Vestnik of Kazan State Agrarian UniversityVestnik of Kazan State Agrarian UniversityВестник Казанского государственного аграрного университета2073-04622098210.12737/article_5afafe5a7c3090.69230817Технические наукиТехнические наукиTO THE QUESTION OF CONTROL OF THE TEMPORARY WATER FLOW MOVEMENT ON THE AGROLANSCAPES OF SLOPE LANDSК ВОПРОСУ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ВРЕМЕННОГО ВОДНОГО ПОТОКА НА АГРОЛАНДШАФТЕ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬВасильевСергей АнатольевичVasil'evSergey Anatol'evichvsa_21@mail.ru
ВасильевАлексей Алексеевич VasilevAlexey Alekseevich alekseyvasiliev@yandex.ruМишинПетр ВладимировичMishinPetr VladimirovichЧувашская государственная сельскохозяйственная академияChuvash State Agrocultural AcademyМосковская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии – MBA имени К. И. СкрябинаРоссияMoscow state Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology – MVA by K. I. SkryabinRussian Federation131113116https://zh-szf.ru/en/nauka/article/20982/view
В статье рассматривается движение водного потока на склоне, при этом выявляются основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению. Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностного баланса. При проведении анализа водного потока получили уравнение движения временного водного потока, которое позволяет решать следующие основные задачи: анализ возможности движения водного потока на тех или иных подстилающих поверхностях, определение и анализ параметров потока при ускорении, торможении или при равномерном его движении и другие. Также данное уравнение можно использовать в решении обратных задач, например, по определению коэффициента гидравлической шероховатости, потенциала эрозионной стойкости и других параметров стокоформирующей поверхности. Проведенный анализ позволяет судить о возможности воздействия на водный поток различными противоэрозионными подстилающими поверхностями с заданной гидравлической шероховатостью и другими препятствиями, в результате чего обеспечивается эффективное управление движением временного водного потока.
The article deals with the movement of a water stream on a slope, with the main regularities connecting the parameters of the flow and the underlying surface, caused by the action of the driving forces and the forces of resistance to movement. The impact of these forces, which ensure the acceleration or deceleration of the water flow in view of the flow velocity, can be represented in the form of a power balance. In the analysis of the water flow, the equation of motion of the temporary water flow is obtained, which allows solving the following main tasks: analysis of the possibility of water flow on certain underlying surfaces, determination and analysis of flow parameters during acceleration, braking or even motion, and others. Also, this equation can be used in solving inverse problems, for example, in determining the coefficient of hydraulic roughness, the potential of erosion resistance, and other parameters of the stokoforming surface. The analysis allows to judge the possibility of influencing the water flow with various anti-erosion underlying surfaces with a given hydraulic roughness and other obstacles, resulting in an effective control of the movement of the temporary water flow.
