ЭРОЗИЯ ГРУНТОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЕСТЕСТВЕННЫХ ДОЖДЕЙ

Слово «эрозия» происходит от латинского «erodere», что означает разрушать. Под эрозией грунтов понимается совокупность различных процессов отрыва, переноса, и отложения частиц грунта поверхностным стоком водных потоков и ветром. Водная эрозия происходит под действием стока дождевых, талых, поливных [14–17] и сбросных вод. Безусловно, этот вид разрушения грунтов особенно остро влияет на сельскохозяйственное производство [7]. Однако в строительном производстве роль эрозии и ее влияние не менее ощутимо, например, при разрушении фундаментов зданий в результате размыва грунтового основания [16]. Вопросам эрозии в литературе уделено большое внимание, в основном в работах естественнонаучной направленности. Большой вклад в классификацию эрозионных процессов внесли Г.И. Швебс [3] и Ц.Е. Мирцхулава [2]. Существует глубинная и плоскостная форма эрозии. Глубинная эрозия имеет различные виды, овражная эрозия ‒ одна из них, которая, например, рассмотрена, в работе Э.А. Гурбанова [4]. Сток поверхностных вод является необходимым условием возникновения водной эрозии почвы. Различают три вида поверхностного стока: дождевой сток, талый и сток поливной воды. Им соответствует 3 вида эрозии почв: дождевая (ливневая) эрозия, эрозия при снеготаянии и ирригационная эрозия. Этот вид эрозии относится к плоскостной форме [1]. В настоящей работе рассматривается дождевая или ливневая эрозия. Продолжительность процесса эрозии почвы при дождях может длится короткое время, но количество смытого почвогрунта может достигать десятков тонн за гектар [5]. Количество смываемого грунта зависит не только от водного потока, но и от параметров дождевых капель. Чем больше скорость и масса капли, тем больше ее кинетическая энергия и соответственно больше разрушения почвы. Большое количество работ, посвященных этому вопросу принадлежит А.Е. Касьянову [8], М.С. Зверькову [9–11], Ю.П. Сухановскому [12] и др. При ударе капли о почву происходи разрушение капли и небольшого объема почвы. Продукты разрушения разлетаются в стороны в виде брызг. Часть брызг уносится поверхностным стоком. Также, капли попадающие в поток турбулизируют его и повышают его размывающую способность. Именно поэтому в районах, подверженных этому виду эрозии строят противоэрозионные гидротехнические сооружения, облицовку которых выполняют из специальных материалов, который гасит кинетическую энергию потока [6].

Целью данного исследования является выявление расчетных зависимостей определения величины эрозии для численного моделирования эрозионных процессов в грунтовых гидротехнических сооружениях, а также выявление факторов, влияющих на интенсивность эрозионных процессов. Задача исследования заключалась в выявлении факторов, влияющих на интенсивность эрозионных процессов грунтов. Актуальность данного исследования обусловлена активизацией и развитием мелиоративного, гидротехнического, дорожного строительства, важность которых отражена указами Президента и Правительства Российской Федерации, а также закреплена рядом Федеральных целевых программ.

Суммарное количество осадков, их вид, продолжительность, интенсивность, а также время выпадения оказывают влияние на величину эрозионных процессов. Эрозия почвы во время дождя происходит при совместном воздействии потока воды и падающих капель. Дождевые капли несут огромную энергию, однако большая ее часть расходуется на уплотнение поверхности грунта и меньшая – на отрыв и перемещение частиц грунта. Разбрызгивание грунта может привести к перемещению частиц с верхней части склона на нижнюю, если уклон достаточно выражен. Отсюда следует, что основными азами эрозии являются: отделение частиц, транспортировка и их отложение. Основной причиной возникновения эрозии грунтов является дождь, а ее размеры зависят от сочетания двух факторов. Поэтому эрозия E является функцией эрозийного действия дождя R и эродируемости грунта G:

E = f (R, G).

Эрозийное действие дождя R – это потенциальная возможность дождя вызывать эрозию, являющаяся функцией физических характеристик дождя. Эродируемость грунта G – это подверженность почвы эрозии. Она определяется двумя группами факторов: первая – характеристики грунта (механический, химический, физический состав), вторая – характер поверхности грунта (уплотненный или рыхлый и др.). Дожди не однородны по размеру капель. Для приближенных расчетов среднего диаметра капель по известной интенсивности дождя можно пользоваться формулой (Мейсон, 1961):

                                                                (1)

где r – интенсивность дождя, мм/мин.

Для дождей с интенсивностью менее 1 мм/мин наблюдается четкая зависимость: чем больше интенсивность, тем больше диаметр капли. Для дождей интенсивностью 2…3 мм/мин эта зависимость становится обратной, но с дальнейшем увеличением интенсивности дождя отмечается рост диаметра капель [18]. Дождь, имеющий малую интенсивность, а соответственно и малый размер и скорость капель, обладает небольшой эрозией, но при это не создается поверхностный сток, перемещающий почву. Размеры капель определяют различными способами [8, 12, 19, 20]. Опыты показали, что эрозию вызывает дождь, имеющий интенсивность выше критического уровня [18]. Кинетическая энергия дождевой капли, определяющая размер причиняемых почве разрушений, зависит от массы капли и ее скорости. Скорость падения капли через некоторое время становится постоянной, а ее численное значение зависит от размера капли и состояния атмосферы [18]. Для практических целей можно пользоваться зависимостью, предложенной И.Т. Даскаловым:

,                                                        (2)

где  – скорость падения капли, м/с;  – диаметр капли, м; g–ускорение силы тяжести, м/ .

