Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

USING THE POSTULATES OF FORMAL KINETICS TO DESCRIBE THE PROCESS OF SURFACE WATER EROSION

Melnikova E.A. 1 Lukashov S.V. 1
1 Bryansk State Engineering-Technological University
В настоящей работе сделана попытка интерпретировать процессы водной эрозии с помощью постулатов формальной химической кинетики. Целью настоящей работы являлось исследование зависимости динамики склонового стока для построения кинетических кривых, описывающих процесс поверхностной эрозии. Показано, что взаимодействующими компонентами в эрозионном процессе можно считать подвергающийся эрозионному воздействию грунт, «исходное вещество», и эродированный, «продукт процесса». Обосновано, что построение кинетической модели смыва грунта под воздействием водного потока опирается на анализ предполагаемого механизма процесса и составление его схемы. Как любой физико-химический гетерогенный процесс, водная эрозия включает три одновременно протекающих стадии: перенос реагирующих веществ в зону реакции; химическое взаимодействие в зоне реакции; отвод продуктов реакции из зоны реакции. Самой медленной стадией процесса является смыв грунта, так как подвергающийся эрозионному воздействию грунт изначально находится в зоне воздействия водного потока. Исследована динамика зависимости склонового стока от времени, при этом установлено, что взаимодействие почвогрунтов с водой является лимитирующей стадией процесса и, следовательно, лежит в кинетической области. Предложена кинетическая модель описания эрозионного процесса грунта, в основе которой лежат постулаты формальной химической кинетики. Проведены исследования динамики склонового стока на песчаных и глинистых почвогрунтах. Для полученных экспериментальных данных построены линеаризованные графики динамики склонового стока. Хорошее схождение результатов расчетов с опытными данными при оценке процесса поверхностной эрозии на основе кинетической модели позволяет рекомендовать предлагаемую методику для прогнозирования эрозионных процессов.
In this paper, an attempt is made to interpret processes water erosion using postulates formal chemical kinetics. The aim of this work was to study dependence slope flow dynamics for construction of kinetic curves describing process surface erosion. It is shown that interacting components in erosion process can be considered to exposed erosion soil, «starting material», and eroded, «product of process.» It is proved that construction of kinetic model soil flushing under influence of water flow is based on analysis proposed mechanism process and preparation of its scheme. Like any physical and chemical heterogeneous process, water erosion involves three simultaneous stages: transfer of reactants to reaction zone; chemical interaction in reaction zone; removal of reaction products from reaction zone. The slowest stage of process is flushing of soil, since soil exposed to erosion is initially in zone of water flow. The dynamics dependence of slope runoff on time was studied, and it was found that interaction of soils with water is limiting stage of process and, consequently, lies in kinetic region. The kinetic model description soil erosion process, which is based on the postulates of formal chemical kinetics, is proposed. Studies dynamics of slope runoff on sandy and clay soils were carried out. For the experimental data obtained, linearized graphs of the slope flow dynamics are constructed. A good convergence of calculation results with experimental data in assessment surface erosion process based on kinetic model allows us to recommend the proposed method for predicting erosion processes.
water erosion
chemical kinetics
slope runoff
dynamics
rate of chemical reaction
reaction order
heterogeneous process

Водная эрозия – один из основных рельефообразующих факторов на земной поверхности. Интенсивность эрозионных процессов растет с каждым годом. Стремительно увеличиваются территории, подверженные разрушающему воздействию водной эрозии. Снижение негативного действия водной эрозии на почвенный покров – актуальная задача современности, для решения которой в настоящее время используются различные научные подходы и методы, с различной степенью достоверности интерпретирующие процессы водной эрозии [1, 2].

На пахотных землях проявляется в основном поверхностная эрозия, ведущая к обеднению почвы гумусом и питательными веществами [3–5].

Вселенная живет по единым законам. Если предположить, что процессы поверхностной эрозии протекают по законам, аналогичным законам химической кинетики, то их можно использовать для описания и прогнозирования эрозионных процессов.

Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции. Химические реакции, которые протекают в гомогенных системах, называются гомогенными реакциями. Гетерогенные реакции – это химические реакции, которые протекают в гетерогенных системах. Водная эрозия почвогрунтов является гетерогенной реакцией, так как происходит на поверхности раздела фаз [6].

Любой гетерогенный физико-химический процесс можно представить из трех одновременно протекающих стадий: перенос реагирующих веществ в зону реакции; химическое взаимодействие в зоне реакции; отвод продуктов реакции из зоны реакции.

Если самым медленным процессом является подвод реагирующих веществ, то такие процессы идут в «диффузионной области». Если самой медленной стадией процесса является скорость взаимодействия компонентов, участвующих в процессе, то процесс протекает в «кинетической области» [6].

Взаимодействующими компонентами в эрозионном процессе можно считать подвергающийся эрозионному воздействию грунт, «исходное вещество», и эродированный, «продукт процесса». Медленной стадией процесса следует считать смыв грунта, так как подвергающийся эрозионному воздействию грунт изначально находится в зоне воздействия водного потока.

Важнейшие параметры кинетики – скорость и время протекания процесса. В формальной кинетике скорость химической реакции представляется в зависимости только от концентрации реагирующих веществ. Закономерности формальной кинетики позволяют определить кинетические параметры химической реакции [6].

Изменение концентрации от времени выражается кинетической кривой (С = f(τ)). Крутизна кинетической кривой характеризует истинную скорость химической реакции в определенный момент времени. Кроме того, по кинетическим кривым можно определить порядок и константу скорости реакции [6].

Именно эти подходы, по мнению авторов, могут быть использованы при оценке процессов, происходящих при поверхностной эрозии.

Цель исследования: исследование зависимости склонового стока от времени для построения кинетической модели, описывающей процесс поверхностной эрозии почвогрунтов.

Материалы и методы исследования

Для проверки выдвигаемой гипотезы в предпринимаемых исследованиях в качестве основополагающего был использован индуктивный метод, базирующийся на анализе экспериментальных данных, полученных на физической модели процесса водной эрозии. Процесс смыва грунта моделировали, используя лабораторную дождевальную установку типа ЛДУ-1М малых габаритов, которая пригодна для работы в условиях небольших лабораторий [7]. Исследовались почвогрунты, взятые в бассейне р. Сеща Дубровского района.

Результаты исследования и их обсуждение

Построение кинетической модели смыва грунта под воздействием водного потока опирается на анализ предполагаемого механизма процесса и составление его схемы. Схема должна отражать возможные стадии перехода исходного вещества системы – грунт в естественном состоянии – в смытый в результате водной эрозии грунт и учитывать на данном уровне абстрагирования основные характерные черты описываемого процесса.

Предположим, что все изменения в системе «грунт – внешняя среда» происходят в результате взаимодействия только двух обобщенных кинетических единиц – грунт в естественном состоянии и смытый в результате водной эрозии грунт:

G + W→W + W, (1)

где G, W – количество исходного и смытого в результате эрозии грунта.

В качестве параметра концентрации использовался показатель Y, определяемый по формуле [8]:

meln01.wmf (2)

где Wt, Wt+Dt – склоновый сток к моментам времени t и Dt;

∆t – временной интервал, через который производились замеры.

Динамика склонового стока представлена в таблице.

Динамика склонового стока на песчаных и глинистых почвогрунтах

Песчаные почвогрунты (пойма реки Сеща Дубровского района Брянской области

Глинистые почвогрунты (пойма реки Сеща Дубровского района Брянской области

Ω

t

Y

Ω

t

Y

1906

6

0,35

1380

12

0,02

1416

12

0,39

1350

18

0,02

1016

18

0,34

1320

24

0,03

756

24

0,36

1280

30

0,03

556

30

0,33

1240

36

0,03

418

36

0,51

1200

42

0,04

276

42

0,34

1150

48

0,06

206

48

1,06

1090

54

0,09

100

54

0,66

1000

60

0,11

60

60

0,66

900

66

0,14

790

72

0,16

680

78

0,21

560

84

0,21

440

90

0,13

 

