Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. A HAZAI SZÉLERÓZIÓS KUTATÁSOK MATEMATIKAI ÖSSZEFÜGGÉSEI Lóki József 1 Bevezetés A szélerózió törvényszerűségeinek vizsgálatával már több mint fél évszázada foglalkoznak a kutatók. Közülük ki kell emelnünk R. A. Bagnold nevét, aki a szélcsatornában végzett kísérleteinek eredményeként a futóhomok kutatásokat több vonatkozásban teljesen új irányba terelte. 1941-ben megjelent munkájában a futóhomok fizikai törvényszerűségeire vonatkozóan sok új eredményt közölt. Azóta ezeket az eredményeket többen (W. S. Chepil 1945; A. W. Zingg 1951, 1953; G. Williams 1964; stb.) kiegészítették, illetve módosították. Magyarországon a szélerózió törvényszerűségeinek vizsgálata területén Borsy Z. (1972, 1974) ért el jelentős eredményeket. Kutatásai során egyrészt az egyetem szélcsatornájában, másrészt a magyarországi futóhomok területeken (1. ábra) ** végzett méréseket. 1. ábra. Magyarország futóhomok területei A szélerózió elsősorban a tavaszi időszakban (2. ábra) érezteti hatását, de a hómentes időszakokban télen is (3. ábra) előfordul (Lóki J. 1984). Megfigyeléseink szerint a szélerózió nemcsak a futóhomok területeken, hanem a kötöttebb talajokon is komoly károkat okoz, ezért 1 Dr. Lóki József, egyetemi docens, Debreceni Egyetem Természetföldrajzi Tanszék, jloki@tigris.klte.hu 1
Lóki József: Hazai széleróziós kutatások az elmúlt évtizedben az alföldi területeken előforduló különböző genetikai talajok erodálhatóságát is tanulmányoztuk (Lóki J. Szabó J. 1997, 1998; Lóki J. 2000). Ebben a dolgozatban néhány genetikai talaj szélcsatorna kísérletének méréseredményeit felhasználva mutatjuk be a szélerózió matematikai összefüggéseit. 2. ábra. Tavaszi szélerózió 3. ábra. Téli szélerózió A kutatás módszere A terepen, egyrészt a szedimentológiai, másrészt a szélcsatorna vizsgálatokhoz a különböző genetikai talajtípusok felső szántott rétegéből gyűjtöttünk mintákat. A laboratóriumi kísérleteket a Debreceni Egyetem Fizikai Földrajzi Laboratóriumaiban végeztük. A széleróziós vizsgálatoknál nagyon fontos a talajminták szemcseösszetételének mész- és humusztartalmának ismerete. A szél, a sebességétől függően, csak meghatározott méretű szemcséket képes mozgásba lendíteni. A talajok szemcseösszetételét szitálással és iszapolással (Köhn-pipetta), mésztartalmát Scheibler készülékkel, humusztartalmát a Tyurin módszerrel határoztuk meg. A talajok mész- és humusztartalmától függ a szemcsék összetapadása, aggregátumok képződése. A humusztartalom a nedvességmegtartó képességet is növeli, valamint a növényzet fejlődésében játszik szerepet. A széleróziós vizsgálatokat a Debreceni Egyetem szélcsatornájában (4. ábra) végeztük, amelynek a paramétereit az alábbiakban foglalhatjuk össze. A szélcsatorna teljes hossza (a ventillátortól a szűrőházig) 12.3 m. A hordalékszállítási, illetve széleróziós vizsgálatokhoz mintegy 8 méteres szelvényt lehet hasznosítani. A csatorna szélessége 80, magassága 50 cm. Ennél a magasságnál már megbízhatóan lehet dolgozni a szélcsatornában, mert a szél által szállított hordalék túlnyomó része még nagyon erős (l6 m/s) szélben is 70 mm-nél alacsonyabban halad előre. A torlónyomás elvén működő szélcsatornában a légáramlást egy 2 sebességfokozatú villanymotor által hajtott ventillátor biztosítja. Az ehhez beérkező levegő mennyiségét egy távirányítású reteszelő lap segítségével lehet szabályozni. Így lehetőség van arra, hogy a csatornában a légáramlás sebességét 0.1 m/s pontossággal beállítsuk. 2
