Методи моделювання та експериментів для досліджень проявів водної ерозії

Фізичне (натурне) моделювання та експеримент

Щоб з’ясувати чинники змиву ґрунтів та особливості ерозії, виконують польові та лабораторні експерименти зі штучного дощування. Змінюючи величину дощових крапель, висоту їхнього падіння й інтенсивність поливу, вивчають змив-акумуляцію на тестових майданчиках. У полі такі майданчики розташовують на різних за крутістю і довжиною схилах, різних типах ґрунтів. В лабораторних умовах можливості відтворити природні умови водного стоку значно обмежуються.

В обох випадках дотримуються критеріїв подібності моделі та натури. Під час експериментів моделюють особливості формування ерозійних борозен, руйнування ґрунту краплями дощу, його розмив поверхневими потоками тощо.

Сьогодні виконано багато досліджень з фізичного моделювання ерозії. Ударну дію крапель дощу на ґрунт, процесів краплинної ерозії (або ерозії розбризкування) і змиву ґрунту з використанням штучного дощування вивчали W.D. Ellison (1944, 1947), В.В. Сластіхін (1964), R.S. Palmer (1963), Ц.Є. Мірцхулава (1970), Г.І. Швебс (1968, 1974), А.О. Гаврилиця (1978), B.C. Федотов (1980), М.А. Nearing (1986), І.С. Константинів (1987), A.B. Лавровський (1987), Ю.П. Сухановський (1981, 1999). Так, Н. Гудзон (1974), натягнувши над ріллею під час зливи протимоскітну сітку, довів зменшення змиву зі зменшенням величини крапель. Протиерозійні властивості ґрунтів з використанням гідравлічних лотків різної конструкції досліджували В.Б. Гуссак (1946), Ц.Є. Мірцхулава (1967, 1970), М.С. Кузнєцов (1981). Штучне дощування виконували Г.І. Швебс (1969, 1974), М.І. Ігошин (1982), Г.І. Швебс, О.О. Світличний, С.Г. Чорний (1988), О.О. Світличний (2002). Розмив ґрунту горизонтальним струменем води із заданими характеристиками вивчав Г.В. Бастраков (1980) [5].

Лабораторні експерименти побудовано на визначенні протиерозійної стійкості ґрунтів, ерозійної міцності ґрунту (метод Г.В. Бастракова). В лабораторних умовах змінюють показники макро-, мікроструктури ґрунту, його гранулометричного й гумусного складу, виконують штучне дощування. Експерименти допомагають оцінити протиерозійну стійкість ґрунту за розмивом, руйнацією агрегатів у потоці води та під дією крапель дощу, за розмивом у потоці або в струмені води ґрунтових зразків чи монолітів. Критерієм протиерозійної стійкості є час, який потрібний для повного розмиву заздалегідь визначеного об’єму ґрунту, або інтенсивність такого розмиву за фіксованої швидкості подачі води в лоток. Інколи визначають параметр “швидкості, за якої розпочинається безперервне відривання часток (агрегатів), що призводить до повної руйнації ґрунту” [25].

Уявне математичне моделювання

Уявне математичне моделювання – подання інформації у вигляді формул, системи алгебричних і диференціальних рівнянь, а також нерівностей, матриць, просторових графів. Суть математичного моделювання полягає у розробці числових виразів, які описують параметри водних потоків і характер їхньої дії на земну поверхню. Змінюючи значення вихідних даних, домагаються відтворення параметрів потоків у різних просторових умовах. За допомогою математичних виразів розкриті енергетичні характеристики опадів, критерії ерозії й акумуляції частинок матеріалу, середньої швидкості потоку (формула Шезі), швидкості схилового стікання (за І.К. Срібним, 1987), критерії розмиваючої швидкості потоку, ступеня турбулентності течії (число Рейнольдса), впливи шорсткості поверхні на стік, характеристики витрат наносів (формула В.М. Гончарова, 1962) та ін.

Моделювання ерозійної діяльності тимчасових потоків найбільше розвинулося у 70-80-х роках ХХ ст. В основу моделей було покладено принцип аналізу змін параметрів природного водозбору, які чинять безпосередній вплив на розвиток ярів. Питання фізичного та математичного моделювання ерозії тимчасових потоків розглянуто в працях Є.Ф. Зоріної (1979, 1981), В.Т. Трофімова (1983), В.М. Івоніна (1987). Математичні моделі розвитку ярів у кінці 90-х років запропонував А.Ю. Сидорчук (1998). Просторове моделювання умов зливового змиву та розвитку початкових ерозійних форм виконував О.О. Світличний (1999, 2003, 2010) та його учні. Моделювання водозбірної організації флювіального рельєфу з застосуванням ГІС реалізовував С.В. Костріков (2002, 2006), який своїми дослідженнями підтвердив вплив геоморфологічного компонента середовища на функціонування всієї системи водозбору.

Комп’ютерне моделювання

Процес розв’язування математичної моделі часто виконують за допомогою комп’ютерних середовищ. Комп’ютерне моделювання – це методика, яка побудована на реалізації певної математичної моделі за допомогою сучасних інформаційних технологій. З іншого боку, поняття комп’ютерного моделювання виходить за рамки математичного моделювання, оскільки дає змогу реалізовувати ігрові моделі (наприклад, кліткові автомати, нейронні мережі тощо).

Прикладами просторово-розподілених ерозійних моделей, реалізованих з використанням геоінформаційних технологій, є, зокрема, Лімбурзька модель водної ерозії ґрунту (Limburg Soil Erosion Model – LISEM), яку розробили в Університеті м. Утрехту (Нідерланди), використовуючи можливості пакета просторового моделювання PCRaster (De Roo et al., 1994); просторова реалізація модифікованого варіанта логіко-математичної моделі змиву ґрунту Г.І. Швебса, виконана з використанням пакета PCRaster в Одеському державному університеті ім. І.І. Мечникова (Світличний, 1995); просторова реалізація Модифікованого універсального рівняння втрат ґрунту (RUSLE), виконана у Львівському національному університеті ім. Івана Франка з використанням пакетів ArcView-3.2 та ArcGIS-8.0 (Ямелинець, 2003).

Отже, зважаючи на значне поширення проявів водної ерозії, її вивчення характеризується широким набором різноманітних методів і методик – починаючи від польових стаціонарних і закінчуючи складними математичними моделями та їхнім вирішенням за допомогою комп’ютерних середовищ.