Тема 1. «Природа і закономірності ерозійних процесів на території україни»

1. Ерозія грунтів як «тінь» світового землеробства

Стан земельних ресурсів України викликає все більше занепокоєння у зв’язку із прискореним паданням родючості грунтів: зменшується вміст і погіршується якість грунту, підсилюються процеси ерозії, вторинного засолення і осолонцювання, розростаються ареали техногенно забруднених і порушених грунтів. Ці та інші деструктивні процеси руйнують не тільки грунтовий покрив, а й всю ландшафтну сферу України. Йде прискорене перетворення нашої квітучої землі в бедленди. Причина полягає у відсутності екологічного імперативу в діяльності людини як у повсякденному житті, так і у виробництві. А якщо і робились якісь спроби щодо охорони довкілля, то це були (і є) несистемні дії так званої «боротьби» окремо з кожним із деградаційних процесів без необхідного урахування усіх складових процесів і явищ, що відбуваються в ландшафтах. Видатний мислитель сучасності Д.С. Ліхачев (1984) писав, що взаємовідносини людини і природи - це відносини двох культур, кожна з яких «соціальна» і має свої «правила поведінки». У зв’язку з цим, суспільство при використанні ландшафтів безумовно зобов’язане глибоко знати і поважати ті «моральні» засади, які визначають їх стабільність і здатність до самореалізації.

Світовий форум з питань стану і розвитку довкілля (Ріо-де-Жанейро, 1992) узагальнив дані щодо розвитку деградаційних процесів грунтового покриву Землі: повне руйнування грунтів - 1%; катастрофічний стан грунту - 15%; кризовий стан грунту - 46%; початок прояву процесу деградації грунтів -38%.

Тобто весь грунтовий покрив Землі людством використовується безталанно. При цьому, найбільшу "вагу" серед процесів деградації мають процеси водної і вітрової ерозії: 36 і 28% відповідно. Це означає, що екологічно сталий агроландшафт насамперед повинен бути протиерозійно упорядкований.

В природних ландшафтах (навіть у пустелях) ніколи не буває повної одноманітності, що пов`язане з усілякими елементами рельєфу, строкатістю грунтового покриву і рослинності, яка, в свою чергу, істотно впливає на мікроклімат, що визначає спрямованість грунтоутворювального процесу. Тобто, природний ландшафт - це яскравий приклад самодостатньої і саморегулюючої відкритої термодинамічної системи з прямими і зворотними зв`язками між елементами, сталість, спрямованість і швидкість розвитку якої детермінуються надходженням сонячної енергії і умовами зволоження. При сільськогосподарському освоєнні грубо ігноруються ця системність та закономірності розвитку ландшафтів. В Україні розорані величезні поля ("до обрію") і висівається на них один вид і навіть один сорт. Що до цього питання В.А. Ковда (1981) писав, що врожай на полях в десяток-сотню гектарів, при інших рівноцінних умовах, у більшості випадків вищий, ніж на полях в сотні і тисячі гектарів. Причина полягає у порушенні принципу гетерогенності екосистеми, що веде до дестабілізації ландшафтів, падінню продуктивності сільськогосподарського виробництва.

На протязі всієї історії людина не стільки прилаштовувалася до ландшафту, скільки своєю працею намагалася приладнати ландшафт до своїх потреб. Тобто за Л.Н. Гумільовим, до нашого часу ставлення людини до природи було хижацьким. Тому "наскоки" людини на довкілля назвати "прогресом" неможна. Для створення і підтримки грунтоохоронного екологічно збалансованого агроландшафту (АЛ) необхідна його здатність до "сверхнапруження", додаткової витрати енергії. Як правило, після зробленого зусилля починається інерційний процес, воно ніби “гасне” з часом, що може привести до повного руйнування АЛ. Тому не може бути ніяких сумнівів, що говорити про його стабільність можна лише у випадках, коли постійно у зростаючих об`ємах витрачається додаткова енергія. Авторегуляція АЛ можлива лише на окремих, досить невеликих відрізках часу. Таким чином, теза про високу його продуктивність теж повинна базуватися на постійному моніторингу за розвитком, надходженням додаткової енергії, інтенсифікацією біологічного кругообігу речовин і енергії, тобто за спрямованим впливом на АЛ.