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. 4. ábra. A szélcsatorna A csatornában a tökéletes áramlási viszonyokat a csatorna hasznos tere előtt elhelyezett terelőlapok biztosítják. A szélcsatornához szűrőház csatlakozik. Ebben a szállított hordalék túlnyomó része lecsapódik, itt ugyanis a szélsebesség erőteljesen lecsökken. A még levegőben maradt hordalékot a szűrőház végén elhelyezett sűrűszövetű szitarendszer megfogja, és a csatornával párhuzamos alagútban hordalékmentes levegő áramlik vissza a ventillátorhoz. A csatornában a mostani keresztszelvény mellett 14 m/s áramlási sebesség érhető el 10 cm magasságban. Ez a természetben l m magasságban mintegy l6-17 m/s szélsebességnek felel meg. Ennél az értéknél a szél a támadható, növényzettől kielégítően nem védett felszíneken már rendkívül erős talajlehordást végezhet. A csatornában lehetőség van a hőmérséklet és a légnedvesség meghatározására is. Az egyes mintáknál a kritikus indítósebesség meghatározásához egy fényvető segítségével kialakított 70 cm hosszú, l cm széles erős fénysávot használtunk. A fényt a fényvédő felső részébe beépített 1500W fényerejű halogén lámpa szolgáltatja. A szélcsatorna-kísérletekhez begyűjtött eltérő nedvességtartalmú mintákat szárítószekrényben kiszárítottuk, majd 1.8 mm lyukátmérőjű drótszita segítségével eltávolítottuk a talajban előforduló szennyeződéseket (tarlómaradványok, gyomok, gyökerek, stb.), valamint a nagyobb talajrögöket. Az így előkészített száraz talajt 30x50 cm felületű 5 cm mélységű fémtálcákban helyeztük a szélcsatornába (5. ábra). A tálca elé és mögé egy kis szögben emelkedő lejtőt helyeztünk azért, hogy a levegő ne ütközzön a tálca merőleges falába, és kiküszöböljük az ebből adódó turbulencia képződését. A szélcsatornában a kísérleteket több sebességfokozaton végeztük úgy, hogy a szél sebességét a talajfelszín felett több ponton mértük. A kísérletsorozattal a különböző talajtípusok eltérő erodálhatóságát határoztuk meg. Első lépésként szélprofilméréseket végeztünk, majd az egyes talajtípusok kritikus indítósebességét határoztuk meg. A kritikus indítósebesség meghatározását, a talajok erodálhatóságának vizsgálatánál nagyon fontosnak tarjuk. A csatorna hosszirányú középvonalában húzódó fénycsíkon az első talajszemcsék indulása pontosan megállapítható. Így minden talajtípusnál meghatározhatjuk azt a szélsebességet, amelynél az erózió beindul. A kritikus indítósebesség meghatározása után a talajkárok pontosabb megismerése érdekében négy sebességfokozaton vizsgáltuk az elszállított anyag mennyiségét. 3
Lóki József: Hazai széleróziós kutatások A szélcsatornában végzett kísérleteket 3 4 alkalommal megismételtük, majd a mért adatok átlagát vettük. Az így nyert adathalmazt számítógépen dolgoztuk fel. Így lehetőség nyílt az adatok közötti matamatikai összefüggések megállapítására. A genetikai talajtípusok víztartó képességét is vizsgáltuk a szélcsatornában különböző mértékű öntözésnél. A nedves talajjal végzett kísérletek során a száraz talajok felszínét a tálca peremével azonos szintbe egyengettük el, majd kézi permetezővel 0.5, 1.0, 2.0 és 5.0 mm csapadéknak megfelelő vizet egyenletes eloszlásban juttattunk rá. A csapadék mennyiségét, illetve a párolgás mértékét a minta súlyának ismeretében határoztuk meg elektromos mérlegen. A kísérletek során azt mértük, hogy négy sebességfokozaton mennyi idő szükséges a talajra juttatott víz elpárologtatásához. Minden kísérletnél folyamatosan mértük az áramló levegő hőmérsékletének és páratartalmának változását is. Minden kísérletet háromszor megismételtünk és a különböző helyekről származó azonos talajtípusokon mért értékek átlagát vettük. A méréseredmények adathalmazánál a szélsebesség és a párolgási idő közötti matematikai összefüggést határoztuk meg. A mérési eredményeket számítógépen Excel programban dolgoztuk fel exponenciális trendvonal illesztésével. 5. ábra. Kötött talaj erózió előtt 6. ábra. Kötött talaj erózió után 7. ábra. Futóhomok öntözés után 8. ábra. Kötött talaj öntözés után Eredmények Kritikus indító sebességek A kritikus indító sebességek meghatározása gazdasági szempontból is fontos, ugyanis a területre jellemző szélsebességek és genetikus talajok ismeretében meghatározható a potenciális szélerózió kezdete. A vizsgált talajok közül a futó-, humuszos és réti homok 4
