Защита почв от эрозиии

садковых дождевателей выделяются струйные, дефлекторные, и

центробежные.

Капельные дождеватели обеспечивают равномерный, но однородный крупнокапельный дождь. Для уменьшения диаметра капель используется дополнительное дробление крупных капель (струй) на специальной сетке. Это позволяет получить необходимую интенсивность при малом количестве каплеобразователей.

Дождь, создаваемый насадковыми дождевателями, характеризуется широким спектральным составом капель и высокой интенсивностью. Недостаток установок этого типа – неравномерность распределения по площади и несоответствие спектрального состава интенсивности дождя. Кроме того, скорость падения капель меньше скорости падения капель естественного дождя. Для снижения интенсивности дождевание делают прерывистым. Это достигается расположением насадок на передвигающихся вдоль площадки тележках, импульсной подачей воды к насадкам, использованием специальных дисков с отверстиями, установленных над насадками. Для увеличения скорости падения капель насадки направляют вниз (сообщают каплям дополнительную начальную скорость). Чтобы получить нужный спектральный состав, используют насадки большого диаметра (до 3 мм). Это приводит к увеличению интенсивности дождевания.

Наибольшее распространение в последнее время при проведении экспериментальных исследований по изучению эрозии в лабораторных условиях и на малых полевых площадках получили струйные насадки. Требуемый спектральный состав капель и высокая равномерность обеспечиваются чередованием групп насадок разного типа (например, струйные и дефлекторные) и диаметра, а также гидропульсацией или вибрацией в одной или двух плоскостях.

На больших стоковых площадках для создания искусственного дождя используются в основном насадки дефлекторного типа. Насадки такого типа при достаточно большом радиусе действия (5-8 мм) обеспечивают дождь высокой интенсивности при высокой равномерности распределения его по площади. Использование дополнительных стояков к насадкам позволяет увеличить высоту падения капель и улучшить тем самым энергетические характе-

189

ристики дождя, а более частое расположение насадок – повысить равномерность распределения.

В Одесском гидрометеорологическом институте в конце 50-х годов было создано несколько типов дождевальных установок. В 1959 г. с ними познакомилась группа сотрудников Молдавского института почвоведения и агрохимии им. Н.А. Димо. В.М. Сахаров (1961) разработал чертежи одной установки, дал ее описание. Под его руководством был изготовлен первый, несколько модернизированный ее образец, который получил название ЭДУ-60

– экспериментальная дождевальная установка образца 1960 г. Впоследствии эта установка В.М. Сахаровым несколько раз модернизировалась.

При помощи установки в отделе защиты почв от эрозии Молдавского института почвоведения и агрохимии им. Н. А. Димо автором книги и его сотрудниками были проведены многочисленные исследования по изучению эрозии в связи с изменением физических свойств почв, под разными сельскохозяйственными культурами, при различных уклонах, на почвах разной степени эродированности, при различном слое и интенсивности осадков и т. д. Этой установкой пользуются исследователи во многих республиках при изучении широкого круга вопросов. Впоследствии В.М. Сахаров модернизировал установку. Был создан вариант УСДУ-67 – универсальная стоководождевальная установка (рисунок 13). Она позволяет создавать искусственный дождь в диапазоне от моросящего дождя до очень интенсивного ливня со слоем осадков от 5 до 250 мм. В зависи-

мости от цели исследования площадь дождевания варьирует от

1 до 10 м2.

В проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов Московского университета С.Ф. Красновым, Г. А. Ларионовым и В. Н. Петровым был сконструирован и изготовлен агрегат для изучения эрозии при дожде (Краснов, 1980). В состав агрегата входит дождевальная установка, блок управления, блок питания (электростанция мощностью 1 кВт), емкость для воды объемом 1 м3, электронасос, шланги, приемные лотки и ограждения для площадки. Емкость для воды, электростанция, насос установлены на одноосном автомобильном прицепе. Дождевальная установка характеризуется следующими параметрами:

190

тип насадок – струйно-импульсный, площадь дождевания – 1,5 м2 (0,7 X Х2,14), диаметр капель и скорость их падения регулируются в соответствии с заданными параметрами дождя. Интенсивность дождя может колебаться от 0,3 до 6 мм/мин.

