Водная и ветровая эрозия земли

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Во всех странах мира эрозии земли, особенно водной эрозии, посвящено множество практических наблюдений и теоретических исследований. Наиболее важные теоретические исследования проведены в Советском Союзе; у нас же осуществлены значительные агротехнические мероприятия по ликвидации последствий эрозии.
      Однако в теоретических и экспериментальных исследованиях по эрозии все еще имеются существенные недостатки, связанные главным образом с недооценкой физических причин эрозии земли и излишним увлечением «эмпирическими формулами», часто не учитывающими элементарных физических условий в эрозионных процессах, а главное, не обеспечивающих точности в ответах.
      Расходимость в результатах использования таких формул поразительна: например, очень важный показатель эрозии земли — критическая скорость течения потоков, при которой начинается размыв частиц грунта,— определяется по этим формулам, причем результаты дают пятикратную расходимость. Не менее важный показатель мутности потока при определении его для одних и тех же условий дает во много раз большую расходимость [25].
      В определении причин и следствий водной и ветровой эрозии земли, а также в борьбе с ней целесообразно исходить из физико-математических и наиболее точных экспериментальных данных на основе решений уравнений движения двухфазных турбулентных потоков.
      В наших исследованиях этот принцип позволил несравненно более правильно и точно решить многие важные, задачи, например определить движущие силы и сопротивления движению частиц грунта в условиях водной и ветровой эрозии, критические скорости начала смыва, размыва грунта и выветривания почв; найти пути разгона и торможения частиц грунта в воде и на суше, а также «потолок» и длину горизонтальной проекции траектории полета частиц грунта при известных значениях подъемных сил; определить транспортирующую способность частиц грунта в воде и воздухе, мутность потоков; образование оврагов, аккумуляции грунта, мелей, заиление водохранилищ, параметры лесозащитных полос и т. п.
      На основе физико-математических расчетов эрозионных процессов можно более уверенно рекомендовать практические мероприятия по «ремонту земли» — ликвидации причин и следствий эрозионных явлений. С учетом всех этих соображений предложен проект: «Наставления по применению расчетов в борьбе с эрозией земли».
      Конечно нельзя думать, что наши исследования являются венцом познаний в сложных эрозионных явлениях. Но можно быть уверенным, что синтез экспериментальных наблюдений и применение более совершенных физико-математических методов в исследовании эрозии земли определяют более совершенные пути в безграничных просторах познания закономерностей в природе.
      Перед выпуском данной книги мною предварительно, на правах рукописи (ротопринт), было издано «Руководство по расчетам и борьбе с эрозией земли». Изложенные в нем методы физико-математических расчетов эрозии получили одобрительные отзывы; были выражены также пожелания о более подробном изложении методов исследования.
      Приношу сердечную благодарность за высказанные пожелания: доктору географ, наук Д. Л. Арманду, И. Д. Брауде, члену-коррес-понденту АН СССР М. А. Великанову, академику АН Армянской ССР И. В. Егиазарову, академику ВАСХНИЛ Е. А. Замарину, доктору геол.-мин. наук профессору Б. П. Куделину, доктору техн. наук профессору И. И. Леви, доктору географ, наук М. И. Львовичу, доктору техн. наук профессору В. М. Маккавееву, доктору техн. наук профессору М. Ф. Срибному, доктору техн. наук профессору А. П. Юфину, а также В. Б. Гуссаку и доктору техн. наук Ц. Е. Мирцхулава за предоставленные мне новые экспериментальные данные в области эрозии почво-грунтов, а кроме того, сотрудникам Совета по проблемам водного хозяйства АН СССР и особенно канд. техн. наук И. В. Демину за помощь в оформлении этого труда.
     
      РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ЭРОЗИИ ЗЕМЛИ
      Для борьбы с эрозией крайне необходим достоверный количественный и качественный учет площадей, подверженных водной и ветровой эрозии. К сожалению, до настоящего времени такого достоверного учета нет ни по СССР, ни по другим странам.