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. talajok indító sebessége volt a legalacsonyabb (5.95-6.8 m/s). A csernozjom és szikes talajokat csak a 9-10 m/s-os szelek tudják mozgásba hozni. Szélprofilok A szélcsatornában a különböző magasságban mért sebességértékek változásai a talaj érdességétől függnek. A talajok összehasonlítására a mintatartó edény középpontja felett mért szélsebességeket választottuk. A különböző talajtípusoknál mért sebességértékek átlagai jól tükrözik a szemcseösszetételből, illetve a felszín érdességéből adódó eltéréseket. A talajok szélprofil görbéit értékelve megállapíthatjuk, hogy a szélsebesség növekedésével a felszín sebességcsökkentő hatása jobban érvényesül. A kísérleteink legkisebb sebességfokozatán a talajfelszín feletti sebesség alig tért el a 10-30 cm magasságtartományban mért értékektől. A sebesség fokozásával szembetűnőbb a felszín érdességének sebességcsökkentő hatása, így a felszín közelében és a nagyobb magasságokban mért értékek között számottevő az eltérés. Azt is megállapíthatjuk, hogy a levegőnek a felszínhez való súrlódása következtében a sebesség mintegy 10 cm-ig növekszik erőteljesebben. A szélcsatornában végzett méréseink alapján a begyűjtött mintákat kategóriákba sorolhattuk. Az érdes felületű homoktalajok (futó-, humuszos- és réti homok) szélprofil függvényeinek a meredeksége, a 0-10 cm magasságtartományban a szélsebesség növekedésével jelentősen csökken (9. ábra). 9. 10. 11. ábra. Szélprofilok különböző talajokon 5
Lóki József: Hazai széleróziós kutatások A réti csernozjom, mészlepedékes csernozjom és szolonyeces réti talajok a szemcseösszetételük miatt simább felületűek, és a kisebb súrlódás következtében a szélprofil függvények a homoktalajokétól eltérő értéket mutatnak (10. ábra). A 0-10 cm-es felszínközeli tartományban nem csökken olyan mértékben a szél sebessége, mint ahogy ezt a homoknál tapasztaltuk. Itt meg kell jegyezni, hogy a finomabb szemcseösszetételből adódó, részecskék közötti kohézió miatt a felszín erodálódása magasabb sebességfokozaton indul, de akkor a finomabb szemcsék lebegő mozgással magasabbra jutnak mint az ugráló futóhomok. Így a hordalék a csatorna teljes keresztmetszetében áramlik úgy, hogy a felszín közelében az ugráló talajszemcsék itt is csökkentik a szél energiáját. A méréseink során a minták apróés középszemű homoktartalmától függően eltéréseket tapasztaltunk, de az átlagértékek jól elkülöníthetőek voltak a homoktalajokétól. A harmadik kategóriába sorolhatók a mélyben sós és réti szolonyec talajok (11. ábra). A minták előkészítésekor megfigyeltük, hogy ezeknél a talajoknál a legjelentősebb az aggregátum képződése. Az iszap- és agyagszemcsék nagyobb méretű talajszemcsékké tapadtak össze, amelyek egy része a száraz szitálás során szétesett. A mintatartóba töltött elegyengetett felszínű talajok felülete sima lett, ezért ezeknél tapasztaltuk a legkisebb súrlódást. A szélsebesség értékei alacsony fokozaton a második kategória értékeihez közel állóak voltak. A kísérletnél használt legmagasabb sebességen a talajszemcsék a futóhomokhoz hasonlóan ugráló mozgásba kezdtek. Emiatt szétestek és a nagy mennyiségű finom frakció lebegtetett állapotba került. Erodálhatósági eredmények A szélcsatornában a kísérletek során négy sebességtartományban mértük a talajok erodálhatóságát. Minden sebességfokozaton a kísérletet háromszor megismételtük. Egy-egy kísérlet időtartalma a szél sebességétől, és a talajok erodálhatóságától függően 3-10 percig tartott, de a mérések átlageredményeit minden esetben 3 percre számoltuk át. A