Спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель

Реферат: UA 70268 U UA 70268 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сільського господарства і може використовуватись для кількісного визначення та картографування ерозійної небезпеки, її моніторингу та точного просторового планування оптимальних заходів з охорони земель від водної ерозії. Відомий спосіб визначення опору ґрунтів до розмиву водним потоком, який містить використання спеціального приладу, за допомогою якого горизонтальним струменем води певної потужності розмивають зразок ґрунту глибиною 100 мм наскрізь, при цьому фіксують тривалість розмиву. Силу опору визначають шляхом ділення потужності потоку на швидкість розмиву. [RU № 352216 Способ определения устойчивости почвогрунтов к водной эрозии]. Недоліками даного способу є невідповідність характеристик природного водного потоку та струменя води в приладі, неможливість точного врахування природних властивостей ґрунту в лабораторних умовах, значні трудові витрати і неможливість безпосереднього використання у практиці охорони ґрунтів від ерозії як самостійного способу. Відомо спосіб визначення потенціалу ерозійної стійкості ґрунтів в польових умовах [RU № 2129268 Способ определения потенциала эрозионной стойкости почвоґрунтов в полевых условиях], який передбачає використання в польових умовах приладу, що дозволяє на основі вимірювань об'єму ґрунту, змитого за певний термін часу водним струменем із заданими параметрами, розраховувати потенціал ерозійної стійкості ґрунту. Перевагою цього способу є більш точне врахування природних процесів, властивостей та вимірювання об'ємів змитого ґрунту. Головний недолік - похибка розрахунків, яка виникає через те, що спосіб не враховує рельєф, який є важливою складовою ерозійної стійкості земель. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого є спосіб картографування ерозійної стійкості земель [Бастраков, Г.В. Эрозионная устойчивость рельефа и противоэрозионная защита земель [Текст] / Г.В. Бастраков. - Брянск: Изд-во БГПИ, 1993. - 260 с.], що передбачає польові спостереження, вимірювання за допомогою топографічних карт ухилів та довжин ліній активного стоку, розрахунки та картографування кількісних значень показника ерозійної стійкості земель, що розраховують шляхом ділення опору ґрунту до розмиву на потужність водного потоку. При цьому опір ґрунту до розмиву визначають заздалегідь за допомогою спеціального приладу. Недоліками способу є те, що показники ерозійної стійкості при наближенні до вододілу становляться безкінечно великими, показник "лінія активного стоку", що використовується в розрахунках, є недостатньо чітко визначеним, а опір ґрунту до розмиву визначають заздалегідь за допомогою приладу, який використовує штучні струмені води, що відрізняються від природних. На основі узагальнення багаторічного досвіду вивчення процесів ерозії ґрунтів було установлено, що окремі ерозійні параметри ґрунтів неможливо врахувати у практиці проектування ґрунтозахисних заходів. З іншого боку, на окремих земельних ділянках під чорним паром, розташованих на однотипних ґрунтах, з однаковою експозицією схилів кожний з цих параметрів лишається постійним. Тобто ерозійні параметри ґрунту можна врахувати для кожної такої ділянки за допомогою єдиного узагальнюючого коефіцієнта. Для визначення ерозійної небезпеки земель використовують кількісний показник - індекс ерозійної небезпеки, який розраховують шляхом ділення середніх прогнозних швидкостей водних потоків на розмивні для даних ґрунтів швидкості [Куценко М.В. Науково-методологічні засади формування ґрунтозахисних та водоохоронних агроландшафтів (Науково-методичний посібник) [Текст] / М.В. Куценко. - Харків: Вид. "13 типографія", 2006. - 90 с.]. Індекс ерозійної небезпеки земель - це величина зворотна до показника ерозійної стійкості земель, тому за сенсом способи визначення ерозійної стійкості та ерозійної небезпеки земель є аналогами. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу кількісного визначення ерозійної небезпеки схилових земель з урахуванням природної стійкості ґрунтів до водної ерозії, інтенсивності зливів, площ водозборів та ухилів рельєфу, що дає можливість проводити моніторинг та картографування ерозійної небезпеки земель з метою оптимального просторового розміщення протиерозійних заходів на рівні деталізації внутрішньогосподарського землеустрою. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення ерозійної небезпеки схилових земель, який включає польові дослідження, вимірювання за допомогою топографічних карт ухилів, картографування кількісних значень показників ерозійної стійкості земель, згідно з корисною моделлю, при польових спостереженнях додатково визначають за допомогою GPS координати вершин ерозійних рівчаків, найближчих до вододілу, для кожної вершини за допомогою топографічних карт додатково визначають площі водозборів і одержують значення 1 UA 70268 U 5 10 15 20 коефіцієнта ерозійної властивості земель певної точки, узагальнюють значення цього коефіцієнта для кожної досліджуваної ділянки схилових земель, на топографічній карті території, що обстежується, креслять регулярну мережу квадратів, в кожної точці якої визначають площі водозборів, ухили та ерозійну небезпеку при інтенсивності зливи 10 %-ої забезпеченості, за формулою: 0,4 0,3 Ie=Ks(FІ) J , де Іе - індекс ерозійної небезпеки земель; Ks - коефіцієнт, що об'єднує ерозійні властивості земель певної ділянки; F - площа водозбору, м, що замикається створом 10 м; І - інтенсивність зливи, м/с; J - ухил схилу (тангенс кута нахилу), одержані значення показників в кожній точці наносять на карту і отримують карту ерозійної небезпеки земель диференційовану в кожній точці. Відомо, що всі формули для визначення швидкості водних потоків мають однакові показники ступеня в параметрах рельєфу. Параметрами таких формул, що змінюються в межах земельної ділянки є площа водозбору у ступені 0,4, а також ухил у ступені 0,3. Інші показники, що використовують для розрахунку індексу ерозійної небезпеки земель, а саме: розмивна швидкість; коефіцієнт шорсткості; коефіцієнт стоку; ширина замикаючого створу водозбору; коефіцієнт впливу рослинного покриву; коефіцієнт впливу експозиції є постійними в межах кожної окремої земельної ділянки. Тому формула індексу ерозійної небезпеки земель представлено у вигляді: iE  25 30 35 40 45 50 55 V  K s FI0,4 J0,3 VP , (I) де Іе - індекс ерозійної небезпеки земель; v - середня швидкість водного потоку, м/с; vp - розмивна швидкості водного потоку для ріллі, м/с; Ks - коефіцієнт, що об'єднує ерозійні властивості ґрунтів певної земельної ділянки; 2 F - площа водозбору, м ; І - інтенсивність зливи, м/с; J - ухил схилу. Ерозійні рівчаки починаються в місцях, де фактична швидкість водних потоків починає дорівнювати розмивній, тобто значення Іе дорівнює 1,0. Тому коефіцієнт Ks розраховують шляхом визначення інтенсивності зливи (І, м/с), ухилу схилу (J) та площі водозбору, що 2 замикається створом постійної ширини 10 м (F, м ) в вершині ерозійного рівчака (для якої Іе=1,0). Спосіб реалізовано в наступній послідовності: 1. Поблизу досліджуваної території встановлено плювіограф П-2М (сертифікат RU.C.29.001.A № 13835) з тривалістю роботи годинникового механізму 180 годин. 2. Після проходження потужної зливи тривалістю не менше 10 хвилин, або декількох злив, що привели до утворення на полях ерозійних рівчаків за даними плювіографа визначається найбільш потужна інтенсивність зливи за термін спостереження (І) у мм/хв. Вона виявилась 1,2 мм/хв. -5 3. Цю інтенсивність перераховано у м/с: І=1,2/60000=2·10 м/с. 4. На полях з чорним паром, прилеглих до вододільних ділянок за допомогою GPS визначено координати вершин ерозійних рівчаків, найближчих до вододілу. 5. За допомогою цих координат точки вершин ерозійних рівчаків нанесено на топографічну карту (1-8 на Фіг. 1). 6. Для кожної такої точки накреслено площу водозбору, обмежену в нижній частині створом довжиною 10 м, паралельним найближчій горизонталі. При умові наявності рубежів, розташованих на шляху руху водних потоків (лісосмуги, вали, канави) вище вершин ерозійних рівчаків (1-8 на Фіг. 1), площі водозборів (10 на Фіг. 1) креслять до найближчого рубежу (11 на Фіг. 1), а в інших випадках - до вододілу (9 на Фіг. 1). 7. Визначено площу кожного такого водозбору. Одержані дані зведені в Таблицю 1. 8. Визначено ухили схилу в кожній вершині рівчака як тангенси кутів нахилу за найкоротшими лініями, що з'єднують вершини рівчаків (12 на Фіг. 1) з сусідніми горизонталями, які теж наведені в Таблиці 1. 9. Для кожної вершини рівчака розраховано значення коефіцієнта Ks за формулою (1) при умові Іе=1,0. 2 UA 70268 U Таблиця 1 Значення параметрів для розрахунку коефіцієнта Ks № вершини рівчака 1 2 3 4 5 6 7 8 5 10 2 F, м J Ks 1779 1914 2377 1905 2060 1923 1665 1700 0,0714 0,0588 0,0417 0,0556 0,0377 0,0526 0,0526 0,0667 8,4 8,6 8,8 8,9 9,6 8,9 9,4 8,7 № ділянки Ks 1 8,6 2 9,1 10. Розраховано середнє значення Ks для кожної ділянки (див. табл. 1). Для визначення ерозійної небезпеки за довідниковими даними визначено інтенсивність -5 зливи 10 % забезпеченості для досліджуваної території, яка виявилась 3,3·10 м/с. На топографічній карті масштабу 1:10000 досліджуваної території нанесено точки мережі квадратів, в яких накреслено замикаючі створи шириною 10 м та водозбори для цих створів. На Фіг. 2 показані вибіркові точки регулярної мережі (1-15), для яких наведено приклад визначення ерозійної небезпеки земель у таблиці 2 (17 на Фіг. 2). У наведеному прикладі використовувалась мережа квадратів з кроком 30 метрів. Щільність мережі впливає на детальність визначення ерозійної небезпеки земель у просторі. Розраховано площі цих водозборів, ухили схилів та значення індексу ерозійної небезпеки в кожній точці мережі. Результати зведено в Таблицю 2. Таблиця 2 Результат визначення ерозійної небезпеки для вибіркових точок № точки на Фіг. 