Світличний О.О., Чорний С.Г.
Основи ерозієзнавства

Властивості грунту та їх протиерозійна стійкість

Вихідні характеристики грунтоутворюючих порід впливають на цілу низку властивостей грунту, що закономірно, оскільки грунт на 90-98% складається з мінералів вихідної породи.

У першу чергу такий вплив пов'язаний з його гранулометричним складом, який визначає водопроникність грунту, здатність до утворення водотривких агрегатів, а також глибину промерзання та танення грунту, що відіграє певну роль в ерозійних процесах при таненні снігу.

Деякі автори підкреслюють також вплив на протиерозійну стійкість грунту показників його мінералогічного складу, зокрема, вміст кремнезему, певних глинистих мінералів тощо. Суглинкові грунти з вмістом частинок грунту < 0,01 мм більше 30%, як правило, утворюють стабільні агрегати, які є найбільш стійкими при дії потоку води та крапель, що падають. Глинисті частинки є найбільш ефективними цементами. Особливо інтенсивно виявляється здатність до агрегації тих глинистих частинок, які мають високу питому поверхню (монморілонитові та споріднені до них глини). У той же час глинисті грунти мають низьку інфільтраційну здатність, і їх частинки досить легко переносяться потоками води після диспергування.

Піски і супіски характеризуються високими швидкостями фільтрації води, але якщо інтенсивність утворення стоку перевищує інтенсивність поглинання води грунтом, то частинки грунту більше 0,1-0,3 мм, яких у цих грунтах дуже багато, є стійкими до руйнівної дії поверхневого стоку. У той же час частинки грунту таких розмірів погано транспортуються водними потоками.

Серед загальних («інтегральних») грунтових показників, які б демонстрували здатність грунту протидіяти руйнівній енергії поверхневого стоку і падаючих крапель дощу, потрібно назвати такі. Насамперед, це зональні показники (у першу чергу, звичайно ж, це вміст гумусу і потужність гумусового шару грунту), що характеризують протиерозійну стійкість грунту на рівні грунтового типу або підтипу. У цьому випадку без детальних польових досліджень можна дійти висновку про високу протиерозійну стійкість, наприклад, чорноземів порівняно з каштановими або підзолистими грунтами. Такі визначення мають, скоріше, ілюстративний характер, і їхня практична цінність не дуже велика. А тому існує необхідність доповнювати «гумусові» параметри іншими показниками, які б відображали особливості гранулометричного й агрегатного складу грунту і реагували на засоби його обробітку і меліоративні впливи.

Що стосується таких показників, то це, у першу чергу, показники макро- і мікроструктури грунту. Зокрема, у літературі наводяться залежності між показниками протиерозійної стійкості грунту, визначеними за різними методиками, і коефіцієнтом агрегованості Бейвера – Роадеса (Кbr), коефіцієнтом дисперсності Качинського (Kd), показником протиерозійної стійкості Вороніна – Кузнецова (Kps) (Воронин, 1986; Кузнецов, 1981):

Kbr = [(a - b) / a] · 100 (4.21)
Kd = (C1 / C2) · 100 (4.22)
Kps = (Kgs / Kd) · 100 (4.23)

де a – вміст частинок грунту та агрегатів від 0,05 до 0,25 мм,
b – вміст неагрегованих частинок грунту того самого розміру,
С1, С2 – вміст фракції <0,001 мм при мікроагрегатному та гранулометричному аналізах відповідно,
Kgs – гранулометричний показник структурності за Вадюніною, що дорівнює відношенню вмісту частинок грунту <0,001 мм до сумарного вмісту більш великих фракцій при гранулометричному аналізі.

Коефіцієнт агрегованості Бейвера-Роадеса застосовується для визначення протиерозійної стійкості і в модифікованому варіанті з прямим визначенням мікроагрегатів за допомогою мікроскопа. З'ясувалося (Булыгин, Неаринг, 1999), що цей показник добре корелює з показниками струмкової і міжструмкової ерозійної стійкості грунту, а також «критичним тиском зрушення для грунту» американської моделі водної ерозії WEPP.

