих процессов [62, 189, 193, 203-205, 227, 239 и др.]. Наблюдаемое несоответствие вероятнее всего объясняется недостаточным учетом параметров почвы. Эти параметры на склоновых агроландшафтах меняются существенно, и гидравлика склонового стока имеет свои принципиальные особенности [61] по сравнению, например, с речными процессами, таким образом, возникают определенные затруднения научного, методического и технического плана. Следовательно, отсутствие научно обоснованных подходов для описания процессов взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью для разработки методов и технических средств контроля, а также рабочих органов почвообрабатывающих машин для противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах, направленных на снижение интенсивности и предупреждение процессов водной эрозии при производстве сельскохозяйственной продукции растениеводства на склоновых землях, является актуальной и практически значимой научной проблемой. Как следует из вышеизложенного комплексное решение проблемы мониторинга и оценки противоэрозионных технологий с учетом концепций федеральных программ в первую очередь связано с отысканием объективных показателей подстилающей поверхности склоновых земель, удовлетворяющих требованиям практики, и разработкой методов и технических средств контроля для их определения. Цели и задачи. Цель исследований – повышение эффективности мелиоративных мероприятий за счет существенного снижения интенсивности эрозионных процессов на основе разработки методов и технических средств контроля, а также 9 рабочих органов почвообрабатывающих машин для противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать уравнение движения временного водного потока для оценки и проектирования противоэрозионных технологий и средств механизации, применяемых на склоновых агроландшафтах. 2. Обосновать основные параметры контроля подстилающей поверхности, значительно влияющие на интенсивность эрозионного процесса для склонового агроландшафта. 3. Для определения интенсивности процессов эрозии почв на склоновых агроландшафтах разработать методики и технические средства контроля, позволяющие получить достоверную информацию об изменении основных параметров подстилающей поверхности склонового агроландшафта. 4. Для снижения интенсивности процессов эрозии почв разработать конструктивно-технологические схемы рабочих органов противоэрозионных почвообрабатывающих машин, обеспечивающих создание противоэрозионной подстилающей поверхности склонового агроландшафта. 5. Провести энергетическую и технико-экономическую оценку эффективности рекомендуемых противоэрозионных технологий с применением разработанных орудий и технических средств контроля. Объектом исследования являются процессы взаимодействия водного потока со стокоформирующей поверхностью склоновых агроландшафтов, а также процессы взаимодействия рабочих органов машин для противоэрозионной технологии с почвой, семенным материалом и мелиорантами. Предмет исследования - закономерности изменения параметров водного потока, сформированного на подстилающей поверхности склоновых земель, закономерности технологических процессов работы рабочих органов машин для противоэрозионной технологии. 10 Научную новизну работы составляют: - разработано уравнение движения временного водного потока по подстилающей поверхности склонового агроландшафта; - предложена гидродинамическая характеристика водного потока движущегося по подстилающей поверхности склонового агроландшафта; - разработан метод определения среднего уклона, шероховатости и волнистости подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов; - разработан метод определения направления стока атмосферных осадков в полевых условиях; - разработаны устройства для профилирования поверхности почвы: профилометр и профилографы; - предложены конструктивно-технологические схемы рабочих органов противоэрозионных почвообрабатывающих машин; - предложены номограммы для подбора противоэрозионных мелиоративных технологий на склоновом агроландшафте. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем. По результатам теоретических и экспериментальных исследований получены четыре способа (патенты РФ № 2292034, № 2292539, № 2345323, № 2346275) для реализации которых созданы производственные образцы профилографов и лабораторные приборы (Приложение А). Уравнение движения временного водного потока позволило спрогнозировать эрозионные процессы на склоновых землях СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики. Результаты работы использовались при проектных и изыскательских мероприятиях для реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Канашского района Чувашской Республики в рамках федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы». Для рассматриваемых условий были выполнены почвенномелиоративные изыскания (в т.ч. определение потенциала эрозионной стойкости почв, коэффициента гидравлической шероховатости дневной поверхности почв, пористости, функции влагопроводности с отображением в виде карт изолиний) 11 (Приложение В). Подготовлена конструкторская документация по выпуску профилографов. Результаты исследований отражены в отчете по гранту РФФИ №13-0597048 на тему «Совершенствование методики оценки противоэрозионных мероприятий для оптимизации технологий экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции растениеводства на склоновых землях» (государственный регистрационный номер ЦИТиС: № 01201366219). Материалы исследований были переданы федеральному государственному бюджетному учреждению «Управление мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения по Чувашской Республике» и Министерству образования и молодежной политики Чувашской Республики (Приложение С). Разработанные автором методики оценки противоэрозионных технологий используется в учебном процессе ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, ФГБОУ ВО Костромская ГСХА и других вузов (Приложение С). Методология и методы исследований. Исследования проводились на основе анализа и синтеза технологических процессов с использованием положений и законов классической механики, гидродинамики, механики двухфазных сред, математического моделирования. Положения, выносимые на защиту: 1. Уравнение движения временного водного потока по подстилающей поверхности склонового агроландшафта. 2. Параметры контроля подстилающей поверхности, значительно влияющие на интенсивность эрозионного процесса для склонового агроландшафта. 3. Методы и технические средства контроля основных параметров подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов. 4. Конструктивно-технологические схемы рабочих органов противоэрозионных машин. 5. Результаты энергетической и технико-экономической оценки эффективности рекомендуемых противоэрозионных технологий. 12 Степень достоверности и апробация результатов исследований. Выполнение лабораторных и полевых экспериментальных исследований с применением современных методов моделирования, средств измерений и методов обработки данных позволяет получить обоснованные, достоверные и соответствующие теме диссертации результаты исследований и общие выводы. Основное содержание диссертационной работы излагалось на научнопрактических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» в период с 2002 по 2015 гг.; на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства», посвященной 50-летию инженерного факультета (г. Чебоксары, 24-25 ноября 2011 г.); на первой Международной молодежной научно-практической конференции «Достижения современной науки в области энергосбережения» (г. Чебоксары, 4-7 декабря 2013 г.); на третьей и восьмой межрегиональных научно-практических конференциях «Дорожно-транспортный комплекс: состояние, проблемы и перспективы развития» (г. Чебоксары, 10-11 февраля 2009 г. и 11-12 февраля 2015 г.); на XVIII Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2015» с присуждением серебряной медали (г. Москва, 2-5 апреля 2015 г.); на VIII Международной (XII Всероссийской) научной конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации» с награждением дипломом II степени (г. Москва, 9 октября 2015 г.) (Приложение D); на Международной научно-практической конференции «Продовольственная безопасность и устойчивое развитие АПК» (г. Чебоксары, 20-21 октября 2015 г.); на Международной научно-практической конференции «О широком развитии мелиорации земель для получения высоких урожаев зерна и других сельскохозяйственных культур» (г. Москва, 1 июня 2016 г.). Материалы диссертации были представлены на I и II открытом Евразийском форуме «Мелиорация: эффективные технологии и инвестиции» (г. Москва, 10-11 октября 2014 г. и 8-9 октября 2015 г.), в конкурсе «Лучший проект в интересах агро- 13 промышленного комплекса (АПК) Российской Федерации» (г. Москва, 2-5 апреля 2015 г.). Публикация результатов исследований. Основное содержание диссертации отражено автором в 37 печатных работах, в том числе: 2 монографии, 19 статей в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК (из них одна статья - в печати), 11 патентов РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 37,58 усл. п. л., из которых доля авторского вклада – 83,13 %. Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 280 наименований, в том числе 40 на иностранных языках, и приложений на 43 страницах. Работа изложена на 345 страницах, включает 21 таблицу и 126 рисунков. 14 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 1.1. Ограниченность применения математических моделей для количественной оценки эффективности противоэрозионных технологий Эрозия почвы на склоновых агроландшафтах представляет собой необычайно сложный процесс, происходящий под влиянием множества факторов: природно-климатических и геологических условий, рельефа, состояния подстилающей поверхности, хозяйственного использования склоновых земель. Ученые давно пытаются найти актуальные подходы и способы количественной оценки эрозии почвы, которая приносит огромный ущерб сельскому хозяйству и экологии. Целый ряд трудов посвящен методам прогноза почвенной эрозии [62, 189, 193, 203-205, 227, 239 и др.]. В конце XIX века Уолни выполнил первую научную работу по исследованию почвенной эрозии. Первоначально были выведены однофакторные уравнения для определения выноса почвы, представляющие собой частные и некоторые случаи при постоянстве ряда факторов. Впоследствии, в результате дальнейшего познания механизма эрозии почв, выведены многофакторные уравнения. Довольно полная информация по исследованиям известных многочисленных моделей для определения поверхностного смыва почвы представлена в работах Г.П. Швебса [230, 231]. На начальных этапах развития науки о эрозии почв, были получены аналитические выражения на основе элементарных представлений о эрозионном процессе на склоне, не учитывая достаточного количества факторов и причин возникновения, а также не располагая достаточным объемом данных [126]. Известные модели Я.В. Корнева и А.Н. Костякова представляют собой выражение для определения модуля смыва: W aI 0,75 L0,5 h1,5 , где a - параметр, отражающей влияние других факторов процесса эрозии; (1.1) I - уклон подстилающей поверхности; L - длина склона; h - интенсивность стока. 15 В [135] по исследованиям Р.Е. Хортона отмечается, что, представление о поясе вероятного отсутствия эрозионного процесса позволяет получить выражение для определения величины смываемой почвы: W ah( L LC ) 3 / 5 sin tg 0,3 , (1.2) где LC - длина пояса отсутствия эрозионного процесса; - уклон склона, остальные обозначения сохраняются. М.Н. Заславский [98] представил потенциальную опасность эрозии (ПОЭ) уравнением следующего вида: ПОЭ f ( К , Р, Г , П , С, А) , (1.3) где К - климатические факторы; Р - факторы рельефа; Г - геологические факторы; П - почвенные факторы; С - роль растительных элементов; А - хозяйственное применение склоновых земель. Заславский М.Н. отмечает [98], что факторы природы позволяют сформировать условия для зарождения эрозионного процесса, а основной причиной проявления эрозии почвы является прежде всего «бесхозяйственная деятельность человека». Также данное заключение подтверждается выводами Беннета [245] и других авторов [28, 138 и др.]. На формирование стока атмосферных осадков и на интенсивность процессов протекания эрозии почв влияют следующие основные факторы рельефа: величина уклона, габаритные параметры, экспозиция и форма склонового участка [99, 230, 231 и др.]. В работах [98, 135] предложено находить по эмпирическим зависимостям влияния величины уклона и длины склонового участка на почвенную эрозию, например, в виде: a q Ri i , (1.4) i где q - интенсивность эрозионного процесса; Ri - основные условия, характеризующие почвенные, климатические, геологические, хозяйственные и факторы зарождения эрозионного процесса; аi - коэффициенты, определяющие степень влияния каждого условия на процесс эрозии. 16 Выражение (1.4) в доверительной степени описывают эрозионный процесс для подстилающей поверхности в зависимости от отмеченных условий рельефа, но оно довольно часто дает неточные величины смыва почвы в различных других условиях. Также применимы только для опыта на исследуемой подстилающей поверхности модели прогноза в виде «черного ящика» [239], которые обычно сводятся к выражениям вида (1.4) с некоторыми отличиями. Разработанное в США и широко известное универсальное уравнение потери почвы [239] позволяет определить потери почвы в среднем за год на водосборной площади: А = (0,224) RKLSCP, (1.5) где R - индекс, учитывающий энергию и интенсивность атмосферных осадков, К – индекс определяющий тип и состояние почвы, L - индекс учитывающий длину склона, S – индекс учитывающий уклон склона; С - индекс, определяющий наличие растительных элементов; Р - индекс эффективного применения противоэрозионных мероприятий [239]. Универсальность уравнению (1.5) придают более свободные ограничения от частных, а также географических и климатических факторов, применяемых в более ранних моделях. В результате изучения промоинной и межпромоинной эрозии было выведено универсальное уравнение для прогноза долгосрочного среднего смыва почвы за один год. Эмпирический подход при разработке данной зависимости не позволяет применять в расчетах данное выражение при других и разных условиях. Это универсальное уравнение позволяет рассчитать потери почвы в среднем по многочисленным атмосферным осадкам подобного характера при расчетах по известному дождю, что приводит к существенному изменению используемых показателей. Модели Н.Н. Бобровицкой и В.Д. Иванова относятся к числу эмпирических зависимостей между стоком атмосферных осадков и потерями почвы на склоне. Для получения зависимостей использовались результаты наблюдений на исследуемых стоковых площадках. Н.Н. Бобровицкая [29, 30] разработала формулу для 17 определения смыва почвы от стока талой воды в виде модуля смыва почвы с заданной вероятностью в процентах превышения за весенний период таяния снега: W SP% hPn% abk I , (1.6) где h - слой атмосферного стока с заданной вероятностью превышения, мм; a , п - параметры, зависящие от типа ручейковой сети на склоне, агротехнического фона и типа почвы; b - коэффициент, учитывающий влияние агрофона на смыв; k I коэффициент, учитывающий влияние уклона [57]. В.Д. Иванов [135] предложил уравнение смыва для определения модуля смыва в тоннах на гектар за год: YЭ Qmg 0,5L sin КФ.С . ...К Э.С . , (1.7) где Q - эродируемость почвы, выраженная в граммах смытой почвы, приходящейся на единицу энергии склонового стока, г/Дж [57]; m - масса водного потока, т; g - ускорение свободного падения, м/с2; L - длина исследуемого участка склона, м; - уклон склона, град; КФ.С . ...К Э.С . - набор коэффициентов, учитывающих параметры склона, типы почвы, почвозащитного действия агрофона и культуры, а также противоэрозионных мероприятий. Отличительной особенностью модели В.Д. Иванова от аналогичных эмпирических зависимостей является то, что в уравнении работа водного потока по отрыву и транспорту частиц почвы прямо пропорциональна потенциальной энергии водотока сформированного на склоне. Результаты проведенных натурных экспериментов на стоковых площадках [138] показывают, что модель сильно завышает смыв почвы. Разработанный В.П. Герасименко [71] подход опирается на сочетание почвозащитных мероприятий, при которых сток рассчитывается для пашни и уменьшается до величины, при которой потери почвы не будут превышать скорости образования почвы. За основу рассматриваемого подхода принято обеспечение задержания объемов атмосферных осадков для оптимальной потребности сельскохозяйственных растений в почвенной влаге как одного из требований к почвозащитных мероприятий на пашне. Для пашни определение величины рационально- 18 го задержания стока атмосферных осадков с заданной вероятностью превышения выполняется по выражению следующего вида: hТР % WBO W K ТР % , где W K ТР % (1.8) - реальные влагозапасы обеспеченности в процентах для заданного слоя почвы на завершающей стадии развития стока; WBO - верхний рациональный влагозапас для исследуемой почвы. Сверхпредельный слой атмосферных осадков относительно расчетных значений обеспеченности для пашни с учетом выражения (1.8) определяется по формуле YT hТР % (WBO W K ТР % ) . (1.9) Почвозащитные мероприятия планируются по величине избыточного слоя стока. Релевантная методика прогноза почвенной эрозии, основой которой является определение критических скоростей водного потока при размыве почвенных агрегатов, предложена в работах Ц.Е. Мирцхулавы [156…159]. В результате экспериментальных исследований и довольно долгих апробаций получено выражение по предложенному подходу, имеющее широкое применение для определения потерь почвы на склоне: 308(kСТ I ) 0, 6 i 0, 7 k 1, 4 n0 0, 6 x1, 6 Т q X 0,011d х , 2 х VДОП (1.10) где γ - вес единицы объема почвы, т/м 3 ; - усредненная частота пульсаций скорости водного потока, 1/с; d - усредненный диаметр транспортируемых частиц почвы, м; kcт - коэффициент стока атмосферных осадков; I – интенсивность атмосферных осадков, м/с; i - уклон склона; k - коэффициент изборожденности; n 0 коэффициент шероховатости [57]; х - расстояние от водораздела, м; VДОП - неразмывающая скорость водного потока, м/с; Т – время выпадения атмосферных осадков, с. Подходы для расчета и прогноза почвенной эрозии, предложенные Ц.Е. Мирцхулавой, принимают во внимание достаточное количество условия проявления эрозионного процесса, но в целом являются довольно сложными и громоздкими. Проведение некоторых исследований по предложенной методике 19 требует большого времени на подготовку и проведение опыта, например, для определения донной скорости водного потока необходимо до 8 часов эксперимента для одного типа почвы. Великановым М.А. раскрываются проблемы взаимодействия водного потока и русло в [64, 65]. Применяемая гравитационная теория имеет определенное значение для прогноза почвенной эрозии, поскольку в основу берется учет характера распределения почвенных частиц по сечению водного потока. Применяя уравнения энергобаланса движения О. Рейнольдса и с учетом работы взвешивания почвенных частиц, получаем выражение Т ( S ) g s(1 s) , (1.11) где s - плотность почвы, - плотность водного потка, g - ускорение силы тяжести, - гидравлическая крупность сносимых почвенных частиц, s - усредненная концентрация сносимых почвенных частиц в потоке. Большое количество допущений, сделанных при выводе уравнений движения взвеси, значительно снижает точность решений, и может она оказаться недостаточной. При исследовании механизма воздействия водотока на поверхность почвы применяют гидромеханические методы прогноза эрозии почвы. Для их применения требуется решить систему из уравнений движения водотока и размыва микрорусла на водосборе. Данный метод не получил достаточного развития вследствие сложности решения системы уравнений размыва микрорусла, а в случае принятия целого ряда некоторых упрощений результаты существенно отличались от реальных наблюдений и экспериментальных данных. Вычислительные имитационные модели начали разрабатываться в 1980-е годы [105, 227…231, 255 и др.]. В работах Швебса Г.И. [227…231] предложена логико-имитационная модель в виде уравнения для определения мутности стока (b AM i )h1,7 , (1.12) где M i - мощность атмосферных осадков, прямо пропорционально их интенсивности [57]; h - интенсивность стока осадков, мм/мин; А - параметр, определяющий 20 величину листовой поверхности; b и - коэффициенты, определяющие характеристики почвы. Сухановский Ю.П. предложил имитационную модель эрозии почвы при дожде, которая состоит из следующих уравнений [206]: - зависимость Ц.Е. Мирцхулавы [159] V2 q 1,1 10 5 d 2 1 , VДОП (1.13) где , d - масса объема почвы и средний диаметр почвенных агрегатов; V донная скорость водного потока; VДОП - предельно допустимая донная скорость; - частота пульсаций скорости, выражаемая в виде зависимости [159] 10 5 Re 3/ 2 V / 6IR 2 / d К3 , (1.14) где - высота выступов неровностей поверхности; Re V / - число Рейнольдса; - кинематический коэффициент вязкости; I, dK - интенсивность и диаметр капель дождя; R - радиус действия капель дождя при их ударе [57]; - уравнение неразрывности водного потока (bh) (bhV ) ( I F )b , t x (1.15) где h - глубина водного потока; b - ширина водотока на заданном расстоянии от водораздела; V - скорость водного потока; F - интенсивность инфильтрационных процессов воды в почву; - выражение для скорости водного потока mh1 / 6 h sin V , n(1 const I ) где n - коэффициент шероховатости; m - коэффициент А.Н. Костякова; (1.16) - уклон водосбора; - выражение для донной скорости водного потока V 1,2m1 / 6 h sin ; n(1 const I ) - уравнение движения влаги в почве (1.17) 21 , D ( ) K ( ) t Z Z (1.18) где - влажность почвы объемная, D( ), K( ) – распространение и гидравлическая проводимость состава почвы, Z – вертикальная координата. Известны наиболее распространенные зарубежные имитационные модели прогноза эрозии, из которых ANSWERS, SEDLAB, KVERMO отмечены в [255], WEPP в [215, 249, 250] и другие. Модель ANSWERS, отмеченная в [255], обычно позволяет оценить смыв почвы при эрозии почвы, поскольку учитывает явления выделения почвенных частиц от пласта почвы в процессе удара водных капель, взаимодействия со стоком атмосферных осадков и транспортированием этих частиц. Моделирование направления движения стока атмосферных осадков и определение мест аккумуляции наносов позволяет осуществить учет изменения рельефа. Модель SEDLAB разработана для определения объема потерь почвы и вывода почвенных частиц с определенных склоновых агроландшафтов и описана в [255]. Модель включает зависимости изменения процесса отделения частиц почвы при эрозионном процессе от режима движения потока воды с учетом наносов стока атмосферных осадков, растительных элементов, основной обработки почвы и других условий. Математическая модель эрозии почвы KVERMO [255] позволяет рассчитать первоначальный момент зарождения стока атмосферных осадков и его трансформирование в процессе движения по склону, возникновение аккумуляции взвешенных почвенных частиц в результате действия капель дождя или разрушения подстилающей поверхности водным потоком. Критическая величина влекущей силы потока и коэффициент шероховатости Маннинга влияют на точность предлагаемой модели. Отмеченная в [249, 250] модель для прогноза почвенной эрозии WEPP предназначена для проектирования противоэрозионных технологий и определения интенсивности эрозии почвы на площадях склоновых агроландшафтов до 250 гектар. Изменение потерь почвы от эрозионной активности атмосферных осадков 22 и их стока в эрозионном процессе разрушения почвенного сложения от сопротивления частиц почвы сдвигу является основой модели. В этой модели учитываются основные климатические факторы, свойства почвы, топографические условия, тип землепользования, известные варианты севооборотов, обработки почвы и почвозащитные системы земледелия [57]. Наиболее интенсивные разработки физико-математической модели гидрографа стока ведутся в Институте водных проблем РАН и в Государственном гидрологическом институте. Этот процесс, как и другие, находится в стадии научного развития [67, 217 и др.]. Принципиальная схема построения математических моделей формирования стока может быть рассмотрена на примере двух моделей, разработанных в России [139] и США [215]. Модель процесса формирования гидрографа дождевого стока, предложенная Л.С. Кучментом и В.И. Корнем [67], позволяет провести непрерывный расчет характеристики увлажнения почвы. Принципиальная схема общей модели заключается в определении потерь выпавших осадков на испарение и инфильтрацию с учетом внутрипочвенного стока, что в результате позволяет найти интенсивность водоотдачи. Интенсивность водоотдачи с i-й элементарной площадки , где - интенсивность осадков; - интенсивность испарения; (1.19) - интен- сивность инфильтрации. В целом принципиальная схема процесса формирования гидрографа дождевого стока включает 12 неизвестных параметров, осредняемых для водосбора. В 1963 г. Н. Крауфордом и Р. Линслеем (США) была опубликована модель формирования дождевого стока (стэнфордская модель), построенная на основании довольно детального описания элементарных процессов стокообразования и включающая 20 параметров. Стэндфорская модель разработана для расчета стока за часовые интервалы с использованием данных о часовых осадках и среднесуточном испарении [67]. В бассейне реки выделяются три зоны: верхняя (формируется поверхностный сток), нижняя (образуется внутрипочвенный сток) и зона 23 грунтовых вод. В модели учитывается испарение из каждой зоны и просачивание (инфильтрация) воды из верхней зоны в нижнюю, а из нее в зону грунтовых вод. Часть модели для поверхностного стока имеет следующий вид: (1.20) п Р п где Р (1.21) - сток за час с площади, на которой отсутствуют потери; Р - средние по во- досбору осадки за час; - общий сток в замыкающем створе; а - часть площади, на которой отсутствуют потери; поверхности; - параметр, характеризующий площадь водной - сток с верхней зоны; - осадки, попадающие в нижнюю зону; - индекс инфильтрации в нижней зоне. Стэнфордская модель представляет в основном теоретический интерес, поскольку содержит ряд трудноопределяемых параметров, особенно при описании процессов в почве. Таким образом, достаточно качественная модель для расчета стока может быть создана лишь при наличии детальных метеорологических, гидрофизических и гидрогеологических измерений в бассейне реки при одновременном исследовании взаимосвязи гидрометеорологических и гидрофизических процессов в общем гидрологическом цикле с учетом пространственных и временных масштабов. В то же время в результате обзора выясняется, что нет обоснованных математических моделей, определяющих гидродинамический процесс взаимодействия водного потока и подстилающей поверхности на склоновом агроландшафте. В результате обзора математических моделей для количественной оценки эффективности противоэрозионных технологий выявлено, что эмпирические выражения для прогноза водной эрозии почв и проектирования противоэрозионных технологий возможно применять только в аналогичных и схожих с рассматриваемой ситуациях, для однотипных склоновых агроландшафтов и осторожно применять для других природно-климатических условий. 24 Однако при практическом использовании выигрывает та модель, которая содержит наиболее просто определяемые параметры, не требующие специальных и дорогостоящих исследований. 1.2. Сложности определения основных параметров подстилающей поверхности склоновых земель 1.2.1. Критический анализ методов определения гидравлических сопротивлений водного потока на подстилающей поверхности При формировании поверхностного водного стока в период выпадения атмосферных осадков определяющую роль играет характеристика подстилающей поверхности склонового агроландшафта. Склоновый агроландшафт представляет собой природно-территориальный комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами [113, 207]. Поскольку он характеризуется экологической неустойчивостью, то для обеспечения его равновесного состояния выполняется система агрономических, мелиоративных и экологических мероприятий. Оценивая состояние склоновых агроландшафтов, необходимо учитывать параметры склонов, размеры контуров, гидрологический режим, типы и разновидности почв, эрозионные процессы, хозяйственные условия, местоположение и др. Изучение механизма взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью склоновых земель позволит успешно защищать почвы склоновых агроландшафтов от смыва [90]. В нашей стране и за рубежом разработано множество теорий русловых процессов [65, 79, 89, 164], однако не все из них соответствуют действительному эрозионному процессу. Например, в работе [159] отмечается, что получение совершенно разных значений для расчетных данных и данных наблюдений и опытов объясняется недостаточным учетом параметров и характеристик почвы. Одним из таких параметров является шероховатость поверхности почвы, которая представляет собой множество микровариаций неровностей, образован- 25 ных в результате ряда причин: механической обработки почвы, воздействия окружающей среды (температура, влажность, давление, атмосферные осадки, биологические и почвообразовательные процессы, тектонические процессы и т. д.), физико-механических свойств самой почвы и др. Шероховатость стокоформирующей поверхности также определяет потенциал для удержания почвенных частиц и может быть использована для прогнозирования водной и ветровой эрозии [51, 57]. Вопросам поверхностного задержания стока уделялось значительное внимание, поскольку, решая их, возможно активно управлять процессами стокообразования и эрозии почв при внедрении противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах. В [230] отмечаются принципиальные особенности гидравлики склонового стока. Известные коэффициенты для оценки гидравлического сопротивления не могут в полной мере удовлетворять сегодняшним требованиям и подходам к оценке процесса взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью, поскольку возникает ряд ограничивающих причин [101, 103, 263]: - применение известных эмпирических зависимостей для расчета коэффициента гидравлического трения и коэффициента Шези, использование и выбор которых ограничивается условиями эксперимента, в которых они получены [101]; - выбор коэффициента шероховатости с использованием известных таблиц, например Гангилье-Куттера и применением только описательного и качественного подходов для рассматриваемых условий и характеристик подстилающей поверхности [234]; - известные коэффициенты гидравлического трения и Шези не имеют последовательного изменения своей величины и существенно меняются в зависимости от параметров водного потока и микрорусла [88, 89]. Понятие «гидравлическое сопротивление» [101, 202, 263] представляет собой силы трения, проявляющие себя при движении водного потока, и существенно зависят от его вязкости и неровностей, слагающих микрорусло, формы поперечного сечения водного потока по длине, количества транспортируемых час- 26 тиц почвы и органических включений и других дискретных препятствий. Зная касательное напряжение и скорость движения потока воды, можно определить работу сил трения. В работах [88, 89] установлена связь касательного напряжения на стенках русла с параметрами потока, которая определяет основу теории гидравлического сопротивления открытых русел. Сила тяжести и сила трения на стенках в недеформируемом русле действуют одинаково при равномерном движении реальной жидкости. Основное уравнение установившегося равномерного движения представим в виде 0 gIR , (1.22) где 0 – составляющая напряжения, касательная к плоскости русла, Па; – плотность водного потока, кг/м3; g – ускорение силы тяжести, м/с2; I – уклон подстилающей поверхности по которой движется водный поток; R – гидравлический радиус водного потока, м. Составляющая силы тяжести, совпадающая с направлением течения, должна быть равна полной силе сопротивления [121]. Шези А., основатель этого направления работ, предложил выражение для расчета касательно напряжения 0 gV 2 , C2 (1.23) где С – коэффициент, м1/2/с; V – скорость водного потока, м/с. Ниже приведенные эмпирические формулы, полученные в результате обработки большого количества материала и информации, но не обладающего теоретическими подтверждениями [20, 106], позволяют определить коэффициент Шези С. Известные инженеры Е. Гангилье и В. Куттера впервые в 1869 году разработали известное уравнение для определения коэффициента [223, 234]: 1 0,00155 n I . С 0,00155 n 1 (23 ) I R 23 (1.24) 27 Показатель шероховатости пБ в работе [132] преимущественно используется в формуле Базена С 87 . пБ 1 R (1.25) Известно, что коэффициент шероховатости прямо пропорционален величине неровностей шероховатой поверхности. Коэффициент шероховатости для прямых русел определяется по выражению [132] 1 6 22,6п , (1.26) где – абсолютная величина неровностей шероховатой поверхности, мм. Выражение (1.26) справедливо при достаточно высоких скоростях потока. Для малых скоростей коэффициент шероховатости меняется в зависимости от размеров неровностей шероховатой поверхности и от скорости водного потока [202]: п 0,050,17 0,0652е 10, 65V , (1.27) где е – основание логарифма. Для расчета русла водотока, сложенного разнозернистыми частицами, шероховатость принимают по преобладающей по величине фракции почвенных частиц, составляющих 5 процентов от количества [132]: 0,7d 5 , (1.28) где d 5 – размер фракции. Экспериментальных подтверждений с использованием выражения (1.28) недостаточно для широкого применения [131, 132]. Для русел в разнозернистых грунтах, коэффициенты шероховатости приведены в таблице 1.1 по данным [132]. Коэффициент шероховатости для земляного микрорусла варьируется в следующих пределах: n=0,016…0,023 - связные почвогрунты; 0,019…0,03 - песчаные и гравелисто-галечниковые; 0,035…0,087 - заросшие растительностью [201, 202]. 28 Таблица 1.1 – Значения коэффициентов шероховатости для русел в несвязанном грунте [132] Диаметр частиц несвязанного грунта d 5 , мм 1,0 2,5 5,0 10,0 25,0 50,0 100,0 Коэффициент шероховатости п 0,0135 0,0160 0,0175 0,0200 0,0225 0,0260 0,0300 Исследования с недеформируемым ложем позволили определить изменения значения коэффициента п, которые начинают меняться от 0,007 (дощатый лоток) до 0,055 (каменистые каналы) [236]. Для различных агрофонов данные по коэффициентам шероховатости весьма немногочисленны, часть из них обобщена в работах [123, 132] и представлены в таблице 1.2. Таблица 1.2 – Данные о коэффициенте шероховатости для склоновых агроландшафтов [132] Тип агрофона, качественная оценка подстилающей поверхности Борозды для поверхностного орошения, с прямым микроруслом Борозды для поверхностного орошения, сравнительно прямые микрорусла Междурядья пропашных культур, сравнительно ровные промоины по склону Вспашка, культивация, неровная подстилающая поверхность, наличие растительных элементов Междурядьях пропашных культур, заросшая подстилающая поверхность п 0,025 0,030 0,033 0,040 0,050 Часто применяемая формула Гангилье-Куттера была вытеснена уравнением ирландского инженера Р. Маннинга [235] 1 1 С R6 . n (1.29) 29 Д.В. Штеренлихт [236] отмечает, что после проведенного Н.Н. Павловским подробного анализа показатель степени в уравнении (1.29) является переменным: 1 C Ry , n (1.30) где y – показатель степени, определяемый по формуле y 2,5 n 0,13 0,75 R n 0,1 . (1.31) Формула (1.31) справедлива при гидравлическом радиусе от 0,1 до 3,0 и коэффициенте шероховатости от 0,011 до 0,04. Часто на практике принимают показатель степени от 1/6 до 1/5. По данным А.И. Богомолова [31] И.И. Агроскин вывел логарифмическое уравнение С 1 17,72 lg R , n (1.32) преобразовав которое, получили выражение n 1 . C 17,72 lg R (1.33) Применяя полуэмпирические подходы и принимая во внимание ряд факторов, А.Д. Альтшуль [20] получил общее выражение С 20 lg H , 0,385 gHi (1.34) где ε – абсолютная шероховатость, принимается 0,144 Δ. В гидравлических расчетах при равных параметрах Н ≈ R по [20] используют выражение С 20 lg R . 0,004 Ri (1.35) И.И. Агроскин и Д.В. Штеренлихт в 1965 году [234] уточнили формулу (1.35): С 1 27,5 300n lg R . n (1.36) 30 В раскрытой форме [31], по Г.В. Железнякову, она представляется в следующем виде: 2 g g g 1 11 1 lg R 1 1 1 lg R C g lg R .(1.37) 2 n 0,13 4 n 0,13 0,13 n Уравнение (1.37) возможно применять для расчета различных русел, но вследствие сложной его структуры имеется ограниченность в применении на практике [31]. Для деформируемых и размываемых русел М.А. Великанов предложил рассчитывать коэффициент Шези с переменной m [64, 65]: m Н С , d (1.38) В трудах [78, 79] В.Н. Гончаровым для расчета коэффициента Шези используется m = 1/5 1 Н 5 С . d (1.39) Г.В. Железняков [129] для равномерного режима движения предлагает выражение n R 0, 5 y J R 0 , 5 y J , V Q (1.40) а для неравномерного движения водного потока n R 0,5 y Q J 1 aVB2 aVH2 , J 2 g 2 g (1.41) где Vв и Vн – скорости в рассматриваемых сечениях водного потока. Ларионовой Л.В. выведены эмпирические уравнения с применением коэффициента С для диаметра частиц почвы от 0,1 до 0,4 мм при плотности водноg го потока менее 1,5 кг/м3, цитировано в работе [88]: B C 2,05 Н g c 0 , 575 0,3 V , V0 (1.42) 31 B hс 5 10 50 dс 6 2,5 0,018 , (1.43) где V0 и V – начальная и непосредственная скорость потока соответственно, Нс – средняя глубина потока, dс – средний размер частиц слагающих русло. Изменение коэффициента шероховатости в зависимости от количества транспортируемых наносов потоком воды исследовал Т.Н. Турсунов в работах [110, 197, 213]. В результате статистической обработки данных получено уравнение для расчета коэффициента шероховатости n к W E , (1.44) где к - коэффициент, учитывающий уклон и гидравлическую крупность наносов, Е – коэффициент, принимаемый 1/3. Аналитическая формула получена для расхода наносов [233]: c G , 1,59Q (1 f )1000 I , hg (1.45) где h – высота водного потока, м; f – коэффициент трения внутри водного потока; c – сцепление частиц почвы, кг/(м·с2 ); Q – расход водного потока, м3/с. Однако формулы (1.44) и (1.45) не охватывают всего разнообразия средневзвешенной гидравлической крупности W ; тем не менее, полученные данные в результате расчета в большей степени соответствуют действительности. А. Дарси и Ю. Вейсбах в 1860 гг. вывели выражение для расчета касательного напряжения 0 V 2 , 2 (1.46) где λ – коэффициент гидравлического трения. Между известными коэффициентами имеется соотношение 2g . С2 (1.47) 32 В опытах И. Никурадзе [262, 263] получена закономерность изменения сопротивления для труб. Для открытых русел такой же подход был предложен в бывшем СССР А.П. Зегждой [101, 102]. Для областей турбулентного движения водного потока разработаны [101, 102] следующие выражения по зависимостям, представленным на рисунке 1.1: - для труб - для открытых русел 1 r 2 lg( 0 ) 1,74 ; d (1.48) 1 R 4 lg( ) 4,68 . d R (1.49) Аналогичным образом выведены выражения для переходной области сопротивления, кроме формул (1.48) и (1.49). Δn Δ4 Δ3 Δ2 Δ1 lg Re Рисунок 1.1 - График изменения коэффициента гидравлического трения lg(103λ) в зависимости от lg Re [101, 102] А.Н. Осиповой получены выражения для равномерного движения открытого водного потока, указанные в работе [106]: 33 H H 2 2 Re Re 0 , 75 , (1.50) где δ – величина придонного слоя, мм. Подводя краткий итог вышерассмотренному, можно отметить, что хорошо изучены коэффициенты шероховатости, Шези и гидравлического трения, а для их расчета применяется множество различных выражений. Проведенный анализ выражений и уравнений для расчета гидравлического трения не позволяет решить проблему обозначенную ранее. На сегодня известно более 300 зависимостей и выражений для определения этих коэффициентов. В работе Н.С. Знаменской [103] можно найти более подробную информацию, где в качестве критерия качества предлагается использовать те расчетные формулы, которые имеют достаточно большой процент доверительных расчетных значений. Автором отмечаются наиболее простые по структуре известные формулы Гончарова, Знаменской и других исследователей, позволяющие выполнять требуемую точность получаемых данных, что актуально и для более сложных зависимостей при изучении эрозионных процессов. В данный момент решить обозначенную проблему, применяя полуэмпирическую теорию, не удается, поэтому, на наш взгляд, в этом случае требуется ограничение применимости принятой модели. Основной упор в работах [88, 103 и др.] сделан на ограниченность применения зависимостей, полученных А.П. Зегждой в открытых руслах. Действительно, при сопоставлении полученных результатов Шена и Юна [270, 271] для эрозионных ручейков с данными А.П. Зегжды (см. рисунок 1.1) на графике в ламинарной и переходной областях видно, что они существенно отличаются. Таким образом, рассмотренные выше методы определения параметров оценивающих гидравлическое сопротивление водного потока на подстилающей поверхности не позволяют провести количественную оценку, применяя технические средства контроля для склоновых агроландшафтов. 34 1.2.2. Некоторые особенности определения гидравлических параметров подстилающей поверхности Применяя ситовый, пипеточный способы и ареометрический анализ определяют гранулометрический состав почвы [156]. Измерение средневзвешенного диаметра водопрочных агрегатов в работе [158] проводят по общепринятой в почвоведении методике Н.И. Саввинова, выполняя структурно-агрегатный анализ почв способом сит. Диаметр почвенных агрегатов рассчитывается по выражению d d pi , 100 i (1.51) где d i - диаметры фракций почвенных агрегатов; pi - процент размеров фракций почвенных агрегатов. Применительно к механически обработанной почве, имеющей различные включения и растительные элементы, предлагаемый подход вызывает существенные препятствия при взятии проб почвы правильной формы. Различные подходы для оценки стойкости подстилающей поверхности при эрозионных процессах возможно применять согласно [27, 68, 69, 72, 130, 152 и др.]. Рассмотрев взаимодействие водного потока с подстилающей поверхностью, выявили, что первоначальными отрывающимися элементами при смыве почвы являются частицы, состоящие из минералов, почвенные агрегаты разных размеров, далее комки, в зависимости от типа почвы и степени водоустойчивости [157]. Интенсивность и турбулентность водного потока, его скорость будут определять размеры отрывающихся отдельностей почвы. Для решения задачи по образованию естественной отмостки при размыве почвы А.В. Магомедовой [156] предложен подход с учетом статистического характера взаимодействия потока с микроруслом. В этом случае при размыве микрорусла необходимо знать величину неровностей шероховатой поверхности и режим движения водного потока [109]. Для этого определим число Рейнольдса Re и Фруда Fr : Re VH , (1.52) 35 Fr V2 . gH (1.53) Для ламинарного режима движения число Рейнольдса составляет менее 500, а для турбулентного – более 1000 [234 и др.]. Известно, что для числа Re от 500 до 1000 водный поток может иметь ламинарный или турбулентный режим, что зависит от множества факторов: формы русла, наносов, различных сопротивлений и т. п. Выделим типы сопротивлений для микрорусел склоновых ручейков [42]: микрошероховатость, мезошероховатость (местные сопротивления), макрошероховатость (местные сопротивления), различные резкие изгибы микрорусел. Исследуя процесс эрозии почв на подстилающей поверхности возможно, на наш взгляд, провести классификацию шероховатости дневной поверхности почвы вслед за ее обработкой и для пара по размерам неровностей [80]. Размеры крупных комков и глыб до 100 мм создают форму микрорусла в большей степени, чем шероховатость. Когда происходят постоянные перепады температуры при увлажнении и в осенне-весенний период, комки распадаются на водопрочные агрегаты разных размеров. Известна система уравнений [219] для определения процесса распада на почвенные агрегаты: d (W ) d 0 3 exp WИ W ПВ И W ПВ 2,15 DИ , d 0 m 3 П 3 3,30 10 i 1 mГ W ПВ d0 , W W 3 lg d ВС ПВ ВС , (1.54) где d (WИ ) - диаметр распавшихся почвенных агрегатов, м; DИ - диаметр исходных воздушно-сухих почвенных агрегатов, м; d 0 - диаметр увлажненных почвенных агрегатов, м; d ВС - диаметр почвенных агрегатов воздушно-сухих почв, м; WИ , WВС , WПВ - первоначальная влажность, гигроскопическое и полевое содержа- 36 ние влаги в процентах; m Г , mП - содержание глины и песка физических, %; i – скорость подачи влаги, м/с. Необходимость применения в полевых условиях приборного обеспечения для количественного учета параметров подстилающей поверхности вызвана тем, что на формирование водотока для водосбора существенное влияние оказывает величина почвенных агрегатов, представляющих собой волнистую и шероховатую поверхность, образованную противоэрозионными агротехническими операциями и работами. В работе [66] Ю.Б. Виноградова исследуется влияние шероховатости подстилающей поверхности на инфильтрационные процессы. Рассматриваемое изменение «смоченной площади» существенно влияет не только на этот процесс, но также на взаимодействие водного потока с заданной поверхностью. Для русел водных потоков, особенно на сельскохозяйственных участках, не выявлены зависимости изменения смоченного периметра от целого ряда факторов и условий. В такой постановке проблемы, применение действительного смоченного периметра в гидравлических расчетах и использование его при определении эквивалентной шероховатости подстилающей поверхности позволит количественно оценить противоэрозионные технологии на склоновых землях. 1.3. Обзор методов и технических средств контроля параметров подстилающей поверхности 1.3.1. Параметры и классификация способов контроля шероховатости поверхности При механической обработке почвы на дневной поверхности остаются микронеровности, образующиеся в результате воздействия рабочих органов противоэрозионной машины на обрабатываемый пласт. Микронеровности почвы оказывают большое влияние на гидродинамические свойства водного потока: скорость, режим движения, эрозионные, фильтрационные и другие процессы. Следователь- 37 но, основной проблемой является количественная оценка микронеровностей почвы. В настоящее время для оценки шероховатости поверхности в машиностроении используют следующий стандарт: ГОСТ 2789 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики» [80]. Согласно ГОСТ 2789-73, шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине. Базовая длина – это длина участка поверхности, выбранного для оценки шероховатости. При определении шероховатости поверхности отсчет ведется от единопринятой базы, являющейся средней линией профиля сечения. Средняя линия представляет собой базовую линию, имеющую форму номинального профиля и делящую действительный профиль так, чтобы в пределах базовой длины среднее квадратичное отклонение профиля от этой линии было минимальным. Допускается приближенное определение положения средней линии – площади по обе стороны от линии должны быть равны. Количественно шероховатость поверхности оценивают по следующим параметрам [80]: 1. Отклонение среднее арифметическое определяется в пределах базовой длины по абсолютным значениям отклонения с использованием формулы [80] 1l 1 n Ra / y ( x) /dx yi , l0 n i 1 (1.55) где уi - отклонение профиля; n – количество принятых точек по профилю на базовой длине. 2. Высота неровности профиля по 10 точкам - сумма среднеарифметических абсолютных отклонений 5 наибольших выступов H i max и глубин 5 наибольших впадин H i min в пределах базовой длины от средней линии m определяется по выражению [80]: 5 1 5 Rz H i max H i min . 5 i 1 i 1 На практике удобнее пользоваться следующей формулой: (1.56) 38 5 1 5 Rz hi max hi min , 5 i 1 i 1 (1.57) где hi max – расстояние от высших точек 5 наибольших выступов до линии, параллельной средней линии и не пересекающей профиль; hi min – расстояние от низших точек 5 наибольших впадин до этой линии [80]. 3. Наибольшая величина профиля Rmax – расстояние, определяемое линиями выступов и впадин по профилю в гранцах базовой длины [80]. 4. Средний шаг Sm неровностей определяется в границах базовой длины по формуле [80]: 1 n S m S mi , n i 1 (1.58) где S mi – шаг неровностей – длина отрезка средней линии, ограниченного точками пересечения этой линии одноименных сторон соседних поверхностей [80]. 5. Средний шаг неровностей по вершинам в границах базовой длины рассчитывается по формуле [80]: 1 n S m Si , n i 1 (1.59) где S i – шаг местных выступов профиля. 6. Относительная опорная длина определяется по отношению опорной длины к базовой и рассчитывается по формуле [80]: tp где p 100% , l (1.60) - уровень сечения профиля, расстояние между линией выступов и линией, пересекающей профиль, эквидистантно линии выступов, выбирается в процентах от Rmax. Опорная длина равна сумме длин отрезков, условно выделяемых на определенном уровне в почве. Волнистость подстилающей поверхности представляет собой совокупность периодически повторяющихся неровностей, располагающиеся на расстоянии, превышающем базовую длину профиля. Волнистость определяет среднее положение между шероховатостью и отклонением формы подстилающей поверхности. 