Эрозия почвы на склоновых агроландшафтах представляет собой необычайно сложный процесс, происходящий под влиянием множества факторов: природно-климатических и геологических условий, рельефа, состояния подстилающей поверхности, хозяйственного использования склоновых земель. Ученые давно пытаются найти актуальные подходы и способы количественной оценки эрозии почвы, которая приносит огромный ущерб сельскому хозяйству и экологии. Целый ряд трудов посвящен методам прогноза почвенной эрозии [1-8].В конце XIX века Уолни выполнил первую научную работу по исследованию почвенной эрозии. Первоначально были выведены однофакторные уравнения для определения выноса почвы, представляющие собой частные и некоторые случаи при постоянстве ряда факторов. Впоследствии, в результате дальнейшего познания механизма эрозии почв, выведены многофакторные уравнения. Довольно полная информация по исследованиям известных многочисленных моделей для определения поверхностного смыва почвы представлена в работах Г.П. Швебса [9, 10].Условия, материалы и методы исследований. Рассматривая движение водного потока на склоне, примем следующие допущения [11, 12, 13]:1. Процесс движения атмосферных осадков в виде стока на склоновом агроландшафте происходит по мелкой сети множества микрорусел, пересекающихся и сливающихся в одно целое, тогда для первого приближения можно принять водосборную площадь как линейный канал, где происходят присущие водному потоку явления (изменения интенсивности стока по длине пути, появление боковых притоков и т.д.).2. Вследствие продолжительности во времени взаимодействия осадков и подстилающей поверхности почва сильно переувлажняется, и с некоторым приближением не учитываются инфильтрационные процессы влаги.При движении водного потока можно выявить основные закономерности, связывающие параметры потока и подстилающей поверхности, обусловленные воздействием на водный поток движущих сил и сил сопротивления движению [14].Воздействие этих сил, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока с учетом скорости потока, можно представить в виде мощностного баланса. Мощностной баланс определяется затратами энергии потока на преодоление внешних и внутренних сопротивлений потоку по времени. Запишем уравнение мощностного баланса в общем случае [14]:где – составляющая силы тяжести элементарного объема водного потока, Н;– сила сопротивления размыву подстилающей поверхности склона водным потоком, Н; - сила сопротивления движению водного потока, обусловленная шероховатостью подстилающей поверхности склона, Н; - сила сопротивления движению потока растительных элементов, Н; - сила сопротивления движению потока, обусловленная влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Н; - сила сопротивления инерции потока, Н; - скорость движения элементарного объема водного потока, м/с.Спроецируем уравнение (1) на ось вдоль склона с учетом скалярного произведения векторов сил и скорости потока [14]: (2) или (3) где Nα – мощность водного потока, Дж/с; Nψ – потери мощности водного потока на размыв подстилающей поверхности склона, Дж/с; Nφ- потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления шероховатости подстилающей поверхности склона, Дж/с; Nδ – потери мощности водного потока на преодоление силы сопротивления растительных элементов на поверхности склона, Дж/с; Nγ – потери мощности водного потока, обусловленные влиянием волнистости подстилающей поверхности склона, Дж/с; Nj – потери мощности водного потока, обусловленные влиянием инерции потока, Дж/с [15].
