2.1. ВОДНАЕРОЗІЯ ҐРУНТІВ 2.1.1. Сутність, форми прояву і види водної ерозії ґрунтів


Повернутися на початок книги
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 
30 31 32 33 34 35 

Загрузка...

Водна ерозія ґрунтів — це руйнування їх під дією поверхневих во-дних потоків. Вона відбувається внаслідок розмивання поверхні ґрун-тів, переходу зміщених частинок у завислий стан і перенесення їх на інші ділянки. У місцях, де швидкість потоку знижується, мінеральні

частинки осідають, утворюючи перевідкладені пролювіальні й делюві-альні наноси та намиті ґрунти.

Явище змивання ґрунтів пов'язане з відривом від поверхневого шару окремих частинок і цілих агрегатів. Механізм його можна уявити як взаємодію еродуючої сили стоку Fep, що діє на частинку із силою зчеплення частинки з ґрунтом F34. Еродуюча сила потоку залежить від швидкості потоку V, товщини шару води h і відношення маси частин-ки m до площі її поперечного перерізу S:

V         *-> )

_,        „           .    _.    т.. ,      .           т    _,

Сила Fep зростає зі збшьшенням V і п та зі зменшенням —. Сила

S

зчеплення Грунтової частинки F34, у свою чергу, залежить від щільнос-

ті частинки р та міцності її зв'язку з іншими частинками F3B, яка зале-

жить від вмісту в ґрунті колоїдів і багатьох інших факторів:

^зч ~f (fi ' ^зв)-

У поширених рівняннях для визначення розмиваючої сили потоку товщина шару води, як правило, не зазначається. Однак, очевидно, що сила бокового тиску на частинку в приземному шарі води за однієї й тієї ж швидкості зростає зі збільшенням рухомої маси води.

Ерозія відбувається тоді, коли Fep стає більшою за F34. Швидкість водного потоку, за якої починається відривання твердих частинок від поверхні ґрунту, називається критичною швидкістю потоку VKp.

За однієї й тієї ж щільності сумарний поперечний переріз частинок на одиницю об'єму зростає зі зменшенням їх розмірів, тому критична швид-кість потоку менша на ґрунтах із дрібнішими мікроагрегатами та грану-лометричними частинками, ніж на Грунтах із крупними частинками.

Отже, інтенсивність відриву поверхневим стоком Грунтових части-нок і агрегатів залежить від текстури і гранулометричного складу ґру-нтів та ґрунтотворних порід і від того, наскільки донні швидкості по-верхневого стоку перевищують критичні (нерозмивні) значення для даного ґрунту.

Крім зазначених факторів, на інтенсивність відриву частинок від Грунту значною мірою впливає турбулентність потоку, пов'язана з не-рівностями поверхні Грунтів. У турбулентному потоці частинки, які відірвалися, інтенсивніше піднімаються до поверхні потоку і перено-сяться далі.

Види ерозії ґрунтів спеціалісти розглядають з двох позицій: за ха-рактером впливу на ґрунт, тобто за формою прояву, і за походженням води, що надходить на ґрунт.

За формою прояву розрізняють ерозію поверхневу (площинну), або змив ґрунту; струменеву; розмивання ґрунту, або яружну ерозію. Ре-зультати прояву цих форм ерозії можна бачити на окремих масивах земель, проте вони часто спостерігаються і сумісно.

Поверхнева (площинна) ерозія спостерігається на вирівняних схи-лах, що характеризуються рівномірним розподілом стоку. Вона при-зводить до рівномірного по території змиву ґрунту. Внаслідок пло-щинної ерозії відбувається «зрізання» верхніх родючих шарів і вкорочення профілю ґрунтів.

Інтенсивність ерозії (Q) вимірюють за втратою ґрунтом його маси (т) з одиниці площі (S) за одиницю часу (t) і виражають у тоннах на гектар (т/га), або міліметрах зарік (мм/рік):

^.     т

(J =     

St

У цих одиницях вимірюють також швидкість Грунтоутворення, то-му порівняння швидкості ерозії та швидкості Грунтоутворення вказує на ступінь ерозійної загрози Грунтам. Ерозійно загрозливими Грунти вважають тоді, коли швидкість ерозії перевищує швидкість розвитку ґрунтового профілю вглиб. Якщо швидкість ерозії ґрунтів менша за швидкість ґрунтоутворення, ґрунти не є ерозійно загрозливими, a еро-зію називають нормальною.

