Розробка критеріального підходу до агроекологічної оцінки схилових агроландшафтів

For the forecast and management of erosion processes in order to protect the environment, information is needed on the state of its components and impact factors as well as the results of this impact. The existing methods for assessing the catchment area are mainly descriptive and cannot be used in mathematical prediction problems. The most accurate formulation of the problem of quantitative assessment of the catchment area is carried out during hydrological calculations. It seems expedient to develop theoretical prerequisites for agroecological assessment of slope agrolandscapes on the stability of a network of temporary watercourses by using the Lokhtin criterion.Slope agrolandscapes are erosive dangerous objects. The existence of a continuously changing system of microstreams generated by precipitation on slopes greatly complicates the situation. Criteria are proposed to determine the main trends in the development of watercourses of river systems by washing away or depositing soil. Conclusions about the catchment area as a whole can be obtained by examining a certain area of a microstream flow for a long time and comparing field observations with laboratory experiments. To determine the sustainability of a watercourse, a theoretically reasonable value has been proposed, which allows quantifying the network of temporary streams. When conducting research, data on the catchment area of the Tsivil river (Chuvash Republic, Russia) from 1950 to 2010 were used.A quantitative assessment of the erosion resistance of the microstream system was carried out both for periods of snowmelt and for rains, conventionally divided into summer and autumn. The theoretical background considered is confirmed by the data of long­term observations on the Great Tsivil river for sixty years. The dependences obtained make it possible to compile an adequate forecast of the direction of evolution of the catchment area in relation to the processes of soil deposition or its washing out. The criteria developed are applicable both to a specific catchment area of microstreams and to the catchment area of a river system as a wholeДля прогноза и управления процессами эрозии с целью защиты окружающей среды необходима информация о состоянии ее компонентов и факторах воздействия, а также результатах этого воздействия. Существующие методы и способы оценки водосборной площади в основном носят описательный характер и не могут быть использованы в математических задачах прогнозирования. Наиболее корректная постановка задачи по количественной оценке водосборной площади осуществляется при проведении гидрологических расчетов. Представляется целесообразным разработка теоретических предпосылок для агроэкологической оценки склоновых агроландшафтов по устойчивости сети временных водотоков с использованием критерия Лохтина.Склоновые агроландшафты являются эрозионно опасными объектами. Существование на склонах непрерывно видоизменяющейся системы микроручейков, порождаемой осадками, значительно осложняет ситуацию. Предложены критерии, определяющие основные тенденции развития русел речных систем путем смыва или наноса почвы. Выводы о водосборной площади в целом можно получить, исследовав некоторую область протекания микроручейков в течение длительного времени и сопоставив полевые наблюдения с лабораторными экспериментами. Для определения устойчивости русла предложена теоретически обоснованная величина, позволяющая дать количественную оценку сети временных водотоков. При проведении исследований использовались данные о водосборной площади реки Цивиль (Чувашская Республика, Россия) с 1950 по 2010 гг.Количественная оценка эрозионной устойчивости системы микроручейков проведена как для периодов снеготаяния, так и для дождей, условно разделенных на летние и осенние. Рассмотренные теоретические предпосылки подтверждены данными многолетних наблюдений по реке Большой Цивиль за шестьдесят лет. Полученные зависимости дают возможность составления адекватного прогноза направления эволюции водосборной площади в отношении процессов наноса почвы или ее смыва. Разработанные критерии применимы как для конкретной водосборной площади микроручейков, так и для водосборной площади речной системы в целомДля прогнозу і управління процесами ерозії з метою захисту навколишнього середовища необхідна інформація про стан її компонентів і фактори впливу, а також результати цього впливу. Існуючі методи і способи оцінки водозбірної площі в основному носять описовий характер і не можуть бути використані в математичних задачах прогнозування. Найбільш коректна постановка задачі по кількісній оцінці водозбірної площі здійснюється при проведенні гідрологічних розрахунків. Це призводить до необхідності розроблення теоретичних передумов для агроекологічної оцінки схилових агроландшафтів по стійкості мережі тимчасових водотоків з використанням критерію Лохтіна.Схилові агроландшафти є ерозійно небезпечними об'єктами. Існування на схилах системи, що безперервно видозмінюється, мікроручейків, які породжуються опадами, значно ускладнює ситуацію. Запропоновано критерії, що визначають основні тенденції розвитку русел річкових систем шляхом змиву або наносу грунту. Висновки про водозбірну площу в цілому можна отримати, дослідивши деяку область протікання мікроручейків протягом тривалого часу і зіставивши польові спостереження з лабораторними експериментами. Для визначення стійкості русла запропонована теоретично обгрунтована величина, яка дозволяє дати кількісну оцінку мережі тимчасових водотоків. При проведенні досліджень використовувалися дані про водозбірні площі річки Цивіль (Чуваська Республіка, Росія) з 1950 по 2010 рр.Кількісна оцінка ерозійної стійкості системи мікроручейків проведена як для періодів сніготанення, так і для дощів, умовно розділених на літні та осінні. Розглянуті теоретичні передумови підтверджені даними багаторічних спостережень по річці Цивіль за шістдесят років. Отримані залежності дають можливість складання адекватного прогнозу напрямку еволюції водозбірної площі щодо процесів наносу грунту або його змиву. Розроблені критерії застосовні як для конкретної водозбірної площі мікроручейків, так і для водозбірної площі річкової системи в цілом

