Кліматичні показники, що визначають зливову ерозію

Шар, режим, інтенсивність дощів, тобто ті параметри опадів, які якимось чином пов'язані з процесом водної ерозії і вимірюються на метеорологічних станціях, повинні мати кореляційний зв'язок з реальним процесом поверхневого змиву грунту.

Однією з найбільш успішних спроб знайти такий зв'язок зробили У.Х. Уїшмейєр та Д.Д. Сміт (Wishmeier, Smith, 1958). Проаналізувавши дані щодо розподілу крапель дощу залежно від їх розміру, а також результати визначення кінцевої швидкості крапель, що падають, вони отримали рівняння регресії, яке описує кінетичну енергію (Е, кг/м² мм) зливи:

Подальший аналіз показав, що втрати грунту в результаті зливи з ріллі, яка постійно знаходиться під паром, добре корелюють з добутком сумарної кінетичної енергії дощу і його максимальної 30-хвилинної інтенсивності:

  (4.2)

де R – показник еродуючої здатності дощу (ерозійний індекс опадів);
r_j – інтенсивність дощу для j-го інтервалу часу, мм/год;
Δt_j – довжина розрахункового інтервалу, години;
r₃₀ – максимальна за 30 хвилин інтенсивність дощу, мм/год;
n – кількість розрахункових інтервалів з постійною інтенсивністю в межах дощу (Эрозия почвы, 1984).

Добуток (4.2) є формальним визначенням об'єднаної дії факторів енергії зливи та її інтенсивності на процес ерозії. Крім цього, він визначає сумарний ефект дії крапель на турбулентність потоку при транспортуванні частинок грунту стоком. Для того, щоб одержати річне значення фактора R, повинні бути оброблені плювіограми всіх стокоутворюючих дощів, що випали протягом року. Статистична обробка річних значень фактора R, обчислених за досить тривалий період, дозволяє одержати середнє багаторічне значення ерозійного індексу дощу або його значення розрахункової забезпеченості.

Через трудомісткість обробки плювіограм дощів у США та в інших країнах були розроблені регресійні залежності, які дозволяють визначити значення ерозійного індексу опадів з використанням даних про інтенсивність дощу, його тривалість і повторюваність, побудовані відповідні карти.

Для території колишнього Радянського Союзу розрахунки ерозійного індексу опадів були проведені в Лабораторії ерозії грунтів і руслових процесів Московського державного університету; у 1981 році опублікована карта ерозійного індексу опадів для Європейської території СРСР і Кавказу (Заславский и др., 1981), а пізніше – для всієї території колишнього СРСР (Ларионов, 1987). Карта ерозійного індексу опадів для Європейської частини колишнього Радянського Союзу (її фрагмент поданий на рис. 4.1) побудована за плювіограмами дощів, зібраними за 15-річний період (з 1961 по 1975-1976 р.) на 318 метеорологічних станціях, розташованих порівняно рівномірно на розглянутій території. Показник (4.2) є важливою складовою Універсального рівняння втрат грунту США (USLE або RUSLE), яке буде розглянуто окремо (див. розділ 5).

Рис. 4.1. Фрагмент карти ерозійного індексу опадів (Заславский и др., 1981)

Іншим кліматичним чинником зливової ерозії є гідрометеорологічний фактор зливового змиву грунту з модифікованої моделі поверхнево-схилової ерозії (Швебс и др., 1993), що описує процес елементарного наносоутворення:

 (4.3)

де k_ГM^' – модифікований гідрометеорологічний фактор зливового змиву грунту для окремого дощу;
r_i – інтенсивність тих тактів дощу, що викликають змив грунту, мм/хв;
r_ізм – змивоутворююча інтенсивність опадів, мм/хв;
r_ξ – інтенсивність опадів ξ-го розрахункового інтервалу Δt_ξ протягом якого r_ξ < r_змξ, мм/хв;
λ – коефіцієнт, що враховує зменшення затопленої площі протягом спаду схилового стоку, який на основі теоретичного аналізу був прийнятим 0,3;
М – кількість інтервалів дощу, для яких r_ξ < r_змξ.

Останнім (М + 1) доданком у (4.3) є доданок, який характеризує внесок у наносоутворення змиву на спаді стоку після закінчення дощу. У зв'язку з цим r_ξ = 0, а Δt_ξ – замінюється на τ – умовну тривалість спаду схилового стоку, що дорівнює 15 хв.