Кинетическая энергия капель сильно зависит от ветра. Исследования, проведенные В.В. Сластихиным (1990), показали, что кинетическая энергия капель со среднем диаметром 1 мм, падающих при ветре 4; 7 и 9 м/с больше в 1,9; 3,6; 5,9 раза чем при штиле. Используя зависимость Мейсона (1), построен график зависимости диаметра капель   от величины интенсивности дождя r (см. рисунок 1). Величины интенсивности дождя приняты на следующем уровне по ГОСТ Р 53613-2009 «Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Осадки и ветер»: моросящий дождь 0,010 мм/мин, легкий дождь 0,016 мм/мин, умеренный дождь 0,066 мм/мин, интенсивный дождь 0,250 мм/мин, сильный дождь 0,667 мм/мин, ливень 1,667 мм/мин. По зависимости И.Т. Даскалова (2) построен график зависимости скорости падения капель от их соответствующего диаметра (рисунок 2), полученного по зависимости Мейсона.

а                                                      б

Рисунок 1. Построенные расчетные и теоретические зависимости: а – диаметра капель от интенсивности дождя по формуле (1); б – скорости капель от их диаметра по формуле (2)

Заключение. По представленным зависимостям видно, что с увеличением интенсивности дождя диаметр капель увеличивается. А с увеличением диаметра капель скорость их падения возрастает. На следующем этапе будут проанализированы данные СП «Строительная климатология» по показателю интенсивности ливневых дождей на территории городского округа Коломны. Будет продолжен аналитический обзор библиографических источников по подбору расчетных зависимостей для определения величины эрозии и будет проведена классификация грунтовых гидротехнических сооружений.

Список литературы:

1. Зверьков М.С. Совершенствование способов мониторинга капельно-дождевой эрозии почв в условиях Нечерноземной зоны Российской Федерации. Автореферат диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: 2015. 24 с.
2. Мирцхулава Ц. Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. М.: Колос, 1970. – 239 с.
3. Железняков Г. В., Овчаров Е. Е. Инженерная гидрология и регулирование стока. М.: Колос, 1993. – 464 с.
4. Гурбанов Э.А., Вердиев С.Б., Газиева П.Ч. Интенсивность овражной эрозии в аридных условиях на третичном плато Азербайджанской республики // Экология и строительство. 2017. № 4. С. 8–15.
5. Гудзон Н. Охрана почвы и борьба с эрозией. М.: «Колос», 1974. 304 с.
6. Штеренлихт Д. В. Гидравлика: Учебник для вузов. М.: КолосС, 2004. – 656 с.
7. Мирзаев Б.С. Новые противоэрозионные влагосберегающие технологии и орудия для обработки почвы в условиях Узбекистана // Экология и строительство. 2017. № 4. С. 16–20.
8. Касьянов А.Е., Зверьков М.С. Оборудование для контроля эрозионной опасности дождя // Мелиорация и водное хозяйство. 2015. № 2. С. 13–16.
9. Зверьков М.С. Численные исследования удара капли о твердую поверхность // Природообустройство. 2015. № 2. С. 17-20.
10. Брыль С.В., Зверьков М.С. Теоретические подходы к расчету вертикального эффективного давления удара капель искусственного дождя о почву и твердую поверхность // Экология и строительство. 2016. № 1. С. 16-20.
11. Ольгаренко Г.В., Брыль С.В., Зверьков М.С. Касательные напряжения в почве при ударе о нее капли искусственного дождя // Экология и строительство. 2017. № 4. С. 27–36.
12. Сухановский Ю. П. Гидравлические исследования и расчет дождевой эрозии. Автореф. дис. … канд. т. наук. – М.: МГМИ, 1983. 21 с.
13. Aliev Z.G. Methods of closing field experience in the study of irrigation erosion on the slope land in Azerbaijan // Экология и строительство. 2017. № 3. С. 30–34.
14. Алиев З. Г., Мамедова Г. И. кызы, Хокуме Айхан. Научное обоснование рациональной технологии орошения для регионов горного земледелия в Азербайджанской Республике // Экология и строительство. 2016. № 1. С. 20–25.
15. Шахмалиева С. М. Требования к сельскохозяйственному производству и рациональному природопользованию в условиях Азербайджанской Республики // Экология и строительство. 2016. № 2. С. 28–32.
16. Матвеев П.С., Григорьева Г.Н., Игохина Е.О. Исправное состояние отмостки как залог нормальной эксплуатации здания // Экология и строительство. 2016. № 4. С. 15–20.
17. Алиев З. Г., Хокума Каримова. Оценка состояния водно- земельных ресурсов Азербайджана // Экология и строительство. 2016. № 3. С. 23–26.
18. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв. Издательство: МГУ, КолосС, 2004 г.
19. Зверьков М.С. Акустические маркеры крупности капель искусственного дождя // Природообустройство. 2014. № 5. С. 19-21.
20. Зверьков М.С., Касьянов А.Е. Устройство для измерения динамического действия дождя на почву: патент на полезную модель RUS 155056 05.03.2015.