Методи лабораторних експериментів

Лабораторний експеримент – методична стратегія, спрямована на моделювання діяльності сучасних екзогенних процесів у спеціальних умовах. Він заснований на створенні штучних ситуацій, які дають підстави змінювати контрольовані змінні та стежити за супутніми змінами залежних змінних. Провідною ознакою лабораторного експерименту є забезпечення відтворюваності досліджуваних характеристик процесів та умов їхнього прояву.

Лабораторний експеримент з вивчення сучасних екзогенних процесів передбачає їхнє відтворення з використанням технічного оснащення, відповідного комп’ютерного чи відеозапису для фіксації ходу і результатів досліджень. Створюють зменшені моделі об’єктів місцевості, зокрема, певні форми рельєфу, які піддають дії певних чинників задля вивчення розвитку в їхніх межах рельєфотвірних процесів.

Найпоширеніші експериментальні дослідження у лабораторних умовах – дослідження руслових процесів (рис. 2.3.19). В основі більшості лабораторних експериментів є закономірні зміни русла з однорукавного стрічково-пасмового русла до боковикового, далі меандруючого, і далі руслової та заплавної багаторукавності. Дослідники змінювали витрати води і кількість наносів.

Досліджували: чинники й умови закономірних змін русла, вплив природних та антропогенних чинників на ці зміни. Вивчали турбулентність потоку, стік наносів, гідравлічні характеристики потоку, кінематичні структури течій, вплив антропогенних споруд на русловий процес, розподіл забруднень у руслі. З’ясовували характер і розміри повеней, які здатні змінити поведінку річки.

a
 
б
Рис. 2.3.19. Лабораторії для проведення експериментів з вивчення руслових процесів:
а) експериментальний зал Руслової лабораторії Санкт-Петербурзького Державного гідрологічного інституту [17];
б) Total Environment Simulator в університеті Халла (Великобританія) [38]

Практика використання експериментальних установок і лотків для вивчення гідравлічних процесів у річкових руслах має давню історію. Перша гідравлічна модель такого типу – модель русла р. Гаронни була створена у Франції Л. Фарго 1875 р. у масштабі 1:100 для вивчення закономірностей деформацій русла цієї річки. Першу гідравлічну лабораторію для вивчення різних гідравлічних явищ заснував 1898 р. у Німеччині Г. Енгельс у Вищій технічній школі Дрездена. В кінці 1950 років у різних країнах світу було створено близько чотирьохсот гідравлічних лабораторій, з яких понад сотню були розташовані у США, близько двохсот у Радянському Союзі, близько вісімдесяти у Європі та десяток в Азії. Вони проводили лабораторні експерименти для спостереження за русловими процесами.

Найбільша експериментальна лабораторна установка – модель басейну р. Міссісіпі, створена в Експериментальній станції водних шляхів США в м. Джексоні. Вона займала площу 89 га і мала довжину 1371м. На ній були відтворені всі річки басейну – загальна довжина моделі 12,8 км (24 000 км в натурі). Сумарна витрата води на моделі становила 535 л/с. Моделлю керували автоматично. Відмітки водної поверхні фіксували одночасно в 1500 точках. На моделі вивчали режими рівнів і витрат води, а також рух хвиль паводків, що давало змогу виконувати прогнозування, раціональне проектування та експлуатацію протипаводкових споруд (дамб обвалування) і систем водосховищ (регулювання стоку). Величезні матеріальні та фінансові витрати, вкладені в будівництво й експлуатацію цієї найбільшої моделі в світі, були визнані виправданими, що забезпечило вирішення завдання створення єдиної, централізованої інформаційно-координуючої системи та механізму управління паводками, експлуатацією регуляційних споруд у басейні Міссісіпі [17].

В університетах США, Великобританії, Франції, Німеччини, Японії та Китаю існують експериментальні лабораторії з вивчення особливостей водних потоків. Наприклад, в університеті Халла (Великобританія) на березі моря споруджений великий акваріум Total Environment Simulator (TES) світового класу експериментальна установка, призначена для моделювання динаміки рідини й опадів у широкому діапазоні параметрів й умов [38]. TES складається з великого водопропускного резервуара, в якому контролюють рух води в різних місцях осадження наносів, створюють хвилі, опади та швидкісні водні потоки. Лабораторія обладнана приладами високої чутливості для вимірювання процесів, їхніх темпів, а також форм руслового рельєфу, які розвиваються.

