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

Глава 1. Ветровая эрозия

1.8. Методы изучения эрозии грунта

1.8.3. Конструкция аэродинамической установки и методика исследования

В аэродинамическую установку (рисунок 12), помещается испытательная кассета с грунтом (1). Вентилятором (2) в установку нагнетается поток воздуха и движется над испытываемой пылящей поверхностью с различной скоростью, в диапазоне от 2 до 15 м/с. Скорость ветра определяется анемометром (3). Воздушный поток, проходя над поверхностью грунта в испытательном отсеке (5), выносит частицы различных фракций. Процесс пыления можно наблюдать через стекло (6). Вынесенные частицы поступают в отводящий короб (4) на конце которого установлен фильтр очистки воздуха (8) и накапливаются в грунтосборнике (7). В испытательную кассету (ее высота и ширина равны 50 см; толщина образца – 10 см), помещается испытываемая грунт. Диаметр ее частиц  (мкм) определяется стандартным методом ситового анализа. Скорость движения воздуха в отсеке (5) повышается до момента, когда грунт начинает пылить.

Затем эта скорость увеличивается до величины, при которой происходит захват ветровым потоком частиц грунта и унос их в грунтосборник (7). Исследования проводятся при постоянной температуре (18 – 20 ⁰С) и влажности воздуха. Вес образца грунта в кассете фиксировался перед опытом и после него.

Основные параметры, учитываемые и измеряемые в опытах:

·     диаметр эродируемых частиц грунта , мм;

·     скорость ветрового потока , м/с;

·     влажность грунта , %;

·     плотность грунтовых частиц , кг/м³;

·     продолжительность процесса пыления , час;

·     количество вынесенных частиц грунта , кг.

 1 – испытательная кассета с грунтом; 2 – вентилятор; 3 – анемометр;

4 – отводящий короб; 5 – испытательный отсек; 6 – стекло;

7 – грунтосборник, 8 – фильтр.

Рисунок 12 – Схема аэродинамической установки

Все результаты записываются в таблицу, по которой строятся графики зависимости количества вынесенных частиц от скорости и времени, влажности (критические).

Из полученных данных определяют пылимость грунта в процентах:

                                               (99)

где     – вес вынесенного грунта, кг;

 – первоначальный вес грунта, кг.

По результатам опытов строятся графики зависимости количества вынесенных частиц грунта от скорости воздушного потока и времени. В итоге определяется критическая влажность данного вида грунта, при которой начинается или становится практически невозможным процесс пыления. При некоторой критической влажности грунта ее частицы на поверхности образца становятся неустойчивыми и при определенной скорости потока вовлекаются в начавшийся процесс пыления.

Исследования показывают, что сдуваемость грунта в аэродинамической установке и процесс пыления начинается при скоростях ветра выше 4 м/с, что объясняется эрозионной устойчивостью грунта, плотностью сложения и физико-химическим взаимодействием частиц.

Диаметр и форма частиц. Малопылящей является поверхность грунтовых отложений, образованная частицами с диаметром d < 0,05 мм, что обусловлено взаимодействием частицами в частности сцеплением между ними. Наиболее интенсивное пыление отмечается в слое с преобладанием частиц 0,05 – 1,0 мм. С увеличением диаметра частиц до 2,0 – 10,0 мм интенсивность пыления снижается. Процесс пыления золы с плотностью частиц =2,49 кг/м³ и влажностью W=5% характеризуется графиком на рисунке 2.

Влагосодержание. Искусственное увлажнение поверхности грунта, атмосферные осадки и талые воды, изменяя влажность почвенного материала, существенно влияют на пыление поверхности. Ветровая эрозия развивается при критической влажности до 3 – 5% и полностью прекращается при влажности более 10% (рисунок 3 – 5)

Интенсивность пыления зависит от условий пыления сухих участков и зон вторичного пыления, поверхность которых образуется осажденными эродированными частицами. Интенсивность зависит от способа формирования слоя; для намытого слоя она на порядок ниже, чем для насыпного и неуплотненного слоя.

Структура поверхности характеризует состояние поверхностного слоя в зависимости от содержания окиси кальция, которая способствует образованию корки и агрегатированию частиц в результате химического взаимодействия.

Рисунок 13 – Пыление грунта в зависимости от диаметра частиц и скорости ветра

Рисунок 14 – Пыление грунта в зависимости от влажности и скорости ветра

Рисунок 15 – Пыление грунта в зависимости от влажности и скорости ветра

Рисунок 16 – Пыление грунта в зависимости от влажности и скорости ветра

Зола Канско-Ачинских углей по сравнению с другими видами зол в наименьшей степени подвержена пылению на пляжах, т.к. даже после гидратации в системе гидрозолоудаления в намывном золошлаковом массиве сохраняется остаточная способность к самоцементации. При этом на одних участках пыление вообще не происходит, на других оно может проявляться, но значительно слабее, чем на участках, сформированных из золы другого генезиса.

Химическое взаимодействие является одним из определяющих факторов и зависит от содержания оксида кальция. При СаО < 10% при намыве и хранении золы в золоотвале взаимодействие частиц между собой незначительно и слабо влияет на пыление. При содержании СаО в пределах 10 – 25% отмечается частичная структурная перестройка золошлакового массива, приводящая к образованию достаточно прочных конгломератов золовых частиц и локальных участков сцементированных отложений. При СаО > 25 % происходит самоцементация золошлаковых отложений и пыление вообще не возникает./ /

Скорость перемещения частиц прямо пропорциональна скорости потока воздуха  и продолжительности эрозионного процесса

                                          (100)

где:    – скорость перемещения частицы, м/с;

 — скорость потока воздуха, м/с;

 – период пыления, ч.

Действие ветра на поверхность грунтового массива является основным фактором, определяющим эрозию. Этот фактор учитывает как природу воздушного потока, так и элементы неровности поверхности.

Можно выделить основные группы элементов неровности поверхности:

·     Растительный покров на пылящих отвалах промышленных отходов практически отсутствует и может появиться на стадии рекультивации как часть мероприятий по пылеподавлению.

·     Комки и неэродируемые фракции. Процесс эрозии продолжается до тех пор, пока оставшиеся неэродируемые элементы (например, частицы шлака) не создадут непосредственную защиту для сохранившихся на поверхности эродируемых частиц. В конечной стадии процесса эти элементы могут образовать защитный слой, полностью прекращающий пыление.

·     Гребни (валики) на поверхности пляжа обеспечивают защиту от эрозии при направлении ветра, перпендикулярном им; при совпадении направления ветра и ориентации гребней защитный эффект снижается. Гребни, состоящие только из эродируемых элементов, легко разрушаются. Частицы, расположенные на вершине гребней, наиболее подвержены действию ветровой эрозии. В некоторых условиях гребни могут даже увеличить эрозию пляжа.

·     Местные изменения в топографии эродируемой поверхности. Потери вынесенного ветром грунта увеличиваются с ростом уклона пылящих площадок. Особенности микротопографии определяют сложную картину эрозии, а наличие бугров и впадин существенно влияет на эродируемость поверхности.