szélcsatornába helyezett műszerekkel meghatároztuk a levegő hőmérsékletét és páratartalmát. A függvényeket, illetve a mérési adatokat elemezve szembetűnő a homoktalajok magas erodálhatósági értéke. A kísérletek során arra is felfigyeltünk, hogy a homokok deflációja között is eltérés mutatkozik. A kis humusztartalmú és arányaiban sok aprószemű homokot tartalmazó futóhomok mintából szállította a legnagyobb mennyiséget a szél. A legnagyobb sebességfokozaton a 3 perc alatt erodált mennyiség megközelítette a 6 kg-ot (12. ábra). Ez egyenletes felszíni eróziót feltételezve 2-2,5 cm-es talajelhordásnak felel meg. Ehhez közelálló, de kisebb értéket kaptunk a kissé humuszos, több finomabb homokfrakciót tartalmazó humuszos homoknál. A réti jellegű homok erodálhatóságában és a kritikus indító sebességében is mutatkozott némi különbség. A különbség okát kutatva megállapíthattuk, hogy az eróziónak jobban ellenálló 0627/2 sz. minta kevesebb (43,5%) aprószemű homokot tartalmaz. A 3 perc alatti talajveszteség 3.0 kg. A két homokminta erodálhatóságában mutatkozó különbséget a függvények képletei is jól tükrözik (13. ábra). Korábbi mérési tapasztalataink alapján megállapíthatjuk, hogy az aprószemű homok aránya mellett a finom frakció részesedése is meghatározza az erodálhatóság mértékét. A 0627/2-es sz. mintában a nagyobb százalékarányban előforduló iszap és agyagszemcsék is csökkentő hatást gyakoroltak a szélerózióra. A szélcsatornában végzett mérések eredményeit tovább elemezve megállapíthatjuk, hogy a löszös üledéken képződött csernozjom talajok, és a homoktalajok erodálhatósága között jelentős az eltérés. Ez egyrészt abban mutatkozott meg a kísérletek során, hogy a löszös frakciót tartalmazó minták szemcséi magasabb sebességen indultak, másrészt az egyes sebességfokozatokon kevesebb anyagmennyiség távozott. 6
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. A mészlepedékes csernozjom talajból két mintát választottunk. A kritikus indítósebességükben minimális eltérést tapasztaltunk. A legalacsonyabb sebességfokozaton szállított anyag mennyiségben nem volt eltérés. A csatornában mért legmagasabb értéknél azonban az egyik mintából (14. ábra) több, mint kétszer annyit erodált a szél, mint a másikból. A két minta szedimentológiai vizsgálatának eredményei az iszap- és agyagtartalomban mutatnak jelentősebb eltérést. A kisebb agyagtartalmú talajon volt magasabb az erózió mértéke (6. ábra). A szikes talajok erodálhatósága az első sebességfokozaton csekély volt, de az erősebb szélben szállított anyag mennyiségéből arra következtethetünk, hogy potenciálisan ezeknél a talajoknál is számolnunk kell a szélerózió veszélyével. A szélsebesség és az elszállított réti szolonyec talajmennyiség közötti összefüggést a 15. ábra szemlélteti. Természetes körülmények között, ezek a talajok ellenállóak a szélerózióval szemben, de felszántásuk, tárcsázásuk növeli erodálhatóságukat. 12. 13. 14. 15. ábra. Az erodálhatóság függvényei A talajok víztartó képessége A talaj felületén a felszín száradásakor vékony kéreg alakul ki, amely a szélsebességtől függően rövidebb-hosszabb ideig védőhatást nyújt a felszínnek. A védőkéreg kialakulása, vastagsága és keménysége a talajoktól függően változik. A talaj átnedvesedett felső rétegében, a szemcseösszetétel eltéréséből adódóan átrendeződés figyelhető meg. Az iszap- és agyagfrakció egy része a felszínre emelkedik, majd száradáskor Ε különösen akkor Ε, ha a talaj CaCO 3 -t is tartalmaz összecementálódik. A felszínre kerülő finom részecskék mennyiségétől, valamint a talaj mésztartalmától függ a kéreg vastagsága, illetve keménysége. A kísérletsorozat mérési eredményeit elemezve megállapíthatjuk, hogy a talajok nedvességtartó képességében számottevő eltérések figyelhetők meg. A víz felszínre permetezésekor jól érzékeltük, hogy