Це все переконливо свідчить, що АЛ не є тільки протиерозійною системою, яка створюється для пригнічення ерозійних процесів, а являє собою глобальний стратегічний системний напрям, який спроможний поєднати в собі знання й управління всіма складовими елементами ландшафтної сфери життєзабезпечення людства.

АЛ - це інженерна споруда (конструкція), яка повинна проектуватися і будуватися переважно інженерними методами на розрахунковій кількісній основі, що потребує наявності відповідних математичних всіляко веріфікованих моделей тих процесів, які визначають стабільність і продуктивність земель. "Нульовим" циклом конструкції АЛ є система протиерозійного захисту. В умовах прояву ерозійних процесів не може бути ніякої мови про припинення інших деградаційних процесів грунтів, забезпечення стабільності довкілля. Саме проблемі протиерозійного упорядкування сучасних агроландшафтів, як передумови формування екологічно сталих агроландшафтів, присвячений цей курс.

2. Класифікація ерозійних процесів

Систематизоване вчення про ерозію на початку 20-го століття почалося з досліджень щодо класифікації ерозійних процесів. В літературі зустрічається досить значна низка термінів, що визначають види ерозії. Але і сьогодні немає єдиної думки відносно показників, за якими слід класифікувати ерозію.

Необхідною умовою виникнення водної ерозії грунту є стік поверхневих вод або поверхневий стік. Розрізняють три види поверхневого стоку: дощовий, повеневий при сніготаненні і поливних вод. Їм відповідають три види ерозії: 1) дощова ерозія (або зливова); 2) ерозія при сніготаненні; 3) іригаційна ерозія. Означені види ерозії розрізняють не тільки за вихідними параметрами стоку, а і за механізмом ерозійного процесу, а також за розміром збитків, що завдаються ерозійними процесами (Кузнецов, Глазунов, 1996).

Ерозія при сніготаненні відрізняється меншою інтенсивність, але більшим терміном проявлення, ніж дощова ерозія. Схематично: в зоні Полісся робота (об’єм) ерозії від повеневих вод при сніготаненні вище за дощову ерозію, у Лісостепу – на рівні, у Північному Степу – нижча у 2-3 рази, на півдні України – добігає до нуля. Час проходження ерозійної події при сніготаненні вимірюється у добах, годинах; при дощових опадах – хвилинами, секундами. Тобто потужність (інтенсивність) ерозійного процесу при зливах перевищує при сніготаненні на 2 порядки (у 100 і більше разів). Звідси принциповий висновок – якщо конструкція “витримує” вплив зливової ерозії, то при сніготаненні гарантовано ерозії не буде. У наступних главах цей висновок покладений в основу інженерного формування надійного протиерозійного захисту.

За морфологічними ознаками ерозійних форм розрізняють:

2) поверхневу ерозію, або змив грунту; 2) лінійну ерозію, або розмив грунту. Кожний з вище перелічених видів ерозії може проявлятися у вигляді змиву або розмиву грунту, але у більшості випадків – і змиву і розмиву, що визначається місцезнаходженням вивчаємої ділянки на схилі.

Поверхнева ерозія, або змив, розподіляється на площинну і струмкову, що є досить умовним. Вважається, що площинна ерозія викликається суцільною пеленою стоку. Практично таке явище мало імовірне і змив грунту відбудеться переважно струминними потоками. Межа переходу поверхневої ерозії в лінійну також досить умовна: вважається, якщо сліди ерозії у полі зникають після агротехнічного обробітку, то це – поверхнева ерозія, якщо ні – лінійна.