Під час проведення експериментів на моделях об’єктів дослідники мають враховувати такі чинники: наскільки реальна модель? що означають результати в реальному світі? як масштабувати модель? Найважливіший чинник – масштабування, адже потрібно розуміти, що деякі речі в природі не можуть бути зменшені – вплив гравітації або текучої води. Проте можна контролювати змінні, які використовували в експериментах, зокрема, розмір наносів, а також кількість і швидкість води, яка подається через річкову систему.

Враховуючи ці чинники, у лабораторії університету Берклі (Каліфорнія, США) успішно відтворили формування меандрів річки басейну Міссісіпі. Створили модель потоку з гравійним руслом у лотку із пологим ухилом 6,1×17 м. Матеріал для зміцнення берегів – паростки люцерни, а матеріал для подання невеликих осадів – 0,25-0,42-міліметрові легкі частинки пластику та пісок. У лотку вирізали 40 см широкий канал з одним вигином у верхній частині, ввімкнули воду, подали пластик і пісок, дали руслу перебудовуватися протягом 136 год (рис. 2.3.20). Це еквівалентно 5-7 рокам панування високої води в річковому потоці. Експеримент зафіксував як формуються і мігрують меандри річки вниз по течії, як впливає рослинність, зокрема люцерна, на уповільнення ерозії, які розміри піску потрібні для формування боковиків та островів. В цьому експерименті виявили, що для створення вигину висока швидкість потоку не має значення, важливішими є стійкі потоки-розливи під час повеней [34].

a

б
Рис. 2.3.20. Лабораторна модель русла в Берклі (США) [34]:
а) зал лабораторії; б) відеофіксація формування меандр

Лабораторні експерименти виконують, щоб з’ясувати фільтраційні властивості ґрунтів. Для вивчення особливостей фільтрації води в ґрунт використовують спеціальні циліндри. Розрізняють фільтрацію у зв’язані та незв’язані (зернисті) ґрунти. У циліндр закладають ґрунт і пропускають через нього воду під деяким тиском. На практиці фільтраційний прилад побудований на використанні двох циліндрів А і Б, з огляду на різницю рівнів води між ними створюється діючий напір Н (рис. 2.3.21, а).

Рис. 2.3.21. Схеми приладів для визначення коефіцієнта фільтрації [23]:

а) для зернистих ґрунтів:
1) досліджуваний ґрунт; 2) сітки для утримання зразка (нижня) і захисту від розмиву (верхня); 3) водовідвідні отвори в підставці; 4) підставка; 5) п’єзометричні трубки; 6) кран подачі води; 7) запасний водозлив; 8) злив, який контролює рівень; 9) мірний циліндр.

А – скляний циліндр меншого діаметра; Б – більший циліндр; Н – діючий напір; 

б) для різного типу ґрунтів

Під час експериментів вимірюють витрати води, яка профільтрувалась крізь ґрунт, час, за який вона пройшла, і величину гідравлічного градієнта. Градієнт J обчислюють за формулою J =H/L, де Н – витрата води; L – величина зразка ґрунту (2.3.21, б). Знаючи переріз зразка ω, витрату q і градієнт J, знаходять швидкість ν та коефіцієнт фільтрації k_ф за формулами v = q/ω і k_ф = v/J [23]. Отож, коефіцієнт фільтрації дорівнює швидкості фільтрації води через ґрунт у гідравлічному градієнті, який дорівнює одиниці.

Фільтрацію можна вивчати на поверхні ґрунту та на глибині підорного шару чи ілювіального горизонту.

Для різних типів ґрунтів визначили такі коефіцієнти фільтрації (в м/добу):

• гравій з піском: 150-75;
• пісок великозернистий гравелистий: 100-50;
• пісок великозернистий: 75-25;
• пісок середньозернистий: 25-10;
• пісок дрібний: 10-2;
• супісок: 0,7-0,2;
• суглинок: 0,4-0,005;
• глина: 0,005 і менше.

У лабораторних (і в натурних) умовах виконують дощування зразків ґрунту для вивчення площинних змивів. Використовують невеликі лотки (1-1,5 м) або майданчики (1 м²), на яких укладають ґрунт висотою в 10-15 см, утрамбовують його до потрібної щільності. Поливають, після чого визначають вплив на прояв ерозії ступеня зволоженості, ущільненості й оструктуреності ґрунту, розмиваючі швидкості потоків. У лабораторних умовах вивчають також міцність структурних агрегатів, вплив хімічного складу, фізико-хімічних і фізичних властивостей ґрунтів на їхню протиерозійну стійкість. В Україні лабораторні експериментальні дощувальні установки розробили в Одеському гідрометеорологічному інституті у 1950 роках, на яких проводив експерименти Г. І. Швебс. Ці експерименти допомогли йому запропонувати й удосконалити схему структури водно-ерозійного процесу, де він виділив два види водної ерозії: поверхнево-схилову й ярково-руслову. Ярково-руслова ерозія складається з яркової, яка поділяється на лінійний, ступінчастий і багатоступінчастий розмиви, і руслової (різновиди – заплавно-руслові та сельові процеси). Частиною поверхнево-схилової є ерозія розбризкування (крапельна), власне поверхнева та струменева [27, 32].

