Байрак Г.
Методи геоморфологічних досліджень

Методи натурних (польових) експериментів

Експеримент – це активний метод вивчення процесів та явищ, коли їх відтворюють в умовах, якими управляють і контролюють. Експеримент дає змогу ізолювати явище, яке вивчають, від впливу інших явищ, побічних чинників і вводити нові. Він допомагає змінювати, модифікувати, комбінувати різні умови й елементи, багатократно відтворювати хід процесу і його різні комбінації, аж до неіснуючих у природі, у строго фіксованих умовах, які можна контролювати [17]. За допомогою експерименту виконують дослідну перевірку гіпотез і теорій, а також формують нові наукові концепції. Результати експерименту є фундаментом для побудови та розвитку теорії, а експериментальні факти стають критеріями істинності теорії [33].

Залежно від мети розрізняють експерименти: контрольні (перевіряльні), дослідницькі (пошукові), відтворювальні, ізолювальні, якісні або кількісні, фізичні, соціальні та ін. У дослідницьких наукових експериментах виділяють три різновиди: уявний, обчислювальний і матеріальний (фізико-технічний). Уявний експеримент дослідник виконує в своїй уяві, оперуючи ідеальними образами й об’єктами (наприклад, ідеальна рідина) [17]. Обчислювальний експеримент виконують з математичною моделлю досліджуваного об’єкта, задаючи алгебричні і диференціальні рівняння, розв’язком яких є кількісне значення певної величини (функції) [5]. Обчислювальні експерименти зручно виконувати за допомогою комп’ютерних середовищ. Уявні й обчислювальні експерименти реалізують у лабораторних умовах.

Матеріальний або натурний експеримент – це штучні впливи на природні (натурні) об’єкти з відтворенням характеру проходження в їхніх межах певних процесів та явищ. Вивчають кінематику процесів, характеристики умов і чинників, які на них впливають, та зміни процесів зі зміною умов і чинників впливу. Матеріальні експерименти виконують у польових і лабораторних умовах.

Натурні експерименти проводять:

  1. на штучно створених відкритих експериментальних майданчиках, які відтворюють зменшену у масштабі реальну земну поверхню (рис. 2.3.13, а);
  2. на ділянках місцевості, які піддають штучним механічним впливам, після чого виконують детальні вимірювання змін, що відбулися. Ці ділянки ще називають малими польовими майданчиками.
image
Рис. 2.3.13. Натурні експерименти: 
а) на відкритому майданчику експериментального комплексу Руслової лабораторії Санкт-Петербурзького Державного гідрологічного інституту (модель р. Лаби, притоки р. Кубані); 
б) на р. Полометі на Валдайській русловій станції цієї лабораторії [17]

З середини минулого століття набули поширення польові (натурні) експерименти з вивчення розвитку руслових процесів, які виконували на обладнаних ділянках рік (рис. 2.3.13, б). На певних відстанях на річці ставили поперечники, вздовж яких виконували промірювання русла у поздовжньому та поперечному профілі, вимірювали швидкості і напрями течій у декількох точках по вертикалі чи проводили нівелювання водної поверхні вздовж поперечного перерізу й урізу води біля берегів, відбирали й аналізували донні відклади, фіксували вторинні течії, зони відриву потоку від берегів, вторинних валів і вихрових зон.

Досліджували також послідовні стадії затоплення заплави під час повеней, виявляли характер виходу води на заплаву, виникнення та подальшу трансформацію течій під час проходження повені.

Натурні експерименти дали змогу отримати дані про характер і особливості формування річкових наносів. Наприклад, з’ясували, що протягом 30-річного періоду русло малої річки спочатку звільнялося від заповнених у ньому наносів, пропускна здатність його в зв’язку з цим збільшувалася з 19 м3/с до 35 м3/с, а потім русло знову стало заноситися наносами і його пропускна здатність зменшилася у тому ж рівні з 35 м3/с до 21 м3/с [17].

На підставі польових експериментів руслових процесів отримали детальні, оригінальні польові матеріали й наукові висновки з меандрування, механізму затоплення і спорожнення заплави під час вільного меандрування, структури руслового потоку і його макротурбулентності, транспорту донних наносів, геометричних і динамічних характеристик руслових мікроформ-пасм. Ці дані використовували в інженерній практиці для проектування мостових переходів, робіт зі спрямлення русел та укріплення берегів.