Необхідною умовою вітрової ерозії грунтів є вітер, швидкість якого достатня для переміщення часток грунту. За такими зовнішніми показниками, як інтенсивність, тривалість і масштаб явища, розрізняють повсякденну вітрову ерозію і пилові бури. Відмінність ця досить умовна. Тут слід ще відмітити так звану технологічну вітрову ерозію, або технологічне видування грунт при безпосередньому проведенні агротехнічних операцій, яку можна вважати як підвид повсякденної вітрової ерозії. При значних швидкостях вітру, які значно перевищують критичну для грунтів, істотно збільшується висота підйому грунтових часток у повітря, яка може сягати навіть стратосфери. Це пилові бури – дуже небезпечне явище, масштаби якого неодноразово перетворювалися у стихійне лихо. Саме пилові були 30-х років 20-го століття обумовили створення Служби охорони грунтів США.

Кількісно процес ерозії грунтів характеризується інтенсивністю змиву (або видування) у т/га за певний термін, який у більшості випадків дорівнює року. Небезпеку ерозії можна виражати через співвідношення інтенсивності ерозійних втрат до швидкості грунтоутворення. Якщо це співвідношення дорівнює одиниці і менше, ерозія відсутня (називають її ще нормальною, але далі буде показано, що “нормальної” ерозії не буває); більше одиниці – має місце прискорена ерозія.

Сучасна ерозія грунтів є, безперечно, результатом людської діяльності, тому її називають антропогенною ерозією.

3. Фізичні основи ерозії грунтів

Основні гідравлічні характеристики потоку

Поперечний переріз потоку, який є перпендикулярним до лінії току, має назву живого перерізу потоку (w) і визначається у см² або м². Довжина лінії контакту живого перерізу з річищем потоку зветься периметром зволоженості (P) і вимірюється у м або см. Відношення площі живого перерізу до периметра зволоженості має назву гідравлічного радіусу (R), який має розмірність довжини.

R=w/P

Для широких річищ периметр зволоженості істотно не відрізняється від ширини потоку і тому можна вважати, що гідравлічний радіус приблизно дорівнює глибині потоку. Для прямокутного річища можна записати:

R=(b*H))/(B'+2H)

де:     b – ширина річища, м

         Н – глибина потоку, м

За умови, коли b>>Н, R»H.

Об’єм води, що протікає скрізь поперечний переріз потоку за одиницю часу, зветься розходом потоку (Q), який вимірюється у м³/с чи л/с. Довжина шляху, який проходить вода за одиницю часу, зветься швидкістю потоку (u)і вимірюється у м/с або см/с.

Режими течії

Ламінарний режим характеризується паралельноцівковим рухом без створення вихорів. Турбулентний режим – хаотичний безпосередній рух, коли цівки постійно відхиляються і перетинаються одна з одною. Швидкість у турбулентному потоці безперервно пульсує, змінюючись як за величиною так і за напрямком. При цьому, напрям руху всього потоку залишається незмінним.

Турбулентність потоку має значний вплив на розвиток ерозійних процесів. Грунтові частки відриваються від поверхні під впливом цівок води з високими миттєвими значеннями швидкостей, які відповідають максимальним пульсаціям швидкості потоку. До того ж, під впливом пульсаційного навантаження з боку потоку на грунтові частки відбувається повільне ослаблення внутрішньо- і міжагрегатного зчеплення, що веде до зменшення протиерозійної стійкості грунту або підгрунтя. Пульсацію швидкості у турбулентних потоках ураховують відповідним коефіцієнтом в рівнянні, за яким визначається критична (розмиваюча) швидкість, про що нижче буде йти мова. Крім того, підвищення турбулентності збільшує трансформуючу властивість потоку води.

В природних умовах ламінарні потоки зустрічаються лише на добре задернованих схилах, де вода тече рівним шаром з малою глибиною при невеликих швидкостях, а також на початку сніготанення, коли вода відчуває опір снігу, фільтраційні потоки також характеризуються ламінарним режимом, що обумовлюється малим діаметром шпарин і низькими швидкостями. Турбулентний рух відбувається у водах, з якими і пов’язані процеси водної ерозії.

