С.В. Комонов, Е.Н. Комонова
Ветровая эрозия и пылеподавление
Курс лекций. — Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. — 192 с.

Глава 1. Ветровая эрозия

1.5. Факторы ветровой эрозии почв

1.5.3. Почвенные и литологические факторы

1.5.3.1. Агрегатный состав

Свойства почв, оказывающие влияние на процесс ветровой эрозии, можно, исходя из механизма их влияния, разделить на две группы:

·          непосредственно влияющие на противодефляционную стойкость;

·          опосредованно влияющие на их противодефляционную стойкость и интенсивность процесса ветровой эрозии.

К первой группе относятся агрегатный состав, плотность агрегатов, межагрегатное сцепление. Ко второй группе относятся комплекс физических, химических и физико-механических свойств, которые определяют количественные характеристики свойств почв, составляющих первую группу. Такое разделение свойств почв на две группы полезно тем, что позволяет проследить влияние любого свойства на процесс ветровой эрозии и на противодефляционную стойкость почв. Кроме того, именно количественные характеристики почвенных свойств, составляющих первую группу, являются аргументами в уравнениях критических скоростей ветра, при которых начинается дефляция, а также в уравнениях переноса грунта воздушным потоком.

Свойства почв, составляющие первую группу, претерпевают в течение года существенные изменения под действием остальных факторов ветровой эрозии и при прочих равных условиях определяются свойствами почв, составляющими вторую группу. Сильнейшим из факторов ветровой эрозии является антропогенный. В результате действия человеческой деятельности агрегатный состав различных почв и грунтов слоя в течение года изменяется. Изменяется плотность агрегатов, причем часто в неблагоприятную сторону, происходит их переуплотнение. Изменениям подвержено и межагрегатное сцепление. Важнейшими факторами, определяющими величину межагрегатного сцепления, являются корневые системы растений, водные пленки на поверхности агрегатов, состав и свойства клеящих и цементирующих веществ.

Как уже указывалось выше, силовое воздействие потока на почвенную частицу, а вместе с ним и критическая скорость потока, при которых частица переходит в движение, прямо пропорциональны корню квадратному из произведения размера частицы на ее плотность. Различия между частицами в их устойчивости к действию ветра объясняются в первую очередь различиями в размере и плотности, хотя влияние формы частиц и плотности упаковки их в поверхностном слое также имеют значение. Большое значение может иметь и сила межагрегатного сцепления, обусловленная водными пленками, корнями растений, а также клеящими органическими веществами — продуктами жизнедеятельности живых организмов.

Из общих соображений следует, что срывающая сила должна быть прямо пропорциональна силе сцепления между агрегатами. Однако успешных примеров измерения сил межагрегатного сцепления в том их диапазоне, в котором еще возможно сдувание почв обычными ветрами, пока нет. Поэтому их чаще всего не учитывают в явном виде в формулах для расчета критической скорости ветра. Грунт представляет собой совокупность почвенных агрегатов самого разного размера, поэтому применяют несколько показателей, характеризующих агрегатный состав данного слоя в отношении устойчивости к действию ветра. Наиболее широко используемым показателем является так называемая комковатость слоя грунта, представляющая собой долю агрегатов в почве (%), имеющих размер более одного миллиметра. Этот показатель рассчитывают по результатам анализа агрегатного состава почв с помощью набора сит. Комковатость характеризует с некоторой точностью противодефляционную стойкость почв. Теснота связи и форма зависимости критической скорости ветра от комковатости изучена недостаточно. Несмотря на это комковатость может быть использована для относительной оценки устойчивости ночв разного агрегатного состава к действию ветра. В то же время очень часто на основании использования этого показателя делаются совершенно неправильные выводы относительно противодефляционной стойкости почв.

Оценку противодефляционной стойкости грунта производят не по величине комковатости, а по величине присущей этой почве критической скорости ветра, при которой начинается ветровая эрозия.

В условиях одинаковой системы механической обработки ночв и при прочих равных условиях различия между грунтами в агрегатном составе и устойчивости их к ветру будут определяться комплексом свойств второй группы. На практике комплекс свойств грунта, отнесенных ко второй группе, оказывает существенное влияние на выбор систем пылеподавления.

