Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОСТУЛАТОВ ФОРМАЛЬНОЙ КИНЕТИКИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ

Мельникова Е.А. 1 Лукашов С.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
В настоящей работе сделана попытка интерпретировать процессы водной эрозии с помощью постулатов формальной химической кинетики. Целью настоящей работы являлось исследование зависимости динамики склонового стока для построения кинетических кривых, описывающих процесс поверхностной эрозии. Показано, что взаимодействующими компонентами в эрозионном процессе можно считать подвергающийся эрозионному воздействию грунт, «исходное вещество», и эродированный, «продукт процесса». Обосновано, что построение кинетической модели смыва грунта под воздействием водного потока опирается на анализ предполагаемого механизма процесса и составление его схемы. Как любой физико-химический гетерогенный процесс, водная эрозия включает три одновременно протекающих стадии: перенос реагирующих веществ в зону реакции; химическое взаимодействие в зоне реакции; отвод продуктов реакции из зоны реакции. Самой медленной стадией процесса является смыв грунта, так как подвергающийся эрозионному воздействию грунт изначально находится в зоне воздействия водного потока. Исследована динамика зависимости склонового стока от времени, при этом установлено, что взаимодействие почвогрунтов с водой является лимитирующей стадией процесса и, следовательно, лежит в кинетической области. Предложена кинетическая модель описания эрозионного процесса грунта, в основе которой лежат постулаты формальной химической кинетики. Проведены исследования динамики склонового стока на песчаных и глинистых почвогрунтах. Для полученных экспериментальных данных построены линеаризованные графики динамики склонового стока. Хорошее схождение результатов расчетов с опытными данными при оценке процесса поверхностной эрозии на основе кинетической модели позволяет рекомендовать предлагаемую методику для прогнозирования эрозионных процессов.
водная эрозия
химическая кинетика
склоновый сток
динамика
скорость химической реакции
порядок реакции
гетерогенный процесс
1. Эрозия почвы // ECOPORTAL [Электронный ресурс]. URL: https://ecoportal.info/eroziya-pochvy/ (дата обращения: 15.12.2018).
Soil erosion // ECOPORTAL [Electronic resource]. URL: https://ecoportal.info/eroziya-pochvy/ (date of access: 15.12.2018) (in Russian).
2. Писаренко В.Н., Писаренко П.В., Писаренко В.В. Охрана почвенного покрова: негативные последствия ветровой и водной эрозии почв // Agro Mage [Электронный ресурс]. URL: https://agromage.com/stat_id.phpid=538 (дата обращения: 15.12.2018).
Pisarenko V.N., Pisarenko P.V., Pisarenko V.V. Protection of a soil cover: negative consequences of a wind and water erosion of soils // Agro Mage [Electronic resource]. URL: https://agromage.com/stat_id.phpid=538 (date of access: 15.12.2018) (in Russian).
3. Гресков П.Н. Эффективность гидропосева Profile для защиты склонов от эрозии // Инженерная защита. 2014. № 1. С. 34–37.
Greskov P.N. Effectiveness of hydrocrops of Profile for protection of slopes against an erosion // Inzhenernaya Zashchita. 2014. № 1. P. 34–37 (in Russian).
4. Точицкий А.А., Лепешкин Н.Д. Защитим почву на склоновых землях [Электронный ресурс]. URL: https://belagromech.by/articles/zashhitim-pochvu-na-sklonovyh-zemlyah/ (дата обращения: 15.12.2018).
Tochitsky A.A., Lepeshkin N.D. Let’s protect the soil on slope lands // RUP «NPTs NAN of Belarus on Mechanization of Agriculture» [Electronic resource]. URL: https://belagromech.by/articles/zashhitim-pochvu-na-sklonovyh-zemlyah/ (date of access: 15.12.2018) (in Russian).
5. Геологический словарь: в 3 т. / Гл. ред. О.В. Петров. 3-е изд., перераб. и доп. СПб.: ВСЕГЕИ, 2012. Т.3. 435 c.
Geological dictionary: in 3 t. / Сhapter of an edition O.V. Petrov. The 3rd prod., the reslave. and additional. SPb.: VSEGEI, 2012. T. 3. 435 p. (in Rassian).
