Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет –

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Российский государственный аграрный университет –
МСХА имени К. А. Тимирязева»
УДК 631.6.02
На правах рукописи
Зверьков Михаил Сергеевич
Совершенствование способов мониторинга капельно-дождевой эрозии почв
в условиях Нечерноземной зоны Российской Федерации
Специальность 06.01.02 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Касьянов Александр Евгеньевич
Москва
2015
2
Оглавление
Введение .............................................................................................................. 4
Глава 1. Причины капельно-дождевой эрозии почв.
Обзор литературы .............................................................................................. 9
1.1. Понятие и классификация видов эрозии почв .................................. 9
1.2. Процесс формирования капельно-дождевой эрозии ...................... 11
1.3. Структура искусственного дождя
и ее влияние на капельно-дождевую эрозию ................................................ 18
1.4. Способы диагностики капельно-дождевой эрозии ......................... 29
1.5. Выводы по главе 1 ............................................................................ 34
Глава 2. Моделирование процесса капельно-дождевой эрозии ................ 37
2.1. Теоретическое обоснование формирования капельно-дождевой
эрозии .............................................................................................................. 37
2.2. Методика исследований ................................................................... 42
2.3. Физические и химические характеристики почв и грунтов ........... 45
2.4. Результаты исследований ................................................................ 48
2.5. Выводы по главе 2 ............................................................................ 57
Глава 3. Капельная эрозия почв и аппаратная база
для
ее определения .................................................................................................. 59
3.1. Обзор существующей аппаратной базы для определения величины
капельной эрозии ............................................................................................ 59
3.2. Методика определения массы разбрызганной почвы ..................... 60
3.3. Результаты опредления массы разбрызганной почвы .................... 61
3.4. Разработка конструкции приборов регистрации динамического
действия дождя на почву ................................................................................ 69
3.5. Методика лабораторных испытаний приборов ............................... 71
3
3.6. Результаты лабораторных исследований полезной модели ........... 76
3.7. Изучение силы удара капли с помощью полезной модели ............ 82
3.8. Изучение возможности определения диаметров капель с помощью
полезной модели ............................................................................................. 87
3.9. Влияние полиакриламида на разбрызгивание почвы ..................... 90
3.7. Выводы по главе 3 ............................................................................ 94
Глава 4. Капельно-дождевая эрозия орошаемого агроландшафта
Шацкого района Рязанской области ............................................................. 96
4.1. Природная характеристика орошаемого агроландшафта ............... 96
4.2. Методика исследований ................................................................... 96
4.3. Результаты исследований .............................................................. 101
4.4. Выводы по главе 4 .......................................................................... 104
Глава 5. Сравнительная эффективность затрат на определение
величины капельной эрозии ........................................................................ 106
5.1. Общие положения расчета эффективности ................................... 106
5.2. Выводы по главе 5 .......................................................................... 111
Заключение ..................................................................................................... 112
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации .............. 115
Приложения .................................................................................................... 117
Приложение 1 ................................................................................................. 117
Приложение 2 ................................................................................................. 123
Приложение 3 ................................................................................................. 124
Библиографический список ......................................................................... 126
4
Введение
Актуальность темы исследования. В Российской Федерации большая
часть сельскохозяйственных земель расположено в зонах недостаточного и
неустойчивого увлажнения. В этой связи получение стабильных высоких
урожаев сельскохозяйственных культур невозможно без обоснованного
управления такими режимами агроландшафтов, как водным, воздушным и
питательным.
Одним
из
инструментов
такого
управления
является
дождевание. Существующие способы расчета режима орошения позволяют
избежать появления поверхностного стока и не учитывают разрушающее
действие капель дождя на структурные агрегаты почвы. Уменьшение степени
капельной эрозии должно достигаться путем учета свойств конкретной
почвенной разности и структуры искусственного дождя. Такой подход в
целом позволит снизить разрушение структуры почвы и, как следствие,
уменьшит вынос питательных веществ за пределы контура увлажнения.
Диагностика процесса капельной эрозии является сложной задачей.
Однако своевременное выявления такого вида деградации может отсрочить и
предотвратить некоторые виды потери плодородия, связанные прежде всего
с разрушением структуры. Это особенно актуально при проектировании и
реконструкции
программе
мелиоративных
развития
сельского
систем.
Причем
хозяйства
и
в
Государственной
регулирования
рынков
сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020
годы запланированы мероприятия по реконструкции и строительству
мелиоративных
систем.
В
этой
программе
также
предусматривается
существенное повышение экологической составляющей мелиоративных
мероприятий
за
счет
использования
природоохранных
технологий
и
технических средств в мелиорации. Поэтому актуальным становится вопрос
разработки и исследований оперативных способов контроля показателей
эрозии.
5
Актуальность темы определяется высоким процентом техники полива
дождеванием и возможности возникновения капельно-дождевой эрозии.
Существующие методики и приборы несовершенны и требуют уточнений.
Степень ее разработанности. Изучение капельно-дождевой эрозии
можно отнести к сложным вопросам мелиорации. Учеными подробно
изучена классификацией эрозионных процессов. Но вместе с тем существуют
большие различия в выводах при изучении теоретических аспектов
капельной эрозии. Практические результаты достигнуты в разработке
безопасной дождевальной техники. К настоящему времени сложилась группа
методов, с помощью которых осуществляют мониторинг капельно-дождевой
эрозии. Большинство из этих способов значительно трудоемки и финансово
затратные. Существующие методики и приборы несовершенны и требуют
уточнений. Таким образом, настоящая диссертационная работа направлена
на выявление факторов, определяющих капельную эрозию
разработку
технических средств и технологии их применения для мониторинга
капельно-дождевой эрозии.
Цели и задачи. Совершенствование технологии и технических средств
мониторинга капельно-дождевой эрозии почв в условиях Нечерноземной
зоны Российской Федерации. Мониторинг должен своевременно выявлять и
оценивать величину факторов, которые определяют уровень опасности
возникновения эрозии и разрушающего действия капель искусственного
дождя на структурные агрегаты почв разного гранулометрического состава.
Для достижения поставленной цели автору необходимо было решить
следующие основные задачи:
1.
Выявить
факторы,
которые
определяют
уровень
опасности
возникновения эрозии и разрушающего действия капель искусственного
дождя на структурные агрегаты почв разного гранулометрического состава.
2. Оценить существующий способ определения величины капельнодождевой эрозии.
6
3. Разработать технические средства и технологии их применения для
диагностики капельно-дождевой эрозии.
4. Провести сравнительный анализ существующей и разработанной
технологий определения капельно-дождевой эрозии.
Научная новизна:
– произведена комплексная оценка показателей развития капельнодождевой эрозии:
– предложены технические средства (патенты на полезную модель №
155056 и изобретение № 2518744) и технологии их применения для оценки
капельно-дождевой эрозии почв;
– зарегистрирована программа для ЭВМ № 2015614657 для обработки
результатов исследований капельно-дождевой эрозии с помощью патента на
полезную модель 155056, изобретение 2518744;
– получены эмпирические формулы для расчета величины капельной
эрозии при орошении.
Теоретическая и практическая значимость работы. По результатам
выполнения работы установлена зависимость радиуса разлета почвенных
фракций
от
параметров
дождя;
установлена
зависимость
массы
разбрызганной почвы от радиуса разлета почвенных фракций, что упрощает
проведение лабораторных измерений, за счет устранения необходимости в
сборе
и
взвешивании
разбрызганных
почвенных
фракций;
а
также
установлена зависимость между величиной частоты колебаний мембраны
разработанного прибора и массы разбрызганной почвы, в результате чего
отпадает необходимость в сборе и взвешивании разбрызганных почвенных
фракций в полевых условиях
Результаты диссертационной работы следует использовать при сборе
полевых
данных
по
определению,
прогнозу
и
предупреждения
возникновения капельной эрозии почвы при поливе сельскохозяйственных
культур различной дождевальной техникой в условиях Нечерноземной зоны
7
РФ. Материалы исследований могут также служить основой для разработки
мелиоративных мероприятий, направленных на предотвращение капельной
эрозии на орошаемых агроландшафтах.
Методология и методы исследования. Гранулометрический состав
определен по Н. А. Качинскому; НВ – по В.Е. Кабаеву; обменные N–NH4 , N–
NO3 и N–NO2 – колориметрически; подвижные соединения P 2O5 и K2O – по
А. Т. Кирсанову; pHH2O – по ГОСТ 26483–85; Eh – потенциометрически;
диаметры капель по методике В. Д. Воркова. Для исключения влияния
состава воды в исследованиях использовалась дистиллированная вода,
подготовленная по ГОСТ 6709–72. Точечные пробы почв отбирались с
орошаемых участков по ГОСТ 28168–89 с глубины 5...10 см. Наименование
горизонтов давалось по методике Почвенного института имени В. В.
Докучаева, которая заложена в основу Полевого определителя почв (2008 г.)
и
имеет
корреляцию
с
традиционной
классификацией
1977
г.
Математический анализ выполнен в программных комплексах «Statistica
10.0» и MATLAB R2013b (version 8.2). Методика отельных опытов описана в
главах диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
1. Элементы методики мониторинга капельно-дождевой эрозии почв с
учетом параметров почвы.
2. Характеристики искусственного дождя и почв и их влияние на
капельную эрозию.
3. Элементы конструкции разработанных технических средств для
определения капельно-дождевой эрозии почв.
4. Оценка капельно-дождевой эрозии почвы орошаемого участка
Рязанской области Шацкого района.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов, полученных в ходе проведения лабораторных и полевых
исследований,
подтверждена
большим
объемом
экспериментального
8
материала, полученного и проанализированного автором диссертации.
Настоящая
квалификационная
работа
выполнена
с
использованием
современных методов, оборудования и с использованием апробированных
методик исследования.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на
заседаниях
кафедры
мелиорации
и
рекультивации
земель
Института
природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский
государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева», а
также на международных научно-практических конференциях в 2012–2013
гг.:
– Международный молодежный научный форум «Наука, инновации и
международное сотрудничество молодых ученых аграриев» в ФГБОУ ВПО
МГУП (г. Москва, 2012 г.);
– «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем» в
ФГБОУ ВПО МГУП (г. Москва, 2013);
– VI-ая Международная (10-ая Всероссийская) научная конференция
молодых
ученых
и
специалистов
«Инновационные
технологии
и
экологическая безопасность в мелиорации» в ФГБНУ ВНИИ «Радуга» (г.
Коломна, 2013).
По результатам диссертационных исследований опубликовано 11 работ,
из них 4 в научных журналах, рекомендованных ВАК инистества бразования
и науки Российской Федерации, получены патенты на полезную модель №
155056 и изобретение № 2518744, зарегистрирована программа для ЭВМ №
2015614657.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация отъемом
144 страниц печатного текста состоит из введения, пяти глав, основных
выводов, заключения, 3 приложений, библиографического списка из 174
наименований, в том числе из 53 зарубежных авторов.
9
Глава 1. Причины капельно-дождевой эрозии почв. Обзор литературы
Проблема охраны почв от эрозии с каждым годом становится все более
актуальной. Это связано, во-первых, с осознанием выдающейся роли почвы в
жизни биосферы, во-вторых, с признанием того факта, что почвенный покров
России находится сейчас в критическом состоянии [68].
Большинство землепользователей в целях получения более высоких
показателей урожайности не задумываются над процессами деградации почв,
выбирая
тот
или
иной
способ
агротехники
растений.
Между
тем,
значительные площади ежегодно исключаются из сельскохозяйственного
оборота
в
результате
нерационального
использования
земель
и
их
деградации. Так, по состоянию на 2010 год в России более 67 %
сельхозугодий подвержены эрозии. Причем значительный ущерб обусловлен
ирригационной эрозией [48, 66].
1.1. Понятие и классификация видов эрозии почв
Под эрозией (от гр. erodo – разъедаю) почвы понимают разрушение
почвы под действием различных сил – воды, ветра, ледников и т. д. Это
сложное явление, на которое влияет большая совокупность факторов
природного и антропогенного генеза. К природным факторам относят
особенности рельефа, климат, свойства почвенной разности, наличие
растительного покрова, геологическое строение и др. К антропогенным
факторам относят, например, распашку легких почв в засушливых районах,
орошение
большими
поливными
нормами,
ведущим
к
появлению
поверхностного стока и др.
Наиболее распространенными в мелиорации видами эрозии являются
ветровая и водная.
10
При ветровой эрозии, или дефляции, происходит выдувание почвы, снос
ее мелких сухих частиц ветром [85].
Водная эрозия подразделяется на многие виды: овражная (линейная),
ирригационная, капельная [74] и др.
По степени проявления различают эрозию нормальную (естественную) и
ускоренную (антропогенную). Первый процесс, как правило, протекает
относительно медленно и не влечет значительного снижения плодородия
почвы. Ускорение этого процесса связано с деятельностью человека и
включает
ирригационную
эрозию,
развивающуюся
даже
на
пологих
агроландшафтах. Этот вид эрозии можно условно разделить на подвиды в
зависимости от способа полива сельскохозяйственных культур.
Согласно классификации Ц. Е. Мирцхулавы возможны две формы смыва
почвенных агрегатов: плоскостная и глубинная [28, 70, 75]. В соответствие с
этой классификацией при плоскостной форме эрозии сам процесс и
разрушение почвенных агрегатов, а также распространение продуктов
разрушения происходит на некоторой площади. Глубинная формируется под
действием движущегося потока воды, например, в руслах.
Г. И. Швебс виды водной эрозии систематизировал следующим образом:
поверхностный смыв; струйная; овражная, русловая; селевая (образуется при
движении селевых потоков); подземная (проявляется в деформации трещин и
ходов в почвогрунтах и горных породах под действием потока); эрозия
разбрызгивания (выбивание частиц почвы во время дождя) [117].
Таким
образом,
капельно-дождевая
эрозия
в
соответствии
с
классификацией Ц. Е. Мирцхулавы относится к плоскостной форме. Она
проявляется в разрушении почвенных агрегатов ударами капель дождя и в ее
разбрасывании (разбрызгивании). Определение Г. И. Швебсом капельной
эрозией как эрозии разбрызгивания соответствует дословному переводу
термина «splash erosion», используемого в зарубежной литературе.
11
Плоскостная
форма
эрозии
или
плоскостной
смыв
на
землях
сельскохозяйственного назначения получили наибольшее распространение
[22, 48, 75, 76].
Какова
же
природа
этого
явления?
Представим
распаханную
поверхность почвы. Такая почва лишена плотного растительного покрова
(дернины). Падающие капли обладают большой энергией и скоростью, во
много раз превышающих соответствующие характеристики поверхностного
стока. Удар длится тысячные и десятитысячные доли секунды, а малая
площадь контакта отдельной капли и почвы создает большое давление.
Захват почвенных частичек объясняется силами поверхностного натяжения
капли дождя. Таким образом, капельно-дождевая эрозия образуется в
результате перехода одной формы энергии в другую в момент удара и
момент разбрызгивания [79]. Эта эрозия предшествует формированию
поверхностного стока.
1.2. Процесс формирования капельно-дождевой эрозии
В Российской Федерации большая часть сельскохозяйственных земель
расположено в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения. В этой
связи
получение
культур
стабильных
невозможно
без
высоких
урожаев
обоснованного
сельскохозяйственных
управления
режимами
агроландшафтов. Одним из инструментов такого управления является
дождевание.
Этот способ полива позволяет регулировать микроклимат орошаемой
территории, поддерживать влажность корнеобитаемого слоя почвы в
оптимальных пределах, автоматизировать и механизировать агротехнику
растений.
Но,
как
и
любой
вид
мелиорации,
орошение
усиливает
антропогенную нагрузку на агрогеосистему. В первую очередь воздействию
подвергается почвенное тело. И если эта нагрузка рассчитана с учетом
12
хозяйственной емкости агрогеосистемы, то мелиорация сопровождается
сохранением и воспроизводством совокупности свойств, характеризующих
плодородие почвы. Однако иногда возникают и отрицательные последствия.
Например, при неудовлетворительном качестве искусственного дождя
повреждаются листья, цветы, завязи растений, разрушается структура почвы,
на ее поверхности образуются лужи и корка. Последние являются следствием
явления, которое называется капельная эрозия.
Эрозии при дождевании возникает тогда, когда средняя интенсивность
искусственного дождя im начинает превышать скорость впитывания воды
почвой Kt. Очевидно, что капельная эрозия, т. е. разрушение структурных
агрегатов, начинается до появления поверхностного стока.
Капельная эрозия обусловлена динамическим воздействием капель
искусственного дождя на почву. У падающих капель увеличивается энергия
и, следовательно, сила удара, вследствие которой разрушаются стр уктурные
агрегаты почвы. В момент удара раздробленные почвенные частицы
разбрызгиваются, и происходит кольматация, приводящая к возникновению
почвенной корки. Наступает следующая стадия эрозии поверхностным
стоком.
Стоит
отметить,
что
почвенная
корка
вызывает
целый
ряд
деградационных процессов, приводящих к снижению плодородия, которое
становится
главной
геоэкологической
проблемой
орошаемых
агроландшафтов.
Одними
из
первых
вопрос
капельной
эрозии
начали
изучать
американские ученые в начале 20 века. Так, J. O. Laws и W. D. Ellison
рассмотрели механику падающих капель и интегральное действие дождя на
твердую поверхность и почвенные частицы [131, 147].
В нашей стране эрозию почвы изучали ученые В. В. Докучаев, В. Р.
Вильямс, А. Н. Костяков и др. Ими было отмечено, что эрозия интенсивнее
всего протекает на почвах, лишенных растительного покрова, с пониженной
13
водопроницаемостью
и
низким
содержанием
гумуса.
Поэтому
они
предложили для борьбы и предотвращения эрозии улучшать физические
свойства почвы и обогащать ее органическим веществом.
В. В. Докучаев пришел к выводу о том, что из-за многообразия
факторов,
которые
обуславливают
эрозию
почвы,
мероприятия
по
предупреждению и борьбе с этим явлением должны быть «систематичными и
последовательными, как сама природа» [30, 31].
Академику В. Р. Вильямсу принадлежит учение о травопольной системе
земледелия, в котором в качестве главной причины эрозии он указывает на
бесструктурность пахотных почв [9].
А. Н. Костяков отмечает, что при увеличении крупности капель дождя
усиливается удар, уменьшается поглощение воды и сильно возрастает
размыв почвы. При этом потеря питательных веществ с 1 га орошаемого
массива может быть выше чем вынос их урожаем сельскохозяйственных
культур. А чем лучше развиты растения, тем лучше они защищают
почву[66].
В. Р. Вильямс также указывает на то, что корни многолетних трав
способствуют созданию комковатой структуры и накоплению перегноя в
активном слое почвы. Корни многолетних бобовых обогащают почву азотом
и кальцием, а в результате электролитической диссоциации катион кальция
поглощается перегноем и придает агрегатам почвы прочность, т. е.
способность не размываться водой [10].
А. А. Корецкая называет «коварной» и «злостной» эрозию, вызванную
действием капель дождя, причем под действием капель более ме лкие
частицы почвы вымываются и разрушаются еще интенсивнее [65].
А. С. Извеков считает, что при капельной эрозии продукты разрушения
переносятся дождевыми каплями и заполняют трещины и поры в почве, что
снижает инфильтрацию и стимулирует другие виды эрозии почвы [74].
14
Д. А. Маштаков отмечает, что эрозионная опасность искусственного
дождя определяется не только силой воздействия, но и свойствами
конкретной почвенной разности [73].
Это позволяет сделать предположение, что если определить силу удара и
свойства
почвы,
процесс
разбрызгивания
можно
регулировать.
Определением силы удара занимались многие ученые. Сам процесс удара
подчиняется законам классической механики Ньютона. Так, например, в
работах В. В. Сластихина [103], А. П. Исаева [50] и др. сила удара связана со
скоростью падения капли и ее диаметром.
Для расчета силы удара F капли дождя В. В. Сластихин использовал
следующую формулу:
F  0,385 d d d d3
,
(1)
где d d – диаметр капли, см;  – начальная скорость капли, см/с [103].
А. П. Исаев для расчета силы удара о поверхность почвы использовал
следующую зависимость
F  dd2 ,
(2)
где d d – диаметр капли, см;  – начальная скорость капли, см/с [49].
Формулы (1)–(2) просты для расчета, но не учитывают плотность капли.
В. М. Московкин и В. Ф. Гахов так же исследовали расчетные зависимости
для определения силы удара капли о почву. Было установлено, что чем
большей конечной скоростью обладает капля, тем большее воздействие она
оказывает на почву. Причем это воздействие больше у капель большего
диаметра. Ими предложена формула:
π
F  ρd dd2 2 ,
6
(3)
где ρ d – плотность капли, г/см 3 [79].
В. М. Московкиным получена формула для определения силы удара
капель о почву, которая имеет следующий вид:
15
0,5d d3ρ d
F
,
t
(4)
где t – время взаимодействия капли с почвой, г/см 3 [78].
Но чаще всего капли падают под углом к поверхности почвы. Так, в
отличии от формул (1)–(4), впервые академиком Ц. Е. Мирцхулавой
теоретическое предложено уравнение интенсивности разбрызгивания почвы
было. В это уравнение входят такие величины как удельная мощность дождя
N , синус угла падения капель α , отношение скорости падения капель  к
допустимой скорости  доп , соотношение диаметра капель d d к допустимому
диаметру d d, доп [75]. Уравнение имеет следующий вид:


d
F  f  N ,sin α,
, d

доп d d, доп


 .

(7)
Ударное воздействие капли оценивается не только силой удара, но также
по объему выброса почвы. Так, М. С. Кузнецов, В. М. Гендугов предложили
модель выброса почвы единичной каплей [15, 68], а затем распространили
эту зависимость при разбрызгивании почвы дождем:
 2

qt  kt kTρdi  2  1 ,
 cr

(8)
где qt – средняя за время t интенсивность разбрызгивания почвы, кг/(м2/с);
k t и kT – коэффициенты; i – интенсивность дождя, м/с;
 – скорость падения
капель дождя, м/с;  cr – критическая (неразбрызгивающая) скорость падения
капель дождя, м/с [67].
М. С. Кузнецов, В. М. Гендугов коэффициенты k t и kT определяют по
формулам:
kt  e0,017(t 1) ;
(9)

ρ 
kT  0,00117,5  11,3  ,
ρd 

(10)
16
где e – основание натурального логарифма; t – время дождевания, мин; ρ –
плотность почвы, г/см 3 [15].
Ю. П. Сухановский под руководством Ц. Е. Мирцхулавы провел
гидравлические исследования и расчет дождевой эрозии и предложил
математическую модель удара капли, описывающую образование воронок
(на месте удара капли) с объемом
W  Aα
mk E 0ρ   2 

,
ρC  gd d 
(11)
где W – объем воронки; mk – масса капли, г; Aα  9,4 103 / α2 , α 2 –
поправочный коэффициент на импульсный характер нагрузки (принято, что
во время удара разрушение среды происходит при нормальном напряжении
больше критического значения σ  α 2C ); g – ускорение свободного падения,
м/с2; E 0 – модуль линейной деформации, МПа; C – сцепление, определяемое
по методу Н. А. Цытовича, кПа [110].
Из анализа этой зависимости следует, что если импульс капли меньше
допустимого значения
Sдоп
πda2ρC
 5,8  10
,
E 0ρ
2
(12)
то разбрызгивания почвы не происходит ( da – диаметр агрегатов почвы)
[110].
А. С. Гаврилина исследовала капельную эрозию почв при дождевании.
Было замечено, что около 30 % энергии падающих капель тратится на
разрушение
структурных
агрегатов.
Причем
чем
меньше
крупность
агрегатов, тем больше частиц разбрызгивается при ударе [12].
M. Grissmer занимался моделированием дождевого потока в целях
изучения эрозии. Он отмечает, что определяющими в изучении эрозии
17
параметрами
дождя
являются
размер
капель,
их
скорость,
момент,
кинетическая энергия а также различная комбинация этих параметров [138].
R. Gunn и G. D. Kinzer скорость движения падающих капель воды в
защищенном от ветра воздухе предложили определять по формуле
2 
(4 / 3) gd d (ρ w  ρa )
,
ρa сx
где g – ускорение свободного падения, м/с2; d d – диаметр капли, м; ρ w –
плотность капли, кг/м 3; ρ а – плотность воздуха, кг/м 3; сx – безразмерный
коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от размеров
капли [139].
Американские
изучали
ученые
стабильность
Висконсинского
(прочность)
университета
почвенных
агрегатов,
в
Мадисоне
моделирую
воздействие на них капельной эрозии. Капли диаметром 4,3 мм падали с
высоты 0,5 м на образцы различных почв суглинистого гранулометрического
состава. В результате было установлено, что на разрушение агрегатов почв с
пашни требовалось намного больше энергии. По представленной авторами
информации можно предположить, что это было связано с тем, что в
образцах с пашни содержалось больше органического вещества, и эти
образцы имели большую плотность [146].
По данным Г. В. Добровольского и Л. А. Гришиной капли дождя
способны разрушить и разбрызгать почвенные частицы на расстояние до
50…60 см [29].
М. Ю. Барсукова, Ю И. Дудкин, Е. Н. Коржов и Д. И. Щеглов изучали
капельную эрозию на склонах. При этом за среднюю дальность полета
принято расстояние в 50 см. Отмечено, что разбрасывание почвенного
материала происходит преимущественно в сторону уклона. По расчетам
авторов при крутизне склона в 45° вверх по склону перемещается 25 %, а
вниз – 75 % от массы всей разбрызганной почвы [4].
18
L. Mouzai и M. Bouhadef поставили эксперимент по изучению капельной
эрозии, который показал разлет почвенных частиц на расстояние до 1 м.
Причем интенсивнее всего разлетались почвенные частицы от воздействия
более крупных капель (5,8 мм) [151].
P. C. Ekern и R. J. Muckenhirn изучали влияние капель дождя на
транспортирование частиц песка. Опыты проводили на склонах. В результате
установлено, что от воздействия капель частицы песка разбрызгивались в
высоту до 60 см и на расстояние до 1,5 м и более. При этом капли диаметром
менее 2 мм не перемещают частицы более 0,2 мм [129].
А. Е. Касьянов и Ю. И. Сухарев натурными и лабораторными опытами
показали, что некоторые почвенные частицы разлетаются на расстояние до
нескольких десятков сантиметров. Причем значительный разлет наблюдается
при заполнении пор почвы водой [56].
Ю. Г. Жигимонт под руководством профессора А. Е. Касьянова
экспериментально исследовала и моделировала процесс капельно-дождевой
эрозии. При этом регулировался диаметр капель дождя, исходная влажность
почвенного образца и пористость, а также радиус разлета почвенных частиц.
Было установлено, что наибольший радиус разлета вызван каплями с
наименьшим диаметром и при высокой влажности почвенного образца [38].
1.3. Структура искусственного дождя
и ее влияние на капельно-дождевую эрозию
А. Н. Костяков отмечал, что структура дождя имеет исключительное
значение на развитие эрозии почв. Диаметр капель дождя в зависимости от
проницаемости почв должен быть не более 1…2 мм [66].
Ф. Л. Иванченко, исследуя влияние искусственного дождевания на
структуру почвы, отмечает, что с увеличением интенсивности дождя
усиливается разрушающее действие капель. Причем по данным опытов на
19
среднемощном
слабовыщелоченном
черноземе
оптимальным
размером
капель дождя является диаметр не более 2…3 мм. Наиболее безопасным для
почвы
является
наблюдается
дождь интенсивностью 0,2
разрушение
агрегатов
почвы,
мм/мин, после него
имеет
место
не
укрупнение
пылеватых частиц в мелкокомковатые и наибольшая глубина промачивания
[47].
А. В. Алеев, Н. М. Шевцов, С. И. Соколова и Л. И. Чикирева изучали
агротехнические
и
эксплуатационные
характеристики
дождевального
трубопровода «Хаски» английской фирмы «Wright Rain Limited». Машина
состоит
из
передвижного
среднеструйными
колесного
дождевальными
трубопровода
аппаратами,
с
и
шлейфов
помощью
со
которых
получают дождь со средним диаметром капель 1,2…1,64 мм. Агрегатный
состав и водопрочность почвы изменялась в зависимости от агрофона и
агротехники. Сравнивая данные исследования, можно сделать вывод, что
самое значительное разрушение дождем структурных агрегатов фракции
3,0..1,0 мм наблюдалось на поле с пропашной культурой, меньшее – на
пастбище и на участке с овсом сплошного сева. Наблюдения также показали,
что при разрушающем действии дождя на структуру почвы имеет значение
фаза
развития
культуры
и
связанная
с
этим
степень
замкнутости
вегетационной массы [1].
В. И. Городничев разработал оценку качества дождя с помощью
медианного
объемного
диаметра
капель
d m.
Дождь,
создаваемый
дождевальными аппаратами и насадками является полидисперсным. По мере
удаления от аппарата или насадки происходит увеличение размера капель .
Среднеобъемный диаметр капель в разных зонах факела распыла сильно
варьирует. В этой связи оценка качества дождя с его помощью не является
показательной. Оценка качества дождя с помощью максимального диаметра
капель вероятно также не является показательной, так как эта величина
стохастическая, поскольку зависит от направления, скорости ветра и других
20
факторов. Физический смысл медианного объемного диаметра капель d m
заключается в том, что половина объема дождя выпадает в виде капель
меньшего диаметра, а вторая половина – в виде капель большего диаметра.
Как показывают исследования, его велична мало зависит от метеоусловий,
применяемых методов измерения, но более достоверно отражает процесс
распада струи на капли (диапазон его изменения шире). Математически d m
можно выразить следующим образом:
dm
 P  0,5,
i 1
(13)
i
где Pi – вероятность образования объема воды каплями определенного i-го
класса (размера) [18].
В. И. Городничев отмечает, что возможно оценивать качество дождя с
помощью показателей мощности N и динамического давления р на почву,
вычисляя или измеряя среднеобъемный диаметр капель dv
N
Wd 6 i S

;
t
πd v3
(14)
6 i  6  107 Vd
p


,
πd v3
π
Std v3
(15)
где Wd – средневзвешенная энергия капли, Дж; t – время падения капли, с; i
– интенсивность дождя, м/мин; S – площадь покрытая дождем, см 2;  –
скорость падения капли, м/с; N – мощность дождя, Вт; р – динамическое
давление дождя на почву, Па [20].
Также В. И. Городничев рекомендует проводить энергетическую оценку
качества дождя комплексным показателем – плотностью энергии дождевого
потока П, который связывает воедино интенсивность дождя i, крупность
капель и энергию. Физический смысл этого показателя заключается в том,
что
он
характеризует
количество
энергии
Wd
определенной площади S дождя в течение времени t:
воздействующего
на
21
П
Wd
iWd

;
St

(16)
где П – плотностью энергии дождевого потока, Вт/м2 [20].
Для
определения
указанных
характеристик
В.
И.
Городничевым
разработан технический комплекс «Спектр–4М», который представляет
собой устройство сбора данный, которое имеет оптический блок, источник
питания, регистратор, излучатель света и фотоприемник датчика, компьютер,
телескопическую
подставку,
CD-диск
с
программным
обеспечением.
Принцип контроля состоит в том, что при пролете капли через луч света
фотодатчика
образуется
электрический
сигнал.
Амплитуда
сигнала
пропорциональна размеру, а время пролета через луч – скорости капли. Эти
параметры автоматически измеряются и записываются в память компьютера.
При этом сам фотодатчик устанавливают в разных зонах дождя, в результате
чего характеристики получаются дифференциальными по площади [19].
В. И. Городничевым и И. А. Костоваровой в НПО «Среднеазиатском
научно-исследовательском институте ирригации» была создана сезонностационарная система для исследования стока воды при орошении общей
площадью 2 га. Контроль характеристик дождя определяли с помощью
технического комплекса «Спектр–4М». Средний диаметр капель на всей
площади составил 0,82…1,46 мм, мощность дождя – 0,22…14,19 Вт/1000,
динамическое давление 0,43…2,98 Па. Дождь с такими характеристиками не
приводил к существенному нарушению структуры почвы [21].
При дождевании размер капель и интенсивность дождя зависят о
отношения напора Н воды и диаметра d0 выходного сечения дождевального
насадка. Так, при Н/d0 = 1500 средний диаметр капель dd = 1,75 мм, а при dd ≤
1,0 мм [101]. Причем чем ниже действующий напор, тем больше размеры
капель и соответственно большее проявление эрозии [119].
Б. М. Лебедев и Г. П. Лямперт указывают на то, что размер капель
зависит в основном от начальной скорости вылета струи из ствола
22
дождевального аппарата. Обобщая данные исследований дальнеструйных
дождевальных машин ДДС–200 «Нептун» и ДД–50 «Нептун–П», ими
получена формула для определения диаметра капель дождя
dd 
4α
,
ρa Cdd2
(17)
где α – коэффициент поверхностного натяжения воды; ρ a – плотность
воздуха, кг/м 3; Cd – аэродинамический коэффициент сопротивления капли
при обтекании воздушным потоком, равный по данным опыта 0,27…0,55; d2
– скорость движения капли относительно воздуха, м/с [72].
Также Б. М. Лебедев сформулировал основной закон дождевания и
выразил его в следующей зависимости
Vdw i
 ,
V

где Vdw – объем капельной воды в дождевом облаке, м 3; V
(18)
– объем
дождевого облака, м 3; i – интенсивность дождя, мм/мин;  – скорость
падения капель, м/с [71].
Этот закон связывает основные параметры искусственного дождя: объем
воды, заключенной в этом облаке, интенсивность дождя и скорость падения
капель. Ю. Ф. Снипич и А. Е. Шепелев предложили отношение Vdw / V
называть коэффициентом заполнения дождевого облака капельной водой,
который показывает, какая часть воды содержится в общем объеме
дождевого облака:
Vdw i
 ,
V