Апроксимаційна математична модель взаємодії вільнообертового диска з ґрунтом

A generalized mathematical model of disk interaction with soil was built under general assumptions regarding the mode of the disk knife motion in soil, namely, in a mode of slippage, skidding or rolling without slippage and skidding. Previously constructed models follow from it as particular cases at certain values of parameters. However, because of computational complexity of this model for the case of a freely rotating disk knife consisting in the need for a preliminary numerical solution of a transcendental equation to determine the mode of disk motion, the generalized mathematical model has not found wide application. Therefore, an analytical two-dimensional approximation of a generalized model of disk interaction with soil which is a new model of approximation type was constructed on the basis of a computer experiment using the least squares method.An explicit expression was obtained for the kinematic parameter of a freely rotating disk knife which determines its mode of motion. It was established that this parameter is a rational function of relative depth of the disk penetration and the dimensionless dynamic coefficient characterizing soil properties. Also, explicit expressions were obtained for the projections of the resultant soil reaction forces acting on the blade of the disk knife and its side faces depending on the data of dimensionless parameters. It has been established that the horizontal component of the reaction which determines tractive resistance of the disk is also a rational function of the relative penetration depth and the dimensionless dynamic coefficient. It was established that the magnitude of the kinematic parameter significantly affects the magnitude and direction of the resultant soil reactions to the disk. The expressions obtained make it possible to significantly simplify experiments to determine the resultant soil reaction forces to a freely rotating disk knife and reduce their required number. These expressions make it possible to carry out strength calculations of soil-cultivating working tools with disks and determine their optimal parameters according to the strength criteria and the minimum specific energy consumption with accuracy sufficient for engineering practice. Adequacy of the obtained expressions was confirmed by comparison with experimental data of the disk knife dynamometryОбобщенная математическая модель взаимодействия диска с почвой построена при общих предположениях относительно режима движения дискового ножа в почве, а именно, диск может двигаться в почве в режиме скольжения, буксования или качения без скольжения и буксования. Ранее построенные модели следуют из нее, как частные случаи, при определенных значениях параметров. Однако в связи с вычислительной сложностью этой модели для случая свободного вращающегося дискового ножа, состоящей в необходимости предварительного численного решения трансцендентного уравнения для определения режима движения диска, обобщенная математическая модель не нашла широкого применения. Поэтому на основе компьютерного эксперимента с помощью метода наименьших квадратов была построена аналитическая двумерная аппроксимация обобщенной модели взаимодействия диска с почвой, являющаяся новой моделью аппроксимационного типа.