У лабораторних умовах широко застосовують експерименти з вимірювання показників фізичних властивостей порід: їхньої стійкості до механічних і хімічних впливів, міцності, щільності, вологості, пластичності, водонасиченості тощо, які впливають на розвиток та інтенсивність сучасних морфодинамічних процесів. Під час визначення цих властивостей використовують спеціальні прилади, які ґрунтуються на механічній дії на зразки порід, дії сили тяжіння чи речовини. Найменші зміни у породі фіксують сенсори і передають на екран монітора. Визначають числові значення властивостей порід, які надалі використовують в інженерних і господарських цілях.

Лабораторні експерименти виявляють кількісні параметри динаміки рельєфу, модифікації форм залежно від змін чинників, основні закономірності сучасних морфодинамічних процесів, шляхи їхньої еволюції. Експерименти допомагають практично вирішувати багато проблем, які пов’язані з передбаченням змін рельєфу, забезпеченням стійкого його існування.

Запитання для самоперевірки знань

1. Як поділяють сучасні екзогенні процеси?
2. Які процеси вивчають стаціонарними методами?
3. Назвати види досліджень експедиційними методами.
4. Які Ви знаєте камеральні методи вивчення сучасної динаміки рельєфу?
5. Що таке натурні експерименти? Що з їхньою допомогою вивчають?
6. Які процеси і як вивчають методами лабораторних експериментів?

Бібліографія

Основна

1. Мізерський В. Динамічна геологія (загальна геологія): навч. посібник / пер. з пол. Володимир Мізерський; пер. Роман Смішко. – 2-ге вид., випр. – Львів: ВЦ ЛНУ ім. І. Франка, 2011. – 354 с. – ISBN 9789666139125
2. Сіренко І.М. Динамічна геоморфологія / І.М. Сіренко. – Львів: ВЦ ЛНУ ім. І. Франка, 2003. – 224 с.
3. Спиридонов А.И. Изучение современной динамики рельефа // Основы общей методики полевых геоморфологических исследований и геоморфологического картографирования / А.И. Спиридонов. – Москва: Высш. школа, 1970. – С. 205-216.

