Vestnik of Kazan State Agrarian UniversityVestnik of Kazan State Agrarian UniversityВестник Казанского государственного аграрного университета2073-04621979910.12737/article_5a5f0f23dac509.14552207Технические наукиТехнические наукиMETHOD FOR DETERMINING THE DIRECTION OF WATER FLOW MOTION ON AGROLANDSCAPE OF SLOPE LANDМЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ВОДНОГО ПОТОКА НА АГРОЛАНДШАФТЕ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬВасильевСергей АнатольевичVasil'evSergey Anatol'evichvsa_21@mail.ru
Чувашская государственная сельскохозяйственная академияChuvash State Agrocultural Academy1247277https://naukaru.ru/en/nauka/article/19799/view
В работе предложен метод определения направления движения водного потока на агроландшафте склоновых земель. Установлены принципиальные особенности гидравлики склонового стока. Гидравлические потери водотока на преодоление сопротивлений подстилающей поверхности, эрозионные процессы и транспортирование частиц составляющих наносы представлены в виде гидродинамической характеристики водного потока. Получены зависимости для определения скорости изменения коэффициента гидравлической шероховатости для любой стокоформирующей поверхности. Разработано устройство для изучения процесса формирования микрорусла на подстилающей поверхности, позволяющее изучить процесс формирования микрорусла и точно измерять глубину и ширину потока микрорусла. По результатам полевых исследований установлено, что максимальная ширина микрорусла достигла 8,1 см, а глубина – 3,4 см, а в процессе взаимодействия водного потока и почвы с заданными характеристиками менялось положение нижней точки микрорусла, вследствие возникновения колебаний водотока и его меандрирования, амплитуда колебаний менялась в пределах от 1,86 см до 2,12 см, и составила максимум 2,6 см. Таким образом, полученные параметры позволяют прогнозировать склоновую эрозию и разрабатывать эффективные мероприятия по сокращению склонового стока атмосферных осадков.
В работе предложен метод определения направления движения водного потока на агроландшафте склоновых земель. Установлены принципиальные особенности гидравлики склонового стока. Гидравлические потери водотока на преодоление сопротивлений подстилающей поверхности, эрозионные процессы и транспортирование частиц составляющих наносы представлены в виде гидродинамической характеристики водного потока. Получены зависимости для определения скорости изменения коэффициента гидравлической шероховатости для любой стокоформирующей поверхности. Разработано устройство для изучения процесса формирования микрорусла на подстилающей поверхности, позволяющее изучить процесс формирования микрорусла и точно измерять глубину и ширину потока микрорусла. По результатам полевых исследований установлено, что максимальная ширина микрорусла достигла 8,1 см, а глубина – 3,4 см, а в процессе взаимодействия водного потока и почвы с заданными характеристиками менялось положение нижней точки микрорусла, вследствие возникновения колебаний водотока и его меандрирования, амплитуда колебаний менялась в пределах от 1,86 см до 2,12 см, и составила максимум 2,6 см. Таким образом, полученные параметры позволяют прогнозировать склоновую эрозию и разрабатывать эффективные мероприятия по сокращению склонового стока атмосферных осадков.
При решении фундаментальных и прикладных гидрологических проблем управления водным потоком на склоновых землях особенно острым является вопрос о проектировании и оценке эффективности противоэрозионных технологий [4,8]. Сложную научную задачу представляет собой определение направления движения водного потока на агроландшафте склоновых земель от параметров водного потока.Используемые в настоящее время подходы для определения направления движения для склонового водотока не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к процессам взаимодействия потока воды с подстилающей поверхностью [5]. Основные причины заключаются в использовании эмпирических и полуэмпирических формул, применение которых ограничено пределами тех опытов, на которых они основаны [1,6]; определении переноса частиц на основании описательных (а не количественных) характеристик водотока и микрорусла; непрерывном изменении различных параметров потока и русла [10].Условия, материалы и методы исследований. Воздействие внешних и внутренних сил сопротивлений на движущую среду, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока, можно представить в виде уравнения баланса действительного уклона и суммы уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности. С некоторым приближением без учета инфильтрации влаги в почву, вследствие продолжительности процесса, запишем уравнение в упрощенной безразмерной форме [2]: где i – уклон подстилающей поверхности склона; Σiλ– сумма уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности; iφ – уклон гидравлических потерь на трение; iψ – уклон гидравлических потерь на размыв подстилающей поверхности склона; iδ – уклон гидравлических потерь на преодоление растительных элементов ; iγ – уклон гидравлических потерь на преодоление волнистости поверхности; ij– уклон гидравлических потерь на преодоление инерции потока; is – уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц; ic – уклон гидравлических потерь на преодоление стокоформирующей поверхности.Для анализа параметров водотоков можно, опираясь на уравнение (1), использовать графическое изображение зависимости изменения уклонов гидравлических потерь водного потока от скорости его движения, которое называют гидродинамической характеристикой стокоформирующей поверхности.
