Лекції 5-6. Фактори водної ерозії

Ґрунт - це той об`єкт, який саме і піддається руйнуванню ерозійними процесами. Тому його властивості і стан в більшості випадків є домінантою серед факторів ерозії. Розбіжності між прогнозуючими (розрахунковими) і фактично визначеними даними ерозійних втрат ґрунту визначаються не стільки недостатнім урахуванням гідромеханічних факторів (які всебічно вивчаються протягом багатьох десятиріч), а скільки тим, що дотепер  недостатньо враховувалися характеристики ґрунту і підґрунтя, які визначають ерозійну стійкість. Тому надзвичайно важливо одержати залежності показників, які визначають її параметри.

Стійкість або, навпаки, піддатливість ґрунту до впливу активних агентів ерозії (дощовим краплинам, водним потокам) - складна комплексна характеристика ґрунту. Це знайшло відображення як в тлумаченні цієї ґрунтової характеристики, так і в методах щодо її визначення. В англомовній літературі усталився термін "змиваємість ґрунту", який вперше запропонований Х.Е.Мідлтоком (Midlton, 1930), що еквівалентно нашому "ерозійність". У поширеній формі у наш час (erodibility) він вперше наводиться у роботі Х.Л.Кука (Cook, 1936). У вітчизняній літературі більш поширений термін "протиерозійна стійкість ґрунту", який вперше запропонований С.С.Соболєвим і С.І.Пономарьовою (1945). Дещо пізніше В.Б.Гуссак (1950) запропонував термін "еродуємість", котрий за смислом протилежний першому.

У ці поняття вкладено дуже різний зміст, починаючи від деяких суто ґрунтових характеристик (гранулометричний склад, агрегатність, вміст органічної речовини, склад ґрунтового поглинального комплексу, співвідношення окислів кремнію до полуторних окислів, співвідношення коефіцієнту дисперсності до гранулометричного показника структурності, водотривкість агрегатів ґрунту, гідрофільність тощо) до інтенсивності змиву чи розмиву ґрунту в певних стандартних умовах.

Показники, що характеризують ерозійну стійкість, можна поділити на чотири види: 1)- критична розмиваюча швидкість; 2)- швидкість розмиву ґрунту чи підґрунтя цівкою води в стандартних умовах; 3)- кількість змитого ґрунту, який відноситься до ерозійного потенціалу опадів чи об`єму (шару) стоку; 4)- відносна характеристика, яка дорівнює співвідношенню перерахованих вище показників до аналогічних показників ґрунту, які прийняті за еталон.

Ерозійна стійкість в Універсальному рівнянні ерозії кількісно характеризується так званим фактором К, який відображує той факт, що за інших рівних умов ерозія різних ґрунтів має різну інтенсивність. Безпосереднє вимірювання фактора К потребує значної витрати праці й коштів, складного обладнання. Тому автори Універсального рівняння ерозії розробили цілу низку рівнянь множеної регресії, які застосовуються для широкого спектру ґрунтів і перетворюються у номограми. З моменту одержання цих номограм західні ерозіознавці (і не тільки західні) і дотепер ведуть інтенсивні дослідження з їх уточнення та вдосконалення. Тобто, в принципі, процес удосконалення емпіричних залежностей (Універсальне рівняння ерозії - яскравий приклад) - нескінченний. Для виконання різних доповнень Універсального рівняння ерозії витрачаються величезні наукові сили. Тільки в США (і тільки на стадії розробки структури рівняння) для цього використані результати спостережень на стокових майданчиках об`ємом більше за 10000 майданчико-років.

У той же час були отримані результати досліджень на експериментально-теоретичному рівні з меншими витратами коштів і часу  порівняно з розробкою емпіричної моделі. В літературних джерелах широко представлені методики кількісного визначення показника еродуємості ґрунту, що опрацьовані вченими колишнього СРСР, які за своєю суттю близькі до методології Універсального рівняння. Як приклад, можна назвати роботи Г.І.Швебса (1974, 1981) і А.Б. Лавровського (1985, 1990), що відзначаються завершеністю й можливістю до практичного застосування на території України.

Ц.Є.Мірцхулава (1970, 1988) і М.С.Кузнєцов (1981) зробили досить повний огляд результатів досліджень багатьох авторів, що присвячені піддатливості (або, навпаки, опірності) ґрунту ерозії шляхом вимірювання деяких фізичних, хімічних і фізико-хімічних його властивостей.

