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

Глава 1. Ветровая эрозия

1.7. Измерение и прогнозирование размеров эрозии

1.7.3. Прогнозирование ветровой эрозии почв

Одна из первых методик расчета возможных потерь почвы от ветровой эрозии, так называемое "уравнение ветровой эрозии", позволяет прогнозировать потери почвы в зависимости от ряда факторов:

                                          (80)

где     — возможные потери почвы от ветровой эрозии за год с единицы поверхности;

 — дефлируемость почв, зависящая от ее комковатости () и наличия почвенной корки, учитываемой коэффициентом ;

 — уклон;

 — коэффициент грунтовой шероховатости;

 — климатический индекс ветровой эрозии грунта, зависящий от средней скорости ветра () и влажности почвы ();

 — длина незащищенной части грунта в направлении ветра;

 — грунтовозащитный эквивалент растительного покрова.

                                              (81)

где     — масса растительного покрова на единице площади;

 — коэффициент, учитывающий суммарную поверхность элементов растений;

 — коэффициент, учитывающий пространственное размещение растений.

Решение этого уравнения относительно , т.е. определение возможных потерь грунта, осуществляется методом последовательных приближений с использованием уравнений, номограмм и таблиц, раскрывающих связь между переменными. На первом этапе по известной комковатости грунта  определяют дефлируемость грунта .

Под комковатостью — понимают характеристику механической прочности агрегатов и их распределения по размерам, выраженную в виде процентного содержания в грунте агрегатов крупнее 0,84 мм. Ее определяют по стандартной методике. Для этого из поверхностного слоя грунта (0-2,5 см) с площадки, выбранной случайным образом, отбирается образец весом около 1 кг. После высушивания до воздушно-сухого состояния образец помещают в цилиндрическое сито и прокручивают цилиндр со скоростью 2 оборота за 5 с. Поверхность цилиндра состоит из сетки с квадратными ячейками размером 0,84 х 0,84 мм. Диаметр цилиндра 21,6 см, высота 51 см. Частицы мельче 0,84 мм просыпаются сквозь сито в подставленную емкость. После требуемого числа оборотов сита эти частички взвешивают и рассчитывают их содержание в исходном образце. Число оборотов сита зависит от гранулометрического состава грунта:

·          песок, супесь, песчанистый суглинок — 5 оборотов;

·          суглинок, пылеватый суглинок, иловатый суглинок, пылевато-иловатый суглинок — 10 оборотов;

·          глина, пылеватая глина — 15 оборотов.

Дефлируемость грунта  представляет собой возможные потери грунта от ветровой эрозии за год с единицы поверхности поля при стандартных условиях. Стандартным условиям соответствуют:

·          значение климатического индекса ветровой эрозии почв , рассчитанное по данным о скорости ветра  и сумме осадков  для исследуемого района;

·          отсутствие противоэрозионных мероприятий;

·          отсутствие полезащитных лесополос, инженерных сооружений и т.п.);

·          отсутствие на бугров, холмов и других крупных неровностей;

·          отсутствие взвешенных грунтовых частиц в набегающем потоке;

·          бесконечная длина поля;

·          отсутствие растительности;

·          отсутствие грунтовой корки.

По результатам первого этапа решения "уравнения ветровой эрозии" можно записать .

На втором этапе, вводя коэффициент , учитывают влияние грунтовой корки. Наличие корки слабо сказывается на величине среднегодовых потерь грунта, так как она довольно быстро разрушается в результате абразии. Поэтому принимают, что . Если уравнение применяют для расчета потерь грунта за короткий промежуток времени и грунта в исходном состоянии полностью покрытого коркой, то независимо от его гранулометрического состава принимают . На этом этапе можно рассчитать величину .

На третьем этапе при помощи номограмм учитывают влияние крупных бугров или холмов. Для этого из точки на абсциссе, соответствующей известному уклону , восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой, а в случае вершины холма или  в случае верхней трети наветренного склона длиной менее (152 м) и находят ординату  точки пересечения, которая представляет собой коэффициент учета длины склона.