Спеціальні експерименти зі зміцнення берегів водойм поширені в Японії. Зокрема, на о. Хоккайдо для вивчення міцності дамб після переповнення водойм внаслідок проливних дощів чи тайфунів створили канал 1300 м довжини і 30 м ширини (рис. 2.3.14). На ньому випробовували потенціал міцності дамби після подачі води різної інтенсивності. З’ясували, за яких умов відбувається відрив окремих бетонних блоків і як треба укріплювати дамби від розмиву.

image
Рис. 2.3.14. Повномасштабний експериментальний канал на р. Токачі, о. Хокайдо, Японія [35]

Натурні дослідження у північній Європі спрямовані на вивчення впливу змін клімату на прісноводні екосистеми у руслах рік. Дослідження в цій залузі особливо важливі, враховуючи, що передбачені зміни структури опадів і потепління клімату зумовлюють триваліші періоди межені в річках. У цих експериментах дослідники прагнуть зрозуміти, як ці стресові чинники впливають на невеличкий струмок та екосистему в ньому, звертаючи особливу увагу на те, як стресфактори можуть взаємодіяти [36].

Серед натурних експериментів поширені штучні дощування схилових поверхонь для вивчення площинних змивів. Штучне дощування в польових умовах допомагає відтворювати дощі заданої інтенсивності (від 0,1 до 1 мм/хв) у будьяких поєднаннях і послідовностях вздовж схилів, які відрізняються крутістю, довжиною, ступенем змитості ґрунту, його гранулометричним складом, рослинністю й агротехнікою.

Використовували дощувальні установки з крапельним і струменевим способом поливу (рис. 2.3.15). Крапельні установки забезпечували рівномірний, але однорідний дощ із великими краплями. У струменевих насадках потрібний спектральний склад крапель, висока рівномірність забезпечувалася чергуванням груп насадок різного діаметра і типу, а також їхньою гідропульсацією або вібрацією в одній або двох площинах. Найбільше поширення мали струменеві дефлекторні насадки з конусним розпилювачем. Струмінь води, виходячи під напором з отворів насадки, потрапляв на дефлектор і, розбиваючись об нього, перетворювався на дрібні краплі, які рівномірно розбризкувалися в радіальних напрямах.

image
Рис. 2.3.15. Апарати штучного дощування для експериментів з вивчення протиерозійної стійкості ґрунтів [14]:
а) дощувальна установка УСДУ-67;
б) дощувальна машина (1 – дослідна стокова площина до 100 м2 із переносною установкою дефлекторного типу; 2 – огорожа з металічних рамок; 3 – направляючий канал; 4 – мірна ємність; 5 – автомашина, яка качає воду)

Методами штучного дощування вивчали вплив на утворення площинної ерозії спектра дощових крапель, інтенсивності дощів, довжини схилів, фізичних властивостей ґрунтів, а також особливості формування струменевих течій і розмивів, об’єми змитих ґрунтів, протиерозійні стійкості ґрунтів тощо. Наприклад, за допомогою дощувальних установок вивчено механізм зародження процесу ерозії. З’ясовано, що значний вплив на розвиток ерозії мають дощові краплі. Вони зумовлюють відрив частинок ґрунту, які збільшують транспортувальну здатність потоку і збуджують додаткову турбулентність. Ударні “хвилі” від крапель дощу збільшують також здатність потоків транспортувати частинки волочінням їх вздовж дна. Захист поверхні від ударів крапель іноді в 10-20 разів знижує мутність потоку.

Для визначення інтенсивності ерозії застосовують метод безпосереднього заміру об’єму струменевих розмивів. Для цього впоперек падіння схилу натягують мірну стрічку і вздовж неї міряють ширину та глибину всіх утворених вимивин. Обчислення їхнього сумарного перерізу дає об’єм змитого ґрунту з досліджуваної ділянки. Інтенсивність ерозії визначають також вимірюванням рівня земної поверхні до і після ерозії. Використовують методи стержнів, мікронівелювання, фотопрофілювання (за фотографіями визначають площі поперечного перерізу ділянок схилу), стререофотограмметричного знімання [14].