Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока

Заключение

1. На основе натурных наблюдений и эмпирико-статистического моделирования разработаны специфические аспекты гидродинамики склоновых водотоков. В частности выявлено: а) зависимость динамических характеристик от погодно-климатических условий года, агрофона, морфометрии склона и гранулометрического состава почв. От года к году значимость влияния факторов меняется; б) критические величины числа Рейнольдса и касательных напряжений не должны быть фиксированными, а должны зависеть от погодно-климатических условий и состояния подстилающей поверхности; в) при анализе касательных напряжений в потоке необходим учет вязкостного трения. Несмотря на относительно малые величины его влияние на смыв и транспортировку наносов в некоторых случаях значительнее, чем турбулентного трения, особенно при малой мутности воды; г) наличие турбулентного режима еще не означает интенсивный размыв почвы, в то время как наличие бурного состояния потока сопровождается интенсивным размывом склона т.к. при турбулентном режиме бурное состояние наблюдается в 52-53% случаев; д) гидравлические сопротивления в склоновых водотоках формируются, в основном, за счет местных факторов; е) диапазон изменения диссипации энергии в склоновых водотоках превосходит те же величины для рек, что говорит о более интенсивном переходе здесь механической энергии в тепловую и др.

2. Разработаны эмпирико-статистические модели для расчета основных гидродинамических характеристик склоновых водотоков.

3. На основе натурных наблюдений и эмпирико-статистического моделирования разработаны специфические аспекты гидрохимии склоновых водотоков: а) состав воды склоновых водотоков естественного происхождения гидрокарбонатно-кальциевый, а стока при орошении – сульфатно-натриевый и сульфатно-кальциевый; б) выявлена зависимость содержания веществ в воде склоновых водотоков от погодно-климатических особенностей года, агрофона, характеристик почв и морфометрии склонов.

4. Разработаны эмпирико-статистические модели расчета содержания химических элементов в воде склоновых водотоков.

5. Разработаны модели, показывающие наличие взаимосвязи между гидродинамическими характеристиками склоновых водотоков и содержанием веществ в воде склоновых водотоков: а) рассмотрен вопрос о границах агрессивного состава воды для почв; б) выдвинута гипотеза о существовании двух механизмов химического воздействия воды на ложе ручейка, что связано с изменением структуры воды при изменении её минерализации. Для талого стока и стока при орошении механизмы химического воздействия различны; в) предложены эмпирико-статистические модели.

6. Разработана концепция формирования эрозионно-аккумулятивного рельефа склонов, как результат взаимодействия гидродинамических и гидрохимических процессов: а) склон по длине можно разделить, по меньшей мере, на 4-е зоны (зона концентрации стока, зона начала размыва склона, зона отложения наносов, зона критического размыва); б) в верхней части склона большее влияние на размыв оказывает химическая составляющая, а в нижней – динамическая составляющая; в) основным рычагом процесса размыва склона является лавинообразное поступление воды на водосбор, вследствие чего возникают прерывные волны с обрушенным фронтом, вызывающие пульсации энергии по длине потока и как следствие изменение в зонах с максимальной пульсацией всех гидродинамических и гидрохимических показателей потока.

7. Разработаны способы прогнозирования эрозионно и экологически опасных ситуаций на склонах: а) для прогнозирования мест на склоне где наиболее вероятен размыв почвы целесообразно использовать методы оптимизации (математическое программирование); предложен метод расчета допустимости сочетания агрофонов на склонах по изменению динамической скорости потоков.

8. Разработаны методики расчета основных гидрологических характеристик склоновых водотоков, формирующихся при снеготаянии и ливнях.

Поведенные исследования позволяют рекомендовать дополнить существующую систему проектирования противоэрозионных сооружений на склонах в системе организации территории землепользования следующими положениями:

1.Размещение первого сооружения и последующих на склоне необходимо проектировать выше места концентрации стока, а не на нем как это делается сейчас. Поскольку в этом месте наиболее вероятен размыв грунта и разрушение сооружения.