39 Имеются рекомендации ISO, согласно которым предусмотрено два параметра [80]: Sw − шаг волнистости поверхности , Wz – высота волнистости поверхности (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Схема волнистости поверхности [80] Для оценки шероховатости поверхности условно принимается некоторое отношение шага неровности к высоте неровности: когда это отношение менее 40 рассматривают шероховатость поверхности, от 40 до 1000 – волнистость поверхности и более 1000 − отклонение формы поверхности. Известные параметры оценки шероховатых и волнистости поверхностей в должной мере не позволяют охарактеризовать подстилающую поверхность. Поэтому необходимо подобрать приемлемые методы оценки и способы их определения. Подходы для решения данного вопроса должны учитывать следующие требования и особенности подстилающей поверхности: естественное изменение неровностей под действием влажности, почвообразовательных процессов, выпадении атмосферных осадков, эрозионных процессов и т. д., изменение неровностей после механической обработки почвы и других воздействий. Изменение параметров подстилающей поверхности происходит относительно быстро, часто, и величина неровностей изменяется существенно, особенно при применении противоэрозионных технологий. Поэтому для оценки требуется подобрать параметр, который возможно определить оперативно, с минимальным временем на обработку информации, значения величины объективно оценивали бы неровности по- 40 верхности и были информативны, а также соответствовали требованиям технологичности для определения других параметров и показателей объекта исследования. Прежде чем детально анализировать различные методы исследования поверхностей, рассмотрим классификацию способов контроля шероховатости поверхности в зависимости от подхода к решению поставленной задачи и существующих технических средств. Методы исследования шероховатости поверхности можно разделять на локальные и интегральные [95]. Рассматривая локальные и интегральные способы изучения шероховатости, можем разделить их на контактные и бесконтактные, учитывая применяемое приборное обеспечение (рисунок 1.3). Способы контроля шероховатости поверхности контактные бесконтактные непосредственные (механические) косвенные профилометрирование метод песчаного пятна Рисунок 1.3 – Классификация визуальный оптический способов контроля шероховатости поверхности Каждая группа в свою очередь включает следующие способы [95]: 1. Визуальный. Величину шероховатости устанавливают, сравнивая контролируемую поверхность с поверхностью образцов (эталонов). Относится к качественным методам оценки шероховатости поверхности. 41 2. Оптический. Величину шероховатости измеряют на оптических приборах методом интерференции или светового сечения. Относится к количественным методам оценки шероховатости поверхности. 3. Механический. На специальных приборах, профилометрах или профилографах, с помощью щупа и каретки воспроизводят профиль поверхности. Шероховатость определяют по шкале прибора, цифровому табло или по профилограмме, записанной на ленте (по любому критерию). Относится к количественным методам оценки шероховатости поверхности. Учитывая рассмотренную выше классификацию способов контроля шероховатости поверхности, проанализируем известные методы и технические средства контроля. 1.3.2. Анализ известных методик и технических средств контроля параметров подстилающей поверхности Количественно оценить величину неровностей подстилающей поверхности поля возможно применяя разнообразные методы и технические средства для реализации этих способов - измерить микрорельеф почвы, получить и проанализировать данные. Рассмотрим некоторые из них. Федеральным государственным научным учреждением «РосНИИТиМ» предлагается профилометр почвы ИП 250 для проведения измерений профиля поверхности почвы при испытаниях почвообрабатывающих машин [21]. В целом профилометр состоит из основания с тремя изменяемыми по высоте опорами, устанавливаемого по горизонтальному уровню. Имеющиеся направляющие на основании позволяют перемещаться каретке с размещенной на ней измерительной установкой. Шаг замера при движении каретки составляет 50 мм при длине участка 1 цикла измерения в 1800 мм. Число циклов замера может достигать 50 [21]. Недостатком указанного устройства является возможность определения параметров исследуемого профиля подстилающей поверхности для продольно- 42 вертикального сечения при движении каретки за один цикл измерений, что не позволяет определить направление стока атмосферных осадков. Также известно устройство для измерения неровностей поверхности поля [3], показанное на рисунке 1.4. Устройство содержит базовую рейку 1, ползунок 2, установленный на рамке 1, копирующее колесо 3 с почвозацепами 4, втулку 5 и ручку 6, связанные с ползуном 2, гибкий бесконечный элемент 7 и счетчик пройденного пути 8. Счетчик расстояния 8, пройденного копирующим колесом 3, при помощи гибкого бесконечного элемента 7 связан с копирующим колесом 3. Последнее посредством рычага 9 связано с втулкой 5. 6 2 4 1 а 1 3 9 5 8 7 б Рисунок 1.4 - Схема устройства для измерения неровностей поверхности поля: а – вид сбоку, б – вид сверху 43 Устройство работает следующим образом. На замеряемый участок поверхности поля накладывается базовая рейка 1, на которую устанавливается ползунок 2, а регистрирующее устройство представлено в виде счетчика пройденного пути 8. В исходном положении записывают показания счетчика 8. При перемещении ползунка 2 по направляющим базовой рейки 1 копирующее колесо 3 с почвозацепами 4 перекатывается по неровностям поверхности поля, а результаты его замера в виде цифрового материала передаются на счетчик 8 посредством гибкого бесконечного элемента 7. При постоянной длине базовой рейки 1 и расстоянии, пройденном по поверхности поля копирующим колосом 3, неровность поля определяется как приращение расстояния за счет копирования неровностей поля, что позволяет подготовить заранее необходимые таблицы, по которым определяется неровность поля. Входным аргументом указанной таблицы является разность пройденного расстояния между базовым расстоянием и расстоянием, определенным копирующим колесом, а выходной величиной является среднестатистическая неровность поверхности поля. Профилограф для измерения рельефа поля [11] приведен на рисунке 1.5. Несущая рама 1 с закрепленными на ней гироскопическим датчиком 2 горизонтального уровня на колесах 3, одно из которых является путеизмерительным. На подвесе 4 путеизмерительного колеса установлены тензорезисторы 5, электрически связанные с функциональным устройством 6. Выходы функционального устройства 6 и гироскопического датчика 2 подключены к сумматору. Профилограф функционирует следующим образом. При движении по гладкой поверхности, имеющей некоторый угол наклона к горизонту, сила реакции поверхности на путеизмерительное колесо 3 направлена перпендикулярно к поверхности, а, следовательно, и к несущей раме 1. Деформация подвески 4 при этом равна нулю. Функциональное устройство 6 выполнено так, что сигнал на его выходе в этом случае равен нулю. Угол наклона измеряется гироскопическим датчиком горизонтального уровня. 44 γ 7 β α 6 2 1 5 3 4 Рисунок 1.5 - Схема профилографа для измерения рельефа поля При наезде на неровность сила реакции поверхности будет направлена под некоторым углом к несущей раме. Это вызовет деформацию подвеса путеизмерительного колеса и, следовательно, изменение сопротивления тензорезисторов. Функциональное устройство в этом случае вырабатывает сигнал, пропорциональный углу. Этот сигнал, складываясь в суммирующем устройстве с сигналом от гироскопического датчика горизонтального уровня, и будет определять истинный угол наклона профиля поверхности к горизонту в точке касания путеизмерительного колеса. Выходной сигнал суммирующего устройства совместно с сигналом, пропорциональным скорости оси путеизмерительного колеса, подается на ход вычислительного устройства 7, которое преобразует эти электрические сигналы в сигналы, пропорциональные текущим значениям координат регистрируемого профиля. Также известно устройство для записи характеристик профиля почвы [10]. При перемещении полозьев по полю при помощи гибкой тяги копирующие ролики, перекатываясь по микрорельефу поля, поворачивают поводки в корпусах подшипников, что и фиксируется датчиками угловых перемещений на осциллограмме. Перекатывание копирующих роликов по поверхности поля одновременно 45 отмечается индуктивными датчиками на осциллограмме, что позволяет измерить длину поверхности поля. Прижатие копирующего ролика к поверхности поля осуществляется пружиной, выполненной с переменным шагом. Это исключает влияние частоты ее собственных колебаний на точность профилирования. При продольных уклонах поля полозья вместе с корпусом подшипника поворачиваются относительно Т-образного вала, соединенного шарнирно с маятником, что фиксируется датчиком угловых перемещений. Поперечный угол поля вызывает крен устройства и Т-образного вала относительно скоординированного в вертикальной плоскости маятника, что фиксируется датчиком угловых перемещений на осциллограмме. Для измерения рельефа местности может быть использовано устройство [4]. Сигналы с выходов датчиков поступают в измеритель-преобразователь, в котором производится вычисление перепадов высот между колесами правого и левого бортов, а также правого борта относительно левого. Сигналы с выходом измерителя-преобразователя и датчика пути поступают в интегратор, в котором происходит вычисление высот рельефа. Сигналы с интегратора и датчика пути поступают на регистратор, где проецируются на чувствительную пленку. Устройство для измерения микропрофиля поля [9] изображено на рисунке 1.6. 2 3 4 5 7 8 6 1 Рисунок 1.6 - Схема устройства для измерения микропрофиля поля 46 Устройство для измерения микропрофиля поля состоит из копирующего колеса 1, каретки 2, троса 3, лебедки 4, стабилизатора скорости 5, стоек 6, оттяжки 7 и штанги 8. Замер микропрофиля поля производится следующим образом. На выбранном участке поля устанавливаются две стойки, между которыми натягивается трос. Каретка с измерительным колесом с помощью лебедки передвигается по тросу. Угловые колебания штанги, связывающие измерительное колесо с реохордным датчиком, встроенным в каретку, в виде электрического сигнала передаются измерительному прибору. Для обеспечения точности измерений передвижение каретки по тросу осуществляется с постоянной скоростью при помощи стабилизатора скорости. Прибор для определения профиля поверхности [2] изображен на рисунке 1.7. 14 6 10 12 9 8 11 1 2 4 13 3 7 5 Рисунок 1.7 - Схема прибора для определения профиля поверхности 47 Прибор содержит раму 1, цепные измерители 2, держатель 3 с отверстиями 4, большими относительно ширины цепочного измерителя, втулки 5, установленные на держатель 3 с возможностью перемещения вдоль него. Одни концы цепочных измерителей 2 закреплены на одном конце рамы 1 на штырях 6, а другие концы пропущены через отверстия 4 держателя 3. Цепочные измерители 2 в начальных точках отсчета и на свободных концах имеют ограничительные указатели 7. На одной стороне рама 1 имеет уровень 8, компас 9 и угломер 10, а на другой - несъемную 11 и съемную 12 линейки. Для натяжения цепочных измерителей рама имеет поворотные пружины 13. На раме имеется пенал 14. Прибор накладывают на обработанную почву горизонтально или строго параллельно ее поверхности с учетом направления обработок почвы, склона, сторон света. Затем с держателя вручную разматывают одновременно все цепочные измерители и с учетом необходимых интервалов одновременно с индивидуальной подправкой вручную их опускают на поверхность почвы, при этом следят, чтобы измерители описывали все ее неровности. Затем от указателя из точек отсчета делают линейкой или по линейке на раме фактическое измерение превышений их запасной длины до внутренней стороны рамы перед держателем. После снятия прибором линейных измерений можно на этих же местах наложений снять при натяжении пружинами всех или нужного числа измерителей координатные показания о размерах, числе и степени неровностей на площади. Наконец, после всех необходимых замеров, на месте наложения можно с помощью сетки или сита и весов учесть агрегатный состав почв в поле путем деления массы частиц на всю массу просеянной и не прошедшей свободно сквозь сито почвы. Устройство для измерения рельефа поверхности [1] содержит основание, выполненное в виде замкнутой четырех угольной рамы с продольными и поперечными сторонами, служащими направляющими для установочно-подвижных кареток. Первая пара установочно-подвижных кареток размещена на поперечных сторонах прямоугольной рамы, вторая пара располагается на продольных сторонах. Измерительный мост прикреплен своими концами к установочно-подвижным 48 кареткам и несет на себе направляющую, на которой подвижно смонтированы измерительная каретка с измерительным штоком и средство регистрации перемещений измерительного штока, выполненное в виде двух барабанов и с перематываемым носителем записи и записывающего элемента, смонтированного на измерительном штоке. Основание снабжено четырьмя опорными ножками, которые могут быть выполнены регулируемыми по высоте [1]. Основание устанавливается опорными ножками на исследуемый участок рельефа, измерительный мост крепится на подвижных каретках, размещенных на поперечных сторонах замкнутой рамы основания. Измерительный шток приводится во взаимодействие с контролируемой поверхностью, после чего перемещают измерительную каретку вдоль направляющей. При этом записывающий элемент вычерчивает на носителе записи профиль контролируемой поверхности. Для увеличения вертикального масштаба записи может быть использована повышающая механическая передача [1]. Наиболее популярные методы, применяемые в зарубежных странах для получения информации о шероховатости поверхности почвы, широко представлены в литературе. Среди них: метод пин-метр (pin meter), или профилометрирование [246, 254, 267], стерео-фотография [274, 275], метод теней [251, 252, 253], лазерное сканирование [247, 257], метод цепи [260, 269] и акустического рассеяния [264]. Устройство пин-метра, или профилометра, простое, состоящее из зондов, расположенных в один ряд и имеющих возможность опускаются на поверхность почвы (рисунок 1.8). Положение зонда, возможно, фиксируют в электронном варианте или в виде фотографий и позже переводят в цифровые данные [246, 265, 274]. Основным недостатком данного способа является потенциально разрушительный эффект булавок, который не позволит провести дальнейшие измерения. Главное преимущество - его простота и легкость работы в полевых условиях. 49 Рисунок 1.8 – Профилометр для замера высоты неровностей поверхности почвы через 20 мм Метод теней (рисунок 1.9) базируется на принципе, что имеется прямая зависимость между величиной шероховатости поверхности почвы и площадью тени от структуры почвы при заданных параметрах падающего солнечного света [251]. Рисунок 1.9 – Черно-белая фотография экспериментального участка супесчаных почв пашни (метод теней) 50 Шероховатость в [251] была определена данным методом в лаборатории с использованием полусфер разного диаметра с различным распределением заданной высоты полусфер и площади их поверхности. Результаты анализа теней сравнивались с данными исследований проведенных с помощью цепей и моделированием неровностей. Этот метод оказался довольно надежным, информацию легко обрабатывать технически и анализировать, что в целом сокращает продолжительность проведения полевых исследований. Автоматизированные лазерные приборы позволяют исследовать параметры дневной поверхности почвы без ее разрушения. Однако приборы несколько громоздки и охватывают лишь небольшую площадь исследования [248, 268]. Также известно, что лазерные приборы технически ограничены при использовании на открытом воздухе из-за помех от других источников света [247, 256, 257]. Первое использование роликовых цепей для измерения шероховатости поверхности почвы было проведено Салехом (рисунок 1.10), который показал, что роликовые цепи является более удобными для измерения шероховатости поверхности почвы, чем профилометры [269]. Рисунок 1.10 – Набор цепей для измерения шероховатости поверхности почвы 51 В действительности при проведении экспериментальных исследований неровностей почвы, применяя одинаковые роликовые цепи, Скидмор [273] и Салех [269] установили, что неточности при измерениях происходят из-за определенных границ масштабов чувственности. Однако Merrill [261] доказал, что теоретически можно решить данную проблему с помощью набора цепочек с различными длинами, которые связаны в геометрической прогрессии (рисунок 1.11). Merrill также сделал вывод, что полученные данные несут информацию о фрактальном характере шероховатости поверхности почвы. Автор использовал набор из шести роликовых цепей для измерения шероховатость поверхности почвы. При Американском национальном институте стандартов проведены исследования, результаты которых показывают высокую точность измерений шероховатости поверхности почвы на эрозионных участках. Высота неровностей, мм 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Длина по горизонтали, мм 0,9 1 Рисунок 1.11 – Расчетная схема по методу цепи Таким образом, выполнив обзор технических средств контроля подстилающей поверхности поля, необходимо отметить следующее: - рассмотренные технические средства не обеспечивают приемлемую точность измерений неровностей подстилающей поверхности и нарушают технологическую форму сложения почвенных комков и агрегатов на поверхности почвы; - ряд технических средств контроля имеют громоздкую форму, и неудобны в применении для полевых условий; 52 - применяя некоторые средства не возможно в одно время определять и записывать измеряемые параметры подстилающей поверхности поля. 1.4. Недостатки существующих подходов по оценке эффективности и проектированию противоэрозионных технологий 1.4.1. Агротехнические требования при проведении противоэрозионных технологий Агротехнические требования к почвообрабатывающим орудиям, предназначенным для районов, где проявляется эрозия почвы, помимо общепринятых по ГОСТам, дополняются [113]: необходимо сохраненить по максимуму количество стерни на поверхности почвы после прохода противоэрозионной машины; недопустимо увеличение количества эрозионноопасных фракций в слое почвы от 0 до 5 см после прохода противоэрозионной машины. Этим требованиям не соответствуют рабочие органы плугов, лущильников, борон и гладких катков. Наиболее приемлемыми рабочими органами противоэрозионных машин для обработки эрозионноопасных почв являются плоскорежущие лапы, стрельчатые сошники и игольчатые диски, обеспечивающие сохранение пожнивных остатков на поверхности почвы. Очевидно, отсюда вытекают дополнительные положения и требования к посевным машинам с учетом ГОСТов: сохранение пожнивных остатков после посева на поверхности почвы; обеспечение проходимости посевной машины по стерневому агрофону и выполнении ряда технологических операций за один проход: предпосевная обработка почвы, посев, внесение удобрений и прикатывание посевов. Комплекс противоэрозионных почвообрабатывающих орудий и посевных машин разрабатывают сотрудники подведомственных НИИ, учитывая агротехнические требования [113]. 53 1.4.2. Особенности проектирования противоэрозионных мероприятий, применяемых на склоновых агроландшафтах Технологии выращивания сельскохозяйственных культур на склоновых агроландшафтах при проектировании и проведении противоэрозионных мероприятий должны быть почвозащитными, а организация земельной территории – ландшафтно-экологической. Решению проблем проектирования и применения почвозащитных и мелиоративных технологий на склоновых землях посвящены работы Абезина В. Г., Балакая Г. Т., Борисенко И. Б., Бурова Д. И., Васильева С. М., Голованова А. И., Гостищева Д. П., Григорова М. С., Данилова Г. Г., Заславского М. Н., Кирейчевой Л. В., Кормщикова А. Д., Кравчука А. В., Кузнецова Е. В., Овчинникова А. С., Ольгаренко В. И., Ольгаренко Г. В., Пындака В. И., Серебренникова Ф. В., Слюсаренко В. В., Цепляева А. Н., Щедрина В. Н., Benoit G. R., Botterweg P., Onstad C. A., Young R. A. и многих других ученых. При применении на склоновых землях комплекса противоэрозионных мероприятий обеспечиваются максимальные почвозащитный, гидрологический, экологический и экономический эффекты. В эти мероприятия включаются организационно-хозяйственные, агротехнические, лесомелиоративные, гидротехнические [107, 108, 114, 131, 153, 160]. Среди организационно-хозяйственных мероприятий преимущество отдают севооборотам. Оптимальное размещение севооборотов обеспечивается учетом параметров склонов, информации об эрозионных процессах и смыве почвы, особенностей возделываемых сельскохозяйственных культур [155]. Агротехнические противоэрозионные работы можно разделить на 5 групп [70, 98, 153]: фитомелиоративные работы; приемы обработки почв; приемы задержания снега и регулирования снеготаяния; агрохимические приемы; агрофизические приемы. Преимущество при выборе фитомелиоративных приемов защиты почв в основном отдается [98, 99, 100, 225] проведению почвозащитных севооборотов с подобранным составом сельскохозяйственных культур и их контурному посеву. 54 Классификация приемов противоэрозионной обработки почв в [146, 259] проводится по влиянию на основные характеристики почвы по трем группам: операции для увеличения накопления и транспортирования влаги в почве; операции образующие противоэрозионные поверхности различными способами; операции, одновременно накапливающие влагу в почве и образующие противоэрозионную поверхность. Преимуществами применяемой классификации агротехнических противоэрозионных мероприятий при основной обработке почвы являются объективная оценка эффективности и подбор подходов к применению в различных условиях [13, 33, 91]. Эффект от приемов снегозадержания и регулирования снеготаяния подтвержден рядом исследований [100, 203, 204]. Повышение урожайности возделываемых культур и восстановление плодородия почв на склонах обеспечивается агрохимическими приемами [99, 203] и др. В рамках исследований [100, 191] при использовании препаратов, таких как полимеры-структурообразователи, ПАА, К-4 и др., получены результаты, обеспечивающие повышение количества водопрочных агрегатов более чем в 20 раз и снижение смыва почвы более чем в 5 раз. Способность увеличить противоэрозионную стойкость и впитывающую способность почвы, обеспечить ее равномерное увлажнение, сократить интенсивность эрозионных процессов, сдерживать концентрацию водного потока и безопасно отвести талую или дождевую воду на склоне - вот основные преимущества применения агротехнических почвозащитных мероприятий, которые при малых затратах выглядят перспективными. Разделение лесомелиоративных противоэрозионных мероприятий по признаку «мелиоративное воздействие» [99, 100, 216] выполняется согласно видам: противоэрозионные лесные полосы; водозащитные лесные и кустарниковые насаждения; приовражные лесные полосы; облесение склонов и другие. Преимущества лесомелиоративных способов очевидны: обеспечение микроклимата полей, 55 снижение промерзания почвы, снижение стока, уменьшение потерь влаги с поверхности почвы и другие. В работах ВНИИЗиЗПЭ водорегулирующие лесные полосы проектируются узкими (2-3 ряда) и дополнительно применяются прерывистые канавы между рядами, что создает условия для уменьшения стока талых вод до 30 мм, эрозии почвы в 3…4 раза, увеличивается урожайность на 10…12 процентов [155]. Там же [155] предлагается формула для расчета расстояния между соседними лесными насаждениями, выполняющими водорегулирование: L bt ( p x1 ) 1000Q x1t : ахt , (1.61) где b - ширина лесных насаждений, м; t - время эрозионного процесса, мин; – скорость фильтрационного процесса (мм/мин); x1 - скорость водоотдачи, мм/мин; х – заданная интенсивность ливня, мм/мин; Q - объем воды задержанный сооружением, м3; а - коэффициент стока атмосферных осадков. Основное преимущество лесомелиоративной системы проявляется в регулировании водного потока, что обеспечивает снижение интенсивности эрозионного процесса, максимальное повышение плодородия почвы и объективное увеличение урожайности возделываемых культур. По функциональному назначению гидротехнические противоэрозионные мероприятия подразделяются на несколько видов [98], куда входят распылители, лиманы, террасы, водоотводящие каналы, склоновые водоемы, водозадерживающие и водоотводящие валы и другие. Наибольший эффект обеспечивают валытеррасы с залуженными водотоками [155], которые обеспечивают увеличение запасов снега на 8…25%, уменьшают сток на 64…94% и эрозию почвы на 94…98%. Объективность оценки и прогнозирование стока с учетом эрозионных характеристик почв обеспечит максимальный эффект проектируемых противоэрозионных мероприятий. Кормщиков А.Д. в [124, 125] предлагает классифицировать противоэрозионные машины для противоэрозионной обработки почв на склоновых землях по признаку воздействия рабочих органов машин на свойства почвы. Выделено 3 группы: 56 - противоэрозионные машины и орудия 1 группы создают противоэрозионную поверхность; - противоэрозионные машины и орудия 2 группы увеличивают накопление влаги и обеспечивают ее движение в почве; - в 3 группу включены противоэрозионные машины и орудия, совмещающие преимущества двух первых групп: увеличивают накопление влаги, обеспечивают ее движение в почве и создают противоэрозионную поверхность. Данная классификация позволяет объективно проанализировать и оценить воздействие различных рабочих органов противоэрозионных машин на свойства почвы. Однако в настоящий момент в достаточной мере не проводится количественная оценка воздействия рабочих органов противоэрозионных машин на почву, по сути, являющаяся основой для проектирования современных противоэрозионных орудий. Для количественной оценки воздействия почвообрабатывающих и противоэрозионных машин на почву в Лаборатории гидрофизики и эрозии почв при ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА [14, 15, 16, 18, 198, 272] разработана современная методика контроля влияния почвообрабатывающих машин и орудий на почву. Основные принципы внедряемой почвозащитной технологии закладываются при противоэрозионной организации землепользования хозяйства. В [146] предлагается согласовывать ширину разрабатываемого участка на сложном склоне с эксплуатационной шириной противоэрозионного агрегата в целях рационального использования техники. Для контурной организации территории достаточно сложно в практическом плане расположить проектируемый участок на сложном склоне. Сложности связаны в основном с тем, что горизонтали непараллельны и необходимо проектирование полос постоянной ширины на всей длине гона обрабатываемого участка. В таком случае возникает необходимость в установлении предельно допустимых значений отклонения границ участка поля от горизонталей склона. Значения рассчитываемых отклонений меняются от уклона склона, противоэрозионной стой- 57 кости почвы и вида агрофона. Известно, что при крутизне более 3…50 не следует проектировать полевые дороги вдоль склона [138, 195]. Например, на склоне сельскохозяйственных земель СПК «Оринино» Моргаушского района Чувашской Республики имеется эрозионно-опасное расположение полевой дороги, представленное на рисунке 1.12. Основными факторами проявления эрозионного процесса, при небольшом уклоне грунтовых дорог, будут являться незначительная шероховатость и относительно огромный потенциал эрозионной стойкости (ПЭС) уплотненной почвы в большей части поверхности дороги. Рисунок 1.12 - Расположение дороги вдоль сложного склона (СПК «Оринино» Моргаушский район Чувашская Республика) Таким образом, оптимальное проектирование противоэрозионных мероприятий и технических средств для их реализации неразрывно связано с объектом воздействия, почвой, и обеспечивается объективностью количественной оценки и прогнозированием стока с учетом эрозионных характеристик обрабатываемой почвы на склоновых агроландшафтах. 58 1.4.3. Существующие и разработанные методы оценки противоэрозионных технологий Под воздействием водной эрозии находится более 45% пахотных земель Российской Федерации, а в Чувашской Республике - 83,6% земель. Эрозия вызывает сокращение приемлемых для сельскохозяйственного производства площадей, потерю плодородия почвы, создание негативной экологической ситуации и нарушение структурности почвы, что, в общем, снижает урожайность сельскохозяйственных культур. Ежегодно действие эрозионных процессов на территории России приводит к увеличению на 400…500 тыс. га эродированных земель, а также разрушению оврагами более 10 тыс. га пашни [132]. В настоящее время эффективность почвозащитных технологий оценивается по различным параметрам, характеризующим свойства почвы и растительных элементов, параметры склонов и другие особенности [24]. При прогнозировании эрозионных процессов проводится сравнение величины смыва почвы для изучаемого агрофона со смывом для зяблевой вспашки или пара. При применении различных противоэрозионных мероприятий или их сочетания, возможно, обеспечить допустимый уровень потерь почвы и поверхностного стока вследствие эрозии. Для различных почв начиная с черноземов и серых лесных до черноземов мощных величина допустимого смыва колеблется от 0,5 до 4,5 т/га, учитывая степень их смытости [71, 72]. Показатели водноэрозионной опасности сельскохозяйственных культур применяют для назначения и контроля агротехнических противоэрозионных приемов, коэффициент эрозионной опасности для многолетних трав 3-го года пользования составляет 0,01, а для чистого пара – 1 [71]. Для оценки также применяется водозадерживающая способность противоэрозионных агротехнических мероприятий, например для отвальной обработки на глубину 20-22 см значения задержанного стока составят 4…5 мм и для глубокой безотвальной (чизельной) обработки на глубину 32-40 см, а в целом по агроприемам до 20 мм [71]. 59 Другим показателем для контроля почвенной эрозии является урожайность сельскохозяйственных культур, имеющая некоторую зависимость от степени эродированности почвы: выше - для слабоэродированной и ниже - для сильноэродированной, например, для озимой ржи 85% и 35% урожайности к несмытой почве соответственно [71]. Там же отмечается, что увеличение урожайности сельскохозяйственных культур вследствие использования агротехнических мероприятий составляет 1…4 ц/га. Поскольку, используемые методы и технические средства контроля не согласуются с современными агротехническими и экономическими требованиями, приемлемые попытки разрешить проблемы в научно-практическом плане имеют весьма ограниченные возможности, в связи с тем, что носят качественный характер. Наиболее перспективными и необходимыми при проведении противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах являются исследования, направленные на количественную оценку по определению гидрофизических и эрозионных показателей подстилающей поверхности за счет разработки методов и способов контроля, а также технических средств для их реализации путем рассмотрения взаимодействия водного потока с объектами подстилающей поверхности энергетическими методами. Все структурные связи относительно применения технических средств контроля противоэрозионных технологий отражены на рисунке 1.13 в виде алгоритма реализации модели технологического процесса контроля противоэрозионных технологий. Анализ данной структурной схемы позволяет сделать заключение о необходимости комплексного подхода к разработке методов оценки основных гидравлических потерь водного потока, включенных в уравнение движения временного водного потока. 60 Подстилающая поверхность склоновых агроландшафтов Почва Технические средства контроля противоэрозионных технологий Водный поток Элементы растительного происхождения Уравнение движения временного водного потока (математическая модель) Гидродинамическая характеристика Гидравлические потери и режим движения водного потока Агротехнические требования для выполнения противоэрозионных технологий Критерии оценки функционирования модели (допустимые значения скорости водного потока, массы смываемой почвы и др.) Результат реализации математической модели (оптимальные решения по управлению водным потоком при проектировании и оценке противоэрозионных технологий, обоснование параметров и режимов работы рабочих органов противоэрозионных машин, конструирование агроландшафтов) Максимальное снижение эрозионных процессов на подстилающей поверхности Рисунок 1.13 - Структурная схема функционирования технических средств контроля противоэрозионных технологий 1.5. Выводы по главе 1 1. Имеется существенная ограниченность применения математических моделей для количественной оценки эффективности противоэрозионных технологий. Нет обоснованных математических моделей, определяющих гидродинамический процесс взаимодействия водного потока и подстилающей поверхности на склоновом агроландшафте. При практическом использовании выигрывает та модель, которая содержит наиболее просто определяемые параметры, не требующие специальных и дорогостоящих исследований. Учитывая теоретические предпосылки, необходимо разработать уравнение движения временного водного потока для оценки и проектирования противоэрозион- 61 ных технологий и средств механизации, применяемых на склоновых агроландшафтах. 2. Известные коэффициенты для оценки гидравлического сопротивления не могут в полной мере удовлетворять современным требованиям, предъявляемым к процессу взаимодействия водного потока и шероховатой поверхности, поскольку возникает ряд ограничивающих причин и не учитываются принципиальные особенности гидравлики склонового стока. Наиболее перспективными и необходимыми при проведении противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах являются исследования по определению гидрофизических и эрозионных показателей подстилающей поверхности за счет совершенствования методов и способов контроля, а также технических средств для их реализации путем рассмотрения взаимодействия водного потока с объектами подстилающей поверхности энергетическими методами. Поэтому необходимо обосновать основные параметры контроля подстилающей поверхности, значительно влияющие на интенсивность эрозионного процесса для склонового агроландшафта. 3. Анализ теоретических исследований показал, что в настоящий момент отсутствуют совершенные и объективные методы и технические средства контроля противоэрозионных технологий, учитывающие гидродинамику склонового стока. Обзор по техническим средствам измерения поверхности поля позволяет отметить следующее: рассмотренные технические средства не обеспечивают приемлемую точность измерений неровностей подстилающей поверхности и нарушают технологическое сложение почвенных комков и агрегатов на поверхности почвы; ряд технических средств контроля имеют громоздкую форму, и неудобны в применении для полевых условий; применяя некоторые средства не возможно в одно время определять и записывать измеряемые параметры подстилающей поверхности. Для определения интенсивности процессов эрозии почв на склоновых агроландшафтах необходимо разработать методики и технические средства контроля, позволяющие получить достоверную информацию об изменении основных параметров подстилающей поверхности. 62 4. В результате анализа комплекса противоэрозионных мероприятий установлено, что агротехнические противоэрозионные операции являются перспективными и обеспечивают в некоторых случаях достаточную противоэрозионную стойкость и впитывающую способность обработанной почвы, равномерное ее увлажнение, сокращение интенсивности стока атмосферных осадков и потерь почвы, а также формирование условий для экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции растениеводства на склоновых землях. Для снижения интенсивности процессов эрозии почв за счет реализации агротехнических почвозащитных мероприятий нужно разработать противоэрозионные почвообрабатывающие машины, обеспечивающие создание противоэрозионной подстилающей поверхности. 5. Применяемые подходы к оценке эффективности и проектированию противоэрозионных технологий не соответствуют современным агротехническим и экономическим требованиям, поскольку носят качественный характер. Необходимо провести энергетическую и технико-экономическую оценку эффективности рекомендуемых противоэрозионных технологий с применением разработанных орудий и технических средств контроля. 63 ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОДНОГО ПОТОКА НА СКЛОНОВОМ АГРОЛАНДШАФТЕ 2.1. Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики водного потока 2.1.1. Математическая модель движения временного водного потока Рассматривая движение водного потока на склоне, примем следующие допущения [45, 57, 211]: 1. Процесс движения атмосферных осадков в виде стока на склоновом агроландшафте происходит по мелкой сети множества микрорусел, пересекающихся и сливающихся в одно целое, тогда для первого приближения можно принять водосборную площадь как линейный канал, где происходят присущие водному потоку явления (изменения интенсивности стока по длине пути, появление боковых притоков и т.д.). 2. Вследствие продолжительности во времени взаимодействия осадков и подстилающей поверхности почва сильно переувлажняется, и с некоторым приближением не учитываются инфильтрационные процессы влаги. При движении водного потока можно выявить основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению [60]. Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностного баланса. Мощностной баланс определяется затратами энергии потока на преодоление внешних и внутренних сопротивлений потоку по времени. Запишем уравнение мощностного баланса в общем случае [60]: Р v Р v Р v Р v Р v Р j v 0 . (2.1) где Р - составляющая силы тяжести элементарного объема водного потока, Н; Р - сила сопротивления размыву подстилающей поверхности склона водным 64 потоком, Н; Р - сила сопротивления движению водного потока, обусловленная шероховатостью подстилающей поверхности склона, Н; Р - сила сопротивления движению потока растительных элементов, Н; Р - сила сопротивления движению потока, обусловленная влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Н; Р j - сила сопротивления инерции потока, Н; v - скорость движения элементарного объема водного потока, м/с. Спроецируем уравнение (2.1) на ось вдоль склона с учетом скалярного произведения векторов сил и скорости потока [60]: P v cos 0 P v cos180 P v cos180 P v cos180 P v cos180 Pj v cos180 0 (2.2) или N N N N N N j , (2.3) где N - мощность водного потока, Дж/с; N - потери мощности водного потока на размыв подстилающей поверхности склона, Дж/с; N - потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона, Дж/с; N - потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона, Дж/с; N потери мощности водного потока, обусловленные влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Дж/с; N j - потери мощности водного потока, обусловленные влиянием инерции потока, Дж/с [46]. Выражение (2.3) является уравнением мощностного баланса водного потока движущегося по подстилающей поверхности склона. Распишем каждую составляющую, входящую в это уравнение [60]. Мощность водного потока, движущегося по склону, определяется по выражению: N giQl , (2.4) где - плотность водного потока, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; i - уклон подстилающей поверхности склона; Q - расход водного потока, м3/с; l - 65 длина рассматриваемого участка водного потока, м. Потери мощности водного потока на размыв или на разрушение и вынос частиц почвы подстилающей поверхности склона определяются по выражению Максимова И.И. [146]: z N п v 2 l , t (2.5) где п - плотность почвы, кг/м3; - смоченный периметр, м; l - длина рассматриваемого участка размываемой почвы, м; z - скорость размыва временного водоt тока или скорость эрозионного разрушения, м/с; z - слой почвы, размываемый потоком воды за определенное время t , м. Потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона определяются по выражению, полученному Васильевым С.А. в [41, 42, 57]: N 1 2 гл v 3 l , (2.6) где φ - коэффициент гидравлической шероховатости; гл - коэффициент сопротивления гладкой поверхности. Потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона определяется по выражению, предложенному В.С. Боровковым [34]: N v 2 Q , 2 2 (2.7) , (2.8) авсз где δ – комплексная гидродинамическая характеристика растительного слоя [34]; – размер стороны квадратной площадки, на которой находится один растительный элемент, м; а – высота растительных элементов, м; в – поперечный размер растительных элементов, м; с – коэффициент гидродинамического сопротивления 66 растительного элемента, з – коэффициент взаимного влияния (затенения) элементов растительности при достаточно близком их расположении. Потери мощности водного потока, обусловленные влиянием волнистости подстилающей поверхности склона нами, мы предлагаем определять по выражению: 3 N v l , (2.9) где - коэффициент гидродинамического сопротивления волнистости поверхности или дискретного препятствия. Потери мощности водного потока, обусловленные влиянием инерции потока, определяют по выражению: N j mjv mv dv , dt (2.10) где m - масса водного потока, расположенного на рассматриваемом участке, кг; 2 j - ускорение водного потока, м/с . Для сравнения потоков, движущихся по разным подстилающим поверхностям склона, и выявления резервов энергии водного потока, которые могут, например, ускорить поток или размыть микрорусло, уравнение мощностного баланса водного потока приведем к безразмерной форме, разделив все его составляющие на произведение веса и скорости потока [60]: N N N N N N j , Gv Gv Gv Gv Gv Gv (2.11) где G - вес потока, Н. Соотношение мощности потока и произведения веса на скорость потока можно представить в виде [60]: N iQl iwl i, Gv mv m (2.12) где w – площадь поперечного сечения водного потока, м2. Соотношение потерь мощности водного потока на размыв или на разрушение и вынос частиц почвы подстилающей поверхности склона и произведения веса на скорость потока можно представить в виде [60]: 67 п v 2 l z mп v 2 , Gv Vgv t Qglt N (2.13) где mп - масса разрушенных и вынесенных частиц почвы, кг. Максимов И.И. [146] рассматривает работу водного потока на размыв и транспортирование почвенных частиц через потенциал эрозионной стойкости почвы по выражению: А mп Qglt mп , (2.14) где А - работа водного потока на разрушение и вынос частиц почвы массой mп , Дж. Подставляя данное выражение в уравнение (2.13), получим [60]: N Gv 1 v 2 i , (2.15) где i – уклон гидравлических потерь на размыв подстилающей поверхности склона. Соотношение потерь мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона на произведение веса и скорость потока представим в виде [60]: N Gv где q 1 2 гл v 3 l mg 1 2 гл B 3 1 v гл v 3 i , Qg 2qg (2.16) Q - единичный расход водного потока, м2/с; i – уклон гидравлических B потерь на трение. Соотношение потерь мощности водного потока на преодоление силы сопротивления от растительных элементов на произведение веса и скорости потока можно определить по выражению [60]: N v 2 Q v3 i , Gv 2 2 mgv 2 2 qg (2.17) где i – уклон гидравлических потерь на преодоление растительных элементов. 68 Соотношение потерь мощности водного потока, обусловленные влиянием волнистости подстилающей поверхности склона на произведение веса и скорости потока представим в виде [60]: N Gv v 3 l mg v 3 i , qg (2.18) где i – уклон гидравлических потерь на преодоление волнистости поверхности. Соотношение составляющей потерь мощности потока, обусловленной влиянием инерции потока и произведения веса на скорость потока можно представить в виде [60]: Nj Gv j ij , g (2.19) где m - масса водного потока расположенного на рассматриваемом участке, кг; j - ускорение водного потока, м/с2; i j – уклон гидравлических потерь на преодоление инерции водного потока. Подставим полученные соотношения (2.12), (2.15)…(2.19) в уравнение (2.11) и получим следующее выражение [60]: 1 i 2qg гл v 3 1 v 2 v3 2 qg 2 2qg v3 j g (2.20) или в упрощенной безразмерной форме [46, 60]: i i i i i i j . (2.21) Выражение (2.21) представляет собой уравнение движения временного водного потока и показывает баланс действительного уклона и суммы уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по подстилающей поверхности [60]. Графическое изображение зависимости изменений уклонов гидравлических потерь водного потока от его скорости движения будем называть гидродинамической характеристикой водного потока (рисунок 2.1) [60]. С помощью уравнения движения временного водного потока можно решать следующие основные задачи: анализ возможности движения водного потока на 69 тех или иных подстилающих поверхностях, определение и анализ параметров потока при ускорении, торможении или при равномерном его движении и другие. Этот круг задач возможно выполнить, если известны зависимости составляющих баланса уклонов с параметрами потока и подстилающей поверхностью. Также допустимо использовать данное выражение в решении обратных задач, например, по определению коэффициента гидравлической шероховатости, потенциала эрозионной стойкости и других параметров стокоформирующей поверхности [60]. i i1 iδ ij iγ iψ iφ v, м/с 0 v1 vmax Рисунок 2.1 - Гидродинамическая характеристика водного потока [60] Рассмотрим водный поток (рисунок 2.2), который движется со скоростью v1 по стокоформирующей поверхности с коэффициентом гидравлической шероховатости φ2. В данном случае имеем равенство: i i 2 , (2.22) где i - действительный уклон стокоформирующей поверхности; i 2 - уклон гидравлических потерь на трение для стокоформирующей поверхности с коэффициентом гидравлической шероховатости φ2. Таким образом, имеем равномерное движение водного потока. 70 i Δiφ i iφ3 -Δiφ iφ2 iφ1 v 0 v2 v1 v3 Рисунок 2.2 - Схема применения гидродинамической характеристики водного потока При увеличении коэффициента гидравлической шероховатости согласно выражению (2.16) увеличивается уклон гидравлических потерь на трение i 2 на величину Δiφ, т.е. i 2 + Δiφ. В этом случае скорость водного потока начнет снижаться. Замедление его будет пропорционально разности ( i i 2 ). Величину замедления можно определить из выражения: j dv g (i i 2 ) . dt (2.23) 71 По мере снижения скорости потока модуль разности ( i i 2 ) уменьшается, что приводит также к уменьшению модуля замедления. При достижении скорости v3 можно записать равенство: i i 3 i 2 i . (2.24) Для условия (2.24) прекратится снижение скорости и установится равномерный режим движения водного потока. Если уклон гидравлических потерь на трение уменьшится на величину Δiφ, например при уменьшении коэффициента гидравлической шероховатости, то при исходной скорости v1 будет выполнятся условие dv 0 . Водный поток будет усdt корятся до достижения скорости v3, при которой можно записать равенство: i i1 i 2 i . (2.25) Таким образом, воздействуя на водный поток различными противоэрозионными подстилающими поверхностями с заданной гидравлической шероховатостью и другими препятствиями, обеспечивается эффективное управление движением временного водного потока. 2.1.2. Аналитическое решение модели в дифференциальной форме Преобразуем выражение (2.20), выделяя в левой части ускорение. Получим дифференциальное уравнение движения временного водного потока: 3 dv 1 g v ig 1 гл 2 v 2 . dt 2q (2.26) Проведем замену суммы, представленной в квадратных скобках, на коэффициент суммарного сопротивления подстилающей поверхности: к 1 гл 1 2 . (2.27) При моделировании процессов ускорения или замедления водного потока используется система дифференциальных уравнений: 72 dv v3 g 2 ig к v , dt 2q dL v; dt где L – расстояние, пройденное водным (2.28) потоком по подстилающей поверхности, м. Интегрирование этих уравнений позволяет получить характеристики изменения скорости и пройденного расстояния от времени при ускорении и замедлении водного потока v f (t ) и L f (t ) . Начальные условия интегрирования v=0 и L=0. Для некоторого упрощения полученного дифференциального уравнения движения водного потока проведем замены: А к , 2q В g (2.29) , (2.30) С ig . (2.31) Получим следующее дифференциальное уравнение: dv С Аv3 Bv 2 . Av3 Bv2 C. dt (2.32) Пробуем аналитически решить его, применяя метод разделения переменных [35], получим: v(t ) C Bv(t ) 2 Av(t ) 3 1. (2.33) Полученное выражение называется уравнением Абеля [35], представляющее собой обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка, кубическое по зависимой переменой. Решением уравнением Абеля будет является следующее выражение: t log( v(t ) W ) 3 AW 2 2 BW log( v(t ) Y ) 3 AY 2 2 BY log( v(t ) U ) 3 AU 2 2 BU к1 , (2.34) 73 где W, Y, U – комплексные корни выражения ( Av3 Bv2 C ), которые определяются после подстановки реальных значений. Таким образом, уравнение Абеля при произвольном выборе функций не интегрируется в конечном виде. Однако мы укажем несколько частных случаев решения данного уравнения. 1) Рассматривая движение водного потока по горизонтальной подстилающей поверхности, можно принять допущения в виде: C 0, i 0; (2.35) тогда получим следующее решение уравнения Абеля для определения времени, при котором начнется размыв подстилающей поверхности: t азм vк 0 1 Av3 Bv dv 2 1 A ln( Av B) A ln( v) , Bv B2 B2 (2.36) где vкр – критическая скорость водного потока, при которой начинается постепенный размыв подстилающей поверхности. Для определения расстояние, пройденное водным потоком по подстилающей поверхности до его размыва с учетом системы уравнений (2.28) имеем: L азм vк 0 v Av Bv 2 3 dv . (2.37) Таким образом, при прочих равных условиях движение по горизонтальной подстилающей поверхности не приведет к размыву почвы вследствие отсутствия потенциальной составляющей энергии потока. 2) При движении водотока по подстилающей поверхности, имеющей большое значение потенциала эрозионной стойкости, например грунтовая дорога или потери водного потока, не связанные с размывом русла, можно принять допущения в виде: В 0, ; (2.38) 74 тогда получим следующие решения уравнения Абеля для определения времени и расстояния, при котором начнется размыв подстилающей поверхности: 1 1 2 С 3 С 3 С 3 6 ln vк 3 ln vк2 vк A A A vк 1 1 t азм dv 3 2 18 0 Av C С 3 A A 1 3 С 3 2v 1 к А 3 C 2 ln C 3 6 3 arctan 6 ln 1 A A 3 С 3 А (2.39) , 1 1 2 С С С 3 3 3 6 ln vк 3 ln vк2 vк A A A vк v 1 L азм dv 3 1 18 0 Av C С 3 A A 1 3 2v С 3 1 к А C 3 C 6 ln 6 3 arctan 2 ln 3 1 A A С 3 3 А (2.40) . Таким образом, для получения конкретного решения довольно длинного выражения необходимо подставить заданную для известных условий критическую скорость водного потока, при которой начинается размыв почвы на подстилающей поверхности. 3) При условии, что потенциал эрозионной стойкости имеет большое значение или потери водного потока не связаны с размывом русла, а также имеется небольшой уклон, близкий к горизонтали, в данном случае: 75 В 0, , C 0, i 0; (2.41) тогда имеем следующие выражения для определения времени и расстояния, при котором начнется размыв подстилающей поверхности: t азм vк 0 L азм vк 0 1 Av3 dv , 1 Av 2 dv . (2.42) (2.43) Таким образом, в результате преобразований выражений получена бесконечность, что в действительности при заданных условиях возможно, т.