Васильченко, Г. В. Воздействие потоков на мелиоративные и водохозяйственные сооружения / Г. В.Васильченко. - Минск : Ураджай, 1985. - 175 с.Vasilchenko G.V. Vozdeystvie potokov na meliorativnye i vodokhozyaystvennye sooruzheniya. [Influence of flows on land reclamation and water management structures]. / G.V. Vasilchenko. - Minsk : Uradzhay, 1985. - P. 175.Полуэктов, Е. В. Регулирование водного режима эродированных почв противоэрозионными приемами / Е. В. Полуэктов // Почвоведение. - 1993.- № 3. - С. 80-99.Poluektov E.V. Regulation of the water regime of eroded soils with anti-erosion methods. [Regulirovanie vodnogo rezhima erodirovannykh pochv protivoerozionnymi priemami]. / E. V. Poluektov // Pochvovedenie. - Soil science. - 1993. - № 3. - P. 80-99.Рекомендации по созданию комплекса агролесомелиоративных противоэрозионных мероприятий / Г. П. Сурмач и др. - Волгоград, 1973.Rekomendatsii po sozdaniyu kompleksa agrolesomeliorativnykh protivoerozionnykh meropriyatiy. [Recommendations for the creation of a complex of agroforestry anti-erosion measures[. / G.P. Surmach and others. - Volgograd, 1973.Сурмач, Г. П. Водная эрозия и борьба с ней / Г. П. Сурмач. - Л. : Гидрометеоиздат, 1976. - 254 c.Surmach G.P. Vodnaya eroziya i borba s ney. [Water erosion and the fight against it]. / G.P. Surmach. - L. : Gidrometeoizdat, 1976. - P. 254.Сурмач, Г. П. К вопросу об изучении весеннего стока в сети лесных полос на черноземах Куйбышевского Заволжья / Г. П. Сурмач // Вопросы земледелия и борьбы с эрозией почв в степных и лесостепных районах СССР. - Саратов,1959. - Т. 2. - С. 489-497.Surmach G. P. K voprosu ob izuchenii vesennego stoka v seti lesnykh polos na chernozemakh Kuybyshevskogo Zavolzhya. // Voprosy zemledeliya i borby s eroziey pochv v stepnykh i lesostepnykh rayonakh SSSR. [On the study of spring runoff in a network of forest belts on chernozems of Kuibyshev-Volga region]. / G.P. Surmach // Questions of farming and combating soil erosion in steppe and forest-steppe regions of the USSR]. - Saratov, 1959. - Vol. 2. - P. 489-497.Сурмач, Г. П. Опыт расчета смыва почв для построения комплекса противоэрозионных мероприятий / Г. П. Сурмач // Почвоведение. - 1979. - № 4. -С. 92-104.Surmach G.P. Experience in calculating the washout of soils for building a complex of erosion control measures. [Opyt rascheta smyva pochv dlya postroeniya kompleksa protivoerozionnykh meropriyatiy]. / G. P. Surmach // Pochvovedenie. - Soil science. - 1979. - №4. - P. 92-104.Швебс, Г. И. О приемах изучения смыва почв / Г. И. Швебс // Почвоведение. - 1957. - № 5. - С. 105-109.Shvebs G.I. On the methods of studying the washout of soils. [O priemakh izucheniya smyva pochv]. / G. I. Shvebs // Pochvovedenie. - Soil science. - 1957. - №5. - P. 105-109.Эрозия почвы / пер. с англ. и предисловие М. Ф. Пушкарева. - М. : Колос, 1984. - 415 с.Eroziya pochvy. / per. s angl. i predislovie. [Soil erosion: translated from English and the preface]. M. F. Pushkarev. - M.: Kolos, 1984. - P. 415.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.Швебс, Г. И. Формирование водной эрозии, стока наносов и их оценка : на примере Украины и Молдавии / Г. И. Швебс. - Л. : Гидрометеоиздат, 1974. - 183 с.Shvebs G. I. Formirovanie vodnoy erozii, stoka nanosov i ikh otsenka: na primere Ukrainy i Moldavii. [Formation of water erosion, sediment flow and its assessment: the example of Ukraine and Moldova]. / G.I. Shvebs. - L.: Gidrometeoizdat, 1974. - P. 183.Васильев, С. А. К вопросу о формировании стока на склоновых землях / С. А. Васильев, И. И. Максимов, А. А. Васильев // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф., посвященной 75-летию со дня открытия ЧГСХА. - Чебоксары, 2006. - 680 с.Vasilev S. A. K voprosu o formirovanii stoka na sklonovykh zemlyakh. // Materialy Vserossiyskoy nauch.-prakt. konf., posvyaschennoy 75-letiyu so dnya otkrytiya ChGSKhA. (On the question of the flow formation on sloping lands. / S.A. Vasiliev, I.I. Maksimov, A.A. Vasilev // Proceedings of All-Russian Scientific and Practical Conference, dedicated to the 75th anniversary of the opening of ChSA). - Cheboksary, 2006. - P. 680.Васильев, С. А. Совершенствование методики и технических средств оценки для проектирования противоэрозионных технологий на склоновых землях : дис. … канд. техн. наук : 05.20.01 / Васильев Сергей Анатольевич - Чебоксары, 2006. - 161 с.Vasilev S.A. Sovershenstvovanie metodiki i tekhnicheskikh sredstv otsenki dlya proektirovaniya protivoerozionnykh tekhnologiy na sklonovykh zemlyakh: dis. … kand. tekhn. nauk: 05.20.01. (Perfection of methods and technical means of assessment for the design of anti-erosion technologies on slope lands: dissertation for a degree of Ph.D. of Technics: 05.20.01). / Vasilev Sergey Anatolevich - Cheboksary, 2006. - P. 161.