      По данным ряда источников 14, 7, 43, 49, 50, 65—68], в СССР водной эрозии подвержено 200 млн. га, из которых на долю оврагов и полностью смытых почв приходится 7 млн. га, сильно смытых (до 50%) почв — 40 млн. га, среднесмытых (от 50 до 20%) — 53 млн. га и слабосмытых (от 20 до 5%)—100 млн. га. Но эти данные лишь примерные и министерствам сельского хозяйства СССР и союзных республик совершенно необходимо более точно и подробно определить размеры земель, подверженных водной и ветровой эрозии.
      В капиталистических странах, в условиях беспланового хозяйства, ущерб от эрозии имеет еще большие размеры. Например, в США водной эрозии подвержено около 300 млн. га пашни, пастбищ, леса и других угодий, из них на 40 млн. га обрабатываемой почвы смыта примерно половина плодородного слоя. Ежегодный смыв почвы здесь определяется в 3 млрд. т [95].
      О результатах эрозии земли можно в некоторой степени судить также по количеству смытого, выветренного и аккумулированного грунта.
      Водная эрозия выносит в моря и океаны СССР огромное количество наносов, в среднем ежегодно до 500 млн. т при среднегодовом стоке рек СССР 4300 км3, что определяет удельное отношение твердого стока к жидкому почти 120 г/м3 (коэффициент мутности
      По отдельным основным бассейнам морей СССР и наиболее крупным рекам водосборные площади, среднегодовые жидкие и твердые стоки приведены в табл. 1 [49 , 50].
     
      Конечно, приведенные в табл. 1 данные не дают полного представления о разрушительной силе водной эрозии земли, тем более, что значительная часть наносов не доходит до морей.
      Ветровая эрозия (дефляция) также наносит народному хозяйству значительный вред. В СССР песчаные и супесчаные почвы занимают примерно 200 млн. га, из которых на долю перевеянных песков приходится 65 млн. га.
      Ежегодный экономический ущерб от водной и ветровой эрозии в СССР,по нашим предварительным расчетам,достигает 10 млрд. руб. (по ценам 1961 г.). Эта сумма складывается из ущерба от понижения урожайности сельскохозяйственных культур, заиления водохранилищ, затрат на дноуглубление рек и каналов и на защитные мероприятия от эрозии.
      I. Основные факторы, влияющие на эрозионные процессы земли
      Значительное число опубликованных натурных и лабораторных наблюдений дает возможность обобщить определяющие факторы причин и следствий эрозии земли в трех основных группах.
      1. Течение воды и скорости ветра.
      2. Физико-химические свойства эрозионных грунтов и почв.
      3. Геометрические характеристики эрозируемых территорий.
      Для наибольшей наглядности и детализации факторов, включенных в эти группы, на схемах 1 и 2 приведена их систематизация (не претендующая на окончательную классификацию).
      К важным факторам, влияющим на водную эрозию, относятся следующие наиболее характерные виды стока в зависимости от расхода, скорости течения воды и рельефа местности:
      а) плоскостные, стекающие незначительным слоем с равномерным смывом почвы; этот вид размыва почвы нередко сравнивают с действием «напильника» [431;
      б) струйчатые, являющиеся следствием плоскостных стоков; их размеры — от незначительной струи-ручейка до ручьев глубиной до 20 см с прямым направлением по склону земли;
      в) овражные — следствие струйчатых стоков с более значительной степенью эрозийных процессов. Два последних стока по действию на почву можно сравнить с «работой пилы» [43];
      г) речные — результат всех видов стока с соответствующих водосборных бассейнов, с жидкими и твердыми расходами (приведены в табл. 1).
      На рис. 1 представлена одна из первых схематических карт районов распространения водной эрозии в Европейской части СССР, составленная С. С. Соболевым [65—68].
      Интенсивность стока воды имеет большое значение в образовании гидрографической сети, ее горизонтальной и вертикальной расчлененности, волнистости и крутизны склонов.
