ИСТИНА

Выявление и оценка закономерностей взаимодействия гидравлических свойств склоновых потоков с эродируемыми почвами и грунтами. Доказательство существования и количественная оценка граничной скорости водного потока, выше которой эродируемость почв резко снижается, что свидетельствует о преобразовании механизма эрозии в этой области скоростей.

It has been recently experimentally determined that the intensity of soil erosion by slope flows in the range of high flow velocities below certain “boundary” velocity is several times higher than that at lower velocities but exceeding “non-erosive” flow velocity (Larionov, Gorobets et. al., 2019). For Chernozem, soil erodibility was determined for pre-boundary (0.5–1.7 m/s) and post-boundary (2.2–6.0 m/s) velocities. At that, the erodibility remains constant within the first and the second velocity ranges. The method of erodibility assessment is the following. The set of soil erosion intensity values determined experimentally within one velocity range is divided by the cube of correspondent flow velocity. These data are presented as a line diagram of relationship between erodibility and the cube of velocity. Usually this relationship is positive and linear (Larionov, Gorobets, et. al., 2019). Based on that, two equations were developed relating erodibility (y) to the flow velocity (v) in the first and the second velocity ranges: у=5.73v3 +4.67 at R2= 0.96 and у=1.86v3+23.71 at R2= 0.97. Simultaneous solution of these equations gives the value of boundary velocity. Its value may be practically applied in calculations for the same soil of different density. For the light clay Chernozem with density of 1.2 g/cm3 the boundary velocity equals 1.58 m/s, while at the density of the same soil of 1.5 g/cm3 it increases to 1.72 m/s, or only by 9%. A possible theoretical explanation of the existing change in erodibility trend in pre-boundary and post-boundary ranges of flow velocity regime is the following. Clay minerals are known to adsorb water (Osipov, 2013). At that, two layers of adsorbed water are formed at the surface of particles. The first is the adsorption water layer (α–layer) not more than 10 nm thick with viscosity 3-4 times higher than that of regular water. The second is the diffused water layer (β–layer) up to 100 nm thick or even more, which is characterized by a double electric layer. At this thickness of diffused water layer, there are no forces of intermolecular attraction (van der Waals forces). Outer layers of swelling clay minerals at water presence (dipole substance) lead to water saturation of the upper layer of soil particles. The thickness of the diffused β–layer reaches thickness exceeding the range of reach of intermolecular forces. The outer layer of soil aggregates not bounded by forces of intermolecular attraction is easily washed off by hydraulic forces of water flow. The water flow captures loose particles of the soil outer layer. Certain time frame is required for saturation of the layer with soil moisture after detachment of the outer layer of particles by the flow. It is only when water fully saturates the β–film and the next soil layer loses intermolecular bounding with the rest of the soil mass, that water flow would detach this layer. This process continues until the flow velocity increases to the extent when the intermolecular bounding cannot resist the flow force anymore. With that the erosion process transitions into the next phase when erodibility decreases by 3–4 fold. At this stage the flow needs to overcome the force of interaggregate bounds between soil particles, and erodibility stabilises up until the flow velocity reaches at least 6–7 m/s. The theory presented above does not contradict experimental data (Larionov, Bushueva et. al., 2019; Larionov, Gorobets et. al., 2019). However, the very area of erodibility trend transition is not enough studied. A significant decrease of erodibility trend near the boundary velocity seems theoretically viable, leading to a significant change in the relationship between erodibility and flow velocity. Soil erodibility is determined by a range of its physical and chemical properties, influencing its dependence on hydraulic properties of the flow. In this regard, it is necessary to carry out wash-out experiments of Chernozem soils and to assess the influence of the set of their physical and chemical properties on erodibility. The elaboration of erodibility trends in the transition area requires refinement of measuring tools and the main equipment: hydraulic flumes and impact flow installation. Implementation of the project will give a new boost to the solution of the problem of relationship of erosion processes with hydraulic properties of slope flows. It will substantiate the existence of boundary flow velocity as an important factor in the processes of surface and linear erosion.

