Універсальне рівняння втрат грунту США

Універсальне рівняння втрат грунту США (в англомовній літературі – Universal Soil Loss Equation, USLE), відоме також як рівняння Уїшмейєра-Сміта (Wishmeier et al., 1958; Wishmeier, Smith, 1978), розроблене як метод розрахунку середньорічних втрат грунту через зливову ерозію на основі узагальнення результатів спостережень на стандартних стокових майданчиках (довжиною 22,13 м, шириною 1,83 м і ухилом, що дорівнює 9%), проведених більш ніж на 8000 ділянках у 36 районах 21 штату США. Остання версія моделі має назву RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) (McCool et al., 1989; Renard et al., 1991).

Універсальне рівняння має мультиплікативну структуру, являючи собою добуток «факторів», які враховують вплив опадів, протиерозійної стійкості грунту, рельєфу, сівозміни та грунтозахисних заходів:

Фактор еродуючої здатності дощів R (ще – «ерозійний індекс опадів»), для окремого дощу визначається як добуток сумарної кінетичної енергії дощу і його максимальної 30-хвилинної інтенсивності (див. п. 4.2.2).

Фактор схильності грунту до ерозії К являє собою відношення середньорічного змиву грунту з одного квадратного метра стандартного стокового майданчика при його обробітку уздовж схилу по типу чорного пару до середньобагаторічної величини ерозійного індексу опадів R для території, що розглядається.

Розрахунки фактора К були проведені для 23 основних типів грунтів США. На основі цих даних була побудована номограма (номограма Уїшмейєра – Джонсона – Кроса) (Wishmeier et al., 1971) для визначення фактора еродованості залежно від п'яти грунтових характеристик:

1. процентного вмісту пилу (фракції 0,002-0,05 мм), дуже тонкого піску (фракції 0,05-0,10 мм) і піску при гранулометричному аналізі грунту;
2. вмісту органічної речовини;
3. параметра структури;
4. показника водопроникності.

Переведення номограми Уїшмейєра – Джонсона – Кроса в метричну систему та її адаптація до методик визначення, зокрема, гранулометричного складу, прийнятих у колишньому СРСР, було здійснене в Московському державному університеті (Заславский, 1979) (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Номограма для визначення K-фактора Універсального рівняння втрат грунту (Заславский, 1979)

Відомі також аналітичні вирази залежності фактора К від зазначених вище характеристик (EPIC., 1990), а також його адаптації до інших природних умов. Зокрема, У. Мартіном (Martin, 1988) для умов Центральної Європи було запропоновано враховувати вплив на змиваємість грунту ще й суми одновалентних катіонів грунтового обмінного комплексу (Na⁺ і К⁺) та щебенистості поверхні грунту:

Для грунтів з екстремально високим вмістом піску або глини, а також з великим вмістом калію і натрію в обмінному комплексі, оригінальне значення фактора К становить лише 75% значення цього параметра У. Мартіна (De Roo, 1993).

Фактор ухилу S в останній версії Універсального рівняння (RUSLE) визначається за виразом:

 (5.8)

де θ – ухил схилу, градуси.

Фактор довжини схилу L розраховується за формулою:

  (5.9)

де х – довжина схилу, м;
р – показник ступеня.

У першій редакції Універсального рівняння (Wishmeier et al., 1958) величина показника ступеня при довжині схилу р була прийнята постійною і дорівнювала 0,5. У другій редакції (Wishmeier, Smith, 1978) рекомендовано призначати р залежно від ухилу схилу:

• якщо ухил менше 1% – р = 0,2;
• якщо ухил більше 1%, але менше 3% – р = 0,3;
• якщо ухил більше 3%, але менше 5% – р = 0,4
• і, нарешті, для схилів крутіше за 5% – р = 0,5.

У третій редакції Універсального рівняння (RUSLE) (МсСооІ et al., 1989, Renard et al., 1991) на основі концепції про роль струмкових і міжструмкових джерел наносів рекомендований більш широкий діапазон значень показника р – теоретично від 0 до 1. Практично ж для визначення р рекомендується до використання таке рівняння:

 (5.10)

Слід підкреслити, що урахування зміни інтенсивності змиву по довжині схилу є найбільш слабким місцем моделі, по-перше, через прийняту методику спостережень за змивом грунту на стоково-ерозійних стаціонарах, на основі яких розроблене Універсальне рівняння (довжина стандартного стокового майданчика – 22,13 м, ширина – 1,83 м), а, по-друге, через неврахування особливостей формування схилового стоку і змиву на схилах складної форми. Певним свідченням незадовільного опису блоком рельєфних умов Універсального рівняння закономірностей ерозійно-акумулятивного процесу на реальних схилах є безперервна редакція фактора довжини схилу.