Следовательно, различия между грунтами в противодефляционной стойкости обусловлены комплексным влиянием свойств грунта, отнесенных ко второй группе. Тем не менее, представляется возможным оценить влияние каждого из свойств, отнесенных ко второй группе, на противодефляционную стойкость почв и на ход процесса ветровой эрозии.

1.5.3.2. Гранулометрический состав

Гранулометрический состав — один из главных факторов, определяющих структурное состояние грунта и его противодефляционную стойкость. Сильнее всего подвержены ветровой эрозии наиболее легкие и наиболее тяжелые по гранулометрическому составу частицы грунта. Легким грунтовым частицам не хватает цементирующего материала (глины, ила и мелкой пыли) для формирования достаточно крупных и механически прочных структурных отдельностей.

В тяжелых по гранулометрическому составу грунтах цементирующего материала достаточно, однако эти грунты, в силу своего генезиса характеризуются относительно пористой мелко комковатой или комковато-зернистой структурой имеющей низкую противодефляционную стойкость.

При прочих равных условиях наиболее устойчивыми оказались грунты с содержанием глины 27% и с максимальным возможным содержанием пыли. Увеличение содержания глины сверх 27% сопровождается увеличением подверженности почв ветровой эрозии.

Гранулометрический состав оказывает влияние не только на противодефляционную стойкость, но и на характер развития процесса ветровой эрозии. В ходе переноса частиц почвы ветром происходит их разрушение, а также истирание грунтовой поверхности скачущими частицами.

Оба процесса приводят к увеличению содержания в зоне дефляции мелких, легко перемещаемых ветром частиц, и оба зависят от прочности (связности) грунтовых агрегатов. Существует эмпирическая зависимость для оценки устойчивости грунтов к абразии в грунтово-воздушном потоке по их гранулометрическому составу:

                                      (2)

где     — показатель связности в грунтово-воздушном потоке к исходной, %;

 — содержание элементов (частиц мельче 0,001 мм), %;

— содержание гранулометрических элементов размером от 0,05 до 0,25 мм, %;

 — содержание гранулометрических элементов размером от 0,25 до 3,0 мм, %.

В соответствии с этой формулой связность почвенного комка прямо пропорциональна содержанию в нем глинистой фракции и обратно пропорциональна содержанию мелкого и крупного песка. Кроме того, выяснилось, что в границах территории, характеризующейся относительной

однородностью климатических факторов ветровой эрозии, не только характер протекания эрозии, но и вероятность ее возникновения зависят от показателя связности и группы почвы (таблица 8).

Таблица 8 — Группировка почв Северного Казахстана по потенциальной подверженности ветровой эрозии

Устойчивость к ветру почв указанных груша постепенно уменьшается в ряду от первой к шестой группе.

Особую, весьма распространенную группу, составляют песчаные почвы и пески. Пески характеризуются очень низкой противодефляционной стойкостью, обусловленной относительной узостью диапазона размеров слагающих их гранулометрических элементов и слабой способностью к агрегированию.

Визуальное определение критической скорости приводит к завышению результатов. В настоящее время принято, что критическая скорость ветра для песков составляет не более 5 м/с (на высоте флюгера).

1.5.3.3. Органическое вещество почвы

Многочисленными наблюдениями установлено, что высокое содержание специфических органических веществ обеспечивает грунту хорошие технологические качества и низкую противодефляционную стойкость. Черноземные грунты, содержащие больше гумуса, содержат больше мелких агрегатов и более податливы ветровой эрозии.

Внесение в грунт растительных остатков оказывает принципиально иное воздействие на противодефляпионную стойкость грунта. Первоначально внесение органики приводит к увеличению содержания в слое крупных неводопрочных комков, а также водопрочных агрегатов крупнее 0,84 мм, а также крупнее 0,02 мм.

Агрегирующее действие растительных остатков проявляется только после появления в грунте первых продуктов их разложения, которые являются клеящими веществами. Чем больше растительных остатков в грунте, тем сильнее и дольше проявлялось их агрегирующее действие. Однако агрегирующее действие первых продуктов разложения высших растений является временным. Причина этого в том, что эти продукты разложения сами разлагаются под действием различных микроорганизмов. Внесение растительных остатков в грунт в этом отношении менее эффективна, чем оставление их на поверхности, где они разлагаются гораздо медленнее, чем в почве, и поэтому дольше служат источником пополнения грунта клеящими веществами, а также средством зашиты грунта от ветра.