З показників макроструктури в роботах, що досліджують ерозію грунтів, найбільш часто фігурує вміст водотривких агрегатів > 0,25 мм і, особливо, їхній середньозважений діаметр (Кузнецов, 1981; Булыгин, Неаринг, 1999). Зокрема цей показник бере участь у розрахунку величини швидкості потоку, що розмиває, як складової частини гідромеханічних моделей водної ерозії.

Значні обсяги даних накопичені з проблеми впливу вологості грунту на його протиерозійну стійкість. Багатьма науковцями доведено, що при збільшенні вологості до 80-100% від найменшої вологоємності проявляється стягуюча дія менісків капілярів і злипання агрегатів при набряканні грунту завдяки специфічній реалізації сил водно-колоїдальної природи. Вплив високої вологості на можливість грунту протистояти дії потоків, які викликають ерозію, і падаючих крапель виявляється і внаслідок створення більш водотривкої структури міцелієм грибів і актиноміцетів, чисельність яких зростає в орних шарах краще зволоженого грунту. Утворення структури грунту відбувається також за рахунок специфічних цементів, що мають бактеріальне походження.

Спеціально проведені дослідження методом штучного дощування показали (табл. 4.8), що зволоження грунту до рівня найменшої вологоємності в одному випадку (темно-каштанові грунти) набагато зменшило каламутність стоку (у 5 разів), в другому (південні чорноземи), по суті, не зумовило ніякої реакції на цю процедуру, каламутність стоку тут не змінилася. Тобто ефект злипання агрегатів при попередньому зволоженні спостерігався лише на відносно малогумусних темно-каштанових грунтах, тоді як у чорноземах цей ефект зовсім не проявився. На варіанті з темно-каштановими грунтами спостерігалося різке падіння каламутності р0, що в остаточному підсумку і зумовило зменшення значення витрати наносів у стандартних умовах і підвищення показника протиерозійної стійкості.

Таблиця 4.8. Вплив вологості грунту на протиерозійну стійкість
ГрунтВихідна вологістьПараметри
k0**μ0***R0****jP безр.jR безр.
Чорнозем південний 63%
від Wнв*
0,43
0,30
12,0
12,0
0,42
0,36
2,1
2,1
3,1
2,7
Темно-каштановий 76%
від Wнв*
1,04
0,56
19,8
3,7
0,56
0,10
3,4
0,6
4,1
0,7

* Wнв – найменша вологоємність 0,5-метрового шару грунту;
** k0 – середня інтенсивність всмоктування (мм/хв);
*** μ0 – каламутність стоку (г/л);
**** R0 – витрата наносів (г/с·м).

Спеціальні дослідження з впливу гумусових, макро- і мікроструктурних властивостей грунтів (у тому числі, вміст агрегованих і неагрегованих (елементарних) грунтових часток, визначених прямим мікроскопуванням за методикою С.Ю. Булигіна та Т.Д. Комарової (1990), на протиерозійну стійкість були проведені на півдні України (Чорний, 1996). При цьому протиерозійна стійкість визначалася методом Бастракова (Rx). Досліджувалися головні грунти регіону – південні чорноземи, каштанові і темно-каштанові грунти різного ступеня змитості. На підставі результатів грунтових аналізів і експериментально отриманих величин протиерозійної стійкості був проведений статистичний аналіз зв'язків між Rx та різними показниками мікрооструктуреності грунтів. При цьому враховувалося, що найбільш точною характеристикою мікроагрегованості при стандартних аналізах є абсолютні показники, що визначають вміст у грунті міцних мікроагрегатів і враховуються в результаті спільного аналізу гранулометричного і мікроагрегатного складу грунту. Розрахунки показали, що найбільш тісний зв'язок спостерігається між Rx та показником оструктуреності D0 (%). Цей показник розраховується як середньозважене за формулою:

 (4.24)

де d– середній діаметр і-ї фракції мікроагрегатного і гранулометричного складу грунту (мм) (визначеного за Н.А. Качинським (Воронин, 1986);
Ai і Bi – зміст цих фракцій при Ai>d і Bi>d (%);
n – кількість і-х фракцій;

При розрахунку показника D0 враховується і фракція 1-0,25 мм, що формально відноситься до макроагрегатів. Величина d є точкою перетинання кривих гранулометричного і мікроагрегатного аналізу грунту при його графічній інтерпретації (Медведев, 1988).

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом