Аэродинамическая характеристика породных отвалов при оценке дефляционных процессов на Курской магнитной аномалии

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ДЕФЛЯЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА КУРСКОЙ МАГНИТНОЙ АНОМАЛИИ

И.Я. Пигорев, В.М. Солошенко, С.Н. Волкова

Аннотация. Показаны аэродинамические характеристики породных отвалов КМА, определяющие характер и силу ветра в техногенном ландшафте железорудного месторождения. Изучены скоростные режимы воздушных потоков на отвалах вскрышных пород разных экспозиций и элементов склона. Рассчитаны показатели дефляционной силы воздушных потоков и степень дефли-руемости рыхлых вскрышных пород в отвалах.

Ключевые слова: ландшафт, железорудное месторождение, порода, воздушный поток, дефляция, энергия воздушного потока, экспозиция, крутизна склона.

Технология добычи полезных ископаемых открытым способом обуславливает преобразование основы и коренную трансформацию природных комплексов. Искусственные геосистемы, сформированные породами рыхлой вскрышни с высотой более 100 метров и наличием крутосклонов, характеризуются начальной неустойчивостью.

Если в геологическом прошлом ареной развития дефляции явились пустыни и территории со скудным растительным покровом, то сегодня это постоянно увеличивающееся число антропогенных комплексов техногенного происхождения. Длительно не зарастающие горнопромышленные ландшафты сильно подвержены дефляционным процессам. Эоловый материал с таких территорий не представляет социально-экономической ценности, но является активным загрязнителем почв, воздуха и воды.

Энергия рельефа в сочетании с абиотическими факторами формируют весь спектр дефляционно-эрозионных процессов, протекающих в десятки и сотни раз интенсивнее, чем в природных условиях (Пигорев, 2006).

Горнопромышленные ландшафты железорудных месторождений создают пестроту рельефа с ярко выраженными значениями перепада высот. Это отражается на ряде климатических факторов, одним из которых является скорость ветра.

Если в условиях равнинного рельефа воздушный поток имеет практически постоянную скорость, то при движении его по пересеченному рельефу скорость меняется в зависимости от крутизны и экспозиции склонов. На повышенную скорость ветра на отвалах промышленных предприятий указывали отечественные и зарубежные исследователи (Мазур, 1980; Чайка, 1988), однако, каких-либо объяснений этому процессу не было дано. Отсутствие количественных взаимосвязей между изменениями скорости воздушного потока и параметрами рельефа затрудняет оценку техногенного ландшафта по степени дефляции.

С целью определения аэродинамических свойств породных отвалов КМА нами изучалась зависимость скорости ветра от ряда морфологических свойств отвалов. Наиболее важными из них, вошедшими в программу исследований, были крутизна и ориентация склонов господствующим ветрам, высота отвалов (ярусность).

Скорость воздушного потока на элементах отвала определяли с помощью анемометрической съемки по схеме: на склонах - наветренные, заветренные и параллельные ветровому потоку («ветровой коридор»); на отвале -вершины склонов 1,2 и 3 ярусов плато. Для этого перед отвалом и на склонах наветренных и заветренных экспозиций устанавливались штанги с закрепленными на каждой тремя анемометрами МС-13 на высоте 50; 100 и 200 см от поверхности склона. Анемометры на штангах перед отвалом включались одновременно, а установленные на склонах, через время, необходимое для добегания воздушного потока до штанги, установленной на склоне.

Для характеристики воздушного потока на элементах отвала рассчитывали градиент скорости по формуле:

УЬ1 - УЬ0

У = -,

Ь

где У - градиент скорости;

УЬ1 - скорость воздушного потока на определенной высоте, м/с;

УЬ - скорость воздушного потока на поверхности, условно равна нулю;

Ь - высота, на которой определяется скорость воздушного потока, м.

Анализ изменения скорости воздушного потока в зависимости от крутизны склона (от 3 до 380) позволил установить между ними связь при коэффициенте корреляции от 0,60 до 0,65 (таблица 1).

