Теоретичні моделі водної ерозії
З теоретичних моделей у практиці протиерозійного проектування в Україні в наш час використовується модель (формула) зливової ерозії, що була розроблена Ц.Є. Мірцхулавою (1970). В основу побудови моделі покладена формула елементарного наносоутворення, яка була заснована на концепції втомленої міцності грунтів і підгрунтя та пульсаційному характері динамічного впливу водного потоку на поверхню грунту:
(5.24)
де qx' – маса грунту, що проноситься за 1 с через одиницю ширини потоку, т/м/с, на відстані х м від вододілу;
ρ – об'ємна маса верхнього шару грунту, т/м3;
d – середній розмір агрегатів (окремих часток грунту, які відриваються потоком), приведених до діаметра кулі, яка має такий самий об'єм, м;
υΔx – донна швидкість на відстані х (м) від вододілу, м/с;
υΔH - нерозмиваюча донна швидкість, м/с;
ω – середня частота пульсаційної швидкості, яка дорівнює 10 с-1 (Мирцхулава, 1970).
Вираз (5.24) використаний автором моделі для визначення середнього модуля змиву для «частини схилу, яка підлягає ерозії», шляхом його інтегрування по х від х1 до х2, де х1 – довжина «нееродованої частини схилу», у межах якої швидкість потоку не перевищує нерозмиваючої швидкості, х2– повна довжина схилу. У разі необхідності за х2 може бути взятий будь-який створ нижчий за х1.
При інтегруванні (5.24) використана залежність швидкості схилового стікання від її факторів, що задається формулою Шезі – Маннінга. У результаті був отриманий вираз, що являє основну розрахункову формулу моделі:
(5.25)
де Wx2 – кількість змитого грунту зі схилу, т/га;
rm – середня за дощ інтенсивність опадів, м/с;
Т – тривалість випадання опадів, с;
σ – коефіцієнт стоку, безр.;
п0 – коефіцієнт гідравлічного опору (коефіцієнт Маннінга), безр.;
m1 – коефіцієнт, що характеризує тимчасову струмкову мережу на схилі, безр.
Прийняття сталого характеру схилового процесу, використання до цього часу не забезпеченої інформаційно методики урахування втрат схилового стоку через коефіцієнт стоку, а також недостатня інформативність використованих у моделі характеристик змивоутворюючих дощів – тривалості і середньої інтенсивності, роблять досить проблематичним використання моделі для розрахунку змиву грунту в результаті випадання природних дощів (зливової ерозії).
Проте при регіональному відпрацюванні питань, які пов'язані з визначенням коефіцієнтів схилового стоку, співвідношенням між тривалістю дощу і часом наносоутворення і, відповідно, середньою інтенсивністю дощу і середньою інтенсивністю випадання опадів за час наносоутворення для років (або злив) розрахункових забезпеченостей, модель може з успіхом застосовуватися, як свідчать дослідження, проведені і в Україні (Булыгин, Неаринг, 1999) і в Росії (Сухановский, 2000), для розв'язання завдань протиерозійного проектування.
Більш детальними є динамічні фізично обгрунтовані моделі водної ерозії, засновані на системі одновимірних або (особливо останнім часом) двовимірних диференціальних рівнянь балансу речовини та енергії, такі, як, наприклад, ерозійна модель американського (США) Проекту прогнозу водної ерозії (WEPP) або Європейська модель водної ерозії (EUROSEM) (Nearing et al., 1989). Однак і сьогодні моделі цього класу не знайшли застосування в практиці протиерозійного проектування.
Вони вимагають на порядок більшого, ніж фізико-статистичні моделі, обсягу вхідних даних, до того ж висувають підвищені вимоги до якості вихідної інформації. Інформаційне забезпечення таких моделей у наш час є, мабуть, головною причиною, яка стримує їх широке практичне застосування. Нині вони використовуються лише в дослідницьких цілях.
Більш докладно про згадані та деякі інші емпіричні та теоретичні моделі водної ерозії можна прочитати в монографії (Светличный и др., 2004).