е. размыва подстилающей поверхности не будет. 4) При условии, что имеем достаточно низкий потенциал эрозионной стойкости почвы, например на зяблевых и паровых полях, где существенные потери водного потока идут на сильный размыв почвы. В этом случае можно пренебречь потерями потока воды на преодоление сопротивлений подстилающей поверхности и записать систему: A 0, к 0; (2.44) тогда имеем следующие решения выражения для определения времени и расстояния, при котором начнется размыв подстилающей поверхности: t азм vк 0 L азм vк 0 Bvк arctg СB 1 , dv 2 CB Bv C 2 1 ln( Bvк С ) ln( C ) . dv 2 B Bv 2 C v (2.45) (2.46) Таким образом, в результате решения уравнения Абеля получены простые выражения, куда необходимо подставить значения действительного уклона и потенциала эрозионной стойкости почвы. 76 5) При условии, что имеем достаточно низкий потенциал эрозионной стойкости и уклон подстилающей поверхности, приближенный к горизонтали. В этом случае можно пренебречь потерями потока воды на преодоление сопротивлений подстилающей поверхности и записать систему: A 0, к 0, i 0; (2.47) тогда имеем следующие выражения для определения времени и расстояния, при котором начнется размыв подстилающей поверхности: t азм vк 0 t азм vк 0 1 dv , (2.48) 1 dv . Bv (2.49) Bv 2 Таким образом, в результате решения уравнений, получена бесконечность, что в действительности при заданных условиях возможно, т.е. размыва подстилающей поверхности не будет вследствие отсутствия уклона, хотя и потенциал эрозионной стойкости почвы имеет относительно небольшие значения. Для того чтобы рассматриваемые уравнения были более практичными и удобными для гидравлических расчетов, рассмотрим их применяя интенсивность стока. Определяя расход Q на пути водотока l от водораздельной линии, применяем уравнение неразрывности водного потока [42, 57]: Вh Bhv I (t ) I ф (t ) I (t )B , t l (2.50) где h – глубина водного потока на пути l от водораздельной линии; В – ширина линейного канала; V – скорость водного потока; I (t) – скорость выпадения осадков; Iф(t) – скорость фильтрации влаги в почву; I (t) – скорость испарения. Учитывая, что правая часть выражения (2.50) определяет сток атмосферных осадков на пути l, тогда, не принимая во внимание формулу [42, 57]: h 0 получим следующую t 77 dBhv dl dQ I cт (t ) B , dl (2.51) где I cт (t ) - скорость стока атмосферных осадков на пути l от водораздельной линии. Отсюда, применяя (2.51), определим расход Q на пути l от водораздела при заданной скорости стока через время t [42, 57]: Q I ст (t ) Bl , (2.52) тогда как удельный расход, отнесенный к ширине водного потока В, будет определятся по следующему выражению [42, 57]: q vIст , (2.53) где q - удельный расход, отнесенный к ширине потока В, м2/с. Тогда выражение (2.26) преобразуется к виду: к dv v2 g g ig к v 2 ig v 2 . dt 2 I ст 2 I ст (2.54) Для некоторого упрощения полученного дифференциального уравнения движения временного водного потока проведем замены: D к g , 2 I ст С ig . (2.55) (2.56) С учетом выражений (2.55) и (2.56) получим дифференциальное уравнение в следующем виде: dv С Dv 2 . dt (2.57) Пробуем аналитически решить его, применяя метод разделения переменных, получим: v(t ) C Dv(t ) 2 1. (2.58) 78 Проинтегрируем полученное выражение и получим следующие выражения для определения времени и расстояния, при котором начнется размыв подстилающей поверхности: t азм vк 0 L азм vк 0 Dvк arctg СD 1 , dv CD C Dv 2 2 1 ln( Dvк С ) ln( C ) . dv 2 D C Bv 2 v (2.59) (2.60) В итоге получить характеристики ускорения или замедления водного потока с целью управления им можно посредством моделирования на ЭВМ рассматриваемого процесса, описываемого дифференциальными уравнениями (2.26) или через интенсивность стока (2.54), либо используя графоаналитический метод решения данного уравнения. 2.1.3. Графоаналитическое решение модели в дифференциальной форме Графоаналитическим методом при помощи гидродинамической характеристики водного потока могут быть приближенно определены время и путь ускорения водного потока в пределах заданного изменения скорости движения. Вначале необходимо задать граничные условия взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью известного агрофона и построить гидродинамическую характеристику водного потока согласно методике, представленной выше. Затем эта характеристика используется для получения графика изменения ускорения или замедления водного потока, позволяющего определить время, скорость и путь ускорения или замедления. Изменение ускорения от скорости водного потока вычисляют по формуле (2.20) и строят кривую, например, представленную на рисунке 2.3. В реальных условиях полученная графическая зависимость может существенно отличаться от представленной на рисунке. 79 j, м/с2 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 v, м/с 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Рисунок 2.3 – График зависимости изменения ускорения водного потока от его скорости Учитывая, что ускорение определяется по выражению: j dv , dt (2.61) dt dv . j (2.62) можем получить уравнение в виде: Проведем интегрирование и получим: v i v i 1 i 1 dv 1 i t dv . j jv v (2.63) Расчет времени ускорения водного потока по выражению (2.63) выполняется с помощью графика обратного ускорения 1 . На рисунке 2.4 построена кривая, j 80 представляющая собой изменение обратной величины ускорения водного потока в зависимости от его скорости. 1/j, с2/м 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 t1 0,5 t2 t3 t4 t5 t6 v, м/с 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Рисунок 2.4 – График изменения обратной величины ускорения водного потока от его скорости Для решения уравнения (2.63) весь диапазон скорости разбивается на несколько участков. Чтобы определить площади каждого участка в пределах скоростей vn и vn-1, применяем формулу Ньютона-Лейбница для вычисления определенного интеграла, например, определим время для первого участка: v2 t1 f (v)dv F v vv F (v2 ) F (v1 ) . 2 1 (2.64) v1 Площадь, ограниченная построенной кривой v=f(1/j), осью абсцисс и двумя соответствующими ординатами для v1 и v2, определяет в известном масштабе время, затраченное на ускорение t1 . 81 Таким образом, общее время ускорения водного потока по подстилающей поверхности до заданной скорости будет определяться по выражению: n t t1 t 2 ...t n t i . (2.65) i 1 Результаты расчета иллюстрируются графиком времени ускорения водного потока до заданной скорости на рисунке 2.5. t, с 1,2 1 l5 0,8 l4 0,6 l3 0,4 l2 0,2 v, м/с l1 0 0 t6 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Рисунок 2.5 - График времени ускорения потока воды на подстилающей поверхности Для расчета пути при ускорении водного потока, используют формулу: v dl , dt (2.66) получим следующее выражение: dl vdt . Проведем интегрирование и получим: (2.67) 82 ti ti L vdt v dt . t i 1 (2.68) t i 1 Расчет расстояния, на котором ускоряется водный поток на подстилающей поверхности, осуществляется с применением графика времени ускорения (см. рисунок 2.5). Для решения уравнения (2.68) весь диапазон времени разбивается на несколько участков. Площадь, ограниченная построенной кривой v=f(t), осью ординат и двумя соответствующими абсциссами для t1 и t2, определяет в известном масштабе путь, пройденный водным потоком при ускорении l1 на первом участке. Чтобы определить площади каждого участка в пределах скоростей vn и vn-1, применяем формулу Ньютона-Лейбница для вычисления определенного интеграла, например, определим расстояние, пройденное водным потоком при ускорении для первого участка: t2 l1 f (t )dt F t tt F (t 2 ) F (t1 ) . 2 (2.69) 1 t1 Таким образом, общее расстояние, пройденное водным потоком по подстилающей поверхности при ускорении до заданной скорости, будет определяться по выражению: n L l1 l 2 ...l n li . (2.70) i 1 Результаты расчета пройденного расстояния при ускорении водного потока по подстилающей поверхности иллюстрируются графиком пройденного расстояния при ускорении на рисунке 2.6. Таким образом, предложен вариант решения математической модели графоаналитическим способом. Исходя из предложенного метода видно, что графоаналитический способ решения имеет целый ряд преимуществ по сравнению с аналитическим: обеспечивает наглядность представления динамического процесса взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью, дает возможность рассматривать развитие и направление динамического процесса при перво- 83 начально заданных условиях, что несколько упрощает анализ процесса и принятие конкретных решений. l, м 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 v, м/с Рисунок 2.6 - График пройденного расстояния при ускорении водного потока на подстилающей поверхности Время и путь при ускорении потока воды на подстилающей поверхности могут быть рассчитаны также только графическим способом, применяя, например, миллиметровую бумагу для построения графиков. 2.2. Математическая модель движения и принципы построения гидродинамической характеристики наносонесущего водного потока Определение зависимости стока наносов от параметров определяющих движение водного потока представляет собой сложную научную задачу, рассматриваемую при решении фундаментальных и прикладных мелиоративных и гидравлических проблем управления водным потоком на склоновом агроландшафте. Особенно остро возникает вопрос при проектировании и оценке эффективности противоэрозионных мелиораций. 84 Сток наносов для склонового водотока состоит из стока влекомых наносов, переносимых в придонном слое, и взвешенных наносов, переносимых во всем потоке. Применяемые в настоящее время подходы для определения общего стока наносов в недостаточном объеме удовлетворяют современным требованиям и не позволяют оценивать явления и процессы воздействия водного потока на подстилающую поверхность. Основные причины заключаются в следующем: - применение в гидравлических расчетах полу- или эмпирических зависимостей, использование которых ограничено требованиями и условиями тех опытов в которых они получены [26, 134, 140]; - расчет стока наносов на применении чисто описательных (а не количественных) параметров водотока и микрорусла [159, 230]; - сток наносов меняется постоянно, поскольку в динамике находятся параметры потока и русла [65, 159]. Потери энергии водного потока на перенос наносов связанны с режимом движения, интенсивностью стока, потенциалом эрозионной стойкости почвы, шероховатостью подстилающей поверхности и другими параметрами. Учитывая то, что перечисленные параметры для склоновых агроландшафтах меняются существенно и гидравлика склонового стока имеет свои принципиальные особенности [230, 234], по сравнению, например, с речными процессами при определении общего стока и транспортирующей способности водного потока реки, возникают определенные затруднения научного, методического и технического плана. Таким образом, в настоящее время отсутствуют доступные с точки зрения практики методики учета наносов в гидравлических расчетах, что ограничивает принятие управленческих решений при проектировании противоэрозионных мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах. Как правило, в гидравлических расчетах принимают равномерное или квазиравномерное движение водного потока, когда установится баланс сил сопротивления и движущих сил [65]. Для гидравлического расчета сил сопротивления сдерживающих движение водного потока необходимы данные о характеристике подстилающей поверхности исследуемого мелиоративного мероприятия на водо- 85 сборной площади. Полевые эксперименты по определению основных параметров подстилающей поверхности [40, 48, 53, 56, 171, 173], таких как коэффициент гидравлической шероховатости, потенциал эрозионной стойкости почвы, количественные данные о расположении растений и пожнивных остатков на подстилающей поверхности и других критериев, обеспечат возможность получения информации о характере движения водного потока на склоне. При проектировании противоэрозионных мелиораций, как правило, преследуют цель предотвращения эрозионных процессов или разрушения дневной поверхности почвы, однако не учитывают транспортирующую способность потока. Многочисленные исследования о влиянии наносов на размыв микрорусла подтверждают, что количество наносов в потоке влияет на величину неразмывающей скорости и несколько снижает ее [159]. Фундаментальные исследования в этом направлении позволят не только установить определенные зависимости, но и раскрыть картину взаимодействия водного потока и микрорусла в динамике. Примем следующее дополнительное допущение к выше перечисленным: течение водного потока в микрорусле имеет равномерный и становившейся режим с постоянной концентрацией почвенных частиц по времени и длине пути. В реальности концентрация почвенных частиц в потоке существенно меняется. Известно, что общая масса транспортируемых почвенных частиц разделяется на транзитные наносы и руслоформирующие наносы, располагающиеся на границе взаимодействия водного потока и верхнего слоя почвы. Запишем уравнение движения временного наносонесущего водного потока в упрощенной безразмерной форме [46, 61]: i i i i i i i j is ic i i j is . где i - уклон подстилающей поверхности склона; (2.71) i - сумма уклонов гидравли- ческих потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности; i – уклон гидравлических потерь на трение [40, 175]; i – уклон гидравлических потерь на размыв подстилающей поверхности склона [146]; i – уклон гидравлических потерь на преодоление растительных элементов [34]; i – уклон гидравли- 86 ческих потерь на преодоление волнистости поверхности; i j – уклон гидравлических потерь на преодоление инерции потока; is - уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц; ic - уклон гидравлических потерь на преодоление стокоформирующей поверхности. Для анализа движения водотоков несущих наносы можно, опираясь на уравнение баланса уклонов (2.20), использовать графическую зависимость изменения уклонов гидравлических потерь водного наносонесущего потока от скорости его движения, которое будем называть гидродинамической характеристикой водного наносонесущего потока (рисунок 2.7) [61]. 0 20 40 60 … 165 i 1 Г В is Б А iс i ij iδ iγ i ψ iφ i 0 v1 vmax v, м/с Рисунок 2.7 - Гидродинамическая характеристика наносонесущего водного потока [61] Так как составляющие уравнения баланса уклонов (2.20) обратно пропорциональны величине веса рассматриваемого объема водного потока, то для использования гидродинамической характеристики водного наносонесущего потока необходимо масштаб оси ординат изменить пропорционально отношению [61]: 87 G Gв m , mв в (2.72) где G , Gв - соответственно вес мутной или осветленной воды, Н; m , mв - соответственно масса мутной или осветленной воды, кг; , в - соответственно плотность мутной или осветленной воды, кг/м3. Таким образом, в левом квадранте представляем номограмму, где через начало координат проводятся прямые под определенным углом, тангенс которого равен отношению (2.72). Воспользоваться прямыми можно при выполнении гидравлических расчетов по определению величин уклона гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц при известной мутности водного потока, т.е. i S >0. Цифровые значения, проставленные над каждой прямой в верхней части левого квадранта, соответствуют отношению выраженного в процентах [61]: G Gв в a, Gв в (2.73) где a - концентрация, для плотной среды принимаем 1,65 [146, 218]. При построении номограммы отношение плотностей для водотока с осветленной вов дой было принято равным единице, т.е. имеем arctg arctg 1 45 о [61]. в М.А. Великанов [65] решает задачу транспортирующей способности водного потока, приравнивая работу силы тяжести к сумме работ сил сопротивления и взвешивания, а также определяет критическое состояние потока с наносами, например, для наносов русловых потоков плотность твердой фазы достигает 2,65 г/см3, а максимальная величина концентрации наносов приближается к 0,38. Определение величины уклона гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц при известном количестве наносов в водном потоке движущегося по подстилающей поверхности производится следующим образом [61]. Например, необходимо определить величину уклона гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц при некоторой квазиравномерной скорости vmax и концентрации a =20%. В правом квадранте находим скорость vmax , проводим вер- 88 тикаль до пересечения с кривой 1, определяющей потери энергии водного потока на преодоление сил сопротивления созданных подстилающей поверхностью без потерь на взвешивание твердых частиц. Из точки пересечения А откладываем горизонталь до пересечения с наклонной прямой, соответствующей концентрации наносов 0% . Из полученной точки пересечения Б проводим вертикаль до прямой, соответствующей концентрации наносов 20%, получаем точку В. От точки пересечения В откладываем горизонтальную прямую до пересечения с вертикальной прямой, проложенной для скорости vmax, получаем точку Г. Таким образом, расстояние от точки пересечения Г до точки пересечения А будет представлять уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц для квазиравномерного потока. Выполняя аналогичные построения для несколько меньшей скорости v1, возможно определить уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц в данном случае только для неравномерного потока и уклон возникающей инерционной составляющей i j баланса уклонов – уклон свободной энергии [61]. Свободная энергия водотока первоначально расходуется на передвижение наносов, оставшаяся часть энергии может совершать работу по размыву подстилающей поверхности [136]. При помощи этого графика можно решать ряд обратных задач [61]. Например, вопросы транспортирующей способности потока, по передвижению твердых частиц, когда среда в своей массе движется как единое целое [34]. Применение номограммы позволяет осуществить определение допустимой концентрации наносов при известных условиях движения водного потока [241, 242]. Предположим (рисунок 2.8), требуется рассчитать скорость движения водного потока при заданных уклоне подстилающей поверхности и концентрации наносов [61]. Построения для этого варианта на графике представлены линиями со стрелками. Водоток, двигаясь по подстилающей поверхности с уклоном i и с заданной концентрацией наносов в 20%, протекает со скоростью v. Также определяем, какая часть энергии водотока тратится на преодоление сопротивлений воз- 89 никающих за счет транспорта наносов is и сопротивлений стокоформирующей поверхности ic i из общих гидравлических потерь i [61]. 0 20 40 60 … 165 i, Г В is Б А i iс+iψ i i 0 v v, м/с Рисунок 2.8 – Гидродинамическая характеристика водного наносонесущего потока для определения составляющих баланса уклонов при известном уклоне подстилающей поверхности [61] Для расчета массы наносов, выносимых с подстилающей поверхности на водосборной площади, запишем систему уравнений, полученную по графику гидродинамической характеристики (см. рисунок 2.8), учитывая уравнение (2.73) при скорости v [61]: в is i, в i i i i . c s (2.74) После преобразований системы уравнений (2.74) получим выражение [61]: в i ic i 1 в или (2.75) 90 i ic 2 . в i (2.76) Из выражения (2.76) определим плотность движущегося потока, насыщенного наносами [61]: 2 i ic в . i (2.77) Таким образом, масса движущегося потока, насыщенного наносами, учитывая выражение (2.77), будет определяться по выражению [61]: i ic m V 2 i вV , (2.78) где V – объем движущейся жидкости, м3. Разделив выражение (2.78) на время t, можно определить способность потока к переносу самой жидкости и наносов [61]: i ic в Q , R 2 i где Q (2.79) - расход движущейся жидкости, м3/с. Для расчета транспортирующей способности потока или секундной массы почвы, переносимой потоком, вычтем из правой части уравнения (2.79) произведение в Q и получим [61]: i ic в Q . Rs 1 i (2.80) Анализ полученного уравнения (2.80) выявил возможное существование трех режимов эрозионно-транспортирующей способности водного потока при его движении по подстилающей поверхности склонового агроландшафта. В первом случае рассмотрим режим, когда приращение потенциальной мощности водотока за счет сил тяжести и потери мощности на преодоление сил сопротивления и размыва подстилающей поверхности примерно одинаковы [61]: i ic i 1, (2.81) 91 т.е. имеем Rs 0 . Транспортирующая способность потока колеблется около нуля, при этом подстилающая поверхность размывается, при этом водный поток не переносит почву, поскольку не имеет достаточной мощности. Этот процесс возникает, как правило, после преодоления водотоком линии водораздела на склоне или в первоначальный период размыва поверхности [61]. Во втором случае, при соотношении [61]: i ic i 1 (2.82) имеем Rs 1, т.е. происходит транспорт наносов и размыв почвы водотоком. Рассматриваемый эрозионно-транспортирующий режим потока в основном проявляется на большей части склона, когда его мощность достигает достаточных величин для преодоления сопротивлений подстилающей поверхности, размыва почвы и на транспортирование наносов [61]. В третьем случае, при соотношении [61]: i ic i 1 (2.83) имеем Rs 1, т.е. происходит процесс аккумуляции наносов в водном потоке. При гидравлических расчетах рассматриваемого режима величина Rs имеет отрицательное значение, т.е. определяется интенсивность аккумуляции наносов, которая, например, проявляется в нижней части склона с меньшим уклоном, тогда приращение мощности водотока мало и недостаточно для смыва почвы и транспорта почвенных частиц [61]. Проверка полученного уравнения (2.80) выполнялась по результатам прецизионных экспериментальных исследований, проведенных группой ученых в лаборатории Нидерландского университета Вагенинген, достаточно подробно раскрытых в [243, 244]. Обеспечение лабораторных исследований точным и прецизионным оборудованием позволило точно скопировать реальные условия движения потока и его взаимодействие с подстилающей поверхностью. Отмечено [243, 244], что главной задачей проведенных исследований являлось определение влияния гидравлических параметров потока на транспорт почвенных частиц при протека- 92 нии по подстилающей поверхности. В качестве гидравлических параметров потока определялись расход воды, средняя скорость, уклон подстилающей поверхности, которая была создана с помощью хорошо отсортированного песка по фракциям 0,23 мм, 0,536 мм, 0,719 мм, 1,022 мм. Относительный расход воды к ширине лотка, менялся в пределах от 0,00007 до 0,00207 м2/с. Для достижения потоком воды транспортной емкости длина лотка составляла 3 метра. Таким образом, имитировались все условия для достижения точного результата моделирования изучаемого процесса [61]. Используя уравнения (2.80), получили следующие выражения для определения расхода наносов по устанавливаемым уклонам [61]: 1) для уклона i=0,176 0,073 R 1 вQ ; i (2.84) 2) для уклона i=0,132 0,082 R 1 в Q ; i (2.85) 0,071 R 1 вQ ; i (2.86) 0,049 R 1 в Q ; i (2.87) Q qB . (2.88) 3) для уклона i=0,087 4) для уклона i=0,052 где q - удельный расход водотока отнесенный к его ширине, м2/с; B - ширина водотока, м. Полученные зависимости наложили на результаты экспериментальных исследований, которые представлены на рисунке 2.9. Величина аппроксимации для уравнений (2.84), (2.85), (2.86) и (2.87) соответственно составила 0,99, 0,967, 0,993 и 0,988, а средняя величина аппроксимации по полученным уравнениям - 0,984. 93 В настоящее время получено большое число эмпирических зависимостей в лабораторных и полевых исследованиях, определяющих взаимосвязь параметров потока и стока наносов [61]. Рисунок 2.9 - График зависимости расхода наносов R от удельного расхода воды q [61] В работе [26] коллективом авторов под руководством Н.Б. Барышникова проведен довольно полный анализ формул для определению стока наносов. Выявлено, что в основном эти формулы условно разделяются на девять групп по задаваемым параметрам или признакам. Аналогичную работу провел Н.И. Маккавеев [139, 140], который установил строго закономерные соотношения между гидравлическими элементами потока и твердым расходом. К сожалению, рассмотренные эмпирические зависимости имеют ограниченный диапазон использования и в большей части используются для рек и небольших речек [61]. Поэтому был проведен сравнительный анализ, полученного уравнения (2.80) и известных эмпирических формул для определения стока наносов по ис- 94 следованиям, проведенным группой ученых в лаборатории Нидерландского университета Вагенинген в 2012 году (представлен в таблице 2.1) [61]. Таблица 2.1 – Анализ эмпирических формул по определению стока наносов для склоновых агроландшафтов [26, 38, 61, 140, 213] № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Формула Авторы R Ai0,5Q R i(Q Qo ) 2 R AQm , m=2,38 R AQm , m=3 R AQm , m=2,16 R AQm , m=1,78 и 2,45 R f (3 i ) R f (i) R f (i 0, 75 ) R f (i) при i 10о, Поляков Б.В. (1946) Никитин Я.А. (1950) Бурдыкина А.П. (1938) Кабанова К.С. (1938) Штрауб Л.Г. (1942) Достоверность, % 73 58 66 52 72 Витциг Б. (1943) 74/65 Казаков В.А. (1938) Спиридонов А.И. (1950) Корнев Л.В. (1937) 36 33 33 Лопатин Г.В. (1950) 33/35 Винтер В. (1951) Шамов Г.И. (1949) Маккавеев В.М. (1938) 30 79 72 Маккавеев Н.И. (2003) 84 Васильев С.А., Максимов И.И.(2014) 98,4 R f (i 0,86 ) при i 10о R f (i1, 25 ) R К1Q m , m1=2 R f (Q1,3 ) 1 К1 i 14 R AiQ2 , А 15 i i R 1 c в Q i Примечание: Qo - расход воды, при котором начинается размыв; А - коэффициент, определяемый особенностями почвы, растительности и другими географическими факторами; К1 - коэффициент уравнения. Таким образом, для оценки эрозионно-транспортирующей способности водотока на склоновом агроландшафте предлагается использовать энергетический подход для определения гидравлических потери на преодоление сопротивлений подстилающей поверхности, размыв почвы и транспортирование наносов водото- 95 ком и представлять решение в виде гидродинамической характеристики водного наносонесущего потока. По аналитическим исследованиям получено уравнение для определения транспортирующей способности водотока. Анализ полученного уравнения позволил выделить три режима эрозионно-транспортирующей способности водотока при его протекании по подстилающей поверхности. 2.3. Направление движения и формирование стока атмосферных осадков на склоновом агроландшафте Исследование процессов движения водного потока в плане носит принципиальный характер, поскольку, определяя экспериментально микрорельеф подстилающей поверхности, можно спрогнозировать направление движения и формирование стока атмосферных осадков на склоне, таким образом, открываются возможности непосредственного управления водотоком на склоновом агроландшафте [47]. Представим участок подстилающей поверхности в виде двумерной сетки, разбивая его поверхность в плане на ячейки (рисунок 2.10). Предположим, что нам известно направление уклона поверхности для каждой ячейки, которое и будет определять направление движения водотока на данной поверхности [47]. Рассмотрим направление движения и формирование стока атмосферных осадков на склоновом агроландшафте по рисунку 2.10. Аналитические исследования направления движения и формирования стока атмосферных осадков позволили выявить на участке три характерные зоны [47]. Начало формирования стока на склоне, как правило, закладывается на линии водораздела водосборной площади. Слияние образовавшихся микроручейков происходит в первой характерной зоне. Для этой области можно записать условие формирования водотока на водораздельной линии [47]: R11 R12 R22 , (2.89) где R11 , R12 , R22 - массовый расход микроручейков соответственно для ячеек 11, 12 и 22, кг/с. 96 Массовый расход микроручейков определим по выражению [47]: R Rs Q , (2.90) где Rs - массовый расход смываемых частиц почвы, кг/с; - плотность воды, кг/м3; Q - расход воды, м3/с. 1 1 2 2 R11 3 4 5 6 7 8 водораздел R12 Первая зона R22 3 4 5 R44 R45 Вторая зона R55 R66 6 R67 R77 7 Третья зона 8 Рисунок 2.10 - Аналитическая схема формирования и направления движения стока атмосферных осадков [47] Учитывая начало формирования микроручейков, примем для первой зоны неразмывающую скорость водотока. Тогда для рассматриваемых ячеек можно записать [47]: R11 Q11 , (2.91) R12 Q12 , (2.92) R22 (Q11 Q12 ) , (2.93) где Q11 , Q12 - расход воды соответственно для ячеек 11 и 12, м3/с. 97 Для второй характерной зоны запишем условие наполнения сформировавшегося водотока [47]: R44 R45 R55 , (2.94) где R44 , R45 , R55 - массовый расход микроручейков соответственно для ячеек 44, 45 и 55, кг/с. Учитывая, что в ячейке 44 сформировался водоток и идет процесс его наполнения за счет микроручейков с соседних ячеек, например с ячейки 45, примем для второй зоны размывающую скорость водного потока в ячейке 44 и неразмывающую скорость – в ячейке 45. Тогда для рассматриваемых ячеек можно записать [47]: R44 Rs 44 Q44 , (2.95) R45 Q45 , (2.96) R55 Rs 44 (Q44 Q45 ) , (2.97) где Q44 , Q45 - расход воды соответственно для ячеек 44 и 45, м3/с. Для третьей характерной зоны запишем условие соединения концентрированных водотоков, насыщенных наносами [47]: R66 R67 R77 , (2.98) где R66 , R67 , R77 - массовый расход микроручейков соответственно для ячеек 66, 67 и 77, кг/с. Учитывая, что в ячейках 66 и 67 сформировались мощные водотоки и происходит процесс их соединения, примем для третьей зоны размывающую скорость водных потоков. Тогда для рассматриваемых ячеек можно записать [47]: R66 Rs 66 Q66 , (2.99) R67 Rs 67 Q67 , (2.100) R77 Rs 66 Rs 67 (Q66 Q67 ) , (2.101) где Q66 , Q67 - расход воды соответственно для ячеек 66 и 67, м3/с. Итак, в результате теоретических выкладок по направлению движения и формированию стока атмосферных осадков на участке склона для трех характерных зон склонового агроландшафта получены выражения для определения массо- 98 вого расхода микроручейков с учетом массового расхода смываемых частиц почвы и расхода воды. 2.4. Математическое моделирование направления движения водотока по подстилающей поверхности Разработка методов моделирования для управления водным потоком на склоновых землях с целью уменьшения эрозионных процессов является актуальной проблемой, изучаемой многими отечественными и зарубежными исследователями [86, 134, 258, 266]. Существующие методы в основном требуют использования схематических решений и отдаленных гипотез, при применении которых получают уравнения и, решая их, получают результат, демонстрирующий существенные различия изучаемого и реального процессов. Поэтому для изучения вопроса о направлении и скорости водотока на подстилающей поверхности в первом приближении наиболее релевантным является экспериментальный метод, позволяющий получить информацию об объекте. Любая подстилающая поверхность, имеющая шероховатость, может быть охарактеризована коэффициентом гидравлической шероховатости, а ее изменение в пространстве можно представить в виде карт с изолиниями. По сути, представление коэффициента гидравлической шероховатости в виде карт с изолиниями является эквипотенциальной поверхностью [42, 77]. Опишем функцию вида φ= φ(х, y, z), представляющую собой непрерывную и однозначную в зависимости от координат х, y, z, которая при решении имеет непрерывные частные производные. В этом случае имеем представление функции в виде скалярного поля [42, 77]. В скалярном поле можно выделить определенные точки, в которых процесс протекает одинаково, т.е. коэффициент гидравлической шероховатости имеет одинаковые значения. Это можно представить в виде: φ = φ (х, y, z) = p, (p=const), (2.102) где φ – коэффициент гидравлической шероховатости, представляющий собой отношение изменения удельной энергии потока жидкости при взаимодействии с шероховатой поверхностью к удельной энергии потока при взаимодействии с 99 гладкой поверхностью; пространственная изменчивость φ на подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов представляется изолиниями на картах и при приближении описана функцией выравнивания [42, 142]. Выражение (2.102) представим в виде уравнения определенной поверхности в пространстве. Устанавливая в выражении (2.102) для величины p заданные значения p1, p2, p3… pn, имеем целый ряд поверхностей, где коэффициент гидравлической шероховатости для каждой постоянен, т.е. φ =const. В итоге получены эквипотенциальные поверхности – поверхности с постоянным значением коэффициента гидравлической шероховатости, применяемые в теории поля [42, 77]. Поскольку выражение (2.102) определяет области равного потенциала φ, то, задавая постоянной p значения p1, p2, p3… pn, получим ряд изолиний. Для того чтобы изучить пространственное распределение коэффициента гидравлической шероховатости на подстилающей поверхности, рассмотрим соседние изолинии, отличающиеся значениями коэффициента гидравлической шероховатости на φ при переходе из точки Р в точку О (рисунок 2.11). τφ Рисунок 2.11 – Расчетная схема для определения направления движения водотока Скорость изменения функции φ на отрезке РО определяется отношением φ /РО и имеет максимальные значения в точках, где расстояния между 100 изолиниями минимальны. Рассмотрев вместо прямолинейного отрезка РО произвольную кривую PA или дугу PB , определим производную функции коэффициента гидравлической шероховатости φ по длине l дуги AP , отсчитываемой с точки C: d dx dy dz . dl x dl y dl z dl (2.103) Рассмотрим единичный вектор, направление которого совпадает с движением водотока на склоне: dx dy dz i j k. dl dl dl (2.104) Градиент скалярного поля φ представляет собой вектор, в численном выражении приравненный к максимальной скорости изменения коэффициента гидравлической шероховатости φ по заданному направлению: grad i j k. x x x (2.105) Скалярное произведение на grad φ позволяет определить правую часть уравнения (2.103), то есть: d grad . dl Поэтому можно считать, что скорость (2.106) изменения коэффициента гидравлической шероховатости на изучаемой подстилающей поверхности равна скалярному произведению градиента коэффициента гидравлической шероховатости на единичный вектор направления стока атмосферных осадков. Эксперименты показывают, что значения коэффициента гидравлической шероховатости меняются вдоль склона, т.е. по направлению движения водотока. Поэтому в уравнении (2.106) перед grad φ проставлены знаки «минус» - значение коэффициента гидравлической шероховатости φ по направлению стока уменьшается, и «плюс» - значение возрастает. Кроме того, возможен случай, когда сомножители в правой части (2.106) 101 перпендикулярны (при склоновом стоке вдоль изолиний grad φ 0) или один из них равен нулю (при прохождении склонового потока по линии с φ = const, т.е. grad φ = 0): d 0. dl (2.107) Если направление grad φ совпадает с направлением стока то: d d grad max, dl dn (2.108) где dn – дифференциал нормали. Таким образом, по зависимостям (2.106), (2.107) и (2.108) может быть определена скорость изменения коэффициента гидравлической шероховатости для любой подстилающей поверхности. Для практического изображения изолиний в картах градиента коэффициента гидравлической шероховатости, рассматривая определенную водосборную площадь, достаточно применять для расчета его модуля формулу без учета третьей координаты в виде [151]: 2 grad l 1 2 l 0 ... n 1l0n 1 2 l0 ... n 1l0n . (2.109) x y 2 Сами значения модуля градиента коэффициента гидравлической шероховатости при приближении описываются функцией сплайна: φgrad = 1 +2 l + … +n+1 ln , (2.110) x(l ) Pgrad 3 , y (l ) Pgrad 3 , (2.111) x(l ) p grad ab, y(l ) p grad ab, (2.112) где i - коэффициенты, при определении которых требуется определить φl=Рφi=[хi , yi], от точки φi до точки φi+1 на заданном расстоянии l0; Рφi – множества полиномов степени не выше 3; 102 p grad a, b - множество непрерывных функций на отрезке [a, b]; хi = х(l0), yi = y(l0) – функции, определяющие параметры для пути l0 на участке [a, b] при а = l1 < l2 < …< ln = b и i = 1, n . Следовательно, для конкретной водосборной площади согласно выражениям (2.110)…(2.112) можно представить ортогональные траектории семейства кривых (рисунок 2.12) на основе экспериментально полученных значений коэффициента гидравлической шероховатости и его картирования в изолиниях методом сетей в сочетании с кригингом [42]. φ3 φ2 φ1 φgrad3 φgrad1 φgrad2 Рисунок 2.12 – Упрощенная схема расположения векторных линий для параметра φ На практике целесообразно использовать векторные φgrad- линии, приближенные сплайнами вида (2.110) и проводить прогнозные расчеты путем наложения на них факторов рельефа водосборной площади и климатических факторов. 103 2.5. Математическое моделирование направления развития микрорусла в подстилающей поверхности Прогнозирование возникновения и развития эрозионных процессов остается актуальной проблемой, изучаемой многими отечественными и зарубежными исследователями [86, 133, 146 и др.]. Существующие методы прогноза довольно часто требуют весьма длительных и трудоемких экспериментальных наблюдений за эрозионными процессами в конкретных условиях и в большинстве случаев не могут быть использованы в некоторых отличительных условиях. В ряде других методов бывает необходимо экспериментально определить критические скорости размыва для всей подстилающей поверхности или применить упрощающие процесс гипотезы, которые не всегда соответствуют изучаемому процессу или приводят к существенным погрешностям. Поэтому для изучения вопроса о направлении и скорости изменения формы подстилающей поверхности склоновым потоком предлагается с использованием экспериментальный метод точечного источника, в основе которого лежит эксперимент. Конечной целью данного исследования будет являться получение зависимости, связывающей направление развития микрорусла с ПЭС и скоростью течения потока [143]. Эрозионная стойкость может быть оценена по потенциалу эрозионной стойкости, который представляет собой энергию, необходимую для разрушения и выноса единицы массы почвы из области ее естественного залегания [148, 149, 150]. Рассмотрим потенциал эрозионной стойкости как непрерывную функцию координат = (х, y, z) с непрерывными частными производными первого порядка. Она представляет собой скалярное поле, и можно выделить точки, в которых процессы протекают однотипно [143]: = (х, y, z) = сonst. Пространственная отражена в путем геостатистике изменчивость картирования методом эрозионной изолиний кригинга ПЭС и стойкости широко (2.113) может быть используемым аппроксимирована сплайн- 104 функциями [142, 143, 147]. Поскольку выражение (2.113) определяет области равного потенциала , то придавая константе s значения s1, s2, s3… sn, получим ряд изолиний. Для того чтобы изучить пространственное распределение ПЭС на стокоформирующей поверхности, рассмотрим соседние изолинии отличающиеся значениями ПЭС на при переходе из точки Р в точку О (рисунок 2.13) [143]. τψ Рисунок 2.13 – Расчетная схема к определению градиента [143] Скорость изменения функции (х, y, z) на отрезке РО (см. рисунок 2.13) определяется отношением /РО и имеет максимальные значения в точках, где расстояния между изолиниями минимальны [143]. Рассмотрев вместо прямолинейного отрезка РО произвольную кривую PA или дугу PB , определим производную функции потенциала эрозионной стойкости по длине l дуги AP , отсчитываемой с точки C [143]: d dx dy dz . dl x dl y dl z dl (2.114) Рассмотрим единичный вектор, направление которого совпадает с движением водотока на склоне [143]: 105 dx dy dz i j k. dl dl dl (2.115) Градиент скалярного поля представляет собой вектор, в численном выражении приравненный к максимальной скорости изменения потенциала эрозионной стойкости по заданному направлению [143]: grad i j k. x x x (2.116) Скалярное произведение на grad φ позволяет определит правую часть уравнения (2.103), то есть [143]: d grad . dl (2.117) Поэтому можно считать, что скорость изменения потенциала эрозионной стойкости на изучаемой подстилающей поверхности приравнивается к скалярному произведению grad ПЭС на единичный вектор движения водотока. Эксперименты показывают, что значения потенциала эрозионной стойкости меняются вдоль склона, т.е. по направлению движения водотока. Поэтому в уравнении (2.117) перед grad проставлены знаки «минус» - значение потенциала эрозионной стойкости по направлению стока уменьшается, и «плюс» - значение возрастает [143]. Кроме того, возможен случай, когда сомножители в правой части (2.117) перпендикулярны (при склоновом стоке вдоль изолиний ПЭС, grad 0) или один из них равен нулю (при прохождении склонового потока по линии с = const, т.е. grad = 0) [143]: d 0. dl (2.118) Если направление grad совпадает с направлением стока то [143]: d d grad max, dl dn (2.119) где dn – дифференциал нормали. Таким образом, по зависимостям (2.117), (2.118) и (2.119) может быть 106 определена скорость изменения потенциала эрозионной стойкости для любой подстилающей поверхности [143]. Для практического изображения изолиний в картах градиента потенциала эрозионной стойкости, рассматривая определенную водосборную площадь, достаточно применять для расчета его модуля формулу без учета третьей координаты в виде [143, 151]: 2 grad l 1 2l0 ... n1l0n 1 2l0 ... n1l0n . (2.120) x y 2 Сами значения модуля градиента потенциала эрозионной стойкости при приближении описываются функцией сплайна [143]: grad = 1 +2 l + … +n+1 ln , (2.121) x(l ) Pgradψ3 , y (l ) Pgradψ3 , (2.122) (2.123) x(l ) s grad ab , y (l ) s grad ab , где i – коэффициенты, для при определении которых требуется определить φl=Рφi=[хi , yi] от точки φi до точки φi+1 на заданном расстоянии l0; Рgrad3 - множества полиномов степени не выше 3; s grad a, b - множество непрерывных функций на отрезке [a, b]; хi, = х(l), yi = y(l) – функции, определяющие параметры для пути l0 на участке [a, b] при а = l1 < l2 < …< ln = b и i = 1, n [143]. Следовательно, для конкретной водосборной площади по выражениям (2.121)…(2.123) можно представить ортогональные траектории семейства кривых (рисунок 2.14) на основе экспериментально полученных значений потенциала эрозионной стойкости и его картирования в изолиниях методом сетей в сочетании с кригингом [143, 148, 170, 171, 178]. Также целесообразно использовать векторные grad-линии, приближенные 107 сплайнами вида (2.121) и проводить прогнозные расчеты путем наложения на них факторов потенциала эрозионной стойкости, рельефа водосборной площади и климатических факторов [143]. ψ3 ψ2 ψ1 ψgrad3 ψgrad1 ψgrad2 Рисунок 2.14 – Упрощенная схема расположения векторных градиент линий для параметра [143] 2.6. Энергетическое обоснование движения водного потока Движение временного потока воды вдоль склона носит довольно сложный характер [196]. Поэтому установление энергии сечения потока в заданной точке по склону дает возможность выявления его энергетического состояния и дальнейшее управление им. Рассмотрим поперечное сечение потока воды, движущегося по стокоформирующей поверхности. Для этого сечения определим полную энергию потока, состоящую из потенциальной и кинетической частей [169]: 108 mv 2 , П mgh 2 (2.124) при этом удельная энергия потока может быть представлена в следующем виде, разделив уравнение (2.124) на 2/т: Э 2 gh v 2 , (2.125) где П и Э - полная и удельная энергия поперечного сечения потока, Дж и м 2/с2; m - масса воды в сечении потока, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; h высота потока в сечении, м; v - скорость воды в сечении, м/с. Высота потока определяется по уравнению неразрывности потока: h Q q , Bv v (2.126) где Q - расход потока воды, м3/с; B - ширина потока воды, м; q - единичный или удельный расход воды, м2/с. Единичный расход воды можно определить также по выражению: q I cт х , (2.127) где I cт - интенсивность стока, определяемая по интенсивности осадков и коэффициенту стока, м/с; х - расстояние от водораздельной линии до рассматриваемого сечения потока, м. С учетом выражения (2.125), (2.126) и (2.127) получим удельную энергию потока: Э 2g I ст x 2 v . v (2.128) Полученное уравнение (2.128) позволяет определять удельную энергию сечения потока при известных единичном расходе и скорости воды. Известно, что средние скорости потока воды могут лимитироваться верхним и нижним пределами размыва стокоформирующей поверхности – неразмывающей и незаиляющей скоростью при постоянном расходе воды. Однако определение и использование таких скоростей носит условный характер, поскольку при этом неизвестен характер движения и высота потока, которые существенно влияют на дальнейшее состояние и режим движения потока. Таким образом, данное уравнение достаточно 109 удобно использовать при рассмотрении эрозионных процессов на склоновых землях. Представим график зависимости энергии потока воды от квадрата скорости, полученный по выражению (2.128) на рисунке 2.15. Э, м2/с2 0,2 0,15 мм/мин минимальная энергия 0,18 0,3 мм/мин 0,16 0,5 мм/мин 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 v2, м2/с2 0 10 20 30 40 50 Рисунок 2.15 - График зависимости энергии потока воды от квадрата скорости полученный по выражению (2.128) Проведем некоторое преобразование уравнения (2.128), заменив квадрат скорости стока на потенциал эрозионной стойкости: v2 . (2.129) Тогда получим удельную энергию потока при размыве почвы на стокоформирующей поверхности: 110 Э 2g I ст x . (2.130) Известно, что поток воды имеет минимальную энергию при критической его высоте. Критическая высота по [223] определяется: hк v2 , g (2.131) С учетом уравнения (2.125) и (2.131) минимальная удельная энергия потока может быть представлена в виде: Эmin 3v 2 . (2.132) Таким образом, определены два характерных энергетических состояний потока, когда при минимальной удельной энергии Эmin воздействие потока на стокоформирующую поверхность незначительно, а по уравнению (2.130) может быть установлена удельная энергия потока, при которой начинается размыв стокоформирующей поверхности Э . В действительности энергетическое состояние потока может меняться в зависимости от уклона и шероховатости стокоформирующей поверхности [87, 214]. Поэтому определим удельную энергию потока для равномерного режима течения водного потока при известных уклоне и неровностях подстилающей поверхности. Составим систему, используя уравнение (2.129) и уравнение равномерного движения потока [73]: I x Э 2 g ст v 2 v . 2 giI x ст v 3 (1 )гл (2.133) Подставляя второе уравнение системы в первое, и преобразовав, получаем: 2 1 3 3 i (1 )гл . Э 2 gI ст x i (1 )гл 2 3 Упростим выражение, проведя замену на безразмерную величину: (2.134) 111 Д i . (1 )гл (2.135) Таким образом, после преобразований получим выражение для определения действительной удельной энергии потока равномерного движения: 2 1 Э 2 gI ст xД 3 1 . Д (2.136) Величина Д достаточно интересна, поскольку есть возможность определения относительного влияния шероховатости поверхности на уклон, т.е. выявить потери уклона. Представим график зависимости действительной энергии потока воды от параметра склона полученный по выражению (2.136) на рисунке 2.16. Для определения параметра Д при минимальной удельной энергии потока приравняем уравнения (2.132) и (2.136): 3v 2 2 gI ст xД 3 1 2 1 . Д (2.137) Решая полученное равенство, имеем Д 0,5 . Таким образом, при равномерном движении параметр Д равен 0,5, поскольку скоростной напор равен половине высоты потока на основании уравнения (2.132). В тоже время по уравнению (2.135) получим: i (1 )гл 2 (2.138) или 2i гл 1. (2.139) Уравнение (2.138) является условием установления минимальной энергии потока для равномерного движения, когда удвоенный уклон равен гидравлическому сопротивлению стокоформирующей поверхности. Откуда по выражению (2.139) можно определить коэффициент гидравлической шероховатости. Проведем замену в уравнении (2.136), получим: 2 1 Д ' Д 3 1 , Д (2.140) 112 тогда получим более простое для анализа уравнение: Э 2 gI ст x 3 Д ' . 2 (2.141) Э, м2/с2 0,2 0,15 мм/мин 0,18 0,3 мм/мин 0,16 0,5 мм/мин 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 Д 0 0 20 40 60 80 100 120 Рисунок 2.16 - График зависимости действительной энергии потока воды от параметра склона полученный по выражению (2.136) Приравняем уравнения (2.128) и (2.141) и получим выражение: 1 v2 . Д ' 3 2 gI ст х v 2 gI х ст (2.142) 113 Представим график зависимости параметра склона Д', полученного по выражению (2.142) от квадрата скорости потока при разной его интенсивности на рисунке 2.17. Д' 3,5 3 2,5 2 1,5 0,9 мм/мин 0,7 мм/мин 0,5 мм/мин 0,3 мм/мин 0,1 мм/мин 1 0,8 мм/мин 0,6 мм/мин 0,4 мм/мин 0,2 мм/мин 0,5 0 0,01 v2, м2/с2 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Рисунок 2.17 - График зависимости параметра склона Д', полученного по выражению (2.142) от квадрата скорости потока при разной его интенсивности Таким образом, установлена зависимость изменения параметра склона Д' от квадрата скорости потока при разной его интенсивности. Регулируя и задавая параметр склона, возможно управлять энергетическим состоянием и режимом движения водного потока на подстилающей поверхности склона. 114 2.7. Сравнение результатов расчета водной эрозии почвы с данными наблюдений на склоновых агроландшафтах Для сопоставления данных полученных при расчете водной эрозии почвы с данными известных исследований, несколько преобразуем математическую модель с целью получения выражения для определения интенсивности стока на склоновом агроландшафте [42, 57]. Определим расстояния х1 от водораздела, где предположительно начинается эрозионный процесс. С учетом (2.20) и (2.80) при Rs 0 и v 2 , после преобразований, запишем следующее выражение [42, 57]: v3 1 3/ 2 1 i 1 гл 2 1 гл 2 , 2qg 2 gI ст (t ) x (2.143) где I cт (t ) - интенсивность стока на расстоянии х от водораздела, м/с. После преобразования, выделив скорость потока и умножив на время в квадрате, получим [42, 57]: х1 3/ 2 1 1 гл 2 . 2 gI ст (t )i (2.144) Если расстояние х < х1 , то энергия водотока недостаточна для размыва подстилающей поверхности. При х > х1 получаем активно протекающий эрозионный процесс для участка длина которого определяется по выражению [42, 57]: l A x2 x1 . (2.145) С учетом (2.20) и (2.80) определим расстояние х2 от водораздельной линии: х2 iТ 2 1 1 1 гл 2 2 2 I ст (t ) 1 , (2.146) где Т - время воздействия водного потока на подстилающую поверхность с постоянной интенсивностью (Iст (t) = const) [42, 57]. Для определения длины участка с активной эрозией почвы применяем выражение (2.145) с учетом (2.146) и (2.144) [42, 57]: 115 lA iТ 22 1 1 1 гл 2 2 I ст (t ) 2 1 - 1 1 гл 2 . (2.147) 2 gI ст (t )i 3/ 2 Преодолевая участок активной эрозии почвы, водоток насыщается почвенными частицами до величины транспортирующей способности, т.