Допоміжна

4. Ананьев Г. С.Динамическая геоморфология. Формирование вершинных поверхностей / Г.С. Ананьев. – Москва, 1976.
5. Байрак Г. Інтерпретація морфодинамічних процесів / Г. Байрак, Б. Муха // Дистанційні дослідження Землі: навч. посібник – Львів: Вид. центр ЛНУ ім. І. Франка, 2010. – С. 504-508.
6. Байрак Г.Р. Динаміка процесів і природокористування рівнин заходу України (на підставі різночасової аерокосмоінформації) / Г.Р. Байрак // Аналіз рельєфу і природокористування рівнин заходу України за аерокосмічними даними: монографія. – Львів: ВЦ ЛНУ ім. І. Франка, 2007. – С. 227-274.
7. Болюх О.И. Стационарное изучение плоскостного смыва в Предкарпатье / О.И. Болюх, А.П. Кинаш, М.Г. Кит, Я.С. Кравчук – Львов: Вища школа, 1976. – 114 с.
8. Воскресенский С. С. Динамическая геоморфология. Формирование склонов / С.С. Воскресенский. – Москва, 1971.
9. Гафуров А.М. Оценка интенсивности склоновой эрозии методом наземного лазерного сканирования // Аммосов – 2014: cборник материалов всероссийской научно-практической конференции.
10. Глотов В. Аналіз можливостей застосування безпілотних літальних апаратів для аерознімальних процесів / В. Глотов, А. Гуніна // Фотограмметрія, геоінформаційні системи та картографія. Cучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Вип. ІІ(28), 2014. – С. 65-70.
11. Горшков С.П. Экзодинамические процессы освоенных территорий / С.П. Горшков. – Москва: Недра, 1982. – 286 с.
12. Грубрин Ю.Л. Современные геоморфологические процессы на территории Среднего Приднепровья / Ю.Л. Грубрин, Э.Т. Палиенко. – Киев: Наук. думка, 1976. – 118 с.
13. Динамическая геоморфология / Под ред. Г.С. Ананьева, Ю.Г. Симонова, А.И. Спиридонова. – Москва: Изд-во МГУ, 1992.
14. Захаров Н.В. Защита почв от эрозии: учебно-методический комплекс / Н.В. Захаров. – Ульяновск: ГСХА, 2009. – 235 с.
15. Звіт про інженерно-геологічне вивчення “Узагальнення матеріалів по вивченню ЕГП по території діяльності підприємства та інженерно-геологічне довивчення території Львівської і частково Закарпатської областей для геологічного забезпечення УІАСНС” Кн. 1. Номер державної реєстрації робіт з геологічного вивчення надр У-01-235/5 – Львів: ДП “Західукргеологія”, 2006. – 327 с.
16. Карта распространения экзогенных геологических процессов территории Украины (М-б 1: 500 000) / Гл. ред. Н.М. Гавриленко. – Киев: ГГП Геопрогноз, 1995.
17. Клавен А.Б. Экспериментальные исследования и гидравлическое моделирование речных потоков и руслового процесса /А.Б. Клавен, З.Д. Копалиани. – Санкт-Петербург: Нестор-История, 2011. – 504 с.
18. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмические исследования динамики географических явлений / Ю.Ф. Книжников, В.И. Кравцова. – Москва: Изд-во Москов. ун-та, 1991. – 205 с.
19. Ковальчук И.П. Стационарные исследования экзогенного рельефообразования в Украине // Рельеф и экзогенные процессы гор. Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геогр. наук, проф. Л.Н. Ивановского. – Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2011. – Т. 1. – С.113-116.
20. Ковальчук І.П. Регіональний еколого-геоморфологічний аналіз. – Львів: Інститут українознавства, 1997. – 440 с.
21. Ковальчук І.П. Стаціонарні, напівстаціонарні та експериментальні дослідження ерозійних процесів. – Львів: Вид-во Львів. ун-ту, 1992. – 72 с.
22. Косик Л. Результати стаціонарних та напівстаціонарних досліджень сучасних екзогенних геоморфологічних процесів в Українському Розточчі / Л. Косик // Вісник Львів. ун-ту. Серія географічна. – 2007. – Вип. 34. – С. 135-141.
23. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии / Н.Н. Маслов. – Москва: Высш. школа, 1968. – 622 с.
24. Палієнко В.П. Методи вивчення динаміки рельєфу / В.П. Палієнко, Р.О. Спиця // Морфоструктурнонеотектонічний аналіз території України. – Київ: Наук. думка, 2013. – С. 53–57.
25. Панов Д.Г. Динамическая геоморфология / Д.Г. Панов // Общая геоморфология. – Москва: Высш. школа, 1966. – 428 с.
26. Садов А.В. Изучение экзогенных процессов аэроландшафтным методом / А.В. Садов. – Москва: Недра, 1978. – 151 с.
27. Світличний О.О. Основи ерозієзнавства: підручник / О.О. Світличний, С.Г. Чорний. – Суми: Університетська книга, 2007. – 266 с.
28. Симонов Ю.Г. Методы изучения динамики рельефа / Ю.Г. Симонов // Геоморфология. Методология фундаментальных исследований. – Санкт-Петербург: Питер, 2005. – С. 223-283.
29. Сучасна динаміка рельєфу України / В.П. Палієнко, А.В. Матошко, М.Є. Барщевський, Р.О. Спиця, С.В. Жилкін, Г.В. Кучма, Г.В. Романенко, Л.Ю. Чеботарьова та ін. – Київ: Наук. думка, 2005. – 267 с.
30. Толстых Е.А. Методика измерения количественных параметров экзогенных геологических процессов / Е.А. Толстых. – Москва: Недра, 1984.
31. Хомын Я. Б. Стационарные исследования динамики денудационных процессов на юго-западных склонах Украинских Карпат: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. геогр. наук / Я.Б. Хомын – Львов, 1992. – 24 с.
32. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения / Г.И. Швебс. – Киев; Одесса: Вища шк., 1981. – 223 с.
33. Экспериментальная геоморфология. Вып. II / Под ред. проф. Н.И. Маккавеева – Москва: Изд-во МГУ, 1969. – 178 с.
34. Alfalfa sprouts hold the line on meandering streams
35. Avulsion Contro Experiment using a Full-scale Levee at the Chiyoda Experimental Channel on the Tokachi River
36. MARS Experiments: Low Flows in Nordic Rivers
37. Selby MJ. 1982. Hillslope Materials and Processes. Oxford University Press: Oxford; 264.
38. Total Environment Simulator at The Deep