где Vdw – объем капельной воды в дождевом облаке, м 3; V
(19)
– объем
дождевого облака, м 3; i – интенсивность дождя, мм/мин;  – скорость
падения капель, м/с [106].
23
Б. М. Лебедев особое внимание уделил влиянию искусственного дождя
на почву. В связи с этим им предложен второй закон дождевания, который
определяется по следующей зависимости
p
iρ d
,
g
(20)
где ρ k – плотность воды, кг/м 3; g – ускорение свободного падения, м/с 2; i –
интенсивность дождя, мм/мин;  – скорость падения капель, м/с [71].
Ю. Ф. Снипич разработал методику выбора и оценки технологий
орошения.
При
этом
также
уделено
внимание
показателям,
предупреждающим деградацию и снижение плодородия почвы. Среди них
показатели качества дождя: интенсивность дождя i и средний диаметр капель
dd [104].
Эрозионная опасность искусственных осадков в значительной степени
определяется
их
интенсивностью
и
структурой
дождя.
Между
тем
достаточно проработанным вопросом является определение эрозионнодопустимых
норм.
Наиболее
распространенным
способом
является
вычисление расчетной (технологической или предельной) поливной нормы и
сравнение ее с допустимой, определяемой по зависимости, предложенной
Н.С. Ерховым:
m
kυ
,
i  e0,5dd
(21)
где k υ – показатель безнапорной водопроницаемости почв при дождевании,
мм; i – интенсивность дождя, мм/мин; e – основание натурального
логарифма; d d – средний диаметр капель, мм [36].
Рассчитанную по этой формуле поливную норму дифференцируют в
зависимости от периода вегетации и фазы развития сельскохозяйственной
культуры. Так, например, бесстоковая поливная норма в условиях Среднего
Поволжья на средних и тяжелых по гранулометрическому составу почвах
при орошении дождевальной машиной «Кубань» по данным экспериментов
24
А. А. Митрюхина и Л. А. Переверзенцева составила 600 м 3/га в начале
вегетации и 170 м 3 /га – в конце [35, 36].
При этом по данным Ю. В. Кузнецова величина безнапорного
впитывания может изменяться в зависимости от характеристик применяемых
дождевальных
машин,
от
степени
развития
надземной
части
сельскохозяйственных культур (площади покрытия листовой поверхностью
верхнего контактного слоя почвы) и от величины средневзвешенного
диаметра
водопрочных
агрегатов.
Причем
положительное
влияние
проектного покрытия растений связано с уменьшением силы удара капель
дождя в результате изменения надземной частью растений скорости падения
и диаметра капель, что предохраняет структуру верхнего контактного слоя
почвы от разрушения. Также дифференцированный режим увлажнения
почвы с переменной глубиной расчетного слоя в значительной степени
удовлетворяет условиям невозникновения ирригационной эрозии, так как
увеличивается количество поливов и уменьшается величина оливной нормы
[69].
Также, исследуя процесс полива дождеванием, Н. С. Ерхов для
однородного
по
крупности
капель
дождя
предложил
энергетические
критерии, которые позволяют определить эрозионно-допустимые поливные
нормы
p  (1/ 60)id,у ;
(22)
2
N  (1 / 120)id,у
,
(23)
где p – динамическое давление дождя на почву, Па; N – плотность потока
энергии дождя (удельная мощность), Вт/м 2; i – интенсивность дождя,
мм/мин; d,у – скорость падения капли в момент удара о почву, м/с [35].
Р. А. Сорокин и А. И. Голованов в 2005–2007 годах проводили
эксперименты по определению эрозионно-допустимых поливных норм. По
их расчетам средний диаметр капель искусственного дождя не должен
25
превышать 1,5 мм применительно к почвенно-климатическим условиям
Сергиево-Посадского района Московской области [17].
С. Л. Жук, В. В. Слабунов отмечают, что механическое воздействие на
почву
капель
машинами,
искусственного
играет
дождя,
исключительную
создаваемого
роль
в
дождевальными
разрушении
почвенной
структуры. В меньшей степени разрушение почвенных частиц зависит от
химических и физико-химических свойств капли [39].
Отдельными
исследованиями
установлено
положительное
влияние
прерывистого дождевания на впитывающую способность и снижение
капельной эрозии почвы. Так, в опытах при дождевании с интервалом 10 мин
скорость впитывания почвой воды увеличивалось в 1,25 раза, а с интервалом
60 мин – в 2 раза по сравнению с традиционной технологией [60].
А. П. Болдырев также рекомендует для снижения эрозии почвы
осуществлять выдачу поливной нормы дозами (от меньших к большим) с
интервалами, равными продолжительности предыдущего полива [8].
D. L. Bjorneberg, R. E. Sojka, J. K. Aase исследовали влияние
предварительного увлажнения на эрозию почвы при орошении по бороздам в
США. Ими установлено, что медленное насыщение почвы влагой перед
поливами повышает прочность агрегатов по сравнению с подачей воды в
сухую борозду. Также ими были проведены опыты по дождеванию с
размером капель d d = 1,3 мм. Однако влияние предварительного увлажнения
не всегда было заметно, но общие потери почвы имели существенные
различия. Так при поливе по бороздам потери почвы составили 56 т/га, а при
дождевании – 30 т/га. Исследования показали, что предварительное
увлажнение почвы при поливе по бороздам и при дождевании уменьшает
интенсивность эрозии [125].
Ю. А. Москвичев, Н. С. Ерхов и М. И. Бычков отмечают, что в
производственных условиях, когда почва не защищена культурными
26
растениями и верхний слой ее находится в иссушенном состоянии, создаются
наиболее сложные условия для дождевания [77].
С. С. Турапин и А. Н. Жирнов изучали технические средства
модернизации
дождеобразующего
пояса
электрифицированных
дождевальных машин. Из анализа литературного обзора можно сделать
вывод,
что
водораспредление
является
наиболее
эффективным,
если
дождеобразующие устройства располагаются на высоте от 0,4 до 0,5 м над
поверхностью почвы. Можно использовать разбрызгивающие, капельные или
контактирующие с почвой дождеобразующие устройства. При этом если
аппараты находятся на высоте 1,5…2,0 м над поверхностью почвы
коэффициент эффективного полива составляет около 0,9, но при ветре
усиливается
испарение.
Устройства
приземного
водораспределения
позволяют уменьшить почвенную эрозию. Их размещают на высоте 0,3…0,46
м над поверхностью почвы. Коэффициент эффективности полива также
достигает 0,9 [113].
Исследования
отдельных
авторов
посвящены
изучению
водосберегающих основ и технологий полива. А. А. Терпигорев исследовал
водосберегающие технологии полива по бороздам с переменным расходом,
импульсный полив и полив с рассредоточенной подачей расхода по длине
поливных
борозд.
Он
отмечает,
что
применение
водосберегающих
механизированных технологий позволяет существенно снизить эрозию
почвы [111]. Разработаны также способ полива по бороздам переменным
расходом
и
устройство
для
его
осуществления
[108].
Вопросы
эффективности орошения с применением технологий малоинтенсивного
орошения, а также аспекты экологической безопасности микроорошения с
точки зрения возникновения эрозии отражены в работах А. А. Терпигорева,
Г. В. Ольгаренко и др. исследователей в [84, 112].
А. И. Рязанцев [и др.] в [102] отмечает, что несовершенство конструкции
и продолжительный срок эксплуатации выпускавшихся дождевальных
27
машин не только снижает эксплуатационную надежность, но и ухудшает
качество
полива,
разрушает
структуру
почвы,
не
дает
ожидаемого
экономического эффекта от орошения, а помочь решить эту проблему может
применение новой оросительной техники.
А. И. Рязанцев [и др.] в [103] приходит к выводу, что остается
нерешенным вопрос по совершенствованию шланговых дождевателей по
улучшению
качества
искусственного
дождя
и
достижение
высокой
равномерности полива. Также отмечается, что при совершенствовании
дождевальной техники возникает проблема появления зоны «переполива» и
«недополива»
при
соответствующей
расстановке
дождеобразующих
устройств. И в зоне «переполива» возрастает возможность появления водной
эрозии почвы и поверхностного стока воды [103].
Отдельные
работы
А.
И.
Рязанцева
также
посвящены
совершенствованию дождевальной техники. Так, согласно исследованию
[104], в Российской Федерации применяются дождевальные машины
«Фрегат»,
которые
имеют
значительно
превышающую
допустимую
агротехнологическими требованиями к орошению интенсивность дождя,
которая способствует возникновению эрозии и появлению поверхностного
стока. Совершенствование серийной дождевальной машины ДМ-365-68
позволило снизить средний диаметр капель дождя с 1,35 мм до 0,75 мм [104].
Аналогичные исследования приведены в работе [105].
А. И. Рязанцев и Н. Н. Егорова а работе [106] рассматривали различные
конструкции дождеобразующих устройств для полива растений в теплицах.
В частности, для устройства РВО-8, которое образует крупные капли со
средним диаметром до 1,6 мм, отмечается, что создаваемый ее дождь
обладает высокой силой удара капель, которая разрушает почвенную смесь в
тепличных кассетах и травмирует растения [106].
А. И. Рязанцев и Н. Н. Егорова а работе [107] рассматривали вопрос
механизации полива кассетной рассады капусты в теплице. Использовались
28
специальные
дождевальные
насадки,
которые
обеспечивают
высокое
качество дождя мелкокапельной структуры с диаметром <0,5...0,6 мм. Такие
показатели обеспечивают высокую безопасность полива, не приводит к
образованию крупных капель, которые могли бы выбить (разбрызгать)
питательную среду (грунт) и повредить рассаду [107].
А. И. Рязанцев и Н. Н. Егорова также изучали структуру искусственного
дождя и его влияние на почву. Их исследования были направлены на
модернизацию двухконсольного дождевального агрегата. По данным Н. Н.
Егоровой средний диаметр капель дождя у ДДА-100МА составляет 1,3 мм, у
ДДА-145 – 1,2 мм, у ДФД-80 – 1,5…2,0 мм, у ДДН-100 – 1,5…2,0 мм [33].
Модернизация
дождевальной
машины
ДДА-100МА
со
специальными
насадками позволила снизить средний диаметр капель дождя с 1,5…1,7 мм
(для серийных машин) до 0,9 мм [34]. По результатам модернизации Н. Н.
Егорова и А. И. Рязанцев получили возможность снизить энергетические
составляющие дождевого потока на почву [94, 95]. Д. П. Гостищев и Е. Ю.
Гильденберг также изучали работу ДДА-100МА в исследованиях [23, 24].
Они провели математическое моделирование по выбору оптимальной схемы
расстановки трехъярусной насадки на водопроводящем поясе ДДА-100МА. В
результате исследований установлено, что в производственных условиях, с
учетом гидравлических параметров ДДА-100МА, рекомендуется схема
расстановки насадков по квадрату 4,5х4,5 м [23].
В работе [25] Д. П. Гостищев [и др.] указывает, что системы орошения
нового поколения, концепцию которых разрабатывала Россельхозакадемия
(сегодня структура РАН), ФГБНУ ВНИИГиМ им. А. Н. Костякова, ФГБНУ
ВНИИ «Радуга», требуют совершенствования техники полива с качеством
дождя, соответствующего характеристикам естественного: капли, падающие
вертикально и имеющие диаметр 0,5...1,0 мм, интенсивность – до 0,25
мм/мин, кинетическая энергия – не более 24 Дж/м2 на 1 мм слоя осадков,
удельная мощность – до 0,12 Вт/м2 и распределение расходных и
29
гидродинамических
характеристик
дождя
по
площади
орошения
с
коэффициентом равномерности не менее 0,90. Аналогичные рекомендации
можно увидеть в работе [113]. Кроме того Д. П. Гостищев, В. И. Городничев
[и др.] изучали влияние конусности сопла дождевального аппарата на
крупность капель искусственного дождя в работе [26].
1.4. Способы диагностики капельно-дождевой эрозии
Совокупность всех существующих методов диагностики капельной
эрозии можно условно разделить на инструментальные (полевые) и
расчетные.
В
нашей
методом
стране
является
наиболее
установление
распространенным
величины
инструментальным
почвенной
корочки,
ее
гранулометрического состава и водопрочности структуры. Исследованиями
установлено, что быстрое коркообразование – это следствие высокой
интенсивности и крупности капель дождя и несоответствия впитывающей
способности почвы [118]. Причем максимальная толщина почвенной корочки
и увеличение плотности почвы приходится на периферию факела распыла
[80].
Ф. Л. Иванченко изучал влияние различной структуры дождя на
среднемощный слабовыщелоченный чернозем в 1931 г. в совхозе им. И. В.
Сталина на пару, на поле под сахарной свеклой и на свежевспаханной
целине, на делянках площадью в 6 м 2 при трехкратной повторности.
Дождевание проводилось с нормой 50 мм. После поливов на поверхности
образовывалась корочка о 0 до 3 см толщиной. При орошении посевов
свеклы дождем с интенсивностью 0,2 мм/мин образование корки не
наблюдалось,
а
при
интенсивности
в
0,6
мм/мин
корка
имела
слабовыраженный характер и была рыхлая. С увеличением интенсивности
дождя до 3 м/мин толщина корки достигала 20 мм и более [47].
30
Согласно исследованиям А. Н. Костякова и Ф. Л. Иванчеко чем больше
интенсивность и крупнее капли дождя, тем сильнее разрушается структура и
уплотняется почва, тем легче образуется корочка, быстрее начинается сток и
меньше глубина промачивания [47, 66].
Н.
М.
Шевцов
исследовал
орошаемый
дождеванием
чернозем
обыкновенный тяжелосуглинистый. Им было установлено, что воздействию
дождя подвергается 2…3 см слой почвы. Именно в этом слое наблюдалось
интенсивное разрушение стурктурных агрегатов и образование корочки на
поверхности почвы [118]. Такие же результаты получены К. К. Битюковым и
А. М. Поспеловым [71, 87].
Однако отдельными исследованиями установлено, что чем меньше
содержится влаги в почве до полива, тем агрегаты при быстром воздействии
на
нее
разрушаются
быстрее
и
интенсивнее.
А
с
повышением
предшествующей влажности при высыхании почва агрегируется и структура
становится более водопрочной [5, 6, 59].
Плоскостная
форма
эрозии
или
плоскостной
смыв
на
землях
сельскохозяйственного назначения получили наибольшее распространение
[22, 48, 75, 76]. Развитие этого процесса связано с поверхностным стоком,
образующимся при выпадении дождей или таянии снега, и стекающим по
склону в форме пластовых потоков или в виде мелких ручейков, с
уменьшением мощности плодородного слоя и ухудшения совокупности
почвенных свойств [48]. Распрорстранен также способ оценки степени
смытости почв по изменению или трансформации гумуса и органического
вещества плодородного слоя [16, 22, 48, 76]. По данным А. И. Голованова
слабоэродируемыми можно считать почвы при ежегодной величине смыве
Wэр
на
уровне
3
т/(га∙год),
среднеэродируемыми
–
до
10;
сильноэродированными – более 20 т/(га∙год) [16]. Количество вымытого
гумуса при эрозии можно оценить по формуле:
31
Gэр = Wэр G/(104 γh),
(24)
где Wэр – ежегодная величина смыва, т/(га∙год); G – содержании гумуса, т/га;
h – мощность слоя; γ – плотность почвы, т/м 3;
Количественно оценить интенсивность капельной эрозии можно также с
помощью специальных собирающих стаканов или щитов. В этом случае
можно узнать массу разбрызганной почвы, приходящуюся на единицу
площади. В разных модификациях этот способ применяли W. D. Ellison
([124], 1944), Г. К. Горчичко ([136], 1977), R. P. C. Morgan ([150], 1981),
Низар Хасан Зарда ([81], 1993), M. Parlak и A.O. Parlak ([160], 2010). Такой
способ позволяет установить величину допустимых потерь почвы при
дождевании.
Д. А. Маштаков в своих исследованиях для определения массы
разбрызганной почвы применял метод, предложенный Г. И. Швебсом ([117],
1968). Для этого он использовал предварительно взвешенные обеззоленные
бумажные фильтры размером 15х15 см. Эти фильтры вносились в зону дождя
на 10 с, а затем высушивались и взвешивались вместе с попавшими на них
частицами почвы [73].
А. Е. Касьянов разработал способ оценки эрозионной опасности дождя, а
также прибор для его реализации. Способ измерения динамического
действия дождя включает создание капельного потока воды, торможение в
рабочей среде движения капель в плоскости течения потока, расположенной
под заданным углом к траектории их полета, измерение тормозящего усилия
и определение величины динамического действия дождя на почву [53, 107].
Кроме того получили распространение расчетные способы оценки
количества разбрызганной (раздробленной) почвы. Большинство из этих
зависимостей являются эмпирическими и полученными для конкретных
почвенно-климатических условий.
R.
P.
C.
Morgan
предложил
формулу
для
определения
разбрызганной почвы в зависимости от кинетической энергии дождя:
массы
32
D = KdKEb,
(25)
где D – масса оторванных ударным действием капель дождя частиц почвы,
мг; Kd – коэффициент сопротивления, зависящий от типа почвы, мг/мДж b; KE
– кинетическая энергия капель, мДж; b – безразмерный показатель степени,
зависящий от гранулометрического состава почвы [149]. Показатель b
изменяется в пределах от <1 для крупнозернистых песков и >2 для глин и
суглинков [167].
P. P. Sharma, S. C. Gupta и W. S. Rawls получили похожую зависимость:
D = Kd(KE – KEо)b,
(26)
где KEо – предельное для данного типа почвы значение кинетической
энергии, при которой еще не наблюдается процесс разрушения структурных
агрегатов [168].
M. M. Al-Durrah и J. M. Bradford также исследовали капельную эрозию
почв. Ими был проведен эксперимент ударного действия капель дождя, в
результате
фотосъемки,
которого
была
позволившая
получена
описать
серия
механизм
изображений
эрозии
скоростной
разбрызгивания.
Установлено, что при ударе на поверхности почвы остается небольшая ямка,
почва уплотняется, а капля растекается по поверхности ямки. Обобщая
результаты эксперимента, получена зависимость между углом вылета
разбрызганных почвенных частиц и их массой:
θs  40,5 0,425 ,
(27)
где θ s – углом вылета почвы, градусы;  – сопротивление почвы сдвигу, кПа
[123].
А. О. Гаврилица предложил эмпирическую зависимость для определения
массы разбрызганной почвы:
D = 0,01mK(5,5i mg – 66),
(28)
33
где D – масса разбрызганной почвы, т/га; m – поливная норма, мм; K –
коэффициент, учитывающий тип дождевальной машины; img – мгновенная
интенсивность дождя, м/мин [13].
Х. З. Низар определял массу разбрызганной почвы при орошении
разными дождевальными машинами путем расстановки дождемеров на
исследуемой площадке. Это позволило установить, что при одинаковой
крупности дождя (диаметр капель 1,2 мм) при поливе машиной «Днепр» ДФ–
120Б – 05 количество разбрызганной почвы в два раза больше, чем при
поливе машиной «Кубань-ЛК1». В то же время интенсивность дождя im у
«Днепра» (0,16 мм/мин) меньше чем у «Кубани» (0,23 мм/мин). Также Х. З.
Низар капельную эрозию характеризовал и величиной (толщиной) почвенной
корки,
образующейся
после
полива.
Дождевальная
машина
«Днепр»
формировала корку толщиной 5...6 мм, а машина «Кубань-ЛК1» – 0,5...1 мм.
При этом дождевальная машина «Днепр» вызывала уплотнение почвы на 0,1
г/см3, а машина «Кубань-ЛК1» – не вызывала уплотнения [81].
Интегральным или обобщенным показателем негативного действия
капель искусственного дождя на почву также может служить величина
геоэкологического риска.
Под
геоэкологическим
риском
понимают
вероятность
нарушения
устойчивости окружающей среды при любых воздействиях, включая
хозяйственную. В настоящее время уровень геоэкологических рисков на
мелиоративных системах в значительной степени повышается из-за их
высокой изношенности [51].
Кроме того существуют исследования по изучению экологической
устойчивости
агроландшафтов.
формирования
устойчивого
Например,
предложена
агроландшафта,
которая
технология
включает
энергетическое обоснование продуктивности земель, расчѐт экологической
устойчивости агроландшафта, комплексность мелиоративного воздействия и
социально-экономическую эффективность мелиоративного проекта, а также
34
предполагает
формирование
природовосстановительного
комплекса
в
пределах нарушенного агроландшафта [62]. Такие расчеты в частности
предполагают сценарный подход к обоснованию экологических мероприятий
и
обосновывают
актуальность
задач
в
восстановлении
плодородия
мелиорируемых земель [61, 62]. Отдельные работы посвящены общим
вопросам
функционирования
мелиоративных
систем.
Так
управление
оросительными системами, их эксплуатация и мониторинг мелиоративных
систем описаны в [82, 93].
1.5. Выводы по главе 1
Классификацией эрозионных процессов занимались В. В. Докучаев, В. Р.
Вильямс, А. Н. Костяков, Ц. Е. Мирцхулава, Г. И. Швебс и др. По степени
проявления различают эрозию нормальную (естественную) и ускоренную
(антропогенную). Капельно-дождевая эрозия в соответствии с классификацией Ц.
Е. Мирцхулавы относится к плоскостной форме. Она проявляется в разрушении
почвенных
агрегатов
ударами
капель
дождя
и
в
ее
разбрасывании
(разбрызгивании). В зарубежной литературе под «капельной эрозией» часто
понимают эрозию разбрызгивания и используется термин «splash erosion».
Теоретические аспекты капельной эрозии отражены в работах В. В.
Сластихина, М. С. Кузнецова, В. М. Гендугова, Ю. П. Сухановского, А. С.
Извекова, J. O. Lows, W. D. Ellison, M. Grissner, R. Gunn, G. D. Kinzer и др.
Параметры дождя и их энергетический вклад в разрушение почвы изучали
Н. С. Ерхов, В. И. Городничев, Д. П. Гостищев, Б. М. Лебедев, Ю. Ф. Снипич и др.
Расстояния разлета как фактор следствия капельной эрозии исследован А. Е.
Касьяновым, Г. В. Добровольским, P. C. Ekern, L. Mouzai, M. Bouhadef, R. J.
Muckenhinn и др. Установлено, что капли с эрозионным материалом разлетаются
от эпицентра удара и в верх и в стороны.
35
Совокупность всех существующих методов диагностики капельной эрозии
можно условно разделить на инструментальные (полевые) и расчетные, которые
описаны в работах А. Е. Касьянова, А. И. Голованова, Г. И. Швебса, Н. М.
Шевцова, Д. А. Маштакова, А. О. Гаврилицы, Х. З. Низар, R. P. C. Morgan, P. P.
Sharma, S. C. Gupta, M. M. Al-Durrah, J. M. Bradford, W. S. Rawls и др.
Разработке технических средств орошения, снижающих эрозионную
опасность дождя посвящены работы Г. В. Ольгаренко, Н. Н. Егоровой, Д. П.
Гостищева, А. И. Рязанцева, А. А. Терпигорева, С. С Турапин и др.
Вопросы экологии и охраны природы при мелиорации отражены в
исследованиях Л. В. Кирейчевой, В. Н. Рыбкина, А. И. Голованова и др.
Анализ состояния проблемы позволил осуществить постановку и
уточнить задачи диссертационного исследования.
Показано, что диагностика процесса капельной эрозии является сложной
задачей. Однако своевременное выявления такого вида деградации может
отсрочить и предотвратить некоторые виды потери плодородия, связанные
прежде всего с разрушением структуры. Это особенно актуально при
проектировании
и
реконструкции
мелиоративных
систем.
Причем
в
Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования
рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–
2020 годы запланированы мероприятия по реконструкции и строительству
мелиоративных
систем.
В
этой
программе
также
предусматривается
существенное повышение экологической составляющей мелиоративных
мероприятий
за
счет
использования
природоохранных
технологий
и
технических средств в мелиорации. Поэтому актуальным становится вопрос
разработки и исследований оперативных способов контроля показателей
эрозии.
Актуальность темы определяется высоким процентом техники полива
дождеванием и возможности возникновения капельно-дождевой эрозии.
Существующие методики и приборы несовершенны и требуют уточнений.
36
Для решения этой задачи требуется: выявить факторы , которые
определяют уровень опасности возникновения эрозии и разрушающего
действия капель искусственного дождя на структурные агрегаты почв
разного гранулометрического состава; оценить существующие способы
определения величины капельно-дождевой эрозии; разработать технические
средства и технологии их применения для диагностики капельно-дождевой
эрозии; провести сравнительный анализ существующей и разработанной
технологий определения капельно-дождевой эрозии.
37
Глава 2. Моделирование процесса капельно-дождевой эрозии
2.1. Теоретическое обоснование формирования капельно-дождевой
эрозии
В гидродинамике удар капель о почву рассматривается как удар струи
жидкости
о
твердую
поверхность
[52].
Жидкие
струи
могут
быть
затопленными и незатопленными. Движение последних происходит в
воздухе (газовой среде). Среди этих струй выделяют дождевальные струи.
Причем в зависимости от технических средств орошения, струи могут быть
получены от применения среднеструйных дождевальных аппаратов и при
использовании короткоструйных насадков – струи малой толщины или
пленки. Пленка на выходе через насадки различных конструкций, как уже
было отмечено, распадается на капли тем мельче, чем ближе к насадку. Как
отмечает профессор Д. В. Штеренлихт, при полете струи на нее действуют
сила тяжести, сопротивление воздуха и силы внутри струи, которые связаны
с турбулентностью и колебательно-волновым движением жидкости в струе.
Совместное действие всех этих сил приводит струю к распад у. Капли,
образовавшиеся после распада, находятся под действием еще и сил
поверхностного натяжения [119].
Если струя встречает преграду, то она оказывает динамическое
воздействие на эту преграду. Это воздействие тем сильнее, чем струя
компактнее. Из физики известно, что давление p, которое оказывает тело на
поверхность,
прямо
пропорционально
пропорционально
площади
0
силе
опоры
воздействия
(контакта),
и
на
обратно
которую
распространяется это воздействие. Будем рассматривать каплю как струю, а
поверхность почвы как преграду. Введем обозначение силы динамического
воздействия
капли
(струи)
на
преграду
–
F.
В
соответствии
с
38
общеизвестными законом и формулой, чем больше величина F и меньше 0 ,
тем давление капли в момент удара на почву выше.
Решение задачи по определению силы удара струи о преграду
рассмотрено в теории гидравлики с помощью применения теоремы об
изменении количества движения массы жидкости. В случае удара о плоскую
поверхность сила удара F равна силе воздействия преграды на струю. Однако
в связи с искривлением линий тока при растекании фактическое значение F
на 5...8 % меньше
F  (0,92...0,95)ρω0d2 ,
(29)
где ω 0 – площадь живого сечения струи [113].
Вместе с тем, учение и модели эрозии базируются на статистических
зависимостях от метеорологических условий и данных о потерях почвы. И
хотя физические и химические процессы имеют универсальную природу,
компоненты эрозионного процесса и его условия очень вариабельны,
особенно при дождевании [170].
В главе 1 проведен литературный обзор, из которого следует, что задача
определения давления p, хоть и является сложной, однако имеет решение с
использованием законов Ньютона. Этим вопросом занимались В. В.
Сластихин [103], Г. и А. П. Исаев [49, 50], В. М. Московкин и В. Ф. Гахов
[79] и др., а учеными Н. С. Ерховым [35], Б. М. Лебедевым [71], В. И.
Городничевым [18, 19, 20] и др. предложены различные подходы для
определения p в условиях мелиорации (искусственного дождевания). Этими
вопросами занимались и зарубежные исследователи.
Интересное решение также предложено Я. Е. Гегузиным, причем он
получил формулу для расчета р без учета геометрических характеристик
самой капли (струи).
Рассмотрим момент удара капли о поверхность. В этот момент в месте
контакта капли с поверхностью возникает высокое давление, которое
39
обусловлено
малой
противоположном
торможения.
площадью контакта
ее
Волна
движению,
торможения
0 .
начинает
(сжатия)
Причем в направлении,
распространяться
перемещается
от
волна
места
столкновения по длине струи (капли) со скоростью звука в воде, т. е. c = 1,5 ·
103 м/с [14].
По закону Ньютона сила равна
F
md d
,
t
(30)
где md – масса жидкости (струи); d – изменение скорости жидкости; t –
интервал времени, в течение которого произошло изменение скорости d .
Массу жидкости md можно определить как
md  сtω0ρ,
(31)
где ρ – плотность жидкости.
Тогда давление струи о преграду будет определяться совместным
решением (30) и (31)
p  сdρ,
(32)
т. к. изменение скорости d остановленной жидкости равно скорости ее
движения d . В этом выражении геометрические размеры струи отсутствуют
и его можно применять для анализа удара капли о твердую преграду [14, 52].
Многочисленными расчетами и лабораторными исследованиями также
доказана высокая точность применения этого выражения [143, 152].
Скорость падения  d капли определяют по закону сохранение энергии.
Если пренебречь сопротивлением воздуха, то
d  2 gh ,
(33)
где g – ускорение свободного падения; h – высота падения капли.
С учетом этого можно записать выражение (32) в следующем виде
p  сρ 2 gh .
(34)
40
Формула (34) дает приближенное значение величины р. Строгое
гидромеханическое решение этой задачи учитывает кумулятивный эффект
волн давления, возникающих в капле в начальной фазе удара о твердую
поверхность. Оно представлено в дифференциальном виде и требует
применения численных методов расчета[116]. В момент удара о поверхность,
в том числе о поверхность почвы, капля ведет себя как твердое тело. Однако,
как подтверждают многочисленные исследования зарубежных ученых,
продолжительность действия давления на почву в этот момент настолько
короткое, что оно не влияет на эрозию [133]. В ранних исследованиях этого
процесса показано схожее с эффектом гидравлического удара воздействия
капель на твердые поверхности [14, 52, 122, 132, 163].
Во второй фазе удара давление в капле резко падает, и она растекается
по поверхности. Причем распределение давлений симметрично относительно
точки удара [142, 164]. В экспериментах американских ученых установлено,
что максимальное давление на почву приходится на некотором расстоянии от
точки удара. Похожие результаты имели место в исследованиях с твердыми
поверхностями, однако давление на почву было намного меньше [142, 143,
155]. Так максимальное давление удара о почву в эксперименте M. A.
Nearing от падения 5,6 мм капли с высоты 14 м на некотором расстоянии
(сопоставимым с размерами капли) от точки удара составило порядка 400
кПа, а в соответствии с приведенными им графическими данными вблизи
удара давление в этих условиях составило 100 кПа [152, 155].
По мнению H. Ghadiri существует две причины появлению такого кольца
высокого давления вокруг точки удара. Во-первых, само воздействие длится
очень короткий промежуток времени примерно тысячные и десятитысячные
доли секунды [79, 133, 134]. Во-вторых, от точки удара распространяется
боковой (радиальный) поток, и именно он способствует образованию
сферических каверн на поверхности почвы. Скорость радиального потока
больше скорости капли в момент удара [140, 142, 174]. В результате этого в
41
почве возникает сопротивление сдвигу, от величины которого зависит
характер эрозии [92]. Причем величина сопротивления сдвигу не зависит от
размеров капли или от прочности агрегатов почвы [134].
К концу второй фазы удара возникает так называемая «корона» из брызг.
Характеристики «короны» зависят от влажности почвы, наличия или
отсутствия слоя воды на ее поверхности, а также шероховатости поверхности
[92, 134, 135]. Также есть мнение, что шероховатость, которая развивается в
момент удара, существенно влияет на количество разбрызганной почвы
[146]. Причем величина шероховатости каверны возрастает с увеличением
диаметра капли [151].
Масса
разбрызганной
почвы
зависит
от
устойчивости
почвы
к
деформациям и сил сцепления между частицами, т. е. связности. Связность
определяет величину сопротивления сдвигу [92].
Кроме того установлено, что если капельной эрозии подвергаются
насыщенные водой почвы или почвы, на поверхности которых есть слой
воды, то это не приводит к изменению их плотности и пористости [84].
Однако наблюдаемое уплотнение почвы является результатом появления
корочки на ее поверхности вследствие разрушения агрегатов и упаковки
разбрызганных частиц [148].
При попадании на сухую почву капля впитывается в нее [4]. С
увеличением влажности растет и величина «короны». Одновременно и
возрастает давление почвенной влаги, рост которого также обусловлен
взаимодействием с каплей. Однако при появлении на поверхности почвы
пленки или слоя воды характер «короны» меняется. Это установлено
многочисленными экспериментами скоростной фотосъемки [92, 153]. Капли
начинают разлетаться не под острым углом к поверхности, а вертикально
вверх.
42
2.2. Методика исследований
Опыт по моделированию капельной эрозии почв проводился на установке,
показанной на рисунке 2.1. Сосуд Мариотта позволяет обеспечить постоянную
скорость истечения капель, несмотря на понижение уровня воды. Для образования
капель использовались медицинские иглы (инъекторы) с внутренними диаметрами
0,060 (34G), 0,110 (32G), 0,365 (23G) и 0,410 (22G) мм, в результате были получены
капли диаметром dd 1,73, 1,96, 2,32 и 2,73 мм соответственно с высотой падения h
1,0, 1,5, 2,0 и 2,5 м каждая. Эрозии подвергались образцы модельных почвогрунтов с
содержанием гумуса 0%, по гранулометрическому составу супеси и легкие
суглинки. Исследовались образцы следующего фракционного состава: 3,0…1,0 мм,
1,0…0,5 мм, 0,5…0,25 мм, <0,25 мм. Контроль – образец, состоящий из смеси
равных долей анализируемых фракций. Для исключения влияния химического
состава капель использовалась дистиллированная вода, подготовленная по ГОСТ
6709–72. Образцы увлажнялись до уровней 0,4 НВ (наименьшей влагоемкости), 0,7
НВ, НВ и полной влагоемкости (ПВ). В них формировались каверны dp, размер
которых 1,7, 2,0, 2,3, 2,7 и 3,0 мм. В качестве параметра, характеризующего
интенсивность капельной эрозии, в нашем опыте принято максимальное расстояние
разлета s почвенных частиц, которое регистрировалось от одиночного воздействия
капли на почву данного уровня влажности. Повторность опыта пятикратная [42].
43
3
1
4
2
7
5
6
8
9
Рисунок 2.1. Схема лабораторной установки: 1 – штатив; 2 – трубка; 3 – сосуд
Мариотта; 4 – вентиль; 5 – инъектор; 6 – защитный кожух; 7 – капля; 8 –
почвенный образец; 9 – мишень
Защитный кожух необходим для постоянства траектории падения капли,
поскольку любые колебания воздуха в лаборатории могут привести к
отклонению траектории падения капли от вертикального направления.
Образцы помещались в микрокюветы. Причем каждый образец для
исследования
использовался
однократно.
Масса
образцов
данного
гранулометрического и фракционного состава и влажности постоянная [42].
Размеры капель дождя выбирались исходя из следующих соображений.
Установлено, что средний диаметр капель искусственного дождя не должен
превышать 1,5…2,0 мм. По сложившемуся мнению орошение в этом случае не
вызывает разрушение структуры почвы. Однако современные дождевальные насадки
образуют капли размером 1…5 мм [15]. Причем на границах контура факела распыла
фиксируют
крупные
капли,
оказывающие
повышенное
гидродинамическое
воздействие на почву и растения. Но даже капли 1,2...1,64 мм могут оказать
существенное влияние на процесс эрозии [1].
Также
исследовались
Коломенского
района
образцы
Московской
почв
из
области
и
орошаемых
хозяйств
опытного
участка,
расположенного в Шацком районе Рязанской области. Это аллювиальная
агротемногумусовая
глееватая
супесчаная
почва
(PU–AUg–Cg –Cca)
44
фермерского хозяйства «ИП глава КФХ Бабунов Ю. А.» и аллювиальная
агрогумусовая
(дерновая)
«Акатьевский»
и
опытного
легкосуглинистая
глинисто-иллювиальный
участка.
Наименование
почва
(P–AY–C )
агрочернозем
горизонтов
давалось
ЗАО
(PU–AU–BI)
по
методике
Почвенного института имени В. В. Докучаева. Точечные пробы отбирались в
трехкратной повторности в трех местах по периферии орошаемых участков
из агротемногумусового (PU) и агрогумусового (P) горизонтов по ГОСТ
с
28168–89
глубины
5...10
см.
Повторность
опыта
моделирования
пятикратная [42].
Математическая
обработка
полученных
результатов
выполнена
в
программном комплексе «Statistica 10.0». Проведен регрессионный и
корреляционный анализ.
Изучение
проводилось
по
стандартным
методикам
лабораторных
опытов. Гранулометрический состав определен по Н. А. Качинскому; НВ –
по В. Е. Кабаеву; обменные N–NH4, N–NO3 и N–NO2 – колориметрически;
подвижные соединения P2O5 и K2O – по А. Т. Кирсанову; pHH2O – по ГОСТ
26483–85; Eh – потенциометрически; состав вытяжки по Е. В. Аринушкиной;
диаметры капель по методике В. Д. Воркова [42].
В хозяйствах реализована технология орошения дождеванием картофеля
сорта «ред скарлетт». В «ИП глава КФХ Бабунов Ю. А.» для этих целей
используют машины фронтального действия T–L (производства США), в
ЗАО «Акатьевский» – ДДА–100МА. На опытном участке использован
среднеструйный импульсный дождевальный аппарат RACO 4260–55/701C
[42].
Для дождевальных машин была определена крупность дождя как
медианный
диаметр
капель
dm
по
отпечаткам
на
обеззоленной
фильтровальной бумаге у границы факела распыла по методике В. Д.
Воркова
[57,
84].
Медианный
диметр
капель
как
характеристика
искусственного дождя предложен В. И. Городничевым. В оригинальной
45
методике при госиспытаниях дождевальной техники dm определяют по 8000
каплям [16]. Поскольку необходимая для измерений электронная аппаратура
отсутствовала, в данном исследовании медианный диаметр определен по
существенно упрощенной методике. Для дождеобразующего устройства у
концевой тележки T–L d m составляет 1,7 мм, для участка консоли у
периферии поля ДДА–100МА – 2,3 мм, , у RACO 4260–55/701C – 3,7 мм (для
моделирования принят d m = 2,7 мм). У машины T-L дождеобразующие
устройства расположены над почвой на высоте 1,5 м от поверхности почвы,
у ДДА–100МА – на высоте 2,0 м в точках отбора проб, у RACO 4260–
55/701C – 1,0 м [42].
2.3. Физические и химические характеристики почв и грунтов
Данные гранулометрического анализа и физические свойства образцов
модельных почвогрунтов (дисперсных грунтов) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты гранулометрического анализа
<0,01
5
9
20
–
0
24
47
3
8
18
29
* Потеря от обработки отсутствовала.
0,005
0,01...
6
0,01
10
0,05...
69
0,05
1
НВ,
%
0,25...
–
ПВ,
%
1...0,25
<0,001
суглинки
0,005...0,001
Легкие
18,68 ±
0,16
8,03 ±
0,20
Супесь
Размер фракций (в мм) и содержание частиц (в %)
22,33 ±
0,18
9,60 ±
0,27
Образцы
Потеря от
обработки*, %
и физические свойства почвогрунтов
46
Данные физических и химических свойств образцов почв из орошаемых
хозяйств Коломенского района Московской области и с опытного участка
приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Результаты гранулометрического анализа образцов почв
Размер фракций (в мм) и содержание
<0,01
<0,001
0,005...
0,001
0,01...
0,005
0,05...
0,01
0,25...
0,05
обработки, %
1...0,25
Образцы
частиц (в %)
Потеря от
PU, супесь,
машина T–L
(«ИП глава КФХ
–
074
12
3
7
4
14
–
231
42
8
3
14
25
14
36
5
18
16
39
Бабунов Ю. А.»)
P, легкий суглинок,
ДДА–100МА
(ЗАО «Акатьевский»)
PU, суглинок,
RACO 4260–
55/701C
(Шацкий район)
–
11
Таблица 3
Физические и химические свойства почв
N–NH4,
N–NO3,
N–NO2,
P2O5,
K2O,
мг/100 г
мг/100 г
мг/100 г
мг/100 г
мг/100 г
почвы
почвы
почвы
почвы
почвы
НВ, %
1
8,03 ± 0,20
14,14 ± 0,13
1,82 ± 0,02
0,08 ± 0,01
7,38 ± 0,03
8,18 ± 0,06
6,77 ± 0,03
139 ± 1
2
9,60 ± 0,27
12,25 ± 0,13
2,10 ± 0,01
0,07 ± 0,01
8,23 ± 0,05
5,40 ± 0,02
7,12 ± 0,05
158 ± 1
3
11,61 ± 0,27
24,96 ± 0,08
2,35 ± 0,03
0,14 ± 0,02
4,24 ± 0,05
4,28 ± 0,03
6,92 ± 0,01
140 ± 3
Легкий
1
18,09 ± 0,23
25,76 ± 0,15
0,87 ± 0,01
0,22 ± 0,01
6,67 ± 0,07
5,20 ± 0,11
6,97 ± 0,02
144 ± 2
суглинок,
2
15,34 ± 0,16
32,34 ± 0,09
2,03 ± 0,01
0,18 ± 0,01
6,10 ± 0,03
4,13 ± 0,16
7,10 ± 0,03
170 ± 3
P
3
19,78 ± 0,12
41,83 ± 0,07
1,14 ± 0,03
0,11 ± 0,01
5,27 ± 0,09
4,55 ± 0,07
7,25 ± 0,02
158 ± 1
1
20,04 ± 0,22
27,45 ± 0,08
0,53 ± 0,01
0,17 ± 0,02
6,82 ± 0,05
7,56 ± 0,04
6,94 ± 0,05
191 ± 1
2
18,92 ± 0,18
19,26± 0,15
0,66 ± 0,01
0,18 ± 0,03
6,03 ± 0,07
7,02 ± 0,07
7,18 ± 0,03
168 ± 1
3
19,14 ± 0,15
14,71 ± 0,08
1,28 ± 0,06
0,24 ± 0,01
7,53 ± 0,05
7,93 ± 0,17
7,18 ± 0,04
190 ± 2
гранулометр
ический
состав,
Супесь,
PU
Суглинок,
PU
pHH2O
Eh, мВ
Примечание: НВ – по В. Е. Кабаеву; обменные N–NH4, N–NO3 и N–NO2 – колориметрически; подвижные соединения
P2O5 и K2O – по А. Т. Кирсанову; pHH2O – по ГОСТ 26483–85; Eh – потенциометрически.
47
№ образца
Горизонт,
48
В рассматриваемых почвах согласно значениям Eh наблюдались резковосстановительные условия. При Eh < 200 мВ в почве повышается концентрация
закисных соединений железа и марганца в количествах, токсичных для растений
[64]. Проведенные в 2012 году исследования на других участках в «ИП глава
КФХ Бабунов Ю. А.» также указывали на резко-восстановительные условия [41].
Обеспеченность подвижными формами фосфора (4,24...8,23 мг/100 г почвы) и
калия (4,13...8,18 мг/100 г почвы) низкая и средняя. Обеспеченность почвы
минеральными формами азота (сумма NH4+, NO3– и NO2–) характеризовалась как
высокая и очень высокая. Наиболее повышенное содержание отмечено в образцах
из ЗАО «Акатьевский» (26,85...43,07 мг/100 г почвы), а в образцах из «ИП глава
КФХ Бабунов Ю. А.» сумма минеральных форм азота составила 14,42...27,44
мг/100 г почвы, в Шацком районе Рязанской области – 16,23...28,15 мг/100 г
почвы. Реакция водной суспензии почв относится к нейтральной (6,77...6,97) и
слабощелочной (7,10...7,25) [42].
2.4. Результаты исследований
Общее количество исследованных образцов составляет 4000 шт.
Использование модельных почвогрунтов позволило рассмотреть процесс
разбрызгивания без учета влияния содержания питательных веществ.
Капли, выпавшие на сухую поверхность, практически не разбрызгивают
частички почвы. Заметное разбрызгивание почвы начинается с увеличения
влажности, а при появлении на ее поверхности слоя воды прекращается [4].
Отмечена общая тенденция к увеличению размера каверны dp на всех
образцах. Капля уплотняет почву. Если капля попадает не в каверну, на
поверхности формируется небольшой след (неглубокая каверна), превышающий
размеры самой капли. При этом разлет частиц происходил не зависимо от того,
попала капля в каверну или нет. Таким образом, капля сама стремится к
49
формированию каверны. К подобным выводам также приходят американские
исследователи M. M. Al-Durrah и J. M. Bradford [123].
Сравнивая полученные данные с проведенными ранее исследованиями Ю. Г.
Жигимонт, удалось установить, что при попадании капли в пору (здесь и далее в этом
абзаце приведена авторская редакции Ю. Г. Жигимонт, которая использует вместо
слова «каверна» слово «пора») наблюдается меньший разлет, чем на поверхность без
предварительно сформированной поры размером dp. Вероятно это связано с тем, что
«вылет» частиц из-под капли в последнем случае происходит под углом бóльшей
величины, что препятствует дальности разлета.
В данном диссертационном исследовании регистрируется максимальный
разлет s частиц, следовательно фактор dp был исключен. Приведен график,
построенный по данным опыта с супесчаной почвой. Капли диаметром 1,73
мм падали с высоты 1,0 м, каверна размером dp = 1,7 мм. В результате
экспериментов установлено, что наибольшему эродирующему воздействию
подвержена фракция <0,25 мм и контрольный образец. Причем у смешенного
образца (контроль) s возрастало на всех уровнях влажности (от 0 см у воздушносухого образца до 6,2±0,5 см при НВ), а у фракции <0,25 мм (от 0 см у воздушносухого образца до 7,4±0,3 см при НВ) при НВ расстояние разлета снижалось
(рисунок 2.2). На почвенных образцах 3,0…1,0 мм, 1,0…0,5 мм, 0,5…0,25 мм
происходило преимущественно впитывание воды.
Рассмотрим результаты исследований при тех же условиях, но без
сформированной поры, т. е. Капли диаметром 1,73 мм падали с высоты 1,0 м.
В результате экспериментов удалось установить, что наибольшему эродирующему
воздействию подвержена фракция <0,25 мм и контрольный образец. Причем у
смешенного образца (контроль) s возрастало на всех уровнях влажности (от 0 см у
воздушно-сухого образца до 8,1±0,4 см при НВ), а у фракции <0,25 мм (от 0 см у
воздушно-сухого образца до 9,4±0,3 см при НВ) при достижении НВ расстояние разлета
снижалось (рисунок 2.3). На почвенных образцах 3,0…1,0 мм, 1,0…0,5 мм, 0,5…0,25 мм
для данных условий так же происходило преимущественно впитывание воды.
50
Рисунок 2.2 Результаты опыта для условий dd = 1,73 мм, dp = 1,7 мм и h = 1,0
м: 1 – кривая разлета фракции <0,25 мм; 2 – кривая разлета контрольного образца
Рисунок 2.3. Результаты опыта для условий dd = 1,73 мм и h = 1,0 м: 1 – кривая
разлета фракции <0,25 мм; 2 – кривая разлета контрольного образца
51
Рассмотрим и сопоставим результаты опыта с каплями диаметром dd 1,73 и
2,73 мм при высоте падения h 1,0 и 2,5 м.
Установлено, что наибольшему эродирующему воздействию подвержена
фракция <0,25 мм и контрольный образец. Как видно из рисунка 2.4,
максимальный
разлет
частиц
почвы
наблюдается
при
наименьшей
влагоемкости, затем s снижается. Причем с увеличением высоты падения
капли увеличивается и разлет частиц. Так при НВ образца и падении капли dd
1,73 мм с высоты 1,0 м и 2,5 м на контроле s составляет 8,1±0,4 см и 20,1±0,5
см соответственно, а у фракции <0,25 мм – 9,4±0,3 см и 24,6±0,4 см.
Рисунок 2.4. Результаты опыта для капли 1,73 мм: 1 и 2 – контрольный
образец, падения капли с высоты 1,0 и 2,5 м; 3 и 4 – фракция <0,25 мм, падения
капли с высоты 1,0 и 2,5 м
При НВ образца и падении капли dd 2,73 мм с высоты 1,0 м и 2,5 м на
контроле s составляет 18,7±0,5 см и 46,4±0,4 см соответственно, а у фракции
<0,25 мм – 20,1±0,3 см и 59,3±0,6 см (рисунок 2.5).
52
Рисунок 2.5. Результаты опыта для капли 2,73 мм: 1 и 2 – контрольный
образец, падения капли с высоты 1,0 и 2,5 м; 3 и 4 – фракция <0,25 мм, падения
капли с высоты 1,0 и 2,5 м
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что при достижении
почвы уровня НВ наблюдается рост капельной эрозии, которая снижается с
наступлением полной влагоемкости образца [42].
В результате регрессионного анализа получены выражения:
s = – 4,8 + exp(– 0,08 + 0,55 h + 0,64 d d + 0,88 w), R2 = 0,93 ± 0,05;
(35)
s = – 5,23 + exp(– 0,13 + 0,5 h + 0,62 d d + 0,87 w), R2 = 0,97 ± 0,02,
(36)
где s – расстояние разлета частиц, см; h – высота падения капель, м; dd – диаметр
капель, мм; w – влажность образца, в долях НВ.
Коэффициенты детерминации R2 свидетельствуют о высокой точности
подбора уравнений множественной регрессии. Выражение (35) соответствует
разлету частиц супеси, (36) – суглинку. Коэффициенты корреляции r между
расстоянием s и величинами h, dd и w составляют соответственно 0,53 ± 0,11, 0,49
± 0,12 и 0,6 ± 0,1, связь прямая [42]. Корреляция между регрессорами h, dd и w
53
отсутствует. Установлено достоверное влияние h, dd и w на величину s (уровень
значимости p < 0,0001). Значения коэффициента r приведены в таблица 4 и 5.
Таблица 4
Корреляционная матрица параметров капельной эрозии
дисперсных грунтов супесчаного состава
Параметры
s
Коэффициенты корреляции r
s
h
dd
w
1,0
0,52
0,41
0,55
1,0
0,0
0,0
1,0
0,0
h
dd
w
1,0
Таблица 5
Корреляционная матрица параметров капельной эрозии
дисперсных грунтов легкого суглинистого состава
Параметры
s
h
dd
Коэффициенты корреляции r
s
h
dd
w
1,0
0,53
0,49
0,6
1,0
0,0
0,0
1,0
0,0
w
1,0
При регрессионном анализе из выборки исключены показатели разлета при
ПВ, т. к. в практике орошаемого земледелия для недопущения появления
поверхностного стока поливные нормы рассчитываются с учетом достижения
почвы НВ. Величина w в выражениях (35) и (36) изменяется от 0 до НВ.
54
Исследования показали, что максимальный разлет частиц наблюдается
при достижении модельных образцов НВ. Наиболее уязвима к капельной
эрозии фракция <0,25 мм, наиболее устойчива – фракция 3,0...1,0 мм.
Максимальное расстояние разлета частиц s = 59,3 ± 0,6 см (при h = 2,5 м, dd =
2,73 мм и w = НВ) отмечено у фракции <0,25 мм. У контрольных образцов
при тех же условиях s = 46,4 ± 0,4 см. Затем при возрастании влажности до
ПВ величина s снижается, а на всех вариантах с dd = 1,73 мм при ПВ разлет
не регистрировался. Вероятно это связано с тем, что при заполнении пор
водой механизм эрозии постепенно меняется [42]. Полученные расстояния
разлета согласуются с данными Г. В. Добровольского и Л. А. Гришиной,
установивших, что капли дождя способны разрушить и разбрызгать
почвенные частицы до 50…60 см [29]. P. C. Ekern и R. J. Muckenhirn
отмечают, что от воздействия капель частицы песка разбрызгивались в
высоту до 60 см и на расстояние до 1,5 м и более [129]. P. H. Walker, P. I. A.
Kinnell, P. Green также наблюдали снижение интенсивности бокового разлета
почвенных фракций при полной влагоемкости [173].
Такой процесс был характерен и для образцов почв из орошаемых хозяйств
Коломенского района Московской области и опытного участка. Почвенные
образцы (225 шт.) также подвергались капельной эрозии с помощью установки
показанной на рисунке 2.1 [42]. Повторность пятикратная. В результате получены
уравнения регрессии, определены коэффициенты регрессии с учетом содержания
минеральных элементов:
s = – 3,6 + exp(1,46 + 1,16 w), R2 = 0,97 ± 0,02;
(37)
s = – 6,65 + exp(2,21 + 0,98 w), R2 = 0,96 ± 0,03.
(38)
s = – 5,19 + exp(2,11 + 1,1 w), R2 = 0,95 ± 0,03.
(39)
Коэффициент детерминации R2 свидетельствует о высокой точности
уравнений
регрессии.
Выражение
(37)
соответствует
разлету
частиц
аллювиальной агротемногумусовой глееватой супесчаной почвы, (38) –
разлету частиц аллювиальной агрогумусовой (дерновой) легкосуглинистой
55
почвы, (39) – разлету частиц глинисто-иллювиального агрочернозема.
Коэффициент корреляции r между расстоянием s и w составляет 0,96 ± 0,04 и
0,98 ± 0,01 соответственно для супесчаной и легкосуглинистой почвы, связь
тесная, прямая. Установлено достоверное влияние влажности на расстояние
разлета (уровень значимости p = 0,001). Однако расстояние s и наименьшая
влагоемкость слабо коррелируют (r < – 0,1). Поскольку корреляционная
связь
между
расстоянием
разлета
и
наименьшей
влагоемкостью
отрицательная, можно предположить, что с увеличением наименьшей
влагоемкости разлет уменьшается, но статистически достоверного влияния
наименьшей влагоемкости на s не установлено (p > 0,7), вероятно, из-за
рассмотрения
узкого
экспериментальные
диапазона
кривые
выражениям (35)…(39) [42].
НВ.
разброса
На
частиц
рисунке
почвы,
2.6
приведены
построенные
по
56
20
1
Расстояние разлета s, см
Расстояние разлета s, см
12
10
2
8
6
4
4
2
16
3
12
8
5
4
1
0
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Влажность w, в долях от НВ
0
1
0,2
0,4
0,6
0,8
Влажность w, в долях от НВ
1
б
а
Расстояние разлета s, см
25
6
20
1
15
10
5
3
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Влажность w, в долях от НВ
1
в
Рисунок 2.6. Кривые разброса частиц почвы: а – образец 1, «ИП глава КФХ
Бабунов Ю. А.»; б – образец 1, ЗАО «Акатьевский»; в – образец 1, Шацкий район;
1 – экспериментальная кривая; 2 – кривая разброса по выражению (35); 3 – кривая
разброса по выражению (36); 4 – кривая разброса по выражению (37); 5 – кривая
разброса по выражению (38); 6 – кривая разброса по выражению (39)
Между параметрами разлета частиц модельных почвогрунтов и образцов
почв из хозяйств существует тесная прямая корреляционная связь вероятно из-за
исследования одного диапазона фракций (3,0...0 мм). Коэффициент корреляции r
для супеси равен 0,94 ± 0,02 (p = 0,03), для суглинка – 0,96 ± 0,03 (p = 0,02).
Однако образцы почв более устойчивы к капельной эрозии, что объясняется
57
влиянием их органоминерального состава на процесс разрушения агрегатов (см.
таблицы 2 и 3) [42].
2.5. Выводы по главе 2
Разлет
частиц
почвы
при
капельной
эрозии
зависит
от
гранулометрического состава почв, диаметра капель дождя и высоты их
падения.
Капля, ударяя о поверхность почвы, формирует каверну (след), по
размерам превышающий примерно в 2 раза диаметр капли.
Наибольшему эродирующему воздействию подвержена фракция <0,25
мм и контрольный образец (который содержит фракцию <0,25 мм). На
почвенных образцах 3,0…1,0 мм, 1,0…0,5 мм, 0,5…0,25 мм происходило
преимущественно впитывание воды.
Расстояние разлета частиц возрастает с увеличением уровня влажности
почвы до наименьшей влагоемкости, после чего происходит постепенное
снижение разлета до полной влагоемкости. При НВ образца и падении капли
dd 1,73 мм с высоты 1,0 м и 2,5 м на контроле s составляет 8,1±0,4 см и
20,1±0,5 см соответственно, а у фракции <0,25 мм – 9,4±0,3 см и 24,6±0,4 см.
При НВ образца и падении капли dd 2,73 мм с высоты 1,0 м и 2,5 м на
контроле s составляет 18,7±0,5 см и 46,4±0,4 см соответственно, а у фракции
<0,25 мм – 20,1±0,3 см и 59,3±0,6 см.
Расстояние разлета частиц аллювиальной агротемногумусовой глееватой
супесчаной почвы составляет 11,3±0,5 см при падении капли dd 1,73 мм с
высоты 1,5 м. Расстояние разлета частиц аллювиальной агротемногумусовой
глееватой супесчаной почвы составляет 11,3±0,5 см при падении капли dd 1,73
мм с высоты 1,5 м. Расстояние разлета частиц аллювиальной агрогумусовой
(дерновой) легкосуглинистой почвы составляет 18,1±0,6 см при падении
капли dd 2,32 мм с высоты 2,0 м. Расстояние разлета частиц глинисто-
58
иллювиального агрочернозема составляет 20,2±0,7 см при падении капли dd
2,73 мм с высоты 1,0 м [42].
Полученные зависимости расстояния разлета частиц рекомендуется
использовать для расчета капельной эрозии, но с учетом органоминерального
состава почв.
Результаты исследования капельной эрозии рекомендуется использовать
при
разработке
раздела
по
охране
природы
проектов
мелиоративных систем и на этапе предпроектных изысканий.
строительства
59
Глава 3. Капельная эрозия почв и аппаратная база для ее определения
3.1. Обзор существующей аппаратной базы для определения
величины капельной эрозии
В главе 1 проведен литературный обзор. Рассмотрены также и способы
количественной оценки интенсивности капельной эрозии. Например, с
помощью специальных собирающих стаканов или щитов. В этом случае
можно узнать массу разбрызганной почвы, приходящуюся на единицу
площади. В разных модификациях этот способ применяли W. D. Ellison
([130], 1944), Г. К. Горчичко ([136], 1977), R. P. C. Morgan ([150], 1981),
Низар Хасан Зарда ([81], 1993), M. Parlak и A.O. Parlak ([160], 2010). Такой
способ позволяет установить величину допустимых потерь почвы при
дождевании.
А. Е. Касьянов разработал устройство для оценки опасности водной
эрозии почв. Это устройство содержит пористую измерительную пластину,
нижняя
сторона
которой
выровнена
и
покрыта
водонепроницаемым
эластичным экраном. Экран связан с датчиками, которые подсоединены к
прибору индикации для измерений. Поры пластины заполнены водой. При
внесении прибора в зону дождя капли создают гидродинамическое давление,
которое вызывает деформацию эластичного экрана, датчики измеряют
величину деформации, а прибор индикации фиксирует это значение. При
этом отмечается, что точность измерений зависит от степени сродства
поверхности пластины и пористой поверхности почвы исследуемого участка
[53, 107].
В. И. Городничев и Г. В. Ольгаренко являются авторами другого
изобретения, которое может использоваться для измерения размера и
скорости капель дождя. Кроме того, полученные значения указанных
параметров используются для пересчета удельных показателей мощности
60
искусственного дождя и давления на почву. Система контроля этого прибора
состоит из фотоэлектрического датчика и усилителя, блока измерения
амплитуды сигнала, блока измерения времени, блока выделения сигнала,
блока управления, блока выбраковки ложных сигналов и анализатора
импульсов [18, 19, 102].
3.2. Методика определения массы разбрызганной почвы
Для разработки технического средства диагностики капельной эрозии
проведены исследования по изучению массы разбрызганной почвы от удара
капель. Эксперимент проводился на установке с помещенным образцом
почвы в стакан-собиратель (рисунок 3.1.). Масса разбрызганной почвы
определялась с помощью специальных стаканов-собирателей. Как отмечено
выше, в разных модификациях этот способ применяли W. D. Ellison ([130],
1944), Г. К. Горчичко ([136], 1977), R. P. C. Morgan ([150], 1981), Низар
Хасан Зарда ([81], 1993), M. Parlak и A.O. Parlak ([160], 2010). Д. А.
Маштаков в своих исследованиях для определения массы разбрызганной
почвы применял метод, предложенный Г. И. Швебсом ([117], 1968). Для
этого он использовал предварительно взвешенные обеззоленные бумажные
фильтры размером 15×15 см. Эти фильтры вносились в зону дождя на 10 с, а
затем высушивались и взвешивались вместе с попавшими на них частицами
почвы [73].
61
3
1
4
2
7
5
6
8
9
Рисунок 3.1. Схема лабораторной установки: 1 – штатив; 2 – трубка; 3 –
сосуд Мариотта; 4 – вентиль; 5 – инъектор; 6 – защитный кожух; 7 – капля; 8
– почвенный образец; 9 – стакан-собиратель
Сопоставляя результаты этих ученых, в данном диссертационном
исследовании количество разбрызганной почвы определено следующим
образом. После однократного удара капли происходит разлет частиц. Из
стакана-собирателя
удаляется
дистиллированной
водой
предварительно
кювета,
и
разбрызганные
высушенный
до
с
помощью
частицы
постоянной
массы
промывалки
переносятся
и
с
на
взвешенный
обеззоленный фильтр. Фильтр высушивается, по разности определяется
масса частиц почвы [43].
Математический анализ выполнен в программном комплексе «Statistica
10.0».
3.3. Результаты опредления массы разбрызганной почвы
Общее число исследованных образцов составило 440. Для выявления
связи между исследуемыми величинами проведен корреляционный анализ.
Коэффициенты корреляции r между массой т разбрызганных частиц и
величинами h и dd для контрольного образца, фракции <0,25 мм и образцов
почв из хозяйств и опытного участка лежат в пределах 0,45...0,88, причем все
62
значения менее 0,6 относятся к диаметрам капель dd . Максимальный
коэффициент корреляции между dd и т составляет 0,7 для контрольного
образца супеси, минимальный 0,45 – для фракции <0,25 мм супеси. Кроме
того, статистической значимости между dd и т не выявлено (уровень
значимости p > 0,05) ни в одном из образцов. Вероятно, это связано с
исследованием всего двух размеров капель [43].
Стоит отметить, что сокращение числа вариантов диаметров капель обосновано
в более ранних исследованиях автора данного диссертационного исследования, в
которых установлен минимальный и максимальный диаметр [42, 43].
Установлено достоверное влияние высоты падения капли на массу
разбрызганных частиц ( p < 0,05). Наиболее существенно это проявляется в
статистической характеристике образцов фракции <0,25 мм супеси и
суглинка ( p
= 0,004 и
p
= 0,012 соответственно). Эти результаты
подтверждают предварительные исследования. Корреляционная связь тесная,
прямая ( r
= 0,68...0,88). Полученные значения статистики позволяют
говорить о наличии зависимости между массой т разбрызганных частиц и
высотой падения капли
h . Корреляционные матрицы для параметров
капельной эрозии дисперсных образцов приведены в таблицах 6 и 7 [43].
Таблица 6
Корреляционная матрица параметров капельной эрозии
дисперсных грунтов супесчаного состава
Параметры
m (<0,25 мм)
m (контроль)
dd
h
Коэффициенты корреляции
m (контроль)
m (<0,25 мм)
dd
h
1,0
0,93
0,60
0,68
1,0
0,45
0,88
1,0
0,0
1,0
63
Таблица 7
Корреляционная матрица параметров капельной эрозии
дисперсных грунтов легкого суглинистого состава
Параметры
m (<0,25 мм)
Коэффициенты корреляции
m (контроль)
m (<0,25 мм)
dd
h
1,0
0,95
0,36
0,69
1,0
0,53
0,82
1,0
0,0
m (контроль)
dd
h
1,0
На рисунке 3.2 приведены графики распределения значений массы
разбрызганных частиц в зависимости от высоты падения капли для образцов
супеси.
Как
видно
из
приведенных
данных,
наиболее
подвержена
разрушению и, как следствие, разлету фракция <0,25 мм. Причем от удара
капли размером 2,73 мм на этих образцах разлетаются частицы общей массой
0,056 ± 0,004 г. При тех же условиях, но на контрольных образцах, т = 0,033
± 0,005 г. Но и капля размером 1,73 мм может также разбрызгать
сопоставимое количество почвенных частиц: 0,043 ± 0,003 г для фракции
<0,25 мм и 0,016 ± 0,004 г для контрольного образца при падении с высоты
2,5 м [43].
64
m, гm, г
0,035
0,035
m, гm, г
2
2
0,060,06
2
2
0,030
0,030
0,050,05
0,025
0,025
0,040,04
0,020
0,020
0,030,03
0,015
0,015
0,020,02
0,010
0,010
1 1
0,010,01
0,005
0,005
1
1
3 3
4 4
5 5
0,000
0,000
0,000,00
0 00,5 0,5
1,0 1,0
1,5 1,5
2,0 2,0
2,5 2,5
h, мh, м
0 00,5 0,5
1,0 1,0
1,5 1,5
2,0 2,0
2,5 2,5
h, мh, м
а а
б б
а
б
Рисунок 3.2. Зависимость массы разбрызганной почвы от высоты падения
капель: а – супесь, контрольный образец; б – супесь, фракция <0,25 мм; 1 – для
капли d d = 1,73 мм; 2 – для капли d d = 2,73 мм; 3 – среднее значение; 4 –
доверительный интервал; 5 –ошибка среднего
Исследования образцов суглинка также показали, что наиболее
подвержена капельной эрозии фракция <0,25 мм. Для этих образцов масса
разбрызганных частиц составила 0,037 ± 0,003 г и 0,026 ± 0,002 г при
падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно.
На контрольных образцах значения т были несколько ниже и составляли
0,025 ± 0,003 г и 0,013 ± 0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель
диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно [43].
Использование
модельных
процесс разбрызгивания без
почвогрунтов
позволило
рассмотреть
учета влияния содержания питательных
веществ. Однако такой процесс, связанный с разбрызгиванием частиц почвы,
65
был характерен и для образцов почв из орошаемых хозяйств Коломенского
района Московской области и опытного участка, расположенного в Шацком
районе Рязанской области. Для агротемногумусового (PU) горизонта почвы
супесчаного гранулометрического состава фермерского хозяйства «ИП глава
КФХ Бабунов Ю. А.» масса разбрызганных частиц составила 0,022 ± 0,004 г
и 0,012 ± 0,003 г при падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и
1,73 мм соответственно. Для агрогумусового (P) горизонта почвы легкого
суглинистого гранулометрического состава ЗАО
«Акатьевский» масса
разбрызганных частиц составила 0,016 ± 0,003 г и 0,008 ± 0,002 г при
падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно.
Для
агротемногумусового
(PU)
горизонта
почвы
суглинистого
гранулометрического состава опытного участка масса разбрызганных частиц
составила 0,013 ± 0,002 г и 0,007 ± 0,002 г при падении с высоты 2,5 м капель
диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно [43]. Под агрогумусовым в [86]
понимается агрогенно-преобразованный горизонт.
Как и предполагалось, величины т для почв из хозяйств и опытного
участка оказались меньше, чем массы разбрызганных частиц для аналогичных
условий
почвогрунтов.
Однако
между
параметрами
разлета
модельных
почвогрунтов и образцов почв существует тесная прямая корреляционная связь,
вероятно, из-за исследования одного диапазона фракций. Коэффициенты
корреляции также находятся в пределах r = 0,7...0,99. Причем также наблюдается
достоверное влияние высоты падения капли на массу т (уровень значимости p =
0,001...0,04 и r = 0,7...0,88). Образцы почв более устойчивы к капельной эрозии,
это объясняется влиянием их органоминерального состава на процесс капельной
эрозии [43].
Коэффициенты корреляции между параметрами разбрызганной почвы и
модельных почвогрунтов (дисперсных грунтов) представлена в таблицах 8 и 9.
66
Таблица 8
Корреляционная матрица параметров разбрызганной почвы
и дисперсных грунтов супесчаного состава
Коэффициенты корреляции
Параметры
m
(контроль)
s (контроль)
m (<0,25 мм)
s (<0,25 мм)
m (PU)
m
s
m
s
(контроль) (контроль) (<0,25 мм) (<0,25 мм)
1,0
m
(PU)
s
(PU)
0,99
0,93
0,97
0,97
0,99
1,0
0,93
0,97
0,95
0,99
1,0
0,89
0,94
0,92
1,0
0,90
0,97
1,0
0,95
s (PU)
1,0
Таблица 9
Корреляционная матрица параметров разбрызганной почвы
и дисперсных грунтов суглинистого состава
Коэффициенты корреляции
m
S
Параметры
m
s
m
s
(<0,25
(<0,25
(контроль) (контроль)
(PU) (PU)
мм)
мм)
m
1
0,98
0,95
0,97
0,96 0,98
(контроль)
s (контроль)
1
0,94
0,98
0,97 0,89
m
1
0,95
0,96 0,94
(<0,25 мм)
s
1
0,96 0,98
(<0,25 мм)
m (PU)
1
0,97
s (PU)
1
m (P)
s (P)
m
s
(P) (P)
0,97 0,98
0,97 0,89
0,97 0,94
0,95 0,98
0,98 0,97
0,97 0,89
1 0,97
1
67
Похожие результаты получены исследователями M. A. Nearing и J. M.
Bradford.
Они
также
изучали
количество
разбрызганной
почвы
от
однократного воздействия на нее капли. В их эксперименте капля диаметром
5,7 мм ударяла о почву с высоты 13 м. Особое внимание ученые удели
явлению сопротивления почвы сдвигу, возникающему при ударе. В
соответствии с приведенными ими данными, в условиях эксперимента
максимальная масса составила 0,05 г [43, 153].
Для выявления закономерностей между максимальным расстоянием S
разлета частиц почвы и суммарной массой
т
разбрызганных частиц
по выражениям (35) и (36) произведен расчет величины s для всех образцов.
Ранее показано, что максимальное расстояние разлета частиц супеси s = 59,3
± 0,6 см (при h = 2,5 м, dd = 2,73 мм и w = НВ) отмечено у фракции 0,25...0
мм. У контрольных образцов при тех же условиях s = 46,4 ± 0,4 см [42, 43].
По выражению (35) s = 47,5 см, что является достаточно точным результатом
[43].
В
результате
регрессионного
анализа
получены
два
выражения,
отражающие зависимость суммарной массы разбросанных частиц от их
максимального разлета:
т = – 27,385 + exp(3,31 + 0,000023 s), R 2 = 0,93 ± 0,02;
(40)
т = – 16,102 + exp(2,779 + 0,000036 s), R2 = 0,89 ± 0,04,
(41)
где s – расстояние разлета частиц, см; т – масса разбрызганной почвы, г.
Выражение (40) соответствует разлету частиц супеси, (41) – суглинку.
Влажность на уровне НВ. Коэффициент детерминации R2 свидетельствует о
высокой точности подбора уравнений регрессии [43].
На рисунке 3.3 построены кривые зависимости значений массы m
разбрызганных частиц от расстояния s разлета частиц. Как видно из рисунка
3.3, полученные зависимости отражают общие закономерности капельной
эрозии.
Однако
очевидно,
что
для
полного
описания
количества
68
разбрызганной почвы необходим учет и органоминерального состава почв
[43].
0,035 m, г
0,030
2
0,030
m, г
2
0,025
0,025
4
1
0,020
0,020
0,015
0,015
3
0,010
0,010
0,005
0,005
0,000
10,0
г
0,030
2
s, см
20,0
а
30,0
40,0
50,0
0,000
10,0
20,0
а
m, г
2
0,025
4
1
0,020
0,015
3
0,010
5
0,005
s, см
20,0
а
30,0
40,0
50,0
6
0,000
10,0
20,0
б
30,0
б
s, см
40,0
Рисунок 3.3. Кривые зависимостей массы от расстояния разлета: а – супесь; б –
суглинок; 1 – кривая, построенная по выражению (40); 2 – контроль, d d = 2,73 мм; 3 –
агротемногумусовый (PU) горизонт; 4 – кривая, построенная по выражению (41); 5 –
агрогумусовый (P) горизонт; 6 – агротемногумусовый (PU) горизонт почвы
3
69
3.4. Разработка конструкции приборов регистрации динамического
действия дождя на почву
Для определения массы разбрызганной почвы предложена конструкция
прибора, в основе которого – способ измерения динамического действия дождя на
почву и устройство для его реализации [54, 107]. Действующий макет прибора
представлен на рисунке 3.4.
1
3
2
7
4
5
6
7
а
б
Рисунок 3.4. Прибор измерения динамического действия дождя на почву:
а – схема с разрезом; б – фотография действующего макета; 1 – пластиковая
мембрана; 2 – крепление пластиковой мембраны; 3 – акустическая
диафрагма; 4 – соединительная трубка; 5 – узел регистрации звука
(микрофон); 6 – корпус прибора; 7 – разъем подключения «мини-джек» с
кабелем
Акустическая диафрагма 3 служит для усиления колебаний звука,
который по соединительной трубке 4 поступает к узлу регистрации звука 5.
Этот узел состоит из микрофона, работающего в частотном диапазоне от 50
до 20 000 Гц. Для приема и обработки звуковых сигналов, генерируемых
70
каплями, служит разъем подключения 7 типа 3,5 мм TRS («мини-джек»).
Этот
тип
подключения
характерен
для
большинства
звуковых
плат
персонального компьютера потребительского уровня, а также портативных
устройств. Прибор помещается в корпус 6, который защищает встроенную
электронику от попадания влаги [44]. Для данной конструкции получен
патент на полезную модель номер 155056 [115].
Под руководством профессора А. Е. Касьянова в ФГБОУ ВО «РГАУ –
МСХА имени К. А. Тимирязева» предложен патент 2518744 [114], с
помощью которого выполнены исследования влияния полиакриламида на
капельную эрозию. Однако была изменена конструкция прибора, но
сохранен принцип и методика изучения удара капли. Вместо тензодатчиков,
расположенных
под
мембраной,
в
действующем
макете
применена
акустическая диафрагма с установленным в ее основании микрофоном,
работающим в частотном диапазоне 50...20 000 Гц и имеющего разъем
подключения типа 3,5 мм TRS («мини-джек»). В результате получился
«симбиоз» патентов 155056 и 2518744. Такая модификация не влияет на
точность исследований и необходима для сопоставления результатов
исследований данной диссертационной работы [58].
Пористая пластина моделирует поверхность почвы и изготовлена из
кремнийорганического полимера – силиконового каучука (содержание около 45
%) [58]. На рисунке 3.5 показана схема устройства и пористая пластина.
Силиконовый каучук используется для удобства изготовления пористой
пластины.
71
а
б
Рисунок 3.5. Схема устройства (а) и пористая пластина (б): 1 – пористая
пластина; 2 – акустическая диафрагма; 3 – соединительная трубка; 4 – узел
регистрации звука (микрофон); 5 – корпус прибора; 6 – разъем подключения
«мини-джек» с кабелем
3.5. Методика лабораторных испытаний приборов
Макет (патент 155056) использовался для исследований динамического
воздействия падающих капель на специальной установке, описанной в
пунктах 2.2 и 3.2 настоящей диссертационной работы (рисунки 2.1. и 3.1). В
этих разделах также представлены результаты исследований дальности s и
массы m разбрызганных частиц почвы.
Для моделирования пористой среды (патент 155056) на пластиковую
мембрану
1
помещали
слой
модельных
почвогрунтов
(минеральных
дисперсных грунтов) с содержанием гумуса 0 %, по гранулометрическому
составу супеси и легкие суглинки. Мощность слоя не более 1,5 мм.
Исследовали образцы следующего фракционного состава: 3,0...1,0 мм; 1,0...0,5
мм; 0,5...0,25 мм; < 0,25 мм. Контроль – это образец, состоящий из смеси
равных долей анализируемых фракций. Капли с диаметром dd 1,73 и 2,73 мм
падали с высоты h 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5 м. Для исключения влияния химического
состава капель использовали дистиллированную воду, подготовленную по
ГОСТ 6709–72 [44]. Образцы увлажнялись до уровня НВ (наименьшей
72
влагоемкости), так как в исследованиях, описанных в главе 2, установлено,
что в этом состоянии почва наиболее подвержена капельной эрозии.
Пористая пластина (патент 2518744, [114]) моделирует поверхность почвы и
изготовлена из кремнийорганического полимера – силиконового каучука
(содержание около 45 %). Химическое взаимодействие ПАА и силиконового
каучука отсутствует. Диаметр пор 1...3 мм, толщина пластины 3 мм [58]. В [44,
57] установлено, что наиболее активно разрушение почвы капельным потоком
наблюдается при наименьшей влагоемкости, после чего происходит постепенное
снижение расстояния разлета и массы разбрызганных частиц до достижения
полной влагоемкости. Поэтому пористая пластина заполнялась раствором
полиакриламида, содержание
которого
соответствовало
каплям дождя с
добавками ПАА, моделировалось состояние почвы близкое к наименьшей
влагоемкости (НВ). Устройство размещалось перпендикулярно оси капельного
потока жидкости. При ударе капель возникает гидродинамическое давление,
которое вызывает деформацию мембраны, возникают звуковые колебания, по
частоте v которых судят о величине капельной эрозии, то есть о массе
разбрызганных частиц m и расстоянии их разлета s [58].
Повторность
записи
показаний
приборов
пятикратная.
Изучение
проводили по стандартным методикам лабораторных и полевых опытов.
Математический анализ выполнен в программном комплексе «Statistica
10.0». Принятый уровень значимости p < 0,05.
Также
исследовались
Коломенского
района
образцы
Московской
почв
из
области
орошаемых
хозяйств
опытного
участка,
и
расположенного в Шацком районе Рязанской области. Это аллювиальная
агротемногумусовая
глееватая
супесчаная
почва
(PU–AUg–Cg –Cca)
фермерского хозяйства «ИП глава КФХ Бабунов Ю. А.», аллювиальная
агрогумусовая
(дерновая)
«Акатьевский»
и
опытного участка.
легкосуглинистая
глинисто-иллювиальный
почва
(P–AY–C )
агрочернозем
ЗАО
(PU–AU–BI)
73
Для анализа звука применяется среда программы математического
моделирования MATLAB R2013b (version 8.2) для операционной системы
Windows.
Для
записываются
этого
на
функции,
интерпретируемом
выполняющие
языке
программирования
преобразование
Фурье
для
спектрального анализа частоты колебаний звука, генерируемого ударом
падающей капли о мембрану. Звук записывается в файл c расширением WAV
[44].
Преобразование Фурье является интегральным и определяется так:

f(v) =
 f(t)exp(i2πvt)dt ,
(42)
-
где t – время, с; v – линейная частота, Гц; i – мнимая единица.
Программа обращается к файлу с расширением WAV через функцию
чтения, синтаксис которой имеет вид
y = wavread(file name),
(43)
где y – параметры звука (частота); wavread – функция чтения; file name – имя
анализируемого файла (путь).
Пусть частота дискретизации исходного файла определяется значением
fs. Тогда длительность звука будет вектором времени, модуль которого
изменятся в интервале от 0 до t с шагом 1/fs. Затем выполняется быстрое
преобразование Фурье с помощью функции fft и производится градуировка
частотной оси и нормировка полученных результатов. Синтаксис функции fft
имеет вид
Y = fft(х),
(44)
где Y – результаты преобразования; х – анализируемые значения (файл со
звуком) [44].
Чтобы полученные в быстром преобразовании результаты совпадали со
значениями по формуле (42), необходимо умножить Y на шаг времени 1/fs
[63]. Нормировка частоты v звукового колебания выполняется в соответствии
с теоремой отсчетов как частота Найквиста, равная половине частоты
74
дискретизации. Результат анализа представлен в виде осциллограммы и
гармонического
спектра
данного
звукового
колебания
[120].
Также
исследуется окрестность максимума частоты v (рисунок 3.6). Это значение
Амплитуда А
принимается за результирующее колебание [44].
1
0
–1
0
0,02
0,04
t, с
а
–5
4
А, 10
2
0
10
15
20
v, кГе
б
4
–5
А, 10
2
0
12 ,8
12,9 кГе
12 ,9
13,0
v, кГе
в
Рисунок 3.6. Пример результата анализа для образца агрочернозема при
ударе капли 1,73 мм с высоты 2,5 м: а – осциллограмма; б – преобразование
Фурье; в – окрестность максимального значения частоты
75
Общий
вид
программного
кода
определения
частоты
звуковых
колебаний для пакета математического моделирования MATLAB R2013b
(version 8.2) приведен ниже.
> clear all; % очистка памяти
%% s – звуковой файл, fs – частота дискретизации звукового файла
> [s,fs]=wavread(путь к файлу анализа); % выбор файла для анализа
%% создание вектора времени, записанного в массив, значения которого
меняются с шагом 1/fs
> t=0:1/fs:(length(s)-1)/fs;
%% построение графиков
> subplot(3,1,1); % выбор области окна построения графика
> plot(t,s); % построение осциллограммы звукового файла
> title ('Осциллограмма'); % название графика
> xlabel('Время t, с'); % ось абсцисс
> ylabel('Амплитуда'); % ось ординат
> subplot(3,1,2);
%% создание массива, определяющего количество точек отсчета,
вычитанием единицы для выравнивания размера массива
> n=length(s)-1;
%% создание вектора частот, записанного в массив, значения которого
лежат на отрезке [0;fs] и меняются с шагом fs/n
> f=0:fs/n:fs;
> spec=abs(fftshift(s)); % вычисление быстрого преобразования Фурье
> f1=f/2; % нормировка частоты по теореме Найквиста
> spec1=spec/fs; % нормировка по интервалу времени
> plot(f1,spec1); % построение спектрограммы звукового файла
> title ('Спектрограмма'); % название графика
> xlabel('Частота f, Гц'); % ось абсцисс
> ylabel('Амплитуда'); % ось ординат
76
> subplot(3,1,3);
> [C,i]=max(spec1); % значение максимума спектрограммы звукового
файла
> e=25; % масштаб окрестности максимума
>
plot(f1
(max(1,i-e):min(length(f1),i+e)),spec1(max(1,i-
e):min(length(f1),i+e)),'-r', f1 (i),spec1(i),'ko'); % построение спектрограммы в
окрестности максимума
> text(f1 (i)+1,spec1(i),[num2str(f1 (i)) ' ' 'Гц']);
Данный программный код положен в основу зарегистрированной
автором диссертации программы для ЭВМ № 2015614657.
Такая
структура
определяет
методику
лабораторных
испытаний
приборов, зарегистрированных патентами 155056 и 2518744.
3.6. Результаты лабораторных исследований полезной модели
Показания прибора (полезная модель, патент номер 155056) с модельными
почвогрунтами изменяются в интервале 11,9...12,96 кГц. При ударе капель в
почву величины v составили 12,32...13,16 кГц, причем меньшие значения
соответствуют супесчаным образцам, более высокие – суглинистым и глинистым
[44].
Всего исследовано 280 образцов почв и грунтов и такое же количество
соответствующих им звуковых файлов. Прибор с помещенной на мембрану
исследуемой почвой представлен на рисунке. 3.7.
77
Рисунок 3.7. Полезная модель (патент № 155056) с помещенной на его
мембрану исследуемой почвой
Установлено достоверное влияние высоты h падающих капель на
частоту v звуковых колебаний (уровень значимости p = 0,017...0,038).
Влияние диаметра dd капель на частоту v отмечено только на некоторых
образцах, вероятно, из-за рассмотрения в данной работе только двух
вариантов капель (p = 0,001...0,5). Хорошую корреляционную связь между
контрольными и почвенными образцами можно объяснить значением
структуры в процессе капельной эрозии (коэффициент корреляции r =
0,84...0,89 и уровень значимости p = 0,03...0,035). Однако это характерно не
для всех образцов, поскольку контрольные образцы содержат равное
соотношение исследуемых фракций, а в образцах из хозяйств и опытного
участка эти фракции обусловлены стадией почвообразования и имеют
стохастический характер. Так, например, образцы агрогумусового (P)
горизонта слабо коррелируют (r = 0,21) с контрольными. Это так же
объяснимо влиянием органоминерального, гранулометрического состава и
структуры на величину v звуковых колебаний [44].
Коэффициенты корреляции между параметрами капельной эрозии и
частотой звуковых колебаний прибора приведены в таблице 10. Для
изучения зависимостей между показаниями v прибора и величинами s и m,
78
характеризующими капельную эрозию, проведен регрессионный анализ [44].
В результате получены выражения:
m = – 0,034 +0,0006 s + 0,0027 v, R2 = 0,998 ± 0,001;
(45)
m = 0,0076 +0,0006 s – 0,0005 v, R2 = 0,997 ± 0,001,
(46)
где m – масса разбрызганной почвы, г; s – дальность разлета частиц, см; v –
частота звуковых колебаний, кГц.
Выражение (45) соответствует массе частиц супеси, (46) – суглинку.
Коэффициент детерминации R2 свидетельствует о высокой точности подбора
уравнений множественной регрессии.
Также
получены
разбрызганной почвы:
выражения
для
прямого
подсчета
массы
m
Таблица 10
Корреляционная матрица параметров капельной эрозии и частоты звуковых колебаний прибора
1,0
0,74
0,69
–0,13
1,0
0,69
0,67
0,68
0,69
0,64
0,71
0,65
0,73
0,02
0,94
0,72
0,65
0,83
0,69
0,73
0,64
0,83
0,67
0,01
–0,02
0,82
0,81
1,0
0,99
1,0
0,94
1,0
1,0
m
(суглинок)
0,74
1,0
0,52
0,88
0,59
0,83
s
(суглинок)
1,0
0,79
0,89
m
(супесь)
–0,49
0,86
–0,14
0,21
s
(супесь)
Суглинок
(P)
0,26
0,84
Суглинок
(PU)
Супесь
(контроль)
0,28
0,89
Супесь
(PU)
Супесь
(<0,25)
Суглинок
(контроль)
1,0 0,0 0,91 0,38
1,0 0,89 0,86
1,0 0,47
1,0
79
dd
h
Суглинок (<0,25)
Суглинок (контроль)
Супесь (<0,25)
Супесь (контроль)
Суглинок (P)
Супесь (PU)
Суглинок (PU)
s (супесь)
m (супесь)
s (суглинок)
m (суглинок)
h
dd
Параметры
Суглинок
(<0,25)
Коэффициенты корреляции
0,99
1,0
Примечание: цветом в таблице выделена достоверная корреляция (достоверное влияние при уровне
значимости (p < 0,05)
80
m = – 0,78 +0,0622 v, R2 = 0,73 ± 0,07;
(47)
m = – 0,135 +0,0115 v, R2 = 0,68 ± 0,05.
(48)
Выражение (47) соответствует массе частиц супеси, (48) – суглинку.
Значение коэффициента детерминации R2 невысокое, что говорит о более
слабой прогностической способности уравнений регрессии по сравнению с
(45) и (46). Однако регрессор достоверно влияет на величину m (уровень
значимости p < 0,05). Можно предположить, что введение поправки,
учитывающей
почвенную
разность,
позволит
существенно
увеличить
точность расчета. Для агрочернозема поправка на показания прибора
составила k = 0,95. При этом значение коэффициента детерминации возросло
до R2 = 0,99 [44]. С учетом этого рекомендуется использовать выражения
(47) и (48) в следующем виде:
m = – 0,78 +0,0622 v · k;
(49)
m = – 0,135 +0,0115 v · k,
(50)
где k – поправка на почвенную разность.
Выражение (49) соответствует массе частиц супеси, (50) – суглинку. На
рисунке 3.8. приведены результаты расчета и сопоставление с натурными
данными.
81
m, г
3
0,016
0,012
1
0,008
0,004
0
12,55
5
12,65
12,75
v, кГе
а
m, г
4
0,012
2
0,008
0,004
0
11,80
5
12,20
12,60
v, кГе
б
m, г
2
4
0,012
0,010
0,008
0,006
5
0,004
0,002
0
12,20
6
12,60
v, кГе
в
Рисунок 3.8. Сопоставление результатов при ударе капли 1,73 мм: а – образцы
супеси; б – образцы суглинка; в – расчет для агрочернозема; 1 – кривая по
уравнению (45); 2 – кривая по уравнению (46); 3 – кривая по уравнению (47); 4 –
кривая по уравнению (48); 5 – натурные данные; 6 – кривая по уравнению (50)
82
3.7. Изучение силы удара капли с помощью полезной модели
Процесс свободного падения в газовой среде капли массой m с
начальной скоростью v0 и высоты h от твердой поверхности показан на
2
рисунке 3.9. На высоте h капля обладает кинетической Ek, 0 = m  v0 / 2 и
потенциальной энергией Ep = mgh , где g – ускорение свободного падения,
м/с2 [45]:
Ek, 0 + Ep = const.
(51)
Рисунок 3.9. Схема падения (а), удара (б) и разбрызгивания (в) капли: 1 –
капля; 2 – инъектор; 3 – контактная поверхность; 4 – передняя кромка капли;
5 – момент удара; 6 – процесс распространения в капле ударной волны; 7 –
растекание капли; 8 – деформация свободной поверхности; 9 – образование
ламеллы; 10 – образование «коронки» и разрушение капли
При ударе капли о твердую поверхность от границы контакта в
противоположном направлении начинает распространятся ударная волна,
вызывающая колебания внутри жидкости. Дальнейшее распространение
83
ударной волы вызывает деформацию свободной поверхности и образуется
тонкая ламелла. Сжатие капли становится максимальным, происходит
разрушение капли с образованием «коронки» (рисунок 3.10) [45].
Рисунок 3.10. Образование «коронки»
(Bisher Imam, The University of Arizona, США)
В данной работе приняты следующие допущения. Как и в исследованиях
других авторов, удар и перемещение капли регистрировались по передней
кромке 4 в направлении ее движения. Эта особенность отмечается в [7] и
может давать отличие результатов аппроксимации по данным, полученным
при изучении перемещения капли относительно центра массы. Контактная
поверхность 3 должна быть гидрофильной и скорости падения – намного
меньше скоростей звука в жидкости, в противном случае в момент удара
произойдет «отскок» капли. Для образования капель использовали иглы
(инъекторы) с внутренним диаметром 0,060 (34G); 0,110 (32G); 0,410 (22G) и
0,603 (20G) мм; были получены капли диаметром 1,73, 1,96, 2,32 и 3,0 мм
соответственно. Капли падали с высоты h 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5 м. Рабочая
жидкость – дистиллированная вода (ГОСТ 6709–72), температура 20 °С,
коэффициент поверхностного натяжения  = 0,07286 Н/м, плотность 998,203
84
кг/м3.
Температура
лабораторного
помещения
21
°С,
относительная
влажность воздуха 53 %. Для упрощения расчетов принято, что капля имеет
форму шара с диаметром dd , тогда [45]:
m =   6 dd3 ,
где  – плотность капли, кг/м 3 .
Поверхность капли, граничащая с газовой средой, также обладает
энергией,
называемой
энергией
поверхностного
натяжения
Est ,
рассчитываемой так:
Est =
dF
dS
 S =   S,
где F – сила поверхностного натяжения, Н;  – коэффициент поверхностного
натяжения, Н/м; S – площадь поверхности капли, м 2.
В момент удара о твердую поверхность происходит «дробление» и
разбрызгивание
капли,
то
есть
происходит
уменьшение
площади
поверхности S и совершается работа по перемещению жидкости (рисунок
3.9,
в)
[45].
Потенциальная
энергия
капли
переходит
в
энергию
поверхностного натяжения:
Ek + Est = const.
(52)
где Ek – кинетическая энергия капли в момент удара, Дж.
Начальная скорость падения капли (в момент отрыва от инъектора)
равна нулю. Скорость истечения, то есть скорость образования капель,
может быть определена по формуле
Торричелли. Однако в условиях
эксперимента эта скорость не равна v0 В момент образования капля еще
некоторое время ввиду действия сил поверхностного натяжения находится на
конечном участке инъектора 2 (рисунок 3.9, а). Отрыв происходит, когда F
равна весу капли. При ударе капля обладает импульсом, скорость изменения
которого согласно второму закону Ньютона пропорциональна силе N удара
капли о твердую поверхность [45]:
85
mv = Nt,
(53)
где v – скорость капли в момент удара, м/с; t – время гидродинамического
удара о твердую поверхность, с.
Совместное решение (51)–(53) позволяет найти силу N:
N=
dd3
2( gh  6 / (  dd ))
6t
(54)
.
Время удара может быть определено по зависимости t = dd/v, в
предположении, что верхняя точка капли в момент удара перемещается к
точке соприкосновения с твердой поверхностью со скоростью v [14]. Время
удара
можно
определить
и
с
помощью
устройства
для
измерения
динамического действия дождя на почву, описанного в [46, 57]. В
исследованиях [164] установлено, что при v = 20...230 см/с время контакта не
зависит от скорости удара и вязкости жидкости, хотя деформация зависит от
t. В работе [159] отмечается, что для диапазона скоростей 5...20 см/с t
удваивается и зависит от v.
Известны менее сложные зависимости расчета N. В статье [79] В. М.
Московкин и В. Ф. Гахов установили, что чем большей конечной скоростью
обладает капля, тем большее воздействие она оказывает на контактную
поверхность (почву). Причем это воздействие больше у капель большего
диаметра:

N=
6
2 2
dd v
(55)
.
A. C. Imeson, R. Vis и E. de Water в работе [144] получили следующую
зависимость для расчета силы удара капли от ее радиуса rd, которая после
соответствующих преобразований аналогична формуле (55):
N=
mv
2
2rd


6
2 2
dd v
.
(56)
86
Экспериментальные
и
численные
исследования
зависимости
(56)
описаны также в [154].
В данном диссертационном исследовании проведен анализ зависимостей
(54)–(56). Время удара устанавливалось расчетом по зависимости t = dd/v из
[14] и с помощью устройства для измерения динамического действия дождя
на почву из [46, 57]. Результаты экспериментов для капель с диаметрами 1,73
и 2,73 мм приведены на рисунке 3.11.
Рисунок 3.11. Результаты эксперимента: 1 и 2 – расчеты по зависимости
(54) при измеренном t для капель dd = 1,73 и 2,73 мм соответственно; 3 и 4 –
по (54)–(56) при t = dd/v для dd = 1,73 и 2,73 мм соответственно
Диапазон скоростей для исследуемых капель составил 4,4...6,99 м/с. При
этом v не зависит от dd (p < 0,05, коэффициент корреляции r = 0,001) и
зависит от h (p < 0,05, r = 0,98) [45].
Время удара капли, рассчитанное по зависимости t = dd/v, оказалось
больше измеренного с помощью устройства и составило 2,5...6,2 ∙ 10 –4 с и
5,6...6,9 ∙ 10 –5 с соответственно [45].
87
Сила удара капель по зависимости (54) и при t = dd/v составила
0,03...0,19 Н, по (54) при измеренном t с помощью устройства – 0,18...1,15 Н,
по (55) и (56) – 0,03...0,19 Н. Для (54) при t = dd/v и (55)–(56) получены
одинаковые результаты. Это свидетельствует о том, что зависимости (54)–
(56) отражают одну и ту же закономерность. Однако при расчетах по
зависимости (54) при измеренном t, величины F отличаются от (54) при t =
dd/v и (55)–(56) в 4,5...8,9 раз [45].
Актуальным остается вопрос изучения удара капли о почву. Капля
одновременно впитывается в ее поры и разрушает агрегаты. В процессе
вязкой диссипации почвенные частицы вместе с разрушенной каплей
разбрызгиваются по поверхности (рисунок 3.12) [45].
Рисунок 3.12. Фотографии удара капли в песок
(Devaraj van der Meer, the University of Twente, Нидерланды)
3.8. Изучение возможности определения диаметров капель с
помощью полезной модели
Определение крупности капель искусственного дождя в мелиорации является
актуальной задачей. С одной стороны, этот параметр характеризует технические
средства и технологию полива, с другой – является экологическим фактором и
индикатором нагрузки на агрогеосистему [46].
88
Искусственный дождь – полидисперсный, а значит, по диаметру только одной
капли неверно судить обо всем дождевом потоке. Наиболее информативным
является медианный диаметр капель dm, физический смысл которого состоит в том,
что вероятность P выпадения капель диаметра больше или меньше dm составляет 50
% [18].
Помимо чисто научных целей анализ крупности дождя необходим при
настройке
дождевальных
аппаратов
в
почвенно-климатических
условиях
конкретного хозяйства. Но трудоемкий и затратный процесс прямого определения
этого параметра ограничивает использование dm в мелиоративной практике. Целью
исследований, описанных в этом параграфе, является изучение возможности
использования
частоты
v
в
качестве
акустического
маркера
для
дифференцированной оценки диаметра dm капель дождя [46].
Сама идея акустических измерений не является новой. Этой проблеме
посвящены исследования гидрологов, метеорологов, физиков, мелиораторов,
почвоведов и ученых других специальностей. Большинство авторов акцентирует
внимание на том, что капли больших диаметров вызывают колебания на меньших
частотах по сравнению с более мелкими каплями [157, 161, 162]. Причем
отмечается, что при ударе капли крупностью 0,8...1,1 и более 2,2 мм активнее
генерируют звуковые колебания [158]. Об устойчивых пиках звуковых колебаний
падающей капли пишут также В. Е. Прохоров и Ю. Д. Чашечкин [91]. Капли 0,8...1,1
мм генерируют звук с частотой в среднем v = 14...16 кГц, капли более 2,2 мм – менее
10
кГц
[126].
Другими
исследователями
при
определенных
условиях
зарегистрированы пики на уровне примерно 50 кГц для капель 4,1 мм [156].
Измерения указанных авторов проводились в основном для падающих в воду
капель. Это позволяет предположить, что характерные особенности возможны и при
ударе капли о сухую поверхность мембраны прибора [46].
Всего исследовано 80 файлов и такое же количество соответствующих им
звуковых колебаний v. Выявлено достоверное влияние высоты падения капли на
частоту звуковых колебаний. Коэффициент корреляции r медианных значений
89
выборок v и высот падения капель h составляет 0,66 (p = 0,005), а для медианных
значений выборок v и диаметров dm корреляция обратная, и r = – 0,54 (p = 0,031).
Корреляция отдельных измерений указанных величин определяется на уровне
0,68...0,81 (p = 0,005...0,04) и – 0,67... – 0,50 (p = 0,004) соответственно для h и dm.
Обратная зависимость между частотой и диаметром характеризует установленную
особенность импактного воздействия капель большего размера генерировать
звуковые колебания несколько меньшей частоты. Полученные результаты с
некоторой осторожностью и поправкой на условия эксперимента сравнимы с
данными, указанными в работах [91, 126, 156, 157, 158, 161, 162]. Но генерация
звуковых колебаний в определенной степени проявляет стохастический характер. Во
время эксперимента зарегистрированы единичные величины v, отличающиеся от
медианных примерно в 5...10 раз. Эти величины исключены из генеральной
совокупности [45].
На рисунке 3.11 показано семейство кривых, отражающих зависимость частоты
v звуковых колебаний от высоты падения h капель разной крупности dm.
v, кГе
1
17
16
2
3
15
4
14
1
1,5
2
h, м
Рисунок 3.11. Результаты эксперимента: 1 – кривая для капли 1,73 мм; 2 –
для капли 1,96 мм; 3 – для капли 2,32 мм; 4 – для капли 3,0 мм
90
При падении с высоты 1,0...2,5 м капля диаметром dm = 1,73 мм
генерирует звук 15,4...17,9 кГц, d m = 1,96 мм – 15,2...16,7 кГц, dm = 2,32 мм –
14,8...16,5 кГц, d m = 3,0 мм – 14,5...15,4 кГц.
В процессе исследований была отмечена следующая особенность. Если
капля падает не в центр мембраны прибора, а, например, на ее край, то одна
и та же капля при падении с одной и той же высоты генерирует звук
абсолютно разной частоты. Вероятно, эта разница должна сглаживаться при
исследовании не отдельных капель, а дождевого потока. В последнем случае
полидисперсные по составу капли окажут интегральное воздействие. Такой
механизм является предметом дальнейших исследований [46].
3.9. Влияние полиакриламида на разбрызгивание почвы
Для предупреждения и снижения капельной эрозией используют
различные
методы,
например,
применяют
химические
полимеры
и
структурообразователи. Полиакриламид (ПАА) – это полимер, обладающий
высокой молекулярной массой. Известно, что ПАА на орошаемых землях
уменьшает поверхностное уплотнение и образование корки, предотвращает
проявление последствий эрозии [11, 137, 172].
Для контроля эрозии используют анионные растворимые в воде
соединения ПАА. Исследования показали, что для достижения этой цели
требуется в 10...100 раз меньшее количество полиакриламида по сравнению с
другими видами полимеров [127, 128]. Но применение ПАА ограничено из-за
их высокой стоимости [11].
Известно несколько исследований, посвященных изучению снижения
капельной эрозии с помощью полиакриламида. Ученые из Ирана изучали
влияние ПАА при дождевании на мергелистых почвах. Boroghani M. и др. в
[128] установили, что применение ПАА в концентрации 0,2, 0,4 и 0,6 г/м 2
позволяет снизить капельную эрозию при орошении интенсивностью
91
65…120 мм/ч, но статистических различий между результатами опытов с
полимером не найдено. Статистически значимыми оказались различия между
контрольным испытанием без ПАА и его различным содержанием в образцах
почвы. Максимальный эффект от полиакриламида в снижении капельной
эрозии на 40% по сравнению с контролем наблюдался при концентрации 0,4
г/м2. Похожие результаты получены в работах [121, 166].
В Молдавском комплексном отделе УкрНИИГиМ разработан способ
дождевания с добавками полиакриламида для снижения крупности капель
искусственного дождя. Рекомендуется концентрация полимера 0,1...0,5 г/л. В
результате уменьшаются размеры капель, улучшается впитывание воды в
почву [109].
С
помощью
патента
2518744
[114]
выполнены
исследования
полиакриламида для снижения капельной эрозии. Цель исследований
заключалась в создании оперативного способа контроля показателей эрозии
при искусственном дождевании с добавками ПАА [58].
Удар и перемещение капли регистрировались по передней кромке в
направлении ее движения. Для образования капель использовали сосуд
Мариотта и установленные в его основании иглы (инъекторы) с внутренним
диаметром 0,060 (34G) и 0,410 (22G) мм, с помощью которых получены
капли диаметром 1,73 и 2,73 мм соответственно. Капли падали с высоты h
1,0 и 2,5 м. Рабочая жидкость для образования капель – дистиллированная
вода (ГОСТ 6709–72), температура 20 °С, коэффициент поверхностного
натяжения  = 0,07286 Н/м, плотность 998,203 кг/м 3. Температура
лабораторного помещения 21 °С, относительная влажность воздуха 53 %.
Также проведаны эксперименты с поверхностными образцами глинистоиллювиального агрочерноземома (PU–AU–BI), отобранные с опытного
участка в Шацком районе Рязанской области [58]. Описание образцов
приведено в [57]. Образцы доводились до влажности НВ с помощью раствора
92
ПАА с концентрацией
0,4 г/м 2. Удар
капли для каждого
образца
однократный.
При падении капель с высоты 1,0...2,5 м частота звука v в момент удара
о пористую мембрану без ПАА составила 11,76...15,76 кГц и 10,85...11,2 кГц
для d m = 1,73 мм и 2,73 мм соответственно. Эти осредненные показатели
достаточно точно совпадают с исследованиями [44], а разница вероятно
обусловлена
различием
способности
почвенных
частиц
и
мембраны
проводить и поглощать звук. Эта особенность требует дополнительных
исследований.
При падении с высоты 1,0...2,5 м на пористую мембрану, заполненную
раствором ПАА с концентрацией 0,4 г/м 2, капля диаметром dm = 1,73 мм
генерировала звук 11,23...10,75 кГц, d m = 2,73 мм – 10,14...9,56 кГц. При
увеличении h наблюдалось уменьшение v, кроме того частота ниже
показателей без ПАА, который вызвал поглощение звука. Отмечены
единичные «всплески» частоты звука на высоте 2,5 м до 15,11 и 21,64 кГц
для dm = 1,73 мм и 2,73 мм соответственно, эти показатели исключены из
анализа. Результаты опытов представлены на рисунке 3.9 [58].
а
б
Рисунок 3.9. Частота звука от удара капель в пустую (а) и заполненную
раствором ПАА (б) пористую мембрану: 1 – d m = 1,73 мм; 2 – d m = 2,73 мм
93
Исследования разбрызгивания образцов почвы, обработанных раствором
полиакриламида с концентрацией 0,4 г/м 2 и доведенных до влажности НВ,
показали, что при ударе капли dm = 1,73 мм разлет частиц отсутствовал. От
удара капли 2,73 мм с высоты 1,0 м расстояние разлета частиц s = 0,7...1,2
см, с высоты 2,5 м – 4,4...5,3 см. Масса разбрызганных частиц m =
0,004...0,006 г. В исследовании [43] установлено, что для агрочернозема при
ударе капель 2,73 мм с высоты 2,5 м m составила 0,013 ± 0,002 г.
Полученные результаты свидетельствуют о снижении величины капельной
эрозии до 54 %, что выше по сравнению с результатами ученых в работах
[121, 166] при концентрации ПАА 0,4 г/м 2, так как в данном исследовании
изучался максимальный эффект от однократного удара капель, а не
интегральное воздействие искусственного дождя на почву. На рисунке 3 .10
показана зависимость массы m от высоты падения h капель [58].
а
б
Рисунок 3.10. Результаты опытов для обработанных полиакриламидом
образцов почвы, подвергшихся воздействию капель d m = 2,73 мм: а –
зависимость массы m от высоты падения h капель; б – зависимость m от v
94
3.7. Выводы по главе 3
Наиболее подвержена эрозии фракция <0,25 мм. Это в равной степени
справедливо и для величины расстояния разлета s, и для массы т
разбрызганных частиц.
Даже удовлетворяющая агротехническим требованиям капля диаметром 1,73
мм оказывает влияние на процесс капельной эрозии почвы. При этом масса
разбрызганной почвы составила 0,043 ± 0,003 г для фракции <0,25 мм и 0,016 ±
0,004 г для контрольного образца при падении капли с высоты 2,5 м.
Образцы почв из хозяйств и опытного участка более устойчивы к
капельной эрозии, это объясняется влиянием их органоминерального состава
на процесс капельной эрозии. Например, для опытного участка масса
разбрызганных частиц составила 0,013 ± 0,002 г и 0,007 ± 0,002 г при
падении с высоты 2,5 м капель диаметром 2,73 мм и 1,73 мм соответственно.
Выявлено достоверное влияние величины v звуковых колебаний капель
на массу m разбрызганной почвы (p < 0,05).
Полученный программный код для среды математического моделирования
MATLAB R2013b (version 8.2) и зарегистрированную на его основе программу для
ЭВМ № 2015614657 рекомендуется использовать для анализа звуковых колебаний,
возникающих в момент удара капель о мембрану прибора (патент № 155056).
Показания прибора с модельными почвогрунтами (патент № 155056)
изменяются в интервале 11,9...12,96 кГц. При ударе капель в почву величины v
составили 12,32...13,16 кГц, причем меньшие значения соответствуют супесчаным
образцам, более высокие – суглинистым и глинистым.
Полученные зависимости массы от расстояния разлета частиц рекомендуется
использовать для расчета капельной эрозии, но с учетом органоминерального
состава почв. Результаты исследования капельной эрозии рекомендуется
использовать при разработке раздела по охране природы проектов строительства
мелиоративных систем и на этапе предпроектных изысканий.
95
Полученные результаты исследований силы удара капель с помощью
полезной модели (патент № 155056) свидетельствуют о необходимости более
тщательного определения времени удара капли. С помощью устройства (патент №
155056) для измерения динамического действия дождя возможно получение более
точных значений времени. Данные экспериментов позволяют расширить спектр
применения этого прибора. С использованием зависимости (54) возможно
исследование давления, возникающего в момент удара капли о твердые
поверхности. Необходимы дополнительно изучить возможность применения этой
зависимости для анализа удара капель о почву.
Выявлено достоверное влияние высоты падения h капли на частоту
звуковых колебаний v (уровень значимости p = 0,005). Капли разных
диаметров d m достоверно генерируют звук различной частоты (p = 0,031).
Полученные результаты лабораторных экспериментов с помощью полезной
модели (патент № 155056) позволяют судить о существующей зависимости
между звуковыми колебаниями и крупностью дождя.
Полученные результаты исследований влияния полиакриламида на
величину капельной эрозии с помощью устройства (патент № 2518744)
подтверждают исследования других
авторов по снижению величины
капельной эрозии с помощью полиакриламида. От однократного удара капли
диаметром
2,73
мм
в
лаборатории
возможно
уменьшение
массы
разбрызганной почвы до 54 %. При увеличении высоты падения капель
наблюдалось уменьшение частоты звука при исследовании мембраны
прибора, заполненной
пористой
мембраны
ПАА.
для
Для
анализа
изучения возможности
интегрального
требуются дополнительные исследования.
применения
воздействия
дождя
96
Глава 4. Капельно-дождевая эрозия орошаемого агроландшафта
Шацкого района Рязанской области
4.1. Природная характеристика орошаемого агроландшафта
Опытный участок расположен в с. Польное Ялтуново Шацкого района
Рязанской области.
Почвенный покров однородный, представлен глинисто-иллювиальным
агрочерноземом
(PU–AU–BI).
Наименование
горизонтов
давалось
по
методике Почвенного института имени В. В. Докучаева, которая заложена в
основу Полевого определителя почв (2008 г.) [86] и имеет корреляцию с
традиционной классификацией 1977 г.
Свойства почвы орошаемого участка приведены в параграфе 2.3 и в
таблицах 2 и 3. В этом же разделе интерпретированы характеристики
почвенного плодородия.
Климат территории, на которой расположен участок, является умеренно
континентальным. Расчет коэффициента увлажнения Ku проведен в годовом
разрезе по данным метеостанции г. Сасово Рязанской области (WMO ID
2745) для 7 лет и составляет 0,78.
4.2. Методика исследований
Предлагаемая технология и технические средства измерения эрозионной
опасности дождя базируются на способе измерения динамического действия
дождя на почву и устройстве для его осуществления (полезная модель
155056).
По
величине
деформации
мембраны
фиксируют
давление
гидродинамического удара капель дождя в поверхностных порах почвы. В
представленном варианте макета прибора величину деформации мембраны
измеряют по частоте звукового давления в акустическом блоке, который
97
снабжен микрофоном. Сигнал от микрофона через кабель подается на вход
звуковой платы принимающего устройства [57].
Прибор целесообразно использовать в следующих случаях:
– при настройки дождевальных аппаратов на стоянке;
– при оценке опасности возникновения эрозии на массиве орошения с
однородным почвенным покровом, где используются дождевальные машины
одного типа;
– при оценке опасности возникновения эрозии на массиве орошения с
неоднородным почвенным покровом, где используются дождевальные машины
различных типов [57].
Особенности применения предлагаемой методики показаны на примере
орошаемого участка в Шацком районе Рязанской области. Реализовано
второе направление применения методики. Участок поливали посредством
среднеструйных импульсных аппаратов RACO 4260–55/701C (рисунок 4.1),
установленных на стойках высотой 1,0 м. Дождевание проводилось до
появления на поверхности почвы луж. Почвенный покров однородный,
представлен
глинисто-иллювиальным
агрочерноземом
(PU–AU–BI).
Площадь делянок-повторностей составляет 4 м 2. Стойки-трубопроводы
снабжены расходомерами, манометрами и фильтрами. Рабочее давление на
входе поддерживалось на уровне 0,08 МПа. Радиус охвата дождя 3,5 м.
Участок под паром. Подготовка почвы осуществлялась безотвальным
рыхлением (без оборота пласта) на глубину до 30 см, далее боронование и
выравнивание поверхности. Аппарат устанавливали на стойку модификации
ФГБНУ ВНИИ «Радуга» [57]. Для регулирования давлений использовали
манометр МПУ4–Уф. Рабочее давление аппарата 0,15...0,4 МПа. Сопло
аппарата имеет отверстие диаметром 3,5 мм. Соединительная резьба 1/2"
[83]. Расход воды контролировали с помощью расходомера МПУ 100.
98
Рисунок 4.1. Среднеструйных импульсных аппаратов RACO 4260–55/701C
Массу
разбрызганной
почвы
на
участке
измеряли
стаканами-
собирателями [150]. В данной диссертационной работе вместо оригинальной
конструкции использовались пластиковые ведерки. В центре каждого
ведерка имеется отверстие площадью F = 19,7 см 2, которое является зоной
контакта дождя с почвой. Ведерки расставлены по квадратной сетке 0,5х0,5
м. Массу m высушенной в стаканах почвы приводят к площади контакта F, т.
е. mF = m/F. Общий вид участка делянки-повторности показан на рисунке 4.2.
Скорость ветра измерялась с помощью портативного анемометра Digital
Anemometer NTC GM8908 и на момент исследований на высоте 2 м над
поверхностью почвы составила менее 0,5 м/с. Температура воздуха 24,5 °С.
Участок без уклона [57].
99
1
2
3
4
5
6
Рисунок 4.2. Фрагмент участка исследований с дождевателем и стаканамисобирателями: 1 – дождевальный аппарат; 2 – стойка-трубопровод; 3 – манометр;
4 – расходомер; 5 – сетчатый фильтр; 6 – стакан-собиратель
Интенсивность дождевания определялась с помощью дождемеров, также
расставленных по квадратной сетке со стороной 0,5 м. При этом учитывался
импульсный характер распределения искусственных осадков. Средняя
интенсивность дождя составила 0,010 ± 0,004 мм/мин [57].
Крупность дождя как медианный диаметр капель d m по отпечаткам на
обеззоленной фильтровальной бумаге исследована по методике В. Д.
Воркова. При давлении на входе в аппарат 0,08 МПа медианный диаметр
капель составил 3,7 ± 0,5 мм, что больше рекомендуемого агротехническими
требованиями диаметра капель дождя [57].
100
В стакан-собиратель устанавливался прибор, который подключался к
персональному компьютеру. Стенки стакана-собирателя защищали прибор от
падения почвенных фракций (для исключения влияния разбрызгивания
почвы с участка на показания прибора). В каждой точке время экспозиции
прибора составило 1 мин. Как показали исследования, этого времени
достаточно, чтобы записать генерируемый каплями звук со всем спектром
гармоник. Причем увеличение времени экспозиции не повлияло на точность
измерений [57]. Прибор в рабочем положении представлен на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3. Прибор в рабочем положении (помещен в стакан-собиратель)
101
4.3. Результаты исследований
Всего исследовано 75 звуковых файлов и такое же количество
соответствующих им масс разбрызганной почвы из стаканов-собирателей. В
качестве результирующих статистик в данном исследовании использовались
медианные значения частоты v, m, m F и коэффициенты корреляций [57].
Из анализа результатов следует, что величины разбрызганной массы mF
и максимальные частоты v звуковых колебаний достоверно коррелируют.
Величины корреляции находятся в диапазоне 0,89...0,95 (уровень значимости
p = 0,002). Это характерно для каждой повторности.
Медианные
значения
величин
звуковых
колебаний
v
составили
12,4...12,7 кГц. Причем на каждом из участков регистрировались единичные
колебания на уровне до 19,5...20 кГц. Минимальные значения на уровне
11,5...11,7 кГц [57].
Медианные
значения
массы
mF
разбрызганной
почвы
составили
0,006...0,011 г/см 2. Кумулятивные величины mF по каждому участку
находятся в диапазоне 0,004...0,055 г/см 2. Наибольшая масса соответствует
зоне наибольшего сосредоточения дождя. В этой же зоне зафиксированы
наибольшие значения средней интенсивности дождя.
Лабораторная тарировка прибора выполнена при следующих условиях:
диапазон изменения диаметра капель 1,73...2,73 мм, диапазон изменения
высоты падения капель 1,0...2,5 м. Образцы почвы по гранулометрическому
составу являются тяжелым суглинком и отобраны с опытного орошаемого
участка. Тарировочные кривые в общем виде представлены в уравнениях
(47)–(50) [57]. Применительно к данному участку:
mF = – 1,688 +0,144 v · k.
(51)
где k – поправка на почвенную разность и параметры дождя, для условий
опыта k = 0,95.
102
В соответствии с этой зависимостью при максимальном значении v =
12,4...12,7 кГц масса m составляет 0,008...0,0049 г/см 2. Полученные величины
mF достоверно коррелируют с m. Коэффициенты корреляции составляют
0,56...0,95 (p = 0,003..0,032). Расчеты по уравнению достаточно точно
совпадают с опытными данными (0,004...0,055 г/см 2) [57].
После полива на почве также зафиксирована корка, толщина которой по
участкам варьирует от 0,5 до 3,5 см. Преобладающая фракция разбрызганной
почвы, изученная по массе m в стаканах-собирателях, составляет < 0,25 мм, что
соответствует данным опыта моделирования капельной эрозии в лаборатории.
Для оценки опасности эрозии можно использовать рекомендации,
например, классификацию интенсивности эрозионных процессов М. Н.
Заславского [40]. Однако это требует наблюдение за эрозией не менее чем за
годовой период, т. е. прибор возможно использовать для организации
долговременного мониторинга. При этом данные с прибора необходимо
собирать и анализировать в течение продолжительного времени [57].
Классификация интенсивности эрозии М. Н. Заславского в общем виде
приведена в таблице 11.
Так как капельная эрозия и плоскостной смыв относятся к одной
групповой классификации (имеют природу плоской формы эрозии), то эти
показатели возможно сопоставлять, однако в действительности в случае
капельного разрушения почвы стадии эрозии поверхностным стоком
наступает несколько позже, когда большинство пор уже кольматировано и
снижено впитывание поступающей влаги [57].
103
Таблица 11
Классификация интенсивности эрозионных процессов [40]
Степень проявления эрозионных
Показатель ежегодного смыва почвы,
процессов в почве
т/(га · год)
Незначительный
< 0,5
Слабый
0,5...1,0
Средний
1,0...5,0
Сильный
5,0...10,0
Очень сильный
> 10,0
Рассматриваемую
в
данном
диссертационном
исследовании
акустическую методику можно также отнести к оперативному мониторингу.
В этом случае для оценки опасности эрозии целесообразно использовать
данные действующего ГОСТ 17.4.4.03–86. Этот нормативный документ
определяет классы интенсивности эрозионных процессов почвы. В таблице
12 приведена классификация эрозионных процессов по ГОСТ 17.4.4.03–86
[57].
Таблица 12