Вираз змивоутворюючої інтенсивності опадів для грунту, який був прийнятий за еталон (чорнозем звичайний важкосуглинковий незмитий), має вигляд:

  (4.4)

де    сума опадів від початку дощу до розрахункового Моменту часу і, мм;
В₀ – індекс попереднього зволоження за Н.Ф. Бефані (Бефани, Калинин, 1965) на початок дощу, мм, який характеризує зволоженість верхнього шару грунту.

Так само, як і для ерозійного індексу опадів R, у разі наявності даних метеорологічних спостережень норма (середнє багаторічне значення) гідрометеорологічного фактора зливового змиву K_ГM^' розраховується для окремих метеорологічних станцій з тривалим періодом спостережень шляхом статистичної обробки рядів значень гідрометеорологічного фактора окремих дощів k_ГM^', розрахованих за формулами (4.3)-(4.4) з використанням плювіограм всіх стокоутворюючих дощів, добових сум опадів і середньодобових температур повітря. Методика розрахунку норми гідрометеорологічного фактора зливового змиву за наявності обмежених за тривалістю рядів метеорологічних спостережень детально викладена в (Светличный и др., 2004).

На рис. 4.2 подана карта просторового розподілу норми гідрометеорологічного фактора зливового стоку K_ГM^' у межах півдня України, розрахована для постійного значення індексу попереднього зволоження В₀, що відповідає величині вологості грунту в 80% від найменшої вологоємності (Чорний, 1996). Для побудови цієї карти використані плювіограми дощів за період з 1949 по 1991 рік, що були опубліковані в метеорологічних щорічниках (більше 7000 дощів за 31 метеостанцією регіону). Але виявилося, що ряди річних сум гідрометеорологічного фактора за окремими метеорологічними станціями (довжиною 10-40 років) характеризуються значною мінливістю (у більшості випадків коефіцієнт варіації С_υ перевищує 150%) і, як наслідок, значними помилками розрахунку середньої багаторічної величини (норми). З такими значеннями С_υ  лише ряди довжиною більше 100 років можуть дати досить точні значення K_ГM^' (з помилкою середньої багаторічної величини 10-15% і менше), що можуть бути придатними для картографування у вигляді ізоеродент – ізоліній, що поєднують точки з однаковою еродуючою здатністю дощів.

Рис. 4.2. Карта просторового розподілу середньобагаторічної величини (норми) гідрометеорологічного фактора зливого змиву (K_ГM^' / 100) (Чорний, 1996)

У метеорологічних і гідрологічних розрахунках у таких ситуаціях рекомендують застосовувати гіпотезу ергодичності, суть якої стосовно завдання, що розглядається, полягає в наступному. В однакових умовах формування зливових опадів багаторічні коливання річних сум гідрометеорологічного фактора, отримані для окремих метеорологічних станцій, можна кваліфікувати як реалізації стаціонарної випадкової функції. При цьому сукупність реалізацій річних сум гідрометеорологічного фактора за короткі проміжки часу (10-40 років) несе таку саму інформацію про статистичні параметри цього фактора в межах території, що розглядається, як і тривала (100-200 років і більше) його реалізація. Таким чином, можливе об'єднання коротких рядів річних сум гідрометеорологічного фактора в один довгий ряд, що характеризує гідрометеорологічний фактор зливової ерозії визначеної території, де склалися однакові умови формування опадів у вигляді злив.

На півдні України виділені (Чорний, 1996) п'ять районів з однотипними умовами формування зливових опадів – височинний (А), з найбільшими значеннями K_ГM^', низинний (Б) і внутрішні райони Кримського півострова (В). Межа між першими двома приблизно проходить по горизонталі рельєфу 100 м. Прибережну тридцятикілометрову зону з інтенсивною бризовою циркуляцією і найменшими значеннями K_ГM^' розділено на два райони – чорноморський (Г) і азовський (Д). Оцінка по сукупності власних по кожній метеорологічній станції і об'єднаних спостережень буАа прийнята як середньозважена за точністю кожної з оцінок K_ГM^'. Саме така величина K_ГM^' і картована на рис. 4.2.

Виділені п'ять районів є своєрідними і з погляду внутрішньорічного розподілу K_ГM^' (табл. 4.1). Якщо в континентальних районах найбільш ерозійно-небезпечним періодом є літні місяці, то в приморських районах цей період розтягнутий до осені.

Для приведення норми гідрометеорологічного фактора зливового змиву, поданого на карті рис. 4.2, до умов зволоження активного шару грунту, відмінних від 80% найменшої вологоємності, рекомендуються коефіцієнти, наведені в табл. 4.2.