Водная эрозия – один из основных рельефообразующих факторов на земной поверхности. Интенсивность эрозионных процессов растет с каждым годом. Стремительно увеличиваются территории, подверженные разрушающему воздействию водной эрозии. Снижение негативного действия водной эрозии на почвенный покров – актуальная задача современности, для решения которой в настоящее время используются различные научные подходы и методы, с различной степенью достоверности интерпретирующие процессы водной эрозии [1, 2].
На пахотных землях проявляется в основном поверхностная эрозия, ведущая к обеднению почвы гумусом и питательными веществами [3–5].
Вселенная живет по единым законам. Если предположить, что процессы поверхностной эрозии протекают по законам, аналогичным законам химической кинетики, то их можно использовать для описания и прогнозирования эрозионных процессов.
Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции. Химические реакции, которые протекают в гомогенных системах, называются гомогенными реакциями. Гетерогенные реакции – это химические реакции, которые протекают в гетерогенных системах. Водная эрозия почвогрунтов является гетерогенной реакцией, так как происходит на поверхности раздела фаз [6].
Любой гетерогенный физико-химический процесс можно представить из трех одновременно протекающих стадий: перенос реагирующих веществ в зону реакции; химическое взаимодействие в зоне реакции; отвод продуктов реакции из зоны реакции.
Если самым медленным процессом является подвод реагирующих веществ, то такие процессы идут в «диффузионной области». Если самой медленной стадией процесса является скорость взаимодействия компонентов, участвующих в процессе, то процесс протекает в «кинетической области» [6].
Взаимодействующими компонентами в эрозионном процессе можно считать подвергающийся эрозионному воздействию грунт, «исходное вещество», и эродированный, «продукт процесса». Медленной стадией процесса следует считать смыв грунта, так как подвергающийся эрозионному воздействию грунт изначально находится в зоне воздействия водного потока.
Важнейшие параметры кинетики – скорость и время протекания процесса. В формальной кинетике скорость химической реакции представляется в зависимости только от концентрации реагирующих веществ. Закономерности формальной кинетики позволяют определить кинетические параметры химической реакции [6].
Изменение концентрации от времени выражается кинетической кривой (С = f(τ)). Крутизна кинетической кривой характеризует истинную скорость химической реакции в определенный момент времени. Кроме того, по кинетическим кривым можно определить порядок и константу скорости реакции [6].
Именно эти подходы, по мнению авторов, могут быть использованы при оценке процессов, происходящих при поверхностной эрозии.
Цель исследования: исследование зависимости склонового стока от времени для построения кинетической модели, описывающей процесс поверхностной эрозии почвогрунтов.
Материалы и методы исследования
Для проверки выдвигаемой гипотезы в предпринимаемых исследованиях в качестве основополагающего был использован индуктивный метод, базирующийся на анализе экспериментальных данных, полученных на физической модели процесса водной эрозии. Процесс смыва грунта моделировали, используя лабораторную дождевальную установку типа ЛДУ-1М малых габаритов, которая пригодна для работы в условиях небольших лабораторий [7]. Исследовались почвогрунты, взятые в бассейне р. Сеща Дубровского района.
Результаты исследования и их обсуждение
Построение кинетической модели смыва грунта под воздействием водного потока опирается на анализ предполагаемого механизма процесса и составление его схемы. Схема должна отражать возможные стадии перехода исходного вещества системы – грунт в естественном состоянии – в смытый в результате водной эрозии грунт и учитывать на данном уровне абстрагирования основные характерные черты описываемого процесса.
Предположим, что все изменения в системе «грунт – внешняя среда» происходят в результате взаимодействия только двух обобщенных кинетических единиц – грунт в естественном состоянии и смытый в результате водной эрозии грунт:
G + W→W + W, (1)
где G, W – количество исходного и смытого в результате эрозии грунта.
В качестве параметра концентрации использовался показатель Y, определяемый по формуле [8]:
(2)
где Wt, Wt+Dt – склоновый сток к моментам времени t и Dt;
∆t – временной интервал, через который производились замеры.
Динамика склонового стока представлена в таблице.
