geomorfГеоморфология и палеогеографияGeomorfologiya i Paleogeografiya2949-17892949-179710.31857/S2949178923010085geomorf-1642Research ArticleНаучные сообщенияShort communicationsЭкспериментальная оценка механизма размыва в начальной стадии формирования оврагаExperimental estimate of erosion mechanism at the early stage of gully formationhttps://orcid.org/0000-0003-0979-8007ЛарионовГ. А.LarionovG. A.larionov425@mail.ruКрасновС. Ф.KrasnovS. F.skras@mail.ruЛитвинЛ. Ф.LitvinL. F.leo-lit@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3694-3919ГоробецА. В.GorobetsA. V.GorobetsAV@geogr.msu.ruКобыльченко (Куксина)Л. В.Kobylchenko (Kuksina)L. V.ludmilakuksina@gmail.comКрючковН. Р.KriuchkovN. R.nrkruychkov@gmail.comМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, МоскваРоссияLomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, MoscowRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, МоскваРоссияLomonosov Moscow State University, Soil Science Faculty, MoscowRussian Federation20231204202354297104Copyright © Ларионов Г.А., Краснов С.Ф., Литвин Л.Ф., Горобец А.В., Кобыльченко (Куксина) Л.В., Крючков Н.Р., 20232023Ларионов Г.А., Краснов С.Ф., Литвин Л.Ф., Горобец А.В., Кобыльченко (Куксина) Л.В., Крючков Н.Р.Larionov G.A., Krasnov S.F., Litvin L.F., Gorobets A.V., Kobylchenko (Kuksina) L.V., Kriuchkov N.R.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://geomorphology.igras.ru/jour/article/view/1642

В работе излагаются результаты и теоретическое обоснование экспериментального исследования механизма и интенсивности размыва в начальной стадии формирования вершин оврагов. Экспериментальная струйная установка позволяет изменять угол атаки струи от 0.5 до 90° при скоростях истечения до 6 м/с. Угол атаки в опытах изменялся с шагом в 10°, скорость течения выдерживалась в диапазоне 1.01–1.04 м/с. Зависимость интенсивности размыва грунта от угла атаки струи характеризуется положительным трендом в диапазоне от нуля до 40°. При более высоких значениях (в диапазоне углов от 50 до 90°) интенсивность последовательно снижается. Наиболее низкие абсолютные значения наблюдались при угле атаки 90°. Предполагаются две основные причины специфики изменения интенсивности размыва почвы и грунта при различных углах атаки потока – гидратационная и гидромеханическая. Первая обусловливает ослабление и разрушение межагрегатных связей проникающей в грунт водой, вторая – сочетанием направления сил гидродинамического напора и сил, удерживающих частицу (агрегат) на месте. Анализ сил, воздействующих на отдельную частицу грунта падающей струей, показывает максимум этого воздействия при угле атаки 41°. Сток в руслах оврагов происходит эпизодически и полученные результаты следует относить к начальному периоду размыва – периоду до образования так называемой воронки размыва.

The article presents results of experiment and its theoretical justification aimed to study the mechanism and intensity of the early stage of gully head formation. The experiment was carried out using the jet installation that allows to change the angle of the water stream from 0.5 to 90° with the flow velocity of up to 6 m/s. The flow angle was changed with a 10° step, while the flow velocity was maintained in the range of 1.01–1.04 m/s. The intensity of soil erosion positively correlates with the flow angles (angles of attack) in the range from zero up to 40°. When the angle was increased to 50–90°, the intensity continuously declined. The lowest absolute values of erosion intensity were observed when the water flow was normal to the soil surface. There are two main reasons why the intensity of soil erosion changes with changing angle of stream flow; the first is hydraulic, the second is hydro-mechanical. The former determines weakening and destruction of inter-aggregate bonds by the water penetrating into the soil; the latter – by the combined vectors of forces of hydrodynamic head and forces keeping the particle (aggregate) in place. The experiment showed that the maximum impact of water jet on a separate soil particle occur at angle of 41°. The flow in a gully happens occasionally and the results obtained should be attributed to the early stage of erosion: the stage before formation of a so called gully headcut.

