Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

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.

Статья в формате PDF

0 KB

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]:

(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.

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.

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.

Библиографическая ссылка