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2 F, м 1553 1690 2004 1468 2740 1645 1162 1540 1128 6240 8266 3197 1433 3298 1117 J 0,0354 0,0419 0,0772 0,0559 0,0729 0,0398 0,0111 0,0597 0,0301 0,0345 0,0446 0,0603 0,0544 0,0589 0.0486 Іе 1,0 1,1 1,4 1,1 1,5 1,0 0,6 1,2 0,9 1,8 2,1 1,6 1,1 1,6 1,0 15 На основі багаторічного досліду польових спостережень та теоретичних досліджень було складено шкалу оцінки ерозійної небезпеки, що наведено у таблиці 3. 3 UA 70268 U Таблиця 3 Шкала оцінки ерозійної небезпеки земель Інтервали Іе 0,0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 >2,0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Оцінка ерозійної небезпеки Ерозійно-безпечні землі Умовно ерозійно-безпечні землі Допустимо ерозійно-небезпечні землі Ерозійно-небезпечні землі Надмірно ерозійно-небезпечні землі За цією шкалою проведено типізацію точок мережі на карті (Фіг. 3). Для цього кожна точка, для якої значення індексу ерозійної небезпеки для зливи 10 % забезпеченості знаходилось в межах певного інтервалу оцінювальної шкали, розфарбовувалась у колір, що відповідає легенді. Таким чином визначено та показано на карті ерозійну небезпеку земель для чорного пару досліджуваної території - диференційовано в кожній точці регулярної мережі з кроком 30 м та узагальнено у вигляді співвідношення земель за різними категоріями ерозійної небезпеки (Див. Фіг. 3). З використанням шкали та карти оцінки ерозійної небезпеки земель межі робочих ділянок та протиерозійні рубежі рекомендовано проводити по місцях переходу значень Іе через 1,5. Ерозійна небезпека в межах умовно ерозійно-безпечних та допустимо ерозійно-небезпечних земель застерігається завдяки ґрунтозахисним властивостям основних сівозмін. В межах ерозійно-небезпечних земель запропоновано використовувати ґрунтозахисні сівозміни. Надмірно ерозійно-небезпечні землі слід переводити до складу земель консервації. Так на Фіг. 3 видно, що верхня третина схилових земель та землі, прилеглі до суміжної з ділянками лісосмуги, є ерозійно-безпечними і не потребують протиерозійних заходів. Ерозійна небезпека виникає приблизно з середини ділянок, причому східна ділянка характеризується значно більшою ерозійною небезпекою, що пояснюється концентрацією водного стоку в улоговині (див. Фіг. 2). На ерозійно-небезпечних землях доцільно використовувати ґрунтозахисні сівозміни. Суттєвою перевагою способу визначення ерозійної небезпеки схилових земель перед відомими моделями прогнозування змиву є можливість широкого практичного застосування в умовах кількісної невизначеності чинників ерозії для конкретних територій. Спосіб можна широко використовувати для кількісної оцінки, картографування та моніторингу ерозійної небезпеки земель, визначення потреб у протиерозійних заходах, оптимального розташування таких заходів на конкретних сільськогосподарських полях та контролю за охороною земель від водної ерозії. На відміну від інших цей спосіб враховує ґрунтозахисну дію протиерозійних рубежів. Суттєвими його перевагами перед іншими є простота практичної реалізації та універсальність. Ефективність застосування даного способу значно підвищується при умові використання сучасних комп'ютерних технологій. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель, який включає польові дослідження, вимірювання за допомогою топографічних карт ухилів, картографування кількісних значень показників ерозійної стійкості земель, який відрізняється тим, що при польових спостереженнях додатково визначають за допомогою GPS координати вершин ерозійних рівчаків, найближчих до вододілу, для кожної вершини за допомогою топографічних карт додатково визначають площі водозборів і одержують значення коефіцієнта ерозійної властивості земель певної точки, узагальнюють значення цього коефіцієнта для кожної досліджуваної ділянки схилових земель, на топографічній карті території, що обстежується, креслять регулярну мережу квадратів, в кожній точці якої визначають площі водозборів, ухили та ерозійну небезпеку при інтенсивності зливи 10 %-ої забезпеченості, за формулою: 0,4 0,3 Ie=Ks(FІ) J , де Іе - індекс ерозійної небезпеки земель; Ks - коефіцієнт, що об'єднує ерозійні властивості земель певної ділянки; 2 F- площа водозбору, м , що замикається створом 10 м; 4 UA 70268 U I - інтенсивність зливи, м/с; J - ухил схилу (тангенс кута нахилу), одержані значення показників в кожній точці наносять на карту і отримують карту ерозійної небезпеки земель, диференційовану в кожній точці. 5 UA 70268 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6