вершинные уступыскорость размываструйная установкаугол атакигидратациягидродинамика размываgully headcuterosion ratejet installationangle of attackhydrationwashout hydrodynamicsИсследование выполнено за счет гранта РНФ № 22-27-00316, https://rscf.ru/project/22-27-00316. При подготовке модельных образцов использовалась инфраструктура научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева МГУ в рамках темы по госзаданию (№ 121051100166-4)The study was performed within the framework of the grant of the Russian Science Foundation No. 22-27-00316, https://rscf.ru/en/project/22-27-00316/. The preparation of model samples involved the infrastructure of the Makkaveev Research Laboratory of Soil Erosion and Fluvial Processes, Lomonosov Moscow State University within the framework of the state assignment No. 121051100166-4ReferencesАрманд Д.Л. (1948). Обзор экспериментальных методов в геоморфологии // Проблемы физической географии. Т. XIII. М.–Л.: Изд-во АН СССР, С. 37–58.Armand D.L. Revue of experimental methods in geomorphology. Problemy fizicheskoi geografii. Vol. XIII. Moscow–Leningrad: AN SSSR (Publ.), 1948. P. 37–58. (in Russ.)Бастраков Г.В. (1994). Эрозионная устойчивость рельефа и противоэрозионная защита земель. Брянск: Изд-во БГПИ, 260 с.Bastrakov G.V. (1994). Erozionnaya ustoichivostʼ relʼefa i protivoerozionnaya zashchita zemelʼ (Erosion resistance of relief and anti-erosion protection of land. Bryansk: Izd-vo BGPI (Publ.), 260 p. (in Russ.)География овражной эрозии / Е.Ф. Зорина. (2006). М.: Изд-во МГУ, 324 с.Courivaud J.-R., Fry J.-J., Bonelli S. et al. (2009). Measuring the erodibility of soil materials constituting earth embankments: a key input for dams and levees safety assessment. Hydro. 9 p.Золотов А.И. (2005). Оценка эрозионной устойчивости пахотных земель Ульяновского Предволжья с целью их противоэрозионного использования // ХХ пленарное межвуз. координац. совещ. по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Ульяновск, 13–15 октября 2005 г.) / Доклады и краткие сообщения. Ульяновск: УГПУ, С. 40–44.Dabney S.M., Shields F.D.-Jr., Temple D.M., Langendoen E.J. (2004). Erosion processes in gullies modified by establishing grass hedges. Transactions of the ASAE. Vol. 47. No. 5. P. 1561–1571.Косов Б.Ф., Никольская И.И. (1974). Экспериментальные исследования процесса развития оврага // Геоморфология. № 3. С. 39–45. https://doi.org/10.15356/0435-4281-1974-3-39-45Hanson G.J., Cook K.R. (2004). Apparatus, test procedures, and analytical methods to measure soil erodibility in situ. Applied Engineering in Agriculture. American Society of Agricultural Engineers. Vol. 20. No. 4. P. 455–462. https://doi.org/10.13031/2013.16492Кузнецов М.С. Противоэрозионная стойкость почв. М.: Изд-во МГУ, 1981. 135 с.Khalifa M.A., Zahra Kh.A. (2014). Collective Review in Particular Reference to Soil Erosion around Maritime Structures, Effects of the Angle of Wave: Attack on Coastal Areas Formation and Variation on Transport Rates. American Journal of Marine Science. Vol. 2. No. 1. P. 25–32. https://doi.org/10.12691/marine-2-1-4Ларионов Г.А., Бушуева О.Г., Горобец А.В. и др. (2018). Влияние угла атаки на скорость размыва связного зернистого грунта на примере черноземной почвы // Почвоведение. 2018. № 2. С. 253–256. https://doi.org/10.7868/S0032180X18020132Kimiaghalam N., Clark S.P., Ahmari H. (2016). An experimental study on the effects of physical, mechanical, and electrochemical properties of natural cohesive soils on critical shear stress and erosion rate. International Journal of Sediment Research. Vol. 31. P. 1–15. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijsrc.2015.01.001Ларионов Г.А., Бушуева О.Г. Добровольская Н.Г. и др. (2011). Эродируемость модельной почвы различной плотности // Почвоведение. № 8. С. 995–999.Kosov B.F., Nikol’skaya I.I. (1974). Experimental studies of the gully development process. Geomorfologiya. No. 3. P. 39–45. (in Russ.) https://doi.org/10.15356/0435-4281-1974-3-39-45Ларионов Г.А., Бушуева О.Г., Добровольская Н.Г. и др. (2014). Влияние температуры воды и влажности почвы на эродируемость образцов чернозема (модельный опыт) // Почвоведение. № 7. С. 890–896. https://doi.org/10.7868/S0032180X14070107Kuznetsov M.S. (1981). Protivoerozionnaya stoikostʼ pochv (Erosion resistance of soils). Moscow: MGU (Publ.), 1981. 135 p. (in Russ.)Ларионов Г.А., Бушуева О.Г., Добровольская Н.Г. и др. (2016a). Оценка вклада сил негидравлической природы в нарушение связей между почвенными частицами в процессе водной эрозии // Почвоведение. № 5. С. 593–598. https://doi.org/10.7868/S0032180X16050117Larionov G.A., Bushueva O.G., Dobrovol’skaya N.G. et al. (2011). Erodibility of model soils with different densities. Eurasian Soil Science. Vol. 44. No. 8. P. 914–918. https://doi.org/10.1134/S1064229311040065Ларионов Г.А., Добровольская Н.Г., Кирюхина З.П., Литвин Л.Ф. (2008). Влияние взвешенных наносов на эродируемость почв // Почвоведение. № 7. С. 871-876.Larionov G.A., Bushueva O.G., Dobrovol’skaya N.G. et al. (2014). Effect of the water temperature and soil moisture on the erodibility of chernozem samples: a model experiment. Eurasian Soil Science. Vol. 47. No. 7. P. 734–739. https://doi.org/10.1134/S1064229314070096Ларионов Г.А., Литвин Л.Ф., Краснов С.Ф. и др. (2016б). Экспериментальные исследования размыва береговых обрывов и откосов // Геоморфология. № 2. С. 51–58. https://doi.org/10.15356/0435-4281-2016-2-51-58Larionov G.A., Bushueva O.G., Dobrovol’skaya N.G. et al. (2016). Assessing the contribution of nonhydraulic forces to the destruction of bonds between soil particles during water erosion. Eurasian Soil Science. Vol. 49. No. 5. P. 546–550. https://doi.org/10.1134/S1064229316050100Маккавеев Н.И. (1955). Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 346 с.Larionov G.A., Bushueva O.G., Gorobets A.V., et al. (2018). Effect of impact angle on the erosion rate of coherent granular soil, with a chernozemic soil as an example. Eurasian Soil Science. Vol. 51. No. 2. P. 251–254. https://doi.org/10.1134/S1064229318020072Маккавеев Н.И., Хмелёва Н.В., Заитов И.Р., Лебедева Н.В. (1961). Экспериментальная геоморфология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 194 с.Larionov G.A., Dobrovol’skaya N.G., Kiryukhina Z.P., Litvin L.F. (2008). Effect of suspended sediments on soil erodibility. Eurasian Soil Science. Vol. 41. No. 7.Мирцхулава Ц.Е. (1970). Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. М.: Колос, 240 с.P. 768–773. https://doi.org/10.1134/S1064229308070119Courivaud J.-R., Fry J.-J., Bonelli S. et al. (2009). Measuring the erodibility of soil materials constituting earth embankments: a key input for dams and levees safety assessment // Hydro. 2009. 9 p.Larionov G.A., Litvin L.F., Krasnov S.F. et al. (2016). Experimental research of the cliffs and banks washaway. Geomorfologiya. No. 2. P. 51–58. (in Russ.). https://doi.org/10.15356/0435-4281-2016-2-51-58Dabney S.M., Shields F.D.