2.Расстояния между сооружениями необходимо назначать с учетом химического состава воды, так как на коротких участках склона, которые создаются при строительстве сооружений, химическая составляющая более может оказаться более значимой, чем динамическая.

3. Необходимо учитывать планируемый на данной территории севооборот и соответствующую ему систему удобрений, т.к. внесение удобрений способствует повышению выщелачивания веществ и будет влиять на устойчивость сооружений.

4. Чередование агрофонов на склоне должно соответствовать допустимому изменению гидродинамических характеристик водотоков, так чтобы переход от одного агрофона к другому не сопровождался усилением энергетической активности водотоков.

Результаты исследований позволяют сделать следующий вывод: эрозия почв является не только механическим процессом разрушения почв, но также и химическим процессом разъедания почвы водой. Причем, для приводораздельных элементов рельефа химическая составляющая может быть значимее механической, что должно быть учтено при проектировании сооружений на склонах с целью повышения, как устойчивости почв, так и сооружений.

Уточнение системы проектирования противоэрозионных сооружений на склонах позволит как улучшить их устойчивость на склонах, так и решить часть вопросов экологического характера. Будет способствовать общему увеличению стабильности агроландшафтных комплексов на склонах и увеличению их продуктивности.

Список научных работ.

Монографии:

1. Будник С.В., Хильчевский В.К. Гидродинамика и гидрохимия склоновых водотоков.- К.:ИГЛ.:Обрії, 2005.- 367 с.

2. Будник С.В. Ливневый сток со склонов.- Житомир.-2007.-184 с.

Брошюры:

1. Будник С.В. Методические рекомендации по проведению полевых наблюдений за стоком на склонах.-Житомир.-2008.-16 с.

Список статей опубликованных в журналах, рекомендуемых для опубликования материалов докторских диссертаций:

1. Будник С.В. Измерение уклонов водной поверхности временных водотоков на склонах //Почвоведение.- 1999. -№ 5.- С.585-586.

2. Будник С.В. Промерзание и оттаивание почвы при перераспределении химических элементов на склоне.//Аграрная наука.- 2000.-№7.-С.28-29.

3. Будник С.В. Формирование уступов в водороинах на склонах.//Почвоведение. - 2001.- №9.- С.1147-1150.

4. Будник С.В. Агрессивность воды как составляющая эрозионного процесса. //Аграрная наука.- 2002.- №2.- С.8-9.

5.Будник С.В. Генетические особенности стока на склонах.//Аграрная наука.-2002.-№7.-С.19-20.

6. Будник С.В. Оценка параметров турбулентности склоновых водотоков //Водные ресурсы.- 2002.- №3.- С.319-321

7. Будник С.В. Касательные напряжения в склоновых водотоках.//Водные ресурсы.-2002.-№5.-С.583-586.

8. Будник С.В. Изменчивость морфометрических характеристик склоновых водотоков. //Известия РАН, серия географическая.- 2002.- №5.- С.47-51.

9. Будник С.В. Коэффициенты шероховатости и Шези склоновых водотоков. // Гидротехническое строительство.- 2003.- №8.- С.51-53.

10. Будник С.В.Оценка режима склоновых водотоков при ливнях //Почвоведение.- 2003.- № 6.- С.740-745.

11. Будник С.В. Мутность воды в склоновых водотоках при ливнях.//Водные ресурсы.-2004. №4.- С.431-435.

12. Будник С.В. Динамика характеристик атмосферных осадков при ливнях.//Аграрная наука.-2006.-№3.-С.28-30.

13. Будник С.В. Миграция веществ с поверхностным стоком при снеготаянии. //Агрохимия .- 2006.- №5.- С.70-77.

14. Будник С.В. Вязкостное трение в склоновых водотоках при ливнях.//Почвоведение, -2007.- №2.- С.208-214.

15. Будник С.В. Миграция веществ в склоновых водотоках при ливнях.//Аграрная наука,-2008.- №3.- С.25-27.

16. Будник С.В. Изменение глубины воды по длине склона при снеготаянии.// Гидротехническое строительство,- №2.-2009.- С.24-27.