Классы интенсивности эрозионных процессов [57]
Класс
Значение интенсивности потенциальной эрозии, т/га
1
< 0,5
2
0,5...1,0
3
1,0...5,0
4
5,0...10,0
5
10,0...50,0 и более
104
В рассматриваемых условиях за один полив эрозия составила 0,28...0,78
т/га. Это позволяет отнести данный процесс к 1 и 2 классу по ГОСТ
17.4.4.03–86. По данным Н. В. Данильченко число поливов в Рязанской
области достигает 5 за один сезон среднезасушливого года (75 %
обеспеченности), поливная норма 40 мм, полив дождеванием [27]. Таким
образом потери почвы могут составить 1,4...3,9 т/га за год, которые
характеризуют среднюю степень интенсивности эрозионных процессов. Эти
данные
указывают
на
необходимость
проведения
мероприятий
по
предупреждению возникновения капельной эрозии в дальнейшем. Прежде
всего необходимо обратить внимание на мелиоративные характеристики
дождевального аппарата и на режим водоподачи [57].
4.4. Выводы по главе 4
Медианные
значения
величин
звуковых
колебаний
v
составили
12,4...12,7 кГц. Причем на каждом из участков регистрировались единичные
колебания на уровне до 19,5...20 кГц. Минимальные значения на уровне
11,5...11,7 кГц.
В рассматриваемых условиях за один полив эрозия составила 0,28...0,78
т/га. По данным Н. В. Данильченко число поливов в Рязанской области
достигает 5 за один сезон среднезасушливого года (75 % обеспеченности),
поливная норма 40 мм, полив дождеванием [27]. Таким образом масса
разбрызганной почвы может составить 1,4...3,9 т/га за год, которая
характеризуют среднюю степень интенсивности эрозионных процессов.
Предлагаемая технология и оборудование обеспечивают существенное
сокращение затрат труда и времени на контроль за эрозией при дождевании,
за
счет
фиксации
частоты
колебаний
мембраны
под
действием
гидродинамических ударов капель дождя в поровую среду. Положительные
результаты
испытания
подтверждают
целесообразность
применения
оборудования в мелиоративной практике. Дальнейшее совершенствование
105
оборудования будет направлено на оснащение прибора средствами передачи
сигнала от микрофона на дистанции в пределах орошаемого массива, района,
области [57].
С учетом поставленных задач в федеральной целевой программе
«Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на
2014–2020 годы», прибор рекомендуется использовать при проектировании
мероприятий по защите территорий от водной эрозии.
При государственных закупках дождевальных машин в комплекты
поставок необходимо включать приборы контроля процессов эрозии при
дождевании.
Прибор целесообразно использовать в следующих случаях:
– при настройки дождевальных аппаратов на стоянке;
– при оценке опасности возникновения эрозии на массиве орошения с
однородным почвенным покровом, где используются дождевальные машины
одного типа;
– при оценке опасности возникновения эрозии на массиве орошения с
неоднородным почвенным покровом, где используются дождевальные
машины различных типов [57].
Полученные результаты позволяют расширить спектр применения
прибора, в том числе для изучения капельной эрозии естественных дождей.
Глава 5. Сравнительная эффективность затрат на определение величины
капельной эрозии
5.1. Общие положения расчета эффективности
Отличительной
особенностью
предлагаемого
метода
способа
мониторинга и оценки капельной эрозии является проведение измерений с
высокой степенью сходимости результатов, оперативностью проведения
исследований, в значительно более короткие сроки с существенным
сокращением материальных и трудовых затрат.
Общая сумма материальных затрат в денежном выражении составила
10780,0
руб.
и
47082,7
руб.
соответственно
для
предлагаемой
и
существующей методик без учета фонда оплаты труда. При этом стоит
отметить, что для существующей методики необходимо как минимум два
человека, которые будут работать в полевых условиях, и 1 человек будет
работать в прошедшей аттестацию лаборатории. В денежном выражении
реализация предлагаемого способа оказывается в 4,4 раза дешевле.
Трудовые и временные затраты на проведение измерений в выражении
на
1
м2
изучаемой
площади
составляют
примерно
1
минуту
для
предлагаемого прибора. При этом существующая технология включает
подготовительный этап с расстановкой стаканов-собирателей по сетке
0,5х0,5 м и предполагает проведение исследований до появления устойчивых
луж на поверхности орошаемого участка. Время наступления этого момента
определяется в каждом конкретном случае индивидуально и зависит от
мелиоративных характеристик дождевальных машин, гранулометрических
показателей почвы, поливной нормы и других факторов.
Минимальное число стоянок прибора для оперативного контроля
эрозионной опасности дождя 1 м 2 орошаемого участка возможно сократить
до 1, максимально можно принять 9 стоянок (при схеме измерений по
107
квадратной сетке 0,5х0,5 м). При той же схеме и площади измерений
требуется минимум 9 стаканов-собирателей.
В таблице 13 приведены материальные затраты на комплектацию прибора.
Таблица 13
Материальные затраты на комплектацию прибора
(полезной модели № 155056)
Материальные затраты, ПРИБОР
Стоимость
Наименование
Кол-во
единицы,
Итого,
руб.
руб.
Материалы для изготовление прибора
Корпус из алюминия, шт.
1
100
100
Узел регистрации звука, шт.
1
400
400
Мембрана (в том числе запасная), шт.
2
10
20
Дополнительное оборудование, связанное с работой прибора или
измерениями
Компьютер для обработки и записи
информации с прибора (Samsung N120), шт.
1
10260
Итого, руб.
10260
10780
Общее время обработки результатов измерения капельной эрозии с
помощью прибора составляет примерно 10 минут, причем работы в полевых
условиях и камеральных может осуществлять один и тот же человек. Для
получения
результатов
провести
ряд
с
помощью
лабораторных
стаканов-собирателей
процедур,
используя
необходимо
дополнительно
оборудование и труд квалифицированного лаборанта. Время получения
результата составит не менее 1,5 суток.
108
Материальные затраты на комплектацию прибора (стакана-измерителя)
для изучения капельной эрозии приведены в таблице 14.
Таблица 14
Материальные затраты на комплектацию прибора (стакана-измерителя)
Материальные затраты, СТАКАНЫ
Кол-
Наименование
Стоимость
во
единицы,
Итого, руб.
руб.
Материалы для изготовление прибора
Корпус для стакана из пластика, шт.
1
8,9
8,9
Дополнительное оборудование
Термостат (ЭКРОС ЕS-4620), шт.
1
29700
29700
Дистиллированная вода, л на 1м 2
1
55
55
1
17300
17300
1
18,8
18,8
Весы EK-120i (дискретность 0,01 г, класс II),
шт.
Фильтры обеззоленные, количество упаковок
на 1 м 2
Итого, руб.
47082,7
Экономический эффект от внедрения усовершенствованной методики
можно
выразить
разницей
между
стоимостью
существующего
и
предлагаемого способов измерения капельной эрозии, т. е.
Э = (Cold – Cnew) · n ,
(52)
где Э – экономический эффект, руб.; Cold – стоимостью существующего
способа измерения капельной эрозии, руб.; Cnew – стоимостью предлагаемого
способа измерения капельной эрозии, руб.; n – количество операций
измерения за сезон, принято равным 10.
109
Cold зависит от количества используемых для измерения стаканов. В
условиях действующего производства потребуется не менее 500 стаканов,
таким образом стоимость одной операции измерений составит 20650 руб. с
учетом стоимости и времени производства работ.
Трудовые и временные затраты, связанные с измерением капельной
эрозии с использованием стаканов-собирателей, приведены в таблице 15.
Таблица 15
Трудовые и временные затраты (стакана-измерителя)
Операции по измерению
Количество человек, проводящих исследования
2
Число стоянок прибора на 1 м 2 исследоумого участка, ед.:
минимальное, шт.
9
максимальное, шт
9
Время экспозиции на стоянке, мин
1
Операции по обработке
Обработка показаний(с учетом подготовки в термостате и
взвешивания), мин
1440
Общее число показаний для 1 м 2 исследуемого участка, ед.:
минимальное, шт.
9
максимальное, шт
9
Общее время обработки показаний для 1 м 2 исследуемого участка,
мин:
минимальное
12960
максимальное
12960
110
Трудовые и временные затраты, связанные с измерением капельной эрозии с
использованием разработанного в диссертационном исследовании прибора,
приведены в таблице 16.
Таблица 16
Трудовые и временные затраты (полезная модель № 155056)
Операции по измерению
Количество человек, проводящих исследования
1
Число стоянок прибора на 1 м 2 исследоумого участка, ед.:
минимальное, шт.
1
максимальное, шт
9
Время экспозиции на стоянке, мин
1
Операции по обработке
Обработка показаний в специальной программе, мин
1
Общее число показаний для 1 м 2 исследуемого участка, ед.:
минимальное, шт.
1
максимальное, шт
9
Общее время обработки показаний для 1 м 2 исследуемого
участка, мин:
минимальное
1
максимальное
9
Cnew зависит от стоимости самого прибора. В условиях действующего
производства потребуется 1 прибор, себестоимость которого 520 руб, с учетом
стоимости и времени производства работ Cnew составит 820 руб.
111
Затраты на транспортировку рабочих и образцов почв для исследований не
включены в расчеты. Тогда,
Э = (Cold – Cnew) · n = (20650,0 – 820,0) · 10 = 198 300,0 руб.
В расчете на 1 измерение (стоянку) усовершенствованная методика на
1,5 суток позволяет сократить временные затраты и экономить 198 300,0 руб.
Производительность труда существующего способ составляет 43,2 чел.час. в расчете на 1 м 2 исследуемого участка. Предлагаемая технология
позволяет определять капельную эрозию с использованием устройства
(патента на полезную модель № 155056) за 0,16 чел.-час. Сокращение затрат
времени составляет около 43 чел.-час.
5.2. Выводы по главе 5
Общая сумма материальных затрат в денежном выражении составила
10780,0
руб.
и
47082,7
руб.
соответственно
для
предлагаемой
и
существующей методик без учета фонда оплаты труда.
Общее время обработки результатов измерения капельной эрозии с
помощью прибора составляет примерно 10 минут, для измерения может быть
задействован 1 человек.
Предлагаемая
проведения
методика
измерений.
В
обеспечивает
расчете
на
высокую
1
оперативность
измерение
(стоянку)
усовершенствованная методика на 1,5 суток позволяет сократить временные
затраты.
Общая экономия для поливного сезона в денежном выражении составит
198 300,0 руб.
В денежном выражении реализация предлагаемого способа оказывается в 4,4
раза дешевле.
112
Заключение
В
соответствии
с
лабораторно-полевых
целями,
задачами
исследований
и
полученных
настоящего
результатов
диссертационного
исследования сделаны следующие выводов.
1. Выявлены и изучены факторы, которые определяют уровень
опасности
возникновения
искусственного
дождя
гранулометрического
эрозии
на
и
разрушающего
структурные
состава.
действия
капель
почв
разного
агрегаты
Установлено,
что
наибольшему
эродирующему воздействию подвержена фракция <0,25 мм. Показано, что
расстояние разлета частиц возрастает с увеличением уровня влажности
почвы до наименьшей влагоемкости, после чего происходит постепенное
снижение
разлета
до
полной
влагоемкости.
Установлено,
что
даже
удовлетворяющая агротехническим требованиям капля диаметром 1,73 мм
оказывает влияние на процесс капельной эрозии почвы.
2. Оценен существующий способ определения величины капельнодождевой эрозии. Показано, что наиболее распространенным способом
определения капельной эрозии является метод песколовок (стакановсобирателей), а для получения результатов с его помощью необходимо
провести
ряд
полевых
и
лабораторных
исследований.
Способ
характеризуется значительными временными и трудовыми затратами для
получения результата.
3. Получены эмпирические формулы (35), (36), (40), (41), (45)–(48) для
расчета величины капельной эрозии, учитывающие параметры капель
искусственного дождя и свойства почв, расстояния разлета почвенных
фракций, их массу, частотную (акустическую) характеристику удара капель.
4. Для мониторинга капельно-дождевой эрозии почв определен перечень
показателей, характеризующий характер дождя, его взаимодействие с почвой
113
разработаны технические средства, защищенные патентами на полезную
модель № 155056 и изобретение № 2518744.
5. Подготовлены действующие макеты устройств к патентам на
полезную модель № 155056 для оценки показателей искусственного дождя,
капельной эрозии и изобретение № 2518744 для оценки капельной эрозии
почв при орошении дождеванием с добавками полиакрилмида.
6.
Проведены
лабораторно-полевые
испытания
образцов
макетов
устройств к патентам на полезную модель № 155056 и изобретение №
2518744,
которые
рекомендуется
использовать
для
прогнозирования
возможности появления капельной эрозии.
7. Получен программный код для среды математического моделирования
MATLAB R2013b (version 8.2) и зарегистрирована на его основе программа
для ЭВМ (свидетельство о государственной регистрации № 2015614657),
которую рекомендуется использовать для анализа звуковых колебаний,
возникающих в момент удара капель о мембрану прибора (патент № 155056).
8.
Проведен
сравнительный
анализ
эффективности
затрат
на
существующий и разработанный способ оценки величины капельной эрозии
к патенту на полезную модель № 155056. Показано, что предлагаемая
технология и оборудование обеспечивают по сравнению с аналогом
существенное сокращение затрат труда на 43 чел.-час. и времени на 1,5 сут. в
расчете на 1 м 2 обследуемого участка. Определение эрозии при дождевании
достигается за счет фиксации частоты колебаний мембраны под действием
гидродинамических ударов капель дождя в поровую среду. Положительные
результаты исследований и испытания разработанных технических средств
оценки капельной эрозии подтверждают целесообразность их применения
для
оперативного
проведения
мониторинга
при
оценке
соответствия
дождевальной техники почвенно-мелиоративным условиям орошаемого
агроландшафта.
114
9. Результаты диссертационной работы рекомендуется использовать с
целью диагностики, прогноза и предупреждения возникновения капельной
эрозии
почвы
при
поливе
сельскохозяйственных
культур
различной
дождевальной техникой в условиях Нечерноземной зоны РФ. Материалы
исследований рекомендуется также использовать в качестве основы для
разработки
мелиоративных
мероприятий,
направленных
капельной эрозией на орошаемых агроландшафтах.
на
борьбу
с
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации
– в изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ:
1.
Зверьков, М. С. Капельная эрозия как фактор нарушения плодородия
почв орошаемых агроландшафтов / М. С. Зверьков // Природообустройство. –
2013. – № 5. – С. 31–34.
2.
Зверьков, М. С. Масса и дальность разбрызгивания почвы в
эксперименте капельной эрозии / М. С. Зверьков // Научный журнал Российского
НИИ проблем мелиорации. – 2014. – № 3 (15). – С. 27–37.
3.
Зверьков, М. С. Акустическая диагностика капельной эрозии почв / М.
С. Зверьков // Природообустройство. – 2014. – № 3. – С. 38–42.
4.
Касьянов, А. Е. Оборудование для контроля эрозионной опасности
дождя / А. Е. Касьянов, М. С. Зверьков // Мелиорация и водное хозяйство. – 2015.
– № 2. – С. 16–13.
– в других изданиях:
5.
Зверьков, М. С. Контроль устойчивости почв к капельной эрозии:
Наука, инновации и международное сотрудничество молодых ученых аграриев:
материалы Международного научного форума / М. С. Зверьков. – М.: ФГБОУ
ВПО МГУП, 2012. – С. 84–90.
6.
Зверьков,
М.
С.
Исследование
капельной
эрозии
почв:
Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации: сб.
науч. докладов VI-ой Международной (10-ой Всероссийской) конференции
молодых ученых и специалистов / М. С. Зверьков. – Коломна: ФГБНУ ВНИИ
«Радуга», 2013. – С. 65–66.
7.
Зверьков, М. С. Моделирование капельной эрозии почв: Проблемы
комплексного обустройства техноприродных систем: материалы Международной
научно-практической конференции / М. С. Зверьков. – М.: ФГБОУ ВПО МГУП,
2013. – Ч. I. – С. 162–166.
116
8.
Зверьков, М. С. Методы диагностики капельной эрозии почв при
поливах дождеванием: Проблемы комплексного обустройства техноприродных
систем: материалы Международной научно-практической конференции / М. С.
Зверьков. – М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013. – Ч. I. – С. 166–170.
– патенты:
9. Устройство для измерения динамического действия дождя на почву: Пат.
2518744( Российская Федерация, МПК G 01 N 33/24, A 01 G 25/00 / А. Е.
Касьянов, М. С. Зверьков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГУП. –
№ 2013118078/15; заявл. 19.04.2013; опубл. 10.06.2014. – Бюл. № 16. – 5 с.
10. Устройство для измерения динамического действия дождя на почву: Пат.
155056 (Российская Федерация, МПК G 01 N 33/24, A 01 G 25/00 / Авторы,
заявители и патентообладатели: А. Е. Касьянов, М. С. Зверьков. – № 2015107899;
заявл. 05.03.2015; опубл. 20.09.2015. – Бюл. № 26. – 1 с.
– свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ:
11. Анализ сигнала капли: Свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ № 2015614657 / Автор и правообладатель М. С. Зверьков. –
№ 2015614657. – Заяв. № 2015612150; заявл. 05.03.2015; опубл. 20.05.2015.
Бюл. №. 5 – 1 с.
Приложения
Приложение 1
118
Приложение 1
119
Приложение 1
120
Приложение 1
121
Приложение 1
122
Приложение 1
123
Приложение 2
124
Приложение 3
125
Приложение 3
126
Библиографический список
1.
Алеев,
А.В.
Агро-технико-эксплуатационная
характеристика
передвижного дождевального трубопровода «Хаски» / А.В. Алеев, Н.М.
Шевцов, С.И. Соколова, Л.И. Чикирева: сб. научн. трудов ВНИИМ и ТП. –
Коломна: ВНИИМ и ТП, 1973. – Ч. 4. – С. 114–128.
2.
Анализ
сигнала
капли:
Свидетельство
о
государственной
регистрации программы для ЭВМ № 2015614657 / Автор и правообладатель
М.С. Зверьков. – № 2015614657. – Заяв. № 2015612150; заявл. 05.03.2015;
опубл. 20.05.2015. Бюл. № 5 – 1 с.
3.
Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв /
Е.В. Аринушкина. – М.: Изд-во МГУ, 1970. – 488 с.
4.
Дудкин,
Барсукова, М.Ю. Капельная эрозия почв / М.Ю. Барсукова, Ю.И.
Е.Н.
Коржов,
Д.И.
Щеглов
//
Вестник
Воронежского
государственного университета. – Серия: химия, биология, фармация. – 2008.
– № 2. – С. 62–70.
5.
Бекаревич, Н.Е. Структура почвы и условия жизни растений / Н.Е.
Бекаревич, Д.И. Буров, С.И. Долгов, И.Б. Ревут, И.И. Шевлягин // Физика,
химия, биология и минералогия почв СССР: Докл. к VIII межд. конгрессу
почвоведов. – М.: Наука, 1964. – С. 19–32.
6.
Бекаревич,
Н.Е.
Водопрочность
почвенной
структуры
и
определение ее методами агрегатного анализа / Н.Е. Бекаревич, Н.Б. Кречун:
сб. работ по методике исследований в области физики почв. – М.: АФИ,
1964. – С. 86–95.
7.
Бойко В. М. Особенности динамики капли воды в потоке за
ударной волной / В. М. Бойко, С. В. Поплавский // Известия РАН. Физика
жидкости и газа. – 2007. – № 3. – С. 110–120.
127
8.
Болдырев, А. П. Технические приемы предупреждения поливной
эрозии почвы при дождевании /А. П. Болдырев: тез. докл. VII делегатского
съезда ВОП, 9–13 сентября 1985 г. – Ташкент, 1985. – Ч. 5. – С. 180–181.
9.
Вильямс, В. Р. Почвоведение / В.Р. Вильямс. – М.: Сельсхозиздат,
1951. – 471 с.
10.
Вильямс, В. Р. Травопольная система земледелия / В.Р. Вильямс.
– М.: Сельхозгиз, 1949. – 495 с.
11.
Максмова, Ю. Г.
Влияние гидрогелей
полиакриламида на
микрофлору почвы / Ю. Г. Максимова [и др.] // Вестник Пермского
университета. Серия «Биология». – 2010. – № 1. – С. 45–49.
12.
Гаврилина, А. С. Капельная эрозия почв при поливе дождеванием.
Дис. ... канд. техн. наук / А.С. Гаврилина. – М., 1984.
13.
Гаврилица, А. О. Эрозионные процессы при поливе дождеванием
и пути их минимизации /А.О. Гаврилица // Почвоведение. – 1993. – № 1. – С.
77–84.
14.
Гегузин Я. Е. Капля /Я.Е. Гегузин/. – М.: Наука, 1977. – 134 с.
15.
Гендугов, В. М. Динамическая модель ударного действия капли
дождя с почвой /В.М. Гендугов, М.С.Кузнецов // Вестник Московского
университета. Серия 17. Почвоведение. – 2002. – № 4. – С. 47–50.
16.
Голованов, А. И. Динамика запасов гумуса при мелиорации
земель / А.И. Голованов // Природообустройство. – 2014. – № 3. – С. 7–11.
17.
Голованов, А. И., Сорокин, Р. А.. Определение поливных норм
при дождевании / А. И.Голованов, Р. А. Сорокин // Мелиорация и водное
хозяйство. – 2007. – № 6. – С. 24–27.
18.
Городничев, В. И. Методика оценки и технические средства
контроля показателей режима и качества полива при госиспытаниях
дождевальной
техники
/
В.И.
Городничев:
Ресурсосберегающие
экологически безопасные системы орошения и сельхозводоснабжения: сб.
128
трудов ФГНУ ВНИИ «Радуга». – Коломна: ФГНУ ВНИИ «Радуга», 2002. – С.
78–83.
Городничев, В. И. Методы и средства измерения характеристик
19.
дождя / В.И. Городничев. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. – 150 с.
Городничев, В. И. Полнота и достоверность оценка качества
20.
полива дождеванием / В.И. Городничев // Мелиорация и водное хозяйство. –
2011. – № 4. – С.36–38.
Городничев, В. И. Орошение озимой пшеницы и хлопчатника на
21.
слабозасоленных сероземно-луговых почвах
/ В.И. Городничев, И.А.
Костоварова // Природообустройство. – 2011. – № 2. – С. 22–27.
Господинов, Б. Причины заболачивания и эрозии почв при
22.
орошении / Б. Господинов // Земледелие, агрохимия, мелиорация. – 1970. –
№ 11. – С. 22–27.
Гостищев, Д. П., Математическое моделирование по выбору
23.
оптимальной схемы расстановки трехъярусной насадки на водопроводящем
поясе
ДДА-100МА
/
Д.
П.
Гостищев,
Е.
Ю.
Гильденберг
//
Природообустройство. – 2012. – № 3. – С. 20–25.
24.
Гостищев, Д. П. Исследование трехъярусной дождевальной
насадки / Д. П. Гостищев, Е. Ю. Гильденберг // Мелиорация и водное
хозяйство. – 2012. – № 3. – С. 28–31.
25.
Гостищев, Д. П. Современные технические средства полива
сельскохозяйственных культур дождеванием / Д.П. Гостищев, В.Г. Абезин,
В.В, Карпунин, Е.Ю. Гильденберг // Природообустройство. – 2009. – № 1. –
С. 40–43.
26.
Гостищев, Д. П. Влияние конусности сопла дождевального
аппарата на крупность капель искуственного дождя / Д. П. Гостищев, А.
М.Валиев, А. П.Суставов, В. И.Городничев: Использование сточных вод и
навозных стоков на орошение и удобрение с.-х. угодий: Сб. науч. тр.
ВНИИССВ, М., 1985.
129
27.
Данильченко, Н. В. Биоклиматические основы нормирования
орошения /Н.В. Данильченко: монография. – М.: МГУП, 2009. – 188 с.
28.
Дзядевич, И. А. Предотвращение водной эрозии и борьба с нею на
орошаемых землях / И.А Дзядевич // Гидротехника и мелиорация. – 1970. –
№ 9. – С. 26–30.
29.
Добровольский, Г. В. Охрана почв / Г. В.Добровольский,
Л.А.Гришина. – М.: Изд-во МГУ, 1985. – 225 с.
30.
Докучаев, В. В. Избранные сочинения / В.В. Докучаев. – М.:
Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1949. – Т.
2. – 425 с.
31.
Докучаев, В. В. Наши степи прежде и теперь / В.В. Докучаев. –
М.: Сельхозгиз, 1936. – 117 с.
32.
Доспехов,
Б.
А.
Методика
полевого
опыта
(с
основами
статистической обработки результатов исследований) / Б.А. Доспехов. – М.:
Агропромиздат, 1985. – 351 с.
33.
Егорова,
двухконсольных
Н.
Н.
дождевальных
Оценка
эффективности
агрегатов
/Н.Н.
применения
Егорова
//
Природообустройство. – 2012. – № 5. – С. 86–90.
34.
Егорова,
Н.
Н.
Усовершенствование
двухконсольного
дождевального агрегата / Н.Н. Егорова // Природообустройство. – 2012. – №
4. – С. 83–83.
35.
Ерхов, Н. С. Мероприятия по предупреждению ирригационной
эрозии почв при дождевании /Н.С. Ерхов // 1981. – № 6 . – С. 54–57.
36.
Ерхов Н. С. О допустимой интенсивности искусственного дождя в
различных почвенных условиях / Н.С. Ерхов //Гидротехника и мелиорация. –
1974. – № 8. – С. 45–51.
37.
Железняков, Г. В., Инженерная гидрология и регулирование стока
/ Г. В.Железняков, Е. Е.Овчаров. – М.: Колос, 1993. – 464 с.
130
38.
Жигимонт, Ю. Г. Эксперементальное исследование процесса
капельной эрозии почвы /Ю.Г. Жигимонт / Роль молодых ученых в
модернизации
мелиоративной
науки:
материалы
Научно-технической
студенческой конференции. – М.: МГУП, 2011. – С. 59–66.
39.
Жук, С. Л. Влияние искусственного дождя на почву /С.Л. Жук,
В.В, Слабунов / Совершенствование технологий и техники орошения в
современных условиях землепользования: сборник научных трудов. –
Новочеркасск: ФГНУ «РосНИИПМ», 2005. – С. 45–49.
40.
Заславский, М. Н. Эрозиоведение /М.Н. Заславский. – М.: Высшая
школа, 1983. – 320 с.
41.
Зверьков, М. С. Капельное орошение на пойменных землях /М.С.
Зверьков // Природообустройство. – 2012. – № 4. – С. 23–26.
42.
Зверьков, М. С. Капельная эрозия как фактор нарушения
плодородия
почв
орошаемых
агроландшафтов
/М.С.
Зверьков
//
Природообустройство. – 2013. – № 5. – С. 31–34.
43.
Зверьков, М. С. Масса и дальность разбрызгивания почвы в
эксперименте капельной
эрозии
/М.С.
Зверьков
//
Научный
журнал