На третьем этапе можно рассчитать величину

На четвертом этапе учитывают влияние скорости ветра  и влажности грунта . Известно, что перенос грунта ветром прямо пропорционален кубу скорости ветра и обратно пропорционален квадрату влажности грунта. Поэтому в качестве комплексного показателя влияния этих величин на потерю грунта выбирают местный климатический индекс ветровой эрозии, в основе которого отношение куба средней скорости ветра на флюгере метеостанции к квадрату влажности грунта. В качестве показателя влажности грунта используют  который рассчитывают по формуле, в диапазоне от -1,1 до +32,2°С:

                                         (82)

где     — среднее месячное количество атмосферных осадков, мм;

 — средняя месячная температура воздуха, °С.

Климатический индекс ветровой эрозии грунта рассчитывают по формуле:

                                              (83)

где     — средняя годовая скорость ветра, м/с.

В результате выполнения четвертого этапа можно рассчитать величину .

На пятом этапе с помощью номограммы учитывают влияние относительно крупных элементов шероховатости поверхности таких, как гребни, борозды, валики, значительно превышающих по величине грунтовых агрегатов. Аэродинамическое сопротивление и грунтовозащитная эффективность таких элементов зависят от их формы, высоты , ширины , расстояния друг от друга , отклонения продольной оси от направления ветра и от агрегатного состава грунта, из которой они состоят. Для любой грунтовой поверхности, покрытой неровностями произвольного размера и формы, можно опытным путем с помощью аэродинамической установки подобрать эквивалентную по аэродинамическому сопротивлению и грунтовозащитной эффективности так называемую стандартную поверхность.

Под стандартной подразумевают поверхность грунта, покрытую стандартными гребнями (), расположенными на стандартном расстоянии () перпендикулярно направлению ветра. Показателем относительной эффективности гребней может служить их эквивалентная высота . По физическому смыслу  это высота стандартных гребней  при их стандартном расположении. Если стандартные гребни разнести на расстояние большее, чем стандартное, их эквивалентная высота уменьшится, что отражает изменение их грунтовозащитной эффективности.

Это же справедливо по отношению к любым гребням, отличным от стандартных. В общем случае, если , то , если , то эквивалентная высота определяется по следующей формуле:

                                       (84)

Имея эквивалентную высоту гребней , можно по номограмме получить соответствующее ей значение коэффициента грунтовой шероховатости , учитывающего снижение потерь почвы под влиянием гребней для скорости ветра 22 м/с и высоте 15 м, направленного под углом 45° к оси гребней. По результатам выполнения пятого этапа можно рассчитать величину .

На шестом этапе учитывают влияние протяженности  в направлении ветра не защищенного участка поля:

                                      (85)

где     — топографическая протяженность определяемая по топографическому плану поля на основе данных о направлении ветра, м,

 — защитная протяженность, м, в первом приближении рассчитывают по формуле:

                                               (86)

где     — высоты препятствия, м.

Имея данные значений  и величину , по номограмме с подвижной шкалой находят величину , т.е. величину возможных потерь грунта от ветровой эрозии с реальной поверхности, лишенной растительности.

Последний этап — нахождение потенциальных потерь грунта за год с учетом растительности  производится также с использование номограммы.

Поскольку все аргументы, за исключением индекса ветровой эрозии () и крутизны склона () могут быть изменены в результате хозяйственной деятельности человека, модель можно использовать не только для расчета потенциальных потерь грунта при заданных значениях параметров (), но и для определения значений указанных параметров, необходимых для снижения потери грунта до требуемого уровня.

В течение многих лет рассмотренная модель является основным инструментом прогнозирования ветровой эрозии грунта. По мере накопления фактического материала в модель вносят изменения, позволяющие расширить возможности ее применения и рассчитывать потери грунта не только в среднем за год, но и за более короткие промежутки времени.

Помимо рассмотренной модели существует еще ряд методик определения возможных потерь грунта от ветровой эрозии за год, а также методики расчета потерь грунта за одно явление ветровой эрозии с использованием таких моделей, как CREAMS, ANSWERS и других. Метод математического моделирования очень гибкий. Из частных моделей ветровой эрозии можно создать комплексную модель эрозии грунта, которая, в свою очередь, может стать частью региональной модели, например, как модель EPIC.