Коефіцієнт шорсткості поверхні

Величина коефіцієнту шорсткості визначається розмірами виступів на дні і стінках річища, формою річища у плані, наявністю в ньому рослинності і інших витоків місцевих опорів.

Для прямих річищ без рослин і сміття коефіцієнт шорсткості (n_п) обумовлюється розміром виступів:

n_п=0,044×D^1/6, D - висота виступів шорсткості, м.

Коефіцієнт шорсткості відбиває шорсткість, яка створюється рівнозернистими і різнозернистими грунтами, що формують ложе річища. Для потоків на схилах актуальним є питання про додаткові так звані “місцеві” опори. В природних умовах витоки місцевого опору у більшості випадків розташовані на річищі безсистемно. До них належать масивні виступи, донні гребені і сільськогосподарські рослини. Саме рослини є основним витоком місцевого опору і чинником збільшення коефіцієнта шорсткості.

При малих швидкостях потоку коефіцієнт шорсткості, окрім виступів, визначається ще й швидкістю потоку: n_п=0,05×D^0,017+0,0652e^-10,65V , де e – основа натурального логарифму, V – середня швидкість потоку, м/с.

Для річищ потоків, які рухаються по поверхні грунту, шорсткість обумовлена розміром водотривких агрегатів грунту () . При цьому: D=0,7, де  - середньозважений діаметр водотривких агрегатів, що визначається методом “мокрого” просіювання.

Поняття – вододільна лінія, водозбірна площа, басейн

Вододільною лінією (або водорозділом) називається лінія, яка проходить за найвищими токами місцевості. Від водорозділу поверхневі води стікають у різні боки. Площа, обмежена вододільною лінією, має назву водозбірної площі, або водозбору. Підгрунтові води, як і поверхневі, збираються у конкретний водний об’єкт з певної площі, яка називається водозбіром підгрунтових вод. Він також обмежений вододільною лінією, яка проходить за найвищими точками водонепроникливого шару підгрунтя, але визначити її в реальних умовах досить клопітке завдання. Тому в гідрології є поняття басейн, під яким розуміють площу, з якої надходять поверхневі і підгрунтові води. Ця площа дорівнює площі водозбору поверхневих вод. При цьому розбіжності між водозборами поверхневих і підгрунтових вод ігноруються.

Таким чином, щоб визначити на топографічній карті водозбір певного порядку, необхідно провести лінію від замикаючого створу елементу гідромережі перпендикулярно до горизонталей до другого боку цього створу. Очевидно, що площа водозбору залежить від положення цього створу. Чим ближче він розташований до верхів’я яру чи балки, тим менша його площа.

Елементи балансу води для басейну

Рівняння водного балансу для басейну за певний термін можна записати так: x=y+a+b, де x – об’єм атмосферних опадів; y – об’єм поверхневого стоку; a – об’єм води, що витрачається на випаровування і транспірацію; b – об’єм води, що надходить у грунт і підгрунтові води.

Для багаторічного терміну b добігає нуля і тоді: x»y+a

Після ділення на x одержуємо: 1≈a/x+y/x

Відношення об’єму поверхневого стоку до об’єму опадів (річної чи конкретної дії) називається коефіцієнтом стоку (a)

a=y/x

При незмінній кількості опадів коефіцієнт стоку обумовлюється водопроникливістю грунтів і підгрунтя, яка залежить від гранулометричного складу., агрегованості, вмісту гумусу, складу обмінних катіонів тощо.

Коефіцієнт стоку також залежить від ухилу схилів. Чим він вищий, тим більше швидкість руху води по поверхні і, відповідно, менше час взаємодії грунту з водою, що надійшла на його поверхню. Тому збільшення ухилу схилів збільшує коефіцієнт стоку.

Мінливість стоку

Для проектування протиерозійного захисту, що має розраховуватися на максимальний стік, який може проявитися один раз за певну кількість років, недостатньо знати тільки середні показники стоку. Необхідно використовувати поняття забезпеченості чи імовірності перебільшення.