     
      Расчетные значения остальных влияющих на водную и ветровую эрозию земли факторов, указанных на схемах 1 и 2, приведены во втором и четвертом разделах нашего труда. При анализе этих факторов и их расчетных значений обязательно надо, во-первых, рассматривать факторы комплексно, в их взаимодействии; во-вторых, при установлении числовых значений факторов учитывать зональные свойства в соответствующих районах. При сохранении этих двух требований и при значительном количестве факторов, влияющих на эрозию земли, по теории сочетаний получается такое огромное количество ответов, что их невозможно учесть путем экспериментальных исследований. В этих условиях наиболее эффективным путем служит физико-экспериментальное направление в изучении эрозионных процессов.
     
      II. Развитие научных исследований по эрозии земли
      В. И. Ленин в своих «Философских тетрадях» дал замечательную формулу познания истины: «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике — таков путь познания истины, познания объективной реальности»1.
      Эти три ступени познания истины взаимосвязаны, и переходы от одной ступени к другой нередко неравномерны по качественным результатам и времени, необходимого для их достижения. Но совершенно очевидно, что третья ступень познания — практическая проверка научных выводов — является высшим критерием познания истины.
     
      2. Горизонтальная расчлененность Европейской части СССР [671
      Исторические пути познания истины находятся в тесной связи с развитием производительных сил и способом производства, присущих соответственным экономическим укладам.
      Многочисленные наблюдения и научные исследования в области эрозии земли также подчинены этим принципам познания истины. Примером созерцательного отношения к вопросам вечного движения влаги может служить правильный, но примитивный вывод царя Соломона (960—935 гг. до н. э.): «Все реки текут в моря, но моря не переполняются к тому месту, откуда текут реки, они возвращаются, чтобы опять течь».
      В Никоновой летописи (1224 г.) можно видеть второй пример «созерцательности», но уже из области ветровой эрозии: «В лето 6731 бысть вёдро 2 велие... Мгла на земле прилегла, и птицы по воздуху невидящие летати, падаху на землю и умираху, и звери всякие дивны во град и села с человеком вхожаху, невидяще и бысть страх и ужас на всех».
      Намного позднее знаменитый итальянский физик, механик и астроном, Галилей (1564—1642 гг.), открывший фазы Венеры, спутника Юпитера, горы на Луне и пятна на Солнце, писал: «Легче открыть движения небесных светил, чем течение воды».
      Теснейшая взаимосвязь между солнечной радиацией, температурой воздуха, атмосферными явлениями и эрозией земли стала особенно очевидной, когда были установлены научные предпосылки материалистического понимания природы о вечном движении материи, сохранении и видоизменениях энергии.
      Большой научный подвиг в открытии законов сохранения материи и вечных законов движения принадлежит гениальному русскому ученому М. В. Ломоносову (1711—1765), который, з частности, в своем сочинении «О слоях земли» писал о вредном воздействии вод следующее: «Великую перемену причиняют на земной поверхности знатные наводнения... Все во всем свете рудокопы не перероют столько земли, не опровергнут камней во сто лет, сколько одной весной разрушают оные льды и быстрины беспримерных вод Российских».
      Однако долгие годы в дореволюционной России и за рубежом вопросами эрозии почти не занимались. Крупным открытием в эрозионных процессах является закон Бэра (1792—1871 гг.) — русского академика-натуралиста, установившего, что под влиянием отклоняющей силы вращения Земли происходит подмыв берегов рек. Под действием Кориолисовых сил реки северного полушария постепенно отступают от левого берега и подмывают правый берег.
      Лишь во второй половине XIX в. все более частые засухи, неурожаи, рост оврагов, стихийная вырубка лесов, оголение степей, дали толчок новому периоду развития натурных и: научных исследований в области эрозии земли.
      2 Вёдро сухая, ясная летняя погода.
      Наши выдающиеся ученые К. А. Тимирязев, В. В. Докучаев, П. А. Костычев, А. И. Воейков и их замечательные последователи показали, что возрождение и развитие сельского хозяйства в России нуждается в проведении широкой реформы и прежде всего в плановом, одновременном воздействии на природные условия, в частности подавления причин и последствий эрозионных процессов.