Ткачев, А. А. Развитие методологии расчета параметров неустановившегося течения воды при водораспределении в каналах оросительных систем : дис. ... д-ра техн. наук : 06.01.02 / Ткачев Александр Александрович. - Новочеркасск, 2011. - 297 с.Tkachev A. A. Razvitie metodologii rascheta parametrov neustanovivshegosya techeniya vody pri vodoraspredelenii v kanalakh orositelnykh sistem : dis. ... d-ra tekhn. nauk: 06.01.02. (Development of the methodology for calculating the parameters of unsteady water flow during water distribution in canals of irrigation systems: dissertation for a degree of Doctor of Technics: 06.01.02). / Tkachev Aleksandr Aleksandrovich. - Novocherkassk, 2011. - P. 297.Васильев, С. А. Энергетический подход для построения гидродинамической характеристики водного потока на склоновом агроландшафте / С. А. Васильев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 4 - С. 194-200.Vasilev S. A. Energy approach for the construction of the hydrodynamic characteristics of the water flow on the slope agrolandscape. [Energeticheskiy podkhod dlya postroeniya gidrodinamicheskoy kharakteristiki vodnogo potoka na sklonovom agrolandshafte]. / S. A. Vasilev // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professionalnoe obrazovanie. - Izvestiya of Lower Volga agrouniversity complex: science and higher vocational education. - 2015. - № 4 - P. 194-200.Васильев, С. А. Математическая модель для прогноза эрозионных процессов на склоновых агроландшафтах / С. А. Васильев // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2015. - № 9. - С. 96-100.Vasilev S.A. Mathematical model for prediction of erosion processes on slope agrolandscapes. [Matematicheskaya model dlya prognoza erozionnykh protsessov na sklonovykh agrolandshaftakh]. / S.A. Vasilev // Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta. - The Herald of Orenburg State University. - 2015. - №9. - P. 96-100.Максимов, И. И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель : дис. … д-ра техн. наук : 05.20.01 / Максимов Иван Иванович. - Чебоксары, 1996. - 325 с.Maksimov I. I. Prognoz erozionnykh protsessov, tekhnika i tekhnologiya dlya obrabotki sklonovykh zemel: dis. … d-ra tekhn. nauk : 05.20.01. (Forecast of erosion processes, technology and technology for the treatment of sloping lands: dissertation for a degree of Doctor of Technics: 05.20.01). / Maksimov Ivan Ivanovich. - Cheboksary, 1996. - P. 325.Васильев, С. А. Гидравлическая шероховатость : энергетический подход и практическое приложение / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов // Чебоксары : ВФ МАДИ, 2010. - 204 с.Vasilev S. A. Gidravlicheskaya sherokhovatost: energeticheskiy podkhod i prakticheskoe prilozhenie. [Hydraulic roughness: energy approach and practical application]. / S.A. Vasilev, I.I. Maksimov, V.I. Maksimov // Cheboksary : VF MADI, 2010. - P. 204.Боровков, В. С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях / В. С. Боровков. - Л. : Гидрометеоиздат, 1989. - 285 с.Borovkov V.S. Ruslovye protsessy i dinamika rechnykh potokov na urbanizirovannykh territoriyakh. [River processes and dynamics of river flows in urban areas]. / V. S. Borovkov. - L.: Gidrometeoizdat, 1989. - P. 285.Лопырев, М. И. Защита земель от эрозии и охрана природы : учеб. пособие для вузов / М. И. Лопырев, Е. И. Рябов.- М. : Агропромиздат, 1989. - 240 с. : ил.Lopyrev M. I. Zaschita zemel ot erozii i okhrana prirody: ucheb. posobie dlya vuzov. [Protection of lands from erosion and nature protection: a manual for universities]. / M. I. Lopyrev, E. I. Ryabov. - M.: Agropromizdat, 1989. - P. 240, illustrated.Рожков, А. Г. Борьба с оврагами / А. Г. Рожков. - М. : Колос, 1981.- 197 c. : ил.Rozhkov A. G. Borba s ovragami. [The struggle with ravines]. / A. G. Rozhkov. - M.: Kolos, 1981. - P. 197, illustrated.