Статьи, опубликованные по теме диссертации в других изданиях:

17. Будник С.В., Малютяк В.Т. Оценка сочетаний вариантов организации территории и агротехники на основе анализа гидродинамических характеристик временных водных потоков.// Вiсник аграрноi науки.- 1997.-N7.- С.9-13

18. Будник С.В.,Хильчевский В.К.Аспекты рельефообразования на склонах в системе элементов организации территории землепользования./В.сб.:Картография та вища школа.-Вип.4.-2000.-С.64-68.

19. Будник С.В. Гидродинамические особенности склоновых водотоков // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія.- 2000.- Т.1.-С.131-134.

20. Будник С.В. Методы анализа некоторых особенностей морфометрии склонов // Картографія та вища школа.- 2001.-Вип.5.-С.80-84.

21. Будник С.В. Кинетичность временных водотоков на склонах // Культура народов Причерноморья.- 2001.-Вып.21.С.11-13.

22. Будник С.В. Оценка режима склонового стока при снеготаянии // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія.- 2001.- Вип.2.- С.279-282.

23. Будник С.В. Совершенствование системы проектирования элементов организации территории землепользования с привлечением ГИС-технологий. // Картографія та вища школа.- 2001.- Вип.6.-С.34-37.

24. Будник С.В. Аспекты совершенствования системы мер по защите почв от эрозии // Вісник аграрної науки південного регіону.- Одеса:СМИЛ.-2001.-Вип.2.-С.21-23.

25. Будник С.В. Миграционные процессы на склоне. Экологическая безопасность и устойчивость техногенных ландшафтных структур // Зб.тр.:Захист довкілля від антропогенного навантаження.- 2002.- Вип.6.-С.18-29.

26. Будник С.В. Агрессивность водных растворов, почвы и миграция веществ на склонах.//В зб.:Людина і довкілля: проблеми неоекології.- Харків.-2002.- Вип.3.- С.37-42.

27. Буднік С.В. Хільчевський В.К. Особливості моделювання гідрохімічних процесів у воді склоновых водотоків. // Вісник Київського університету.- Географія.- 2002.- Вип.48.- С.32-34.

28. Будник С.В. О критических касательных напряжениях в склоновых водотоках при снеготаянии.// Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2002.- вип.3.- С.112-115.

29. Будник С.В. Коэффициенты шероховатости склоновых водотоков // В зб.:Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія.- 2002.- Вип.4.-С.64-68.

30. Буднік С.В. Розпластаність і стійкість русел схилових водотоків // Водне господарство України.- 2002.- №5-6.-С.18-22.

31. Будник С.В.Диссипация энергии в склоновых водотоках // Культура народов Причерноморья.- 2002.- вип.36.- С.200-205

32. Буднік С.В. Гідравлічні та гідрохімічні особливості стоку при зрошенні // Водне господарство України, 2003. №5-6. С.28-32

33. Будник С.В. Дифференциация склона по характеру эрозионных форм и факторам, определяющим размыв./Матеріали міжн.конф. “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища- 2002”.- Одеса.-2003.- С.53-58.

34. Будник С.В. Некоторые принципы размещения противоэрозионных сооружений на склонах с учетом их пространственной устойчивости /В зб.:Агрохімія і почваознавство.- 2002.- вип.63.- С.103-110

35. Будник С.В. Мутность воды в склоновых водотоках при снеготаянии // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія.- Вип.5.- 2003.-С.65-72.

36. Будник С.В. Применение методов оптимизации при прогнозировании размыва склона. // Картографія та вища школа.- 2003.- Вип.8.- С.95-97.

37. Будник С.В. Прогнозирование эрозионно и экологически опасных ситуаций на склоне.// Фізична географія та геоморфологія.- 2003.- №44.- С.83-87.

38. Будник С.В. Методика проведения полевых наблюдений за стоком на склонах.// Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія.- 2004.-Вип.6.-С.31-39.

39. Буднік С.В. Взаємозв’язок гідрохімічних та гідродинамічних характеристик схилового стоку при сніготаненні // Водне господарство України, 2004. №1-2. С.15-20.