Барышников, Н.Б. Формулы и методы для расчета расходов донных наносов / Н.Б. Барышников, Ю.А. Демидова, А.О. Пагин, А.Б. Соколов // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета № 11. Научно-теоретический журнал. - СПб.: изд. РГГМУ, 2009. - С. 16-23. - Режим доступа: http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/11-2.pdf.Baryshnikov N.B. Formulas and methods for calculation of bed-load consumption. / N.B. Baryshnikov, Yu.A. Demidova, A.O. Pagin, A.B. Sokolov // [Formuly i metody dlya rascheta raskhodov donnykh nanosov]. // Uchenye zapiski Rossiyskogo gosudarstvennogo gidrometeorologicheskogo universiteta. Nauchno-teoreticheskiy zhurnal. - Scientific notes of Russian State Hydrometeorological University. Scientific and theoretical journal. - SPb.: izd. RGGMU, 2009. - P. 16-23. - Available at: http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/11-2.pdf.Васильев, С.А. Обоснование конструктивно-технологических параметров профилографов для контроля мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах [Электронный ресурс] / С.А. Васильев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2016. - № 4(20). - С. 79-93. - Режим доступа: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec358-field6.pdf.Vasilev S.A. Substantiation of constructive-technological parameters of profilographs for control of reclamation technologies on slope agrolandscapes. [Obosnovanie konstruktivno-tekhnologicheskikh parametrov profilografov dlya kontrolya meliorativnykh tekhnologiy na sklonovykh agrolandshaftakh]. / S.A. Vasilev // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioratsii. - Scientific journal of Russian Research Institute of Problems of Land Reclamation. - 2016. - №4(20). - P. 79-93. - Available at: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec358-field6.pdf.Васильев, С.А. Результаты экспериментальных исследований гидрофизических и эрозионных свойств почв на территории СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики / С.А. Васильев, И.И. Максимов, Е.П. Алексеев [и др.] // Вестник Чувашского государственного педагогического университета имени И.Я. Яковлева. - 2013. - Вып. 4(80), Ч.2. - С. 39 - 45.Vasilev S.A. The results of experimental studies of hydrophysical and erosive properties of soils on the territory of the “Trud” collective farm in the Batyrevo district of the Chuvash Republic. [Rezultaty eksperimentalnykh issledovaniy gidrofizicheskikh i erozionnykh svoystv pochv na territorii SKhPK “Trud” Batyrevskogo rayona Chuvashskoy Respubliki. // Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta imeni I.Ya. Yakovleva. - The Herald of Chuvash State Pedagogical University named after I.Ya. Yakovleva. - 2013. - Issue 4(80), Ch.2. - P. 39 - 45.Ларионов, Г.А. Влияние наносов на эродирующую способность мелководных потоков / Н.Г. Добровольская, З.П. Кирюхина, Л.Ф. Литвин // Эрозия почв и русловые процессы. - 2003. - Вып. 14. - С. 34-45. - Режим доступа: http://makkaveev-lab. narod.ru/SEFP-14.pdf.Larionov G.A. Vliyanie nanosov na erodiruyuschuyu sposobnost melkovodnykh potokov. / N.G. Dobrovolskaya, Z.P. Kiryukhina, L.F. Litvin // Eroziya pochv i ruslovye protsessy. (Effect of bed-load on the erodibility of shallow water flows. // Erosion of soils and channel processes). - M., 2003. Issue 14. - P. 34-45. - Available at: http://makkaveev-lab. narod.ru/SEFP-14.pdf.Маккавеев, Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне / Н.И. Маккавеев. - М.: Географический факультет МГУ, 2003. - 355 с. - ISBN 5-89575-063-Х.Makkaveev N.I. Ruslo reki i eroziya v ee basseyne. [River’s bed and erosion in its basin]. / N.I. Makkaveev. - M.: Geograficheskiy fakultet MGU, 2003, P. 355. - ISBN 5-89575-063-Kh.Максимов, И.И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель: дисс. докт. техн. наук / И.И. Максимов. - Чебоксары, 1996. - 325 с.Maksimov I.I. Prognoz erozionnykh protsessov, tekhnika i tekhnologiya dlya obrabotki sklonovykh zemel: diss. dokt. tekhn. nauk. (Forecast of erosion processes, techniques and technology for the treatment of sloping lands: dissertation of Doctor of Technical Sciences). / I.I. Maksimov. - Cheboksary, 1996. - P. 325.Максимов, И.И. Моделирование развития русла в подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов / И.И. Максимов, В.И. Максимов, С.А. Васильев, В.В. Алексеев // Почвоведение. - 2016. - № 4. - С. 514-519.Maksimov I.I. Modeling the river’s bed development in the underlying surface of slope agrolandscapes. [Modelirovanie razvitiya rusla v podstilayuschey poverkhnosti sklonovykh agrolandshaftov]. / I.I. Maksimov, V.I. Maksimov, S.A. Vasilev, V.V. Alekseev // Pochvovedenie. - Soil science. - 2016. - №4. - P. 514-519.Мирцхулава, Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел / Ц.Е. Мирцхулава. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 303 с.Mirtskhulava Ts.E. Osnovy fiziki i mekhaniki erozii rusel. [Fundamentals of the physics and mechanics of the erosion of river beds]. / Ts.E. Mirtskhulava. - L.: Gidrometeoizdat, 1988. - P. 303.Патент 2292539 РФ. Способ определения гидравлических потерь на трение / И.И. Максимов, С.А. Васильев, В.И. Максимов - Опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3.Patent 2292539 RF. Sposob opredeleniya gidravlicheskikh poter na trenie. (Patent 2292539 of the Russian Federation. Method for determining hydraulic losses due to friction). / I.I. Maksimov, S.A. Vasilev, V.I. Maksimov - Published 27.01.2007, Bulletin № 3.Швебс, Г.И. Теоретические основы эрозиоведения / Г.И. Швебс. - Киев; Одесса: Вища школа, 1981. - 219 с.Shvebs, G.I. Teoreticheskie osnovy eroziovedeniya. [Theoretical foundations of erosion]. / G.I. Shvebs. - Kiev; Odessa: Vishcha shkola, 1981. - P. 219.