СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЧВОЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА СКЛОНОВЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ
DOI 10.12737/2073-0462-2023-111-116 УДК 631.4
Ключевые слова:
эрозионная устойчивость почв, капиллярные волны, склоновые агроландшафты.Аннотация
Основная цель исследований – уточнение значений эрозионной стойкости почв. Существующие методы оценки эрозионной стойкости почв предусматривают изучение кинетической и потенциальной энергии водного потока. Уменьшение полной энергии в процессе течения по руслу связано с работой водного потока по разрушению и смыву почвы. Однако при этом не учитывается энергия капиллярных волн, существующих на поверхности воды при ламинарном течении. Их частота обычно такова, что волны не различимы невооруженным глазом и поэтому не учитываются, хотя энергия таких волн по величине сравнима с энергией потока. Необходимость уточнения эрозионной стойкости связана с возможностью оценить и учесть их энергию. Для этого разработана методика учета и оценки вклада энергии капиллярных волн в общую энергию микропотока воды, оказывающего разрушающее и размывающее воздействие на почву склонового агроландшафта. Методика основана на разработанной математической модели, которая позволила получить выражение для определения отношения энергии капиллярных волн, образующихся на поверхности водного потока, к кинетической энергии водного потока Для экспериментального исследования процесса развития капиллярных волн на гладких и шероховатых поверхностях и определения режимных параметров была создана установка в виде лотка прямоугольного сечения с регулируемым углом наклона и интенсивности подачи воды, а также со сменными рабочими поверхностями. Геометрию микропотока и форму его поверхности определяли по результатам видеосъемки и показаниям лазерного дальномера. В исследуемом диапазоне скоростей волны от 0,28 до 0,46 м/с, длины волны – от 2,8 до 9,7 мм, глубины потока – от 0,7 до 3,1 мм численная оценка зависимости энергии капиллярных волн от кинетической энергии водного потока впервые выявила значительный (до 40…60%) вклад капиллярных волн, образующихся на поверхности микропотоков, к полной энергии водного потока.
Литература
1. Boardman J., Poesen J., Evans M. Slopes: Soil erosion // Geological Society London Memoirs. 2022. Vol. 58 (1). P. 241–255. doi:10.1144/M58-2021-4
2. Лурье И.К., Лурье М.В. Моделирование 3D-изменений рельефа местности вследствие склоновой эрозии // Геодезия и картография. 2023. Т. 84. № 3. С. 35–42. doi: 10.22389/0016-7126-2023-993-3-35-42
3. Кашутина Е.А., Ясинский С.В., Коронкевич Н.И. Весенний поверхностный склоновый сток на Русской равнине в годы различной водности // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2020. № 1. С. 37–46. doi: 10.31857/S2587556620010100
4. Pan C.Z., Shangguan Z.P. Experimental study on influence of rainfall and slope gradient on overland shallow flow hydraulics // Journal of Basic Science and Engineering. 2009. Vol. 17(6). P. 843–851. doi: 10.3969/j.issn. 1005-0930.2009.06.004
5. Physical modelling of hydraulic erosion rates on loess slopes / H. Zheng, X.-A. Li, Y.-H. Deng, et al. // Water. 2022. Vol. 14(9). P. 1344. doi: 10.3390/w14091344
Part
6. Chuchkalov S., Mikhailov B., Lvova M. and Alekseev V. Formation conditions and parameters of mini-landslides on agricultural slope landscapes // EBWFF 2023 - International Scientific Conference EBWFF. 2023. Vol. 1. 03014. URL: https://www.e3s-conferences.org/articles/e3sconf/abs/2023/57/e3sconf_ebwff2023_03014/e3sconf_ebwff2023_03014.html (дата обращения: 15.08.2023). doi: 10.1051/e3sconf/202342003014
7. Чалов Р.С., Рулёва С.Н., Михайлова Н.М. Оценка морфодинамической сложности русла большой реки при планировании водохозяйственных мероприятий (на примере Оби) // География и природные ресурсы. 2016. № 1. С. 29–37.
8. Сысуев В.А., Максимов И.И., Алексеев В.В., Максимов В.И. Получение основной гидрофизической характеристики почв на основе трехмерных моделей // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2013. № 5. C. 63‑66.