40. Буднік С.В. Взаємодія гідравлічних і гідрохімічних характеристик схилоового стоку при зливах, та критичні величини вмісту речовин у воді водотоків. // Водне господарство України.- 2004.- №5-6.- С.33-39.

41. Будник С.В. Определение потенциального стока и смыва со склонов при ливнях. //Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2005.- Том 7.- С.173-182.

42. Буднік С.В. Підходи до прогнозування эрозионно та екологічно небезпечних ситуацій в агроландшафтах схилів. // Зб.наукових праць Інституту землеробства УААН. - 2005.- Спецвипуск.- С.38-42.

43. Будник С.В. Динамика характеристик подстилающей поверхности при ливнях. // Ґрунтознавство .- 2005.-№1-2.-С.89-98.

44. Будник С.В. Взаимодействие гидродинамических и гидрохимических факторов склонового стока.// Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія.- 2006.-Вип.9.- С.38-48.

45. Будник С.В. Определение расстояний между стокорегулирующими рубежами в проектах почвозащитной системы земледелия.// Ґрунтознавство, Т.7.-№3-4, 2006.-Київ-Дніпропетровськ, С.67-71.

46. Буднік С.В. Міграція речовин на схилах при сніготаненні.// Водне господарство України.-2007.-№1.-С.53-58.

47. Budnik S.V. Sediment runoff slopes at storm.// Proceedings of the tenth International symposium on river sedimentology.-Moscov.-2007.-V.1.-P.156-162.

48. Будник С.В. Оптимизация агроландшафтов. –Житомир.-2007.-311 с. (учебное издание).

49. Будник С.В. Скорость движения воды по склону при снеготаянии.// Культура народов Причерноморья.-Симферополь.-2007.-Вып.116.- С. 97-100.

50. Будник С.В. Скорость движения воды по склону при снеготаянии. // Ученые записки Тав-рического национального университета им.В.И.Вернадского.- Т.20 (59).-№2.-серия география.-2007.- С.316-321.

51. Будник С.В. Скорость движения воды в склоновых водотоках и время добегания воды по склону при ливнях. /В сб.: Геоэкологические проблемы современности.-Владимир-Москва, 2008.-49-50 с.

52. Будник С.В. Касательные напряжения и мутность воды в склоновых водотоках при снеготаянии.// Культура народов Причерноморья, Симферополь.- 2009.- №151,-С.94-101.
Тезисы докладов на конференциях:

1. Буднік С.В. Міграція біогенних елементів у поверхневому шарі грунту під час сніготанення /Матеріали конференції “Сталий розвиток агроекосистем в умовах обмеженого ресурсного забезпечення”.- К.: ІАтаБ УААН.- 1998.-С.18-19.

2. Буднік С.В. Ерозійно-акумулятивний процес та агресивні властивості води / Матеріали практич. семінару “Вчимося господарювати”.- ІЗ УААН Чабани.- Ч.II.- 1999.- С.16-17.

3. Будник С.В. Использование методов анализа временных рядов при изучении некоторых особенностей морфологии склонов // Матеріали ГІС-Форуму.- Київ.-2000.-С.112-114.

4. Будник С.В. Касательные напряжения в склоновых водотоках при снеготаянии. /Тези доповіді до VI з’`зду грунтознавців та агрохіміків (м.Умань) у спец. вип. Зб.”Агрохімія і ґрунтознавство”.- Кн.3.- 2002.- С.19-20.

5. Будник С.В. Дифференциация склона по характеру эрозионных форм и факторам, определяющим размыв./Тези доповіді міжн.конф. “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища- 2002”.- Одеса.-2002.- С.187-188.

6. Будник С.В. Совершенствование методов и методологии эрозионных исследований // Труди наук.-практ. конф. «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод», м.Миргород.- К.:Знання.-2003.- С.73-76.

7. Будник С.В. Взаимодействие гидрохимических и динамических характеристик стока на склонах при снеготаянии//Тези II всеукр.конф. “Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія”.Київ.- 2003.-С.93-94.

8. Будник С.В. Мутность воды в склоновых водотоках. // Тезисы докладов VI Всеросийского гидрологического съезда . Секция 6. «Проблемы руселовых процессов, эрозии и наносов».- С-Пб.: Гидрометиздат.- 2004 г.- С.109-111.

