Сутність дефляції грунтів
Дефляція - руйнування і знесення грунтів вітром. Вона відбувається в тому випадку, коли швидкість вітру досягає значення, при якому його раз-рушітельная сила перевищує силу протіводефляціонной стійкості грунту. Розглянемо, як це відбувається.
Рух частинок грунту вітром починається під впливом взаємодії-дії динамічних і статичних сил, що виникають при обтікаючи-ванні їх поверхні повітряним потоком: При русі потоку повітря на кулясту частинку, що лежить вільно на поверхні грунту, діють кілька сил: тяжіння, лобового напору повітря, атмосфер -ного тиску, зчеплення, підйомна сила.
Якщо сумарне значення сили тяжіння частинки, атмосферного давши-лення і сили зчеплення виявляється приблизно рівною силі лобового напору повітря, частка починає рухатися, тягнучи по поверхні. Якщо сума сили тяжіння частинки, атмосферного тиску і зчеплення виявляється менше підйомної сили, частка піднімається в повітря.
Підйомна сила частки виникає внаслідок того, що в межах висоти, що дорівнює діаметру частинки, швидкість руху повітря различ-на. Потік, що надходить під нижню частину кулястого грудочки, через шорсткості поверхні грунту має меншу швидкість і біль-шую щільність. В результаті цього над часткою утворюється область зниженого тиску, під часткою - підвищеного. Виникає підйом-ва сила, що діє на частинку (рис. 21).
Мінімальна швидкість вітру, при якій починається відрив, підйом і перенесення в повітряному потоці частинок грунту, називається критичною (порогової) швидкістю. Для різних грунтів критична швидкість вітру різна.
Слід зазначити, що на порогову швидкість вітру, а значить, і на інтенсивність дефляції, впливає безліч факторів: кліматичні умови, гранулометричний склад грунту, щільність мінеральних часток (питома маса твердої фази), сила зчеплення з іншими частини-цями, захищеність поверхні ґрунтів, господарська діяльність людини.
Залежність критичної швидкості вітру, або швидкості дефляції грунтів, від розміру мінеральних часток (гранулометричного складу) грунтів складна, так як, крім прямого впливу розміру часток на опірність ґрунту дефляції, існує безліч непрямих взаємозалежностей, які можуть призводити до прямо протилежний-ному ефекту ..
Критична швидкість вітру (м / с) визначається за формулою:
де d- питома вага часток; R- діаметр частинок.
Наведені формули справедливі для ґрунтових частинок d >> 0,05 мм. Для частинок d <0,05 мм эта зависимость имеет иной вид, а именно с уменьшением диаметра частиц при размере их <0,05 мм vk _ вновь начинает расти (рис. 22). Данное явление связано с увеличением сил сцепления между мелкими частицами.
Показником зволоженості території служить індекс зволоженості Ку відношення кількості атмосферних опадів Р до іспаряемос-ти Е, тобто
Величина, зворотна зволоженості, називається індексом сухості КС = Е1Р.
За значенням індексу зволоженості виділяють наступні пояса потенційно можливої вітрової ерозії: До> I - пояс відсутності дефляції, Ку = 1..0, З - пояс можливої дефляції, К <0,3 - пояс сильно выраженной дефляции.
Дефляція в сильному ступені залежить від швидкості вітру. Клімат-ний фактор КФ дефляції грунтів в цілому (температура, вологість, швидкість вітру) визначається наступним відношенням:
КФ = 34,483 v 3 (P-E) 2,
де v - швидкість вітру; (Р
Е) - зволоженість території, що дорівнює різниці кількості опадів Р і випаровування Е. В лісостеповій зоні ця різниця мала, поет-му нею іноді нехтують, і тоді кліматичний фактор ерозії КФ = 34,483v 3.
Швидкість вітру - один з найсильніших чинників дефляції грунтів. В результаті того що кінетична енергія вітру прямо пропорції-нальна кубу його швидкості, дефляційна робота вітру, що має, на-приклад, швидкість 4 м / с, буде перевищувати роботу вітру, що має швидкість 2 м / с, не в два, а в 8 разів.
Залежність кількості переміщуваної грунту Q (г / см) від скорос-ти вітру, по У. Чепіль, має такий вигляд:
де С - константа даної грунту, що залежить від її гранулометричного складу, агрегатного стану, шорсткості поверхні; Р - щільність повітря, г / см 3; g - прискорення вільного падіння, см / с 2; v - швидкість вітру, см / с. Зі збільшенням швидкості вітру після досягнення нею крити-чеського значення руйнує енергія зростає надзвичайно шви-ро.
У міру віддалення від краю дефліруемого поля ветропесчаний потік все більш насичується мелкоземом. Це насичення не безмежно, а відбувається до якогось определендого значення. Максимальна наси-щення ветропесчаного потоку одно 36,2т / (га • год). Це значення постійного-но для кожної грунту. Після досягнення насичення ветропесчаного потоку відбувається випадання матеріалу в осад, тому на Дефлірованние поле ділянки знесення чергуються з ділянками наносу.
Переміщення еолового матеріалу в межах ветропесчаного потоку здійснюється по-різному. Розрізняють п'ять типів переміщення частинок грунту, які відповідають певним формам дефляції: 1) ефлюкція - пересування среднепилеватих частинок (0,1. 0,5 мм) волочінням і стрибкоподібно; 2) екструзія - пересування більших частинок (грудочок) перекочування за рахунок ударів (бомбардування) крейда-ми; 3) детрузія - зрушення, зісковзування з піднесених мікроучаст-ков (з брил, валиків, гребенів); 4) ефляція - пересування за рахунок підйому в повітря; 5) абразія - руйнування грудочок від ударів більш дрібними частками.
На відміну від ерозії дефляція спостерігається як на схилах, так і на рівних ділянках.
Властивості грунтів. Швидкість дефляції грунтів залежить від багатьох факто-рів, пов'язаних з властивостями самих грунтів, і перш за все від тих, кото-які впливають на їх вітростійкість.
Вітростійкість грунтів - це властивість, зворотне дефліруемості (піддатливості дефляції). Вона характеризується критичною швидкістю вітру, при якій починається перенесення ґрунтових частинок, а також кількістю переноситься еолово-го матеріалу в ветропесчаном потоці на одиницю площі в одиницю часу.
Вітростійкість поверх-ності грунту можна виразити рівнянням
де Q - еродіруемость, г / 5 хв експозиції; k- глевкість шару 0. 5 см; s-кількість умовної стерні, екз / м 2; а, в, с - коефіцієнти регресії, значення яких знаходяться в наступних межах: а - 3,2. 4; в- 0,02-0,04; з-0,002. 0,005.
Різні фракції гранулометричного складу діють на вітро-стійкість по-різному. Підвищення змісту мулу збільшує міцність агрегатів і вітростійкість грунтів, середня і велика пил помітно не впливає на вітростійкість, а пісок надає на неї отри-цательного вплив.
За ступенем разрушаємості вет-ром виділяють 6 груп грунтів: 1 - найбільш слабо руйнуються - грунту на глинах важких і середніх; 2 - слабо руйнуються - на легких глинах і на важких су-Глинках; 3 - помірно руйнуються - на середніх суглинках; 4 - среднеразрушаемие - на легких суглинках; 5 - сильно руйнуються - на супісках; 6 - інтенсивно руйнуються - на пісках.
Залежність вітростійкості грунтів від гранулометричного складу виражається наступним рівнянням:
де S - ветроустойчивость (зв'язаність) грунтового грудки,%; х1
Порогова швидкість вітру сильно залежить від структури грунтів. Чим краще грунтова структура, тим більше грунт містить зернистих і мелкокомковатую отдельностей і менше пилуватих, тоді як в безструктурної грунті переважають пилуваті частинки.
З ростом агрегування ста грунтів і розмірів грунтових грудочок порогова швидкість вітру збільшується, дефліруемость грунтів умень-шается.
Склад поглинених підстав також значно впливає на проти-воерозіонную стійкість грунтів. Грунти з грунтовим що поглинає комплексом, насиченим катіонами Са 2+. характеризуються мікро-агрегування. Такі грунти надають середню опірність вітру.