Получено явное выражение для кинематического параметра свободновращающегося дискового ножа, определяющего режим его движения. Установлено, что этот параметр является рациональной функцией относительного заглубления диска и безразмерного динамического коэффициента, характеризующего свойства почвы. Также получены явные выражения проекций равнодействующей реакций почвы на лезвие дискового ножа и его боковые поверхности в зависимости от данных безразмерных параметров. Установлено, что горизонтальная составляющая реакции, определяющая тяговое сопротивление диска, также является рациональной функцией относительного заглубления и безразмерного динамического коэффициента. Установлено, что величина кинематического параметра существенно влияет на величину и направление равнодействующей реакций почвы на диск. Полученные выражения позволяют значительно упростить эксперименты по определению равнодействующей реакций почвы на свободновращающийся дисковый нож и сократить их необходимое число. Эти выражения позволяют осуществлять прочностные расчеты почвообрабатывающих рабочих органов с дисками и определять их оптимальные параметры по критериям прочности и минимальных удельных энергетических затрат с точностью, достаточной для инженерной практики. Адекватность полученных выражений подтверждена сравнением с экспериментальными данными по динамометрированию дискового ножаУзагальнена математична модель взаємодії диска з ґрунтом побудована при загальних припущеннях щодо режиму руху дискового ножа в ґрунті, а саме, диск може рухатися в ґрунті в режимі ковзання, буксування або кочення без ковзання і буксування. Раніше побудовані моделі випливають з неї, як окремі випадки, при певних значеннях параметрів. Однак у зв'язку з обчислювальною складністю цієї моделі для випадку вільного обертового дискового ножа, що складається з необхідності попереднього чисельного рішення трансцендентного рівняння для визначення режиму руху диска, узагальнена математична модель не знайшла широкого застосування. Тому на основі комп'ютерного експерименту за допомогою методу найменших квадратів була побудована аналітична двовимірна апроксимація узагальненої моделі взаємодії диска з ґрунтом, що є новою моделлю апроксимаційного типу.Отримано явний вираз для кінематичного параметра вільнообертового дискового ножа, що визначає режим його руху. Встановлено, що цей параметр є раціональною функцією відносного заглиблення диска і безрозмірного динамічного коефіцієнта, що характеризує властивості ґрунту. Також отримані явні вирази проекцій рівнодіючої реакцій ґрунту на лезо дискового ножа і його бічні поверхні в залежності від даних безрозмірних параметрів. Встановлено, що горизонтальна складова реакції, яка визначає тяговий опір диска, також є раціональною функцією відносного заглиблення і безрозмірного динамічного коефіцієнта. Встановлено, що величина кінематичного параметра істотно впливає на величину і напрямок рівнодіючої реакцій ґрунту на диск. Отримані вирази дозволяють значно спростити експерименти по визначенню рівнодіючої реакцій ґрунту на вільнообертовий дисковий ніж і скоротити їх необхідну кількість. Ці вирази дозволяють здійснювати розрахунки на міцність ґрунтообробних робочих органів з дисками і визначати їх оптимальні параметри за критеріями міцності і мінімальних питомих енергетичних витрат з точністю, достатньою для інженерної практики. Адекватність отриманих виразів підтверджено порівнянням з експериментальними даними по динамометруванню дискового нож

Розробка критеріального підходу до агроекологічної оцінки схилових агроландшафтів