Швидкість збільшення гумусового профілю за формування різних ґрунтів є неоднаковою, проте за середню вважають 0,2 мм/рік. Вихо-дячи з цього, за інтенсивності ерозії, яка не перевищує 0,2 мм/рік, або 2—3 т/га за рік, її вважають нормальною і не беруть до уваги. У разі втрати ґрунтів 3—6 т/га за рік ерозію відносять до слабкої, 6—12 — до середньої, а за знесення дрібнозему понад 12 т/га за рік — до сильної.

Струменева ерозія виникає тоді, коли по схилу стік перерозподіля-ється й утворює струмені різної інтенсивності, які призводять до утво-рення промоїн і баюр глибиною до 0,5—1 м, тобто до струменевої еро-зії відносять розмивання ґрунту з утворенням мілких негативних форм рельєфу, які усуваються механічним обробітком ґрунту. Вони не ма-ють поздовжнього профілю і повторюють профіль поверхні схилу.

Струменева ерозія завдає великих збитків сільськогосподарському виробництву, оскільки не тільки призводить до змиву родючого гуму-сового горизонту, а й руйнує поверхню ріллі, що утруднює проведення механічного обробітку Грунту. Якщо не проводити захисту, ця форма ерозії переростає в яружну.

Яружна ерозія — це форма лінійної ерозії, за якої промоїни дося-гають глибини понад 1 м і за їх наявності поля неможливо обробляти механізмами. На відміну від струменевої ерозії, яри мають свій поздо-вжній профіль що відрізняється від профілю поверхні, на якому вони

утворилися. Ця ерозія завдає землеробству дуже великих збитків. Яри особливо шкідливі тим, що руйнують поверхню ландшафту і виводять із сільськогосподарського користування землі не тільки на місці самих ярів, а й на територіях, які до них прилягають. У світі щорічні втрати ґрунтів від утворення ярів становлять 3 млн га.

У розвитку ярів можна виділити 4 стадії: 1) промоїни, або баюри; 2) врізання висячого яру вершиною; 3) вироблення профілю рівноваги 4) затухання розвитку. Протягом розвитку одного яру можна спостері-гати різні стадії, при цьому кожній стадії розвитку поздовжнього про-філю відповідає певна форма поперечного профілю рельєфу.

За положенням у рельєфі яри поділяють на берегові (схилові) і донні, розміщені відповідно на схилах і по дну балок. Виділяють також яри первинні, що вперше прорізують поверхню схилів, і вто-ринні, які прорізують і поглиблюють дно балок. Якщо в донний яр впадають гирла берегових, або схилових, ярів, утворюються яружні системи.

Яри можна групувати за площею водозбірного басейну, висотою верпшнного перепаду, глибиною, ступенем ураження ними території.

Ступінь ураження території ярами виражають у відсотках площі, безпосередньо зайнятої ярами: за сумарною п2отяжністю ярів, що ви-мірюється довжиною яружної мережі на 1 км ; за щільністю ярів, що вимірюється кількістю їх на 1 км2; за розчленованістю схилів ярами, яка визначається середньою відстанню між двома я3ами; за об’ємом ярів, який обчислюють у метрах кубічних на 1 км2 (м /км2). Визначаю-чи ступінь ураження території ярами, треба враховувати тільки яри, a не яружно-балкову систему в цілому.

М.М. Заславський (1983) запропонував таку шкалу для складання картограм сумарної протяжності яружної ме2.ежі: менше 0,1 км/км2; 0,1—0,25; 0,25—0,5; 0,5—0,7; понад 0,7 км/кмЛ

Розчленованість схилових земель за середньою відстанню між двома ярами може бути: слабкою — понад 1000 м; середньою — 500—1000; сильною — 250—500; дуже сильною — менше 250 м.

Річну інтенсивність лінійної ерозії оцінюють за такими показника-ми: за об’ємом ґрунту, винесеного з промоїн і ярів, тобто за річним збільшенням об’єму всіх промоїн і ярів на даній території; за прирос-том площі, зайнятої промоїнами і ярами; за збільшенням їх загальної протяжності.

Загальнодержавна класифікація ярів за їх розмірами (глибиною, довжиною, інтенсивністю росту) відсутня. У різних районах викорис-товують різні класифікації, які відповідають особливостям розвитку місцевої яружної мережі. У регіонах, де переважають неглибокі яри, ті з них, глибина яких досягає 10 м, вважаються глибокими, тоді як у ра-йонах поширення лесів, де зустрічаються яри глибиною до 100 м і бі-льше, такі яри вважаються неглибокими.