9. Development of a criteria-based approach to agroecological assessment of slope agrolandscapes / V. Alekseev, V. Maksimov, S. Chuchkalov, et al. // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. Vol. 6 (10(96)). P. 28–34. doi: 10.15587/1729-4061.2018.148623
10. Formation and coarsening of roll-waves in shear shallow water flows down an inclined rectangular channel / K.A. Ivanova, S.L. Gavrilyuk, B. Nkonga, et al. // Computers and Fluids. 2017. Vol. 159. P. 189–203. doi: 10.1016/j.compfluid.2017.10.004
11. Response of roll wave to suspended load and hydraulics of overland flow on steep slope / C. Zhao, J. Gao, M. Zhang, et al. // Catena. 2015. Vol. 133. P. 394–402. doi: 10.1016/j.catena.2015.06.010
12. Capillary wave method: an alternative approach to wave excitation and to wave profile reconstruction / A. Shmyrov, A. Mizev, A. Shmyrova, et al. // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31(1). P. 012101. doi: 10.1063/1.5060666
13. Slavchov R.I., Peychev B., Said I. A. Characterization of capillary waves: a review and a new optical method. // Physics of Fluids. 2021. Vol. 33(10). P. 101303. URL: https://qmro.qmul.ac.uk/ xmlui/bitstream/123456789/74320/2/Ismail%20Characterization%20of%20capillary%202021%20Accepted.pdf (дата обращения: 15.08.2023). doi: 10.1063/5.0066759
14. Bidirectional energy cascade in surface capillary waves / L.V. Abdurakhimov, A.A. Levchenko, I.A. Remizov, et al. // Physical Review E. 2015. Vol. 91(2). P. 023021. URL: https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.91.023021 (дата обращения: 15.08.2023). doi: 10.1103/PhysRevE.91.023021
15. Tobisch E., Kartashov A. Energy spectra of ensemble of nonlinear capillary waves on a fluid // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9. P. 1422. URL: https://mdpi-res.com/d_attachment/jmse/jmse-09-01422/article_deploy/jmse-09-01422.pdf (дата обращения: 15.08.2023). doi: 10.3390/jmse9121422
16. Deike L., Berhanu E., Falcon E. Energy flux measurement from the dissipated energy in capillary wave turbulence // Physical Review E. 2014. Vol. 89(2). P. 023003. URL: https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.89.023003 (дата обращения: 15.08.2023). doi: 10.1103/PhysRevE.89.023003
17. Effect of synthetic detergents on soil erosion resistance / S. Chuchkalov, I. Fadeev, V. Alekseev, et al. // KnE Life Sciences. 2020. Vol. 5(1). P. 489–496. doi: 10.18502/kls.v5i1.6113
18. Struff J.W. The Theory of Sound. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. Vol. 2. P.318
19. Противоэрозионная мелиорация в Республике Татарстан / М. М. Хисматуллин, А. Р. Валиев, М. М. Хисматуллин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2022. – Т. 17, № 2 (66). – С. 47-54. – DOI 10.12737/2073-0462-2022-45-52.
20. Совершенствование методологии оценки последствий эрозии почвы в полевых экспериментах / Ю. П. Сухановский, А. В. Прущик, В. А. Вытовтов [и др.] // Достижения науки и техники АПК. – 2022. – Т. 36, № 8. – С. 44-48. – DOI 10.53859/02352451_2022_36_8_44.
1. Boardman J, Poesen J, Evans M. Slopes: soil erosion. Geological Society London Memoirs. 2022; Vol. 58(1). 241-255 p. doi:10.1144/M58-2021-4
2. Lur'e IK, Lur'e MV. [Modeling of 3D changes in terrain due to slope erosion]. Geodeziya i kartografiya. 2023; Vol.84. 3. 35-42 p. doi: 10.22389/0016-7126-2023-993-3-35-42
3. Kashutina EA, Yasinskii SV, Koronkevich NI. [Spring surface slope runoff on the Russian Plain in years of different water content]. Izvestiya Rossiiskoy akademii nauk. Seriya geograficheskaya. 2020; 1. 37-46 p. doi: 10.31857/S2587556620010100
4. Pan CZ, Shangguan ZP. Experimental study on influence of rainfall and slope gradient on overland shallow flow hydraulics. Journal of Basic Science and Engineering. 2009; Vol.17(6). 843-851 p. doi: 10.3969/j.issn.1005-0930.2009.06.004
5. Zheng H, Li XA, Deng YH. Physical modelling of hydraulic erosion rates on loess slopes. Water. 2022; Vol.14(9). 1344 p. doi: 10.3390/w14091344
6. Chuchkalov S, Mikhaylov B, Lvova M, Alekseev V. Formation conditions and parameters of mini-landslides on agricultural slope landscapes. [Internet]. EBWFF 2023 - International Scientific Conference EBWFF. 2023; Vol.420. Part 1. 03014 p. [cited 2023, August 15]. Available from: https://www.e3s-conferences.org/articles/e3sconf/abs/2023/57/e3sconf_ebwff2023_03014/e3sconf_ebwff2023_03014.html. doi: 10.1051/e3sconf/202342003014
7. Chalov RS, Ruleva SN, Mikhaylova NM. [Assessment of the morphodynamic complexity of a large river bed when planning water management measures (using the example of the Ob)]. Geografiya i prirodnye resursy. 2016; 1. 29-37 p.