е. S S max . По данным Максимова И.И. [146], величина достигает S max ≈0,38. Плотность двь двухфазного водотока определяется по выражению [146]: дв = (1-S) +sS, (2.148) где S – концентрация почвенных частиц в водотоке; s – плотность почвенных частиц по твердой части; - плотность воды. Тогда для наносонасыщенного водотока принимаем для s = 2650 кг/м3, = 1000 кг/м3 и S max ≈0,39 [42, 57]. В процессе насыщения водотока почвенными частицами происходит постепенное прекращение разрушения размыва подстилающей поверхности. Энергия водного потока будет недостаточной для дальнейшего разрушения и выноса почвенных частиц, поскольку потери водотока в целом идут на взвешивание частиц и преодоление шероховатости подстилающей поверхности. Изменение энергетического баланса согласно выражению (2.26), например, возникает при некотором изменении гидравлической шероховатости подстилающей поверхности или скорости стока атмосферных осадков. Аккумуляцию почвенных частиц может вызвать увеличение гидравлического сопротивления подстилающей поверхности или уменьшении интенсивности стока. В противном случае эрозионный процесс продолжается и длина участка активной эрозии почвы, несомненно, увеличивается [42, 57]. Представим уравнение (2.80) через интенсивность стока в м3/с или кг/с, разделив рассматриваемое выражение на S [42, 57]: i i VЭ 1 c в I cт (t ) xВ , i s (2.149) 116 i i qЭ 1 c в I cт (t ) xВ , i (2.150) где В – элементарная ширина линейного канала по изолиниям, м [42, 57]. Выражения (2.149) и (2.150) применяются при расчете интенсивности эрозионного процесса почв согласно методике, предложенной И.И. Максимовым [42, 146, 147]. На цифровой карте местности рассчитываются линии, которые перпендикулярны горизонталям склона и совпадают с направлением движения водотока, учитывая известных исходных данных Iст (t), i, , φ, s [42]. Установленные линии обрабатываются приближением сплайнов, перпендикулярных сплайн-функциям горизонталей склона. Полученная координатная система представляет собой две взаимно ортогональные траектории семейства кривых. Далее между линиями наибольшего ската отмечаются кривые раздела, определяемые равноудаленными сплайн-функциями [42, 57]. Исследуемая водосборная площадь склонового агроландшафта делится на элементарные площадки, которые имеют вытянутую форму по линиям наибольшего ската и представляют собой ряды линейных каналов. Рассчитываемый линейный канал разделяется на элементарные участки с относительно постоянными характеристиками: потенциалом эрозионной стойкости, коэффициентом гидравлической шероховатости, средним уклоном и др. Далее для исследуемого участка с применением выражений (2.144) и (2.146) вычисляются расстояния х1 и х2, а по выражениям (2.149) или (2.150) определяется объем или масса смываемой почвы за единицу времени. Умножая полученные величины на время при постоянной интенсивности стока, рассчитываем расход твердого стока [42, 57]. Вследствие изменения интенсивности стока расчет проводят повторно через определенное время и снова определяют те же параметры эрозионного процесса. Складывая последовательно получаемый каждый раз при определенной интенсивности стока и продолжительности времени расход твердого стока, находят общий твердый расход за рассчитываемое время [42, 57]. 117 Таким образом, применяя выражения (2.149) или (2.150), возможно определить по почвенным характеристикам и условиям антропогенного воздействия общий твердый расход стока за рассчитываемое время, площади линейных каналов, подверженных водной эрозии почвы, спрогнозировать количество смытой почвы при заданной интенсивности стока и другие параметры [42, 57]. С цель проверки полученных выражений (2.149) и (2.150) нами выполнено сопоставление результатов расчета склоновой эрозии с данными наблюдений, проведенных различными исследователями. Выборочно результаты представлены в таблице 2.2 [42, 57]. При выполнении расчетов, в разработанные выражения подставлялись наиболее вероятные значения параметров, которые приближенно могли охарактеризовать исследуемые участки. Таблица 2.2 - Сравнение результатов расчета водной эрозии почвы с данными наблюдений на склоновых агроландшафтах [42, 57] Агрофон на стоковых i, площадках град 1 2 Стоковая площадка: Картофельное поле [156]: 5,7 Полтавская обл., Полтавский район, к-з им. Свердлова, озимая пшеница [146]: 1,5 Полтавская обл., Полтавский район, к-з им. Суворова; [146]: ранний пар 6 кукуруза, посев 6 озимая пшеница 6 Iос(t), мм kст мин 3 4 , мм 5 , k 6 7 Дж га 8 qэн, т/га qэ , т/га 9 10 0,13 0,110 23,0 0,15 3,0 0,80 0,92 0,96 0,02 0,238 45,43 0,15 3,0 0,65 0,26 0,21 2,0 2,0 2,0 0,30 49,9 49,2 0,70 15,7 16,1 1,50 8,0 8,15 2 2 2 0,075 10 0,042 10 0,037 10 0,30 0,30 0,30 118 Продолжение таблицы 2.2 1 Днепропетровская обл. [156]: жнивье овса черный пар Воронежская обл. и др. [146]: Отвальная вспашка Прерывистое бороздование зяби Отвальная вспашка на глубину 20…22 см Отвальная вспашка на глубину 20…22 см + почвоуглубление на 12...15 см Безотвальное рыхление на глубину 35 см 2 3 4 5 6 7 3 6 1,0 1,0 0,46 0,25 60 60 0,20 0,20 2,0 3,0 0,50 4,43 4,38 0,40 7,55 6,99 4 0,05 0,35 87,00 0,13 2,0 0,3 11,00 10,91 4 0,06 0,26 88,00 0,13 3,0 0,2 6,5 6,3 4 0,06 0,35 93,0 0,13 2,0 0,3 7,3 7,47 4 0,06 0,20 90,0 0,12 3,0 0,4 2,0 1,87 4 0,06 0,30 95,3 3,0 0,5 4,0 3,65 0,2 8 9 10 Примечание: в таблице приведены следующие обозначения: i - уклон склона, Iос (t) - интенсивность осадков, kст - коэффициент стока, - сумма осадков, φ – коэффициент гидравлической шероховатости, k - коэффициент волнистости (изборожденности), - потенциал эрозионной стойкости поверхности почвы, qэн – потери почвы по данным известных исследований; qэ – рассчитанная величина потерь почвы по выражению (2.150) В целом проведенное сопоставление рассчитанного твердого стока с помощью разработанных выражений с данными наблюдений позволяет удовлетворительно оценить полученные результаты. Возникновение некоторого расхождения данных наблюдений и расчетных значений неизбежно вследствие многофакторности изучаемого процесса. 119 2.8. Выводы по главе 2 1. На основании системного анализа полученного уравнения движения временного водного потока на подстилающей поверхности склонового агроландшафта выявлены основные гидравлические потери водного потока: на трение, на размыв подстилающей поверхности склона, на преодоление растительных элементов, на преодоление волнистости поверхности, на преодоление инерции потока, на взвешивание твердых частиц, и основные параметры подстилающей поверхности, определяющие эти потери и характеризующие эрозионный процесс почвы: коэффициент гидравлической шероховатости; потенциал эрозионной стойкости почвы, комплексная гидродинамическая характеристика растительного слоя, коэффициент гидродинамического сопротивления волнистости поверхность или дискретного препятствия. 2. Для решения данного уравнения предлагается использовать аналитический метод, рассматривая 5 частных случаев решения или графоаналитический метод, применяя разработанную гидродинамическую характеристику водного потока, движущегося по подстилающей поверхности склонового агроландшафта. Установлено, что графический способ решения имеет целый ряд преимуществ по сравнению с аналитическим: обеспечивает наглядность представления динамического процесса взаимодействия водного потока с подстилающей поверхностью, дает возможность рассматривать развитие и направление динамического процесса при заданных первоначально условиях, что несколько упрощает анализ процесса и принятие конкретных решений. 3. На основании теоретических исследований получено выражение для определения транспортирующей способности водного потока, анализ полученного выражения позволил выделить три режима эрозионно-транспортирующей способности водного потока при движении водотока по подстилающей поверхности. Полученную зависимость наложили на результаты широко известных экспериментальных исследований и получили среднюю величину аппроксимации 0,984. 120 4. Математическим моделированием направления движения временного водного стока и развития микрорусла на склоновом агроландшафте установлена возможность представления изменения градиентов коэффициента гидравлической шероховатости и потенциала эрозионной стойкости, экспериментально определяемых с помощью технических средств контроля в виде ортогональных траекторий семейства кривых, что позволит накладывать и анализировать изменение исследуемых параметров на картах в изолиниях. 5. Установлена зависимость изменения параметра склона Д от квадрата скорости потока при разной его интенсивности от 0,1 мм/мин до 0,9 мм/мин. Параметр склона Д менялся от 1,8 до 3 и более при увеличении квадрата скорости от 0,01 м2/с2 до 0,06 м2/с2. Регулируя и задавая параметр склона, можно управлять энергетическим состоянием и режимом движения водного потока на подстилающей поверхности склона. 6. Достаточная доверительная вероятность разработанных выражений для расчета водной эрозии почвы подтверждена в результате сравнения результатов расчета водной эрозии почвы с данными наблюдений на склоновых агроландшафтах, выполненных другими исследователями. Установлено, что разработанные выражения для расчета и прогноза эрозии почвы позволяют получить результаты в пределах удовлетворительной доверительной вероятности (±5%). Проведенный анализ известных исследований и полученные теоретические выкладки подвели к практическому направлению решения поставленных задач и обеспечили основу для разработки методики экспериментальных исследований. 121 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1. Методика и профилометр для определения направления движения стока атмосферных осадков 3.1.1. Устройство профилометра и принцип работы Для проведения количественного наземного мониторинга противоэрозионных и мелиоративных мероприятий на склоновых агроландшафтах предлагается использовать профилометр [47, 186], разработанный с учетом работы [112]. Принципиальная схема конструкции профилометра приведена на рисунке 3.1, на рисунке 3.2 – электрическая схема для получения информации, а также общий вид спроектированного и изготовленного устройства - на рисунке 3.3. Устройство состоит из рамы 1 с четырьмя втулками 2, в которых установлены опоры 3 с фиксаторами 4, а в центре рамы 1 размещен винтовой механизм, состоящий из винта 5 с рукояткой 6 со счетчиком оборотов и угла поворота рукоятки 7, центральной гайки-упора 8, нижней гайки 9, установленной на платформе 10, в отверстиях которой находятся подвижные щупы-стержни 11. На раме установлен уровень 12 [47]. Для повышения точности определения момента контакта щупа-стержня 11 о профилируемую поверхность почвы используется электрическая цепь (рисунок 3.2), включающая последовательно положительный полюс источника питания 13, ключ 14, диод 15, гибкий провод 16, упоры-кольца 17, выполненные из электропроводящего материала, и платформу 10, являющуюся общей «массой» и соединенную с помощью гибкого провода с отрицательным полюсом источника питания 13. Щупы-стержни 11 выполнены из диэлектрического материала с металлическими шляпками, а платформа 10 является общей массой и соединена с помощью гибкого провода 16 с отрицательным полюсом источника питания 13. Щупыстержни 11 расположены в отверстиях на одинаковом расстоянии друг от друга в узлах двухмерной сетки 18, образованной из продольных и поперечных прямых. 122 Все диоды 15 имеют нумерацию, соответствующую нумерации щупов-стержней 11, с которыми они соединены и установлены в экран, жестко закрепленный на раме (см. рисунок 3.1 б) [47]. 12 8 7 11 10 6 5 1 2 4 3 9 17 а 4 2 11 18 б Рисунок 3.1 - Принципиальная схема конструкции профилометра [47, 186] 123 13 14 16 15 11 16 Рисунок 3.2 - Электрическая схема для снятия данных [47, 186] Устройство функционирует следующим образом. Предварительно перед измерением рама 1 устройства устанавливается горизонтально с помощью опор 3 по уровню 12 и закрепляется винтовыми фиксаторами 4. Включают ключ 14 для замыкания электрической цепи и загорания всех диодов 15 на экране [47]. После этого рукояткой 6 вращают винт 5 и опускают платформу 10 со щупами-стержнями 11 до первого соприкосновения одного из стержней с поверхно- 124 стью почвы. Этот момент определяют по разрыву цепи и погасанию соответствующего диода 15. Номер погасшего диода 15 записывают в журнал наблюдений, а положение платформы 10 берут за исходное [47]. Далее продолжают вращать винт 5 до следующего погасания диода 15 вследствие разрыва электрической цепи при соприкосновении соответствующего стержня о поверхность почвы. Количество выполненных оборотов и угол поворота от исходного положения рукоятки при неполном обороте в градусах считывают со счетчика оборотов и угла поворота рукоятки 7 и записывают в журнал наблюдений для погасшего диода [47]. Величину поступательного перемещения платформы 10 определяют по формуле [47]: L s k , 360 (3.1) где L - поступательное перемещение платформы, мм; s - шаг резьбы, мм; k число полных оборотов винта; γ – угол поворота от исходного положения рукоятки при неполном обороте, град. а б Рисунок 3.3 - Общий вид спроектированного (а) и изготовленного устройства (б) [47] 125 Затем продолжают вращать винт 5 с рукояткой 6 и проводят опыты по вышеприведенной методике, пока не погаснут все диоды 15 [47]. Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений, где строится схема в виде двухмерной сетки, в каждом узле которой записываются данные (вертикальное перемещение) для соответствующего щупа-стержня 11. На основе этих данных строится поверхность отклика (стационарное возвышение узлов), по которой определяется направление стока атмосферных осадков в полевых условиях [47]. 3.1.2. Обоснование конструктивно-технологических параметров профилометра для определения направления движения стока атмосферных осадков С опорой на известный ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики» [80] выделяя базовую длину на исследуемом участке, необходимо определить 5 максимальных и 5 минимальных значений профиля. В итоге имеем 10 регистрируемых точек. Расстановка щупов-стержней на платформе устройства для профилирования выполнена по узлам двухмерной сетки. Расстояние между щупами-стержнями обоснуем согласно схеме, представленной в виде сечения устройства в поперечной плоскости на рисунке 3.4. Рассмотрим поверхность почвы после основной обработки. Сечение обработанной поверхности 1 в первом приближении можно представить в виде синусоиды 2: yi d sin 2zx i , 2 (3.2) где y – вертикальная координата, d – высота гребней, м; z – пространственная частота гребней или борозд, м-1; х – горизонтальная координата, м. Гармонические колебания синусоиды совпадают с технологическими бороздами и гребнями, образованными в результате обработки почвы. 126 у с 1 х а 2 в в Рисунок 3.4 – Схема к обоснованию параметров прибора: а - расстояние между дном борозды и вершиной гребня, в – расстояние между соседними технологическими бороздами, с – расстояние между соседними щупами-стержнями Шаг синусоиды можно определить из выражения: 2zx i arcsin 2 yi 2k , k Z . d (3.3) При условии, что пространственная частота определяется по отношению в виде: 1 z , в (3.4) получим после преобразования (3.3) периодичность функции: в 2хi , k Z , 2 yi arcsin 2k d где в – расстояние между соседними технологическими бороздами, м. (3.5) 127 Таким образом, чтобы определить и замерить горизонтальные геометрические изменения поверхности после обработки почвы, необходимо определить расстояние между дном борозды и вершиной гребня. Определим расстояние между дном борозды и вершиной гребня по горизонтали, используя соотношение: а в 2 хi 2y arcsin i 2k d , k Z . (3.6) Известно, что при предпосевной подготовке почвы и посеве расстояние между рабочими органами противоэрозионных машин составляет 2,5…8 см. Например, расстояние между дном борозды и вершиной гребня по горизонтали будет изменяться при бороновании в диапазоне 2,5…4 см, при посеве - 3…4 см, при дисковании почвы и лущении стерни - 5…8 см. А пространственная частота технологических гребней или борозд будет меняться соответственно при бороновании 40…25 м-1, при посеве - 33…25 м-1, при дисковании почвы и лущении стерни - 20…12,5 м-1 ( количество технологических гребней или борозд на 1 метре). Исходя из этого, примем среднее расстояние по формуле (3.6) между соседними щупами-стержнями с = а = 4…5 см. Используя винтовой механизм в устройстве, шаг резьбы выбирают исходя из вертикального перемещения основания с щупами-стержнями за один оборот. Для повышения точности за четверть оборота щупы-стержни должны опускаться на 1…2 мм с целью постоянного контроля. Тогда, используя трапецеидальную резьбу, принимаем ее шаг за 5…7 мм, что обеспечит при повороте на 1 градус перемещение платформы на 0,014…0,019 мм, а на 90 градусов – до 1,75 мм. 3.2. Устройство и методика для моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности Во время исследований целого ряда различных физических явлений и процессов используется метод источников [224]. Принцип способа заключается в следующем: на исследуемый материал действуют источником (точечным, линей- 128 ным или плоским) с известными данными, далее анализируется воздействие на материал по имеющейся информации. Моделирование направления движения водотока по подстилающей поверхности проводилось с помощью устройства, разработанного при ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА [55]. Нами в качестве источника создается поток воды с определенным расходом, взаимодействующий с поверхностью с заданными свойствами. На рисунке 3.5 приведена принципиальная схема, а на рисунке 3.6. - общий вид устройства для моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности [55]. ζ 4 α ε 3 α 4 α 2 α 5 α α α 1 α Рисунок 3.5 - Схема устройства для моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности [55] Устройство состоит из рамы 1 и съемной наклонной поверхности 2, шарнирно установленной на раме 1. Подача воды на наклонную поверхность 2 выполняется с помощью сосуда Мариотта 3 непосредственно трубопроводом и насадком 4. В сосуде Мариотта имеется трубка для задания постоянного расхода и 129 патрубок для подачи воды. На выходе наклонной поверхности 2 установлена емкость 5 для стекающей воды [55]. Для создания заданных шероховатых поверхностей в лабораторных условиях на стекло наклеивается песок исследуемой фракции с помощью клея. Применяя ситовый способ выделения фракций частиц по геометрическим размерам, разделяют песок на группы с заданными параметрами. Выбирают группы песка с диаметрами, соответствующими диаметрам водопрочных агрегатов почвы, наиболее распространенных на исследуемом склоновом агроландшафте [55]. Проведя подготовительные операции по созданию заданных поверхностей с учетом вышерассмотренной последовательности, выполняют эксперимент. Рисунок 3.6 - Общий вид устройства для моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности Устанавливаются продольный угол наклона исследуемой поверхности α и за счет поворота съемной наклонной поверхности 2 угол отклонения эквипотенциальных поверхностей коэффициента гидравлической шероховатости относительно продольной оси ζ. Применяя емкость Мариотта 3, регулируют и задают 130 расход жидкости. При использовании микрометра, с установленной на нем иглой, определяется глубина водного потока на выходе с наклонной поверхности 2 (условно не показано) [55]. В процессе опыта определяются расход воды, скорость истечения, высота и ширина потока воды в выходной части наклонной поверхности, угол отклонения направления движения водотока относительно продольной оси. Направление движения водотока и его отклонение от продольной оси исследуются с помощью замера линейных размеров водного потока. Также применяются фотографии, выполненные параллельно поверхности через известную продолжительность времени. Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений [55]. Таким образом, разработана методика моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов методом источника. 3.3. Устройство и методика для моделирования развития микрорусла в подстилающей поверхности Моделирование развития русла подстилающей поверхности образцов почвы проводилось с помощью устройства, разработанного в ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА [143, 176] c учетом разработок [5, 12, 22, 85]. Нами в качестве источника создается поток воды с определенным расходом, взаимодействующий с поверхностью с заданными свойствами. Схема устройства для моделирования развития русла подстилающей поверхности методом точечного источника приведена на рисунке 3.7. На рисунке 3.8 показаны устройства для моделирования развития русла подстилающей поверхности и измерения ПЭС в полевых условиях [172]. Установка включает раму 1, съемный лоток 2, дно 3 которого перфорировано отверстиями и создано шероховатым с целью выделения воды из исследуемого материала. Дно 3 наполняется почвой 4. Подача воды на исследуемую поверхность выполняется с помощью сосуда Мариотта 5, непосредственно трубопрово- 131 дом 6 с зажимом 7 и насадкой 8. В сосуде Мариотта 5 имеется трубка 9 для задания постоянного расхода и патрубок для подачи воды 10 со шкалой расхода 11. На выходе съемного лотка 2 установлены емкости для воды 12 и для стока 13 [143, 176]. 10 9 5 11 7 8 2 6 13 12 3 1 4 Рисунок 3.7 – Принципиальная схема устройства для моделирования развития русла подстилающей поверхности [143, 176] Для проведения экспериментов использовалась дерново-подзолистая легкосуглинистая почва Вурнарского района Чувашской Республики. Окраска почвы светло-серая, она малоплодородна [163], образована на суглинках, после увлажнения сильно уплотняется, покрывается коркой и делается труднопроницаемой для воды и воздуха (объемная масса 1,62 г/см3, плотность твердой фазы 2,63 г/см3, коэффициент фильтрации (0,05-0,44)10-5 м/с, содержание гумуса 1,63%, удельная поверхность твердой фазы 31,4 м2/г, 132 пористость 0,451). Характеристики почвы определялись классическими методами [209], а удельная поверхность - аэродинамическим методом [14]. а б Рисунок 3.8 - Устройства для моделирования развития русла подстилающей поверхности (а) и измерения ПЭС в полевых условиях (б) [143, 172, 176] Исследуемая почва просеивалась в воздушно-сухом виде ситовым способом с применением решета с отверстиями 1 мм и располагалась в съемном лотке 2 под заданным углом [143, 176]. Порядок размещения образцов почвы на съемном лотке может быть различным: А-Б-В, Б-В-А, В-А-Б и т.д. Рассматривание некоторых, в общем случае нехарактерных, комбинаций следования горизонтов объясняется тем, что, например, на участок с оголенным горизонтом В (имеющим какое-либо значение ПЭС) эрозионными потоками нанесены частицы, смытые из А (с другим значением ПЭС). Образцы просеиваются и увлажняются для большего приближения экспериментов к реальности (аккумулированные слои состоят из нанесенных частиц). Выполнив взвешивание, съемный лоток располагаем в ванной с жидкостью на сутки. Почва увлажняется снизу путем насыщения водой от нижних слоев к верхним, таким образом обеспечивается выдавливание воздуха и не возникает его защемление во внутренних слоях. После увлажнения съемный лоток еще раз взвешивают и размещают на установке для проведения эксперимента. Применяя емкость Мариотта, задаем расход 133 воды Qв [143, 176] В процессе опыта определяются расход воды Qв, масса mn разрушенной и вынесенной потоком почвы, продолжительность опыта. Развитие русла на поверхности образцов почвы исследуется с помощью замера инструментом отклонения водного потока от продольной оси, в тоже время применяются фотографии, выполненные параллельно поверхности через известную продолжительность времени [143, 176]. 3.4. Профилографы и методика для определения среднего уклона, шероховатости и волнистости элементарной площадки в полевых условиях 3.4.1. Устройство профилографов и принципы их работы Для проведения экспериментальных исследований на склоновых землях разработан способ определения среднего уклона [187] и других параметров подстилающей поверхности на элементарной площадке в полевых условиях и профилографы для его осуществления, учитывая работы [6, 7, 8, 93, 115, 177, 194, 278]. На рисунке 3.9, а приведена принципиальная схема установки [187], на рисунке 3.9, б – вид сверху, на рисунке 3.9, в – вид А. На рисунке 3.10 представлен общий вид контактного профилографа, на рисунке 3.11 – расположение устройства на склоне [187]. Устройство состоит из рамы 1 с тремя опорами 2, по центру которой вертикально расположена шарнирно-фиксируемая ось 3, подшипника качения 4, телескопического плеча 5 с жестко закрепленной перпендикулярно на конце стойкой 6, поводка 7 в виде параллелограмма, ролика 8 и механизма считывания вертикального перемещения ролика, состоящего из датчика перемещения 9, жесткой ленты с продольной рамкой 10 и направляющей 11 закрепленной на кронштейне 12. На раме установлен уровень 13. Для определения угла поворота стойки 6 вокруг центра устройства применяется датчик перемещения 9, который закреплен 134 на телескопическом плече 5 и скользит по поверхности диска 14 жестко закрепленного на оси 3. 5 4 14 6 9 9 3 1 5 2 а γ А 13 14 б 9 В дА 6 12 11 10 V 7 8 в Рисунок 3.9 - Принципиальная схема контактного профилографа [187] 135 Предварительно перед измерением рама 1 профилографа устанавливается опорами 2 на исследуемом участке, а с помощью уровня 13 находят вертикальное положение оси 3 и фиксируют его (см. рисунок 3.9) [187]. Выставляют вылет телескопического плеча 5 в зависимости от величины неровностей поверхности элементарной площадки поля. Вылет зависит от вида обработки и типа почвы, например, после вспашки - вылет больше, обработка почвы под посев - вылет меньше и т. д. Таким образом, имеется возможность установить определенный радиус траектории движения ролика и получить необходимую базовую длину, которая должна быть такой, чтобы в ее пределах находилось около пятидесяти пересечений профиля со средней линией [187]. Датчики перемещения 9 подключаются через радиочастотную связь к компьютеру или ноутбуку и открывают записывающую программу [187]. Далее вращают телескопическое плечо 5 с постоянной скоростью. В этот момент ролик будет двигается по окружности и копировать неровности участка. Параллелограммный механизм позволит передать только вертикальное перемещение ролика через считывающий механизм (см. рисунок 3.9) [187]. Рисунок 3.10 – Общий вид контактного профилографа [187] 136 С поверхности диска 14 также будет передаваться информация о пройденном расстоянии датчиком перемещения 9. Выполнив один оборот вокруг оси 3, проводят анализ полученной информации и строят график на компьютере [187]. С едняя л н я α Рисунок 3.11 – Схема расположения устройства на склоне [187] На рисунках 3.12 и 3.13 приведены принципиальная схема и общий вид изготовленного бесконтактного профилографа, разработанного с учетом преимуществ и недостатков контактного профилометра. 10 4 7 5 8 9 6 2 1 3 Рисунок 3.12 – Принципиальная схема бесконтактного профилографа [52] 137 Устройство состоит из массивного основания со стержнями 1 для фиксации на поверхности почвы, на которое с помощью подшипника устанавливается ось 2, в нижней части которой крепится энкодер – угловой датчик 3, а в верхней части перпендикулярно закреплено подвижное плечо 4 [52, 187]. На одной стороне подвижного плеча 4 располагается противовес 5, а на другой - лазерный датчик положения 6 установленный с помощью стержня 7 , что позволяет изменять начальное положение лазерного датчика 6 по вертикали. В верхней части оси 2 установлен электронный блок обработки сигналов 8, который подсоединен с помощью USB-кабеля к ноутбуку 9. На оси 2 также крепится уровень 10 [52]. Устройство функционирует следующим образом. Предварительно профилограф устанавливается строго вертикально по уровню 10 во всех направлениях, перемещая плечо 4 по окружности. Электрическое питание для датчиков угла и положения подается от ноутбука 9. Запускается компьютерная программа «РФ 605+энкодер» на ноутбуке 9 [52]. Рисунок 3.13 – Общий вид изготовленного бесконтактного профилографа 138 Далее медленно вращают плечо 4 вокруг основания 1. Выполняя один оборот, лазерный датчик положения 6 сканирует поверхность почвы и передает информацию в электронный блок обработки сигналов 8. В основу работы лазерного датчика положения заложен метод определения расстояния с помощью лазера [277] (рисунок 3.14). Лазерный луч освещает точку на дневной поверхности почвы (рисунок 3.15), до которой устройству необходимо измерить расстояние. Рассеянное отражение от точки поверхности почвы принимается CCD-линейкой. Электронный блок сигналов определяет длину до поверхности почвы по расположению сфокусированного пятна на CCD-линейке [52, 277]. Б Д Рисунок 3.14 - Принципиальная схема работы датчика положения [52, 277]: Б – базовое расстояние замера от датчика до подстилающей поверхности, Д – диапазон измерений при изменении высоты нервоностей подстилающей поверхности В тоже время энкодер 3 замеряет положение оси 2 относительно основания 1 и также пересылает мгновенные значения угла поворота в электронный блок обработки сигналов 8 [52]. 139 а б Рисунок 3.15 – Фрагмент работы лазерного датчика положения с проекцией его луча на поверхность почвы: а) фрагмент сканирования лазерным датчиком поверхности почвы; б) проекция светового пучка красного цвета от лазерного датчика на поверхности почвы 140 Таким образом, в электронный блок обработки сигналов поступают 2 сигнала одновременно, которые после обработки передаются на ноутбук 9. Компьютерная программа позволяет представить информацию в полярных координатах для двух параметров: расстояния между датчиком положения и поверхностью почвы, а также соответствующего этому положению угола поворота от нулевой отметки [52]. Применяемый триангуляционный лазерный датчик предназначен для бесконтактного определения размеров, профиля поверхности, деформаций, вибраций, сортировки, распознавания технологических объектов, измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов [277]. Основные технические характеристики датчика представлены в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Основные технические характеристики лазерного датчика РФ605- 105/500 [277] № п/п 1 2 3 4 Наименование Граничное расстояние, мм Диапазон измерения датчика, мм Линейность датчика, % Разрешение датчика, % 6 Максимальная частота обновления данных, Гц Источник излучения 7 8 9 10 11 Напряжение питания, В Потребляемая мощность, Вт Окружающая температура, °С Относительная влажность Вес (без кабеля), грамм 5 Значение 105 500 ±0,1 от диапазона 0,01 диапазона (только для цифрового выхода) 2000 видимый красный полупроводниковый лазер, длина волны 660 нм 24 (9 …36) 1,5..2 -10…+60, 35…85% 60 Подробное представление элементов конструкции и принципа работы бесконтактного профилографа можно увидеть на рисунках 3.16 и 3.17. 141 Рисунок 3.16 – Крепление энкодера – датчика положения угла на основание Рисунок 3.17 - Электронный блок обработки сигналов установлен на оси 142 С целью автоматизации процесса определения параметров дневной поверхности почвы разработана программа, позволяющая непосредственно проводить расчет и выводить информацию на экран монитора (рисунок 3.18). Рисунок 3.18 – Мгновенная передача информации на ноутбук и ее обработка в компьютерной программе Использование метода скользящего среднего позволяет разбить данные на составляющие по выражению [17, 63]: y(t)= s(t) +k(t) +(t), (3.7) где s(t) – средний уклон поверхности, k(t) – волнистость поверхности, (t) – шероховатость поверхности. Таким образом, при обработке информации имеется возможность выделить на общем фоне s(t) – средний уклон поверхности, случайно расположенные неровности (t) – шероховатость поверхности и технологические борозды k(t) – волнистость поверхности (рисунок 3.19). Предложенные методики определения параметров подстилающей поверхности в полевых условиях упрощают способ и повышают точность определения 143 среднего уклона, шероховатости и волнистости дневной поверхности почвы на элементарной площадке. Рисунок 3.19 – Обработка скользящими средними данных для измеряемого участка 3.4.2. Обоснование конструктивно-технологических параметров профилографов При условии сканирования профилографом абсолютно гладкой наклонной поверхности величину вертикального перемещения относительно угла поворота устройства согласно расчетной схеме (рисунок 3.20) определяют по формуле: h Rtg (1 cos ), (3.8) где R – радиус окружности описываемой роликом или датчиком положения (вылет плеча), м; α – угол уклона элементарной площадки, град; γ – угол поворота от исходного положения плеча, град [187]. Таким образом, полученная экспериментальная линия строится в полярных координатах h-γ (величина вертикального положения - угол поворота) или в декартовых координатах виде развертки и выводится полиномиальная линия тренда 4 степени, а также ее уравнение [187]. 144 R γ h α Рисунок 3.20 - Расчетная схема для определения величины вертикального перемещения ролика относительно угла поворота устройства для абсолютно гладкой наклонной поверхности [187] Подставляя в уравнение полиномы, угол γ=180 градусов получим максимальную высоту h положения ролика относительно горизонта, например, для экспериментальной линии имеем h = 0,175 м. Для определения действительного уклона элементарного участка получен график зависимости этого уклона от максимальной высоты h положения ролика относительно горизонта при γ=180 градусах. Применяя график на рисунке 3.21, можем определить графически или аналитически по уравнению средний уклон элементарной площадки в полевых условиях для конкретного вылета телескопического плеча, например, при h = 0,175 м для вылета плеча в 1 метр получим α ≈5 градусов [187]. Среднее значение уклона элементарной площадки определяется по выражению [52]: i Н max H min , D (3.9) где Н max , H min - максимальное и минимальное значение расстояния между датчиком положения и поверхностью почвы, определяемое по линии тренда, D - диаметр сканируемой окружности [187]. 145 h, м 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 α, 0 -0,05 0 1 2 3 4 5 6 11мм y = 0,035x - 0,035 20,5 м м y = 0,017x - 0,018 7 8 9 10 г ад. Рисунок 3.21 – График зависимости среднего уклона элементарной площадки в полевых условиях для конкретного вылета плеча [187] В результате предварительных аналитических исследований получили графики зависимости величины вертикального положения исследуемой точки поверхности почвы от угла поворота плеча профилографа в виде развертки и уравнения для различных уклонов склона: 10… 50, изображены на рисунке 3.22 [187]. Обоснование диаметра сканируемой окружности в зависимости от технологии обработки почвы как основного конструктивно-технологического параметра профилографа будем выполнять, используя расчетную схему на рисунке 3.23. Для исследуемого участка зададим под профилограф две сканируемые окружности с диаметрами D1 и D2. Определим длину сканируемых окружностей: L1 2R1 D1 , (3.10) L2 2R2 D2 , (3.11) где R1 и R2 - радиусы сканируемых окружностей на поверхности почвы. 146 h,м 0,2 0,18 Экспе ментальная л н я 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 γ, 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 180 г ад. -0,02 1 градус y = 3E-05x4 - 0,0009x3 + 0,0075x2 - 0,015x + 0,0087 R² = 0,9991 2 градуса y = 7E-05x4 - 0,0018x3 + 0,0149x2 - 0,0301x + 0,0174 R² = 0,9991 y = 1E-04x4 - 0,0027x3 + 0,0224x2 - 0,0451x + 0,0261 R² = 0,9991 4 y = 0,0002x - 0,0046x3 + 0,0374x2 - 0,0754x + 0,0436 R² = 0,9991 3 градуса 4 градуса 5 градусов y = 0,0001x4 - 0,0037x3 + 0,0299x2 - 0,0602x + 0,0348 R² = 0,9991 Рисунок 3.22 - Результаты предварительных исследований в виде развертки. Известно, что на базовой длине измерения количество пересечений профиля со средней линией должно достигать 40…50 раз [21]. Исходя из этого, определим количество пересечений профиля со средней линией для исследуемого участка: n D , b (3.12) где п – количество пересечений со средней линией на исследуемом участке; b – ширина технологической борозды для определенной операции по обработке почвы, м. 147 Средняя линия D2 D1 R2 R1 Сечение поперек направления обработки почвы Рисунок 3.23 – Схема к обоснованию диаметра сканируемой окружности Используя выражение (3.12), представим графически зависимость количества пересечений со средней линией от диаметра сканируемой окружности и ширины технологической борозды (рисунок 3.24). Ширину технологической борозды характерную для предпосевной обработки почвы и посева зададим от 3 до 15 см [161]. В реальности скатывающиеся на дно борозды комки при основной и предпосевной обработке почвы меняют «идеальную» стокоформирующую поверхность. Таким образом, количество пересечений со средней линией увеличивается, и нет необходимости существенно увеличивать радиус, что может повлечь снижение точности исследований для рассматриваемой элементарной площадки. Данное явление отмечено на графике увеличением ширины поля для каждого заданного размера технологической борозды (см. рисунок 3.24). 148 Рисунок 3.24 - Зависимость количества пересечений со средней линией от диаметра сканируемой окружности и ширины технологической борозды Используя графическую зависимость изменения количества пересечений со средней линией от диаметра сканируемой окружности и ширины технологической борозды, полученную по выражению (3.8), а также учитывая микрорельеф или гребнистость почвы после ее обработки, рассчитан рекомендуемый радиус сканирования поверхности почвы профилографом для различных почвообрабатывающих и противоэрозионных машин (таблица 3.2). Данные для теоретического исследования получены из протоколов испытаний противоэрозионных машин, предоставленных машиноиспытательными станциями на сайтах организаций МИС. Анализ таблицы показывает, что преимущественно предпосевная и зяблевая обработка почвы создают на поверхности почвы микрорельеф в пределах 1,8…3,5 мм, а основная и противоэрозионная обработка почвы образуют существенную по величине гребнистость - до 10 см и более. 149 Таблица 3.2 - Рекомендуемый радиус сканирования поверхности почвы профилографом для различных почвообрабатывающих и противоэрозионных машин Наименование и марка почвообрабатывающей машины Борона дисковая полуприцепная БДП-4×4П Культиватор К-720 МК Дисковый культиватор RTS Лущильник дисковый гидрофицированный ЛДГ-15 Рыхлитель чизельный навесной РЧН – 4,5 Культиватор ПК-990 Плуг-рыхлитель блочномодульный ПРБ-3 Культиватор К-570М Культиватор противоэрозионный комбинированный КПЭ-3,8Г Глубокорыхлитель "SALFORD DRH 9815-19" Культиватор почвообрабатывающий ПК-850 Плуг чизельный глубокорыхлитель ПЧ-2,5 Противоэрозионное орудие ОП-3С Глубокорыхлительщелерез ГЩ-4М Вид работы Зяблевая обработка почвы Обработка почвы парового поля Зяблевая поверхностная обработка почвы Обработка почвы парового поля Зяблевая обработка почвы Обработка почвы парового поля Основная безотвальная обработка стерни озимой пшеницы Предпосевная обработка почвы Зяблевая обработка почвы Основная глубокая безотвальная обработка почвы Зяблевая обработка почвы Глубокое рыхление почвы по стерневому фону Зяблевая безотвальная мелкая обработка почвы Сплошная обработка почвы Микрорельеф, см 1,8 Радиус сканирования, м 0,5…0,75 2-2,1 0,75…1 2,1 0,75…1 2,3 0,75…1 2,3-4 0,75…1 2,5 0,75…1 2,8-3,2 0,75…1 2,9-3,1 0,75…1 3,5-6,5 0,75…1 До 5 1…1,25 5,2-5,4 1…1,25 9,2 1,25…1,5 6,3-11,2 1,25…1,5 13,6 1,5…1,75 150 3.4.3. Методика определения коэффициента гидравлической шероховатости эродированной почвы Целый ряд экспериментальных исследований [118, 120, 159], подтверждают изменение режима движения водного потока по подстилающей поверхности вследствие размыва микрорусла, которое влечет за собой естественное изменение его шероховатости. В результате взаимодействия водного потока и подстилающей поверхности с течением времени образуются квазиравномерный режим движения водотока и под ним естественная отмостка, обеспечивающая некоторую стабильность гидравлического процесса. Количественную оценку шероховатости подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов проводят, применяя коэффициент гидравлической шероховатости [42] при расчетном режиме движения водотока. С целью создания на поверхности почвы временного водного потока и размыва верхних слоев почвы применяется емкость Мариотта c использованием широкой насадки [41], изображенной на рисунке 3.25. Путем изменения расхода воды из насадки, подбирается необходимый режим движения водного потока с помощью крана. При недостаточном напоре возможно повысить давление в емкости с помощью ресивера, в данном случае применяется для контроля манометр. Предварительно в лабораторных условиях проводят настройку и тарировку установки по задаваемому числу Рейнольдса следующим образом. Изготовленный из оргстекла насадок располагается на наклонном лотке и подается из емкости известный расход воды. На расстоянии 5…10 см от насадка по лотку располагается на высоте более 15 см лазерный датчик положения, определяет высоту водного потока. Применяя полученную высоту водного потока для заданного расхода воды, а также учитывая постоянную ширину лотка, вычислялось число Рейнольдса и определялся режим течения водотока. В процессе исследований задавался режим движения как ламинарный, так и турбулентный. Известно, что переходная область режима движения возникает на большей площади водосбора для разных агрофонов [36, 37]. 151 Для имитации характерных для склоновых агроландшафтов режимов движения водных потоков число Рейнольдса задавалось от 500 до 2000 [36, 37, 94, 240]. Выполнив размыв почвы водным потоком с известными параметрами, замеряется высота шероховатости микрорусла, созданная неровностями поверхности почвы, минеральными и растительными элементами и другим препятствиями. Рисунок 3.25 - Емкость для размыва почвы [41, 42, 57] Применяя тарировочную номограмму [42, 177], вычисляем коэффициенты. Заданное число Рейнольдса и вычисленные коэффициенты применяем для расчета коэффициента гидравлической шероховатости размытой почвы по формуле, представленной в [177]. 152 3.5. Гидродинамический способ определения эквивалентной шероховатости поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях При проведении различных противоэрозионных мероприятий на склоновых землях стараются создать подстилающую поверхность с определенной шероховатостью, которая для каждого участка является индивидуальной характеристикой и никогда не повторяется полностью [51]. Для оценки или сравнения шероховатых поверхностей между собой в гидравлике вводится понятие равномерной и эквивалентной шероховатости. Современные способы определения эквивалентной шероховатости поверхности открытых русел имеют в основе качественный подход. Под эквивалентной шероховатостью понимают шероховатость, равную равномерной песочной шероховатости, по значению которой устанавливается такое же сопротивление потоку, как и при фактической шероховатости [51]. Например, существует способ определения эквивалентной шероховатости напорных шероховатых технических труб (трубы с разнозернистой шероховатостью) путем установления некоторой средней высоты выступов поверхности трубы [235]. Такую осредненную геометрическую характеристику поверхности рассматриваемой трубы непосредственным измерением высоты выступов оценить нельзя [223]. Поэтому рассматривают опытным путем процесс взаимодействия потока воды и внутренней поверхности технической трубы, выводят для данной трубы коэффициент гидравлического сопротивления λ при различных числах Рейнольдса Re и строят график f (Re) , который сравнивают с графиками Никурадзе [262]. Ис- следуемой трубе приписывают относительную шероховатость, равную относительной шероховатости той трубы, для которой в опытах Никурадзе для квадратичной области сопротивления график совпадает с графиком исследуемой [235]. Вычислить эквивалентную Э шероховатость также можно по формуле [51, 235]: lg Э lg d 0,57 КВ 2 , (3.13) 153 где Э - эквивалентная шероховатость, м; d - внутренний диаметр технической трубы, м; КВ - коэффициент гидравлического сопротивления для квадратичной области сопротивления. Для безнапорных потоков в открытых руслах аналогичные результаты получил А.П. Зегжда [101]. Существенные недостатки применения этих методов следующие [51]: - график f (Re) для труб промышленного изготовления оказался отлич- ным от аналогичного графика для труб с равнозернистой шероховатостью [235]; - необходимо создание числа Рейнольдса, равного Re ≈ 106 и более, за счет высокого напора в исследуемой трубе [234], что повысит затраты на проведение исследований либо вызовет размыв открытого микрорусла безнапорным потоком жидкости [74, 104]. Таким образом, данные способы будет довольно сложно применить для оценки шероховатости действительных размываемых микрорусел, например, при проектировании и проведении противоэрозионных и мелиоративных технологий на склоновых землях. Предлагается гидродинамический способ определения эквивалентной шероховатости стокоформирующей поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях [51]. На рисунке 3.26 а показано устройство для реализации метода, разработанное и используемое в работах [43, 44, 50, 144, 145, 174, 175], на рисунке 3.26 б – разрез А-А [51]. Устройство состоит из наклонного лотка 1, закрепленного на основании 2, где лоток составлен из трех отдельных составных частей: входной и выходной 3, выполненных с гидравлически гладкой поверхностью (например, зеркальное стекло), и рабочей 4, выполненной с исследуемой шероховатой поверхностью, прецизионно устанавливаемой между входной и выходной частями с помощью микрометрических винтов 5, размещенных в основании 2, микрометров 6 с мерными иглами 7, установленных во входной и выходной частях лотка вдоль его продольной оси на боковых стенках (рисунок 3.26 б), уголков 8, размещенных с боков основания по всей длине, обеспечивающих прямолинейность лотка 1 [174]. 154 Устройство снабжено системой питания 9 постоянного напора, успокоителем 10 и зажимом Гофмана 11 [174]. 9 11 А 6 6 1 3 h 2 4 h 10 3 5 А пе еменная а А-А 6 7 h 8 5 2 б Рисунок 3.26 - Принципиальная схема устройства для проведения лабораторных исследований [51, 174] 155 До проведения основных исследований проводятся дополнительные предварительные эксперименты для построения тарировочного графика зависимости высоты водного потока от расхода воды h=f( Q ). Для этого на место рабочей части 4 лотка 1 закрепляется прецизионным образом гидравлически гладкая поверхность. Далее задается расход водного потока, рассчитанный предварительно по формуле [51]: QB Re КР В , (3.14) где Re КР – критическое число Рейнольдса, для безнапорных водных потоков принимаем Re КР ≈ 1000; В - постоянная ширина лотка, м; - кинематическая вязкость воды, м2/с. Используя мерные микрометры, определяют высоту водного потока в лотке на входе и на выходе от исследуемой гидравлически гладкой поверхности [51, 162]. Постепенно увеличивают расход водного потока и, соблюдая последовательность действий, повторяют эксперимент. Полученные данные заносятся в журнал наблюдений, обрабатываются и представляются в виде графика зависимости высоты водного потока на выходе от его расхода [51]. Далее в рабочую часть лотка 1 поочередно устанавливаются равнозернистые шероховатые поверхности, сложенные из частиц определенного диаметра. Проводятся эксперименты по вышеприведенной методике с соблюдением последовательности действий. В итоге получают семейство кривых в виде графика зависимости высоты водного потока на выходе от его расхода для известных шероховатых поверхностей [51]. По анализу графика устанавливались критические расходы водного потока Q КРШ i и Q КРГ при критическом числе Re КР , выраженных на кривых h=f( Q ) су- щественным увеличением высоты водного потока, соответственно для i-го количества равнозернистых шероховатых и гидравлически гладкой поверхностей. 156 Определяем коэффициент смоченного периметра [51, 58, 174] для каждой iой равнозернистой шероховатой поверхности через соотношение критических расходов: ki QКРШi QКРГ , (3.15) где k i - коэффициент смоченного периметра i-ой равнозернистой шероховатой поверхности, сложенной из частиц определенного диаметра; где QКР – критичеШ ский расход воды в м3/с, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на шероховатой поверхности, определяемый по графической зависимости h=f( QКР ); QКР – Ш Г критический расход воды в м3/с, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на гидравлически гладкой поверхности, определяемый по графической зависимости h=f( QКР ); h – высота потока воды в выходной части лотка, м. Г Далее устанавливают графическую зависимость изменения коэффициента смоченного периметра от диаметра частиц, слагающих равнозернистую шероховатую поверхность [51]. Прецизионно изготовленный образец заменяют на рабочую часть, выполненную с исследуемой разнозернистой шероховатой поверхностью, задают расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты водного потока от его расхода для шероховатой поверхности, по графическим зависимостям определяют критический расход воды Q КРШЭ , соответствующий критическому числу Рейнольдса, определяют коэффициент смоченного периметра k Э для исследуемой разнозернистой шероховатой поверхности и по графической зависимости изменения коэффициента смоченного периметра от диаметра частиц определяют средний диаметр частиц разнозернистой шероховатой поверхности [51]. 