Грунти з грунтовим що поглинає комплексом, насиченим ка-ції Na +. характеризуються великою нзбухаемостью у вологому стані і злитої глибистой структурою при иссушении. Такі солоний-Цеват грунту більш дефляционно стійкі, в той час як по відно-шенням до водної ерозії вони володіють малою стійкістю.
Присутність легкорозчинних солей зменшує стійкість грунтів проти дефляції. Наприклад, легкорастворимая сіль Na2 S04 x 10Н2 Про при кристалізації приєднує 10 молекул води. Такі солі різко збільшуються в обсязі при утворенні кристалів і сильно розсовують частки грунту, поверхня якої стає пухкої, податливою дефляції. Жителям південних районів добре відомого-але явище, коли на місці пухких солончаків утворюються глибокі засолені улоговини-шори.
На развеваемость грунтів вітром істотно впливає їх вологість-ність. Найбільш інтенсивно дефліруются сухі грунту, вологість кото-яких наближається до змісту гигроскопической вологості. При збільшенні вологості дефліруемость грунтів знижується, при досяг-нии вологістю найменшої польової вологоємності дефляція грунтів практично припиняється, а при вологості же грунтів, що дорівнює повної польової вологоємності, вона ніколи не спостерігається.
Агрегатний склад. В процесі дефляції грунтів, перенесення і відкладів-ня мелкозема відбувається сортування мінеральних часток (рис. 27). Частинки дрібніше 0,1 мм переносяться в повітряному потоці на інші ділянки, частки крупніше 0,5 мм залишаються на поверхні, а частинки розміром від ОД до 0,5 мм переносяться стрибкоподібно по поверхні. Вони мігрують в межах дефліровенного ділянки поля і утворюють тут еолові смуги. Дефляція ґрунтів важкого механічного складу призводить до руйнування вітром великих структурних окремо до мікроагрегатів і елементарних частинок і викликає зміна агре-Гатне складу.
Хімічний склад. При дефляції змінюється склад грунтів через те, що в агрегатах, що виносяться насамперед (менше 0,1 мм), міститься основна частина гумусу, карбонатів, елементів живлення рослин і фізкабінет-чеський глини. Тому внаслідок дефляції грунту збіднюється цими сполуками.
У дефлірованних грунтах найбільш помітно скорочення вмісту гумусу. Втрати гумусу з поверхневого шару дефлірованних грунтів зростають у міру того, як їх гранулометричний склад стає більш легким. Так, якщо з орного горизонту середньосуглинисті темно-каштанового грунту було винесено 35% гумусу, то з легкосуглі-ність - 40. 60%. Це пояснюється тим, що основна частина гумусу з-тримається в найбільш тонких фракціях, які з легких грунтів вино-сятся у відносно більшій кількості. Крім того, гумус має меншу питому вагу, ніж мінеральна частина грунту, і для виносу гумусірованние частинок потрібен вітер з меншою критичною швидкістю. Зменшення вмісту гумусу при дефляції пов'язано також з тим, що в оголюються сильноеродованих ґрунтах гумусові з'єднання швидше окислюються.
У гумусі еродованих грунтів зростає відносне утримуючи-ня фульвокислот. Це відбувається внаслідок оголення нижніх гори-парасоль, які містять фульвокислоти у відносно більшій кількості, ніж верхні.
Разом з гумусом і мінеральними колоїдами при дефляції з грунтів виносяться елементи живлення рослин. Через це в орному шарі супіщаних грунтів втрачається до 15. 18% фосфору й азоту, до 8% ка-лія від їх первісного змісту.
Поділ грунтів за ступенем дефліруемості. В основу перших клас-класифікацією грунтів за ступенем їх дефліруемості був покладений грануло-метричний склад. За цій властивості чорноземи і каштанові ґрунти були розділені на дві групи: дефліруемие (легкі) і малодеф-ліруемие (важкі) грунту. Серед дефліруемих (піддатливих хіба-ванию) легких грунтів були виділені сильно дефліруемие, систематичен-скі піддаються дефляції і слабо піддаються дефляції. Мало дефліруемие важкі грунту були віднесені до однієї групи - мало потребують застосуванні грунтозахисних сівозмін.