Ожидаемые результаты заключаются в получении новых данных о динамике эродируемости почв и грунтов в диапазоне скоростей потока от 0,5 до 6-7 м/с. В этом диапазоне скоростей выделяются две области с различной эродируемостью. Будут получены данные о величине граничных скоростей потоков и их связях с физикохимическими свойствами почв, разработано теоретическое обоснование. Эта информация позволит существенно усовершенствовать физически обоснованные модели эрозии почв и инженерные расчеты овражной эрозии.

У научного коллектива имеется научный задел по выполнению исследований эрозии почв и грунтов. В предыдущих исследованиях (Ларионов, Бушуева, Добровольская и др., 2014; Ларионов, Бушуева, Горобец и др., 2018) и в рамках выполнения проекта РФФИ №16-05-00474-а «Экспериментальные исследования механизмов противоэрозионной стойкости почв и грунтов» были разработаны и апробированы оборудование и методики для исследований интенсивности смыва и эродируемости в области высоких скоростей склоновых потоков. Все члены научного коллектива имеют многолетний опыт выполнения экспериментальных исследований эрозии почв и гидравлики склоновых потоков и работы с оборудованием при высоких скоростях потока. Имеется программа исследования эродируемости при размыве почвы потоками с большим диапазоном скоростей течения, при этом в анализе результатов используется зависимость эродируемости почвы от куба скорости потока воды.

В рамках выполнения проекта проведена модернизация измерительных устройств и основного оборудования для определения интенсивности размыва почв и грунтов – струйной установки и гидравлического лотка (гидродинамической трубы) с компьютерной регистрацией динамики интенсивности размыва во время проведения эксперимента. Специальные исследования динамики интенсивности размыва почвы в гидродинамической трубе, выполненные с использованием компьютерной программы «Посейдон» показали вполне удовлетворительную однородность сложения модельных образцов почв (Ларионов, Краснов, Литвин и др., 2022). Проведен отбор образцов из пахотного горизонта выщелоченного легкоглинистого чернозема (Воловский район, Тульская область). Методом сухого просеивания были выделены фракции из пахотного горизонта чернозема, из которых для проведения испытаний по размыву почвы готовились модельные монофракционные (фракция агрегатов 1–2 мм) образцы с заданной плотностью. После модернизации оборудования на струйной установке была проведена серия экспериментов по размыву почвы при различных углах атаки струи потока. Целью проведенных опытов были анализ результатов и теоретическое обоснование экспериментального исследования механизма и интенсивности размыва в области скоростей близкой к граничной скорости. Предполагаются две основные причины специфики изменения интенсивности размыва почвы и грунта при различных углах атаки потока – гидратационная и гидромеханическая. Первая обуславливает ослабление и разрушение межагрегатных связей проникающей в грунт водой (Ларионов, Бушуева, Добровольская и др., 2016), вторая – взаимодействием сочетанием направления сил гидродинамического напора и сил, удерживающих частицу (агрегат) на месте. Анализ сил, воздействующих на отдельную частицу грунта падающей струей, показывает максимум этого воздействия при угле атаки 41 градус. В рамках выполнения проекта проведены восемь серий экспериментов по оценке интенсивности размыва и эродируемости модельных образцов чернозема, полученные на струйной установке для скоростей водного потока от 0,5 до 2 м/с. Выявленные тенденции изменения интенсивности размыва почвы при увеличении скорости потока нуждаются в подтверждении дополнительными опытами на гидравлических лотках в широком диапазоне скоростей водного потока (0,5–4,5 м/с). В рамках проекта не были выполнены: 1) часть экспериментальных работ по размыву на струйной установке модельных образцов из пахотного горизонта чернозема (фракция агрегатов 1-2 мм) в области высоких скоростей водного потока от 2 до 7 м/с; 2) теоретический анализ механизма эрозии в широком диапазоне скоростей склоновых потоков; 3) сопоставление экспериментально полученных данных и эмпирических зависимостей эродируемости черноземной почвы от куба скорости потока. Основной причиной неполного выполнения работ по проекту стали непредвиденные обстоятельства - уход из жизни руководителя проекта Г.А. Ларионова (27.06.2022 г.). В связи с этим по решению Российского научного фонда проект был досрочно закрыт (протокол №17 от 05.08.2022 г.).