157 3.6. Методика количественной оценки растительных элементов на поверхности почвы Как показал анализ широкого ряда источников, данные о доле растительных остатков культурных растений и сорняков на подстилающей поверхности довольно противоречивы и имеют большую вариацию по величине [25, 96] и др. Это в большей мере связано как с различиями в методах учета, так и трудностями возникающими при выделении различных культур и сорняков из общей биомассы. Среди ряда работ можно выделить и такие, в которых предлагаются уравнения регрессии, позволяющие вычислять количество корневых и пожнивных остатков по урожаю основной продукции [117]. Важность проводимых исследований во многом связана с тем, что роль систем обработки почвы крайне важна, поскольку при замене операции вспашки на безотвальную разноглубинную обработку растительные элементы сосредотачиваются в верхней части обрабатываемого слоя [59]. В классических методах остатки дернины и жнивья оценивают через их площадь наложением квадратных метровок по диагоналям поля [25]. Во ВНИИЗХ [25] применяют методику перевода веса стерни с 1 м2 на число штук стернинок, для этого необходимо знать вес одной стернинки длиной 20 см, ее надземной части. Средний вес одной стернинки (пшеницы, овса, ячменя) определяют путем взвешивания 500…600 стеблей с длиной надземной части 20 см каждого. Вес стерни с 1 м2 в граммах делят на вес одной стернинки и получают их число на 1 м2 [59]. Используемые методы стерео-фотографий имеют широкий библиографический список [251…253]. Для получения информации о шероховатости почвы часто используют способ теней, который базируется на принципе, что имеется прямая связь между шероховатостью поверхности почвы и тенью от структуры почвы при фиксированных условиях искусственного или естественного света [251]. Этот метод является довольно надежным, информацию технически легко обрабатывать и анализировать, что сокращает время проведения исследований в полевых условиях [59]. Для того чтобы автоматизировать процесс оценки, было решено использо- 158 вать широко распространенную мобильную компьютерную технику, оснащенную фото- или видеокамерами. Опишем последовательность действий для разработанной экспресс-оценки [59]. Исследуемый мелиорируемый участок поля фотографируется. Затем фотоснимок попиксельно обрабатывается разработанной нами программой на предмет наличия цветов из интересующего спектра (желтого или зеленого). Далее программа проводит статистическую обработку и выдает информацию о количестве участков с интересующим цветом и доле занимаемой им площади. Изображение представляет собой прямоугольник, состоящий из точек-пикселей. Размеры (ширина и высота) этого прямоугольника обусловлены количеством пикселей в вертикальной и горизонтальной строках. Каждый пиксель на изображении имеет свои координаты (в левом верхнем углу находится пиксель с координатами 0,0; значит, при разрешении 1280800 нижний правый пиксель будет иметь координаты 1279799). Помимо информации о координатах, каждый пиксель несет информацию о своем собственном цвете, образуемом тремя каналами - красным, зеленым и синим. Эти три канала для удобства кодируются в одно число, которое и представляет собой цвет пикселя. После задания цвета числовая функция производит подсчет контрольной суммы пикселей в изображении, складывая их (рисунок 3.27) [59]. Одной из трудностей реализации описанной идеи в виде программного кода является тот факт, что растительные элементы, как правило, имеют не только какой-либо один фиксированный цвет, но и его оттенки, на исследуемом участке которые тоже необходимо учесть. Поэтому программа создана так, что позволяет подсчитать пиксели не только на 100% совпадающие по цвету растительные элементы, но и имеющие близкие оттенки. Для регулирования ширины спектра оттенков в программе предусмотрено окно ввода для указания необходимого интервала. Этот параметр определяет, какое количество «оттеночных» пикселей в доле от общего числа подсчитает программа. Поскольку в зависимости от ширины спектра оттенков можно получать различные величины результатов, то программу для определения ширины спектра оттенков необходимо «откалибровать», со- 159 поставив результаты с результатами вычислений другой программы [59]. Рисунок 3.27 - Результаты работы программы по автоматизации подсчетов [59] Для реализации данного проекта нами было принято решение использовать визуальную оболочку программирования объектно-ориентированного, структурированного языка программирования Delphi [59]. В компьютерной программе используются наиболее распространённые форматы хранения изображения «jpg» и «bmp». Экспериментально был определен интервал канала «G», используемый для идентификации изображений зеленого цвета. Установлено, что интенсивность этого канала должна быть выше интенсивности каналов «R» и «B» [59]. Для сравнения результатов и калибровки программы был использован SigmaScan – программный модуль, ориентированный на профессиональную статистическую обработку изображений. SigmaScan позволяет по выделенным на изображении объектам получать интересующую статистику (число объектов, их периметр и площадь и т. п.). После калибровки программа была подготовлена к использованию [59]. 160 ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 4.1. Исследование гидродинамической характеристики водного потока С целью проверки полученных выражений (2.21), (2.26) и построения предложенной гидродинамической характеристики водного потока проведены исследования в Лаборатории гидрофизики и эрозии почв при ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА применялась разработанная установка [174, 175]. На рисунке 3.26 была представлена принципиальная схема конструкции [60]. Предварительно в лабораторных условиях создавалась шероховатая поверхность с помощью песка заданной фракции (рисунок 4.1) [60]. Применяя ситовый анализ по геометрическим размерам, получили заданные фракции песка [42]. С учетом структуры наиболее распространенных почв, присутствующих в Чувашской Республике, подбирались размеры фракций песка, которые соответствовали бы диаметрам водопрочных почвенных агрегатов [175]. абвгде- Рисунок 4.1 – Исследуемые шероховатые поверхности с размерами фракций песка: а – 1 мм, б – 1,5 мм, в – 2 мм, г – 4 мм, д – 5 мм, е – 6 мм [42, 57] 161 В процессе проведения исследований согласно методике определялась высота потока воды до и после протекания исследуемой шероховатой поверхности трения. Полученные зависимости Q = f (h) при i = const и i = f (h) при Q = const позволили установить логарифмическую связь при ламинарном и переходной области турбулентном режимах [60]. Гидродинамические характеристики водного потока получены по экспериментальным исследованиям, проведенным для различных уклонов дна лотка. На рисунке 4.2 представлена одна из гидродинамических характеристик водного потока при движении по шероховатой поверхности с уклоном i = 0,12 [60]. Скорости водного потока составили V = 0,15…0,75 м/с (для несвязных грунтов допустимая неразмывающая скорость Vдоп = 0,2…0,4 м/с [159]), а число Рейнольдса соответственно Re = 300…1500 [37]. Как видно из полученного графика, соблюдение условия (2.21) будет происходить при скорости водного потока, равного 0,16 м/с, т.е. установится равномерный режим движения [60]. Рисунок 4.2 - Гидродинамическая характеристика водного потока при движении по шероховатой поверхности [60] 162 По итогам анализа полученной гидродинамической характеристики водного потока установлено, что большая часть исследований проводилась в режиме замедления водного потока, поскольку сначала создавались условия с повышенной кинетической составляющей энергией потока, а после преодоления шероховатого участка скорость потока снижалась. Применение гидродинамической характеристики позволит решить целый ряд задач по управлению водным потоком на склоновых агроландшафтах при проектировании и оценке противоэрозионных мероприятий. 4.2. Результаты экспериментальных исследований по определению направления движения стока атмосферных осадков Экспериментальные исследования с использованием разработанного устройства (рисунки 4.3 и 4.4) были проведены на разных агрофонах, в целом более 6 (пашня, посев озимых, пашня с боронованием, многолетние травы, мульчирование, стерня зерновых и др.) [47]. Рисунок 4.3 – Предварительная подготовка устройства для определения направления движения стока атмосферных осадков 163 Рисунок 4.4 – Определение направления движения стока атмосферных осадков на участке поля после зяблевой вспашки почвы Результаты исследований, полученные после обработки в электронной таблице Excel, представлены на рисунке 4.5 [47]. Рисунок 4.5 - График поверхности отклика на пашне [47] 164 Анализ представленного графика поверхности отклика на пашне позволяет выявить на исследуемом участке области возвышенностей, где самая высокая точка располагается на 16 см от самой нижней точки и области макропонижений, представляющие собой некоторые емкости, аккумулирующие влагу и технологические борозды, концентрирующие водотоки, движущиеся по склону. Судя по графику, правая часть исследуемого участка будет в большей степени подвержена действию водного потока, протекающему под углом 42 градусов от горизонтали склона и возникновению эрозионного процесса на пашне в зависимости от интенсивности стока атмосферных осадков [47]. Таким образом, применение устройства для профилирования поверхности почвы позволяет по узлам двухмерной сетки элементарного участка определить направление стока атмосферных осадков в полевых условиях, снизить трудоемкость агротехнической оценки поверхности поля и рассчитать массовый расход стока атмосферных осадков. 4.3. Результаты экспериментальных исследований по моделированию направления движения водотока по подстилающей поверхности Изучение направления движения водного потока по подстилающей поверхности методом источника проводилось в лабораторных условиях (рисунок 4.6). Предварительно для создания исследуемых шероховатых поверхностей просеивался песок. На каждый образец стекла наклеивались две разные шероховатости, которые укладывались на съемную наклонную поверхность. Имелась возможность поворачивать расположенные поверхности и задавать угол к направлению действия потока воды [55]. Результаты экспериментов представлены на рисунках 4.7, 4.8, 4.9 и в таблице 4.1. 165 Рисунок 4.6 – Отклонение исследуемой поверхности [55] водного потока от продольной оси Рисунок 4.7 - Угол отклонения водотока от продольной оси при скорости истечения в = 29 см/с 166 Рисунок 4.8 - Угол отклонения водотока от продольной оси при скорости истечения в = 25 см/с Рисунок 4.9 - Угол отклонения водотока от продольной оси при скорости истечения в = 21 см/с [55] 167 Таблица 4.1 - Результаты экспериментов по определению направления движения водного потока по подстилающей поверхности [55] Угол расположения Скорость Отклонение образцов с шероховаистеченаправление Расход тыми поверхностями в ния струи движения от воды Qв, лотке (в плане) к наводы из 3 продольной см /с правлению действия насадка оси , град. струи , град. в, см/с 38±0,5 12,3±0,1 19,83±1 12±0,5 № п/п Продольный угол наклона лотка , град. 1 3±0,5 2 3±0,5 38±0,5 13,6±0,1 21,93±1 10±0,5 3 3±0,5 38±0,5 15,7±0,1 25,32±1 7±0,5 4 3±0,5 38±0,5 16,3±0,1 26,29±1 6±0,5 5 3±0,5 38±0,5 17,2±0,1 27,74±1 5±0,5 6 5±0,5 38±0,5 12,8±0,1 20,51±1 11±0,5 7 5±0,5 38±0,5 14,1±0,1 22,62±1 9±0,5 8 5±0,5 38±0,5 15,3±0,1 26,14±1 7±0,5 9 5±0,5 38±0,5 16,9±0,1 27,17±1 5±0,5 10 5±0,5 38±0,5 18,1±0,1 28,65±1 4±0,5 11 7±0,5 38±0,5 13,3±0,1 21,45±1 10±0,5 12 7±0,5 38±0,5 14,3±0,1 23,06±1 8±0,5 13 7±0,5 38±0,5 15,9±0,1 25,64±1 6±0,5 14 7±0,5 38±0,5 16,3±0,1 26,29±1 6±0,5 15 7±0,5 38±0,5 18,2±0,1 29,35±1 4±0,5 16 9±0,5 38±0,5 12,6±0,1 20,32±1 7±0,5 17 9±0,5 38±0,5 14,1±0,1 22,74±1 6±0,5 18 9±0,5 38±0,5 15,8±0,1 25,48±1 5±0,5 19 9±0,5 38±0,5 16,9±0,1 27,25±1 4±0,5 20 9±0,5 38±0,5 18,0±0,1 29,03±1 2±0,5 168 По результатам описывающей статистической процесс, оказалась обработки, имеющая наиболее наибольший реалистично коэффициент детерминации (R2=0,721) нелинейная мультипликативная функция типа КоббаДугласа, логически понятная и принимающая для заданных условий (угол расположения образцов с шероховатой поверхностью в лотке (в плане) к направлению действия струи - 38о и переход с поверхности шероховатостью 0,2 мм на 1,6 мм) следующий вид [55]: =9311,712 Qв 4,23824 в 1,32195. (4.1) Анализ полученной зависимости (4.1) показывает, что при изменении расхода водного потока в среднем на 1% угол отклонения направления движения увеличится в среднем на 4,24%, а при увеличении скорости истечения воды на 1% угол отклонения направления движения увеличится в среднем на 1,32 % [55]. Таким образом, результаты лабораторных исследований показали, что направление движения (угол отклонения водотока от центральной оси наклонной поверхности) меняется от скорости потока воды, движущегося по исследуемой поверхности: при увеличении скорости потока воды угол отклонения водотока от продольной оси имеет минимальное значение, по мере снижения существенно скорости отклонятся водного при потока переходе динамическая с одной ось начинает эквипотенциальной шероховатой поверхности на другую, что заметно влияет на изменение направления движения водотока в целом [55]. 4.4. Результаты экспериментальных исследований по моделированию развития микрорусла в подстилающей поверхности При проведении экспериментов в лабораторных условиях просеянные образцы почвы были уложены в лоток под определенным заданным углом . Устанавливались различные расходы подаваемой воды, и рассчитывались скорость 169 водного потока и направление развития микрорусла. Результаты опытов представлены в таблице 4.2 [143, 176]. Таблица 4.2 - Зависимость изменения направления развития русла от параметров потока и продольного угла наклона лотка [143, 176] Угол укладки Продольобразцов почвы в Расход ный угол № лотке (в плане) к воды наклона п/п направлению Qв, лотка α, действия струи, см3/с град. град. 1 18±0,5 64±0,5 2,8±0,1 Скорость Направлеистечения Масса ние струи смытой развития воды из почвы mn, русла , насадка г/с град. в, см/с 28±1 3,40±0,1 30,0±0,5 2 18±0,5 64±0,5 5,8±0,1 58±1 5,93±0,1 20,0±0,5 3 18±0,5 64±0,5 6,4±0,1 64±1 7,53±0,1 13,0±0,5 4 18±0,5 64±0,5 7,0±0,1 70±1 10,40±0,1 7,0±0,5 5 18±0,5 64±0,5 9,0±0,1 90±1 13,9±0,1 5,0±0,5 6 13±0,5 64±0,5 3,4±0,1 34±1 1,5±0,1 35,0±0,5 7 13±0,5 64±0,5 6,0±0,1 60±1 4,6±0,1 30,0±0,5 8 13±0,5 64±0,5 6,5±0,1 65±1 6,6±0,1 21,0±0,5 9 13±0,5 64±0,5 9,0±0,1 90±1 8,3±0,1 5,0±0,5 10 13±0,5 64±0,5 15,8±0,1 158,0±1 10,4±0,1 4,0±0,5 11 7±0,5 64±0,5 2,4±0,1 24,0±1 4,3±0,1 27,0±0,5 12 7±0,5 64±0,5 6,0±0,1 60,0±1 5,2±0,1 10,0±0,5 13 7±0,5 64±0,5 6,8±0,1 68±1 4,3±0,1 7,0±0,5 14 7±0,5 64±0,5 8,9±0,1 89±1 8,1±0,1 5,0±0,5 15 7±0,5 64±0,5 9,5±0,1 95±1 8,5±0,1 2,0±0,5 В ходе статистической обработки, наиболее реалистично описывающей процесс, оказалась имеющая наибольший коэффициент детерминации (R2=0,6956) нелинейная мультипликативная функция типа Кобба-Дугласа, логически понятная и принимающая для дерново-подзолистой почвы следующий вид [143]: 170 =6,90313 0,43479 в-1,11164. (4.2) Анализ полученной зависимости (4.2) показывает, что при изменении разности ПЭС для соседних образцов почв в среднем на 1% угол отклонения микрорусла увеличится в среднем на 0,43479%, а при увеличении скорости истечения воды в на 1% угол отклонения микрорусла уменьшится в среднем на 1,11164% [143]. По результатам лабораторных исследований видно, что направление развития микрорусла (угол отклонения микрорусла от центральной оси установки) меняется в зависимости от скорости водного потока, движущегося по подстилающей поверхности. Для больших значений скорости потока воды угол отклонения микрорусла от продольной оси имеет не столь существенное значение, по мере снижения скорости водного потока направление развития микрорусла меняется при переходе с одной эквипотенциальной поверхности почвы на другую почву, достигая практически 90 градусов при незначительной скорости (рисунки 4.10…4.12) [143, 176]. Рисунок 4.10 - Угол отклонения направления развития микрорусла при скорости водного потока в = 90 см/с [143, 176] 171 Рисунок 4.11 - Угол отклонения направления развития микрорусла при скорости водного потока в = 64 см/с [143, 176] Рисунок 4.12 - Угол отклонения направления развития микрорусла при скорости водного потока в = 28 см/с [143, 176] 172 В итоге по результатам лабораторных исследований подтвердились теоретические выкладки о влиянии градиента коэффициента гидравлической шероховатости и градиента потенциала эрозионной стойкости подстилающей поверхности на направление движения водотока и развития микрорусла. Установлена возможность управлять водным потоком на малых скоростях для склоновых агроландшафтов, когда не началось размыва почвы и направление движения водотока сходится с градиентами коэффициента гидравлической шероховатости и ПЭС подстилающей поверхности. 4.5. Результаты экспериментальных исследований по определению основных параметров подстилающей поверхности в полевых условиях 4.5.1. Результаты исследований по определению среднего уклона, шероховатости и волнистости элементарной площадки в полевых условиях Полевые исследования выполнены на разных агрофонах (вспашка, вспашка с боронованием, мульчирование, посевы озимых, дискование почвы, стерня зерновых и др.) с использованием лазерного бесконтактного и контактного профилографов (рисунки 4.13 и 4.14) [52], Исследовались склоновые агроландшафты на территориях землепользования СХПК «Труд» Батыревского района, межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Канашского района и СПК «Оринино» Моргаушского района Чувашской Республики [52]. Результаты исследований на поле, расположенном на сложном склоне, после минимальной основной обработки почвы под зерновые культуры дискатором БДМ-3х4П (борона дисковая тяжелая модернизированная прицепная), полученные на экране рисунке 4.15 [52]. монитора в полярных координатах, представлены на 173 Рисунок 4.13 – Полевые исследования с помощью бесконтактного профилографа на поле после дискования почвы Рисунок 4.14 – Полевые исследования профилографа на поле после дискования почвы с помощью контактного 174 - направление склона - направление обработки почвы Рисунок 4.15 – Результаты полевых исследований с помощью профилографа в полярных координатах для участка поля после дискования почвы [52] По данным представленным на рисунке 4.15, средний уклон элементарной площадки составил 0,06, или 3,440. Направление основной обработки почвы определялось по углу отклонения технологических борозд от направления склона, который составил 93,60 [52]. Полученные данные представлены, после обработки в электронной таблице Excel, в виде зависимости двух параметров: угла поворота и высоты профиля поверхности почвы, в виде развертки на рисунке 4.16 [52]. Далее, используя метод скользящего среднего для участка поля с дискованием почвы, определили средний уклон поверхности – 3,440, шероховатость по- 175 верхности почвы составила 3,54 мм, а волнистость (изборожденность) поверхности почвы – 7,94 см [52]. Рисунок 4.16 - График изменения расстояния от поверхности почвы до лазерного датчика в зависимости от угла поворота плеча профилографа [52] Результаты обработки данных представлены на рисунках 4.17 и 4.18. Рисунок 4.17 – Определение шероховатости поверхности почвы на выбранном участке длиной 1 метр 176 Рисунок 4.18 – Определение волнистости поверхности почвы на выбранном участке длиной 2,5 метра Проведены сравнительные испытания контактного и бесконтактного профилографов на достоверность получаемой информации. Данные снятые профилографами с одного и того же участка, а также при одинаковых радиусах сканирования поверхности почвы представлены на графике (рисунок 4.19) и проанализированы путем наложения. Контактный профилограф взаимодействовал с поверхностью почвы с помощью ролика, диаметр которого составлял 2 см, в результате абсолютная ошибка измерения для получаемых данных достигала 24 мм, а в среднем 6...9 мм. Установлены и подтверждены экспериментально рекомендуемые радиусы сканирования профилографами поверхности почвы. Результаты представлены на графике (рисунок 4.20), где видно, что при уменьшении радиуса сканирования число пересечений профиля со средней линией также уменьшается. В процессе исследования задавались разные радиусы сканирования почвы после ее дискова- 177 ния, равные 0,8, 1 и 1,2 метра. Данный график согласуется с полученной зависимостью, представленной на рисунке 4.21. Н, мм L, м Рисунок 4.19 – Результаты сканирования почвы контактным и бесконтактным профилографами Рисунок 4.20 – Полярные координаты с выбором сегмента сканируемого участка в 15 градусов 178 Полевые исследования с применением профилографов проведены на следующих агрофонах: зяблевая вспашка агрегатом Т-150К+ПЛН-5-35 (рисунок 4.22), обработка почвы парового поля агрегатами АГРОМАШ 90ТГ + ЛДГ-15 (рисунок 4.23), АГРОМАШ 90ТГ +КПШ-5 (рисунок 4.24). Рисунок 4.21 – Развертка сегмента участка от 235 до 250 градусов Рисунок 4.22 - Зяблевая вспашка агрегатом Т-150К+ПЛН-5-35 179 Рисунок 4.23 - Обработка почвы парового поля агрегатом АГРОМАШ 90ТГ + ЛДГ-15 Рисунок 4.24 – Зяблевая обработка почвы агрегатом АГРОМАШ 90ТГ + КПШ-5 180 Таким образом, применение профилографов позволяет определить направление и величину уклона, волнистость и шероховатость поверхности почвы элементарного участка, а также угол отклонения направления обработки почвы от направления склона в полевых условиях, что обеспечит повышение точности агротехнической оценки поверхности поля после обработки противоэрозионными орудиями, осуществляющими различные мелиоративные мероприятия. 4.5.2. Результаты экспериментальных исследований коэффициента гидравлической шероховатости Исследования по определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях выполнялись на территории землепользования ЗАО «Прогресс» Чебоксарского района Чувашской Республики [42, 57]. Земельный фонд исследуемой территории в основном представлен светлосерыми лесными среднесуглинистыми почвами. На рисунке 4.25 изображена схема с расположенными экспериментальными точками на исследуемом участке ЗАО «Прогресс» Чебоксарского района Чувашской Республики. Результаты определения на обследуемом участке по экспериментальным точкам коэффициента гидравлической шероховатости и статистическая обработка информации представлена в таблице 4.3 [42, 57]. В целом опыты проводились на разных агрономических фонах, в целом до 14 (пар, посевы многолетних трав, вспашка, вспашка с боронованием, мульча, пропашные культуры, стерневой фон после зерновых и др.). Значения коэффициента гидравлической шероховатости по результатам полевых исследований для различных агрофонов представлены в таблице 4.4 [42, 57]. Для исследуемого района известны следующие данные: объемная масса почвы после вспашки в среднем составляет 1,24 г/см3 с колебаниями от 1,13 до 1,32 г/см3, к низу профиля увеличивается до 1,52 г/см3. Удельная масса равна 2,35…2,54 г/см3. Общая скважность пахотного слоя достаточно высокая – 49…53%, а к пахотному горизонту уменьшается до 39…44% [68]. 181 54,20 85,25 стерня (А) 20,01 22,06 6-4 5-4 54,35 20,01 4-4 19,97 19,96 18,26 3-4 6-3 20,01 6-2 18,41 17,72 хмельник 2-2 19,96 16,93 20,43 1-2 2-1 3-3 19,63 20,01 17,40 2-2 20,46 1-1 овраг 2-3 20,07 19,91 16,13 3-4 20,01 20,01 3-1 19,47 19,94 19,98 19,65 20,04 4-1 24,89 2-4 19,80 1-3 19,91 3-2 5-1 20,12 19,96 2-3 4-2 19,91 19,43 20,02 3-3 20,01 19,95 6-1 1-4 20,09 19,94 5-2 19,09 2-4 4-3 19,94 47,85 19,94 20,21 5-3 18,07 51,52 19,98 28,39 3-2 20,08 20,64 19,97 13,98 25,82 2-1 13,16 30,21 3-1 2,72 пашня (Б) Рисунок 4.25 - Схема распределения исследуемых точек на опытном участке ЗАО «Прогресс» Чебоксарского района Чувашской Республики [42, 57] 182 Таблица 4.3 - Данные исследований по определению коэффициента гидравлической шероховатости [42] № точки по рисунку 4.27 1-1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-2 3-3 3-4 4-1 4-2 4-3 4-4 5-1 5-2 5-3 5-4 6-1 6-2 6-3 6-4 1-1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-2 3-3 3-4 Статистическая обработка данных измерений φ Тип агрофона стерня (А) -«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«пашня (Б) -«-«-«-«-«-«-«-«-«-«-«- А m 0,21 0,22 0,19 0,23 0,23 0,19 0,23 0,22 0,22 0,21 0,23 0,22 0,22 0,22 0,23 0,21 0,19 0,23 0,23 0,22 0,22 0,23 0,22 0,21 0,12 0,16 0,11 0,12 0,15 0,10 0,15 0,13 0,13 0,15 0,13 0,11 0,11 0,10 0,09 0,07 0,08 0,09 0,08 0,07 0,05 0,10 0,06 0,08 0,09 0,11 0,05 0,06 0,09 0,08 0,11 0,09 0,10 0,11 0,10 0,13 0,09 0,09 0,08 0,07 0,05 0,05 0,08 0,08 0,10 0,10 0,08 0,07 0,08 0,04 0,04 0,04 0,06 0,06 0,07 0,06 0,02 0,06 0,03 0,03 0,06 0,07 0,01 0,04 0,07 0,04 0,04 0,01 0,07 0,06 0,03 0,08 0,05 0,06 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,03 0,04 0,05 0,05 0,02 0,38 0,18 0,21 0,17 0,26 0,32 0,3 0,27 0,09 0,29 0,13 0,14 0,27 0,32 0,04 0,19 0,37 0,17 0,17 0,05 0,32 0,26 0,14 0,38 0,42 0,38 0,09 0,17 0,13 0,1 0,07 0,23 0,31 0,33 0,38 0,18 0,52 0,45 0,47 0,3 0,35 0,47 0,35 0,32 0,23 0,48 0,26 0,36 0,41 0,5 0,22 0,29 0,47 0,35 0,48 0,41 0,45 0,48 0,45 0,62 0,75 0,56 0,73 0,58 0,33 0,5 0,53 0,62 0,77 0,67 0,62 0,64 Примечание: в таблице приняты обозначения: А – среднее арифметическое; - среднее квадратичное отклонение; m – средняя ошибка среднего арифметического; p m – показатель точности; - коэффициент вариации. M M 183 Таблица 4.4 - Данные опытов по определению коэффициента гидравлической шероховатости на разных агрофонах [42, 57] № Поле, агрофон, проводимые п/п технологические операции 1. 2. Зяблевая вспашка Зяблевая вспашка с боронованием 3. Черный пар 4. Картофельное поле 5. Коэффициент гидравлической шеро- Примечание ховатости 0,12…0,18 Рядом с глыбами 0,04…0,15 0,20…0,27 0,13…0,22 На гребне 0,12…0,15 В междурядье Поля со свеклой 0,11…0,16 В междурядье 6. Стерневой фон после зерновых 0,17…0,21 7. Поверхностная мульча 0,21…0,26 8. 9. Посевы многолетних трав Дернина, естественные луга 0,20…0,27 0,23…0,29 10. Лесонасаждения 0,22…0,29 11. Грунтовая дорога 0,02…0,1 12. Посевы озимых культур 0,05…0,14 13. Безотвальная обработка почвы 0,14…0,2 Скошенная трава Скошенная трава Отмечается, в работе [42], что способность светло-серой лесной почвы пропускать влагу с верхних слоев в нижние имеет величину - 0,7 мм/мин. По данным агрохимической оценки видно, что в пашне имеется: гумус – 2,3…2,5 %, растворимые фосфаты – 24,2…42,1 мг, поглощенный калий – 14,9 мг на сто граммов почвы [68]. 184 Почвенные агрегаты имеют слабую водопрочную структуру и состоят в большей степени из частиц до 1,6 мм, таким образом, не хватает агрономически ценных размеров фракций частиц в пределах 1…4 м. В целом нарушается почвообразовательный процесс, при выпадении осадков поверхность почвы резко заплывает, что ведет к формированию существенного стока [41]. Исходя из анализа полученные данные в таблицах 4.3 и 4.4., видно, что воздействие рабочих органов на верхние слои почвы при основной и предпосевной обработке почвы создает дневную подстилающую поверхность с величиной коэффициента гидравлической шероховатости намного меньшей по сравнению со значениями показателя для нетронутого агрофона, а также для безотвальной обработки почвы. При безотвальной обработке происходит сепарация верхних несвязанных частиц почвы в нижние слои, таким образом обеспечивается создание на поверхности почвы повышенных значений как коэффициента гидравлической шероховатости, так и потенциала эрозионной стойкости с дополнительным сохранением на поверхности растительных элементов до 80 % (в лучшем случае). При поверхностном мульчировании коэффициент гидравлической шероховатости на 60…70% больше чем при зяблевой вспашке, в тоже время сохраняются на поверхности и в верхних слоях почвы растительные элементы. Большим значением коэффициента гидравлической шероховатости обладает лесная полоса и многолетние травы [42, 57]. Представленные в таблице данные по коэффициенту гидравлической шероховатости необходимо принимать как усредненные для заданного агрофона на склоновых землях. Предварительно выявленная зависимость изменения коэффициента гидравлической шероховатости от числа Рейнольдса и проведенные лабораторные исследования выявили необходимость выполнения опытов в полевых условиях для заданных режимов движения водного потока для разных агрофонов. Применяя емкость Мариотта, обеспечивали размыв почвы на обследуемом агрофоне (рисунок 4.26). 185 Рисунок 4.26 – Размыв подстилающей поверхности пашни водным потоком при числе Рейнольдса Re = 1200 [42, 57] В процессе воздействия водным потоком с заданными характеристиками на поверхность почвы крупные комки разрушаются и делятся на более мелкие комки, почвенные агрегаты и несвязанные частицы минерального или органического происхождения. Далее водный поток даже при меньшей скорости захватывает бесструктурные частицы и смывает их с агрофона. Естественная шероховатость поверхности образовавшегося микрорусла в этот момент будет увеличиваться, образуя естественную отмостку в виде связанных почвенных агрегатов, в основном имеющих достаточный диаметр. В результате при изменении шероховатости поверхности снижается скорость водного потока и его режим движения [42, 57]. По результатам исследований получены графические зависимости изменения шероховатости временного русла в зависимости от числа Рейнольдса, представленные на рисунках 4.27, 4.28 и 4.29 для различных агрофонов: пашня, пашня 186 с боронованием, посевы озимых, полевая дорога, стерня зерновых, междурядье картофеля, междурядье свеклы, лесная полоса, многолетние травы, поверхностное мульчирование, плоскорезная обработка и другие [42, 57]. Установлено, что вспашка несколько увеличивает глыбистость, в тоже время состояние почвенных агрегатов нарушается под действием деформации почвенного слоя рабочими органами, в результате размеры агрегатов уменьшаются до 1,2…2,6 мм, на старопахотных участках образуются меньшие размеры [220]. При плоскорезной обработке существенно уменьшается глыбистость и уплотнение почвы, увеличиваются шероховатость подстилающей поверхности и сохраняются растительные элементы, при этом одним из негативных моментов является образование плужной подошвы, которую необходимо разрушать для снижения стока [199, 200]. Также увеличить фильтрационные свойства почвы возможно путем поверхностного мульчирования, обеспечивая шероховатость поверхности склона растительными элементами. Для данного агрофона коэффициент гидравлической шероховатости находится в пределах 0,19…0,25, что обеспечивает относительное снижение стока по сравнению с плоскорезной обработкой [42, 57]. В результате анализа данных по величине коэффициента гидравлической шероховатости установлено, что коэффициент гидравлической шероховатости несколько увеличивается с ростом числа Re при эрозионном процессе (рисунки 4.30 и 4.31). Изучаемые параметры, такие, как коэффициент гидравлической шероховатости и потенциал эрозионной стойкости, полученные в результате разработки уравнения движения временного водного потока по подстилающей поверхности, позволяют оценить изменение энергии водного потока на склоновых агроландшафтах. 187 Δ, мм 4 пашня пашня с боронованием 3 посевы озимых полевая дорога 2 1 Re 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Рисунок 4.27 - Графическая зависимость изменения высоты неровностей от числа Re [42, 57] 188 Δ, мм 7 6 5 4 3 стерня зерновых междурядье свеклы 2 междурядье картофеля 1 Re 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Рисунок 4.28 – Графическая зависимость изменения высоты неровностей от числа Re [42, 57] 189 Δ, мм 10 9 8 7 6 5 4 3 лесная полоса многолетние травы 2 плоскорезная обработка 1 поверхностное мульчирование Re 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Рисунок 4.29 - Графическая зависимость изменения высоты неровностей от числа Re [42, 57] 190 φ 0,45 пашня 0,4 пашня с боронованием посевы озимых 0,35 полевая дорога междурядье свеклы 0,3 междурядье картофеля 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Re 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Рисунок 4.30 – Графическая зависимость изменения φ в зависимости от числа Re Рейнольдса для различных агрофонов [42, 57] 191 φ 0,6 лесная полоса стерня зерновых 0,5 многолетние травы 0,4 плоскорезная обработка поверхностное мульчирование 0,3 0,2 0,1 Re 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Рисунок 4.31 - Графическая зависимость изменения φ числа Re Рейнольдса для различных агрофонов [42, 57] 1800 2000 в зависимости от 192 Таким образом, выполненные исследования по определению коэффициента гидравлической шероховатости позволили пронаблюдать эрозионный процесс и, путем применения разработанных профилографов и методик, рассчитать средние значения и статистические отклонения величины исследуемого коэффициента для разных агрофонов, расположенных на склоновых агроландшафтах. 4.6. Результаты экспериментальных исследований по определению эквивалентной шероховатости поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях С целью определения эквивалентной шероховатости поверхности проведены исследования в Лаборатории гидрофизики и эрозии почв при ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА применялась разработанная экспериментальная установка [174, 175]. На рисунке 3.26 представлена схема конструкции. Пример расчета коэффициента смоченного периметра [174] приведен в таблице 4.5 и на рисунке 4.32 изображен график изменения глубины водного потока в зависимости от его расхода для разных шероховатых поверхностей сложенных из зерен, определенных фракций (по стрелке проводится выбор Q КРГ и Q КРШ ) [51, 174]. Таблица 4.5 - Расчет смоченного периметра для разных микрорусел [51, 174] Опыт Диаметр частиц, об- Расход водного Коэффициент Смоченный разующих русло d, потока QКР, смоченного периметр χ, -6 3 мм *10 м /с периметра k м 1 стекло 78 1 0,078 2 0,4 80 1,025 0,080 3 1 82 1,05 0,082 4 1,5 85 1,09 0,085 5 2 90 1,15 0,090 6 3 110 1,41 0,110 7 4 120 1,54 0,120 193 Рисунок 4.32 - График изменения высоты водного потока в зависимости от его расхода Q в полученный по экспериментальным данным [51, 174] Фракции частиц определенного среднего диаметра d получены с помощью ситового анализа речного песка. Реализация способа проведена по тарировочному графику и представлена на рисунке 4.33, где стрелками условно показано определение эквивалентной шероховатости разнозернистой поверхности, с помощью коэффициента смоченного периметра кЭ 1,38 установлен средний диаметр частиц d Э 2,79 [51, 174]. Таким образом, анализ результатов лабораторных исследований показывает, что полученная зависимость изменения коэффициента смоченного периметра от диаметра частиц, слагающих равнозернистую шероховатую поверхность, позволит определить эквивалентную шероховатость подстилающей поверхности. 194 Рисунок 4.33 – Тарировочный график для определения эквивалентной шероховатости [51, 174] Данный гидродинамический способ можно применять для оценки шероховатости действительных размываемых микрорусел, например, при проектировании противоэрозионных мероприятий и прогнозировании эрозионных процессов на склоновых землях. 4.7. Результаты экспериментальных исследований по количественной оценке растительных элементов на поверхности почвы Применение экспресс-метода количественной оценки пожнивных остатков на поверхности почвы проводилось на территории землепользования ЗАО «Прогресс» Чебоксарского района Чувашской Республики [59]. Сельскохозяйственные угодья в большей части состоят из светло-серых лесных среднесуглинистых почв. Полевые исследования были выполнены на различных агрофонах, в целом более 6 (стерня зерновых, многолетние травы, муль- 195 чирование и др.). Схема опытного полигона с отмеченными экспериментальными точками на территории ЗАО «Прогресс» Чебоксарского района ЧР представлена ранее на рисунке 4.25 [59]. В качестве результатов применения разработанного метода на практике приведем скриншоты работы созданной программы (рисунок 4.34) [59]. Проведенные полевые эксперименты позволили установить долю пожнивных остатков на поверхности почвы поля с агрофоном в виде стерни зерновых согласно таблице 4.6 [59]. Таблица 4.6 - Результаты полевых опытов по определению пожнивных остатков на поверхности почвы в ЗАО «Прогресс» Чебоксарского района ЧР (агрофон поля - стерня (А)) [59] №№ точек по схеме рисунка 4.25 1-1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 2-3 2-4 Доля пожнивных остатков 0,353 0,362 0,325 0,218 0,432 0,491 0,323 0,396 №№ точек по схеме рисунка 4.25 3-1 3-2 3-3 3-4 4-1 4-2 4-3 4-4 Доля пожнивных остатков 0,354 0,362 0,425 0,418 0,332 0,191 0,223 0,396 №№ точек по схеме рисунка 4.25 5-1 5-2 5-3 5-4 6-1 6-2 6-3 6-4 Доля пожнивных остатков 0,553 0,268 0,229 0,218 0,335 0,236 0,298 0,279 Величина отношения площади занимаемой остатками к общей рассматриваемой площади изменялась в пределах 0,191…0,553 [59]. Если подгнившие пожнивные остатки визуально по цвету возможно отличить от почвы, то программу необходимо перевести на желто-коричневый спектр и тогда, задав соотношения между цветами опытным путем для конкретных почв, можно провести исследование. Если же остатки даже визуально нельзя по цвету отличить от почвы, то для анализа картинки нужно привлекать, например, аппарат нейронных сетей и др [59]. 196 Рисунок 4.34 - Результаты работы программы по автоматизации подсчетов [59] Таким образом, разработаны экспресс-метод и программа для количественной оценки дернины, сорняков и пожнивных остатков на поверхности почвы сельскохозяйственного поля, а в качестве параметра оценки используется отношение площади занимаемой остатками к общей рассматриваемой площади. Основными преимуществами использования экспресс-метода являются скорость и точность исследования, а также существенное уменьшение трудоемкости измерений в полевых условиях. 197 4.8. Выводы по главе 4 Таким образом, на основании вышеизложенного следует считать, что применение агротехнических противоэрозионных мероприятий на склоновых агроландшафтах с использованием потенциальных возможностей подстилающей поверхности позволяет управлять направлением движения водного потока на склоне и существенно снизить интенсивность процессов эрозии на плодородном слое почвы. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что повышение эффективности противоэрозионных технологий за счет существенного снижения эрозионных процессов на почве возможно осуществить путем разработки методов и технических средств контроля подстилающей поверхности склонового агроландшафта. На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы: 1. По анализу полученных гидродинамических характеристик водного потока движущегося по шероховатой поверхности лотка для различных уклонов установлено, что при протекании по шероховатой поверхности с уклоном i = 0,12, скорости водного потока составляли от 0,15до 0,75 м/с, а соблюдение условия равномерного движения происходило при скорости потока равного 0,16 м/с. Расхождение между расчетными результатами, полученными по уравнению движения временного водного потока, и экспериментальными данными не превышает 3,1 %. 2. Установлено, что разработанное устройство для профилирования поверхности почвы позволяет по узлам двухмерной сетки элементарного участка определить направление стока атмосферных осадков в полевых условиях. На основании полевых экспериментов получена поверхность отклика на пашне, позволяющая выявить области возвышенностей и макропонижений для исследуемого участка: самая высокая точка располагается на 16 см от самой нижней точки, правая часть исследуемого участка будет в большей степени подвержена действию водного потока, протекающему под углом 42 градусов от горизонтали склона и воз- 198 никновению эрозионного процесса на пашне в зависимости от интенсивности стока атмосферных осадков. 3. Разработанный метод точечного источника позволил смоделировать водные процессы в лабораторных условиях и подтвердить аналитические выкладки о влиянии градиентов ПЭС и коэффициента гидравлической шероховатости на направление движения водотока и развития микрорусла для подстилающей поверхности. В ходе моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности установлена зависимость Кобба-Дугласа для условий, когда угол расположения образцов с шероховатой поверхностью в лотке к направлению действия струи составляет 38 градуса, а переход водного потока происходит с поверхности с шероховатостью 0,2 мм на 1,6 мм, показывающая, что при изменении расхода водного потока в среднем на 1%, угол отклонения движения увеличится в среднем на 4,24%, а при увеличении скорости истечения воды на 1% угол отклонения движения увеличится в среднем на 1,32 %. При моделировании направления развития микрорусла для подстилающей поверхности, также установлена нелинейная мультипликативная функция показывающая, что при изменении разности потенциала эрозионной стойкости для соседних образцов почв в среднем на 1% угол отклонения развития микрорусла увеличится в среднем на 0,43479%, а при увеличении скорости истечения воды в на 1% угол отклонения развития микрорусла уменьшится в среднем на 1,11164%. При увеличении скорости потока воды угол отклонения динамической оси водотока и направления развития микрорусла от продольной оси имеет минимальное значение, по мере снижения скорости водного потока динамическая ось начинает существенно отклонятся при переходе с одной эквипотенциальной поверхности на другую, что заметно влияет на изменение направления движения водотока и развития микрорусла в целом. 4. Применение профилографов позволяет определить направление и величину уклона поверхности почвы, волнистость и шероховатость поверхности почвы элементарного участка, угол отклонения направления обработки почвы от направления склона в полевых условиях, что обеспечит повышение точности агро- 199 технической оценки поверхности поля после обработки почвы орудиями, осуществляющими различные мелиоративные мероприятия. Полевые исследования с применением профилографов проведены на следующих агрофонах: зяблевая вспашка агрегатом Т-150К+ПЛН-5-35, зяблевая обработки почвы агрегатом Т150К+БДМ-3х4П, обработка почвы парового поля агрегатами АГРОМАШ 90ТГ + ЛДГ-15, АГРОМАШ 90ТГ +КПШ-5. По результатам исследования профилографом одной точки поля, расположенного на сложном склоне, после зяблевой обработки почвы дискатором БДМ-3х4П были получены следующие данные: средний уклон составил 0,06, или 3,440, шероховатость - 3,54 мм, волнистость (изборожденность) поверхности почвы – 7,94 см, направление основной обработки почвы угол отклонения технологических борозд от направления склона составил 93,60. Разработанные методы контроля реализованы в научно обоснованных конструкциях технических средств контроля, способных обеспечить высокую точность измерения параметров при профилировании поверхности почвы для различных уклонов склонового агроландшафта (с погрешностью до 1 % для бесконтактного и до 3 % для контактного методов). 5. По результатам исследований размыва подстилающей поверхности получены графические зависимости шероховатости подстилающей поверхности от числа Рейнольдса для различных агрофонов: вспашка, вспашка с боронованием, посевы озимых, полевая дорога, стерня зерновых, междурядье картофеля, междурядье свеклы, лесная полоса, многолетние травы, поверхностное мульчирование, плоскорезная обработка и другие. Установлено, что вспашка несколько увеличивает глыбистость, в то же время состояние почвенных агрегатов нарушается под действием деформации почвенного слоя рабочими органами, в результате размеры агрегатов уменьшаются до 1,2…2,6 мм, на старопахотных участках образуются меньшие размеры. Также увеличить фильтрационные свойства почвы возможно путем поверхностного мульчирования, обеспечивая шероховатость поверхности склона растительными элементами. Для данного агрофона коэффициент гидравлической шероховатости находится в пределах 0,19…0,25, что обеспечивает относительное снижение стока по сравнению с плоскорезной обработкой. 200 6. Разработан количественный метод определения растительных элементов на подстилающей поверхности при применении, которого установлена величина отношения площади занимаемой остатками к общей рассматриваемой площади. Для стерневого фона на территории землепользования ЗАО «Прогресс» Чебоксарского района Чувашской Республики она изменялась в пределах 0,191…0,553. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования привели к практическим рекомендациям, которые могут быть реализованы при конструировании и совершенствовании противоэрозионных машин, а также при разработке методов проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых землях. 201 ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 5.1. Разработка и применение методики проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах 5.1.1. Разработка методики проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах Рассматривая современные подходы по защите склоновых агроландшафтов от водной эрозии почв можно классифицировать их по принципу действия и выполняемых видов работ и операций. В то же время принципиальным остается вопрос о преследуемых целях при выполнении этих работ, поскольку возникновение различных негативных процессов и явлений, в особенности на склонах, при антропогенном воздействии на агроландшафт весьма велико, что отмечается в ряде научных работ [141, 146, 192, 198]. В таком случае, необходим комплексный подход для разработки ресурсосберегающей и экологически безопасной технологии возделывания сельскохозяйственных культур на склоновых землях с применением минимальной обработки почвы и сохранением растительных элементов на ее поверхности. Для комплексного решения первоочередным вопросом будет является организационно-хозяйственный, преследующий цель создать некоторый задел и условия для проведения необходимых мелиоративных и противоэрозионных мероприятий: расположение возделываемых участков и размещение линейных элементов на поле, разметка и проектирование сети дорог и т. д. Карта эрозионно-опасных земель позволяет проектировать противоэрозионные мероприятия на склоновых землях, при этом основным параметром оценки технологии будет являться допустимый смыв почвы, меняющийся значительно для различных участков поля и приравненный к скорости ежегодного роста почвенных агрегатов, т.е. к скорости почвообразования [100, 153, 230]. Учитывая это, можно записать уравнение в виде [42, 57]: 202 [q ] п qi , (5.1) j 1 где [q ] - ежегодный предельно допустимый смыв почвы, т/га; qi - масса смываемой почвы за единичный сток, т/га; j 1, n - количество осадков, обеспечивших смыв почвы на рассматриваемом участке подстилающей поверхности. Создание условий для снижения интенсивности эрозионных процессов, оптимального размещения полей и расчет севооборотов, применение рациональных технических средств механизации на участках с известными габаритными размерами, например, учет ширины захвата агрегата, расчет длины гона для заданных условий, выбор направления обработки относительно склона и другие, а также возможность или необходимость применения лесотехнических и даже гидротехнических мероприятий будут рассматриваться и внедрятся при противоэрозионной организации территории землепользования сельскохозяйственного предприятия с учетом следующего условия [57]: T r n Qi S z q jzi min , (5.2) i 1 z 1 j 1 где Qi - смыв почвы с рассматриваемой подстилающей поверхности за i 1, T лет ротации севооборота; z 1, r - количество полей и участков для лесотехнических и гидротехнических мероприятий; S z - площадь z -го проектируемого участка или поля. В результате полевых исследований выявлено, что возможно регулировать и изменять следующие параметры при подборе почвозащитных операций: направление обработки почвы на склоне, коэффициент гидравлической шероховатости, потенциал эрозионной стойкости, коэффициент гидродинамического сопротивления волнистости поверхности или дискретного препятствия, долю растительных элементов на подстилающей поверхности и интенсивность стока на водосборе. Не зависящими от технологии возделывания являются параметры склона и интенсивности атмосферных осадков. 203 Выполнение условия (5.2) будет проявляться при выполнении следующих ограничений и требований [57]. 1. По размерам сельскохозяйственных угодий: S z S z S z S0 , zF1 zF2 (5.3) zF3 где Рz , zF1 – размеры участков с различным размещением возделываемых культур, га; Рz , zF2 – размеры лесополос, га; Рz , zF3 – размеры гидротехнических конструкций, га; Ро – общая площадь сельскохозяйственных угодий, га. 2. Оптимальное сочетание севооборотов и агротехнических противоэрозионных технологий [42, 57]: z S z S z 0, М1 , zF1 (5.4) zF4 где z – отнесенный вес сельскохозяйственного агрофона в z-й схеме возделываемых культур; Рz , zF4 – размеры полей для агротехнических работ, га; количество сельскохозяйственных агрофонов для 1– противоэрозионных технологий. 3. Требования по содержанию гумуса в почве [42, 57]: Gz S z z S z A 0,1Г , zF1 (5.5) zF3 где Gz – потери гумуса при возделывании разных культур; z – смыв гумуса при эрозионном процессе почвы; А – объем гумуса для положительного баланса; Г – объем органических удобрений; 0,1 – коэффициент преобразования удобрений в часть гумуса. 4. Планирование урожайности сельскохозяйственной продукции [42, 57]: yz S z Б , М 2 , (5.6) zF1 где yz – урожайность сельскохозяйственной культуры с гектара z-го сельскохозяйственного агрофона; Б – объем сельскохозяйственной продукции ; жество сельскохозяйственных культур. 