Прямолинейный характер зависимости между скоростью воздушного потока и крутизной склона позволяет использовать ее для описания количественной зависимости между показателями уровня регрессии (Сне-декор, 1961).

Таблица 1 - Взаимосвязь между скоростью воздушно!^_

Критерий сущест-

Ориентация склонов Количество Коэффици- венности при 0,95

наблюде- ент корреля- уровне вероятно-

ний, п ции, г сти

1г факт. 1г табл.

Наветрен-

ный 40 0,63±0,17 8,5* 2,6

Заветрен-

ный 55 0,60±0,18 6,0* 2,0

«Ветровой

коридор» 50 0,65±0,19 6,5* 2,0

* - связь существенна

Результаты регрессионного анализа показали, что количественная зависимость между увеличением скорости воздушного потока и крутизной наветренного склона описывается уравнением: у = 3,2х - 3,8

для заветренного склона эта зависимость выражается уравнением: у = - 2х + 83,5 для «ветрового коридора»: у = 4,1х - 3,2,

где у - значение скорости воздушного потока, % к контролю

х - крутизна склона, град.

Таблица 2 - Изменение скорости (1) и дефляционной силы (2) воздушного потока в зависимости от крутизны и ориентации склона (в % к контролю на высоте 200 см) ___

Крутизна склона, град Ориентация склона

наветренный заветренный «ветровой коридор»

1 2 1 2 1 2

0 100 100 100 100 100 100

3 106 119 78 47 109 129

5 112 140 74 40 117 160

10 128 210 64 26 138 262

15 144 299 54 16 158 394

18 154 365 48 11 171 500

20 160 409 44 9 179 573

25 176 545 34 4 199 788

27 183 612 30 3 208 899

30 192 707 24 1 220 1064

32 199 788 20 1 228 1185

35 208 899 14 - 240 1382

38 218 1036 8 - 253 1618

Из таблицы 2 видим, что скорость воздушного потока на поверхности отвала существенно отличается от скорости на равнине ненарушенного ландшафта (кон-

троль). Если на наветренном склоне и «ветровых коридорах» она с увеличением крутизны возрастала, то на заветренном склоне идет снижение скорости.

Максимальные значения скорости воздушного потока были установлены на участках, совпадающих с направлением господствующих ветров. На них при крутизне склона 380 скорость воздушного потока была в 2,5 раза выше, чем на контроле. Подобные результаты были получены П. С. Захаровым (1971) и А. А. Зайцевой (1970), которые указывали на то, что в ложбинах и долинах, направление которых совпадает с направлением господствующих ветров, образующих «ветровые коридоры», скорость воздушного потока значительно выше, чем на равнине.

На наветренных склонах, где воздушный поток при лобовом столкновении с поверхностью резко взмывал вверх, скорость ветра также была высокой. На вершине склона с максимальной крутизной она была на 218 % выше, чем у основания отвала.

На заветренных склонах происходит разряжение воздушного потока и спад скорости. Чем круче заветренный склон, тем сильнее аэродинамическая тень и больше ослабление ветрового потока. На склонах крутизной 15-180 скорость воздушного потока была в половину ниже, чем на контроле, а склоне с максимальной крутизной (380) вовсе не превышал 10 % от контрольных значений. В отдельных случаях при выраженной турбуляции воздушного потока в сторону отвала. Полученные результаты согласуются с выводами Г.Н. Высоцкого (1894) и Т.Ф. Якубова (1955) о том, что по мере подъема по склону, скорость воздушного потока увеличивается, достигая максимума на его вершине, а при движении вниз по склону скорость воздушного потока уменьшается.

На многоярусных отвалах, где склоны чередуются с бермами, скоростной режим воздушных потоков имеет свои особенности.