С течением времени начальные продукты разложения растительности постепенно утрачивают клеящие свойства или в результате замещаются вторичными продуктами разложения. Механические силы, возникающие при расширении и сжатии грунта в результате увлажнения, высыхания, замерзания или оттаивания, разрушают вторичные цементы и, следовательно, крупные первичные и вторичные агрегаты, с образованием гранулированной структуры, которая отличается повышенной водопрочностью, но сообщает грунту пониженную противодефляционную стойкость и повышенную дефлируемость. Чем больше растительных остатков было внесено в грунт, тем в большей степени выражено их последействие.

Образование грунтовой корки не только приводит к увеличению противодефляционной стойкости, но и сопровождается уменьшением интенсивности сдувания грунта и сокращением общего объема потерь грунта от ветровой эрозии.

Потери грунта с открытой поверхности, покрытых коркой, в среднем в шесть раз меньше, чем с поверхности без корки, независимо от гранулометрического состава грунта.

Положительный вклад первичных продуктов разложения растительности в повышение устойчивости грунта к ветру не позволяет компенсировать отрицательный вклад вторичных продуктов разложения.

1.5.3.4. Химический состав

При прочих равных условиях в наибольшей степени ветровой эрозии подвержен грунт с содержанием карбонатами. Это относится к грунтам тяжелого и среднего гранулометрического состава. Количество грунта, сносимого ветром постоянной скорости с единицы поверхности, определяемое с помощью аэродинамической установки, увеличивается с увеличением содержания карбонатов в грунте. Влияние карбонатов прослежено вплоть до их концентрации в грунте равной 4,7%.

При содержании карбонатов равном 0,3% дефлируемость грунта становиться наименьшей (таблица 9).

Таблица 9 – Дефлируемость грунта

Состав поглощенных оснований в значительной степени определяет структурность грунта и, следовательно, ее противодефляционную стойкость, однако прямых измерений влияния поглощенных оснований на противодефляциоиную стойкость грунта и на интенсивность дефляции проведено очень мало. Связано это, с тем, что эффект влияния поглощенных оснований очень трудно вычленить, он маскируется ярусами, более мощными факторами. Грунт с корковым тяжелосуглинистым, содержавшим натрий в грунтовом поглощающем комплексе, присущи малые скорости ветра, соответственно 9,4 и 8,7 м/с на высоте флюгера, при которых начинался перенос, тогда как для мелкого песка, образца наименее устойчивого к дефляции, эта скорость составляет 6,6 м/с.

1.5.3.5. Вода в грунте

Вода положительно влияет на противодефляциоиную стойкость грунта. Заполнение пор агрегатов суглинистых и глинистых грунтов водой приводит к увеличению их веса и, следовательно, критической скорости ветра, необходимой для перемещения этих агрегатов. По мере увлажнения грунта на поверхности грунтовых частиц образуются водные пленки, смыкание которых на контактах между частицами приводит к возникновению межагрегатного сцепления. Сила сцепления прямо пропорциональна содержанию воды в грунте. Эта сила соизмерима с весом тех мелких грунтовых частиц, которые обычно переносятся ветром. Появление сил межагрегатного сцепления приводит к увеличению противодефляционной стойкости грунта и уменьшению интенсивности ветровой эрозии.

Природные ветры редко достигают силы, достаточной для преодоления межагрегатного сцепления, обусловленного водными пленками, при содержании воды в грунте, соответствующем влажности устойчивого завядания растений. Факт увеличения устойчивости грунта к сдуванию ветром по мере увеличения его влажности известен очень давно, однако количественно эта зависимость до сих пор изучена недостаточно. В значительной степени это обусловлено чисто техническими трудностями, связанными с тем, что именно в поверхностном слое, где разворачиваются процессы взаимодействия воздушного потока с грунтом, его влажность подвержена очень быстрым изменениям.