Така орієнтовна класифікація проведена на основі одного показника і не враховує багато інших властивостей, відповідно до яких ґрунту слід відносити до тієї чи іншої груп-пе за ступенем податливості розвівання.
Дефлірованние території можна розділити за ступенем дефляції на п'ять груп.
1. Слабо Дефлірованние землі - переважають ділянки з грунтами, слабо порушеними дефляцією. Площі недефлірованних ділянок складають 75% території. Потужність еолових наносів не перевищує 5. 10 см. Мезорельєфу збережений, на поверхні ґрунтів дефлірованних ділянок формується лише вітрова брижі.
2. Середньо Дефлірованние землі - переважають ділянки з середньо-Дефлірованние грунтами, які займають 50. 75% території. В не-великій кількості зустрічаються слабодефлірованние грунту, сильно-Дефлірованние займають до 10% площі. Потужність еолових нано-сов досягає 10. 25 см. При збереженні форм первинного мезорелье-фа формується кочковатий мікрорельєф. На середньо дефлірованних супіщаних грунтах можна обробляти польові культури і плодові насадження. На орних угіддях з такими грунтами необхідні грунтово-захисні системи землеробства.
3. Сильно Дефлірованние землі - переважають ділянки, Дефлірованние на глибину 50. 70 см, які займають 50. 70% території. Мезорельеф таких ділянок змінюється, стає крейда до горбистих. Оранка сильно дефлірованних земель можлива тільки смугами і в основному для посіву багаторічних трав. Найбільш ефективний засіб захисту грунтів - лісові насадження.
4. Дуже Дефлірованние землі - на місці родючих грунтів рас-розлогий середньо горбисті піски з глибокими видув і потужними наносами піску. Амплітуда мезорельефа досягає 2. 3 м.
5. Надзвичайно сильно Дефлірованние території - грунту всій території перевеянного, перетворені в горбисті піски з висотою Буг-рів 3. 5 м. Територію можна використовувати тільки під куртинами-колкові посадки лісу.
Таким чином, при дефляції грунтів з'являється специфічна структура ґрунтового покриву, виникає складна комбінація грунтів різного ступеня развеянія та похованням і змінюється мікро-і навіть мезорельеф території. Це необхідно враховувати при карти-ровании дефлірованних грунтів.
Види заходів щодо захисту грунтів
Захист грунтів від ерозії і дефляції полягає в попередженні цих явищ, ліквідації вогнищ і припинення процесів їх розвитку, збільшенні родючості еродованих і дефлірованних грунтів.
Суть протиерозійних заходів полягає у зменшенні поверхневого стоку, збереження на поле максимальної кількості атмосферних опадів, перекладі поверхневого стоку під внутріпочвенний, в посиленні протиерозійної стійкості ґрунтів.
Протіводефляціонние заходи спрямовані на зменшення швидкості вітру і збільшення протіводефляціонной стійкості грунту.
Захист грунтів від ерозії і дефляції здійснюється комплексом взаємопов'язаних і взаємодоповнюючих заходів. Умовно всі види протиерозійних і протіводефляціонних заходів де-лятся на чотири групи: землевпорядні (організація террито-рії), агротехнічні, лісомеліоративні і гідротехнічні.
Гідротехнічні споруди доводиться будувати там, де агротех-нические і лесомеліоратівниє заходи виявляються малоеффек-тивними. Ефект агротехнічних заходів в повну силу прояв-ляется тільки через кілька років, а лесомеліоратівниє смуги начи-нают працювати на повну потужність через 10. 20 років після їх створення. Гідротехнічні споруди впливають на грунт відразу ж після їх влаштування. Крім того, агротехнічні протиерозійні меро-ємства ефективні тільки на схилах крутизною не більше 4. 5 °, тому при необхідності термінової затримки і відводу поверхневих вод будують гідротехнічні споруди. Через високу вартість їх застосовують там, де інші засоби боротьби з ерозією грунтів неможливі.
За місцем створення гідротехнічні споруди можна розділити на три групи: на водозбірної площі, в вершинах ярів, на дні ярів.