Скорость ветра на них возрастает от нижнего склона к верхнему и достигает максимума на вершине склона третьего яруса. При этом было замечено, что в нижних частях вышерасположенного склона скорость воздушного потока была ниже, чем на вершине нижележащего. Объясняется это состоянием воздушного потока, который, попадая на берму с нижнего склона, теряет скорость за счет разряжения и турбулентности. Поэтому формирование воздушного потока для вышерасположенного склона начинается с той скорости воздушных масс, которая характерна для скорости вертикального профиля. Следовательно, при определении скорости воздушного потока на склоне многоярусного отвала надо исходить из его скорости на нижней горизонтальной площадке. Учитывая рост скорости воздушных потоков в вертикальном профиле атмосферы, вполне объяснима закономерность ее роста на склонах от нижних к верхним.

На основе изучения и анализа скоростного режима воздушных потоков на основных элементах рельефа породных отвалов считаем, что для склонов расчет должен производиться в пределах каждого яруса, при этом используя в качестве исходной скорость воздушного потока с равнинной территорией основания этого склона.

На плато трехъярусных отвалов скорость воздушных потоков была в пределах значений наветренного склона второго яруса или составляла 200-210 % от скорости потока у основания отвала.

Однако режим скорости воздушных потоков не является показателем дефлируемости территории. Л.Ф. Смирнова (1985) по этому поводу указывает, что при увеличении скорости ветра вдвое с 8 до 16 м/с - дефли-руемость песчаных почв возрастает примерно в три раза, а тяжелосуглинистых - в 50 раз.

Объяснение этому мы находим в исследованиях ОБрайера и Ринолаубома (Уилсон..., 1984) и Я.Л. Бад-поИа (1941), которые показали, что количество материала, переносимого воздушным потоком, при прочих равных условиях, пропорционально кубу скорости ветра.

В дальнейшем зависимость связи переносимого материала со скоростью воздушного потока была представлена W.S. СЬерИ

=

^2 (К2)3

где - величина переноса почвенного материала при скорости ветра (Ц)3=10,5 м/с;

д2 - величина переноса при скорости ветра во время пыльной бури (У2)3.

Из этого соотношения выражение (У2) является относительным показателем дефляционной силы воздушного потока.

Проведенные исследования по выносу породы из лотков при равных параметрах рельефа и скорости воздушного потока позволили найти тесную прямолинейную связь между количеством выдуваемого техногенного элювия и кубом скорости воздушного потока. Поэтому куб скорости воздушного потока может служить относительным критерием оценки дефляционной силы ветра. Следовательно, увеличение скорости воздушных потоков на ветреном склоне в 2,2 раза приводит к росту дефляционной силы потока в 10 раз, а «ветровых коридорах» при увеличении скорости воздушного потока в 2,5 раза уже в 16 раз.

С целью дефляционной оценки воздушных потоков, формируемых на поверхности породных отвалов, нами рассчитывался градиент скорости воздушного потока на наветренных, заветренных и параллельных потоку ветра экспозициях. При обтекании возвышенностей происходит сжатие воздушного потока и увеличение его плотности. По заключению Л.Ф. Смирновой (1985), это ускоряет формирование ветропылевого потока.

Таблица 3 - Изменение градиента скорости воздушного потока в зависимости от крутизны склона (числитель, при скорости ветра на равнине: И - 50см - 7м/с; 100см - 7,4м/с; 200см - 8,0 м/с; знаменатель, при скорости ветра на равнине: И - 50см - 13,1м/с; 100см - 14,2 м/с; 200см - 14,8 м/с)_

