Почвенный институт им. В.В. Докучаева

E-mail: info@esoil.ru
Тел./Факс: +7 (495) 951-50-37
search  поиск  

Действие мелководных потоков на поверхностные горизонты чернозёма типичного различной степени смытости

О. О. Плотникова1,2, В. В. Демидов2, М. П. Лебедева1,2

1Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Россия, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2
2МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия, 119991, Москва, Ленинские горы,1

Ручейковая эрозия вносит существенный вклад в процессы деградации пахотных почв, поэтому целью работы было продолжение разработки гидравлических и статистических методов для оценки транспорта мелководными потоками почвенного материала. Для этого на примере черноземов типичных среднемощных легкосуглинистых на лёссовидных суглинках глубокопахотных несмытого, слабосмытого и среднесмытого проведена верификация уравнения транспортирующей способности водных потоков малой глубины. Образцы для исследования были отобраны в Курской области. Сопоставление полученных экспериментально и рассчитанных по уравнению значений мутности показало удовлетворительное соответствие. Средняя относительная ошибка расчетов составила по модулю 18.0%, а коэффициент корреляции – 0.89. В модельном эксперименте на большом эрозионном лотке было установлено, что средневзвешенный диаметр влекомых потоком агрегатов увеличивается с возрастанием скорости потока, а диаметр отложившихся в русле агрегатов уменьшается. Данная закономерность выявлена как при воздушно-сухом, так и при капиллярно-увлажненном исходном состоянии образцов. Установлено, что водный поток при низкой скорости (0.3915 м/с) выносит прежде всего многопорядковые и наиболее плотные прогумусированные агрегаты (в том числе копролиты), в то время как в русле откладываются обломки менее гумусированных агрегатов и отдельные минеральные зерна. Выяснено, что такие особенности характерны для обоих вариантов исходного состояния образцов. При этом отмечено, что размеры фракций вынесенных потоком агрегатов при обоих исходных состояниях образцов совпадают, то же характерно и для отложившихся в русле агрегатов.

Ключевые слова: ручейковая эрозия, мелководные потоки, транспортирующая способность, микроморфология эродированных черноземов

DOI: 10.19047/0136-1694-2018-91-85-109

Ссылки для цитирования

Плотникова О.О., Демидов В.В., Лебедева-Верба М.П. Действие мелководных потоков на поверхностные горизонты чернозема типичного различной степени смытости // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 91. С. 85-109. doi: 10.19047/0136-1694-2018-91-85-109

Plotnikova O.O., Demidov V.V., Lebedeva M.P. The impact of shallow streams on the surface horizons of typical chernozem with different erosion degree, Dokuchaev Soil Bulletin, 2018, Vol. 91, pp. 85-109. doi: 10.19047/0136-1694-2018-91-85-109

The impact of shallow streams on the surface horizons of typical chernozem with different erosion degree

O. O. Plotnikova1,2, V. V. Demidov2, M. P. Lebedeva1

1V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, Russia, 119017, Moscow, Pyzhevskii per. 7-2
2Lomonosov Moscow State University, Russia, 119991, Moscow, Leninskie Gory, 1

The rill erosion affects significantly on the processes of arable soils degradation. Therefore the aim of the work was to continue the development of hydraulic and statistical methods for assessing the transportation of soil material by shallow streams. For this purposes, we conducted the verification of shallow water flows transporting capacity equation. As an object we used typical chernozems with medium depth light clay loamy on loess like clay loams deeply tilled non-eroded, weakly eroded and medium eroded. Samples for the purposes of the study were collected in the Kursk region. The comparison of the experimental and calculated by the equation turbidity values showed a satisfactory correspondence. The average relative error of calculations contained in modulo 18.0%, and the correlation coefficient was 0.89. The model experiment on a large erosion flume, revealed that the weighted average diameter of the aggregates moved by the flow is increased as the flow velocity is also increased. However, the diameter of aggregates deposited in the bed is decreased. This regularity was revealed as with air-dry initial state of the samples and with capillary-moistened initial state. It was found that the water flow with the low speed (0.3915 m/s) first of all washes out the multi-ordered and the densiest humified aggregates (including coprolites), whereas the pieces of less humified aggregates and separate mineral grains are accumulated on the bed. We revealed that this is quite specific for both types of the initial states of the samples. It was noted that the fractions sizes of the aggregates washed out by the flow at both initial states of the samples are congruent; the same is true for aggregates deposited in the channel.