      В. В. Докучаев (1846—1903 гг.) — основатель науки о почвоведении — в своих работах установил взаимосвязь в генетике эрозионных формаций, начиная от маленьких бороздок до крупных оврагов. Он правильно назвал незаметные бороздки «кандидатами в овраги»; ему же принадлежит мысль, что стихийная хозяйственная деятельность человека создает и усиливает гидрографическую сеть. В. В. Докучаев ярко, хотя и интуитивно, определил вред, наносимый эрозией, и предложил реконструктивные мероприятия по ее ликвидации, которые и в наше время представляют большой интерес [24].
      П. А. Костычев (1845—1895 гг.) многое разработал в области агробиологического направления в почвоведении, изучения физических свойств почв и ее защиты от эрозии; в частности он рекомендовал применение полезащитных лесных полос. Костычев изучал также образование первичных размывов почв и возникновение оврагов [421.
      А. И. Воейков (1.842—1916 гг.) — крупнейший исследователь в области изучения климата и метеорологических явлений, которые имеют влияние на эрозионные процессы. В его трудах рассматривается климатическое влияние леса на увеличение влажности воздуха, на задержку стока поверхностных вод, на ослабление сил ветра, препятствующих развеванию песков и выдуванию почв. Воейковым предложена система борьбы с эрозией.
      К. А. Тимирязев (1843—1920 гг.) — крупнейший ученый в области физиологии растений — показал большое энергетическое значение солнца, света, воды, физико-химических закономерностей в процессах питания и развития растений. Он выявил роль транспирации растений и участие их в борьбе с засухой и эрозией [76].
      Большое значение имеют труды знаменитого русского ученого И. Е. Жуковского (1847—1921 гг.) о вихревом движении, снежных заносах, заиления рек, о движении воды на поворотах рек [29].
      Крупнейшее теоретическое и практическое значение для познания законов движения воды и ветра имел переход в конце XIX в. от старой теории ламинарного (параллельноструйного) движения к новой теории турбулентного движения (с перемещающимися слоями), основные идеи которого были опубликованы в Англии Рейнольдсом в 1883—1885 гг. [111].
      Причиной турбулентности в течении воды и ветра являются главным образом вязкость среды и неровности поверхности земли {рифели, барханы и т. п.), влияющие на распределение поля скоростей, давлений, силы трения и сцеплений.
      В результате возникновения «возмущений» скоростей течения и давлений в данной точке потока возникают непрерывные пульсации скоростей в довольно широких границах. Однако теория турбулентности Рейнольдса не могла дать конкретных инженерных решений, так как количество ее дифференциальных уравнений было меньше, чем число неизвестных параметров потоков; поэтому система дифференциальных уравнений незамкнута до сих пор 126—28,111].
      Более эффективным оказался предложенный Рейнольдсом критерий подобия
      где v и v” — соответственно скорости движения воды или ветра; d ,d" — характерные геометрические линейные размеры, в нашем случае диаметр частиц грунта; v , v" — соответственно кинематическая вязкость жидкости или воздуха.
      Значение критерия Re рассмотрено во втором: и четвертом разделах настоящей работы.
      Для эрозионных процессов более важное значение имеет двухфазное турбулентное движение (вода — взвешенные и донные наносы).
      В дальнейший восьмидесятилетний период у нас и за рубежом было опубликовано множество теоретических и экспериментальных положений и исследований об эрозионных процессах земли, наиболее важные из которых указаны в библиографии настоящей работы.
      Эти исследования о двухфазной турбулентности и эрозионных процессах можно условно распределить на четыре основные направления.
      1. Гидромеханическая теория двухфазного турбулентного потока. Представителями этой теории являлись наши выдающиеся советские ученые: М. А. Великанов [10, 11], разработавший энергетическую теорию взвесенесущего потока, и В. М. Маккавеев (53, 54], применивший диффузионную теорию атмосферного турбулентного потока к взвесенесущим водным потокам. В диффузионной и энергетической теориях двухфазного потока были допущены некоторые упрощения, которые позволили замкнуть систему дифференциальных уравнений, но не могли, однако, обеспечить решения инженерных задач, связанных с эрозионными процессами.
      Желание иметь практические результаты вызвало широкое применение эмпирических формул, например при расчете критических скоростей размыва грунта [11, 15, 31, 47, 84). Приведем некоторые из них.