For the forecast and management of erosion processes in order to protect the environment, information is needed on the state of its components and impact factors as well as the results of this impact. The existing methods for assessing the catchment area are mainly descriptive and cannot be used in mathematical prediction problems. The most accurate formulation of the problem of quantitative assessment of the catchment area is carried out during hydrological calculations. It seems expedient to develop theoretical prerequisites for agroecological assessment of slope agrolandscapes on the stability of a network of temporary watercourses by using the Lokhtin criterion.Slope agrolandscapes are erosive dangerous objects. The existence of a continuously changing system of microstreams generated by precipitation on slopes greatly complicates the situation. Criteria are proposed to determine the main trends in the development of watercourses of river systems by washing away or depositing soil. Conclusions about the catchment area as a whole can be obtained by examining a certain area of a microstream flow for a long time and comparing field observations with laboratory experiments. To determine the sustainability of a watercourse, a theoretically reasonable value has been proposed, which allows quantifying the network of temporary streams. When conducting research, data on the catchment area of the Tsivil river (Chuvash Republic, Russia) from 1950 to 2010 were used.A quantitative assessment of the erosion resistance of the microstream system was carried out both for periods of snowmelt and for rains, conventionally divided into summer and autumn. The theoretical background considered is confirmed by the data of long­term observations on the Great Tsivil river for sixty years. The dependences obtained make it possible to compile an adequate forecast of the direction of evolution of the catchment area in relation to the processes of soil deposition or its washing out. The criteria developed are applicable both to a specific catchment area of microstreams and to the catchment area of a river system as a wholeДля прогноза и управления процессами эрозии с целью защиты окружающей среды необходима информация о состоянии ее компонентов и факторах воздействия, а также результатах этого воздействия. Существующие методы и способы оценки водосборной площади в основном носят описательный характер и не могут быть использованы в математических задачах прогнозирования. Наиболее корректная постановка задачи по количественной оценке водосборной площади осуществляется при проведении гидрологических расчетов. Представляется целесообразным разработка теоретических предпосылок для агроэкологической оценки склоновых агроландшафтов по устойчивости сети временных водотоков с использованием критерия Лохтина.Склоновые агроландшафты являются эрозионно опасными объектами. Существование на склонах непрерывно видоизменяющейся системы микроручейков, порождаемой осадками, значительно осложняет ситуацию. Предложены критерии, определяющие основные тенденции развития русел речных систем путем смыва или наноса почвы. Выводы о водосборной площади в целом можно получить, исследовав некоторую область протекания микроручейков в течение длительного времени и сопоставив полевые наблюдения с лабораторными экспериментами. Для определения устойчивости русла предложена теоретически обоснованная величина, позволяющая дать количественную оценку сети временных водотоков. При проведении исследований использовались данные о водосборной площади реки Цивиль (Чувашская Республика, Россия) с 1950 по 2010 гг.Количественная оценка эрозионной устойчивости системы микроручейков проведена как для периодов снеготаяния, так и для дождей, условно разделенных на летние и осенние. Рассмотренные теоретические предпосылки подтверждены данными многолетних наблюдений по реке Большой Цивиль за шестьдесят лет. Полученные зависимости дают возможность составления адекватного прогноза направления эволюции водосборной площади в отношении процессов наноса почвы или ее смыва. Разработанные критерии применимы как для конкретной водосборной площади микроручейков, так и для водосборной площади речной системы в целомДля прогнозу і управління процесами ерозії з метою захисту навколишнього середовища необхідна інформація про стан її компонентів і фактори впливу, а також результати цього впливу. Існуючі методи і способи оцінки водозбірної площі в основному носять описовий характер і не можуть бути використані в математичних задачах прогнозування. Найбільш коректна постановка задачі по кількісній оцінці водозбірної площі здійснюється при проведенні гідрологічних розрахунків. Це призводить до необхідності розроблення теоретичних передумов для агроекологічної оцінки схилових агроландшафтів по стійкості мережі тимчасових водотоків з використанням критерію Лохтіна.Схилові агроландшафти є ерозійно небезпечними об'єктами. Існування на схилах системи, що безперервно видозмінюється, мікроручейків, які породжуються опадами, значно ускладнює ситуацію. Запропоновано критерії, що визначають основні тенденції розвитку русел річкових систем шляхом змиву або наносу грунту. Висновки про водозбірну площу в цілому можна отримати, дослідивши деяку область протікання мікроручейків протягом тривалого часу і зіставивши польові спостереження з лабораторними експериментами. Для визначення стійкості русла запропонована теоретично обгрунтована величина, яка дозволяє дати кількісну оцінку мережі тимчасових водотоків. При проведенні досліджень використовувалися дані про водозбірні площі річки Цивіль (Чуваська Республіка, Росія) з 1950 по 2010 рр.Кількісна оцінка ерозійної стійкості системи мікроручейків проведена як для періодів сніготанення, так і для дощів, умовно розділених на літні та осінні. Розглянуті теоретичні передумови підтверджені даними багаторічних спостережень по річці Цивіль за шістдесят років. Отримані залежності дають можливість складання адекватного прогнозу напрямку еволюції водозбірної площі щодо процесів наносу грунту або його змиву. Розроблені критерії застосовні як для конкретної водозбірної площі мікроручейків, так і для водозбірної площі річкової системи в цілом