Российского НИИ проблем мелиорации. – 2014. – № 3 (15). – С. 27–37.
44.
Зверьков, М. С. Акустическая диагностика капельной эрозии почв
/М.С. Зверьков // Природообустройство. – 2014. – № 3. – С. 38–42.
45.
Зверьков, М. С. Численные исследования удара капли о твердую
поверхность /М.С. Зверьков // Природообустройство. – 2015. – № 2. – С. 17–
20.
46.
Зверьков,
М.
С.
Акустические
маркеры
крупности
капель
искусственного дождя /М.С. Зверьков // Природообустройство. – 2014. – №
5. – С. 19–21.
47.
Иванченко, Ф. Л. К вопросу и влиянии структуры искусственного
дождя на характер увлажнения и агрофизические свойства почвы /Ф.Л.
Иванченко // Почвоведение. – 1940. – № 6 – С. 57–64.
131
48.
Ирригационная эрозия почв при поверхностных способах полива:
научный обзор ФГHУ «РосНИИПМ»/ составители: С. М. Васильев, М. А.
Субботина, Н. И. Тупикин, Е. А. Кропина, А. Б. Финошин. – М.: ФГHУ
ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2010. – 44 с.
49.
Исаев,
А.
П.
Оценка
технологических
возможностей
дождевальной техники на основе опредления допустимых норм полива /А.П.
Исаев: Улучшение эксплуатации
оросительных систем и планировка
орошаемых земель. – М.: Колос, 1982. – С. 67–78.
50.
Исаев,
А.П.
Гидравлика
и
гидромеханизация
сельскохозяйственных процессов /А.П. Исаев, В.А. Сергеев, В.А. Дидур. –
М., 1990. – С. 289–296.
51.
Карпенко, Н. П. Структура и оценка геоэкологических рисков
/Н.П. Карпенко // Природообустройство. – 2009. – № 3. – С. 45–50.
52.
Касьянов, А. Е. Баллистика капельной эрозии почв: Проблемы
комплексного
материалы
обустройства
Международной
техноприродных
систем
научно-практической
/А.Е.
Касьянов:
конференции.
–
М.:
ФГБОУ ВПО МГУП, 2013. – С. 210–215.
53.
Касьянов, А. Е. Мелиоративное обустройство ландшафтов /А.Е.
Касьянов: учебное пособие. – М.: МГУП, 2009. – 179 с.
54.
Касьянов, А. Е. Природоохранные технологии мелиорации почв
/А.Е. Касьянов: монография. – М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013. – 303 c.
55.
Касьянов, А. Е. Участок экологического контроля мелиорируемых
земель /А.Е. Касьянов // Природообустройство. – 2014. – № 2. – С. 12–16.
56.
Касьянов, А. Е. Динамическое действие дождя на почву /А.Е.
Касьянов, Ю.И Сухарев / Экологические проблемы водного хозяйства и
мелиорации: материалы Научно-технической конференции. – М.: МГУП,
2000. – С. 59–60.
132
57.
Касьянов,
А.
Е.
Оборудование
для
контроля
эрозионной
опасности дождя /А.Е. Касьянов, М.С. Зверьков // Мелиорация и водное
хозяйство. – 2015. – № 2. – С. 13–16.
58.
Касьянов, А. Е. Влияние полиакриламида на разбрызгивание
почвы /А.Е. Касьянов, М.С. Зверьков // Природообустройство. – 2015. – № 3.
– С. 30–34.
59.
Качинский, Н. А. Структура почвы / Н.А. Качинский. – М.: МГУ,
1963. – 100 с.
60.
Кервалишвили, Д. М. Техника дождевания в горных условиях:
Орошение в горных условиях / Д.М. Кервалишвили. – М.: Колос, 1981. – С.
16–20.
61.
Кизяев, Б. М. Восстановление плодородия мелиорируемых земель
– актуальная задача / Б. М. Кизяев, Л. В. Кирейчева // Плодородие. – 2006. –
№ 5. – С. 18–19.
62.
Кирейчева, Л. В. Проектирование мелиоративных систем на
основе новой методологии конструирования агроландшафта /Кирейчева Л.В.
// Мелиорация и водное хозяйство. – 2009. – № 5. – С. 14–17.
63.
Князев, Б. А. Дискретное преобразование Фурье – как это
делается / Б.А. Князев, В.С. Черкасский // Вестник Новосибирского
государственного университета. – Сер.: Физика. – 2008. – Т. 3. – № 4. – С.
74–86.
64.
Ковда, В. А. Основы учения о почвах/ В.А. Ковда. – М.: Наука,
1973. – 448 с.
65.
Корецкая, А. А. Эрозия почв /А.А. Корецкая: Учеб. пособие. – М.:
Госиздат с.-х. литературы, 1949. – 80 с.
66.
Костяков, А. Н. Основы мелиораций /А.Н. Костяков. – М.:
Сельхозгиз, 1951. – 750 с.
133
67.
Кузнецов,
М.
С.
Моделирование
эродирующего
действия
дождевых капель на почву / М. С. Кузнецов, В. М. Гендугов, Н. Л. Якушев //
Доклады по экологическому почвоведению. – 2006. – № 1. – С. 152–165.
68.
Кузнецов, М.С. Эрозия и охрана почв / М.С. Кузнецов, Г.П
Глазунов: Учебник. – М.: Изд-во МГУ, 1996. – 335 с.
69.
Кузнецов, Ю. В. Некоторые критерии экологической оценки
водного режима почвы для различных дождевальных машин и агрегатов
/Ю.В. Кузнецов // Природообустройство. – 2010. – № 5. – С.18–21.
70.
Кузьманенко, Н. Е. Ирригационная эрозия почв и пути ее
предупреждения / Н. Е. Кузьманенко // Гидротехника и мелиорация. – 1973.
– № 7. – С. 44–48.
71.
Лебедев, Б. М. Дождевальные машины / Б.М. Лебедев. – М.:
Машиностроение, 1977. – 222 с.
72.
Лебедев, Б. М. Дальнеструйные дождевальные машины высокой
производительности
/
Б.
М.Лебедев,
Г.П.
Лямперт:
Дождевание
сельскохозяйственных культур: сб. научн. трудов ВНИИМ и ТП. – Коломна:
ВНИИМ и ТП, 1973. – Ч. 4. – С. 32–40.
73.
Маштаков,
Д.
А.
Теоретическое
и
экспериментальное
обоснование комплексной мелиорации эродированных земель степной и
сухостепной зон нижнего Поволжья. Автореф. дис. … док. с.-х. наук:
06.01.02 / Маштаков Дмитрий Анатольевич. – Волгоград: ФГОУ ВПО
«Волгоградская ГСХА», 2010. 45 с.
74.
Мелиоративная энциклопедия. – М.: ФГHУ «Росинформагротех»,
2004. – Т. 3 (П-Я). – 440 с.
75.
Мирцхулава, Ц. Е. Инженерные методы расчета и прогноза
водной эрозии / Ц. Е. Мирцхулава. – М.: Колос, 1970. – 239 с.
76.
Мирцхулава, Ц. Е. Установление допустимых скоростей при
поверхностном поливе в условиях значительных уклонов площадей / Ц. Е.
134
Мирцхулава, С. А. Лашкарашвили
// Труды ГрузНИИГим. – Вып. 23. –
Тбилиси, 1965. – С. 10–17.
77.
Москвичев, Ю. А. Методика определения скорости впитывания
воды в почву при дождевании для расчета допустимой интенсивности / Ю.
А.Москвичев, Н. С.Ерхов, М. И.Бычков: сб. научн. трудов ВНИИМ и ТП. –
Коломна: ВНИИМ и ТП, 1973. – Ч. 4. – С. 129–138.
78.
Московкин, В. М. Оценка капельно-ударных характеристик
искусственного дождя /В.М, Московкин // Гидротехника и мелиорация. –
1982. – № 3. – С. 39–41.
79.
Московкин, В. М. Физические аспекты капельно-дождевой эрозии
/В.М. Московкин, В.Ф. Гахов // Почвоведение. – 1979. – № 12. – С. 76–80.
80.
Незнанова, В. А. Эрозионные процессы на поймах и мероприятия
по их предотвращению: автореф. дис. … канд. техн. наук: 06.01.02 /
Валентина Александровна. – М.: МГМИ, 1987.
81.
Низар, Х. З. Влияние дождевания мелкодисперсного орошения на
свойства почвы и на развитие кукурузы: автореф. дис. … канд. с.-х. наук:
06.01.02 / Низар Ха-сан Зарда – М., 1993. - 22 с.
82.
Ольгаренко, В. И. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных
систем / В.И. Ольгаренко, Г.В. Ольгаренко, В.Н. Рыбкин: Сер. Учебник для
студентов высших учебных заведений: учебное пособие. – Коломна, 2006. –
391 с.
83.
Ольгаренко, Г. В. Методические рекомендации по орошению
сельскохозяйственных культур на участках со сложной топографией с
применением комплектов импульсного дождевания / Г. В.Ольгаренко,
В.И.Городничев,
А.
А.
Терпигорев,
А.
В.Грушин,
С.
А.Асцатрян,
С.А.Гжибовский. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. – 100 с.
84.
Ольгаренко,
Г.
В.
Техника
экологически
безопасного
микроорошения многолетних насаждений / Г.В. Ольгаренко, Н.А. Мищенко
// Природообустройство. – 2014. – № 1. – С. 29–32.
135
85.
Охрана природы: под ред. А. Г. Банникова. – М.: Агропромиздат,
1985. – 287 с.
86.
Полевой определитель почв. – М.: Почвенный ин-т им. В.В.
Докучаева, 2008. – 182 с.
87.
Поспелов, А. М. Структура дождя при искусственном дождевании
сельскохозяйственных культур / А.М. Поспелов: Дождевание – М.: 1940. – Т.
3. – С. 117–187.
88.
Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. № 315 о
внесении изменений в Государственную программу развития сельского
хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья
и продовольствия на 2013–2020 годы [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: http://mcx.ru/documents/file_document/show/232220.htm.
89.
Практикум по агрохимическому анализу почв: учеб. пособие. – 3-
е изд., перераб. и доп. – СПб: Изд-во Санкт-Петерб. ун-та, 2005. – 88 с.
90.
Презентация Государственной программы развития сельского
хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья
и продовольствия на 2013–2020 годы [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: http://mcx.ru/documents/file_document/v7_show/22028.342.htm.
91.
Прохоров, В. Е. Генерация звука при падении капли на
поверхность воды / В.Е. Прохоров, Ю.Д. Чашечкин // Акустический журнал.
– 2011. – № 6. – Том 57. – С. 792–803.
92.
Романенков,
Г.А.
Проблемы
деградации
и
восстановления
продуктивности земель сельскохозяйственного назначения в России / Г.А.
Романенко [и др.] // М.: Росинформагротех, 2008. – 67с.
93.
Рыбкин, В. Н. Управление оросительными системами: состояние,
проблемы и пути их решения / В.Н. Рыбкин: монография. – М.: МГУП, 2006.
– 217 с.
136
94.
Рязанцев, А. И. Двухконсольная дождевальная машина: патент на
полезную модель № 63639 / А. И.Рязанцев, Н. Н.Егорова. – Бюл. № 16. –
2007. – 3 с.
95.
Рязанцев, А. И. Двухконсольная дождевальная машина: патент на
полезную модель № 64853 / А. И.Рязанцев, Н. Н.Егорова. – Бюл. № 21. –
2007. – 3 с.
96.
Рязанцев,
А.И.
Технологические
особенности
полива
дождевальной машиной «Фрегат» культурных пастбищ / А. И.Рязанцев, Н.
Я.Кириленко, А. В.Шереметьев, А. Ю. Самошин // Вестник Федерального
государственного образовательного учреждения высшего профессионального
образования Московский государственный агроинженерный университет им.
В. П. Горячкина. – 2012. – № 5 (56). – С. 27–30.
97.
Рязанцев,
полосовыми
А.И.
шланговыми
Совершенствование
дождевателями
на
технологии
сложном
рельефе
полива
/
А.
И.Рязанцев, Н. Я.Кириленко, А. В. Агейкин // Вестник Федерального
государственного образовательного учреждения высшего профессионального
образования Московский государственный агроинженерный университет им.
В. П. Горячкина. – 2012. – № 3 (54). – С. 29–33.
98.
Рязанцев, А.И. Совершенствование технологии полива и создание
энерговодосберегающей дождевальной машины «Фрегат» для условий
Нечерноземной зоны РФ / А. И.Рязанцев, Н. Я.Кириленко, Е. Н.Егоров, А. В.
Шереметьев // Вестник Федерального государственного образовательного
учреждения
высшего
профессионального
образования
Московский
государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина. – 2010.
– № 1. – С. 14–17.
99.
Рязанцев,
А.И.
Энерговодосберегающий
«Фрегат»
для
Нечерноземной зоны / А. И.Рязанцев, Н. Н.Егорова, А. В. Шереметьев //
Мелиорация и водное хозяйство. – 2010. – № 2. – С. 38–40.
137
100.
Рязанцев, А. И. Дождеобразующие устройства для полива в
теплицах / А. И.Рязанцев, Н. Н.Егорова // Мелиорация и водное хозяйство. –
2012. – № 4. – С. 27–30.
101.
Рязанцев, А. И. Механизация полива кассетной рассады овощей в
теплицах / А. И.Рязанцев, Н. Н.Егорова // Мелиорация и водное хозяйство. –
2012. – № 1. – С. 24–26.
102.
Система контроля размера и скорости капель дождя: Пат. 2330263
(Российская Федерация, МПК G 01 N / В. И. Городничев, Г. В. Ольгаренко;
заявитель и патентообладатель Федеральное государственное научное
учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт систем
орошения и сельхозводоснабжения «Радуга» (ФГНУ ВНИИ «Радуга»). – №
2006128970/28; заявл. 10.02.2006; опубл. 27.07.2008. – Бюл. № 21. – 10 с.
103.
Сластихин, В. В. К расчету силы удара капли дождя / В.В.
Слстихин // Проблемы географии Молдавии. – Вып. 6. – 1971. – С. 32–36.
104.
Снипич, Ю. Ф. Выбор и оценка технологий орошения / Ю.Ф.
Снипич // Природообустройство. – 2011. – № 1. – С.16–21.
105.
Снипич,
Ю.
Ф.
Совершенствование
технических
средств
орошения дождеванием / Ю.Ф. Снипич. – Новочеркасск: ООО «Геликон»,
2007. – 110 с.
106.
Снипич, Ю. Ф. Применение основных законов дождевания при
обосновании конструкции ДМ «ДКФ–1ПК–1» / Ю.Ф. Снипич, А.Е. Шепелев
// Мелиорация и водное хозяйство. – 2006. – № 4. – С. 57–58.
107.
Способ измерения динамического действия дождя на почву и
устройство для его осуществления: А. с. 1362418, МКИ4 А 01 G 25/00 / А. Е.
Касьянов (СССР). – Опубл. 30.12.87. – Бюл. № 48. – 4 с.
108.
Способ полива по бороздам переменным расходом и устройство
для его осуществления: Пат. 2463778 (Российская Федерация, МПК A 01 G
25 00 / А. А. Терпигорев, Г. В. Ольгаренко, А. В. Грушин; заявитель и
патентообладатель
Федеральное
государственное
научное
учреждение
138
Всероссийский научно-исследовательский институт систем орошения и
сельхозводоснабжения
«Радуга»
(ФГНУ
ВНИИ
«Радуга»).
–
№
2010124113/13; заявл. 16.06.2010; опубл. 20.10.2012. – Бюл. № 29. – 13 с.
109.
Способ полива дождеванием: Пат. 1768018 (SU, A 01 G 25/00 / А.
О. Гаврилица [и др.]; заявитель и патентообладатель МКО УкрНИИГиМ. – №
4762886; заявл. 27.11.1989; опубл. 07.10.1992. – Бюл. № 37. – 6 с.
110.
Сухановский Ю. П. Гидравлические исследования и расчет
дождевой эрозии. Автореф. дис. … канд. т. наук: 05.14.09/ Сухановский
Юрий Петрович. – М.: МГМИ, 1983. 21 с.
111.
Терпигорев,
А.
А.
Водосберегающие
механизированные
технологии полива по бороздам / А.А. Терпигорев // Природообустройство. –
2008. – № 4. – С. 20–24.
112.
Терпигорев,
А.
А.
Экологически
безопасные
технологии
орошения для интенсивного возделывания садов и виноградников / А.
А.Терпигорев, А.В.Грушин, С. А.Гжибовский // Природообустройство. –
2009. – № 1. – С. 36–39.
113.
Турапин,
С.С.
Технические
средства
модернизации
дождеобразующего пояса электрифицированных дождевальных машин /
С.С.Турапин, А. Н. Жирнов // Природообустройство. – 2011. – № 1. – С.29–
33.
114.
Устройство для измерения динамического действия дождя на
почву: Пат. 2518744 (Российская Федерация, МПК G 01 N 33/24, A 01 G
25/00 / А. Е. Касьянов, М. С. Зверьков; заявитель и патентообладатель
ФГБОУ ВПО МГУП. – № 2013118078/15; заявл. 19.04.2013; опубл.
10.06.2014. – Бюл. № 16. – 5 с.
115.
Устройство для измерения динамического действия дождя на
почву: Пат. 155056 (Российская Федерация, МПК G 01 N 33/24, A 01 G 25/00
/ Авторы, заявители и патентообладатели: А. Е. Касьянов, М. С. Зверьков. –
№ 2015107899; заявл. 05.03.2015; опубл. 20.09.2015. – Бюл. № 26. – 2 с.
139
116.
Чижов, А. В. Взаимодействие капли жидкости с твердой
поверностью / А. В.Чижов, А. А. Шмидт // Письма в Журнал Технической
Физики. – 1996. – Т. 22. – Вып. 3. – С. 57–63.
117.
Швебс, Г.И. Материалы к изучению эродирующего действия
капель воды / Г.И. Швебс // Почвоведение. – 1968. – № 2. – С. 133–144.
118.
состояния
Шевцов,
почвы
Н.
и
М.
ее
Определение
плотности
структурного
при
и
дождевании:
агрегатного
Дождевание
сельскохозяйственных культур / Н.М. Шевцов: сб. научн. трудов ВНИИМ и
ТП. – Коломна: ВНИИМ и ТП, 1973. – Ч. 4. – С. 90–95.
119.
Штеренлихт, Д. В. Гидравлика / Д.В. Штеренлихт: Учебник для
вузов. – М.: КолосС, 2004. – 656 с.
120.
Элементарный учебник физики: учеб. пособие в 3 т.: Т. 3.
Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика; под ред. Г. С.
Ландсберга. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 656 с.
121.
Aase, J. K. Sprinkler irrigation runoff and erosion control with
polyacrylamide – laboratory test / J. K.Aase, D. L.Bjorneberg, R. E. Sojka // Soil
Science Society of America Journal. – 1998. – Vol. 62. – P. 1681–1687.
122.
Alder, W. F. The mechanics of liquid impact / W. F.Alder: Treatise on
Material Science and Technology. – N. Y.: Preece, C. M., Ed.; Academic Press. –
1979. – Vol. 16. – P. 127–183.
123.
Al-Durrah, M. M. The mechanism of raindrop splash on soil surfaces /
M. M. Al-Durrah, J. M. Bradford // Soil Science Society of America Journal. –
1982. – № 46. – P. 1086–1090.
124.
Bjorneberg, D. L. Irrigation erosion processes / D.L.Bjorneberg, R. E.
Sojka // Encyclopedia of soil science. – 2002. – P. 742–744.
125.
Bjorneberg, D. L. Pre-wetting effect on furrow irrigation erosion: A
field study / D. L.Bjorneberg, R. E.Sojka, J. K.Aase // Transactions of the ASAE.
– 2002. – V. 45. – № 3. – P. 717–722.
140
126.
Bjorno, L. Underwater rain noise: sources, spectra and interpretations
/ L. Bjorno // Journal de Physique. – 1994. – Vol. 4. – P. 1023–1030.
127.
Blanco, H. Principles of soil conservation and management /
H.Blanco, R.Lal. – Springer Netherlands, 2008. – 617 p.
128.
Boroghani, M. Affectability of splash erosion by polyacrylamide
application and rainfall intensity / M.Boroghani, F.Hayavi, H.Noor // Soil &
Water Res. – 2012. – Vol. 7. – P. 159–165.
129.
Ekern, P. C. Water drop impact as a force in transporting sand /
P.C.Ekern, R. J.Muckenhirn // Soil science society proceedings. – 1947. – Vol. 12.
– P. 441–44.
130.
Ellison, W. D. Two devices for measuring soil erosion / W. D. Ellison
// Agricultural Engineering. – 1944. – V. 25. – P. 53–55.
131.
Ellison, W.D. Studies of raindrop erosion / W. D. Ellison // Agric.
Eng. – Mich., 1944 – Vol. 25. – P. 131–136.
132.
Engel, O. G. Waterdrop collisions with solid surfaces / O. G. Engel //
Journal of Research of the National Bureau of Standards. – 1955. – Vol. 54. – №
5. – P. 281–298.
133.
Ghadiri, H. Raindrop impact and splash erosion / H.Ghadiri //
Encyclopedia of soil science. – 2006. – P. 1428–1432.
134.
Ghadiri, H. Raindrop impact and soil splash / H.Ghadiri, D.Payne //
Journal soil science. – 1978. – Vol. 38. – № 2 – P. 38–57.
135.
Ghadiri, H. The formation and characteristics of splash following
raindrop impact on soil / H.Ghadiri, D.Payne // Journal soil science. – 1988. –
Vol. 39. – P. 563–575.
136.
Gorchichko, G. K. Device for determining the amount of soil splashed
by raindrops / G. K. Gorchichko // Soviet Soil Science. – 1977. – V. 8. – P. 610613.
137.
Green, V. S. Polyacrylamide: a review of the use, effectiveness, and
cost of a soil erosion control amendment / V. S. Green, D. E. Scott // Sustaining
141
the Global Farm: the 10th International Soil Conservation Organization Meeting
held May 24–29, 1999. – West Lafayette: Purdue University, 2001. – P. 384–389
138.
Grismer, M. Standards vary in studies using rainfall simulatiors to
evaluate erosion / M. Grismer // California agriculture. – 2012. – Vol. 66. – № 3.
– P. 102–107.
139.
Gunn, R. The terminal velocity of fall for water drops in stagnant air /
R.Gunn, G. D.Kinzer // J. Meteorol. – 1949. – Vol. 6. – P. 243–248.
140.
Harlow, F. N. The splash of liquid drop / F. N.Harlow, J. P. Shannon
// Journal of Applied Physics. – 1967. – Vol. 38. – P. 3855–3866.
141.
Holts, R. D. An introduction to geotechnical engineering / R. D.Holts,
W. D.Kovacs. – New Jersey: Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, 1981. – 733 p.
142.
Huang, C. A numerical study of raindrop impact phenomena: the rigid
case / C.Huang, J. M.Bradford, J. H. Cushman // Soil Science Society of America
Journal. – 1982. – Vol. 46. – P. 14–19.
143.
Hwang, J. B. G. High-speed impact between curved luiquid surface
and riged flat surface / J. B. G.Hwang, F. G. Hammitt // Journal Fluids
Engineering. – 1977. – Vol. 99. – P. 346–404.
144.
Imeson, A. C. The measurement of water drop impact forces with
piezoelectric transducer / A. C.Imeson, R.Vis, Water de E. // Catena. – 1981. –
Vol. 8. – P. 83–96.
145.
Jimba, S. C. Automation of water-drop method for soil aggregate
stability analysis / S. C.Jimba, B. Lowery // Soil Science Society of America
Journal. – 2010. – Vol. 74. – № 1. – P. 38–41.
146.
Kinnel, P. I. A. Splash erosion: Some observations on the splash-cup
technique / P. I. A. Kinnel // Soil Science Society of America Journal. – 1974. –
Vol. 38. – P. 657–660.
147.
Laws, J.O. Recent studies in raindrops and erosion / J.O. Laws //
Agric. Eng. – 1940. – Vol. 21. – P. 431–433.
142
148.
Moldenhauer, W. C. Effect of initial clod size on characteristics of
splash and water erosion / W. C.Moldenhauer, J.Koswara // Soil Science Society
of America Proceedings. – 1968. – Vol. 32. – P. 875–879.
149.
Morgan, R. P. C. Establishment of plant cover parameters for
modelling splash detachment / R. P. C. Morgan // Soil Erosion and Conservation.
– 1985. – P. 377–383.
150.
Morgan, R. P. C. Field measurement of splash erosion / R. P. C.
Morgan // International Association of Scientific Hydrology Publication. – 1981.
– V. 133. – P. 372–382.
151.
Mouzai, L. Water drop erosivity: Effects on soil splash / L.Mouzai, M.
Bouhadef // Journal of hydraulic research. – 2003. – Vol. 41. – № 1. – P. 61–68.
152.
Nearing, M. A. The mechanics of soil detachment by raindrops and
runoff / M. A. Nearing // Eurasian Soil Science. – 1997. – Vol. 30. – № 5. – P.
552–556.
153.
Nearing, M. A. Single waterdrop slash detachment and proferties of
soils / M. A.Nearing, J. M. Bradford // Soil Science Society of America Journal. –
1985. – Vol. 49. – P. 547-552.
154.
Nearing, M. A. Measurement of force vs. time relations for waterdrop
impact / M. A.Nearing, J. M. Bradford, R. D. Holtz // Soil Science Society of
America Journal. – 1986. – Vol. 50. – P. 1532–1536.
155.
Nearing, M. A. Measurement of waterdrop impact pressures on soil
surfaces / M. A.Nearing, J. M. Bradford, R. D. Holtz // Soil Science Society of
America Journal. – 1987. – Vol. 51. – P. 1302–1306.
156.
Nystuen, J. A. Acoustical rainfall analysis: Rainfall drop size
distribution using the underwater sound field / J. A. Nystuen // Journal of
Atmospheric and oceanic technology. – 1996. – Vol. 13. – P. 74–84.
157.
Nystuen, J. A. Rainfall measurements using underwater ambient noise
/ J. A. Nystuen // Acoustical Society of America Journal. – 1986. – Vol. 79. – P.
972–982.
143
158.
Nystuen, J. A. Underwater sound generated by rainfall: Secondary
splashes of aerosols / J. A. Nystuen, H.Medwin // Acoustical Society of America
Journal. – 1995. – Vol. 97. – P. 1606–1613.
159.
Oscillation of liquid drops under gravity: Influence of shape on the
resonance frequency / M. Perez and [et al.] // Europhysics Letters. – 1999. – Vol.
47. – P. 189–195.
160.
Parlak, M. Measurement of splash erosion in different cover crops /
M.Parlak, A.O.Parlak // Turkish Journal of Field Crops. – 2010. – V. 15(2). – P.
169–173.
161.
Prosperetti, A. The impact of drops on liquid surfaces and the
underwater noise of rain / A.Prosperetti, H. N.Oguz // Annual Review of Fluid
Mechanics. – 1993. – Vol. 25. – P. 577–602.
162.
Pumphrey, H. C. Underwater sound produced by individual drop
impacts and rainfall / H. C.Pumphrey, L. A.Crum, L. Bjorno // Acoustical Society
of America Journal. – 1989. – Vol. 85 (4). – P. 1518–1526.
163.
Rich, G. R. Watter-hammer: Hydraulic Trasients / G. R.Rich. – U. K.:
McGraw-Hill Book Company Inc., 1951. – Chap. 1. – P. 7–45.
164.
Richard, D. Contact time of a bouncing drop / D.Richard, C.Clanet,
D.Quere // Nature. – 2002. – Vol. 417. – P. 811.
165.
Rochester,
M.
C.
Surface
pressure
distribution
during
drop
impingement / M. C.Rochester, J. H.Brunton: The Fourth International
Conference on Raindrop Erosion and Related Phenomena. – Meersburg, 1974. –
P. 371–393.
166.
Sepaskhan, A. R. Controlling runoff and erosion in sloping land with
polyacrylamide under a Rainfall Simulator / A. R.Sepaskhan, A. R.BazrafshanJanromi // Biosystems Engineering. – 2006. – Vol. 93. – P. 474–497.
167.
Sharma, P. P. Sand detachment by single raindrops of varying kinetic
energy and momentum / P. P.Sharma, S. C.Gupta // Soil Science Society of
America Journal. – 1989. – V. 53. – P. 1005–1010.
144
168.
Sharma, P. P. Sand detachment by single raindrops of varying kinetic
energy / P. P.Sharma, S. C.Gupta, W. J.Rawls // Soil Science Society of America
Journal. – 1991. – V. 55. – P. 301–307.
169.
Splash projection distance for aggregated soils: theory and experiment
/ S. Leguedois and [et al.] // Soil Science Society of America Journal. – 2005. –
Vol. 69. – P. 30–37.
170.
Trout, T. J. Erosion and sedimentation processes on irrigated fields /
T.J.Trout, W. H. Neibling // Journal lrrig. Drain. Eng.. – 1993 – Vol. 119. – P.
947–963.
171.
Van Dijk, A. I. J. M. A methodology to study rain splash and wash
processes under natural rainfall / A. I. J. M. Van Dijk, L. A. Bruijnzeel,
E.H.Eisma // Hydrological Processes. – 2003. – Vol. 17. – P. 153–167.
172.
Wallace, A. Effects of soil conditioners on emergence and growth of
tomato, cotton, and lettuce seedlings / A.Wallace, G. A. Wallace // Soil Science. –
1986. – Vol. 141. – P. 313–316.
173.
Walker, P. H. Transport of a non- cohesive sand mixture in rainfall
and runoff experiments / P. H.Walker, P. I. A. Kinnell, P. Green // Soil Science
Society of America Journal. – 1978. – Vol. 42. – № 5. – P. 793–801.
174.
Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding,
bouncing / A. L. Yarin // Annual Review of Fluid Mechanics. – 2006. – Vol. 38. –
P. 159–192.