-Jr., Temple D.M., Langendoen E.J. (2004). Erosion processes in gullies modified by establishing grass hedges // Transactions of the ASAE. Vol. 47. No. 5. P. 1561–1571.Makkaveev N.I. (1955). Ruslo reki i eroziya v ee basseine (River channel and erosion in its basin). Moscow: AN SSSR (Publ.), 346 p. (in Russ.)Hanson G.J., Cook K.R. (2004). Apparatus, test procedures, and analytical methods to measure soil erodibility in situ // Applied Engineering in Agriculture. American Society of Agricultural Engineers. Vol. 20. No. 4. P. 455–462. https://doi.org/10.13031/2013.16492Makkaveev N.I., Khmeleva N.V., Zaitov I.R., Lebedeva N.V. (1961). Eksperimental’naya geomorfologiya (Experimental geomorphology). Moscow: Izd-vo Mosk. un-ta (Publ.), 194 p. (in Russ.)Khalifa M.A., Zahra Kh.A. (2014). Collective Review in Particular Reference to Soil Erosion around Maritime Structures, Effects of the Angle of Wave: Attack on Coastal Areas Formation and Variation on Transport Rates // American Journal of Marine Science. Vol. 2. No. 1. P. 25–32. https://doi.org/10.12691/marine-2-1-4Mirtskhulava Ts.E. (1970). Inzhenernye metody rascheta i prognoza vodnoi erozii (Engineering methods of calculation and prediction of water erosion). Moscow: Kolos (Publ.), 240 p. (in Russ.)Kimiaghalam N., Clark S.P., Ahmari H. (2016). An experimental study on the effects of physical, mechanical, and electrochemical properties of natural cohesive soils on critical shear stress and erosion rate // International Journal of Sediment Research. Vol. 31. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2015.01.001Nearing M.A., Bradford J.M., Parker S.C. (1991). Soil Detachment by Shallow Flow at Low Slopes. Soil Science Society of America Journal. Vol. 55. No. 2. P. 339–344. https://doi.org/10.2136/sssaj1991.03615995005500020006xNearing M.A., Bradford J.M., Parker S.C. (1991). Soil Detachment by Shallow Flow at Low Slopes // Soil Science Society of America Journal. Vol. 55. No. 2. P. 339–344. https://doi.org/10.2136/sssaj1991.03615995005500020006xNearing M.A., West L.T., Brown L.C. (1988). A Consolidation Model for Estimating Changes in Rill Erodibility. Transactions of the ASAE. Vol. 31. No. 3. P. 696–700. https://doi.org/10.13031/2013.30769Nearing M.A., West L.T., Brown L.C. (1988). A Consolidation Model for Estimating Changes in Rill Erodibility // Transactions of the ASAE. Vol. 31. No. 3. P. 696–700. https://doi.org/10.13031/2013.30769Osipov V.I. (2014). Physicochemical Theory of Effective Stresses in Soils. Water Resources. Vol. 41. No. 7. P. 801–818. https://doi.org/10.1134/S0097807814070094Osipov V.I. (2014). Physicochemical Theory of Effective Stresses in Soils // Water Resources. Vol. 41. No. 7. P. 801–818. https://doi.org/10.1134/S0097807814070094Zolotov A.I. (2005). Assessment of Erosion Resistance of Arable Lands of the Ul’yanovsk Pre-Volga Region for the Purpose of their Anti-erosion Use. XX plenarnoe mezhvuzovskoe koordinatsionnoe soveshchanie po probleme erozionnykh, ruslovykh i ust’evykh protsessov (Ul’yanovsk, 13–15 oktyabrya 2005 g.). Doklady i kratkie soobshcheniya. Ul’yanovsk: UGPU (Publ.), P. 40–44. (in Russ.)Zorina E.F. (Ed.). (2006). Geografiya ovrazhnoi erozii (Geography of gully erosion). Moscow: Izd-vo MGU (Publ.), 324 p. (in Russ.)Zorina E.F. (Ed.). (2006). Geografiya ovrazhnoi erozii (Geography of gully erosion). Moscow: Izd-vo MGU (Publ.), 324 p. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.