У районах з невисокою інтенсивністю росту ярів річний приріст 2 м вважається досить інтенсивним, тоді як на зрошуваних ґрунтах, які сформувалися на лесах, де яри можуть рости зі швидкістю 200 м за рік, інтенсивність росту 2 м вважається незначною.

Ерозія ґрунтів є історичним наслідком неправильного господарсь-кого використання землі без урахування природних умов та загальних закономірностей водного режиму. У природних умовах процес зми-вання мало помітний, оскільки існує стійка рівновага між поверхневим стоком і рельєфом місцевості, тобто змив Грунту балансується ґрунто-утворенням (Арманд Д.А., 1966).

Нині господарська, особливо землеробська, діяльність людей по-вністю визначає розвиток та інтенсивність ерозійних процесів. Ерозія завжди була супутником нераціонального землеробства, а також тва-ринництва. Інтенсивна ерозія, яка спостерігається на сьогодні, зумов-лена переважно діяльністю людини, тому її називають антропогенною. Крім антропогенної, виділяють геологічну ерозію, яка відбувається на нерозораних територіях більш повільними темпами.

Антропогенна ерозія виникла з розвитком скотарства і, особливо, з початком розвитку землеробства, коли природний рослинний покрив випасався худобою або знищувався повністю, а ґрунт розорювався.

Водна ерозія ґрунтів виникає за наявності стоку, тобто для її про-яву необхідними умовами є поява на поверхні ґрунту шару води і на-хил, який забезпечує її стік. Залежно від походження води для появи стоку на поверхні ґрунту, розрізняють три види ерозії: від талих вод, зливову та іригаційну. Кожний із цих видів ерозії може спричинювати як площинну, так і струменеву та яружну ерозію.

Ерозія від талих вод — це змив ґрунту водами, які надходять під час танення снігу. Вона характеризується великою тривалістю проце-су, охоплює значні території, проте, як правило, відзначається невели-кою інтенсивністю, оскільки в період танення снігу ґрунт більшу час-тину часу перебуває в мерзлому стані і не піддається знесенню.

Незважаючи на відносно малу інтенсивність ерозії від талих вод з розрахунку на одиницю об’єму стоку, в цілому за певних природ-них умов (особливо на зораних восени полях і посівах озимих) вона може досягати значних розмірів і завдавати великих збитків земле-робству.

Зливова ерозія — це змив ґрунту водами, які залишаються на пове-рхні після випадання дощів. Тривалість її впливу на ґрунт вимірюється годинами і хвилинами. Проте, маса змитого ґрунту при цьому, як пра-вило, більша, ніж у разі танення снігу і досягає 10—100 т/га за рік.

За зливової ерозії ґрунти руйнуються з двох причин: внаслідок змивання і розмивання потоками стікаючих по поверхні вод, які не встигли увібратися ґрунтом і через руйнування Грунтових агрегатів краплинами дощу. Потужність розмивного потоку поверхневих вод

залежить від інтенсивності дощу та його тривалості, а також від дов-жини схилу й інших факторів, які розглядатимуться далі.

Руйнівна дія дощу на ґрунтові агрегати визначається кількістю крапель, яка надходить за одиницю часу, та їх розмірами. Чим круп-ніша крапля, тим більшу швидкість і кінетичну енергію вона має і тим більше руйнування спричинює. За удару крапля руйнує ґрунтовий аг-регат, частинки Грунту разом з бризками потрапляють у струминки во-ди на поверхні ґрунту і виносяться ними з поля. Ерозійна роль дощу велика, оскільки дощові краплі під час злив мають велику енергію.

Бризки від дощових крапель, які вдаряються об ґрунт, разом з мі-неральними частинками піднімаються на висоту 40—60 см. Крім того, крупні краплі створюють турбулентність тимчасових потоків і збіль-шують їх транспортну і «риючу» здатність.

Інтенсивність зливових дощів є дуже мінливою в часі. Спочатку

вона, як правило, порівняно невелика, тому майже вся вода витрача-

ється на зволоження ґрунту і заповнення нерівного мікрорельєфу. Ма-

ксимум дощових струмків формується здебільшого центральною час-

тиною зливового дощу з найбільшою інтенсивністю. Дощі характери-

зуються кількістю опадів (х) і тривалістю випадання (t). Відношення

х          .           .