Keywords: rill erosion, shallow streams, transport capacity, micromorphology of chernozems 

Список литературы

  1. Бганцов В.Н., Мосолова А.И., Санжарова С.И., Челобянц С.А. Микроморфологические исследования влияния полимерных препаратов на структурное состояние типичного чернозема // Микроморфология антропогенно измененных почв. М.: Наука, 1988. С. 36–46.
  2. Булыгин С.Ю., Бреус Н.М., Семиноженко Т.А. К методике определения степени эродированности почв на склонах // Почвоведение. 1998. № 6. С. 714–718.
  3. Быстрицкая Т.Л., Герасимова М.И. О годовом цикле современного черноземного процесса // Почвоведение. 1988. № 6. С. 5–16.
  4. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  5. Гендугов В.М., Глазунов Г.П. О единстве механизмов водной и ветровой эрозии почвы // Почвоведение. 2009. № 5. С. 598–605.
  6. Гендугов В.М., Кузнецов М.С., Абдулханова Д.Р., Ларионов Г.А. Модель транспорта наносов склоновыми потоками // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2007. № 1. С. 35–40.
  7. Голосов В.Н., Добровольская Н.Г., Иванова Н.Н. Антропогенное влияние на верхние звенья гидросети в земледельческом центре России // Эрозия почв и русловые процессы. 1995. Вып. 10. С. 16–29.
  8. Государственный доклад “О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2011 году” [Электронный ресурс]. Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации. http://www.mnr.gov.ru/upload/iblock/a76/gosdoklad2011.pdf. 356 с.
  9. Дебольский В.К., Котков В.М. Особенности динамики дефицитных форм в поступательных потоках // Метеорология и гидрология. 1977. № 10. С. 67-71.
  10. Демидов В.В., Осанина О.О. Закономерности процессов переноса и отложения почвенного материала водными потоками малой глубины // Живые и биокосные системы. 2015. № 12. http://www.jbks.ru/archive/issue-12/article-1
  11. Доклад о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2008 году. Департамент экологической безопасности и природопользования Курской области. Курск: ООО “Мечта”, 2009. 176 с.
  12. Железняков Г.В. Гидрологические и гидравлические аспекты проблемы взаимодействия потоков основного русла и поймы // Тр. V Всес. гидрол. съезда. Т. 10. Кн. 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. С. 203–209.
  13. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 288 с.
  14. Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов. Л.: Гидрометеоизда, 1977. 272 с.
  15. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 224 с.
  16. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв. М., 2004. 352 с.
  17. Медведев В.В. Состав и строение макро- и микроагрегатов некоторых почв Украины // Почва, плодородие, урожай. Минск, 1968. С. 323–327.
  18. Поляков А.Н. Микроморфологическое и морфометрическое исследование южных черноземов европейской части СССР // Биологические науки. 1979. № 3 (183). С. 76–85.
  19. Поляков А.Н. Микроморфология черноземов Заволжско-Предуральской лесостепи // Биологические науки. 1981. № 5 (209). С. 90–97.
  20. Поляков А.Н., Ярилова Е. А., Кизяков Ю. Е. Микроморфологическое исследование и морфометрия карбонатных черноземов Предкавказья // Почвоведение. 1972. № 11. С. 91–100.
  21. Поляков А.Н., Ярилова Е. А., Кизяков Ю. Е. Микроморфология и морфометрия карбонатных черноземов Предкавказья // Тез. докл. IV Всесоюзного делегатского съезда почвоведов. Кн. 3. Алма-Ата, 1970. С. 233–234.
  22. Разумихина К.В. Вопросы применимости методов расчета транспорта наносов к речным потокам // Тр. ГГИ. Вып. 132. 1966. С. 18-45.
  23. Санжарова С.И., Бганцев В.Н., Скворцова Е.Б. Структурное состояние чернозема типичного разной длительности сельскохозяйственного использования // Микроморфология антропогенно измененных почв. М.: Наука, 1988. С. 64–74.
  24. Свиридов В.И., Петренко Н.Н., Свиридова О.В. Оптимизация структуры сельскохозяйственного производства в зонах преобладания основных типов почв Курской области // Модели автоматизированного проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Курск, 2010. С. 266–269.
  25. Чекулаев Г.С. О показателях устойчивости русел каналов оросительных систем // Вопросы гидротехники. Вып. 1. Ташкент: АН УзССР, 1955. С. 61–75.
  26. Чижикова Н.П., Лебедева (Верба) М.П., Лебедев М.А. Минералогический состав и микростроение почв аккумулятивно-денудационного ландшафта северной части лесостепи и сносимого при эрозии материала // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2010. Вып. 65. С. 36–47.
  27. Эрозионные процессы / Под ред. Маккавеева Н.И., Чалова Р.С. М.: Мысль, 1984. 255 с.
  28. Free G.R. Erosion Characteristics of Rainfall // Agricultural Engineering. 1960. V. 41. № 7. P. 447– 449.
  29. Haimann M., Liedermann M., Lalk P., Habersack H. An integrated suspended sediment transport monitoring and analysis concept // Int. J. Sediment Res. 2014. V. 29. № 2. Р. 135–148.
  30. Ghoshal K., Pal D. Grain-size distribution in suspension over a sand-gravel bed in open channel flow // Int. J. Sediment Res. 2014. . V. 29. № 2. pp. 184–194.
  31. Pal D., Ghoshal K. Mathematical model on grain-size distribution in suspension over sand-gravel bed // J. Hydrology. 2014. V. 511. P. 640–647.
  32. Pu J.H., Hussain K., Shao S.-d., Huang Y.-f. Shallow sediment transport flow computation using time-varying sediment adaptation length // Int. J. Sediment Res. 2014. V. 29. № 2. P. 171–183.
  33. Tsai C.W., Man C., Oh J. Stochastic particle based models for suspended particle movement in surface flows // Int. J. Sediment Res. 2014. V. 29. № 2. P. 195–207.