390

96

0,34

290

102

0,26

230

108

0,26

Порядок реакции определяли графически. Для этого строили графики в координатах Y – t, llnYl – t, 1/Y – t, 1/Y2– t, соответствующие нулевому, первому, второму и третьему порядкам реакции. Полученные данные представлены на рис. 1 и 2.

melnic1.wmf

Рис. 1. Динамика склонового стока на песчаных почвогрунтах (пойма реки Сеща в Дубровском районе Брянской области)

melnic2.wmf

Рис. 2. Динамика склонового стока на глинистых почвогрунтах (пойма реки Сеща в Дубровском районе Брянской области)

Как видно из данных, представленных на рис. 1 и 2, функции приближаются к линейной форме для зависимостей Y(t) и ΣY(t) в интервале времени 30–50 с, что соответствует нулевому порядку реакции. Нулевой порядок характерен для гетерогенных реакций в том случае, если скорость диффузии реагентов к поверхности раздела фаз меньше скорости их химического превращения. Таким образом, лимитирующей стадией процесса следует считать смыв грунта, так как подвергающийся эрозионному воздействию грунт изначально находится в зоне воздействия водного потока.

Для того, чтобы предсказать изменение объема подвергшегося эрозии грунта в любой момент времени, необходимо определить:

W0 – склоновый сток в начальный момент времени относительно оси отсчета;

WСТ – склоновый сток в момент стабилизации процесса относительно той же оси;

μ – комплексный параметр, характеризующий максимальную удельную скорость изменения количества подвергшегося эрозии грунта.

Для нахождения W0, WСТ, μ необходимо полученные экспериментальные данные, через равные промежутки времени, нанести на график с ординатой Y и с абсциссой Wt. Для нахождения W0, определяющего положение оси отсчета 0–0, нужно задаться сначала значением W0 = 0, а затем, постепенно увеличивая его методом последовательных приближений, добиться на графике совершенной линейной зависимости Y от Wt.

После преобразования кривых изменения количества подвергшегося эрозии грунта прямую линию продолжают до пересечения с осью абсцисс и осью ординат. На оси ординат получится отрезок, численно равный meln04.wmf, а на оси абсцисс – отрезок WСТ. Зная временной интервал ∆t, можно найти meln05.wmf [9]. Полученные данные для песчаных и глинистых почвогрунтов представлены на рис. 3.

melnic3a.wmf melnic3b.wmf

а) б)

Рис. 3. Линеаризованные графики зависимости динамики склонового стока: а) песчаные почвогрунты, б) глинистые почвогрунты

Как видно из данных, представленных на рис. 3, совершенная линеаризация кинетических кривых изменения объема различных почвогрунтов, подвергшихся эрозии, свидетельствует о возможности описания процесса кинетическими моделями.

В течение всего периода протекания процесса эрозии μGm, W0 не изменяются и могут использоваться для определения координат кинетической кривой, характеризующей эрозионный процесс, используя зависимость

meln06.wmf (3)

где W∞ – максимальный склоновый сток, который может наблюдаться в результате эрозионного процесса.

meln07.wmf (4)

Продолжительность протекания процесса эрозии до полного затухания можно определить по зависимости [10, 11]:

meln08.wmf, (5)

где Wk – склоновый сток в конце временного периода;

WСТ – склоновый сток в стационарном периоде процесса.

Если принять Wk/WСТ = n, а n = 0,95, так как при n > 0,95 продолжительность процесса увеличивается, а интенсивность резко снижается, то можно прогнозировать продолжительность протекания исследуемого процесса. Оптимальное значение n следует устанавливать в каждом конкретном случае (в зависимости от условий протекания процесса и поставленных задач).

После некоторых преобразований зависимость (5) приобретает вид

meln09.wmf (6)

Выводы

1. В процессе проведенных исследований установлено, что постулаты формальной химической кинетики могут быть использованы для описания процессов водной эрозии почвогрунтов.

2. Предложена кинетическая модель описания эрозионного процесса грунта, в основе которой лежат постулаты формальной химической кинетики.

3. Хорошее схождение результатов расчетов с опытными данными при оценке процесса поверхностной эрозии позволяет рекомендовать методику, основанную на кинетических моделях для прогнозирования эрозионных процессов.