Розпорошені ґрунти швидше піддаються змиву у порівнянні зі структурними. Сталі по відношенню до ерозії ґрунти морфологічно характеризуються слабо виразною диференціацією на генетичні горизонти і поступовим переходом одного горизонту у другий, структурністю (агрегатністю), доброю водопроникністю.

Для хімічного складу таких ґрунтів характерне збагачення їх органічною речовиною і полуторними окислами (). Водопроникність ґрунту є важливою характеристикою водно-фізичних властивостей ґрунтів. Вона може розглядатися як непрямий показник стану води по поверхні ґрунтів, і, відповідно, протиерозійної стійкості і змиву дрібнозему. Має місце тісний позитивний зв`язок між водотривкістю структурних агрегатів, вмістом гумусу і водопроникністю (Качинський, 1970; Назаров, 1981; Блек, 1973).

Аналіз показує, що склад і якість структурних агрегатів (перш за все водотривкість) і зв`язність їх один з одним - домінуючі агрофізичні параметри, що визначають ерозійну стійкість ґрунтів.

Методики визначення ерозійної стійкості можна поділити на:

1) Методики, що засновані на визначенні зміни стійкості ґрунту до розмиву цівкою води. Вперше запропонували цю методику В.В.Охотін і О.А.Смірнова (1931). Найбільш повно її розробив і запропонував до широкого використання Г.В.Бастраков, що досить ретельно викладено в його монографії. Протиерозійну стійкість ґрунту в даній точці він пропонує характеризувати безрозмірним критерієм, який дорівнює співвідношенню ерозійної стійкості, яка, в свою чергу, визначається співвідношенням потужності горизонтальної цівки води до швидкості розмиву циліндричного зразка, до добутку цілої низки коефіцієнтів, які враховують площу водозбору, шорсткість поверхні, ухил, водопроникність, максимально можливий стік в даній місцевості. Методика Г.В. Бастракова дозволяє оцінювати ерозійну стійкість ґрунту в одиницях системи СІ, що, безумовно, є значною перевагою.

2) Методики визначення ерозійної стійкості ґрунтів за допомогою штучного дощування (фізичного моделювання зливової ерозії). Ця методика використовувалась американськими дослідниками при визначенні фактору К Універсального рівняння, багатьма вітчизняними ерозіознавцями. Використовується вона і для визначення параметрів еродуємості моделі WEPP. До цієї групи надходять методики визначення кількісних параметрів ерозії у натурних умовах на стокових майданчиках. До того ж, дані, що одержані на стокових майданчиках, є опорними і повної заміни їм поки що немає (Сурмач, 1976; Швебс, 1981, Эрозия почв, 1984).

3) Умови змиву й розмиву, які наближаються до природних, дозволяють формувати спеціальні прилади - ерозійні лотки, в які розміщується ґрунт. Глибокі дослідження в лотках провели В.Б.Гуссак (1959), Ц.Є.Мірцхуліва (1967,1970) і М.С.Кузнєцов (1981). Останній наводить досить вичерпну історію питання і називає провідних дослідників ерозійної стійкості ґрунту методом розмиву його в лотках. Стійкість ґрунту до змиву характеризується величинами нерозмиваючої і розмиваючої (критичної) швидкостями водного потоку.

Концептуально інтенсивність змиву визначається співвідношенням фактичної швидкості руху води по поверхні схилу до розмиваючої швидкості. Чисельник співвідношення залежить від водопроникності і гідрологічної шорсткості діяльної поверхні. Знаменник визначається водотривкістю структурних агрегатів чи гранулометричних часток і їх зв’язністю.

Таким чином, ґрунт як фактор ерозії достатньо характеризується параметрами агрегатного складу й водопроникності - найважливішими агрофізичними властивостями ґрунтів (Булигін, 1990). Принципово важливо, щоб ці параметри ґрунтів, які визначають ерозійну стійкість, застосовували при математичних моделях ерозії, що використовують для оцінки небезпеки і прогнозу розвитку ерозії, безпосередньо без введення будь-яких непрямих залежностей. Цей основний критерій повинен бути провідним при оцінці працездатності й адекватності цих моделей, тому що властивості ґрунту - домінуючий фактор ерозії, що багатьма дослідниками ігнорується або не усвідомлюється.