6. Беспалова Ж.И., Смирнова Н.В., Пятерко И.А., Кудрявцев Ю.Д. Химическая кинетика и катализ: учебное пособие по курсу «Физическая химия». Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014. 98 с.
Bespalova Z.I., Smirnova N.V., Pyaterko I.A., Kudryavtsev Yu.D. Chemical kinetics and catalysis: manual at the rate «Physical chemistry». Novocherkassk: YuRGPU (NPI), 2014. 98 p. (in Russian).
7. Комиссаров М.А. Эрозия почвы при орошении мобильными дождевальными установками // Мелиорация и водное хозяйство. 2011. № 3. С. 32–34.
Komissarov M. A. Soil erosion during mobile sprinklers irrigation. 2011. № 3. P. 32–34 (in Russian).
8. Мищенко А.Е. Стабильность эрозионно-опасного склона // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 5 (43). С. 17–20.
Mishchenko A.E. Stability of an erosive and dangerous slope // News of the Orenburg state agricultural university. 2013. № 5 (43). P. 17–20 (in Russian).
9. Василенков В.Ф., Мельникова Е.А. К построению модели движения жидкости в ненасыщенной почве при испарении // Достижения науки и передовой опыт в производство и учебно-воспитательный процесс: материалы межвузовской научно-практической конф. Брянск, 1995. С. 57–58.
Vasilenkov V.F., Melnikova E.A. To creation of model of flow of fluid in the nonsaturated soil at evaporation // Achievements of science and the best practices in production and teaching and educational process: materials interuniversity scientific and practical. Bryansk, 1995. P. 57–58 (in Russian).
10. Василенков В.Ф. О применении кинетических моделей в мелиорации // Пути повышения продуктивности полей и ферм: сб. тезисы докладов научной конф. Рязань, 1989. С. 113–115.
Vasilenkov V.F. About application of kinetic models in melioration // Paths of increase in efficiency of fields and farms: Sb. Theses of reports scientific. Ryazan, 1989. P. 113–115 (in Russian).
11. Василенков В.Ф., Василенков С.В., Демина О.Н., Мажайский Ю.А., Мельникова Е.А. Экологическая и экономическая оптимизация эксплуатационного режима орошения современными дождевальными машинами) // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университетаимени П.А. Костычева. 2015. № 4 (28). С. 85–93.
Vasilenkov V.F., Vasilenkov S.V., Dyomina O.N., Magaiskiy Yu.F., Melnikova E.A. Ecological and economic optimization of the operational mode of an irrigation by the modern dozhdevalny cars) // Herald of Ryazan State Agrotechnological University Named After P.A. Kostychev. 2015. № 4 (28). P. 85–93 (in Russian).

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]:

meln01.wmf (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.

melnic1.wmf

Рис. 1. Динамика склонового стока на песчаных почвогрунтах (пойма реки Сеща в Дубровском районе Брянской области)

melnic2.wmf

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 meln04.wmf, а на оси абсцисс – отрезок WСТ. Зная временной интервал ∆t, можно найти meln05.wmf [9]. Полученные данные для песчаных и глинистых почвогрунтов представлены на рис. 3.

melnic3a.wmf melnic3b.wmf

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

meln06.wmf (3)

где W∞ – максимальный склоновый сток, который может наблюдаться в результате эрозионного процесса.

meln07.wmf (4)

Продолжительность протекания процесса эрозии до полного затухания можно определить по зависимости [10, 11]:

meln08.wmf, (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

meln09.wmf (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.


Библиографическая ссылка

Мельникова Е.А., Лукашов С.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОСТУЛАТОВ ФОРМАЛЬНОЙ КИНЕТИКИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 1. – С. 99-103;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37044 (дата обращения: 21.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074