По результатам опытов в аэродинамической трубе интенсивность ветровой эрозии грунта не зависит от их влажности в диапазоне 0-0,33 относительных единиц влажности (за единицу принято отношение фактической влажности к влажности, при которой полное давление влаги в этом грунте равно — 1500 кПа). В диапазоне 0,33-1,0 сдувание грунта уменьшается с увеличением влажности, приближаясь к нулю при приближении эквивалента к 1,0. Это факт говорит о том, что дефляция грунта прекращается при увлажнении грунта до состояния, соответствующего полному давлению грунтовой влаги -1500 кПа. При этом наименьшее количество влаги требуется для стабилизации песка, а наибольшее — для пылевато-глинистых грунтов (таблица 10).

Результаты, приведенные в таблицы 10, получены для грунтов в стадии увлажнения. Для грунтов в стадии иссушения соотношение между критическими значениями влажности и полного давления грунтовой влаги будут другими вследствие гидросорбционного гистерезиса. Другим будет и вид кривой, описывающей зависимость интенсивности сдувания грунта от его влажности в стадии иссушения. В области малых значений влажности различия между этими кривыми обусловлены не только гидросорбционным гистерезисом, но и действием клеящих веществ, растворимых в воде. Противодефлящюнкая стойкость грунта после увлажнения и высушивания до исходной влажности всегда выше, чем в исходном состоянии, независимо от гранулометрического состава.

Таблица 10 — Влажность грунта, при которой прекращается ее сдувание ветром

Грунтовая влага оказывает существенное, но непродолжительное положительное влияние на стойкость грунта.

Поверхностный, очень тонкий слой грунта, толщиной порядка единиц миллиметров, очень быстро иссушается и, в большинстве случаев, если скорость ветра достаточна, быстро сдувается. Обнажившийся более влажный слой грунта некоторое время противостоит дефляции, но, по мере иссушения, также сдувается. Этот процесс может продолжаться как угодно долго в зависимости от других факторов ветровой эрозии грунта.

1.5.3.6. Противодефляцнонная стойкость грунта

Противодефляционная стойкость грунта по физическому смыслу характеризует способность противостоять сдувающему действию воздушного потока. Количественно она выражается величиной скорости начала массового движения частиц, которая непосредственно определяется размером, плотностью и сцеплением агретов и комков. Остальные свойства грунта влияют на противодефляционную стойкость опосредованно, через эти показатели. Способность грунта противостоять сдуванию ветром характеризуется противодефляционной стойкостью однозначно: грунт в данном состоянии соответствует единственная величина скорости начала массового движения частиц.

Для оценки способности грунта противостоять сдуванию ветром используют показатели, в том числе упоминавшуюся выше дефлируемость. Дефлируемость (ранее — эродйруемость ветром) широко используется в экспериментальных исследованиях по ветровой эрозии в связи с относительной простотой ее определения. Количественно она выражается величиной потерь грунта под действием воздушного потока с единицы площади за произвольно выбранное время. Из этого определения ясно, что она характеризует скорее податливость грунта ветровой эрозии, чем их сопротивляемость. Дефлируемость не является однозначной характеристикой, поскольку она зависит не только от свойств грунта, но и от скорости и продолжительности ветра, а также от площади исследуемого образца грунта.

Ветровой эрозии обычно подвергаются несвязные грунты, обладающие свойством сыпучести. Связные грунты, не обладающие сыпучестью, редко подвергаются ветровой эрозии по причине весьма высокой противодефляционной стойкости.

Для качественной оценки противодефляционной стойкости грунтов по результатам определения критической скорости ветра предложена шкала (таблица 11).

Таблица 11 – Шкала противодефляционной стойкости грунтов

Противодефляционная стойкость считается достаточной, если скорость начала массового движения частиц на высоте флюгера метеостанции  превышает характерную для данной территории скорость ветра  требуемой обеспеченности. (При расчете противодефляционных мероприятий, например, систем лесных полос, основываются на максимальных во время пыльных бурь скоростях ветра 20%-й обеспеченности). В противном случае противодефляционная стойкость грунта считается недостаточной, что указывает на необходимость противодефляционных мероприятий.

Противодефляционная стойкость грунта, не обладающих межагрегатным сцеплением, изменяется в весьма широком диапазоне скоростей.