Забезпеченість стоку – частота проявлення стоку розрахованої величини за певний термін, яку визначають у відсотках. Якщо стік буває не менше певної величини один раз за 10 років, то забезпеченість дорівнює 10%, 5 разів за 100 років – 5%. Але це вірно для сніготанення. Для злив (маються на увазі поодинокі зливи) замість років береться кількість злив, яких за рік може випадати декілька.

Для розрахунку забезпеченості низка спостережень розміщується у порядку зменшення і далі використовується формула:

P=m/n*100%, де Р – забезпеченість, %; m – порядковий номер числа у ряду, що зменшується; n – загальне число членів ряду.

Тобто, забезпеченість останнього члена (найменшого) ряду дорівнює 100%. Але при подовженні спостережень може виявитися ще менше значення, тому імовірність 100% не реальна, тому:

P=m/(n+1)*100%

При проектуванні гідротехнічних протиерозійних споруд розрахунки ведуться на забезпеченість 5-10%, лісомеліоративні і агротехнічні заходи – 10-25%.

Фізичний сенс критичних швидкостей водного потоку

На дні розташована частка, яка має середній діаметр d. На передню грань частки сила потоку впливає позитивно, а тильну – негативно через створення за часткою зони вихорів і циркуляцій. Сума цих сил називається лобовою силою (Р_л), яка намагається перевернути частку через точку опори.

Крім того, на частку діє підйомна сила Р_п і архімедова сила Р_g.

При досягненні деякої швидкості, коли частка переходить у стан несталої рівноваги, сума моментів лобової і підйомної сили дорівнює моменту сили, що утримує частку на місці. Найбільша швидкість потоку, при якій ще не відбувається переміщення частки, називається нерозмиваючою або нездвигаючою швидкістю V_н:

V=B*√(g*(p-p₀)d/p₀), де B – емпіричний коефіцієнт; r - щільність частки; r₀ – щільність рідини.

Слід відмітити, що поняття “нерозмиваюча швидкість” не має фізичного сенсу щодо реальних грунтів.

В найбільшій мірі цій вимозі (фізичний сенс) відповідає так звана розмиваюча швидкість потоку (V_р), під якою розуміється така найменша швидкість, при якій наступає безперервний відрив грунтових часток, що веде до початку ерозії грунту. На такому визначенні базується візуальний метод находження розмиваючої швидкості потоку для пов’язаних і достатньо сильно зв’язаних грунтів. Дійсно, при збільшенні швидкості потоку спостерігається така поведінка часток на дні, за якою можна визначити мінімальну швидкість, за якої наступає стале переміщення часток потоку. Можна вважати, що: V_р=1.41V_н.

4. Контрольні питання для самоперевірки

1. Назвіть основні причини поширення ерозійних процесів у світі і в Україні.

2. Чому протиерозійне упорядкування території є основною передумовою формування екологічно сталих агроландшафтів?

3. Дайте характеристику видів ерозії грунтів за морфологічними ознаками.

4. З яким режимом течії (водних потоків) пов’язані процеси водної ерозії?

5. На яку забезпеченість поверхневого стоку ведуться  розрахунки при проектуванні гідротехнічних протиерозійних споруд, лісомеліоративних та  агротехнічних заходів?

5. Список рекомендованої літератури

1. Закон України від 16.02.2017 "Про державний контроль за використанням та охороною земель" [Електронний ресурс] Режим доступу до ресурсу http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/963-15
2. Закон України "Про охорону земель" від 27.06.2015 [Електронний ресурс] Режим доступу до ресурсу http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/962-15?test=qY4Mfbtc78fVbabUZizauODBHI4V2s80msh8Ie6
3. Закономірності поширення еродованих грунтів на території України [Електронний ресурс] Режим доступу до ресурсу https://studfiles.net/preview/5342226/page:37/
4. Булигін С.Ю. Формування екологічно сталих агроландшафтів. Підручник.- К.:Урожай, 2005.- 300 с. 3.
5. Булыгин С.Ю., Неаринг М.А. Формирование экологически сбалансированных агроландшафтов: проблема эрозии. – Харьков:Эней,1999.-272с.