Рис.13. Схема усовершенствованной дождевальной установки УСДУ-67

Интенсивность дождя и спектр капель регулируются изменением времени работы струйчатых насадок с тремя различными выходными отверстиями. Основные преимущества дождевальной установки перед аналогичными отечественными и зарубежными конструкциями заключаются в возможности регулирования скорости падения капель путем изменения давления воды при любой заданной интенсивности в вышеуказанных пределах, в изменении интенсивности дождя непосредственно в процессе эксперимента, в получении различного спектра капель в дожде. Все это дает возможность получать искусственные дожди с характеристиками, максимально приближенными к естественным осадкам.

С помощью дождевальной установки в Проблемной лаборатории, в частности, изучалось влияние дождевых капель на эрозию. Было показано, что защита поверхности почвы от уда-

191

ров капель иногда в 10–20 раз снижает мутность потока. Дождевые капли не только отрывают частицы почвы, но и увеличивают транспортирующую способность потоков, возбуждая в них добавочную турбулентность.

Рис.14 . Размещение дождевального крыла, насосно-силового и вспомогательного оборудования на стоковой площадке с искусственным дождеванием:

1 – водозабор; 2 – насосная станция, 5 – холостая часть напорного трубопровода, 4 – водомерный ящик, 5 – водонаправляющие стенки стоковой площадки, 6 – дождевальные насадки КДУ, 7 – граница учетного участка

Ударные «волны» от капель дождя, возникающие в мелководных потеках, увеличивают также способность потоков транспортировать частицы во влекомом состоянии. Это один из примеров использования дождевальной установки для изу-

чения механизма эрозии.

В другом эксперименте, используя описанную дождевальную установку в варианте с подтоком воды, изучали влияние длины линии тока на проявление эрозии в зависимости от энергетических характеристик дождевых осадков (рис. 14).

На малых дождевальных установках при исследовании влияния ряда факторов на эрозию почв получаются весьма относительные величины, так как при большой длине линии тока абсолютные значения стока и смыва почвы будут другими. Кроме того, на таких площадках нельзя изучать:

–влияние длины склона на эрозию;

–противоэрозионную эффективность буферных паров;

–полосного земледелия;

192

– чересполосного освоения склонов и многих других противоэрозионных мероприятий.

В. В. Сластихин показал, что короткоструйными дождевальными установками КДУ-41 и КДУ-55 можно обеспечить одновременное покрытие дождем вытянутой вдоль склона прямоугольной стоковой площадки длиной 120 и шириной 10 м. Боковыми границами стоковой площадки могут быть небольшие земляные валики или невысокие (10-15 см) съемные стенки.

Развивая исследования В. В. Сластихина и других авторов, применявших для изучения эрозии установки КДУ-41 и КДУ55, В. С. Федотов создал агрегат искусственного дождевания – АИДа (рис. 15) для изучения эрозии и выявления количественных показателей эффективности различных противоэрозионных мероприятий. Этот агрегат позволяет проводить разнообразные исследования эрозионных процессов на стоковых площадках размером от 100 до 1200 м2.

Рис. 15. Агрегат искусственного дождевания (АИДа), разработанный В. С. Федотовым

Агрегат состоит из автомашины ПМ-20 (поливомоечная машина), двух автоприцепов У-2-АП-3 для перевозки КДУ-55 и лабораторного оборудования. Автомашина ПМ-20 в экспедиционных условиях использовалась в разных целях: как тягач для двухосного автоприцепа с передвижной лабораторией; как насосная станция для подачи воды из водоема и создания рабочего напора в трубах КДУ-55; как автоцистерна для подвозки воды (5 т) к стоковым площадкам, удаленным от водоема, и для создания напора при дождевании и подтоке с забором воды непосредственно из цистерны автомашины. Для устранения излишков напора на нижних дождевальных насадках были изготовлены вкладыши-шайбы, уменьшающие диаметр выходных отверстий насадок от 13 до 4 мм. В зависимости от диаметра отверстий насадок изменяется интенсивность дождя и дальность полета

193

капель, поэтому при устройстве стоковых площадок на склонах разной крутизны подбирали диаметр насадок так, чтобы все они давали смоченную площадь диаметром 10 мм. В этом случае интенсивность дождя каждой насадки также однозначна. Была разработана и создана в натуре многослойная дождевальная насадка с регулируемой интенсивностью дождевания в пределах от 0,2 до 8,0 мм/мин.

С помощью АИДы в отделе защиты почв от эрозии Молдавского института почвоведения и агрохимии им. Н. А. Димо изучали влияние крутизны и длины склонов на сток и эрозию, проявление эрозии под различными культурами в разные фазы их развития и другие вопросы.

В.С. Федотов разработал несколько модификаций АИДы. Так, для проведения исследований на площадках, далеко расположенных от водоема, создана экспериментальная короткоструйная дождевальная установка ЭКДУ. Все рабочие части ее выполнены по типу КДУ-55 м, только в уменьшенных размерах. Дождевальная установка также работает от цистерны ПМ-20 с объемом воды 5 м3. Распыление воды по стоковой площадке осуществляется дефлекторными насадками КДУ-55 м с уменьшенными (с помо-

щью вкладышей) входными отверстиями. Рис. 16 . Схема оборудования

Вся установка имеет 9 дефлекторных на- стоковой площадки для изу- садок, которые со взаимным перекрытием чения водопоглощающей и

кольматирующей способности

орошают стоковую площадку размером лесополос

20X5 м.

Изучение водопоглощающей и кольматирующей способности лесных полос В. С. Федотовым проводилось при искусственном создании подтока воды, содержащей твердый сток (рис. 16). В лесополосе, расположенной на склоне, выбирали площадку, подлежащую изучению. Длинные стороны площадки размещали параллельно линии тока. Стоковую площадку по бокам

194

ограничивали железными щитками, а в нижней ее части устанавливали стокоприемное оборудование. В верхней части стокоприемной площадки устанавливали лоток-смеситель и специально разработанный щелевой водовыпуск, назначение которого – равномерно распределять воду по всей ширине стоковой площадки. Чтобы имитировать жидкий и твердый сток с поля, вода из цистерны автомашины ПМ-20 под небольшим напором (331 кПа) подавалась в лоток-смеситель. В этот же смеситель через каждые 2 мин (в зависимости от заданных условий опыта) высыпалось ведро почвы (15 кг). Струя воды из брандспойта размывала почву в лотке-смесителе, образуя сток с мутностью 45 г/л; сток через порог лотка-смесителя поступал в щелевой водопуск. Отсюда он равномерно по всей ширине выливался в верхней части площадки. После прохождения через опытную лесополосу сток учитывался объемным методом. При больших расходах стока применялся лоток-делитель, который давал возможность учитывать 1/10 часть объема стока. По разнице в жидком и твердом стоке до поступления в лесополосу и после ее прохождения определялись кольматирующая и водопоглощающая способности лесополосы.

В Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте изучение эрозии проводится искусственным дождеванием с напуском водного потока на площадку размером 3,0X1,5 м. Площадки разборные. Они состоят из металлических полос высотой 20 см. Дождевание осуществляется опрыскивателем ОВТ-1 с измененной конструкцией основных узлов. Была изготовлена квадратная дождевальная рама с изменяющимся углом струек, установленная с помощью шарниров на треноге. При помощи шлангов и труб она подключается к насосуопрыскивателю. Приспособление для напуска водного потока на стоковые площадки состоит из труб диаметром 3 дюйма (7,6 см), длиной 1,5 м с заваренными торцами. В трубе просверлены два ряда отверстий диаметром 2 мм. С противоположной стороны приварена горловина с краном. Труба подключается через шланги и трубы к емкости с водой.

Имеются исследования, которые показали, что при высоте падения капель более 7 м скорость падения остается почти постоянной и ударная сила дождя зависит уже только от диаметра

195

капель.

В. С. Федотов для изучения водопроницаемости, противоэрозионной устойчивости почв и ряда других вопросов создал разборные удлинители из стальных труб и поднял насадку на высоту 7,5 м. В зависимости от целей эксперимента подбиралось место для стоковой площадки. Дождевальная насадка навинчивалась на удлинитель, устанавливалась в центре площадки, поднималась на высоту 7,5 м и закреплялась тремя тросовыми растяжками. С помощью брезентового пожарного шланга насадка присоединялась к цистерне автомашины ПМ-20 и проводилось дождевание под давлением 151,4 кПа. При этом давлении радиус смоченной поверхности стоковой площади составлял 6 м, площадь 113 м2. Нижняя часть стоковой площадки ограничивалась по смоченному периметру полосами железа (70X20 см), которые отводили не впитавшуюся воду к направляющему лотку и лоткуделителю для учета.

Описанным методом в Молдавии X. П. Богданов проводил изучение водопроницаемости и противоэрозионной устойчивости почв разных генетических типов при разной степени эродированности.

В. М. Володиным и Г. А. Дмитриевой (1979) описана установка, позволяющая моделировать ливневые осадки одновременно на пяти больших стоковых площадках. Установка дает возможность изменять длину орошаемой части, интенсивность дождя, давление в системе, вводить в эксперимент или выводить из эксперимента одну или несколько стоковых площадок. Проведение такого эксперимента в 1978 г. позволило авторам исследовать влияние на эрозию интенсивности и продолжительности дождевания, исходной влажности почв, длины площадки.

Изучение ирригационной эрозии. В нашей стране про-

водятся работы по расширению орошаемых площадей. В связи с этим уделяется всевозрастающее внимание изучению ирригационной эрозии, возникающей при дождевании.

Для определения эрозионно-допустимых поливных норм часто применяют метод микроплощадок, разработанный во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А. А. Костякова. Основу его составляет визуальная фиксация момента поверхностного водообразования вблизи

196

каждого из расставленных в зоне полива дождемеров. Этот метод позволяет без нарушения сложившегося состояния поверхностного слоя почвы получать в однородных почвенных и агротехнических условиях достаточное количество точек для статистической оценки параметров устанавливаемых зависимостей эрозион- но-допустимых норм от энергетических характеристик искусственного дождя.

Для изучения ирригационной эрозии, наблюдающейся при поливе дождевальными агрегатами, Г. К. Горчичко проводил в Молдавии исследования количественных показателей эрозии при поливах переносными дождевальными установками с дефлекторными насадками на площадках 100–150 м2 (рис.17).

Рис. 17. Применение агрегата искусственного дождевания для изучения противоэрозионной устойчивости почв

В опытах с использованием среднеструйных аппаратов размер площадок достигал 500-800 м2. Ширину их в этих случаях определяло расстояние между двумя смежными, перекрывающими друг друга аппаратами. Верхняя и нижняя границы площадок проходили параллельно трубопроводу в месте начала перекрытия факелов дождя, боковые – перпендикулярно рабочему крылу по центрам смежных аппаратов. При поливах дальнеструйными машинами типа ДДН на одной позиции разбивали по две площадки размером 1200-1600 м2 (ширина 20 м, длина 60-80 м).

197

Размещение прямоугольных площадок в левой и правой частях круга позволило выявить условия формирования стока и предложить новый способ полива данными машинами, ослабляющий или сводящий к минимуму эрозию. Во всех случаях стоковые площадки оконтуривали полосами железа размером 200X20 см при толщине 2 мм. На одном из концов полосы приварена пластина, образующая паз, для быстрого и надежного соединения полос при монтаже площадок.

Как показали исследования В. В. Сластихина, В. О. Гаврилица, у большинства типов дождевальных установок крупность капель, плотность, мгновенная интенсивность и кинетическая энергия капель сильно изменяются по мере удаления от оси дождевателя. Это приводит к образованию при орошении полос, имеющих различную устойчивость почв к смыву и различную стокообразующую способность. При эксплуатации дождевального оборудования на полях образуются специфические микроуглубления, по которым и происходит сброс воды. Установлено, что более половины всей дождевальной техники имеет крупнокапельные насадки и высокую мгновенную интенсивность. Такие насадки вызывают разрушение агрегатов в поверхностном слое почвы, перемещают почвенные частицы под действием ударов капель, стимулируют уплотнение и кольматацию почв, что существенно снижает ее инфильтрационную способность. В порядке возрастания эрозионноопасных показателей искусственных осадков дождевальные машины авторами расположены в следующем порядке: ДШ-25/300, КДУ-55М, «Фрегат», ДДА-ЮОМ, «Волжанка», УДС-25, КИ-50, «Сигма», «Днепр», ДА-2, ПУК-3, ДДН-70,

ДДН-100.

Существующие методы исследования смыва почвы при бороздковом поливе (водосливы, ловушки для донных наносов, расходомеры, лотки) имеют ряд недостатков. Одни из них создают подпор и вызывают аккумуляцию в верхнем бьефе и интенсивный размыв в нижнем, другие служат препятствием для размыва дна борозды. В проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов Московского университета разработан новый метод, позволяющий изучать динамику стока и смыва по длине борозды.

При помощи специального лотка со скошенным входным

198