Динамика склонового стока на песчаных и глинистых почвогрунтах
|
Песчаные почвогрунты (пойма реки Сеща Дубровского района Брянской области |
Глинистые почвогрунты (пойма реки Сеща Дубровского района Брянской области |
||||
|
Ω |
t |
Y |
Ω |
t |
Y |
|
1906 |
6 |
0,35 |
1380 |
12 |
0,02 |
|
1416 |
12 |
0,39 |
1350 |
18 |
0,02 |
|
1016 |
18 |
0,34 |
1320 |
24 |
0,03 |
|
756 |
24 |
0,36 |
1280 |
30 |
0,03 |
|
556 |
30 |
0,33 |
1240 |
36 |
0,03 |
|
418 |
36 |
0,51 |
1200 |
42 |
0,04 |
|
276 |
42 |
0,34 |
1150 |
48 |
0,06 |
|
206 |
48 |
1,06 |
1090 |
54 |
0,09 |
|
100 |
54 |
0,66 |
1000 |
60 |
0,11 |
|
60 |
60 |
0,66 |
900 |
66 |
0,14 |
|
– |
– |
– |
790 |
72 |
0,16 |
|
– |
– |
– |
680 |
78 |
0,21 |
|
– |
– |
– |
560 |
84 |
0,21 |
|
– |
– |
– |
440 |
90 |
0,13 |
|
– |
– |
390 |
96 |
0,34 |
|
|
– |
– |
– |
290 |
102 |
0,26 |
|
– |
– |
– |
230 |
108 |
0,26 |
Порядок реакции определяли графически. Для этого строили графики в координатах Y – t, llnYl – t, 1/Y – t, 1/Y2– t, соответствующие нулевому, первому, второму и третьему порядкам реакции. Полученные данные представлены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Динамика склонового стока на песчаных почвогрунтах (пойма реки Сеща в Дубровском районе Брянской области)
Рис. 2. Динамика склонового стока на глинистых почвогрунтах (пойма реки Сеща в Дубровском районе Брянской области)
Как видно из данных, представленных на рис. 1 и 2, функции приближаются к линейной форме для зависимостей Y(t) и ΣY(t) в интервале времени 30–50 с, что соответствует нулевому порядку реакции. Нулевой порядок характерен для гетерогенных реакций в том случае, если скорость диффузии реагентов к поверхности раздела фаз меньше скорости их химического превращения. Таким образом, лимитирующей стадией процесса следует считать смыв грунта, так как подвергающийся эрозионному воздействию грунт изначально находится в зоне воздействия водного потока.
Для того, чтобы предсказать изменение объема подвергшегося эрозии грунта в любой момент времени, необходимо определить:
W0 – склоновый сток в начальный момент времени относительно оси отсчета;
WСТ – склоновый сток в момент стабилизации процесса относительно той же оси;
μ – комплексный параметр, характеризующий максимальную удельную скорость изменения количества подвергшегося эрозии грунта.
Для нахождения W0, WСТ, μ необходимо полученные экспериментальные данные, через равные промежутки времени, нанести на график с ординатой Y и с абсциссой Wt. Для нахождения W0, определяющего положение оси отсчета 0–0, нужно задаться сначала значением W0 = 0, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике совершенной линейной зависимости Y от Wt.
После преобразования кривых изменения количества подвергшегося эрозии грунта прямую линию продолжают до пересечения с осью абсцисс и осью ординат. На оси ординат получится отрезок, численно равный 
, а на оси абсцисс – отрезок WСТ. Зная временной интервал ∆t, можно найти 
[9]. Полученные данные для песчаных и глинистых почвогрунтов представлены на рис. 3.
а) б)
Рис. 3. Линеаризованные графики зависимости динамики склонового стока: а) песчаные почвогрунты, б) глинистые почвогрунты
Как видно из данных, представленных на рис. 3, совершенная линеаризация кинетических кривых изменения объема различных почвогрунтов, подвергшихся эрозии, свидетельствует о возможности описания процесса кинетическими моделями.
В течение всего периода протекания процесса эрозии μGm, W0 не изменяются и могут использоваться для определения координат кинетической кривой, характеризующей эрозионный процесс, используя зависимость
(3)
где W∞ – максимальный склоновый сток, который может наблюдаться в результате эрозионного процесса.
(4)
Продолжительность протекания процесса эрозии до полного затухания можно определить по зависимости [10, 11]:
, (5)
где Wk – склоновый сток в конце временного периода;
WСТ – склоновый сток в стационарном периоде процесса.
Если принять Wk/WСТ = n, а n = 0,95, так как при n > 0,95 продолжительность процесса увеличивается, а интенсивность резко снижается, то можно прогнозировать продолжительность протекания исследуемого процесса. Оптимальное значение n следует устанавливать в каждом конкретном случае (в зависимости от условий протекания процесса и поставленных задач).
После некоторых преобразований зависимость (5) приобретает вид
(6)
Выводы
1. В процессе проведенных исследований установлено, что постулаты формальной химической кинетики могут быть использованы для описания процессов водной эрозии почвогрунтов.
2. Предложена кинетическая модель описания эрозионного процесса грунта, в основе которой лежат постулаты формальной химической кинетики.
3. Хорошее схождение результатов расчетов с опытными данными при оценке процесса поверхностной эрозии позволяет рекомендовать методику, основанную на кинетических моделях для прогнозирования эрозионных процессов.