9. Будник С.В. Определение расстояний между стокорегулирующими рубежами в проектах почвозащитной системы земледелия. //Тези доповідей міжнародної конференції «Проблеми лісової рекультивації порушених земель України».- Дніпропетровськ :ДНУ.- 2006.- С.101-102.

10.Будник С.В. Взаимодействие факторов образования склонового стока и смыва.// Тези III всеукраїнської наукової конференції «Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія».-К.-2006.-22-23.

11. Будник С.В. Склоновый сток в системе мониторинга чрезвычайных ситуаций./ Материалы Всеукраинской научной конференции «Мониторинг природных и техногенных сред».- Симферополь.-2008.-С.31-33.

12. Будник С.В. Влияние характеристик ливней на сток наносов со склонов.// Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Наукові дослідженя: теорія та експеримент -2008».- Полтава.- 2008.- С.93-94.

13. Будник С.В. Глубина воды в склоновых водотоках при снеготаянии./ XXIII Совещание Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов,- Калуга -2008.- C.100-101.

14. Будник С.В. Эрозионно-экологические аспекты устойчивого развития территорий в контексте смены климата.// Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Розвиток наукових досліджень «2008», секція «Землевпорядкування».-Полтава 2008.-С.-15-16.
Аннотация. Будник С.В. Оценка взаимодействия гидрохимических и гидродинамических факторов склонового стока. Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук. Специальность 25.00.27 – гидрология, гидрохимия, водные ресурсы. Воронеж. 2009 г.

Рукопись содержит теоретические и эмпирические обобщения по проблеме склонового стока и смыва. Рассматриваются факторы формирования стока и смыва растворенных и взвешенных веществ со склонов. На основе материалов полевых наблюдений за формированием талого, ливневого стока и стока при орошении дается оценка гидродинамических характеристик склонового стока (коэффициенты Шези и шероховатости, числа Рейнольдса и Фруда, турбулентное и вязкостное трение, относительная ширина русела, критерий устойчивости русел, диссипация энергии, масштабы вихрей) и анализируется изменение содержания химических элементов в воде водотоков по длине и уклону склона, агрофону, характеру снеготаяния и др. Выявлено, что в верхней части склона химическая составляющая факторов размыва склона может быть более значимой, чем динамическая. Приводятся критические величины содержания веществ в воде водотоков при которых размыв максимален. Предлагается теоретическая схема размыва склона водотоком по длине. Проведенные исследования позволили предложить методику расчета эрозионной опасности агрофонов на склоне, эмпирические зависимости для расчета расходов и мутности воды и максимальной глубины воды, содержания химических элементов в водотоках по длине склона.

The Abstract. Budnik S.V. The Estimation intercoupling hydrochemical and hydrodynamic factor of slopes flow. The Thesis on competition degree doctor of the geographical sciences.. The Profession 25.00.27 - hydrology, hydrochemistry, water resources. The Voronezh- 2009.

Manuscript contains theoretical and empirical generalizations on problem of slopes flow and soil loss. They Are Considered factors of the shaping the overland flow and soil loss dissolved and weighted material with slope. On base material field observations for snow melt runoff and storm runoff and flow at irrigation is given estimation hydrodynamic features of slopes flow (the factors Chezy and roughnesses, numbers Reynolds and Froude, hydraulic shear stress and shear viscous stress, relative width of the bed , criterion to stability beds, dissipation energy, scales of the curls) and is analysed change the contents chemical element in water flow on length and gradient of the slope, agricultural background, nature snowmelt and is others. Revealled that in higher part of the slope chemical forming factor of the erosion of the slope can be more significant, than dynamic. Happen to the critical values of the contents material in water flow under which erosion maximum. The theoretical scheme of the erosion of the slope flow is offered on length of slope. The Called on studies have allowed to offer the methods of the calculation erosion dangers agricultural background on slope, empirical dependencies for calculation of the expenses and turbidities of water and maximum depth of water, contentses chemical element in flows on length of the slope.