2– мно- 204 5. Требование положительных значений переменных [42, 57]: Sz 0, А 0, z F , 6. Рациональное ограничение (5.7) размеров противоэрозионных технологий [42, 57]: Sz (ВL)z; z F, F1, F2, F3, F4 F, где В, L – ширина и длина рассчитываемого участка (5.8) z на поле соответственно. Таким образом, применяя уравнение (5.1) и учитывая результаты исследований представленных выше, определим допустимый смыв почвы для рассматриваемого участка, расположенного на известном расстоянии от водораздела и с замеряемыми параметрами подстилающей поверхности по следующей формуле: [q] 1 хст или i ic в I cт (t ) xВ i q i ic 1 в I cт (t ) В i . (5.9) (5.10) Итогом решения выражения (5.10), учитывая предельно допустимый смыв почвы, будет являться подбор ширины обрабатываемого участка, согласуемый с шириной захвата противоэрозионного агрегата Ва по выражению [42, 57]: В mВа , (5.11) где m - количество проходов противоэрозионного агрегата, принимают целое число. Таким образом, при проектировании контурных рубежей участков первоочередное значение имеет расчет их ширины. Однако немаловажно вместе с габаритными размерами участков учитывать расположение их на склоне, форму склона и другие особенности, а также режим и условия движения противоэрозионного агрегата, выполняющего различные агротехнические операции, включая и противоэрозионные. Известно, что технологические борозды и другие линейные эле- 205 менты обязательно размещаются поперек склона или с предельно допустимым отклонением [28, 138, 190]. Очевидно, что при любой обработке почвы возникают технологические борозды при движении агрегата и, как следствие, они могут соединить и сконцентрировать атмосферные осадки, движущиеся с водораздела. Определенные трудности возникают при проектировании участков на сложных склонах с непостоянным уклоном, в таком случае требуется определить предельно допустимое отклонение направления обработки относительно склона. Внедрение контурной обработки почвы несколько ограничивается системой противоэрозионных машин для реализации данного вида работ. В таком случае при обработке правильных участков на сложном склоне необходимо рассчитать угол отклонения направления обработки почвы относительно склона. Рассматривая участок АБВГ, расположенный на сложном склоне, определим угол отклонения направления обработки почвы (рисунок 5.1). Б А α А1 Б1 β γ В Г Рисунок 5.1 – Расчетная схема для проектирования участка на сложном склоне [42, 57] 206 Для уклона линейного элемента получим [42, 57]: sin ББ1 , БВ (5.12) где β – уклона линейного элемента (технологическая борозда). Необхожимо учесть, что стороны ББ1 и БВ будут определяться по формулам [42, 57]: ББ1 БГ sin БВ и АВ , sin (5.13) (5.14) где - угол склона, град., - угол отклонения линейного элемента относительно склона, град. При равенстве АВ БГ , имеем выражение [42, 57]: sin sin sin . (5.15) С учетом того, что уклоны сельскохозяйственных полей имеют небольшие значения, выражение (5.15) можем несколько упростить [42, 57]: i iск sin , (5.16) где i - уклон линейного элемента, iск - уклон рассчитываемого склона. На практике при проектировании линейных элементов на сельскохозяйственных полях доступнее получать информацию по картам местности, а именно рассматривать угол отклонения направления обработки почвы относительно склона. Учитывая это, выражение (5.16) представим в виде [42, 57]: arcsin i iск . (5.17) Учитывая формулу (2.105), задавая условие недопустимости размыва русла, т.е. v д2 , имеем выражение для допустимого уклона линейного элемента, принимая все замеряемые параметры подстилающей поверхности для технологической борозды [42, 57]: iдоп. 3/ 2 1 1 гл 2 , 2 gI ст (t )l (5.18) 207 где l - длина технологической борозды на склоне. Выполняя подстановку выражения (5.18) в формулу (5.17), рассчитаем предельно допустимый угол отклонения направления обработки почвы относительно склона на подстилающей поверхности [42, 57]: arcsin 3/ 2 1 1 гл 2 . 2 gI ст (t )liск (5.19) Для расчета длины гона обрабатываемого участка или предельно допустимой длины участка, проектируемого на склоновом агроландшафте, можно применить выражение [42, 57]: l l0 l1 l2 2Е , (5.20) где l0 - длина участка, на котором выполняется обработка почвы по горизонталям, м; l1 и l2 - длина участка, располагаемая в левой и правой частях соответственно относительно сложного склона, м; Е - размеры поворотной полосы, выбираемой из агротехнических требований и условий при обработке почвы [161], м. Учитывая формулу (5.19), можно рассчитать длины участков, обрабатываемых по левую и правую сторону от сложного склона: l1 3/ 2 1 1 гл 2 2 gI ст1 (t )i1 (5.21) и l2 3/ 2 1 1 гл 2 , 2 gI ст2 (t )i2 (5.22) где i1 и i2 - уклон левой и правой частей сложного склона, I ст1 (t ) и I ст 2 (t ) - интенсивность стока на левой и правой частях сложного склона. Размеры поворотной полосы согласовывают с шириной захвата противоэрозионного агрегата по условию [42, 57]: Е кВа min , (5.23) где к – количество проходов противоэрозионного агрегата при обработке поперек склона. 208 Учитывая выражения (5.21), (5.22) и (5.23), получим уравнение (5.20) для определения предельно допустимой длины участка на сложном склоне в виде: l l0 1 1 1 2кВа . 1 гл 2 2g i1 I ст1 (t ) i2 I ст2 (t ) 3/ 2 (5.24) Таким образом, анализируя выражение (5.24), можно констатировать, что для увеличения длины гона на сложном склоне необходимо создать противоэрозионный поверхностный слой на обрабатываемом участке путем увеличения коэффициентов гидравлической шероховатости и волнистости подстилающей поверхности для снижения скорости водного потока, повысить ПЭС, увеличить коэффициент смоченного периметра. Для обоснования проектных решений предлагается, используя гидродинамическую характеристику движения водного потока на склоне, разработать номограмму для подбора оптимальных мелиоративных технологий при реализации методики проектирования противоэрозионных мелиоративных мероприятий на склоновых агроландшафтах. Рассмотрим движение водного потока по подстилающей поверхности водосбора по рисунку 5.2. Как правило, траекторию движение водного потока преимущественно определяет тальвег водосборной площади, направление которого можно выявить по горизонталям склона [49]. Определив направление движения водного потока на склоне, разбиваем полученную траекторию на относительно прямые линии, учитывая на проектируемых участках агрофон [49]. Для суждения о правильности выбора размеров участков весьма удобрена номограмма для определения эпюры скоростей на проектируемом склоне водосбора, полученная на основе гидродинамической характеристики водного потока и представленная на рисунке 5.3. На рисунке 5.3 приняты те же агротехнические мероприятия, что и рассматриваемые по рисунку 5.2 [49]. С правой стороны номограммы представлен график с четырьмя гидродинамическими характеристиками водного потока движущегося по подстилающей поверхности соответствующие разным агрофонам, расположенным на пути водного 209 потока [49]. Слева располагается график изменения уклона рассматриваемых участков по траектории движения водного потока. водораздел склона А1 l1 l2 тальвег склона l3 А2 l4 А3 l5 l6 А4 бровка склона Рисунок 5.2 – Расчетная схема движения водного потока на склоновом агроландшафте: А1 – агротехнические мероприятия 1; А2 – агротехнические мероприятия 2; А3 – противоэрозионные агротехнические мероприятия 1; А4 – противоэрозионные агротехнические мероприятия 2 [49]. Ниже справа имеется возможность получения эпюры скоростей водного потока по всей траектории движения на рассматриваемых участках [49]. Для определения границы отсутствия эрозионного процесса на номограмме берется критическая скорость водного потока, определяемая экспериментально в полевых условиях разработанными при участии автора методами и приборами [42, 59, 177, 186, 187]. Рисунок -5.3 - Номограмма для подбора мелиоративных технологий на выпуклом склоне водосбора [49] 210 211 Из рисунка 5.3. видно, что при выявлении эрозионного процесса в виде появления пояса эрозии по длине склона необходим ряд противоэрозионных мелиоративных мероприятий на склоновом агроландшафте: агромелиоративные по кривой (1) или гидромелиоративные по кривой (2) противоэрозионные операции, иначе, при сохранении агрофона на склоне - необратима эрозия почвы при скоростях по кривой (3). При помощи номограммы на проектируемом склоне водосбора легко определить, при какой скорости может протекать водный поток на отдельных участках водосборной площади [49]. На основании номограммы для рассматриваемого склонового агроландшафта возможно установить, насколько удовлетворительно подобраны компенсационные мелиоративные мероприятия на стадии проектирования. В тоже время пользуясь этими графиками, можно путем подбора мелиоративных мероприятий скомпенсировать скоростной режим движения водного потока на отдельных участках, а следовательно уменьшить интенсивность эрозионных процессов и сохранить плодородие почвы на склоновом агроландшафте [49]. Выполнить условие (5.1) не всегда возможно, применяя организационнохозяйственные или агротехнические противоэрозионные подходы. В таком случае вынужденной мерой будут являться проектирование и применение противоэрозионных лесотехнических или гидротехнических мероприятий [49, 57]. Подводя итог по проектированию противоэрозионных мероприятий на склоновых агроландшафтах, следует несколько обобщить разработанную методику в виде алгоритма действий [57]: 1) необходимо минимизировать целевое выражение (5.1), учитывая выставленные ограничения и требования в виде (5.2), (5.3), (5.4), (5.5), (5.6), (5.7) и (5.8); 2) применяя цифровую карту местности, определяются линейные элементы, рубежи и другие параметра подстилающей поверхности на конкретном участке склонового агроландшафта для экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции растениеводства; 3) на основании полученных данных разрабатывается номограмма для подбора мелиоративных мероприятий на исследуемом склоновом агроландшафте. 212 Для реализации алгоритма действий необходимо провести контроль противоэрозионных технологий на склоновом агроландшафте. 5.1.2. Применение методики контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах Экспериментальные исследования по определению гидрофизических и эрозионных характеристик почвы [42, 56]: потенциала эрозионной стойкости, коэффициента гидравлической шероховатости, пористости и коэффициента фильтрации в полевых условиях - проводились на территории площадью более 400 га с разными агрофонами в СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики при поддержке РФФИ по проекту 13-05-97048-р_поволжье_а. Схема расположения экспериментальных точек на поле с посевами озимой культуры приведена на рисунке 5.4. С помощью программы «Google Планета Земля» на схеме отображен исследуемый участок 40х40 м с координатами его месторасположения. Рисунок 5.4 - Схема расположения экспериментальных точек на поле с посевами озимой культуры [46, 56] 213 Карты с изолиниями рассчитанных потенциала эрозионной стойкости и коэффициента гидравлической шероховатости на опытном поле СХПК «Труд» представлены по результатам полевых экспериментальных исследований на рисунках 5.5 и 5.6. Параметры эрозионных характеристик почвы замерялись 3 раза в одной точке. Большая трудоемкость операций по определению гидрофизических свойств почвы позволила получить только средние значения результатов обработки данных по пористости и коэффициенту фильтрации соответственно 0,457 м3/м3 и 4,8910-5 м/с при плотности почвы 1,392 г/см3 [46, 56]. Результаты полевых исследований позволяют отметить, что для значений потенциала эрозионной стойкости и коэффициента гидравлической шероховатости имеет место изменение их в пространстве для разных типов агрофонов в границах одного участка - выявляется при статистической обработке данных измерений. Определены уклоны элементарных площадок по узлам двухмерной сетки и представлены в виде карт с изолиниями (рисунок 5.7) [46, 56]. Установлено, что для подстилающей поверхности исследуемого участка СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики величина коэффициента гидравлической шероховатости меняется от 0,14 до 0,23, потенциал эрозионной стойкости - от 0,6 до 2,5 Дж/кг, а величина смыва почвы изменяется от 0 до 0,006 кг/с. Выявлены эрозионноопасные области исследуемого участка: для точек 4-5 и 5-5, а также 4-2 и 4-3, где смыв почвы может достигать макимсальных значений для 11 % площади исследуемого участка при заданной интенсивности стоках [46] (рисунок 5.8). Для улучшения гидрофизических и эрозионных свойств почвы рекомендуется использовать современные способы посева зерновых культур, например, совместить предпосевную обработку почвы с посевом, что позволит уменьшить количество проходов агрегата по полю и в целом воздействие на почву рабочих органов противоэрозионных машин [19, 181, 183]. 214 Contour Graph 1 5 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 4 Y Data 3 2 1 y x 1 2 3 4 5 X Data Рисунок 5.5 - Карта изолиний и поверхность отклика коэффициента гидравлической шероховатости для исследуемого участка [46] Contour Graph 1 5 4 1,0 1,5 2,0 2,5 Y Data 3 2 1 y x 1 2 3 4 5 X Data Рисунок 5.6 - Карта изолиний и поверхность отклика потенциала эрозионной стойкости для исследуемого участка [46] 215 Contour Graph 2 5 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 4 Y Data 3 2 1 y x 1 2 3 4 5 X Data Рисунок 5.7 - Карта изолиний и поверхность отклика уклона для исследуемого участка [46] Contour Graph 3 5 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 4 Y Data 3 2 1 y x 1 2 3 4 5 X Data Рисунок 5.8 - Карта изолиний и поверхность отклика величины размыва при заданной интенсивности стока для исследуемого участка [46] 216 Для условий Канашского района Чувашской Республики обоснованность применения тех или иных мелиоративных мероприятий выявлялось в ходе анализа состояния агроландшафтов с учетом формы склонов, размеров мелиорируемых участков и целого ряда других необходимых параметров [92]. Предлагалось, используя гидродинамическую характеристику движения водного потока на склоне определять наиболее эффективные по применению противоэрозионные мелиоративные мероприятия на склоновых агроландшафтах. Поскольку фактически уклон склона меняется по цепочке фаций в зависимости от их удаленности от водораздела, согласно продольного профиля водосбора, то представим функцию склона в виде: ii f (li ) , (5.25) где ii - фактический уклон исследуемой фации на расстоянии li ; li - i-ое расстояние от водораздельной линии по склону до исследуемой фации. Графически функции для выпуклого и вогнутого склона в зависимости от его длины изображены соответственно на рисунках 5.9 и 5.10 для условий Канашского района Чувашской Республики. Данные для построения графика функции склона получены по топографическим картам, имеющим достаточный масштаб. В результате анализа графических зависимостей функций склонов установлено, что для выпуклого склона величина уклона увеличивается с 0,011 до 0,082 по длине до 1 км с величиной достоверности аппроксимации 0,977 для квадратичной функции. Для выпуклого склона величина уклона уменьшается по его длине для квадратичной зависимости с 0,009 до 0,084 с величиной достоверности аппроксимации 0,996. Далее строится совмещенный график, применяя графические зависимости функции склона и гидродинамической характеристики водного потока движущегося по этому склону в виде номограммы подбора противоэрозионных мелиоративных технологий для определения эпюры скоростей на исследуемом водосборе. Номограммы для выпуклого и вогнутого склона водосбора разбитого на 5 участков соответственно представлены на рисунке 5.11 и 5.12. 217 i 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 i = -5E-08l2 + 0,0001l + 0,0122 R² = 0,9771 0,03 0,02 0,01 l, м 0 0 200 400 600 800 1000 Рисунок 5.9 – Графическая зависимость функции склона выпуклого профиля 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 i = -3E-08l2 - 4E-05l + 0,0816 R² = 0,9956 0,02 0,01 0 0 200 400 600 800 1000 Рисунок 5.10 – Графическая зависимость функции склона вогнутого профиля 218 Вся длина водосбора разбивается на череду фаций согласно классификации и схеме типов их месторасположений [75]: - элювиальные фации, в виде выравненной водораздельной территории со слабым уклоном до 1…2 градусов - для выпуклого склона участки l1 и l2 (см. рисунок 5.11); - трансэлювиальные фации, в виде верхних относительно крутых участков по склону с уклоном не менее 2…3 градусов - для выпуклого склона участки l4 и l5 и вогнутого склона участки l1 и l2 (см. рисунки 5.11 и 5.12); - трансаккумулятивные фации, в нижних частях склонов с выносом и аккумуляцией наносов - для вогнутого склона участки l4 и l5 (см. рисунок 5.12). В итоге для рассматриваемых участков склоновых агроландшафтов подобраны фации по типу их местоположения, учитывая размещение в профиле рельефа, разнообразия экспозиции, крутизны и формы склона. Проводя исследования склоновых агроландшафтов наземными техническими средствами контроля, получают данные измерений по гидрофизическим параметрам для решения уравнения водного баланса и уравнения движения временного водного потока. Решение уравнения движения временного водного потока возможно графоаналитическим способом в виде гидродинамической характеристики водного потока движущегося по этому склону. Данную характеристику подставляют в номограмму, таким образом, решая совместно с уравнением (5.25). Результатом решения уравнений является эпюра скоростей водного потока по длине водосбора, формируемая в нижнем правом квадранте номограммы с учетом критических скоростей начала размыва почвы. Для выпуклого или вогнутого по форме водосбора, используя полученные номограммы, возможно, подобрать при проектировании или оценить во время применения мелиоративные противоэрозионные технологии, выполняемые на склоне в зависимости от агрофона и с учетом критических скоростей водотока, движущегося по подстилающей поверхности. Рисунок 5.11 - Номограмма для подбора мелиоративных технологий на выпуклом склоне водосбора [49] 219 Рисунок 5.12 - Номограмма для подбора мелиоративных технологий на вогнутом склоне водосбора 220 221 В результате анализа полученных номограмм установлено, что для выпуклого склона необходимость применения противоэрозионных мелиоративных мероприятий возникает по длине водосборной площади, а для вогнутого склона – на начальном участке склонового агроландшафта. Среди предлагаемых мелиоративных мероприятий по предотвращению эрозии почвы, возможно, применять на склоновом агроландшафте [98]: - агротехнические – глубокая вспашка для накопления влаги, безотвальная обработка почв, бороздование, регулирование поверхностного стока с учетом микрорельефа (обваловывание, щелевание) и др. - гидротехнические – террасирование склонов, создание специальных технических устройств по отводу водных потоков (лотки, канавы, земляные запруды) и др. Место применения противоэрозионных мелиоративных мероприятий определяется по эпюре скоростей формируемой в нижнем правом квадранте номограммы (см. рисунки 5.11 и 5.12) с учетом критических скоростей водного потока [156]. И, как правило, эрозия почвы возникает на трансэлювиальных фациях, где скорости водотока начинают превышать допустимые значения для подстилающих поверхностей: 0,15…0,3 м/с в зависимости от типа почвы и агрофона. Размывающую скорость потока и основные параметры подстилающей поверхности агрофона на исследуемом водосборе определяют с помощью разработанных технических средств контроля [42, 147]. Полевые экспериментальные исследования по определению скорости водного потока на подсилающей поверхности были проведены нами в Канашском филиале ФГУП «Чувашмеливодхоз» в весений период 2016 года. Основные параметры подстилающей поверхности были замерены и рассчитаны с помощью разработанных методов и технических средств контроля [42, 59, 186, 187]. Для условий зяблевой вспашки создавалась стоковая площадка, и определялись следующие параметры: коэффициент гидравлической шероховатости, ПЭС и волнистостость подстилающей поверхности [49]. 222 Применяя уравнение движения временного водного потока (2.20), построены гидродинамические характеристики водного потока для различных агрофонов по результатам исследований, которые представлены на рисунке 5.13 [49]. i 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 v, м/с 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 зяблевая вспашка с боронованием многолетние травы (экспарцет) зябь (расчет при 0,030 м) зябь (расчет при 0,0085 м) озимые зябь (расчет при 0,051 м) трава (расчет при 0,013 м) трава (расчет при 0,0003 м) кривая квазиравномерного движения озимые (расчет при 0,01 м) Рисунок 5.13 - Гидродинамические характеристики водного потока, движущегося по различным агрофонам на водосборе, построенные по исследованиям Н.Н. Бобровицкой [29, 30, 49] Для построения гидродинамической характеристики водного потока, протекающего на различных агрофонах, приведены данные исследований Н.Н. Бобровицкой в таблице 5.1, в которых исследовался процесс движения склонового стока на водосборной площади [29, 30]. На гидродинамические характеристики наложены данные Н.Н. Бобровицкой в виде точек для следующих агрофонов: зябле- 223 вая вспашка с боронованием, многолетняя трава экспарцет, посевы озимых (см. рисунок 5.13) [49]. Таблица 5.1 - Результаты полевых исследований для талой воды, представленных Бобровицкой Н.Н. [29, 30] Участок измерений Экспозиция Уклон 1 2 3 4 5 6 ю ю ю ю-з в ю-в 0,027 0,05 0,075 0,183 0,115 0,08 Скорость Глубина ручья, ручья, см см/с 6,08 0,85 50 3 81,3 5,1 5 1,3 2,2 0,03 13,8 1 Агрофон Зяблевая вспашка с боронованием Многолетняя трава экспарцет Посевы озимых В связи с тем, что агрофона в виде многолетней травы экспарцет не имелось, поскольку такая кормовая культура не распространена в условиях Чувашской Республики, данные были получены для многолетней травы люцерны [49]. Установлено, что для компенсационных мелиоративных мероприятий и инженерно-мелиоративных систем планируемых на склоновых агроландшафтах возникают следующие скорости водного потока: для фитомелиоративных мероприятий от 0,022 до 1,5 м/с даже при существенных уклонах, для агротехнических мелиоративных мероприятий от 0,138 м/с при уклоне 0,08, а для традиционной обработки почвы скорости превышают критические доходя до 0,8 м/с [49]. По номограмме для определения эпюры скоростей на конкретном склоне водосбора можно оценить и проконтролировать противоэрозионные мелиоративные мероприятия, выявляя реальный скоростной режим движения водного потока на проблемных участках, а, следовательно, имеется возможность своевременно предупредить эрозионные процессы и сохранить плодородие почвы на склоновых мелиорируемых землях. 224 5.2. Применение методов и технических средств контроля для почвенномелиоративных изысканий при реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Проектные и изыскательские работы по реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Канашского района Чувашской Республики (код по ОКПД 74.20.34.110) проводились согласно плану работ Федерального государственного бюджетного учреждения «Управление мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения по Чувашской Республике» (ФГБУ «Управление «Чувашмелиоводхоз») [122]. Целевой индикатор исследований: прирост объема производства продукции растениеводства на землях сельскохозяйственного назначения; ввод в эксплуатацию мелиорируемых земель на площади 300 га за счет реконструкции. Ожидаемый результат: предотвращение выбытия из сельскохозяйственного оборота 300 га сельхозугодий. Для реализации необходимо было выполнить различного рода изыскания: инженерно-геодезические; почвенно-мелиоративные (в т. ч. определение ПЭС почв, коэффициента гидравлической шероховатости дневной поверхности почв, пористости, функции влагопроводности с отображением в виде карт изолиний); инженерно-геологические и инженерно-гидрогеологические; инженерно- экологические. Исходя из целевого индикатора важно подобрать не только нормы и режимы водной мелиорации, но и агромелиоративные подходы, обеспечивающие сохранение плодородия почвы и соответственно прирост объема производства продукции растениеводства на склоновых землях. Поэтому предварительно водосборная площадь была разбита на череду фаций согласно классификации и схеме типов их месторасположений [75]. На рисунке 5.14 представлен профиль склонового агроландшафта, направленного на водоисточник: изменение высоты координаты над уровнем моря по длине склона. Данные для построения графика получены по топографическим картам, имеющим достаточный масштаб. 225 Рисунок 5.14 – Выделение фаций на профиле склонового агроландшафта, направленного на водоисточник Для исследуемого профиля рассчитана функция склона по выражению (5.25), которая представлена на рисунке 5.15 в виде графика и уравнения полиномиальной зависимости. Общий уклон профиля на расстоянии 1756 метров составляет менее одного градуса - 0,0129. Фактически действительный уклон по длине профиля склонового агроландшафта меняется от 0…0,031, т.е. 0…1,85 градуса. Рисунок 5.15 – График функции склона по исследуемому профилю В итоге для рассматриваемых участков склонового агроландшафта подобраны 4 фации по типу их местоположения, учитывая размещение в профиле рельефа, разнообразия экспозиции, крутизны и формы склона (Рисунок 5.16). 226 Ф4 Ф3 Ф2 Ф1 Рисунок 5.16 – Выделение фаций на территории межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Результаты полевых исследований позволили отметить (см. приложение В, таблицы В.1 и В.2), что значения потенциала эрозионной стойкости и коэффициента гидравлической шероховатости характеризуются изменением в пространстве для исследуемой водосборной площади [92]. Полученные данные по результатам исследований для потенциала эрозионной стойкости и коэффициента гидравлической шероховатости на опытном поле 227 представлены в (рисунки 5.17 и 5.18) в виде карт изолиний. Параметры эрозионных характеристик почвы замерялись от 3 до 5 раз в одной точке [92]. Рисунок 5.17 - Карта изолиний ПЭС с наложением на изолинии рельефа местности [92] 228 Рисунок 5.18 - Карта изолиний коэффициента гидравлической шероховатости с наложением на изолинии рельефа местности [92] 229 Проводилась стандартная статистическая обработка (среднее арифметическое значение, среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации и т.п.). Плотность (удельный вес) пахотного слоя тяжелосуглинистых несмытых почв равна 2,49…2,56 г/см3, с глубиной она увеличивается до 2,52…2,59 г/см3. У среднесмытых почв плотность пахотного горизонта под озимыми зерновыми культурами достигает 2,70 г/см3 [92]. Объемный вес пахотного слоя на слабосмытых почвах под озимыми равен 1,25…1,28 г/см3, что характеризует их как сильноуплотненную пашню. На среднесмытых почвах под озимыми объемный вес пахотного слоя еще выше – 1,48 г/см3. Соответственно и пористость пахотного слоя этих почв характеризует их как уплотненную почву: у слабосмытых почв – 48,6…52,6%, у среднесмытых – 45,2%. Предельная полевая влагоемкость (ППВ) пахотного слоя хорошая и равна 32,2 % от веса почвы, 37,5 % от объема [92]. Скорость впитывания воды у несмытых и слабосмытых почв с поверхности (1,94…3,20 мм/мин в первый час) даже на уплотненной пашне под озимыми хорошая. На среднесмытых почвах (0,86 мм/мин) – удовлетворительная. Эти показатели вполне согласуются с величиной объемного веса и пористостью указанных почв [92]. По определению гидрофизических свойств почвы получены средние значения результатов обработки данных по пористости и коэффициенту фильтрации соответственно 0,531 м3/м3 и 4,8910-5 м/с при плотности почвы 1,396 г/см3 [92]. По интенсивности эрозионных процессов для рекомендуемых мероприятий мелиорации почвы применением исследуемых параметров на участке реконструкции оросительной системы выделены мелиоративные подрайоны учитывая работы [81, 168]. Основными показателями при определении мелиоративных подрайонов на исследуемой территории принимались уклон дневной поверхности и потенциал эрозионной стойкости почвы: А - несмытые почвы (но эрозионно-опасные); Б – слабосмытые почвы; В – среднесмытые почвы; Г – сильносмытые почвы. 230 Исследуемый мелиоративный район подразделен на подрайоны (см. рисунок 5.17), учитывая работы [127, 167, 226]: 1) мелиоративный подрайон А. Участки, включенные в этот подрайон, благоприятны для орошения: уклоны местности менее 0,03, почвы не смытые и у них наилучшая водопроницаемость – 3,20 и более мм/мин за первый час. Почвы характеризуются высоким естественным плодородием согласно агрохимическим картам. Рекомендуемые мероприятия: орошение расчетными поливными нормами интенсивностью дождя порядка 0,25…0,3 мм/мин или капельное орошение; обработка почвы по контуру склонов; периодическое углубление пахотного слоя; снегозадержание и регулирование снеготаяния. Использование: полевые и кормовые севообороты, овощи. 2) мелиоративный подрайон Б. Участки, включенные в этот подрайон, по сравнению с подрайоном А, менее благоприятны для орошения: склоны более крутые – уклоны местности 0,02…0,05, почвы слабосмытые, водопроницаемость хорошая, но значительно ниже – 1,94 мм/мин и более за первый час. Почвы характеризуются высоким естественным плодородием согласно агрохимическим картам. Рекомендуемые мероприятия: орошение меньшими против расчетных значений поливных норм интенсивностью дождя 0,2…0,25 мм/мин и капельное орошение; обработка и посев поперек склона; периодическое углубление пахотного слоя; снегозадержание и регулирование снеготаяния; посадка лесополос по границам полей; агрохимическое окультуривание почв. Использование: полевые и кормовые севообороты, многолетние травы, овощи. 3) мелиоративный подрайон В. Участки, включенные в этот подрайон, самые неблагоприятные для орошения, склоны более крутые – уклоны местности 0,03…0,07, почвы среднесмытые, водопроницаемость удовлетворительная, но значительно ниже – 0,86 мм/мин за первый час. Рекомендуемые мероприятия: орошение меньшими против расчетных значений поливных норм интенсивностью дождя 0,2…0,25 мм/мин и капельное оро- 231 шение, обработка и посев поперек склона, периодическое безотвальное углубление пахотного слоя, снегозадержание и регулирование снеготаяния, посадка лесополос по границам полей, агрохимическое окультуривание почв. Использование: многолетние травы с присутствием в травостое злаковых трав для образования дернины. Для увеличения водопроницаемости рекомендуется щелевание многолетних трав. 4) мелиоративный подрайон Г. Участки, включенные в этот подрайон, самые неблагоприятные для орошения, почвы сильносмытые. Рекомендуемые мероприятия: орошение расчетными поливными нормами интенсивностью дождя порядка 0,15…0,2 мм/мин или капельное орошение, обработка почвы по контуру склонов, периодическое углубление пахотного слоя, снегозадержание и регулирование снеготаяния. Использование: полевые и кормовые севообороты, овощи. Определяя мелиоративные подрайоны на исследуемой территории, выбирают соответствующую технологию обработки почвы по номограмме, представленной на рисунке 5.19. Для мелиоративных подрайонов В и Г рекомендуется использовать безотвальную технологию обработки почвы. Учитывая исследования по определению коэффициентов гидравлической шероховатости, гидродинамического сопротивления волнистости и количества растительных остатков на дневной поверхности почвы, разработка и применение современных безотвальных рабочих органов позволит существенно сократить интенсивность эрозионных процессов в отмеченных мелиоративных подрайонах. Полученные данные позволили спрогнозировать смыв почвы с мелиорируемых земель объекта при превышении допустимых норм полива с учетом исследований [75, 76, 82, 83, 84] (см. приложение В, таблица В.3). Для рассматриваемых условий рекомендуется решить вопрос организации территории землепользования путем оптимизации по размерам фаций. Например, на фациях Ф2 и Ф3 для исследуемого склонового агроландшафта возможно использовать одни агромелиоративные мероприятия, а на фациях Ф1 и Ф4 достаточно реализовать традиционные агротехнические технологии. 232 А Б В ψ Г Рисунок 5.19 - Номограмма подбора технологии обработки почвы для мелиоративных подрайонов на исследуемой территории В результате почвенно-мелиоративных изысканий также разработано и внедрено одно из требований к конструктивным и технологическим решениям для объекта исследования, а именно выбор современных противоэрозионных машин, учитывая гидрофизические и гидрологические характеристики почв на мелиорируемых землях и планируемого севооборота. 233 5.3. Разработка рабочих органов противоэрозионных машин В целом агротехнические мелиоративные подходы и технические средства механизации для их реализации позволяют создать противоэрозионную подстилающую поверхность. Противоэрозионные неровности образуются в результате обработки почвы плугами по горизонталям склона, валкообразователями и лункообразователями, различными катками с заданной поверхностью и другими противоэрозионными орудиями [125, 146]. Преимущественно для сохранения растительных элементов и увеличения коэффициента гидравлической шероховатости, согласно нашим исследованиям [42, 57], применяется безотвальная обработка почвы. Для реализации безотвальной обработки почвы предлагается использовать плоскорезы-глубокорыхлители, плоскорезы-культиваторы, стрельчатые лапы для посева семян сельскохозяйственных культур по стерне, плоскорезы-удобрители для внесения удобрений и мелиорантов и другие рабочие органы, не позволяющие разрушить подстилающую поверхность склоновых агроландшафтов. Применение энергонасыщенной техники для обработки почвы ведет к существенному снижению агрофизических характеристик почвы [97]. Анализ наших исследований еще раз подтверждает серьезное нарушение биологических процессов, снижение интенсивности почвообразовательных процессов, повышение пылеватых и несвязанных частиц почвы на подстилающей поверхности, особенно на старопахотных склоновых агроландшафтах. Повышение эффективности противоэрозионных агротехнических мелиораций возможно путем минимальной обработки дневной поверхности почвы. Известно, что машины с игольчатыми рабочими органами позволяют сохранить растительные элементы на дневной поверхности и обеспечить существенное сопротивление водному потоку, движущемуся по склону, в том числе и улучшить фильтрационные характеристики почвы [111, 179, 180, 182, 184, 185]. 234 Ряд работ [39, 54, 182] предлагает шире использовать структурообразователи для улучшения противоэрозионных свойств почвы при предупреждении водной эрозии почв и сохранении влаги. Для создания противоэрозионных свойств дневной поверхности почвы нами предлагается использовать экспериментальные рабочие органы, спроектированные для значительного сокращения эрозионных процессов на подстилающей поверхности и повышения урожайности возделываемых культур в сравнении с традиционными орудиями. 5.3.1. Разработка рабочих органов противоэрозионных почвообрабатывающих машин Разработанный почвообрабатывающий рабочий орган (Патент РФ № 2475006) содержит стойку 1, плоскорежущую лапу 2, стабилизатор-рыхлитель 3, установленный шарнирно на оси 4, с закрепленной на нем поперечиной 5 с зубчатыми дисками: верхним 6 и нижним 7 на осях 8 и 9 соответственно (рисунок 5.20) [184]. Общий вид спроектированного почвообрабатывающего рабочего органа представлен на рисунке 5.21. При движении агрегата поперек склона плоскорежущая лапа 2 подрезает пласт на установленной глубине. Стабилизатор-рыхлитель 3, установленный шарнирно на оси 4, частично рыхлит подрезанный пласт, воспринимая боковые усилия, способствуя тем самым повышению устойчивости движения орудия в плоскости склона. Зубчатый диск 7, установленный на оси 9, вращается, взаимодействуя с дном борозды, производя ее рыхление и находясь во взаимном зацеплении с зубчатым диском 6, передает вращение ему. Тем самым происходит дополнительное рыхление подрезанного пласта почвы и «подталкивание» его, т.е. исключается сгруживание почвы рабочим органом, которое возникает при работе почвообрабатывающего рабочего органа [184]. 235 а в б Рисунок 5.20 - Схема почвообрабатывающего рабочего органа: а - вид сбоку; б - вид сверху; в - сечение А-А на б [184] Форма зуба дисков 6 и 7, выполненная по абсолютной траектории движения, позволяет дискам заглубляться в почву при минимальном вертикальном усилии и обеспечивает надежное сцепление зубьев диска 7 с дном борозды [184]. 236 Рисунок 5.21 - Общий вид спроектированного почвообрабатывающего рабочего органа Почвообрабатывающий рабочий орган (Патент РФ № 2360391) содержит стойку 1 с установленной на ней плоскорежущей лапой 2, к которой крепится с помощью шарниров 3 основание 4 с размещенными на нем вырезными стабилизаторами-рыхлителями 5, кромки которых заострены, а в вилках-поводках основания 4 закреплены игольчатые диски 6 на осях 7 (рисунок 5.22) [179]. Общий вид спроектированного почвообрабатывающего рабочего органа представлен на рисунке 5.23. Почвообрабатывающий рабочий орган работает следующим образом. При движении агрегата поперек склона плоскорежущая лапа 2 подрезает пласт на установленной глубине [179]. Стабилизаторы-рыхлители 5, установленные на основаниях 4, рыхлят подрезанный пласт и воспринимают боковые усилия, способствуя тем самым повышению устойчивости движения орудия в плоскости склона и стабилизируя движение пласта по плоскорежущей лапе [179]. 237 а б в г Рисунок 5.22 - Схема почвообрабатывающего рабочего органа [179]: а - вид сбоку; б - вид сверху; в - сечение А-А на б; г - сечение Б-Б на в 238 Игольчатые диски 6, установленные на оси 7, вращаются, взаимодействуя с дном борозды, производят его рыхление. Форма зуба дисков 6, выполненная по абсолютной траектории движения, позволяет дискам заглубляться в почву при минимальном вертикальном усилии и обеспечивает надежное сцепление зубьев с дном борозды [179]. Рисунок 5.23 - Общий вид спроектированного почвообрабатывающего рабочего органа Под воздействием сил сопротивления почвы, приходящихся на стабилизаторы-рыхлители 5 и игольчатый диск 6, происходят автоколебания оснований 4 в продольно-вертикальной плоскости относительно плоскорежущей лапы 2, что повышает приспосабливаемость рабочего органа к изменяющимся условиям работы. Почвообрабатывающий рабочий орган (Патент РФ № 2512371) содержит стойку 1 с установленной на ней плоскорежущей лапой 2, к которой прикреплен с помощью шарнира 3 поводок 4 с размещенными на нем верхним 5 и нижним 6 игольчатыми дисками на осях 7 и 8 соответственно (рисунок 5.24). Общий вид спроектированного почвообрабатывающего рабочего органа представлен на рисунке 5.25 [185]. 239 Почвообрабатывающий рабочий орган функционирует следующим образом. При движении агрегата поперек склона плоскорежущая лапа 2 подрезает пласт на установленной глубине. Игольчатые диски 5 и 6, установленные на осях 7 и 8, вращаются при взаимодействии с подрезанным пластом почвы и дном борозды соответственно, а также, находясь во взаимном зацеплении, производят их качественное рыхление [185]. Под воздействием сил сопротивления и сил тяжести подрезанного пласта на верхний игольчатый диск 5 происходят автоколебания в продольно-вертикальной плоскости относительно плоскорежущей лапы 2, что повышает приспосабливаемость рабочего органа к изменяющимся условиям работы [185]. Пересечение зубьев конических игольчатых дисков 5 и 6 происходит в свободном пространстве между подрезанным пластом и дном борозды, что снижает сопротивление рабочего органа, а также обеспечивает своевременное очищение зубьев дисков от забившейся почвы [185]. Рассмотрим возможность наклона звездочки по вертикали и к направлению движения проектируемых рабочих органов (рисунок 5.26) [111]. Запишем уравнения траекторий движения [111]: - для конца 1-го нижнего зуба Fн1: x=rcosβ(sint+kt), (5.34) y=rcosγcost; - для конца 1-го верхнего зуба Fв1: x=rcosβ(-sin(t+π/6)+kt), (5.35) y=rcosγcos(t+π/6)+d; - для конца 2-го нижнего зуба Fн2: x=r cosβ (sin(t+π/3)+kt), (5.36) y=r cosγ cos(t+π/3), где t [0, 2π], r – радиус звездочки, м; γ, β – углы отклонения от вертикали и прямого направления, град.; d – расстояние между звездочками, м; k – коэффициент проскальзывания (для данного орудия k 1) [111]. 240 а б в г Рисунок 5.24 - Схема почвообрабатывающего рабочего органа [185]: а - вид сбоку; б - вид сверху; в - сечение А-А на б; г - сечение Б-Б на б 241 Рисунок 5.25 - Общий вид спроектированного почвообрабатывающего рабочего органа y γ r z r x r Рисунок 5.26 - Схема наклона звездочки [111] Кинематическое зацепление зубьев приводит к дополнительному рыхлению, подрезанию пласта и «подталкиванию» пласта, исключая «сгруживание» почвы. Идеализированной траекторией в данном случае является растянутая циклоида (рисунок 5.27), поскольку присутствует некоторое проскальзывание звездочки в почве (избавляться от данного проскальзывания нерационально, поскольку звездочка вращается не от вала отбора мощности, а от сцепления с почвой). В случае, когда проскальзывания нет k=1, но если почва рыхлая, не «твердая», то k 1. Этот 242 факт позволяет сделать достаточно важный (не количественный, а на данном этапе только качественный) вывод - чем меньше твердость, тем больше k [111]. Определим минимальное расстояние между осями звездочек. В первом приближении пренебрежем формой зуба. Численно решая системы уравнений (5.34)(5.35) и (5.35)-(5.36), увеличиваем значение расстояния между звездочками до тех пор, пока корни не исчезнут. Исчезновение корней говорит о том, что траектории больше не пересекаются и конструкционно, вращение звездочек становится возможным [111]. у х Рисунок 5.27 - Траектории концов верхних и нижних зубов по уравнениям (5.34), (5.35), (5.36) [111] Рассмотрим частный случай, когда r=0,1 м, cosβ=1, k=1, cosγ=1. Анализ численных решений показывает, что траектории перестают пересекаться при расстоянии между звездочками d1,56r=0,156 м. Расстояние между осями при необходимости можно сократить увеличением углов β и γ [111]. Кинематическое зацепление зубьев приводит к дополнительному рыхлению, подрезанию и «подталкиванию» пласта, исключая «сгруживание» почвы, таким образом повышая качество и эффективность обработки почвы. 243 5.3.2. Разработка сошников посевных машин В настоящее время для зерновых культур наибольшее распространение получил подпочвенно-разбросной способ посева, который способствует более равномерному распределению семян по площади питания [222]. В этих целях в основном используют культиваторную стрельчатую лапу. В данном направлении проведено достаточное количество исследовании, в результате чего выявились два основных типа сошников [222]: с активным и пассивным распределителями, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Проанализировав существующие конструкции, мы разработали сошники с активным распределителем семян. Сошник для подпочвенно-разбросного посева (Патент РФ № 2466524) включает стрельчатую лапу 1, закрепленную болтами к стойке 2, семявоздухопровод 3, на конце которого установлен распределитель семян 4, выполненный из полиамида в виде пустотелого корпуса, внутри которого шарнирно установлен на ось 6 эластичный рассекатель (рисунок 5.28). Общий вид спроектированного сошника для подпочвенно-разбросного посева представлен на рисунке 5.29 [183]. Распределитель крепится к держателю 7, а держатель к стойке 2 [183]. Работа сошника для подпочвенно-разбросного посева семян осуществляется следующим образом. В рабочем положении сошник движется в почве на заданной глубине посева. Стрельчатой лапой 1 подрезается слой почвы, открывается борозда и уплотняется ее дно, формируя посевное ложе. Семенной материал поступает из высевающего аппарата в семя-воздухопровод 3, где подхватывается потоком воздуха и подается в распределитель семян 4. Под воздействием семявоздушного потока и упругих свойств эластичный рассекатель 5 приводится в автоколебательное движение. Автоколебательное движение и поток воздуха способствуют более равномерному распределению семян в подлаповом пространстве [188]. 244 а б в Рисунок 5.28 - Схема сошника для подпочвенно-разбросного посева [183]: а - вид сбоку; б - вид сзади; в - сечение А-А на а; 245 Рисунок 5.29 - Общий вид спроектированного сошника для подпочвенноразбросного посева При движении сошника дно борозды с высеянными семенами заделывается разрыхленным слоем почвы, сходящей с верхней поверхности стрельчатой лапы 1 [183]. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает следующие преимущества: улучшает равномерность распределения семян за счет отражения семян о поверхность эластичной пластины и о поверхность борозды, упрощает конструкцию сошника, уменьшает травмирование семян [183]. Также разработан сошник для разбросного посева (Патент РФ № 2423037), который включает стойку 1, культиваторную стрельчатую лапу 2, семяпровод 3, на конце которого закреплена трубка 4, выполненная из эластичного материала, проходящая сквозь ограничительное кольцо 5, выполненное с возможностью перемещения его вдоль трубки 4 (рисунок 5.30). Общий вид спроектированного сошника для разбросного посева представлен на рисунке 5.31 [181]. 246 а б в Рисунок 5.30 – Схема сошника для разбросного посева [181]: а - вид сбоку; б - вид сверху; в - сечение А-А на б 247 Сошник для внутрипочвенного разбросного посева работает следующим образом. Семенной материал поступает из высевающего аппарата в семяпровод 3, где подхватывается потоком воздуха и подается в эластичную трубку-рассеватель 4. Под действием давления воздуха и упругих свойств эластичного материала трубка-рассеватель 4 приводится в автоколебательное движение. Автоколебательное движение и поток воздуха способствуют более равномерному распределению семян в подлаповом пространстве [181]. Воздушный поток при выходе из эластичной трубки взаимодействует с дном борозды, а семена, транспортируемые воздушным потоком, отражаются от почвы и распределяются по всей ширине захвата культиваторной лапы. Настройка высева на различные культуры осуществляется за счет изменения амплитуды колебания трубки-рассевателя 4 путем перемещения ограничительного кольца вдоль нее [181]. Предлагаемое устройство обеспечивает следующие преимущества: повышается равномерность распределения семян за счет соударения семян между собой и о поверхность борозды, улучшается аэрация подпочвенного пространства [181]. Распределение семян достигается за счет малых поперечных колебаний эластичной трубки-рассевателя относительно культиваторной лапы, которая направляет семена по всей ширине подлапового пространства. Уравнение поперечных колебаний эластичной трубки можно представить в виде [119]: 2 y Qdx Fdx , 2 t (5.37) где Q – поперечная сила, Н; ρ - плотность материала, кг/м3; F - площадь сечения, м2; t - время, ускорения поперечного смещения трубки, с; dx - длина малого элемента трубки, м. По условию равенства моментов получаем [19]: Qdx M dx 0 , x где M - изгибающий момент трубки, Н∙м. (5.38) 248 Рисунок 5.31 - Общий вид спроектированного сошника для разбросного посева Подставляя выражение (5.38) в (5.37) получаем [19]: M 2 y dx Fdx 2 . x t (5.39) Из теории изгиба стержней имеем [19]: M EI 2 y EI 2 , R x (5.40) где E - модуль упругости, Па; I - момент инерции, кг∙м2; R - радиус кривизны трубки, м. Подставляя уравнение (5.40) в (5.39), получим [19]: 2 2 y 2 y EI 2 dx Fdx 2 , 2 x x t или 4 y 2 y EI 4 F 2 . x t (5.41) Уравнение (5.41) является общим уравнением поперечных свободных колебании стержней [19]. 249 В результате экспериментальных исследований нами подобрана трубка из резинового материала, что имеет наименьшую жесткость EI [19]. Для сравнения качества распределения семян сошника почвообрабатывающей посевной машины «Обь-4-ЗТ» и экспериментального сошника нами были проведены лабораторные исследования на специально изготовленной установке, которая состоит из рамы и высевающей секции (рисунок 5.32). В пазах рамы укреплены валы, на которые надета транспортерная лента. Над лентой закреплен исследуемый рабочий орган. Привод ленты осуществляется от электродвигателя через понижающий редуктор. Привод вала высевающего аппарата осуществляется через дополнительно установленный электродвигатель постоянного тока посредством ременной передачи [19]. Рисунок 5.32 – Экспериментальная лабораторная исследования распределения семян разработанными сошниками установка для 250 Качество распределения семян по площади питания оценено путем подсчета количества пятисантиметровых квадратов с различной плотностью семян и описывается законом Пуассона [19, 221] : Pk k k! e , (5.42) где λ - среднее число семян в отрезке; k - случайное число семян; e≈2,718 - основание натурального логарифма. Обработанные результаты по пяти измерениям представлены в виде графиков на рисунке 5.33. Рисунок 5.33 – Результаты экспериментальных исследований по распределению семян экспериментальным сошником и сошником от ППМ «Обь-4-ЗТ» [19] 251 Распределение семян экспериментальным сошником равномернее, когда преобладают ячейки с семенами по 1 шт., при посеве ППМ «Обь-4-ЗТ» больше ячеек с семенами по 3 шт. На основании полученных лабораторных результатов предлагаем применять для подпочвенно-разбросного посева в стрельчатых лапах сошник с эластичной трубкой-рассевателем [19]. Такая конструкция позволит получить более качественные показатели посева семян. 5.3.3. Разработка рабочих органов для внутрипочвенного внесения жидких мелиорантов Мелиоранты – материалы для долговременного улучшения свойств почвы, которые имеют очень высокую ионную емкость и хорошо удерживают влагу. Вода, запасенная в мелиорантах, будет постоянно подпитывать корневую систему сельскохозяйственных культур. Учитывая экстремальные условия, возникающие в последнее время на территории Российской Федерации, например засушливый 2010 год, своевременное обеспечение растений влагой, является актуальным вопросом в современном производстве сельскохозяйственных культур [39]. Как правило, жидкие мелиоранты представляют собой вязкую эмульсию и суспензию с твердыми включениями, что создает дополнительные трудности при их внесении, особенно в ограниченном пространстве при безотвальной обработке почвы. Для решения данной задачи разработан рабочий орган для внесения в почву жидких мелиорантов (Патент РФ № 2428829), который позволяет повысить равномерность внесения и качество распыла структурообразователей при плоскорезной обработке [39, 182]. Рабочий орган для внесения в почву жидких мелиорантов [39, 54, 182] содержит плоскорежущую лапу 1, воздухопровод 2, вмонтированный внутри материалопровода 3, пружину 4, жестко соединенную с втулкой 5, гибкий вал (трос) 6 и шарнирно установленную звездочку 7, взаимодействующую с дном борозды (рисунок 5.34). 