Крутизна склона, град Слой воздушного потока, см Элементы склона

основание середина вершина

1* 2* 1 2 1 2

3 0-50 70 13,0 0,14 0,26 71 13,6 0,14 0,27 74 13,9 0,15 0,28

-«- 0-100 75 14,4 0,8 0,14 78 14,7 0,08 0,15 78 15,1 0,08 0,15

-«- 0-200 81 5,22 0,04 0,08 м 15,6 0,04 0,08 8,5 15,7 0,04 0,08

15 0-50 м 12,4 0,14 0,25 8,9 15,1 0,18 0,30 10,1 16,9 0,20 0,34

-«- 0-100 79 15,3 0,08 0,15 9,0 18,8 0,09 0,19 10,7 20,4 0,11 0,20

-«- 0-200 8,9 16,4 0,04 0,08 10,2 19,3 0,05 0,09 11,5 21,3 0,06 0,11

3638 0-50 67 12,0 0,13 0,24 10,7 18,2 0,21 0,36 14.7 23.8 0,29 0,48

-«- 0-100 8,3 16,0 0,08 0,16 13.7 21.8 0,14 0,22 15,5 29,8 0,16 0,30

-«- 0-200 98 17,3 0,05 0,09 14,9 23,7 0,07 0,12 16,8 31,0 0,08 0,16

1* - скорость воздушного потока; 2* - градиент скорости

Скоростной режим воздушного потока на поверхности склона непостоянен и, как указывалось ранее, возрастает от основания к вершине склона. В приземных слоях при первом столкновении с препятствием скорость его может даже снижаться, что мы наблюдаем у основания крутых склонов. В дальнейшем, уплотняясь в ходе движения по наклонной поверхности склона, он резко набирает скорость и к вершине достигает максимума. На пологих склонах эта закономерность прослеживается слабее, чем на крутых.

Данные таблицы 3 показывают, что чем круче склон, тем сильнее возрастает градиент скорости воздушного потока. Причем в приземных слоях (0-50см) градиент скорости был намного выше, чем в удаленных от поверхности склона слоях воздуха.

Подобная закономерность установлена и на параллельных ветру склонах.

На заветренных склонах градиент скорости был ниже не только значений наветренного склона, но и равнинной территории основания отвала.

С увеличением крутизны склона этот процесс усиливается, активизируя дефляционные процессы на поверхности, ориентированной к воздушному потоку, и замедляя их на заветренных участках.

Список использованных источников

1 Пигорев, И.Я. Экология техногенных ландшафтов КМА и их биологическое освоение/И.Я Пигорев. - Курск: Изд-во Курской ГСХА, 2006.-366с.

2 Мазур, А.Е. Создание травянистых фитоценозов на эдафотонах отвалов угольных шахт Донбасса: Дис... канд. биол.наук/ А.Е. Мазур.-Донецк, 1998.-231с.

3 Чайка, В.Е. Техногенные экосистемы железорудных разработок и повышение их продуктивности: Дис. док. биол.наук/ В.Е. Чайка.-М., 1988.-430с.

4 Снедекор, Дж.У. Статистические методы в применении к исследованиям в сельском хозяйстве и биологии/ Дж.У. Сне-декор.-М.:Сельхозиздат, 1961.-503с.

5 Захаров, П.С. Эрозия почв и меры борьбы с ней/ П.С. Захаров.-М.: Колос, 1971.-191с.

6 Зайцева, А. А. Причины возникновения ветровой эрозии и устойчивость почв ветру/ А.А. Зайцева //Защита почв от ветровой эрозии .-Алма-Ата, 1970.-С. 12-28.

7 Высоцкий, Г.П. Материалы по изучению черных бурь в России/ Г.П. Высоцкий // Тр. Экспедиции лесного де-партамента.-1894. - Вып.1.-С. 34-48.

8 Якубов, Т.Ф. Песчаные пустыни и полупустыни Северного Прикаспия/ Т.Ф. Якубов.-М., 1955.-531с.

9 Смирнова, Л.Ф. Ветровая эрозия почв/ Л.Ф. Смирно-ва.-М.: Изд-во МГУ, 1985.-136с.

10 Уилсон, С.Дж. Ветровая эрозия/ С. Дж. Уилсон, Р.У. Кук // Эрозия почвы.-М., 1984.-С. 296-338.

11 Bagnold R/A/ The physics of blown sand desert dunes,-London, 1941.-P.265. Berg W.A. How to promote plants in mine wostes/ Mining engeniering.-1970.

12 Chepil W.S. Stuble mulching to erosion. Proc. of a workshop Nebraska f 8-9 1962. - P.1-5.

Информация об авторах

Пигорев Игорь Яковлевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, проректор по научной работе и инновациям ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Солошенко Виктор Михайлович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой менеджмента ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Волкова Светлана Николаевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой высшей и прикладной математики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 53-77-45, E-mail volkova_47@ mail.ru