— характеризує середню штенсивність дощу (г). Дощі з штенсивністю

t

понад 0,3 мм/хв називають зливами. Коефіцієнт стоку (X) — це відно-шення висоти шару стікаючої води (h) до висоти води опадів (Н):

X = — . Н

Іригаційна ерозія виникає після зрошення. Залежно від способу зрошення, її поділяють на підвиди: ерозія у разі поливу по борознах, смугах, чеках і дощуванням.

За різних способів поливу маса знесеного ґрунту істотно відрізня-ється.

Найменша ерозія спостерігається за поливу дощуванням і по чеках, а найбільша — по борознах, коли інтенсивність її може бути набагато більшою, ніж за дощової ерозії, або ерозії від танення снігу, тому по-лив по борознах намагаються замінити дощуванням, яке у разі прави-льної організації дає мінімальний стік. Ерозія в сухі сезони за такого способу поливу взагалі може не виникати. Вона буває лише у разі не-правильного поливу, коли швидкість надходження води на ґрунт пере-вищує швидкість її вбирання ґрунтом (водопроникність), яка зменшу-ється в міру набухання ґрунтових колоїдів і руйнування агрономічно цінних агрегатів.

Динаміка швидкості вбирання води ґрунтом залежить не тільки від властивостей ґрунту, а й від типу дощувальних машин, оскільки кожна з них дає різну інтенсивність дощу і різного розміру краплі і справляє різну руйнівну дію на ґрунтові агрегати (рис. 7).

 

Рис. 7. Залежність коефіціента вбирання води (К) суглинковим

ірунтом у разі поливу дощуванням від діаметра крапель (d)

таінтенсивностідощу (q): 1 - d = 0,5 мм; 2-d = 1 мм;

3 - d = 2 MM; 4 - d = 2,5 MM; 5 - d = 3 MM.

Стік утворюється тому, що ґрунти вбирають не всю воду, яка пода-ється під час дощування. Запобігти зазначеним негативним явищам на дуже поширених слабооструктурених Грунтах чорноземного і кашта-нового типів можна тільки застосуванням Грунтозахисної технології поливу, яка передбачає використання ерозійно допустимих поливних норм, проведення агротехнічних заходів, спрямованих на збільшення вбирної здатності ґрунтів, дотримання оптимальних строків поливу.

Щоб запобігти ерозії ґрунтів під час дощування на зрошуваних зе-млях, визначають параметри безнапірного вбирання води ґрунтом ме-тодом експериментального дощування в польових умовах, і на їх ос-нові — ерозійно допустимі поливні норми, динаміку ерозійно допус-тимих поливних норм протягом зрошувального періоду (вводять кое-фіцієнти, які враховують рослинний покрив, схил місцевості, щіль-ність будови ґрунту та ін.).

Маючи розраховану інтегральну криву дефіциту водного балансу для конкретної культури, побудовану за загальноприйнятою методи-кою, і розрахунковий календарний графік зміни ерозійно гранично до-пустимих поливних норм, проектують безпечний режим зрошення.

Збільшення вбирної здатності ґрунтів (а отже, ерозійно гранично допустимих поливних норм) досягають введенням у систему основно-го обробітку Грунту безполицевого розпушування його культиватором КПГ-250, чизелями ПЧ-2,5 і ПЧ-4,5 або глибокорозпушувачем ГУН-4 на глибину 30—35 см, передполивних культивацій просапних і овоче-вих культур, внесенням високих (до 100—200 т/га) норм органічних добрив.

He кожний дощ спричиняє поверхневий стік. Він утворюється ли-ше тоді, коли інтенсивність дощу (q) перевищує інтенсивність вбиран-ня води Грунтом (К), яка змінюється з часом (t) у міру випадання дощу і насичення ґрунту вологою. Цю зміну описують формулою О.М. Кос-тякова:

ґ t

t0

а

Kt = К0

де К, — інтенсивність вбирання води ґрунтом через інтервал часу t, що минув від початку дощу, мм/хв; К0 — початкова інтенсивність вби-рання, мм/хв; a — емпіричний коефіцієнт.

У природі можуть спостерігатися три варіанти дії інтенсивності дощу (q, мм/хв) на стік. Перший варіант: стік може утворитися на по-чатку дощу. Це трапляється, коли інтенсивність початкового вбирання води ґрунтом менша за інтенсивність дощу (К, < q). Другий варіант: стік утворюється через деякий час після початку дощу. Він характер-ний для проміжку часу, коли швидкість вбирання знижується до вели-чини інтенсивності дощу (К, — q). Третій варіант: стік не утворюється. Таке можливе у разі малої інтенсивності дощу, коли швидкість вби-рання не знижується до рівня інтенсивності дощу (К, > q).