An Approximating Mathematical Model of Interaction Between a Freely Rotating Disk and Soil

A generalized mathematical model of disk interaction with soil was built under general assumptions regarding the mode of the disk knife motion in soil, namely, in a mode of slippage, skidding or rolling without slippage and skidding. Previously constructed models follow from it as particular cases at certain values of parameters. However, because of computational complexity of this model for the case of a freely rotating disk knife consisting in the need for a preliminary numerical solution of a transcendental equation to determine the mode of disk motion, the generalized mathematical model has not found wide application. Therefore, an analytical two-dimensional approximation of a generalized model of disk interaction with soil which is a new model of approximation type was constructed on the basis of a computer experiment using the least squares method.An explicit expression was obtained for the kinematic parameter of a freely rotating disk knife which determines its mode of motion. It was established that this parameter is a rational function of relative depth of the disk penetration and the dimensionless dynamic coefficient characterizing soil properties. Also, explicit expressions were obtained for the projections of the resultant soil reaction forces acting on the blade of the disk knife and its side faces depending on the data of dimensionless parameters. It has been established that the horizontal component of the reaction which determines tractive resistance of the disk is also a rational function of the relative penetration depth and the dimensionless dynamic coefficient. It was established that the magnitude of the kinematic parameter significantly affects the magnitude and direction of the resultant soil reactions to the disk. The expressions obtained make it possible to significantly simplify experiments to determine the resultant soil reaction forces to a freely rotating disk knife and reduce their required number. These expressions make it possible to carry out strength calculations of soil-cultivating working tools with disks and determine their optimal parameters according to the strength criteria and the minimum specific energy consumption with accuracy sufficient for engineering practice. Adequacy of the obtained expressions was confirmed by comparison with experimental data of the disk knife dynamometr

Development of a Criteria­based Approach to Agroecological Assessment of Slope Agrolandscapes

For the forecast and management of erosion processes in order to protect the environment, information is needed on the state of its components and impact factors as well as the results of this impact. The existing methods for assessing the catchment area are mainly descriptive and cannot be used in mathematical prediction problems. The most accurate formulation of the problem of quantitative assessment of the catchment area is carried out during hydrological calculations. It seems expedient to develop theoretical prerequisites for agroecological assessment of slope agrolandscapes on the stability of a network of temporary watercourses by using the Lokhtin criterion.Slope agrolandscapes are erosive dangerous objects. The existence of a continuously changing system of microstreams generated by precipitation on slopes greatly complicates the situation. Criteria are proposed to determine the main trends in the development of watercourses of river systems by washing away or depositing soil. Conclusions about the catchment area as a whole can be obtained by examining a certain area of a microstream flow for a long time and comparing field observations with laboratory experiments. To determine the sustainability of a watercourse, a theoretically reasonable value has been proposed, which allows quantifying the network of temporary streams. When conducting research, data on the catchment area of the Tsivil river (Chuvash Republic, Russia) from 1950 to 2010 were used.A quantitative assessment of the erosion resistance of the microstream system was carried out both for periods of snowmelt and for rains, conventionally divided into summer and autumn. The theoretical background considered is confirmed by the data of long­term observations on the Great Tsivil river for sixty years. The dependences obtained make it possible to compile an adequate forecast of the direction of evolution of the catchment area in relation to the processes of soil deposition or its washing out. The criteria developed are applicable both to a specific catchment area of microstreams and to the catchment area of a river system as a whol