Спробою врахувати особливості змиву грунту на схилах складної форми є методика, розроблена Г.Р. Фостером і У.Х. Уїшмейєром (Foster, Wishmeier, 1974), що знайшла також відображення й у практиці протиерозійного проектування в колишньому Радянському Союзі (Методические указания., 1989). Відповідно до неї складний схил розбивається на кілька частин із приблизно постійним ухилом і однорідним грунтовим покривом. Втрати грунту для всього схилу розраховуються за формулою змиву, у якій розрахунок рельєфного фактора виконується за формулою середньозваженого з урахуванням поділу схилу на ділянки:

  (5.11)

де х_j – відстань від вододілу до нижньої частини відрізка j, м;
x_j-1 – відстань від вододілу до верхньої частини відрізка j, м;
х_с – повна довжина схилу, м;
S_j – значення фактора ухилу для відрізка j.

Аналіз виразу (5.11) показує, що він був отриманий з припущення осереднення по довжині схилу всіх основних факторів ерозії. Такий підхід дає лише наближене розв'язання завдання і принципово нездатний дати кількісну оцінку змиву-акумуляції на складних схилах.

Фактори С і Р являють собою відношення втрат грунту з ділянки, зайнятої під яку-небудь культуру з визначеними протиерозійними заходами, до втрат грунту з контрольної ділянки, що знаходиться під паром та без будь-яких протиерозійних заходів. Значення факторів С і Р задаються у вигляді таблиць безрозмірних коефіцієнтів, отриманих на основі статистичної обробки даних стаціонарних досліджень. Службою охорони грунтів США використовуються значення фактора агротехніки Р, узагальнені в межах окремих районів США. Узагальнені значення фактора Р для східних штатів США наведені в монографії (Эрозия почвы, 1984).

Кількісна оцінка грунтозахисних властивостей основних груп сільськогосподарських культур для застосування в рамках Універсального рівняння для території колишнього Радянського Союзу була виконана в Московському державному університеті ім. М.В. Ломоносова (Жаркова, 1987). Кількісний показник грунтозахисних властивостей культур – ерозійний індекс культур при стоку дощових вод – був визначений з урахуванням динаміки ерозійного індексу опадів для озимих, ярових, низькорослих і високорослих стеблових просапних, пара чорного стерньового з урахуванням виду основного обробку грунту (полицева оранка або безполицевий обробіток), а для високостебловпх просапних – з урахуванням міжрядової обробки грунту (звичайна та індустріальна) для 62 агроерозійних районів, виділених у межах території колишнього СРСР. Слід зазначити, що через відсутність масових однорідних даних вимірів змиву грунту на різних агрофонах грунтозахисні властивості культур тут визначалися розрахунковим шляхом – за їхнім проективним покриттям (Жаркова, Заславский, 1981; Заславский, 1983).

Універсальне рівняння втрат грунту до цього часу широко використовується в США. Його остання редакція – RUSLE – розглядається як один з основних робочих інструментів при проектуванні протиерозійних заходів Міністерством сільського господарства США (Лэйн та ін., 1997). Як модуль, відповідальний за розрахунок змиву грунту, Універсальне рівняння або його окремі блоки входять до складу комп'ютерних систем комплексного призначення, таких, як SPNM (Williams, 1980), CREAMS (Knisel, 1980), ANSWERS (Beasley, 1982), EPIC (EPIC., 1990). Універсальне рівняння і його модифікації використовуються в багатьох інших країнах світу, у тому числі і в країнах колишнього Радянського Союзу. Однак, з огляду на емпіричний характер моделі, регіональний характер її параметрів, а також зазначені вище недоліки, що стосуються, насамперед, рельєфного фактора, її застосування для протиерозійного проектування в природно-господарських умовах України вимагає виконання спеціальних досліджень. До цього часу таких досліджень проведено не було.