8. Sysuev VA, Maksimov II, Alekseev VV, Maksimov VI. [Obtaining the basic hydrophysical characteristics of soils based on three-dimensional models]. Doklady Rossiiskoy akademii sel'skokhozyaistvennykh nauk. 2013; 5. 63‑66 p.
9. Alekseev V, Maksimov V, Chuchkalov S. Development of a criteria-based approach to agroecological assessment of slope agrolandscapes. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018; Vol.6 10(96). 28-34 p. doi: 10.15587/1729-4061.2018.148623
10. Ivanova KA, Gavrilyuk SL, Nkonga B. Formation and coarsening of roll-waves in shear shallow water flows down an inclined rectangular channel. Computers and fluids. 2017; Vol.159. 189-203 p. doi: 10.1016/j.compfluid.2017.10.004
11. Zhao C, Gao J, Zhang M. Response of roll wave to suspended load and hydraulics of overland flow on steep slope. Catena. 2015; Vol.133. 394-402 p. doi: 10.1016/j.catena.2015.06.010
12. Shmyrov A, Mizev A, Shmyrova A. Capillary wave method: an alternative approach to wave excitation and to wave profile reconstruction. [Internet]. Physics of Fluids. 2019; Vol.31(1). 012101 p. doi: 10.1063/1.5060666
13. Slavchov RI, Peychev B., Said I. A. Characterization of capillary waves: a review and a new optical method. [Internet]. Physics of Fluids. 2021; Vol.33(10). 101303 p. [cited 2023, August 15]. Available from: https://qmro.qmul.ac.uk/ xmlui/bitstream/123456789/74320/2/Ismail%20Characterization%20of%20capillary%202021%20Accepted.pdf. doi: 10.1063/5.0066759
14. Abdurakhimov LV, Levchenko AA, Remizov IA. Bidirectional energy cascade in surface capillary waves. [Internet]. Physical Review E. 2015; Vol.91(2). 023021 p. [cited 2023, August 15]. Available from: https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.91.023021. doi: 10.1103/PhysRevE.91.023021
15. Tobisch E, Kartashov A. Energy spectra of ensemble of nonlinear capillary waves on a fluid. [Internet]. Journal of Marine Science and Engineering. 2021; Vol.9. 1422 p. [cited 2023, August 15]. Available from: https://mdpi-res.com/d_attachment/jmse/jmse-09-01422/article_deploy/jmse-09-01422.pdf. doi: 10.3390/jmse9121422
16. Deike L, Berhanu E, Falcon E. Energy flux measurement from the dissipated energy in capillary wave turbulence. [Internet]. Physical Review E. 2014; Vol.89(2). 023003 p. [cited 2023, August 15]. Available from: https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.89.023003. doi: 10.1103/PhysRevE.89.023003
17. Chuchkalov S, Fadeev I, Alekseev V. Effect of synthetic detergents on soil erosion resistance. KnE Life Sciences. 2020; Vol.5(1). 489-496 p. doi: 10.18502/kls.v5i1.6113
18. Struff JW. The theory of sound. Cambridge: Cambridge University Press, 2011; Vol.2. 318 p.
19. Khismatullin MM, Valiev AR, Khismatullin MM. [Anti-erosion reclamation in the Republic of Tatarstan]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 2(66). 47-54 p. – DOI 10.12737/2073-0462-2022-4552.
20. Sukhanovskiy YuP, Prushchik AV, Vytovtov VA. [Improving the methodology for assessing the consequences of soil erosion in field experiments]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2022; Vol.36. 8. 44-48 p. – DOI 10.53859/02352451_2022_36_8_44.
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
Лицензия
Copyright (c) 2026 ВЕСТНИК Казанского государственного аграрного университета
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