Найчастіше спостерігається другий варіант, коли стік утворюється через деякий час після початку дощу, тобто після насичення Грунту вологою і зниження його вбирної здатності.

Поглинання води Грунтом — це складний процес, який залежить від його будови, початкової його вологості і характеру надходження води в нього.

У сухому стані ґрунт пронизують тріщини, ходи черв'яків і комах. Перші порції води швидко проникають у такі пустоти, утворюючи «провальне» зволоження. Наступні порції води проникають некапіля-рними (>0,1 мм) і капілярними (<0,1 мм) шпаринами і поступово над-ходять углиб ґрунту. Швидкість капілярного вбирання у різних ґрунтів неоднакова і значно менша, ніж швидкість провального зволоження ґрунтів.

Після заповнення великих щілин і капілярів подальше надходжен-ня води у ґрунт змушує капілярну вологу рухатися. Утворюється су-цільний фронтальний низхідний потік води, інтенсивність якого зале-

жить від багатьох факторів, пов’язаних із властивостями ґрунтів та технологіями їх механічного обробітку. Як правило, ґрунтова товща має меншу об’ємну масу, ніж ґрунтоутворювальна порода. Вона хара-ктеризується доброю водотривкою структурою, містить багато верти-кальних тріщин і шпарин. У зв’язку з цим, до повного насичення щі-лин і пустот ґрунтової товщі вода вбирається швидко, після чого її вбирання різко знижується.

Вбирна здатність ґрунту залежить не тільки від його властивостей, а й від параметрів дощу — його інтенсивності (див. рис. 7), тривалості і розмірів крапель (табл. 30).

Очевидно, що чим інтенсивніший і триваліший дощ, тим менша вбирна здатність ґрунту. Вона знижується зі збільшенням розміру кра-пель, що пояснюється руйнівною їх дією. Краплі більших розмірів розбивають Грунтові агрегати інтенсивніше і тим самим сприяють більш швидкому їх руйнуванню та заповненню дрібноземом міжагре-гатного простору верхнього шару Грунту, тому іригатори змушені створювати конструкції дощувальних машин, які забезпечують мен-ший розмір крапель. Якщо перші конструкції машин створювали дощ з діаметром крапель 2—2,5 мм, то останні — 1,0 мм і менше.

Таблиця 30

ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ДОЩУ, СТВОРЮВАНОГО ДОЩУВАЛЬНОЮ ТЕХШКОЮ, ДЛЯ СУГЛИНКОВИХ ҐРУНТІВ ЗА ШВИДКОСТІ ВІТРУ 3—5 м/с

 

Марка дощувальних машин, режим роботи          Інтенсив-

ність дощу,

мм/хв  Середній діа-

меір крапель,

мм       Допустима

норма поли-

ву, м3/га

«Кубань»        1,1       1,0       390

ДДА-100МА, насадка вгору, дов-жина б’єфа — 400 м   1,0       1,5       300

ДДА-100МА, насадки вниз, дов-жина б’єфа — 400 м    1,2       2,5       150

«Фрегат» без урахування кутів        1,05     1,1       380

«Днепр» з урахуванням кутів          1,0       1,5       500

«Волжанка»   0,58     1,5       525

Шлейф Метельського — 20/600      0,55     1,65     520

КСИД-10       0,12     1,5       340

ДДН-70          1,85     2,0       120

ДДН-100        1,7       2,25     115

За дощування машиною «Фрегат» (малі розміри крапель і низька інтенсивність дощу) швидкість вбирання води ґрунтом зростає в 2— 3,5 рази, порівняно з дощувальними машинами, що дають дощ із круп-нішими краплями.

Найсприятливішим для ґрунтів є дрібнодисперсне дощування, за якого інтенсивність енергії руйнування краплями води ґрунту є міні-мальною, а приземний шар повітря додатково зволожується.

Ерозію ґрунтів спричинюють потоки води, кожний з яких рухаєть-ся по руслу певної форми. Різні русла можуть пропускати за одиницю часу різну кількість води, яка визначається швидкістю її руху в руслі. Остання залежить від нахилу русла, шорсткості його поверхні, форми поперечного перерізу і ступеня звивистості. Всі ці показники врахо-вують під час визначення руслових потоків та розробки протиерозій-них заходів.