REFERENCES

  1. Bgantsov V.N., Mosolova A.I., Sanzharova S.I., Chelobyants S.A. Mikromorfologicheskie issledovaniya vliyaniya polimernykh preparatov na strukturnoe sostoyanie tipichnogo chernozema, Mikromorfologiya antropogenno izmenennykh pochv. Moscow, Nauka Publ., 1988, pp. 36–46. (in Russian)
  2. Bulygin S.Yu., Breus N.M., Seminozhenko T.A. A procedure for Determining the Erosion Degree of Sloping Soils on Slopes, Pochvovedenie, 1998, No. 6, pp. 714–718. (in Russian)
  3. Bystritskaya T.L., Gerasimova M.I. On the annual cycle of modern chernozemig process, Pochvovedenie, 1988, No. 6, pp. 5–16. (in Russian)
  4. Vadyunina A.F., Korchagina Z.A. Methods for studying physical properties of soils, Moscow, Agropromizdat Publ., 1986, 416 p. (in Russian)
  5. Gendugov V.M., Glazunov G.P. On the unity of the mechanisms of water and wind erosion, Pochvovedenie, 2009, No. 5, pp. 598–605. (in Russian)
  6. Gendugov V.M., Kuznetsov M.S., Abdulkhanova D.R., Larionov G.A. Model of transport capacity of slope flows, Vestn. Mosk. un-ta, Ser. 17, Pochvovedenie, 2007, No. 1, pp. 35–40. (in Russian)
  7. Golosov V.N., Dobrovol'skaya N.G., Ivanova N.N. Anthropogenic impact on the upper links of the hydroset in the agricultural center of Russia, Eroziya pochv i ruslovye protsessy, 1995, V. 10, pp. 16-29. (in Russian)
  8. State report "On the state and protection of the environment of the Russian Federation in 2011" [Electronic resource]. Ministry of Natural Resources and Ecology of the Russian Federation. 356 p. http://www.mnr.gov.ru/upload/iblock/a76/gosdoklad2011.pdf. (in Russian)
  9. Debol'skii V.K., Kotkov V.M. Features of the dynamics of scarce forms in translational flows, Meteorologiya i gidrologiya, 1977, No. 10, pp. 67-71. (in Russian)
  10. Demidov V.V., Osanina O.O. Regularities in the processes of transport and deposition of soil material by shallow water flows, Zhivye i biokosnye sistemy, 2015, No. 12; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-12/article-1. (in Russian)
  11. Report on the state and protection of the environment in the territory of the Kursk region in 2008, Department of Environmental Safety and Nature Management Kursk region, Kursk, OOO "Dream" Publ., 2009, 176 p. (in Russian)
  12. Zheleznyakov G.V. Hydrological and Hydraulic Aspects of the Problem of the Interaction of Flows of the Main Channel and the Floodplain, Proceedings of the 5th All-Union Hydrological Congress, V. 10 (2), Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1988, pp. 203-209. (in Russian)
  13. Karasev I.F. Channel processes during diversion of run-off, Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1975, 288 p. (in Russian)
  14. Karaushev A.V. Theory and methods of calculating river sediments. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1977. 272 p. (in Russian)
  15. Classification and diagnostics of soils of the USSR, Moscow, Kolos Publ., 1977. 224 p. (in Russian)
  16. Kuznetsov M.S., Glazunov G.P. Erosion and soil protection: Uchebnik, Moscow, 2004, 352 p. (in Russian)
  17. Medvedev V.V. Composition and structure of macro- and microaggregates of some soils in Ukraine, Pochva, plodorodie, urozhai, Minsk, 1968, pp. 323–327. (in Russian)