252 3 2 1 7 а 1 6 0 А 3 2 А б 0-0 жидкость 3 5 2 dn 2 1 2 dn 0 Dм dв n 6 2 dм в 4 1 0воздух Dв г Рисунок 5.34 - Рабочий орган для внесения в почву жидких мелиорантов: а) вид сбоку; б) вид сверху; в) сечение А-А, г) поперечный разрез трубопровода в сечении 0-0 [39, 54, 182] 253 Рабочий орган работает следующим образом. К плоскорежущей лапе 1 крепится материалопровод 3. За стойкой плоскорежущей лапы 1 устанавливается звездочка 7, взаимодействующая с дном борозды и приводящая во вращение гибкий вал (трос) и через втулку 5, передающая вращательное движение свободно вращающейся пружине 4. При движении плоскорежущей лапы 1 в материалопровод 3 поступают жидкие мелиоранты, а к воздухопроводу 2 под давлением подается воздух [182]. Материалопровод 3 и воздухопровод 2 соосны и по длине имеют равномерно расположенные отверстия, причем диаметры dв меньше диаметров dм отверстий и имеют те же пропорции. Выходя из воздухопровода сжатый воздух взаимодействует с жидкостью, образуя газожидкостную среду распыляющуюся в подлаповом простанстве качественно и равномерно [182]. Равномерное распределение жидкости по ширине обработки рабочим органом и качество распыла обеспечивается за счет очищения выходных отверстий материалопровода свободно вращающейся пружиной, приводящейся во вращательное движение через гибкий трос от звездочки, взаимодействеющей с дном борозды во время рабочего процесса от инородных включений [182]. Для установления равномерной подачи жидких мелиорантов из отверстий по длине трубопровода необходимо выполнить условие [54]: Q0 Q1 ... Qi Q / z const , (5.43) где Q – расход поступающих мелиорантов в материалопровод, м3/с; Q0, Q1, Qi – расход жидких мелиорантов в соответствующих сечениях, м3/с, z – количество отверстий по длине трубопровода. Условно разделим устройство по выходящим отверстиям, которых может быть i-ое количество (см. рисунок 5.34, в) и проведем расчет по 2-м крайним сечениям [54]. При выходе из отверстия в сечении 0-0 расход жидкости, согласно рисунку 5.34, г, будет определяться по выражению [223]: Q0 V00 , (5.44) 254 где V0 – скорость движения жидкости в сечении 0-0 м/с; 0 - площадь отверстия материалопровода, м2. Преобразуем получившееся уравнение [54]: Q0 V0 d м2 4 , (5.45) где dм - диаметр отверстия материалопровода, м. В сечении 1-1 будем иметь [54]: Q1 V11 , (5.46) где V1 – скорость движения жидкости в сечении 1-1 м/с; 1 - площадь занимаемая мелиорантами в сечении 1-1, м2. Учитывая условие (5.46), получим [54]: d м2 V0 V11 , 4 (5.47) ( D м2 Dв2 d п2 ) 1 , 4 (5.48) где Dм – диаметр материалопровода, м; Dв – диаметр воздухопровода, м; dп – диаметр витка пружины, м. При выходе из отверстия скорость струи можно определить [223]: V0 2qH , (5.49) где - коэффициент скорости; q – ускорение свободного падения, м/с2; Н – напор, м. Учитывая условия (5.47), (5.48) и (5.49), получим скорость поступления мелиорантов для сечения 1-1, не учитывая действия пружины [54]: V1 d м2 2qH D м2 Dв2 d п2 . (5.50) Далее рассмотрим движение жидкости между трубами в точке О (рисунок 5.35). Скорость передвижения материала будет складываться исходя из скоростей движения жидкости за счет напора и действия витков вращающейся пружины: (5.51) V Vн Vп , 255 где V – скорость движения жидкости, м/с; Vн - скорость движения жидкости под напором, м/с; Vп - скорость движения жидкости под действием витков пружины, м/с. s dn Vн V Vг О β Vп Vнг Vпг Рисунок 5.35 - Расчетная схема к определению скорости движения жидкости между трубами [54] Горизонтальную составляющую скорости движения жидких мелиорантов вдоль трубопровода можно определить как [54]: Vг Vнг Vпг , (5.52) где V г – горизонтальная составляющая скорости движения жидкости (вдоль тру бы), м/с; Vнг - горизонтальная составляющая скорости движения жидкости под напором, м/с; Vпг - горизонтальная составляющая скорости движения жидкости под действием витков пружины, м/с. Горизонтальная составляющая скорости движения жидкости за счет напора: Vнг Vн cos , (5.53) где β – угол наклона витков пружины, град [54]. Скорость движения жидких мелиорантов под напором будет зависеть от количества их поступления согласно конструктивным параметрам применяемой пружины и материалопровода [54]: Vн Q , w (5.54) 256 где Q – расход поступающей жидкости, м3/с; w – площадь сечения в канале образованного пружиной, м2. Площадь сечения канала между витками можно определить исходя из конструктивных параметров устройства [54]: w dns d n2 , 4 (5.55) где dn – диаметр пружины, м; s – шаг витков пружины, м. Горизонтальная составляющая скорости движения жидкости под действием витков пружины может быть определена следующим образом [54]: Vпг s sn , t (5.56) где t – время за которое виток пройдет путь s, с; п – количество оборотов пружины, с-1. Таким образом, горизонтальную составляющую скорости движения жидких мелиорантов, учитывая вышеприведенные уравнения и выражение (5.56), можно рассчитать [54]: Q Vг sn dns d n2 cos . (5.57) 4 Приравнивая уравнения (5.50) и (5.57), получим количество оборотов пружины для создания необходимого напора жидкости [54]: d м2 2qH D м2 Dв2 d п2 ni Qi dпS S d м2 4 cos . (5.58) В лабораторных условиях проводились исследования, в которых применялись два вида пружин. Первая имела витки, равноудаленные друг от друга. Вторая пружина – с уменьшающимся пошаговым расстоянием витков к крайнему последнему отверстию. В результате одинаковый расход жидкости из отверстий наблюдался во втором случае, так как напор поддерживался по всей длине трубопровода за счет уменьшения шага витков по ходу вращения пружины [54]. 257 Таким образом, получена зависимость для определения конструктивных параметров пружины, а именно количества и расположения витков под конкретный напор и соответственно обеспечин равномерный расход жидкости из отверстий по всей ширине рабочего органа разработанного устройства для внесения жидких мелиорантов при плоскорезной обработке почвы. 5.4. Выводы по главе 5 Результаты использования методов проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых землях СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики, почвенно-мелиоративных изысканий при реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Канашского района Чувашской Республики и разработки рабочих органов противоэрозионных машин подтверждают реализованные в них полученные данные в лабораторных и полевых условиях с использованием математических моделей. На основании выполненной реализации результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Применение разработанных методик проектирования и контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах на территории площадью более 400 га с разными агрофонами в СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики позволило определить эрозионноопасные области, граничные размеры и соответствующие агротехнические противоэрозионные требования для исследуемого участка. В ходе разработки методики проектирования агротехнических противоэрозионных технологий на склоновом агроландшафте разработан алгоритм действий: необходимо минимизировать целевое выражение, учитывая выставленные ограничения и требования и применяя цифровую карту местности, определить линейные элементы, рубежи и другие параметра подстилающей поверхности на конкретном участке склонового агроландшафта для экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции растениеводства. Для реализации алго- 258 ритма действий необходимо провести контроль агротехнических противоэрозионных технологий на склоновом агроландшафте. В результате контроля агротехнических противоэрозионных технологий на склоновом агроландшафте установлены для исследуемого участка гидрофизические и эрозионные характеристики почвы, а именно: потенциал эрозионной стойкости, который менялся от 0,52 Дж/кг до 2,53 Дж/кг, коэффициент гидравлической шероховатости - от 0,14 до 0,23, уклон подстилающей поверхности - от 0 до 0,07, пористость и коэффициент фильтрации в среднем составили соответственно 0,457 м3/м3 и 4,8910-5 м/с при плотности почвы 1,392 г/см3. Установлены эрозионноопасные области исследуемого участка: для точек 4-5 и 5-5, а также 4-2 и 4-3, где смыв почвы может достигнуть 0,006 кг/с и более при заданной интенсивности стока. 2. Результаты почвенно-мелиоративных изысканий при реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Канашского района Чувашской Республики позволили спрогнозировать смыв почвы, выделить мелиоративные подрайоны и определить соответствующие агротехнические противоэрозионные требования для исследуемой территории орошения. Для реализации были выполнены почвенно-мелиоративные изыскания: определение потенциала эрозионной стойкости почв изменялась от 0,81 Дж/кг до 2,63 Дж/кг, коэффициента гидравлической шероховатости дневной поверхности почв менялся от 0,04 до 0,31, среднее значение пористости 0,531 м3/м3, функции влагопроводности с отображением в виде карт с изолиниями. Модель позволила рассмотреть различные виды и нормы полива и спрогнозировать смыв почвы для исследованной территории оросительной системы. При превышении допустимых норм полива, рассчитанные значения смыва меняются от 0 до 0,023 кг/с и появляются на различных участках, составляющих от 22 до 43 % общей исследуемой площади. С целью выбора агротехнических противоэрозионных мероприятий и соответствующих требования для исследуемой территории орошения разработана номограмма определения мелиоративных подрайонов на исследуемой территории с выбором соответствующей технологии обработки почвы. Результаты научных исследований переданы в Федеральное государственное бюджетное учреждение «Управление 259 мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения по Чувашской Республике» (ФГБУ «Управление «Чувашмелиоводхоз») и в настоящий момент используются при реализации федеральной программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы». 3. В результате разработки рабочих органов противоэрозионных машин спроектированы, обоснованы и апробированы конструктивно-технологические решения экспериментальных рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, а также орудия для внесения жидких мелиорантов. Результаты исследований и испытаний рабочих органов почвообрабатывающих и посевных противоэрозионных машин и орудия для внесения мелиорантов подтвердили необходимость их применения для создания противоэрозионных свойств дневной поверхности почвы. Установлено, что разработанные рабочие органы противоэрозионных машин позволяют существенно снизить интенсивность процессов эрозии почв при возделывании сельскохозяйственных культур, за счет создания повышенных значений коэффициента гидравлической шероховатости до 0,26, потенциала эрозионной стойкости до 3,1 Дж/кг и оставления элементов растительного происхождения до 0,553 на подстилающей поверхности. В частности, разработанные рабочие органы почвообрабатывающих машин дополнительно разрушают плужную подошву, образующуюся после прохода плоскорежущей лапы, что значительно увеличивает фильтрационные способности обрабатываемого слоя почвы. Орудие для внесения мелиорантов разработанное на базе КПГ-250 обеспечивает подачу в подлаповое пространство жидких комплексных удобрений или структурообразователей на основе полиамидного аммиака на падающие бесструктурные почвенные частицы в результате сепарации обрабатываемого пласта почвы плоскорежущей лапой и позволяет повысить по сравнению с известными аналогами равномерность внесения жидкости по ширине захвата рабочего органа на 17…27% и качество распыла жидких мелиорантов по дисперсности примерно в 1,98 раза. Результаты научных исследований по разработке рабочих органов противоэрозионных машин переданы в СХПК «Труд» Батыревского района и другие сельскохозяйственные предприятия Чувашской Республики. 260 ГЛАВА 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕННЫХ РАЗРАБОТОК 6.1. Технико-экономическая оценка противоэрозионной технологии Проведенные нами исследования подтвердили ряд преимуществ агротехнических противоэрозионных мероприятий [23, 32, 33, 96, 137, 212]. Предлагается, используя современные агрегаты АГРОМАШ 90ТГ+БДМ-3х4П (борона дисковая тяжелая модернизированная прицепная) и АГРОМАШ 90ТГ+ КПГ – 250 (модернизированный), создавать противоэрозионную подстилающую поверхность на склоновом агроландшафте [39, 54, 182, 232, 276]. Результаты наших экспериментальных исследований дисковой тяжелой бороны БДМ-3х4П после зяблевой обработки почвы подтвердили наличие фракций комков свыше 50 мм на поверхности поля. Некоторые преимущества для создания неровностей на поверхности поля появились за счет модернизации конструкции бороны: расстояние между дисками увеличено до 30 см, что позволяет несколько экономить топливо (до 10…12%), ряды дисков располагаются на расстоянии 1 метра друг от друга, что обеспечивает мульчирование поверхности поля без засорения и при высокой влажности. В след за мульчированием проводится плоскорезная обработка почвы с внесением современных мелиорантов в подлаповое пространство, где сепарируются и падают на дно борозды несвязанные и пылеватые частицы почвы через обрабатываемый пласт. В тоже время на агротехнические противоэрозионные операции не требуется существенных затрат. Экономический эффект разработанных агротехнических противоэрозионных мероприятий рассчитывается с применением методики оценки экономической эффективности внедрения инновационных технологий и новых противоэрозионных машин [128, 208, 210]. В известной методике за основной исследуемый параметр берется интегральный показатель, позволяющий оценивать результат преобразования энергии в процессах на агроландшафтах и в экосистемах. 261 Таким образом, требуется рассчитать энергоемкость Е, представляющую собой отношение общих затрат энергии на производство продукции Э для определенной операции, например вспашки, мульчирования, плоскорезной обработки почвы, к урожайности П возделываемой культуры [208]: Е Э П , (6.1) где Е – энергоемкость, относительная величина, Дж/ц; Э - затраты энергии на производство продукции, Дж/га; П - урожайность, ц/га. Для возделывания различных сельскохозяйственных культур применяются разные виды трудовых и производственных затрат, которые можно оценить некоторой энергоемкостью. Тогда имеем для расчета полных и совокупных затрат энергии на производство продукции сумму затрат энергии на последовательно выполняемые операции согласно технологической карте: Эi Эn Эo Е м Е з Еж , W (6.2) где Эп – прямые затраты энергии, МДж/га; Эо – энергозатртаты на материалы, МДж/га; Ем – энергоемкость технических средств механизации, МДж/ч; Ез – потребление энергии зданий и сооружений (при выполнении агротехнических операций энергоемкость приравниваем к нулю), МДж/ч; Еж – энергетический эквивалент перевода затрат для живого труда, МДж/ч; W – производительность противоэрозионной машины, га/ч. Под прямыми затратами в нашем случае понимается расход горючесмазочных материалов для выполнения заданной технологической операции. Тогда затраты на реализацию технологической операции будут рассчитываться по выражению: Эп q i ei , (6.3) где qi – удельный расход i- вида топлива, выделяемого на выполнение агротехнической операции на единицу обрабатываемой площади участка, МДж/га; еi - количество энергии, выделяемое для i- вида топлива, МДж/кг. Применяем для дизельного топлива 43 МДж/кг [208]. 262 Прямые затраты энергии на выполнение агротехнических операций представлены в таблице 6.1. Таблица 6.1 – Результаты расчета прямых затрат на выполнение агротехнических операций Значение величины Наименование операции qi, кг/га Эп, МДж/га Агротехническая традиционная Зяблевая обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ПЛН-4-35 13,6 580,7 Агротехническая противоэрозионная Мульчирование поверхности почвы АГРОМАШ 90ТГ+ БДМ-3х4П 6,09 260,15 11,04 472,4 17,13 732,55 Плоскорезная обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ разработанное орудие на базе КПГ – 250 Итого Овеществленные энергозатраты рассчитываются с применением переводных эквивалентов энергии, поскольку они представляются в физическом выражении (транспортировка топлива и другие). Для определения потребления топлива для каждого противоэрозионного агрегата на выполнение заданной технологической операции используется выражение: Эо qi i , (6.4) где i - переводной эквивалент для i- вида топлива, МДж/кг. Применяем для дизельного топлива i= 10 МДж/кг [208]. Овеществленные затраты энергии для выполнения агротехнических операций представлены в таблице 6.2. 263 Таблица 6.2 – Результаты расчета овеществленных затрат на выполнение агротехнических операций Значение величины Наименование операции qi, кг/га Эо, МДж/га Агротехническая традиционная Зяблевая обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ПЛН-4-35 13,6 136 Агротехническая противоэрозионная Мульчирование поверхности почвы АГРОМАШ 90ТГ+ БДМ-3х4П 6,09 60,9 11,04 110,4 17,13 171,3 Плоскорезная обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ разработанное орудие на базе КПГ – 250 Итого При реализации техническими средствами механизации агротехнических операций созданная энергия передается не в полной мере на обрабатываемый объект. Тогда за счет потерь энергии общая энергоемкость будет определятся по формуле: Ем Gм м А м Атм , 1000 Т нм (6.5) где Gм – вес противоэрозионной машины, Н; м – переводной эквивалент противоэрозионной машины, МДж/кг; А м, Атм – отчисления на реновацию и ремонт противоэрозионной машины соответственно, %; Тнм –годовая наработка противоэрозионной машины, ч. Расчет затрат энергии для применяемых технических средств механизации при выполнении агротехнических операций представлен в таблице 6.3. Для определения затрат энергии для живого труда используем выражение в виде: 264 Еж Р1 ж1 Р2 ж 2 , (6.6) где Р1, Р2 – количество основного и вспомогательного персонала, чел; ж1, ж2 – переводной эквивалент затрат для основных и вспомогательных рабочих соответственно, МДж/ч. Таблица 6.3 – Расчет затрат энергии для применяемых технических средств механизации при выполнении агротехнических операций Марка техники м, МДж/кг Gм, Н А м, % Атм, % Тнм, ч Ем, МДж/ч АГРОМАШ 90ТГ 120 62500 12,5 22 1350 191,7 ПЛН-4-35 104 9500 14,2 27 210 193,8 БДМ-3х4П 104 10900 14,2 27 210 222,36 104 4700 14,2 27 210 95,9 Разработанное орудие на базе КПГ – 250 Для выполнения агротехнических операций рабочие на выполнение второстепенных работ отсутствуют, тогда выражение (6.6) преобразуется: Еж П1 ж1 . (6.7) Принимаем по [208]: ж=1,26 МДж/чел-ч. Выполненные расчеты сведены в итоговую таблицу 6.4. Отнесенная к урожайности удельная энергоемкость рассчитана для рассматриваемых агротехнических операций и представлена в таблице 6.5. Таким образом, по итогам анализа результатов оценки агротехнических традиционных и агротехнических противоэрозионных операций выявлено следующее: 1. Выполнение противоэрозионных агротехнических операций увеличило затраты энергии на 115,1 МДж/га по сравнению с традиционной технологией (см. таблицу 6.4). 265 2. Выполняя преобразование величины затрат энергии в дизельное топливо с применением переводного эквивалента еi=42,7 МДж/кг [208] и используя настоящую цену дизельного топлива, имеем затраты в рублях. При средней цене на пшеницу 900 руб./ц рассчитывается экономический эффект от повышения урожайности за счет реализации агротехнических противоэрозионных операций в технологии возделывания сельскохозяйственной культуры. Экономическая эффективность возделывания пшеницы за счет применения противоэрозионных операций на склоне приведена в таблице 6.6. Таблица 6.4 – Итоговая таблица затрат энергии на выполнение агротехнических операций Эп , Эо, Еж, Ем, W, Э i, Наименование МДж/ МДж/ МДж/ МДж/ га/ч МДж/ операций га га ч ч га Агротехническая традиционная Зяблевая обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ПЛН4-35 580,7 136 1,26 385,5 0,91 1141,7 Агротехническая противоэрозионная Мульчирование поверхности почвы АГРОМАШ 90ТГ+ БДМ-3х4П 260,15 60,9 1,26 414,1 4,43 414,8 471,4 110,4 1,26 287,6 1,11 842,0 731,55 171,3 2,52 701,7 5,54 1256,8 Плоскорезная обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ разработанное орудие на базе КПГ – 250 Итого 266 Таблица 6.5 - Энергоемкость выполнения агротехнических операций Наименование операций Затраты энергии, МДж/га Урожайность с/х культуры, ц/га Энергоемкость, МДж/ц Агротехническая традиционная Зяблевая обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ + ПЛН-4-35 1141,7 15,4 74,14 Агротехническая противоэрозионная Мульчирование поверхности почвы АГРОМАШ 90ТГ+ БДМ3х4П 414,8 Плоскорезная обра- 23,3 17,8 ботка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ разработанное орудие на базе КПГ – 250 842,0 Итого 1256,8 47,31 17,8 70,61 Величина удельной энергии, затраченной на реализацию агротехнических противоэрозионных мероприятий, на 3,53 МДж/ц меньше по сравнению с традиционной технологией. Проведена энергетическая и технико-экономическая оценка эффективности рекомендуемых противоэрозионных технологий с применением разработанных орудий. Почвозащитные операции при возделывании пшеницы показали экономическую эффективность по сравнению с зяблевой вспашкой в размере 2055,7 руб./га. 267 Таблица 6.6 – Результаты расчета экономической эффективности при выполнении агротехнических противоэрозионных мероприятий Вид операции 1 Затраты Цена про- общие, дукции, руб./га руб./га 2 3 Доход от реа- Экономическая лизации про- эффектив- дукции, руб./га ность, руб./га 4 5 Агротехническая традиционная Зяблевая обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ 1041,7 13860 12818,3 - ПЛН-4-35 Агротехническая противоэрозионная Мульчирование поверхности почвы АГРОМАШ 90ТГ+ 378,5 16020 - - 768,3 - - - 1143 16020 14874 2055,7 БДМ-3х4П Плоскорезная обработка почвы АГРОМАШ 90ТГ+ разработанное орудие на базе КПГ – 250 Итого 268 6.2. Технико-экономическая оценка применения технических средств контроля противоэрозионной технологии Для оценки эффективности технических средств контроля используют методы определения экономической эффективности новой техники, т.е. решают: - насколько технически прогрессивно новое мероприятие и целесообразно ли проводить его в жизнь [154]; - каков экономический эффект, получаемый в народном хозяйстве от внедрения этого мероприятия в определенных конкретных условиях. Различают абсолютную и сравнительную экономическую эффективность капитальных вложений. Абсолютная экономическая эффективность капитальных вложений в народное хозяйство характеризуется приростом национального дохода к капитальным вложениям в основные и оборотные фонды, вызвавшим этот прирост. При исчислении сравнительной эффективности новой техники выявляют и анализируют технико-экономические показатели, характеризующие ее прогрессивность по сравнению с другими объектами новой техники. Сравнительный эффект определяют по двум или более вариантам. Эффект дает возможность судить о преимуществах одного варианта по сравнению с другим. Оценку экономической эффективности новой техники выполняют с помощью основных и дополнительных показателей. Основными показателями являются капитальные вложения, необходимые для создания и внедрения новой техники, себестоимость продукции и срок окупаемости дополнительных капитальных вложений. К дополнительным показателям относят повышение производительности труда, облегчение условий и повышение безопасности труд а, улучшение качества продукции, повышение надежности и увеличение срока службы изделия, рост выпуска продукции на единицу оборудования или 1 га сельскохозяйственной площади и другие. Определение годового экономического эффекта основывается на сопоставлении приведенных расходов. Приведенные расходы на единицу продукции в рублях представляют собой сумму себестоимости и нормативной прибыли З=С+ЕК , (6.8) 269 где С – себестоимость продукции, руб., ЕК – нормативная прибыль при реализации продукции, руб. Статистический контроль и статистическое регулирование технологических процессов внедряют в тех случаях, когда до внедрения конкретный показатель не контролировался в рассматриваемой контрольной операции либо этой контрольной операции вообще не было, и другие подобные варианты. При внедрении статистического контроля не контролируемой до этого технологической операции экономический эффект достигается за счет сокращения неоправданных расходов на последующих операциях технологического процесса вследствие позднего обнаружения огреха или не обоснованной технологической операции. Сначала производится расчет капиталовложений на приобретение средств технического контроля противоэрозионных технологий и дополнительного технического обеспечения. Расчет полных единовременных расходов на приобретение оборудования выполняется по сумме единовременных расходов на приобретение приборов и датчиков, на их обслуживание и ремонт и на приобретение компьютера (таблица 6.7). Таблица 6.7 – Результаты расчета полных единовременных расходов на приобретение оборудования Наименование расходов 1)Единовременные расходов на приобретение, обслуживание и ремонт технических средств контроля 2) Единовременные расходы на приобретение ноутбука Итого Сумма/руб. 290000 20000 310000 Годовые эксплуатационные расходы определяются по сумме годового фонда оплаты труда рабочих, годовых социальных отчислений, годовых расходов на обслуживание и ремонт оборудования, общепроизводственные годовые расходы, прочие годовые расходы. 270 Расчет годового фонда оплаты труда проводится по числу рабочих и средней за каждый месяц заработной плате с учетом числа сезонных месяцев. В нашем случае работу выполняют 2 эксперта с заработной платой 20000 рублей для каждого в месяц. Годовые социальные отчисления не столь значительны. Годовые расходы на техническое обслуживание и ремонт составляют 15000 рублей в год. К прочим годовые расходам можно отнести расходы на ГСМ для автомобиля - цена за 1 литр бензина 33 рубля. Рассчитанные данные представляем в таблице 6.8. Таблица 6.8 – Результаты расчета годовых эксплуатационных расходов Наименование эксплуатационных расходов Величина расходов, руб. Оплата труда персоналу 80000 ТО и ремонт средств контроля 15000 Прочие расходы 20000 Итого 115000 Таким образом, сложив полученные данные по годовым приведенным расходам при применении технических средств контроля с использованием нормативного коэффициента, принимаемого 0,12, единовременные расходы и сумма годовых эксплуатационных расходов получится равной 115037,2 руб. в год. Поскольку общие приведенные расходы за год рассчитаны приближенно, можно принять их за единовременные расходы, так как огрехи и отклонения от требований, в том числе агротехнических, при обследовании противоэрозионных технологий на склоновых землях выявлены в определенный день. Расчет экономической эффективности применения средств контроля противоэрозионных технологий выполняется по отношению экономического эффекта от использования технических средств контроля к расходам для приобретения и обслуживания технических средств контроля. 271 В тоже время экономический эффект от использования технических средств контроля рассчитывается как разность между общими годовыми расходами на исправление огрехов и отклонений от требований и годовыми приведенными расходами при использовании приборов контроля [154]. Общими годовыми расходами на исправление огрехов и отклонений от требований можно принять потерю урожая вследствие применения традиционной технологии возделывания культур. В результате применения противоэрозионных технологий обеспечивается экономическая эффективность в 2055 рублей. При возделывании сельскохозяйственных культур на площади 350 га будем иметь экономический эффект, равный 604212,8 рубля. В свою очередь экономическая эффективность от применения контроля противоэрозионных технологий составляет 5,25; срок окупаемости произведенных расходов составит 0,2 года. Положительный экономический эффект от применения новых средств контроля обусловлен повышением урожайности продукции растениеводства вследствие отсутствия огрехов и отклонений от агротехнических требований. Использование в технологическом процессе противоэрозионных мероприятий, технических средств контроля дает хозяйству годовой экономический эффект в 604212,8 рублей, а срок окупаемости составляет 0,2 года. Известно, что в настоящее время в Чувашской Республике около 650 тыс. га пахотных земель подвержены эрозионным процессам, а на территории России по разным данным порядка 60…80 млн. га ежегодно обрабатываемых земель расположены на склонах, т.е. подвержены водной эрозии. Таким образом, суммарная экономическая эффективность реализации противоэрозионных технологий и их контроля техническими средствами на склоновых агроландшафтах соответственно составит 1,335 миллиарда рублей для региона и 123,3…164,4 миллиарда рублей для Российской Федерации в год. 272 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Для оценки и проектирования противоэрозионных технологий и средств механизации, применяемых на склоновых агроландшафтах, разработано уравнение движения временного водного потока, позволяющее изучить эрозионные процессы с достаточной для гидравлических расчетов точностью (расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 3,1%), решение которого с применением гидродинамической характеристики представляет основу для установления основных параметров контроля подстилающей поверхности склоновых земель. 2. Обоснованы основные параметры контроля подстилающей поверхности, значительно влияющие на эрозионные процессы, для оценки противоэрозионных технологий и средств механизации, применяемых на склоновых агроландшафтах. Установлено, что для подстилающей поверхности исследуемого участка СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики величина коэффициента гидравлической шероховатости меняется от 0,14 до 0,23, потенциал эрозионной стойкости - от 0,6 до 2,5 Дж/кг, а величина смыва почвы изменяется от 0 до 0,006 кг/с для 11% площади исследуемого участка. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований по определению основных параметров подстилающей поверхности с учетом изменения этих параметров в плане составлены карты изолиний для проектирования и оценки противоэрозионных технологий. На основании почвенно-мелиоративных изысканий территория МОС «Дружба» Чувашской Республики разделялась на 4 мелиоративных подрайона и определялась технология обработки почвы для каждого подрайона. 3. Для определения интенсивности процессов эрозии почв на склоновых агроландшафтах разработаны эффективные методы и технические средства контроля, позволяющие получить достоверную информацию об изменении основных параметров подстилающей поверхности при применении противоэрозионных технологий и средств механизации. Предложены устройства для профилирования поверхности почвы, позволяющие определить направление стока атмосферных 273 осадков, средний уклон, волнистость и шероховатость на элементарной площадке в полевых условиях. По результатам исследования профилографом одной точки поля, расположенного на сложном склоне, после зяблевой обработки почвы дискатором БДМ-3х4П были получены следующие данные: средний уклон составил 0,06, или 3,440, шероховатость - 3,54 мм, волнистость (изборожденность) поверхности почвы – 7,94 см, направление основной обработки почвы - угол отклонения технологических борозд от направления склона составил 93,60. Разработанные методы контроля реализованы в научно обоснованных конструкциях технических средств контроля, способных обеспечить высокую точность измерения параметров при профилировании поверхности почвы для различных уклонов склонового агроландшафта (с погрешностью до 1% для бесконтактного и до 3% для контактного методов). 4. Для существенного снижения интенсивности процессов эрозии почв на склоновых агроландшафтах разработаны и обоснованы конструктивно- технологические схемы рабочих органов противоэрозионных машин. Апробированы конструктивно-технологические решения рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин, а также орудия для внесения жидких мелиорантов. Установлено, что разработанные рабочие органы противоэрозионных машин позволяют существенно снизить интенсивность процессов эрозии почв при возделывании сельскохозяйственных культур за счет создания повышенных значений коэффициента гидравлической шероховатости до 0,26, потенциала эрозионной стойкости - до 3,1 Дж/кг и оставления элементов растительного происхождения до 0,753 на подстилающей поверхности. 5. Проведена энергетическая и технико-экономическая оценка эффективности рекомендуемых противоэрозионных технологий с применением разработанных орудий и технических средств контроля. Почвозащитные операций при возделывании пшеницы показали экономическую эффективность по сравнению с зяблевой вспашкой в размере 2055,7 руб./га. 274 РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 1. Разработанные подходы по математическому моделированию на склоновом агроландшафте рекомендуются для применения в практических расчетах при вычислении и прогнозировании величины смыва почвы, определении параметров подстилающей поверхности и конструировании ландшафтной катены, а также при проектировании и эксплуатации противоэрозионных и мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах. 2. Для оценки противоэрозионных технологий и средств механизации, применяемых на склоновых агроландшафтах рекомендуется применять следующие основные параметры контроля подстилающей поверхности, значительно влияющие на эрозионные процессы: потенциал эрозионной стойкости почвы, коэффициент гидравлической шероховатости дневной поверхности почвы, доля растительных элементов на поверхности почвы и, с учетом изменения этих параметров в плане, составлять карты изолиний с наложением на рельеф местности. 3. Для получения достоверной информации об изменении основных параметров подстилающей поверхности на склоновых агроландшафтах рекомендуются эффективные методы и технические средства контроля, позволяющие определить направление стока атмосферных осадков, средний уклон, волнистость, шероховатость и долю растительных элементов на элементарной площадке в полевых условиях и обеспечить высокую точность измерения параметров, например, при профилировании поверхности почвы погрешность не превышает 1 % для бесконтактного метода по различным уклонам. 4. Разработанные конструктивно-технологические схемы рабочих органов рекомендуются для проектирования и обоснования параметров и режимов работы различных противоэрозионных машин, применяемых для выполнении технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур на склоновых землях. 275 ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ Полученные наработки и развитые идеи по теме диссертации позволяют в перспективе раскрыть целый ряд направлений: разработка более современных, эрганомичных, точных методов и технических средств контроля противоэрозионных и мелиоративных технологий; при их применении совершенствование технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур на склоновых землях; совершенствование подходов по проектированию и эксплуатации противоэрозионных и мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах, а также конструированию ландшафтных катен с применением гидродинамической характеристики водного потока; разработка технических средств механизации, направленных на реализацию безотвальной и контурной обработки почв склоновых агроландшафтов. Выявлена необходимость в проведении дальнейших исследований по изучению вопросов ландшафтной мелиорации на основе инструментальных и гидравлических подходов. 276 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. А. с. 1153229 СССР. Устройство для измерения рельефа поверхности / С. Е. Могилевская, А. С. Тропин; опубл. 30.04.85, Бюл. № 16. 2. А. с. 1185059 СССР. Прибор для определения профиля поверхности / В. Ф. Корнеев, Ю. И. Митрофанов; опубл. 15.10.85, Бюл. № 38. 3. А. с. 1195186 СССР. Устройство для измерения неровности поверхности поля / И. И. Васильев, А. М. Чигаев и др.; опубл. 30.11.85, Бюл. № 44. 4. А. с. 1339395 СССР. Устройство для измерения рельефа местности / С. А. Сергеев; опубл. 23.09.87, Бюл. № 35. 5. А. с. 1340602 СССР. Установка для моделирования эрозионных процессов, возникающих от стока талых снеговых вод / И. И. Максимов; опубл. 30.09.87, Бюл. № 36. 6. А. с. 1453171 СССР. Устройство для измерения шероховатости / А. А. Казанцев, С. Н. Белкин; опубл. 23.01.89, Бюл. № 3. 7. А. с. 1634982 СССР. Способ определения шероховатости поверхности / А. Н. Карпусь, М. Г. Сторчак; опубл. 15.03.91, Бюл. № 10. 8. А. с. 1649267 СССР. Пневматический способ контроля шероховатости /А. Ю. Юркаускас, Ю. Ю. Квалкаускас; опубл. 15.05.91, Бюл. №18. 9. А. с. 329377 СССР. Устройство для измерения микропрофиля поля / А. М. Долгов, Н. Р. Лялюк и др.; опубл. 09.11.72, Бюл. № 7. 10. А. с. 391391 СССР. Устройство для записи характеристик профиля почвы / А. Г. Акчурин, Н. П. Гущин и др.; опубл. 10.12.73, Бюл. № 31. 11. А. с. 504525 СССР. Профилограф для измерения рельефа поля / П. М. Макаров, В. В. Сницын и др.; опубл. 05.05.76, Бюл. № 8. 12. А. с. 979936 СССР. Гидравлический лоток для исследования эрозионных процессов / Ю. А. Мясников, А. Г. Рожков, В. М. Володин и др.; опубл. 07.12.82, Бюл. № 45. 277 13. Абезин, В. Г. Механизация возделывания бахчевых культур на основе ресурсосберегающих почвозащитных технологий : дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.01 / Абезин Валентин Германович. – Волгоград, 2004. – 478 c. 14. Алексеев, В. В. Аэродинамический метод получения основной гидрофизической характеристики почв / В.В. Алексеев, И. И. Максимов // Почвоведение. – 2013. – № 7. – С. 822–828. 15. Алексеев, В. В. Получение функциональной зависимости липкости почв от основных гидрофизических почвенных параметров / В. В. Алексеев, И. И. Максимов, С. А. Васильев // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. – 2014. – № 3 (40). – C. 63–67. 16. Алексеев, В. В. Разработка метода и средств комплексного контроля за воздействием на почву почвообрабатывающих машин и орудий : дис. … канд. техн. наук : 05.20.01 / Алексеев Виктор Васильевич. – Чебоксары, 2002. – 133 с. 17. Алексеев, В.В. Эконометрика в OpenOffice.orgCalc : лабораторный практикум / В. В. Алексеев, Г. Г. Волков, Е. А. Григорьев. – Чебоксары : ЧКИ РУК, 2011. – 160 с. 18. Алексеев, В. В. Энергетическая оценка механического воздействия на почву почвообрабатывающих машин и орудий / В. В. Алексеев, И. И. Максимов, В. И. Максимов, И. В. Сякаев // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. – 2012. – № 3 (28). – C. 70–72. 19. Алексеев, Е. П. Повышение качества подпочвенного разбросного посева / Е. П. Алексеев, С. А. Васильев, В. И. Максимов // Механизация и электрификация. – 2011. – № 12. – С. 8–9. 20. Альтшуль, А. Д. Гидравлическое сопротивление / А. Д. Альтшуль – М. : Недра, 1970. – 212 с. 21. Аннотированный сборник средств измерения и испытательного оборудования. – Новокубанск : ФГНУ «РосНИИТиМ», 2012. – 51 с. 22. Аристов, И. Ф. Некоторые физико-механические и водно-физические свойства почв склонов и днищ балок / И. Ф. Аристов, В. Д. Иванов, Г. В. Дошечкина // Защита почв от эрозии : науч.-техн. бюл. – Курск, 1974. – Вып. 2.– С.30–35. 278 23. Бабанов, Ю. В. Влияние рельефа на формирование весеннего стока / Ю. В. Бабанов // Труды СевНИИГиМ. – Казань : Тат. кн. Изд-во, 1965. – Вып. 24. – С. 31–63. 24. Балакай, Н. И. Критерии оценки и состояния противоэрозионных мероприятий на различных типах агроландшафтов / Н. И. Балакай // Научный журнал КубГАУ. – 2010. – № 64(10). – С. 1–13. 25. Бараев, А. И. Почвозащитное земледелие / под общ. ред. А. И. Бараева. – М. : Колос , 1975 .– 303 c. .– ил. 26. Барышников, Н. Б. Формулы и методы для расчета расходов донных наносов / Н. Б. Барышников, Ю. А. Демидова, А. О. Пагин, А. Б. Соколов // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2009. – № 11. – 168 с. 27. Бастраков, Г. В. Эрозионная прочность почвенного покрова и оценка противоэрозионной устойчивости территории / Г. В. Бастраков // Современные аспекты изучения эрозионных процессов. – Новосибирск : Наука, 1980.– С. 33–39. 28. Беляев, В. А. Борьба с водной эрозией почв в нечерноземной зоне / В. А. Беляев. – М. : Россельхозиздат, 1976. – 158 с. 29. Бобровицкая, Н. Н. Графоаналитическая модель формирования стока наносов с распаханных склонов / Н. Н. Бобровицкая // Труды 5 Всесоюзного гидрологического съезда. Т. 10, кн. 2 : Русловые процессы и наносы. – Л., 1986. – С. 126–134. 30. Бобровицкая, Н. Н. Исследование и расчет смыва почвы со склонов / Н. Н. Бобровицкая // Сб. работ по гидрологии. – 1977. – № 12. – С. 93–99. 31. Богомолов, А. И. Гидравлика / А. И. Богомолов, К. А. Михайлов. – М. : Стройиздат, 1972. – 648 с. 32. Бойко, И. С. Микрорельеф обработанного склона и его роль в стокообразовании / И. С. Бойко // Докл. АН СССР. – 1977.– Т. 235, № 2.– С. 479–482. 33. Борисенко, И. Б. Совершенствование ресурсосберегающих и почвозащитных технологий и технических средств обработки почвы в острозасушливых условиях Нижнего Поволжья : дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.01 / Борисенко Иван Борисович. – Волгоград, 2006. – 402 с. 279 34. Боровков, В. С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях / В. С. Боровков. - Л. : Гидрометеоиздат, 1989. – 285 с. 35. Бронштейн, И. Н. Справочник по математике / И. Н. Бронштейн, К. А. Смендяев. – М. : Наука, 1964. – 608 с. 36. Будник, С. В. Гидравлическое сопротивление в склоновых водотоках / С. В. Будник // Вестник Московского университета. Серия 5. География. – 2004. – № 4.– С. 44–48. 37. Будник, С. В. Оценка режима склоновых водотоков при ливнях / С. В. Будник // Почвоведение. – 2003.– № 6.– С. 740–744. 38. Бутаков, Г. П. Формы проявления эрозионно–аккумулятивных процессов на малых речных водосборах/ Г. П. Бутаков и др. // Эрозионные и русловые процессы. – Луцк, 1991. – С. 19–42. 39. Васильев, А. А. Устройство для внесения в почву жидких мелиорантов при плоскорезной обработке / А. А. Васильев, С. А. Васильев // Труды ГОСНИТИ. – 2013. – Т.111, Ч.1. – С. 181–183. 40. Васильев, С. А. Безразмерный показатель для оценки гидравлических потерь на трение в руслах разной шероховатости / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов // Теоретический и научно-практический журнал «Мелиорация и водное хозяйство». – 2011. – №5. – С. 40–42. 41. Васильев, С. А. Гидравлическая шероховатость : энергетический подход и практическое приложение / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов // Чебоксары : ВФ МАДИ, 2010. – 204 с. 42. Васильев, С. А. Гидравлическая шероховатость склоновых агроландшафтов / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов // Чебоксары : Новое Время, 2014. – 210 с. – ISBN 978-5-4246-0257-3. 43. Васильев, С. А. К вопросу исследования коэффициента гидравлической шероховатости открытого русла / С. А. Васильев, И. И. Максимов // Труды ЧГСХА. – Чебоксары, 2004. – Т. 19 – С. 37–40. 280 44. Васильев, С. А. К вопросу о гидравлических сопротивлениях / С. А. Васильев // Молодые ученые – сельскому хозяйству Чувашской Республики : мат. науч.практ. конф. – Чебоксары, 2005. – С. 96–101. 45. Васильев, С. А. К вопросу о формировании стока на склоновых землях / С. А. Васильев, И. И. Максимов, А. А. Васильев // Материалы Всероссийской науч.практ. конф., посвященной 75-летию со дня открытия ЧГСХА. – Чебоксары, 2006. – 680 с. 46. Васильев, С. А. Математическая модель для прогноза эрозионных процессов на склоновых агроландшафтах / С. А. Васильев // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2015. – № 9. – С. 96–100. 47. Васильев, С. А. Методика и устройство для профилирования поверхности почвы и определения направления стока атмосферных осадков в полевых условиях / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. В. Алексеев // Вестник АПК Ставрополья. – 2015. – № 3(19). – С. 22–26. 48. Васильев, С. А. Методика определения безразмерного показателя для оценки гидравлических потерь на трение / С. А. Васильев, И. И. Максимов // Тезисы докладов 4 Всероссийской конференции «Юность Большой Волги». – Чебоксары, 2002. – С. 8–9. 49. Васильев, С. А. Методика проектирования компенсационных мелиоративных мероприятия с применением гидродинамической характеристики водного потока на склоновом агроландшафте / С. А. Васильев // Научно-практический журнал «Природообустройство». – 2016. - № 3. – C.84–89. 50. Васильев, С. А. Некоторые теоретические предпосылки определения коэффициента гидравлического сопротивления / С. А. Васильев, И. И. Максимов // Труды ЧГСХА. – Чебоксары, 2005.– Т. 20. – С.200–202. 51. Васильев, С. А. Определение эквивалентной шероховатости стокоформирующей поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. В. Алексеев // Теоретический и научнопрактический журнал «Мелиорация и водное хозяйство». – 2014. – № 4. – С. 32–34. 281 52. Васильев, С. А. Разработка метода и профилографа для оценки мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах / С. А. Васильев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - № 3(43). – C.220–226. 53. Васильев, С. А. Разработка приборов и оборудования для изучения воднофизических свойств, эрозионных процессов, техногенного уплотнения почвогрунтов / С. А. Васильев и др. // Наука XXI век : сборник статей по материалам III Республиканского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов, молодых ученных и научно-технических работников (естественно- математические науки). – Чебоксары, 2006. – 56 с. 54. Васильев, С. А. Разработка рабочего органа для внесения жидких мелиорантов в почву при плоскорезной обработке / С. А. Васильев, А. А. Васильев, И. И. Максимов // Вестник Саратовского ГАУ им. Вавилова. – 2014. – №. 1. – C.55–58. 55. Васильев, С. А. Результаты лабораторных исследований моделирования направления движения водотока по подстилающей поверхности / С. А. Васильев // Современное состояние прикладной науки в области механики и энергетики : мат. всероссийской науч.- практ. конф. – Чебоксары, 2016. – С. 415-421. 56. Васильев, С. А. Результаты экспериментальных исследований гидрофизических и эрозионных свойств почв на территории СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики / С. А. Васильев и др. // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. – 2013. – № 4(80), Ч. 2. – С. 39–45. 57. Васильев, С. А. Совершенствование методики и технических средств оценки для проектирования противоэрозионных технологий на склоновых землях : дис. … канд. техн. наук : 05.20.01 / Васильев Сергей Анатольевич – Чебоксары, 2006. – 161 с. 58. Васильев, С. А. Теоретические предпосылки аналитического определения смоченного периметра стокоформирующей поверхности / С. А. Васильев, А. Ю. Пагунов // Вестник Чувашского государственного педагогического университета 282 им. И. Я. Яковлева. Серия «Естественные и технические науки». – 2012. – № 4(76). – С. 47–50. 59. Васильев, С. А. Экспресс-метод количественной оценки пожнивных остатков на поверхности почвы / С. А. Васильев, В. В. Алексеев, А. В. Речнов// Аграрный научный журнал. – 2015. – № 9. – С. 11–13. 60. Васильев, С. А. Энергетический подход для построения гидродинамической характеристики водного потока на склоновом агроландшафте / С. А. Васильев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : наука и высшее профессиональное образование. – 2015. – № 4 – С. 194–200. 61. Васильев, С. А. Энергетический подход к оценке эрозионно– транспортирующей способности водного потока на склоновом агроландшафте [Электронный ресурс] / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. В. Алексеев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. – 2015. – № 3(19). – С. 79–93. – Режим доступа : http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13rec358-field6.pdf. 62. Васильченко, Г. В. Воздействие потоков на мелиоративные и водохозяйственные сооружения / Г. В.Васильченко. – Минск : Ураджай, 1985. – 175 с. 63. Ведяпин, Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных / Г. В. Ведяпин. – М. : Колос, 1973. – 199 с. 64. Великанов, М. А. Гидрология суши / М. А. Великанов. – Л. : ГИМИЗ, 1964. – 400 с. 65. Великанов, М. А. Динамика русловых потоков : в 2 т. / М. А. Великанов. – М. : Гостехиздат, 1954–1955. – T.1-2. – 323 с. 66. Виноградов, Ю. Б. Вопросы гидрологии дождевых паводков на малых водосборах Средней Азии и Южного Казахстана / Ю. Б. Виноградов // Труды КНИГИ. – Л. : Гидрометеорологическое изд-во, 1967. – Вып. 28. – С. 179. 67. Владимиров, А. М. Гидрологические расчеты / А. М. Владимиров. – Л. : Гидрометеоиздат, 1990. – 560 с. : ил. 283 68. Влияние минимализации обработки почвы на её плодородие и физическое состояние пахотного слоя : отчет по НИР / рук. Максимов И. И.; исп. Васильев С. А. и др. – Чебоксары : ЧГСХА, 2003. – 131 с. 69. Вознесенский, А. С. Влияние физико-химических свойств почв на поверхностный смыв / А. С. Вознесенский, А. Б. Арцруни // Борьба с эрозией почв в СССР. – М.-Л. : Изд. АН СССР, 1938. – С. 131–153. 70. Воронин, Л. Е. Обработка эродированного чернозема под озимую пшеницу / Л. Е. Воронин, Н. Г. Осенний, В. К. Подгорный // Эрозия почв и почвозащитное земледелие. – М. : Колос, 1975. – С. 206–209. 71. Герасименко, В. П. Оценка рационального регулирования стока на пашне для обоснования оптимальных противоэрозионных мероприятий / В. П. Герасименко // Науч.-техн. бюллетень по проблеме «Защита почв от эрозии». – Вып. 2. – Курск, 1979. 72. Герасименко, В. П. Оценка точности определения смыва почв методом водороин / В. П. Герасименко // Почвоведение. – 1981. – № 6. – С. 115–120. 73. Гидравлика и теплообмен при равномерном движении жидкости в каналах : межвузовский сборник. – Чебоксары : Чувашский государственный университет, 1980. – 142 с. 74. Гидравлика сооружений в деформируемых руслах и охрана среды // Труды ЛПИ – Л. : Ленинградский политехн. ин-т, 1982. – № 383. 75. Голованов, А.И. Мелиорация земель / Голованов А.И., И.П. Айдаров, М.С. Григоров и др.; Под ред. А.И. Голованова. – М.: КолосС, 2011. – 824 с.: ил. 76. Голованов, А. И. Система математических моделей расчётного мониторинга мелиорируемых земель / А. И. Голованов, В. В. Шабанов // Мелиорация и водное хозяйство. – 2004. – № 4. – С. 46. 77. Гольдфайн, И. А. Векторный анализ и теория поля / И. А. Гольдфайн. – М. : Наука, 1968. – 128 с. 78. Гончаров, В. Н. Движение наносов / В. Н. Гончаров. – М.-Л. : ОНТИ, 1938. – 312 с. 284 79. Гончаров, В. Н. Основы динамики русловых потоков / В. Н. Гончаров. – Л. : Гидрометеоиздат, 1954. – 452 с. 80. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. – М. : Стандартинформ, 2005. – 12 с. 81. Гостищев, Д. П. Мероприятия по борьбе с эрозией почв при поливах дождеванием / Д. П. Гостищев, Е. Ю. Гильденберг // Природообустройство. – 2008. – № 3. – С. 14–24. 82. Григоров, М. С. Оросительные мелиорации : учебное пособие / М. С. Григоров, С. М. Григоров. – Волгоград : Волгоградская ГСХА, 2011. – 121 с. 83. Григоров, М. С. Режим орошения основных культур в Волгоградской области / М. С. Григоров, С. М. Григоров // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : Наука и высшее профессиональное образование. – 2013. – Т. 1. – № 1-1. – С. 150–154. 84. Григоров, М. С. Современное состояние и перспективы развития мелиорации в России и Южном федеральном округе / М. С. Григоров // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : Наука и высшее профессиональное образование. – 2006. – № 3. – С. 46–51. 85. Григорьев, В. Я. Некоторые методические вопросы лабораторного изучения эрозионных процессов / В. Я. Григорьев // Современные аспекты изучения эрозионных процессов. – Новосибирск : Наука, 1980. – С. 63–65. 86. Григорьев, В. Я. Полуэмпирическая модель ручейковой эрозии почв / В. Я. Григорьев // Почвоведение. – 2007. – № 11. – С. 1362–1372. 87. Гринвальд, Д. И. Турбулентность русловых потоков / Д. И. Гринвальд.– СПб. : Гидрометеоиздат, 1974.– 280 с. 88. Гришанин, К. В. Гидравлическое сопротивление естественных русел / К. В. Гришанин. – СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. – 179 с. 89. Гришанин, К. В. Теория руслового процесса / К. В. Гришанин. – М. : Изд-во «Транспорт», 1972. – 216 с. 90. Гусев, Е. М. Использование модели взаимодействия подстилающей поверхности суши с атмосферой для расчетов речного стока в высоких широтах / Е. М. Гу- 285 сев, О. Н. Наносова, Л. Я. Джоган, Е. Э. Ковалев // Водные ресурсы. – 2008. – Том 35, № 2, – С. 181–195. 91. Данилов, Г. Г. Система обработки почвы / Г. Г. Данилов. – М. : Россельхозиздат, 1982. – 270 с. 92. Дмитриев, А. Н. Результаты почвенно-мелиоративных исследований при реконструкции межхозяйственной оросительной системы «Дружба» Чувашской Республики / А. Н. Дмитриев, С. А. Васильев, В. В. Алексеев, И. И. Максимов // Теоретический и научно-практический журнал «Мелиорация и водное хозяйство». - 2016.- № 2. - С. 17-21. 93. Доспехов, В. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов) / В. А. Доспехов. – М. : Агропромиздат, 1985. – 352 с. 94. Дудкин, П. А. Скорости течения воды по поверхности водосбора и методы их изучения / П. А. Дудкин // Метеорология и гидрология. – 1937. – № 9.– С. 50 – 57. 95. Егоров, И. Е. Полевые методы изучения почвенной эрозии / И. Е. Егоров // Вестник удмуртского университета. – 2009. – Вып. 1. – С.157–170. 96. Еремина, Р. Ф. Технология поверхностного компостирования растительных остатков / Р. Ф. Еремина // Достижения науки и техники АПК. – 2005.– № 1. – С. 18–20. 97. Журавель, В. Ф. Обоснование технологии противоэрозионной обработки почв с учетом методов прогнозирования стока и использования машинных комплексов / В. Ф. Журавель // Труды Ставропольского НИИСХ. – Ставрополь, 1982. – С. 78 – 91. 98. Заславский, М. Н. Эрозиоведение. Основы противоэрозионного земледелия : учеб. для геогр. и почв. спец. вузов / М. Н. Заславский. – М. : Высшая школа, 1987. – 376 с., ил. 99. Заславский, М. Н. Эрозия почв / М. Н. Заславский. – М. : Мысль, 1978. – 245 с. 100. Заславский, М. Н. Эрозия почв и земледелие на склонах / М. Н. Заславский. – Кишинев : Картя Молдовеняскэ, 1966. – 494 с. 101. Зегжда, А. П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах / А. П. Зегжда.– Л.–М. : Госстройиздат, 1957. – 278 с. 286 102. Зегжда, А. П. Теория подобия и методика расчета гидротехнических моделей / А. П. Зегжда. – Л.–М. : Госстройиздат, 1938. – 165 с. 103. Знаменская, Н. С. Гидравлическое моделирование русловых процессов / Н. С. Знаменская. – СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. – 240 с. 104. Иваненко, Ю. Г. К вопросу об особенностях оценки коэффициента сопротивления в легко размываемых руслах / Ю. Г. Иваненко, И. И. Классен // Гидротехника и мелиорация в условиях Узбекистана : труды ТИИИМСХ. – Ташкент, 1973. – С. 83–87. 105. Иванов, П. В. Прогнозирование смыва почвы на основе имитационного моделирования процесса эрозии на ЭВМ / П. В. Иванов, В. Л. Нарядовой // Гидротехнические сооружения и русловая гидротехника. – Новочеркасск, 1981. – С. 130–137. 106. Идельчик, И. Е. Гидравлические сопротивления / И. Е. Идельчик. – М.– Л. : Госэнергоиздат, 1954. – 316 с. 107. Изучение, прогнозирование и разработка рекомендаций по борьбе с эрозионными процессами на территории Чувашской Республики : отчет о НИР / рук. И. И. Максимов. – Чебоксары, 1997. – 134 с. 108. Изучение, прогнозирование и разработка рекомендаций по борьбе с эрозионными процессами на территории Чувашской Республики : отчет о НИР / рук. И. И. Максимов. – Чебоксары, 2001. – 74 с. 109. Инструкция по определению расчетных гидрологических характеристик по проектировании противоэрозионных мероприятий на Европейской территории СССР. ВСН 04 – 77. – Л. : Гидрометеоиздат, 1979. – 62 с. 110. Караушев, А. В. Речная гидравлика / А. В. Караушев. – Л. : Речиздат, 1969. – 416 с. 111. Карташов, Д. Ю. Анализ траектории движения зубьев при создании экспериментального почвообрабатывающего рабочего органа / Д. Ю. Карташов, С. А. Васильев, Е. П. Алексеев и др. // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. – 2013. – № 4(80), Ч.2. – С. 91–94. 287 112. Касьянов, А. Е. Участок экологического контроля мелиорируемых земель / А. Е. Касьянов // Природообустройство. – 2014. – № 2. – С. 12–16. 113. Каштанов, А. Н. Почвоводоохранное земледелие / А. Н. Каштанов, М. Н. Заславский. – М. : Россельхозиздат, 1984. 114. Кизяев, Б. М. Культуртехнические мелиорации : технологии и машины / Б. М. Кизяев, З. М. Мамаев. – М. : Ассоциация «Экост», 2003. – 399 с. : ил. 115. Киреев, И. М. Устройства для определения рельефа и микрорельефа участка поля / И. М. Киреев, З. М. Коваль, Ф. А. Зимин // Измерительная техника. – 2014. – № 8. – С. 24–26. 116. Кирейчева, Л. В. Значение комплексных мелиораций для формирования продуктивного и устойчивого агроландшафта / Л. В. Кирейчева, И. В. Белова // Мелиорация и водное хозяйство. – 2004. – № 4. – С. 44–46. 117. Кирюшин, В. И. Экологизация земледелия и технологическая политика / В. И. Кирюшин. – М. : МСХА, 2000. – 473 с. 118. Кнороз, В. С. О деформациях дна и о влиянии их на гидравлический режим потоков / В. С. Кнороз // Труды 3 Всесоюзного гидрологического съезда. – 1960. – Т. 5. – С. 166–176. 119. Колебания в инженерном деле / С. П. Тимошенко, Д. Х. Янг, У. Уивер; пер. с англ. Л. Г. Корнейчука; под ред. Э. И. Григолюка. – М. : Машиностроение, 1985. – 477 с. 120. Кондратьев, С. А. Гидродинамическое моделирование водноэрозионных процессов на склонах и малых водосборах / С. А. Кондратьев // Труды 5 Всесоюзного гидрологического съезда : Т. 10, кн.2 : Русловые процессы и наносы. – Л., 1986. – С. 134–141. 121. Конт-Белло, Ж. Турбулентное течение в канале с параллельными стенками / Ж. Конт-Белло. – М. : Мир, 1968. – 300 с. 122. Концепция федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014–2020 годы» [электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.consultant.ru 288 123. Корзун, В. И. Сток и потери талых вод на склонах полевых водосборов / В. И. Корзун. – Л. : Гидрометеоиздат, 1968. – 169 с. 124. Кормщиков, А. Д. Исследование и внедрение орудий для безотвальной обработки почвы : в 2 т. Т. 1. Отчет по теме 03.13.9. – Гос. рег. №79037347; инв. № Б 855422. / А. Д. Кормщиков, И. И. Максимов. – Чебоксары, 1980. – 87 с. 125. Кормщиков, А. Д. Механизация обработки почвы на склонах / А. Д. Кормщиков. – Чебоксары : Чувашское кн. изд-во, 1981. – 128 с. 126. Костяков, А. Н. Основы мелиорации / А. Н. Костяков.– М. : Сельхозиздат, 1960.– 750 с. 127. Кравчук, А. В. Математические зависимости слоя поверхностного стока от величины поливной нормы / А. В. Кравчук, Ф. В. Серебренников, Р. В. Прокопец // Основы рационального природопользования : материалы III Международной научно-практической конференции. – Саратов, 2011. – С. 206–210. 128. Краснова, Л. Н., Мельников Г. М. Методические рекомендации по оценке эффективности инновационных проектов. Официальное издание / Л. Н. Краснова, Г. М. Мельников. – М., 2005. – 178 с. 129. Кременецкий, Н. Н. Гидравлика / Н. Н. Кременецкий, Д. В. Штеренлихт. – М. : Энергия, 1980. – 390 с. 130. Кузнецов, М. С. О влиянии связности зерен друг с другом на противоэрозионную стойкость светло-каштановых почв Ергеней / М. С. Кузнецов // Научные доклады высшей школы. Серия : Биологические науки. – 1967. – № 4. – С. 117–123. 131. Кузнецов, М. С. Противоэрозионная стойкость почв / М. С. Кузнецов. – М. : Изд-во МГУ, 1981. – 135 с. 132. Кузнецов, М. С., Физические основы эрозии почв / М. С. Кузнецов, Г. П. Глазунов, Е. Ф. Зорина. – М. : Изд-во МГУ. – 1992. – 95 с. 133. Кучмент, Л. С. Математическое моделирование речногостока / Л. С. Кучмент. – Л. : Гидрометеоиздат, 1972. – 192 с. 134. Ларионов, Г. А. Механизмы боковой эрозии в склоновых ручьях / Г. А. Ларионов и др. // Почвоведение. – 2008. – № 3. – С. 330–337. 289 135. Ларионов, Г. А. Эрозия и дефляция почв / Г. А. Ларионов. – М. : Изд-во МГУ, 1993. – 200 с. 136. Ларионов, Г. А. Влияние наносов на эродирующую способность мелководных потоков / Г. А. Ларионов, Н. Г. Добровольская, З. П. Кирюхина, Л. Ф. Литвин // Эрозия почв и русловые процессы. – М., 2003. – Вып. 14. – С. 34–45. 137. Ломакин, М. М. Мульчирующая обработка почвы на склонах / М. М. Ломакин. – М. : Агропромиздат, 1988. – 184 с. 138. Лопырев, М. И. Защита земель от эрозии и охрана природы : учеб. пособие для вузов / М. И. Лопырев, Е. И. Рябов.– М. : Агропромиздат, 1989. – 240 с. : ил. 139. Маккавеев, Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне / Н. И. Маккавеев. – М. : Изд-во АН СССР, 1955. – 346 с. 140. Маккавеев, Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. – М. : Географический факультет МГУ, 2003. – 355 с. 141. Максимов, В. И. Прогноз овражной эрозии, методика проектирования противоовражных технологий и технических средств : дис. … канд. техн. наук : 05.20.01, 25.00.36 / Максимов Владимир Иванович. – Чебоксары, 2004. – 221 с. 142. Максимов, И. И. Автоматизированное картирование гидрофизических и эрозионных свойств почвогрунтов в изолиниях / И. И. Максимов, А. А. Малов // Земельный фонд Чувашской Республики и его современное состояние. – Чебоксары, 1995. – С. 46–48. 143. Максимов, И. И. Моделирование развития русла в подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов / И. И. Максимов, В. И. Максимов, С. А. Васильев, В. В. Алексеев // Почвоведение. – 2016. - № 4. - С. 514–519. (Англоязычная публикация : Maksimov I. I., Maksimov V. I., Vasilev S. A., Alekseev V. V. Simulation of Channel Development on the Surface of Agrolandscapes on Slopes. Eurasian Soil Science, 2016. Vol. 49, №. 4, pp. 475–480. ISSN 1064-2293.) 144. Максимов, И.И. Безразмерный показатель для оценки гидравлических потерь на трение в руслах разной шероховатости / И. И. Максимов, С. А. Васильев, В. И. Максимов // Мелиорация и водное хозяйство – 2011. – № 5 – С. 40–42. 290 145. Максимов, И. И. Методика определения безразмерного показателя для оценки гидравлических потерь на трение / И. И. Максимов, В. Г. Чернов, С. А. Васильев // Труды ЧГСХА. – Чебоксары, 2003. – Т. 18. – С.386–388. 146. Максимов, И. И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель : дис. … д-ра техн. наук : 05.20.01 / Максимов Иван Иванович. – Чебоксары, 1996. – 325 с. 147. Максимов, И. И. Энергетическая концепция эрозионной устойчивости антропогенных агроландшафтов / И. И. Максимов, В. И. Максимов. – Чебоксары : Чувашская ГСХА, 2006. – 304 с. 148. Максимов, И. И. Энергетическая оценка водной эрозии почв с учетом инфильтрации / И. И. Максимов, В. М. Сироткин // Труды Чувашского СХИ. – Чебоксары, 1995. – Т. 11, вып. 3. – С. 60–65. 149. Максимов, И. И. Энергетический подход к изучению эрозионных процессов / И.И. Максимов, В. М. Сироткин // Повышение эффективности вузовской науки и улучшение качества подготовки специалистов с высшим образованием : сборник тезисов. – Чебоксары, 1990. – С. 92–97. 150. Максимов, И. И. Эрозионная стойкость стокоформирующей и овражнобалочной поверхности/ И. И. Максимов, В. И. Максимов // Экология и сельскохозяйственная техника : сборник тезисов докладов. – СПб. : СЗНИИМЭСХ, 1998. – С. 85–87. 151. Матерон, Ж. Основы прикладной геостатистики / Ж. Матерон. – М. : Мир, 1968. – 408 с. 152. Медведев, И. Ф. Эрозионные процессы на пашне приволжской возвышенности / И. Ф. Медведев, А. И. Шабаев // Почвоведение. – 1991. – № 11 – С. 61–69. 153. Мероприятия по охране почв от эрозии : научный обзор ФГНУ «РосНИИПМ». – М. : ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2010. – 71 с. 154. Методические указания по назначению компенсационных мероприятий по снижению размера ущерба от поверхностных стоков. – М. : ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2009. 291 155. Методические указания по проектированию систем почвозащитного земледелия для районов распределения водной и водно-ветровой эрозии почв Европейской территории страны : утв. НТС Госагропрома СССР 29.10.86. – М. : Агропромиздат, 1986. – 50 с. 156. Мирцхулава, Ц. Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии / Ц. Е. Мирцхулава. – М. : Колос, 1970. – 240 с. 157. Мирцхулава, Ц. Е. К вопросу устойчивости связных грунтов размыву / Ц. Е. Мирцхулава // Труды Груз НИИГиМ. – Тбилиси, 1957. – Вып. 18–19. – С. 485 – 493. 158. Мирцхулава, Ц. Е. Надежность систем осушения / Ц. Е. Мирцхулава – М. : Агропромиздат, – 1985. – 239 с. : ил. 159. Мирцхулава, Ц. Е. Основы физики и механики эрозии русел / Ц. Е. Мирцхулава. – Л. : Гидрометеоиздат, 1988. – 303 с. 160. Михайлина, В. И. Агротехнические способы защиты почв от эрозии в европейских странах / В. И. Михайлина. – М. : Агропромиздат, 1979. – 48 с. 161. Мишин, П. В. Практикум по эксплуатации машинно-тракторного парка / П. В. Мишин, В. Х. Хузин. – Чебоксары, 1999. – 110 с. 162. Монин, А. С. Статистическая гидромеханика / А. С. Монин, А. М. Яглом. – CПб. : Гидрометеоиздат, 1992. – Т. 1. – 570 с. 163. Мутиков, В. М. Земельный фонд Чувашской Республики и его современное состояние / В. М. Мутиков, Н. Н. Попова // Земельный фонд Чувашской Республики и его современное состояние. – Чебоксары, 1995. – С. 3–20. 164. Никитин, И. К. Турбулентность русловых потоков / И. К. Никитин. – Киев,1963. – 270 с. 165. Овчинников, А. С. Развитие учения об агротехнической мелиорации земель / А. С. Овчинников, В. И. Пындак // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : Наука и высшее профессиональное образование. – 2014. – № 3. – С. 158–168. 166. Ольгаренко, В.И. Методические подходы к обоснованию функционирования экологически сбалансированных мелиоративных систем / В. И. Ольгаренко, И. В. 292 Ольгаренко // Актуальные вопросы гидротехники и мелиорации на Юге России : сборник научных трудов. – Новочеркасск, 2013. – С. 156–162. 167. Ольгаренко, Г. В. Планирование экологически безопасных режимов орошения агробиоценозов с учетом изменчивости гидрометеорологических условий / Г. В. Ольгаренко, Ф. К. Цекоева // Природообустройство. – 2012. – № 5. – С. 7–11. 168. Ольгаренко, И. В. Экологический мониторинг мелиоративных систем / И. В. Ольгаренко // Мелиорация и водное хозяйство. – 2010. – № 4. – С. 44–47. 169. Павловский, Н. Н. Гидравлический справочник / Н. Н. Павловский. – М.– Л. : ОНТИ, 1937. – 890 с. 170. Патент 2017407 Российская Федерация. Устройство для определения потенциала противоэрозионной стойкости почвогрунта / Максимов И. И., Сироткин В. М.; опубл. 15.08.94, Бюл. № 15. 171. Патент 2021647 Российская Федерация. Способ для определения противоэрозионной стойкости почвогрунтов и устройство для осуществления / Максимов И. И., Сироткин В. М.; опубл. 30.10.94, Бюл. № 20. 172. Патент 2032159 Российская Федерация. Способ определения потенциала противоэрозионной стойкости почвогрунтов в полевых условиях / Максимов И. И., Сироткин В. М.; опубл. 27.03.1995. 173. Патент 2129268 Российская Федерация. Способ определения потенциала эрозионной стойкости почвогрунтов в полевых условиях / Максимов И. И., Сироткин В. М., Герасимов В. М., Борисов А. П., Сироткин В. В., Максимов В. И., Егоров В. П., Аквильянов А. П., Данилов В. М. : ил. 174. Патент 2292034 Российская Федерация. Способ определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью / Максимов И. И., Васильев С. А., Максимов В. И.; опубл. 20.01.2007, Бюл. № 2. 175. Патент 2292539 Российская Федерация. Способ определения гидравлических потерь на трение / Максимов И. И., Васильев С. А., Максимов В. И.; опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3. 176. Патент 2339944 Российская Федерация. Устройство для моделирования и изучения направления деформации подстилающей поверхности методом точечно- 293 го источника / Максимов И. И., Максимов В. И., Чернов В. Г., Васильев С. А.; опубл. 27.11.2008, Бюл. № 33. 177. Патент 2345323 Российская Федерация. Способ определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях и устройство для его осуществления / Максимов И. И., Васильев С. А., Максимов В. И., Васильев А. А.; опубл. 27.01.2009, Бюл. № 3. 178. Патент 2346275 Российская Федерация. Способ измерения потенциала эрозионной стойкости для мерзлого почвогрунта / Максимов И. И., Максимов В. И., Егоров В. П., Васильев С. А.; опубл. 10.02.2009, Бюл. № 4. 179. Патент 2360391 Российская Федерация. Почвообрабатывающий рабочий орган / Максимов В. И., Прошкин А. В., Максимов И. И., Васильев С. А., Васильев А. А.; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 19. 180. Патент 2365082 Российская Федерация. Рабочий орган плоскореза– глубокорыхлителя-удобрителя / Абезин В. Г., Бороменский В. П., Цепляев А. Н., Абезин Д. А.; опубл. 21.04.2008. 181. Патент 2423037 Российская Федерация. Сошник для разбросного посева / Максимов И. И., Алексеев Е. П., Максимов В. И., Васильев С. А., Смирнов П. А.; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19. 182. Патент 2428829 Российская Федерация. Рабочий орган для внесения в почву жидких мелиорантов / Максимов И. И., Васильев А. А., Васильев С. А., Максимов В. И.; опубл. 20.09.2011, Бюл. № 26. 183. Патент 2466524 Российская Федерация. Сошник для подпочвенно- разбросного посева / Максимов И. И., Петров А. А., Васильев С. А., Максимов В. И.; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 32. 184. Патент 2475006 Российская Федерация. Почвообрабатывающий рабочий орган / Васильев С. А, Максимов И. И., Карташов Д. Ю., Васильев А. А., Максимов В. И.; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5. 185. Патент 2512371 Российская Федерация. Почвообрабатывающий рабочий орган / Васильев С. А., Максимов И. И., Карташов Д. Ю., Максимов В. И.; заявл. 20.08.2013; опубл. 10.04.2014, Бюл. № 10. 294 186. Патент 2543813 Российская Федерация. Устройство для профилирования поверхности почвы и определения направления стока атмосферных осадков в полевых условиях / Максимов И. И., Васильев С. А., Максимов В. И., Петров А. А., Васильев А. А.; опубл. 10.03.2015, Бюл. № 7. 187. Патент 2560752 Российская Федерация. Способ определения среднего уклона элементарной площадки в полевых условиях и профилограф для его осуществления / Максимов И. И., Васильев С. А., Максимов В. И., Васильев А. А., Алексеев Е.П., Алексеев В.В., Васильев М.А.; опубл. 20.08.2015, Бюл. № 23. 188. Петров, А. А. Обоснование выбора конструкции сошника подпочвенноразбросного посева / А. А. Петров, С. А. Васильев // Достижения современной науки в области энергосбережения (по материалам исследований молодых ученых) : материалы Первой международной научно-практической конференции. – Чебоксары, 2013. – С. 213–215. 189. Полуэктов, Е. В. Регулирование водного режима эродированных почв противоэрозионными приемами / Е. В. Полуэктов // Почвоведение. – 1993.– № 3.– С. 80–99. 190. Практикум по внутрихозяйственному землеустройству сельскохозяйственного предприятия / С. Н. Волков, М. П. Шубич, А. В. Купчиненко и др. – М. : ГУЗ, 2003 – 161 с. 191. Прогнозирование и предупреждение эрозии почв при орошении / В. Я. Григорьев и др. – М. : Изд-во МГУ, 1992. – 208 с. 192. Разработка энергосберегающих технологий обработки почвы : отчет о НИР / рук. Максимов И. И.; исп. Сироткин В. М., Смирнов П. А., Васильев С. А. – Чебоксары, 2004. – 141 с. 193. Рекомендации по созданию комплекса агролесомелиоративных противоэрозионных мероприятий / Г. П. Сурмач и др. – Волгоград, 1973. 194. Ринкевичюс, Б. С. Лазерная диагностика потоков / Б. С. Ринкевичюс. – М. : Издательство МЭИ, 1990. – 300 с. 195. Рожков, А. Г. Борьба с оврагами / А. Г. Рожков. – М. : Колос, 1981.– 197 c. : ил. 295 196. Рожков, А. Г. К оценке энергии массы воды, движущейся по склону / А. Г. Рожков, В. Д. Иванов // Науч.-техн. бюл. по защите почв от эрозии. – Курск, 1973. – Вып. 1. 197. Симанович, А. В. Гидравлические сопротивления в системе речных русел : дис. … канд. техн. наук : 25.00.27 / Симанович Андрей Викторович. – СПб., 2001. – 109 с. 198. Сироткин, В. М. Разработка теории метода оценки механического воздействия на почву почвообрабатывающих машин и орудий : дис. … д-ра техн. наук : 05.20.01 / Сироткин Владимир Михайлович. – Киров, 2001. – 288 с. 199. Сорочкин, В. М. Изменение структуры почвы при уплотнении / В. М. Сорочкин, В. Н. Шептухов // Почвоведение. – 1979. – № 11. – С. 76–82. 200. Сорочкин, В. М. О выборе показателей для агрономической оценки структуры почвы / В. М. Сорочкин // Почвоведение. – 1991. – № 7 – С. 50–58. 201. Срибный, И. К. Влияние формы русла на пропускную способность каналов / И. К. Срибный // Мелиорация и водное хозяйство. – 1998. – № 4. 202. Срибный, И. К. Еще раз о формуле Шези и коэффициентах шероховатости / И. К. Срибный // Мелиорация и водное хозяйство. – 1995. – № 4. 203. Сурмач, Г. П. Водная эрозия и борьба с ней / Г. П. Сурмач. – Л. : Гидрометеоиздат, 1976. – 254 c. 204. Сурмач, Г. П. К вопросу об изучении весеннего стока в сети лесных полос на черноземах Куйбышевского Заволжья / Г. П. Сурмач // Вопросы земледелия и борьбы с эрозией почв в степных и лесостепных районах СССР. – Саратов,1959. – Т. 2. – С. 489–497. 205. Сурмач, Г. П. Опыт расчета смыва почв для построения комплекса противоэрозионных мероприятий / Г. П. Сурмач // Почвоведение. – 1979. – № 4. – С. 92–104. 206. Сухановский, Ю. П. Методы моделирования эрозионных процессов и основы формирования противоэрозионных комплексов : автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук : 06.01.03 / Сухановский Юрий Петрович. – Курск, 2000. – 40 с. : ил. 296 207. Сысуев, В. А. Водосборная площадь малых рек как объект антропогенного агроландшафта (на примере реки Цивиль) / В. А. Сысуев, И. И. Максимов, В. И. Максимов, В. В. Алексеев // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. – 2013. – № 5 (36). – С. 59–65. 208. Сысуев, В. А. Методы повышения агробиоэнергетической эффективности растениеводства / В. А. Сысуев, Ф. Ф Мухамадьяров. – Киров : НИИСХ СевероВостока, 2001. – 216 с. 209. Теории и методы физики почв : Коллективная монография / под ред. Е. В. Шеина, Л. О. Карпачевского. – М. : Гриф и К, 2007. – 616 с. 210. Тихоненков, В. А. Технико-экономический анализ инженерного проекта : учебное пособие / В. А. Тихоненков, М. В. Рыбкина. – Ульяновск : УлГТУ, 2012. – 124 с. 211. Ткачев, А. А. Развитие методологии расчета параметров неустановившегося течения воды при водораспределении в каналах оросительных систем : дис. ... дра техн. наук : 06.01.02 / Ткачев Александр Александрович. – Новочеркасск, 2011. – 297 с. 212. Труфанов, В. В. Глубокое чизелевание почвы / В. В. Труфанов. – М. : Агропромиздат, 1989. – 140 с. 213. Турсунов, Т. Н. Транспортирующая способность потока и гидравлические сопротивления земляных оросительных каналов : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.16 / Турсунов Тожибай Нурмухамедович. – Ташкент, 1992. – 129 с. : ил. 214. Фидман, Б. А. О влиянии шероховатости стенок на структуру турбулентного потока / Б. А. Фидман // Изв. АН СССР. Серия : География и Геофизика. – 1948. – Т. XII, № 3. – С. 255–260. 215. Фланаган, Д. К. Прогноз водной эрозии : проект Министерства сельского хозяйства США (WЕPP) / Д. К. Фланаган, Д. М. Лафлен // Почвоведение. – 1997.– № 5. – С. 600–605. 216. Формирование и режим стока при гидролесомелиорации / С. Э. Вомперский и др. – М. : Наука, 1988. – 168 с. 297 217. Фролов, А. В. Дискретная динамико-стохастическая модель многолетних колебаний речного стока / А. В. Фролов // Водные ресурсы. – 2011. – Том 38, № 5. – С. 538–547. 218. Фролов, В. Я. Исследование условий формирования стока наносов малых водотоков ЦЧО : автореф. дис. … д-ра техн. наук : 05.20.01 / Фролов В. Я. – Воронеж, 1964. – 166 с. 219. Хан, К. Ю. Определение устойчивости агрегатов к разрушающему действию капель / К. Ю. Хан // Почвоведение. – 1991.– № 6.– С. 123–127. 220. Хитров, Н. Б. Влияние распашки и орошения на макроструктуру черноземов / Н. Б. Хитров, О. А. Чечуева // Почвоведение. – 1994.– № 6.– С. 106–114. 221. Цепляев, А. Н. Теоретическое определение скорости воздушного потока для подачи проращенных семян в семяпровод / А. Н. Цепляев, Е. Т. Русяева // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : Наука и высшее профессиональное образование. – 2014. – № 1 (33). – С. 212–216. 222. Чичкин, В. П. Овощные сеялки и комбинированные агрегаты. Теория, конструкция, расчет / В. П. Чичкин. – Кишинев : Штиница, 1984. – 392 с. 223. Чугаев, Р. Р. Гидравлика : учеб. для вузов / Р. Р. Чугаев. – СПб. : Энергоиздат, 1982. – 672 с. 224. Чудновский, А. Ф. Физика теплообмена в почве / А. Ф. Чудновский. – Л.–М. : ОГИЗ Гостехиздат, 1948. – 220 с. 225. Шабаев, А. И. Почвозащитное земледелие : опыт, проблемы / А. И. Шабаев. – Саратов : Приволжское кн. изд-во, 1985. – 94 с. 226. Шабанов, В. В. Мониторинг состояния берегов и режима использования водоохранных зон / В. В. Шабанов, В. Н. Маркин // Природообустройство. – 2014. – № 4. – С. 6–11. 227. Швебс, Г. И. О приемах изучения смыва почв / Г. И. Швебс // Почвоведение. – 1957. – № 5. – С. 105–109. 228. Швебс, Г. И. Расчет склоновых наносов и овражной эрозии для обоснования противоэрозионных мелиораций // Труды 5 Всесоюзного гидрологического съез- 298 да. Т. 10, кн. 2 : Русловые процессы и наносы. – Л. : Гидрометеоиздат, 1986. – С. 141–148. 229. Швебс, Г. И. Регулирование поверхностного стока методом полосного мульчирования / Г. И. Швебс // Сборник работ по гидрологии. – Л. : Гидрометеоиздат, 1967. – № 7. – С. 122–127. 230. Швебс, Г. И. Теоретические основы эрозиоведения / Г. И. Швебс. – Киев; Одесса : Вища школа, 1981. – 219 с. 231. Швебс, Г. И. Формирование водной эрозии, стока наносов и их оценка : на примере Украины и Молдавии / Г. И. Швебс. – Л. : Гидрометеоиздат, 1974. – 183 с. 232. Шейн, Е. В. Роль и значение органического вещества в образовании и устойчивости почвенных агрегатов / Е. В. Шейн, Е. Ю. Милановский // Почвоведение. – 2003. – № 1.– С. 53–61. 233. Шмакова, М. В. Методика расчёта по аналитической формуле расхода наносов / М. В. Шмакова // Двадцать седьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов : доклады и краткие сообщения. – Ижевск, 2012. – С. 206–207. 234. Штеренлихт, Д. В. Гидравлика : учеб. для вузов : в 2 кн. Кн.2. / Д. В. Штеренлихт. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 367 с. : ил. 235. Штеренлихт, Д. В. Гидравлика : учебник для вузов. / Д. В. Штеренлихт. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Колос, 2004. – 656 с. : ил. 236. Штернлихт, Д. В. Гидравлические расчеты / Д. В. Штернлихт. – М. : Колос, 1992. – 287 с. : ил. 237. Щедрин, В. Н. Система мелиоративных мероприятий для различных типов агроландшафтов, обеспечивающих устойчивость к деградационным процессам и повышение плодородия почв : рекомендации / В. Н. Щедрин и др. – М. : Столичная типография, 2008. – 84 с. 238. Щедрин, В. Н. Управление водораспределением на открытых оросительных системах на основе гидрологической информации и агрометеопараметров / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев, А. В. Акопян, В. В. Слабунов / Известия Нижневолж- 299 ского агроуниверситетского комплекса : Наука и высшее профессиональное образование. – 2014. – № 2. – С. 152–158. 239. Эрозия почвы / пер. с англ. и предисловие М. Ф. Пушкарева. – М. : Колос, 1984. – 415 с. 240. Юневич, Д. П. О скоростях стекания воды по поверхности тонким слоем в различных естественных условиях / Д. П. Юневич // Метеорология и гидрология. – 1937. – № 9. – С. 58–62. 241. Abrahams, A. D. A sediment transport equation for interrill overland flow on rough surface / A. D. Abrahams, G. Li, C. Krishana, J. F. Atkinson // Earth Surf. Proc. Land. – 2001. – № 26. – P. 1443–1459. 242. Abrahams, A. D. Effect of saltating sediment on flow resistance and bed roughness in overland flow / A. D. Abrahams, G. Li // Earth Surf. Proc. Land. – 1998. – № 23. – P. 953–960. 243. Ali, M. Effect of hydraulic parameters on sediment transport capacity in overland flow over erodible beds / M. Ali, etal // Hydrol. Earth Syst. Sci. – 2012. – № 16. – P. 591–601. 244. Ali, M. Sediment transport capacity for soil erosion modelling at hillslope scale : an experimental approach : Ph.D. thesis / Ali M. –The Netherlands : Wageningen University, 2012. – 120 p. 245. Botterveg, P. Modelling the effects of climate change on runoff and erosion in central southern Norway / P. Botterveg ;ed. by R.J. Rickson // Conserving Soil Resources. European Perspectives. Сab international. – Wallingford. – 1994. – № 285. – P.273. 246. Burwell, R. E. A field measurement of total porosity and surface microrrelief of soils / R. E. Burwell, R. R. Allmaras, M. Amemiya // Soil Sci. Soc. Am. Proc. – 1963. – № 27. – P. 697–700. 247. Darboux, F. An instantaneous-profile laser scanner to measure soil surface microtopography / F. Darboux, C.-H. Huang // Soil Sci. Soc. Am. J. – 2003. – № 67. – P. 92–99. 248. Flanagan, D. C. Laser scanner for erosion plot measurements / D. C. Flanagan, C. H. Huang, L. D. Norton, S. C. Parker // Trans. ASAE. 1995. – № 38. – P. 703–710. 300 249. Foster, G. R. Evaluating irregular slopes for soil loss prediction / G. R. Foster, W. H. Wischmeier // Trans. Am. Soc. Agric. Engrs. –1974. – № 17. – P. 305–309. 250. Foster, G. R. User requirements : USDA – water erosion prediction project (WEPP) / G. R. Foster et. al. // Amer. soc. of agric. Engineers. – 1987. – Paper № 87 (2539). – P.6. 251. Garcia, M. R. Desarrollo de unametodologıґa para la medicioґnde la rugosidad del suelo : Ph.D. Dissertation / M. R. Garcia. – Madrid, 2006. – 120 p. 252. Garcıia, M. R. A shadow analysis method to measure soil surface roughness / M. R. Garcia // Geoderma. – 2008. – № 146. – P. 201–208. 253. Garcıia, M. R. Shadow analysis of soil surface roughness compared to thechain set method and direct measurement of micro-relief / M. R. Garcia // Biogeosciences. – 2010. – № 7. – P. 2477–2487. 254. Griffen, M. L. Estimating soil loss on topographically nonuiform field and form units / M. L. Griffen et. al. // Soil and Water Conserv. – 1988. – № 4. – P. 326–331. 255. Hirschi, M. C. KYERMO – a physically based research erosion model. Part 2. Model sensitivity analysis and testing / C. H. Michael et. al. // Trans. ASEA. – 1988. – Vol. 31. – P. 814–820. 256. Huang, C.-H. Applications of a laser scanner to quantify soil microtopography / C. -H. Huang, J. M. Bradford // Soil Sci. Soc. Am. J. –1992. – № 56. – P. 14–21. 257. Huang, C.-H. Quantification of soil microtopography and surface roughness, Fractals in soil science / C.-H. Huang; edited by P. Baveye, J. Y. Parlange, B. A. Stewart // Advances in Soil Science. –Boca Raton : CRC Press, 1998. – 377 p. 258. Karydas, C. G. A classification of water erosion models according to their geospatial characteristics / C. G. Karydas, P. Panagos, I. Z. Gitas // International Journal of Digital Earth.– 2012. – Vol. 5, № 1. – Р. 1–22. 259. Maksimow, I. Erozyjne wlasciwosci gleb poddstawa do projektowania maszyn rolniczych / I. Maksimow, J. R. Kaminski // IX international symposium ecological aspects of mechanization of plant production. – Warszawa, 2002 r. 301 260. Merrill, S. D. Comments on the chain method for measuring soil surface roughness : Use of the chain set / S. D. Merrill// Soil Sci. Soc. Am. J. –1998. – № 52. – Р. 1147–1149. 261. Merrill, S. D. Use of the Chain set for scale-sensitive and erosion relevant measurement of soil surface roughness / S. D. Merrill, C. H. Huang, T. M. Zobeck, D. L. Tanaka; edited by D. E. Stott., R. H. Mohtar, G. C. Steinhardt// Sustaining the Global Farm. –International Soil Conservation Organization, 2001. – Р. 594–600. 262. Nikuradse, I. Stromung sgezetze in rauchen Rohren /I. Nikuradse//VDI Forshungsheft. – 1933. – № 361. 263. Nikuradse, I. Untersuchungen uber die StromungendcsWassers in convergenten und divergontenKanalen / I. Nikuradse // Forsch.– 1929. – №. 289. 264. Oelze, M. L. Roughness measurements of soil surfaces by acoustic bakscatter / M. L. Oelze, J. M. Sabatier, R. Raspect // Soil Sci. Soc. Am. J. – 2003. – № 67. – Р. 241–250. 265. Podmore, T. H. An automated profile meter for surface roughness measurements / T. H. Podmore, L. F. Huggins // Trans. ASAE. – 1981. – № 24. – Р. 663–665. 266. Rieke-Zapp, D. H. Slope Shape Effects on Erosion : A Laboratory Study / D. H. Rieke-Zapp, M. A. Nearing // Soil Science Society of America Journal. – 2005. –Vol. 69. – Р.1463–1471. 267. Romkens, M. J. M. An automated noncontact surface profile meter / M. J. M. Romkens, S. Singarayar, C. J. Gantzer// Soil Till. Res. – 1986. – № 6. –Р. 193–202. 268. Romkens, M. J. M. Soil roughness changes from rainfall / M. J. M. Romkens, J. Y. Wang // Transactions of the American Society of Agricultural Engineers. – 1987. – № 30(1). – Р. 101–107. 269. Saleh, A. Soil roughness measurement : chain method / A. Saleh // J. Soil Water Conserv. – 1993. – № 48. – Р. 527–529. 270. Shen, H. W. Development of bed rougness in alluvial channels / H. W. Shen // Proc. ASCE Hydr. Div. – 1962. – Vol. 88, № 3. – P. 45–58. 271. Shen, H. Т. Flow resistance of river ice cover / H. W. Shen, P. D. Yapa // J. Hydr. Eng.–1986.–Vol. 112, № 2. – P. 141–156. 302 272. Sirotkin, W. M. Ocena mechanicznego oddzialywania narzedzi I maszyn uprawowych na zmiany stanu energetycznego wody glebowej / W. M. Sirotkin et. al. // IX international symposium ecological aspects of mechanization of plant production. – Warszawa, 2002 r. 273. Skidmore, E. L. Comments on chain method for measuring soil roughness / E. L. Skidmore // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1997. – № 61. – P. 1532–1533. 274. Wagner, L. E. Digitization of profile meter photographs / L. E. Wagner, Y. Yiming // Trans. ASAE. – 1991. – № 34(2). – P. 412–416. 275. Wagner, W. S. Mapping a three-dimensional soil surface with handheld 35 mm photography / W. S. Wagner // Soil Till. Res. –1995. – № 34. – P. 187–197. 276. Web-сайт предприятия ООО «БДМ-Агро» : [Электронный ресурс]. – Краснодар. – Режим доступа : www.bdm-agro.com. (Дата обращения : 18.02.2016). 277. Web-сайт частного предприятия ООО «РИФТЭК» : [Электронный ресурс]. – Минск, 2001-2016. – Режим доступа : www.riftek.com. (Дата обращения : 18.02.2016). 278. Web-site ADA Instruments : [Электронный ресурс]. – Hong Kong, 2009-2012. – URL : www.adainstruments.com. (Дата обращения : 18.02.2016). 279. Yuan, L. A soil erosion model based on cellular automata / L. Yuan // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. – 2008. – Vol. XXXVII. Part B6b. Beijing. –Р. 21–26. 280. Zribi, M. Characterization of the soil structure and microwave backscattering based on numerical three-dimensional surface representation : Analysis with a fractional Brownian model /M. Zribi// Remote Sens. Environ. – 2000. – № 72. – Р. 159–169. 303 ПРИЛОЖЕНИЯ 304 Приложение А (справочное) Документы, подтверждающие техническую новизну методов, технических средств и орудий при применении противоэрозионных технологий 305 Продолжение приложения А 306 Продолжение приложения А 307 308 Продолжение приложения А 309 Продолжение приложения А 310 311 Продолжение приложения А 312 Продолжение приложения А 313 314 Продолжение приложения А 315 Продолжение приложения А 316 317 Продолжение приложения А 318 319 Продолжение приложения А 320 321 Приложение В (справочное) Результаты выполненных научных исследований Таблица В.1 - Результаты полевых экспериментальных исследований по определению ПЭС на территории МОС «Дружба» № 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Первый ряд ПЭС, m, г Дж/кг 2 3 15,699 0,064 8,945 0,112 13,210 0,076 11,765 0,085 6,983 0,143 3,571 0,280 3,571 0,280 3,571 0,280 7,893 0,127 6,177 0,162 3,441 0,291 3,571 0,280 3,571 0,280 3,571 0,280 9,083 0,110 9,099 0,110 6,266 0,160 5,342 0,187 7,018 0,143 6,734 0,149 5,302 0,189 4,671 0,214 9,852 0,102 9,747 0,103 12,771 0,078 7,593 0,132 9,268 0,108 7,037 0,142 7,027 0,142 9,488 0,105 6,978 0,143 5,000 0,200 4,587 0,218 4,587 0,218 18,215 0,055 4,587 0,218 8,285 0,121 № 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Второй ряд ПЭС, m, г Дж/кг 5 6 7,479 0,134 7,102 0,141 10,035 0,100 9,673 0,103 6,799 0,147 8,459 0,118 8,269 0,121 6,153 0,163 8,367 0,120 5,235 0,191 8,980 0,111 11,427 0,088 5,092 0,196 6,307 0,159 6,645 0,150 6,773 0,148 7,374 0,136 5,015 0,199 6,471 0,155 10,830 0,092 8,348 0,120 5,181 0,193 5,245 0,191 5,813 0,172 5,394 0,185 5,143 0,194 6,102 0,164 5,944 0,168 7,977 0,125 10,149 0,099 9,536 0,105 7,182 0,139 10,622 0,094 10,071 0,099 10,952 0,091 6,488 0,154 6,617 0,151 № 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Третий ряд ПЭС, m, г Дж/кг 8 9 6,684 0,150 5,542 0,180 5,056 0,198 7,594 0,132 7,312 0,137 5,425 0,184 9,607 0,104 5,232 0,191 10,621 0,094 8,430 0,119 11,815 0,085 11,032 0,091 7,592 0,132 5,355 0,187 8,157 0,123 8,491 0,118 6,742 0,148 5,855 0,171 10,980 0,091 7,733 0,129 5,523 0,181 6,824 0,147 8,756 0,114 8,979 0,111 7,121 0,140 5,092 0,196 5,100 0,196 6,340 0,158 8,155 0,123 7,400 0,135 11,103 0,090 7,177 0,139 10,639 0,094 5,120 0,195 6,058 0,165 5,326 0,188 9,922 0,101 № 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Четвертый ряд ПЭС, m, г Дж/кг 11 12 7,077 0,141 7,278 0,137 5,628 0,178 6,371 0,157 10,915 0,092 9,494 0,105 5,726 0,175 5,622 0,178 6,068 0,165 7,246 0,138 11,550 0,087 5,563 0,180 5,121 0,195 5,621 0,178 5,837 0,171 9,568 0,105 8,056 0,124 6,454 0,155 7,226 0,138 12,214 0,082 8,127 0,123 6,354 0,157 8,264 0,121 7,744 0,129 10,678 0,094 8,958 0,112 10,532 0,095 6,171 0,162 10,291 0,097 8,706 0,115 7,010 0,143 6,063 0,165 6,058 0,165 6,540 0,153 5,819 0,172 9,978 0,100 6,477 0,154 322 Продолжение таблицы В.1 1 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 2 6,689 4,587 4,587 7,283 4,587 4,587 11,148 17,544 12,255 8,278 10,515 7,849 7,027 8,032 6,394 6,349 8,285 8,285 8,285 8,285 11,390 12,077 8,285 7,153 8,285 8,285 5,817 11,710 9,930 13,947 8,621 11,111 8,540 7,037 7,027 9,488 6,978 5,000 15,504 8,285 8,285 13,141 8,285 3 0,150 0,218 0,218 0,137 0,218 0,218 0,090 0,057 0,082 0,121 0,095 0,127 0,142 0,125 0,156 0,158 0,121 0,121 0,121 0,121 0,088 0,083 0,121 0,140 0,121 0,121 0,172 0,085 0,101 0,072 0,116 0,090 0,117 0,142 0,142 0,105 0,143 0,200 0,065 0,121 0,121 0,076 0,121 4 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 5 8,431 6,740 6,598 8,464 9,912 6,035 5,955 12,322 5,192 5,700 10,924 5,323 5,498 9,112 5,694 5,612 10,306 8,523 8,070 7,913 9,780 8,289 5,970 5,999 6,264 6,721 8,063 5,182 8,374 7,953 6,458 5,165 5,708 10,577 8,901 7,162 5,333 6,941 6,229 11,484 7,631 8,840 8,376 6 0,119 0,148 0,152 0,118 0,101 0,166 0,168 0,081 0,193 0,175 0,092 0,188 0,182 0,110 0,176 0,178 0,097 0,117 0,124 0,126 0,102 0,121 0,168 0,167 0,160 0,149 0,124 0,193 0,119 0,126 0,155 0,194 0,175 0,095 0,112 0,140 0,188 0,144 0,161 0,087 0,131 0,113 0,119 7 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 8 6,297 6,813 5,374 5,661 7,073 6,911 5,498 6,568 6,201 8,571 6,167 7,296 5,791 11,193 5,398 6,348 5,504 6,240 5,252 8,377 9,078 5,910 5,330 5,330 5,866 6,751 6,316 5,094 9,287 8,078 11,607 7,229 8,601 7,681 8,483 6,726 12,471 6,101 10,073 9,165 5,291 11,076 5,505 9 0,159 0,147 0,186 0,177 0,141 0,145 0,182 0,152 0,161 0,117 0,162 0,137 0,173 0,089 0,185 0,158 0,182 0,160 0,190 0,119 0,110 0,169 0,188 0,188 0,170 0,148 0,158 0,196 0,108 0,124 0,086 0,138 0,116 0,130 0,118 0,149 0,080 0,164 0,099 0,109 0,189 0,090 0,182 10 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 11 7,437 11,114 5,769 5,421 7,596 8,645 6,555 6,402 7,052 8,743 5,719 7,436 6,414 8,427 6,984 11,154 7,567 5,460 5,406 11,103 5,968 5,110 11,919 8,086 9,848 5,847 7,475 5,705 5,430 5,873 5,345 7,060 9,920 6,015 9,338 6,243 6,031 6,585 6,885 7,374 10,761 10,005 6,576 12 0,134 0,090 0,173 0,184 0,132 0,116 0,153 0,156 0,142 0,114 0,175 0,134 0,156 0,119 0,143 0,090 0,132 0,183 0,185 0,090 0,168 0,196 0,084 0,124 0,102 0,171 0,134 0,175 0,184 0,170 0,187 0,142 0,101 0,166 0,107 0,160 0,166 0,152 0,145 0,136 0,093 0,100 0,152 323 Продолжение таблицы В.1 1 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 сред нее ст.от клон 2 8,285 4,587 10,753 8,285 6,835 8,285 8,285 12,821 12,821 12,821 12,821 7,849 12,821 12,821 6,394 12,821 12,821 15,848 11,534 4,211 3 0,121 0,218 0,093 0,121 0,146 0,121 0,121 0,078 0,078 0,078 0,078 0,127 0,078 0,078 0,156 0,078 0,078 0,063 0,087 0,238 8,528 0,138 3,328 0,059 4 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 сред нее ст.от клон 5 11,054 5,520 7,103 10,900 6,153 6,498 8,415 6,527 5,680 7,366 7,810 9,445 5,055 6,184 7,235 8,106 5,461 7,056 8,074 12,140 7,548 1,897 6 0,090 0,181 0,141 0,092 0,163 0,154 0,119 0,153 0,176 0,136 0,128 0,106 0,198 0,162 0,138 0,123 0,183 0,142 0,124 0,082 7 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 сред0,141 нее ст.от 0,033 клон 8 10,202 9,006 5,364 5,551 6,613 7,435 6,251 6,972 6,544 8,859 5,311 11,271 7,154 9,172 6,105 5,329 9,713 5,292 8,342 6,573 7,365 1,927 9 0,098 0,111 0,186 0,180 0,151 0,134 0,160 0,143 0,153 0,113 0,188 0,089 0,140 0,109 0,164 0,188 0,103 0,189 0,120 0,152 10 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 сред 0,144 нее ст.от 0,034 клон 11 7,023 7,694 6,249 12,454 9,292 9,369 11,096 9,138 8,213 10,698 7,130 11,296 5,360 6,102 5,927 6,628 9,777 8,124 8,343 8,115 12 0,142 0,130 0,160 0,080 0,108 0,107 0,090 0,109 0,122 0,093 0,140 0,089 0,187 0,164 0,169 0,151 0,102 0,123 0,120 0,123 7,702 0,138 1,942 0,032 Таблица В.2 - Результаты полевых экспериментальных исследований по определению коэффициента гидравлической шероховатости на территории МОС «Дружба» № п/п 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Первый ряд 2 0,192 0,170 0,179 0,273 0,201 0,207 0,357 0,132 0,264 0,389 0,162 0,279 0,323 0,419 0,264 0,342 Второй ряд 3 0,374 0,174 0,171 0,309 0,395 0,286 0,308 0,408 0,352 0,409 0,319 0,209 0,243 0,180 0,298 0,373 Третий ряд 4 0,279 0,209 0,255 0,267 0,216 0,250 0,196 0,345 0,223 0,153 0,288 0,266 0,287 0,146 0,218 0,300 Четвертый ряд 5 0,422 0,293 0,356 0,410 0,328 0,458 0,265 0,401 0,364 0,210 0,358 0,443 0,394 0,330 0,244 0,206 324 Продолжение таблицы В.2 1 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 2 0,231 0,317 0,300 0,414 0,401 0,184 0,337 0,134 0,185 0,420 0,169 0,341 0,247 0,394 0,168 0,304 0,152 0,318 0,337 0,418 0,166 0,229 0,184 0,176 0,406 0,155 0,341 0,367 0,141 0,341 0,165 0,330 0,151 0,254 0,397 0,344 0,305 0,297 0,228 0,398 0,359 0,404 0,228 0,186 0,160 0,148 0,183 3 0,304 0,195 0,235 0,263 0,178 0,316 0,219 0,373 0,336 0,291 0,311 0,240 0,276 0,330 0,327 0,379 0,384 0,196 0,386 0,169 0,174 0,374 0,361 0,331 0,222 0,386 0,270 0,341 0,264 0,373 0,398 0,271 0,381 0,299 0,277 0,204 0,289 0,231 0,212 0,343 0,173 0,396 0,336 0,400 0,331 0,227 0,171 4 0,170 0,247 0,247 0,278 0,149 0,242 0,297 0,227 0,246 0,346 0,311 0,335 0,332 0,273 0,270 0,232 0,148 0,185 0,248 0,190 0,216 0,328 0,256 0,240 0,324 0,252 0,301 0,290 0,346 0,302 0,275 0,190 0,201 0,167 0,214 0,356 0,312 0,262 0,177 0,326 0,138 0,353 0,236 0,261 0,193 0,229 0,301 5 0,299 0,472 0,340 0,222 0,185 0,398 0,394 0,303 0,392 0,375 0,339 0,291 0,445 0,336 0,344 0,245 0,272 0,319 0,316 0,262 0,267 0,401 0,184 0,339 0,219 0,277 0,378 0,463 0,347 0,444 0,237 0,327 0,383 0,472 0,447 0,295 0,213 0,382 0,258 0,305 0,199 0,275 0,357 0,418 0,260 0,442 0,277 325 Продолжение таблицы В.2 1 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 среднее ст.отклон 2 0,143 0,188 0,375 0,311 0,249 0,402 0,185 0,417 0,388 0,399 0,415 0,199 0,246 0,187 0,257 0,362 0,281 0,188 0,202 0,130 0,382 0,270 0,329 0,399 0,207 0,315 0,346 0,178 0,216 0,351 0,210 0,236 0,313 0,306 0,231 0,200 0,206 0,272 0,089 3 0,286 0,388 0,244 0,209 0,290 0,251 0,191 0,168 0,261 0,221 0,340 0,169 0,165 0,358 0,165 0,354 0,230 0,296 0,359 0,314 0,179 0,380 0,183 0,289 0,307 0,256 0,383 0,227 0,268 0,332 0,228 0,197 0,335 0,392 0,405 0,307 0,239 0,138 0,076 4 0,278 0,354 0,157 0,200 0,214 0,228 0,142 0,346 0,159 0,141 0,319 0,348 0,251 0,350 0,185 0,226 0,147 0,178 0,303 0,326 0,217 0,303 0,334 0,195 0,310 0,343 0,183 0,310 0,316 0,321 0,147 0,205 0,321 0,253 0,223 0,134 0,298 0,138 0,065 5 0,298 0,304 0,330 0,359 0,465 0,227 0,356 0,287 0,246 0,385 0,327 0,263 0,277 0,260 0,346 0,192 0,372 0,402 0,260 0,245 0,256 0,305 0,391 0,434 0,328 0,295 0,363 0,245 0,197 0,392 0,443 0,240 0,469 0,427 0,299 0,319 0,228 0,138 0,079 326 Продолжение приложения В Таблица В.3 - Прогноз смыва почвы с мелиорируемых земель на территории МОС «Дружба» (кг/с) № п/п 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 Первый ряд 2 0 0 0 0 0 0,007544038 0 0 0,002074742 0,012572241 0 0 0 0,009319213 0 0,017218256 0,006103422 0 0 0,006167459 0 0,004395908 0 0,013569275 0,005146918 0 0 0,002141308 0,008333168 0,003833877 0,005056861 0 0,001050341 0,002388294 0,009724504 0,003010553 0,000173247 0 0,020298989 Второй ряд 3 0 0 0 0 0 0,006503897 0 0 0,003606685 0,008560706 0 0 0 0,010683928 0 0,011636863 0,005421309 0 0 0,005244956 0 0,003220702 0 0,009710699 0,0016232 0 0,000458048 0,001989175 0,00601471 0,004796057 0,007581953 0 0,003333734 0,004740303 0,01999366 0,001264454 0,0002191 0 0,011559692 Третий ряд 4 0 0 0 0 0 0,003469229 0 0 0,005107519 0,01493794 0 0 0 0,008778129 0 0,015068802 0,004786151 0 0 0,003180933 0 0,004861746 0 0,016035512 0,002772674 0 0 0,002254647 0,006194309 0,002962104 0,009148216 0 0,003339397 0,001439395 0,010197509 0,000683393 0,001321206 0 0,011699333 Четвертый ряд 5 0 0 0 0 0 0,007544038 0 0 0,002074742 0,012572241 0 0 0 0,009319213 0 0,017218256 0,006103422 0 0 0,006167459 0 0,004395908 0 0,013569275 0,005146918 0 0 0,002141308 0,008333168 0,003833877 0,005056861 0 0,001050341 0,002388294 0,009724504 0,003010553 0,000173247 0 0,020298989 327 Продолжение таблицы В.3 1 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 2 0,001872601 0,008924034 0,005642795 0 0,001299143 0,002294856 0,001548435 0,006780077 0 0,012956722 0,002305756 0 0,000810679 0,005461846 0,005608135 0,001668955 0,003451637 0,001714007 0,001005441 0,001435506 0,021929384 0,002064374 0 0 0,013026168 0,001829047 0,008948952 0,003921967 0,000155667 0,00154877 0,00464034 0,001027959 0,00737581 9,5442E-05 0,010143943 0,002415756 0 0,000966055 0,00520272 0,008040698 0,002414758 0,005071283 0 0,001145172 0,006329849 3 0,002425349 0,015010096 0,007961908 0 0,000997553 0,006239958 0,000617872 0,003741858 0,001654598 0,008729673 0,001691808 0 0,000293538 0,00176883 0,008343438 0,003710066 0,006116584 0,000650265 0,002912958 0,003554641 0,010029252 0,001021765 0,000101936 0 0,014200343 0,001481803 0,014832124 0,005997882 0,000598932 0,00060146 0,0018295 0,003307456 0,006939582 0,000400194 0,008749032 0,002651822 0 0,002611243 0,003112567 0,006879615 0,003611943 0,00909987 0 0,0015732 0,005292713 4 0,001607306 0,009410209 0,005118961 0 0,000768137 0,002405551 0,001121272 0,006609152 0 0,01266819 0,001885067 0 0,000176566 0,002259555 0,003541889 0,002187626 0,003298389 0,000804596 0,002561462 0,001967265 0,008742019 0,000685495 0 0 0,010707633 0,001422747 0,016652774 0,006122355 0,002657986 0,001633296 0,003757216 0,00186193 0,006519037 0,000254153 0,023024217 0,002094957 0 0,001683477 0,001552772 0,009112317 0,00169657 0,008244059 0 0,000703934 0,001727205 5 0,001872601 0,008924034 0,005642795 00 0,001299143 0,002294856 0,001548435 0,006780077 0 0,012956722 0,002305756 0 0,000810679 0,005461846 0,005608135 0,001668955 0,003451637 0,001714007 0,001005441 0,001435506 0,021929384 0,002064374 0 0 0,013026168 0,001829047 0,008948952 0,003921967 0,000155667 0,00154877 0,00464034 0,001027959 0,00737581 9,5442E-05 0,010143943 0,002415756 0 0,000966055 0,00520272 0,008040698 0,002414758 0,005071283 0 0,001145172 0,006329849 328 Продолжение таблицы В.3 1 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 среднее 2 0,01666868 0,00270751 0 0 0,014500987 0,005158859 0,012344174 0,00934033 0 0,001072376 0,0019761 0,001337019 0,007819474 0 0,01476725 0,003435116 0,0044 3 0,010394469 0,001269715 0,000819373 0 0,009434649 0,002938079 0,013702749 0,007491143 0 0,00111069 0,002847458 0,002074093 0,003502332 0,000366539 0,014228451 0,006118757 0,0040 4 0,011310113 0,001739925 0 0 0,011166394 0,003930216 0,008708929 0,009318897 0 0,002603738 0,002094197 0,000685577 0,007750475 0 0,014755859 0,002408364 0,0041 5 0,01666868 0,00270751 0 0 0,014500987 0,005158859 0,012344174 0,00934033 0 0,001072376 0,0019761 0,001337019 0,007819474 0 0,01476725 0,003435116 0,0044 329 Продолжение приложения В 330 Приложение С (справочное) Документы о внедрении результатов выполненных научных исследований 331 Продолжение приложения С 332 Продолжение приложения С 333 Продолжение приложения С 334 Продолжение приложения С 335 Продолжение приложения С 336 337 Продолжение приложения С 338 339 Продолжение приложения С 340 Продолжение приложения С 341 Продолжение приложения С 342 343 Приложение D (справочное) Документы, подтверждающие степень достоверности и апробации результатов исследований 344 Продолжение приложения D 345 Продолжение приложения D