  18. Polyakov A.N. Micromorphological and morphometrical research in the south chernozems in the european part of the USSR, Biologicheskie nauki, 1979, No. 3 (183), pp. 76–85. (in Russian)
  19. Polyakov A.N. Micromorphology of chernozems of Zavolzhsko-Preduralskaya wooded steppe, Biologicheskie nauki, 1981, No. 5 (209), pp. 90–97. (in Russian)
  20. Polyakov A.N., Yarilova E. A., Kizyakov Yu. E. Micromorphological investigations and morphology of Ciscaucasian calcareous chernozems, Pochvovedenie, 1972, No. 11, pp. 91–100. (in Russian)
  21. Polyakov A.N., Yarilova EA., Kizyakov Yu. E. Micromorphological Investigations and Morphology of Ciscaucasian Calcareous Chernozems, Abstracts of the IV All-Union Delegate Congress of Soil Scientists, book 3. Alma-Ata, 1970, pp.233–234. (in Russian)
  22. Razumikhina K.V. Questions of the applicability of methods for calculating sediment transport to river flows, Proceedings of State Hydrological Institute, 1966, V. 132, pp.18-45. (in Russian)
  23. Sanzharova S.I., Bgantsev V.N., Skvortsova E.B. Structural state of chernozem typical of different durations of agricultural use, Micromorphology of anthropogenically altered soils, Moscow, Nauka Publ., 1988, pp.64–74. (in Russian)
  24. Sviridov V.I., Petrenko N.N., Sviridova O.V. Optimization of the structure of agricultural production in zones of predominance of the main types of soils in the Kursk Region, Models of computer-aided design of adaptive-landscape systems of agriculture, Kursk, 2010, pp. 266–269. (in Russian)
  25. Chekulaev G.S. About indicators of stability of canal beds of irrigation systems, Voprosy gidrotekhniki, 1955, V. 1, pp.61-75. (in Russian)
  26. Chizhikova N.P., Lebedeva (Verba) M.P., Lebedev M.A. Mineralogical composition and microstructure of soils in accumulative-denudation landscape of the northern part of the forest-steppe and demolished material during erosion, Dokuchaev Soil Bulletin, 2010, V. 65, pp. 36–47. (in Russian)
  27. Erosion processes, Ed. Makkaveev N.I., Chalov R.S, Moscow, Mysl' Publ., 1984. 255 p. (in Russian)
  28. Free G.R. Erosion Characteristics of Rainfall, Agricultural Engineering, 1960, V. 41 (7), pp. 447–449.
  29. Haimann M., Liedermann M., Lalk P., Habersack H. An integrated suspended sediment transport monitoring and analysis concept, Int. J. Sediment Res., 2014, V. 29 (2), pp. 135–148.
  30. Ghoshal K., Pal D. Grain-size distribution in suspension over a sand-gravel bed in open channel flow, Int. J. Sediment Res., V. 29, No. 2, 2014, pp. 184–194.
  31. Pal D., Ghoshal K. Mathematical model on grain-size distribution in suspension over sand-gravel bed, Journal of Hydrology, V. 511, 2014, pp. 640–647.
  32. Pu J.H., Hussain K., Shao S.-d., Huang Y.-f. Shallow sediment transport flow computation using time-varying sediment adaptation length. Int. J. Sediment Res. 2014, V. 29, No. 2, pp. 171–183.
  33. Tsai C.W., Man C., Oh J. Stochastic particle based models for suspended particle movement in surface flows. Int. J. Sediment Res., 2014, V. 29, No. 2, pp. 195–207.