a durvább szemcseösszetételű talajban a víz gyorsabban szivárog lefele, mint a több iszap- és agyagfrakciót tartalmazó mintákban. A 0.5 mm csapadéknak megfelelő öntözés a talajok felső részén csak néhány mm-es(< 5 mm) átnedvesítést eredményezett. A kísérletek során alkalmazott legkisebb sebességen (4.0 4.25 m/s) a mintákba beszivárgott víz elpárologtatásához a futóhomoknál 132 percre, a csernozjom talajoknál 226, a szíkesnél viszont 242 percre volt szükség. A legnagyobb sebességfokozaton (12.90 13.20 m/s) a párolgási idő 35 74 80 percre csökkent. Az 1.0 illetve a 2.0 mm csapadék vastagabban (8 18mm) nedvesítette át a talajokat. A legkisebb sebességfokozaton (4.0 4.25 m/s) a három talajtípuson 1.0 mm-es öntözésnél 232 452 458 percre, 2.0 mm-es öntözésnél 468 538 636 percre volt szükség a víz elpárologtatásához. A legnagyobb sebességfokozaton (12.90 13.20 m/s) a párolgási idő 1.0 mm-es öntözésnél 74 112 138 percre, 2 mm-es öntözésnél 151 214 236 percre csökkent. 7
Lóki József: Hazai széleróziós kutatások 5.0 mm öntözésnél a talaj átnedvesedése 40 mm körül ingadozott. A legkisebb sebességfokozaton (4.0 4.25 m/s) 974 1148-1346 perc alatt párolgott el a talajokba beszivárgott víz. A legnagyobb sebességfokozaton (12.90 13.20 m/s) a párolgási idő 326 496 502 percre csökkent. A felszín alá mélyebben beszivárgó víz finomabb iszap- és agyagszemcséket juttatott a felszínre, amely a kiszáradás során, talajoktól függően, eltérő vastagságú kéreg kialakulását eredményezte. A felszíni réteg kiszáradásakor a felületen kialakult kéreg mozaikszerűen megrepedezett (7 8. ábra). A repedések során kialakuló kéregdarabok mérete, alakja talajonként eltérő, de minden esetben megfigyelhető a kéregdarab peremének elvékonyodása, esetenként a felhajlása is, amely a száradásból adódó térfogat csökkenésének következménye. Az öntözésnél használt víz mennyiségének növelése jelentősen emelte a talajok kiszáradásának idejét. A sebesség növelésével a párolgás időtartama jelentősen csökkent. A magasabb sebességfokozaton is megmutatkozott a talajok eltérő víztartó képessége. A méréseredményeket elemezve arra is felfigyeltünk, hogy a szélsebesség és a nedvesség elpárologtatásához szükséges idő közötti összefüggésben 9 m/s körüli sebességnél minőségi változás tapasztalható. A 9 m/s sebesség alatti tartományban a függvények meredeksége megnő, ami arra utal, hogy az alacsonyabb sebességfokozaton sokkal lassabb a párolgás mértéke, tehát az összefüggés nem lineáris. A trendvonalak illesztésénél (16. 18. ábra) az exponenciális függvénykapcsolat mutatta a legjobb korrelációs összefüggést. 16. 17. 18. ábra. A víztartó képesség függvényei 8
Földrajzi Konferencia, Szeged 2001. A különböző hazai területekről származó talajok erodálhatósági vizsgálatainak eredményei lehetőséget biztosítottak arra, hogy a genetikai talajtípusoktól függő potenciális széleróziós térképet szerkesszünk. Magyarország potenciális széleróziós térképe Irodalom Bagnold, R.A. (1941): The phisics of blown sand and desert dunes. London, Methuen Co. P. 265 Borsy Z. (1972): Studies on wind erosion in the wind-blown sand areas of Hungary. Acta Geogr. Debrecina pp. 125-134. Borsy Z. (1974): A futóhomok mozgásának törvényszerűségei és védekezés a szélerózió ellen. Doktori értekezés. Debrecen p. 329. Chepil, W.S. (1945): Dinamics of Wind Erosion I-III. Soil Sci. V. 60. pp. 305-480. Lóki J. (1985): A téli nyírségi szélerózióról Acta Academiae Paedagogicae Nyiregyháziensis Tom 10/H Nyiregyháza pp. 35-41. Lóki J. Szabó, J. (1997): Neuere Windkanaluntersuchungen der Deflations-sensibilität von Böden des Ungarischen Tieflandes Z. Geomorph. Berlin-Stuttgart pp. 145-159. Lóki J. Szabó J. (1997): Az alföldi talajok deflációérzékenységi vizsgálata szélcsatornában. Kompolt. Regionális Agrárkutatási és vidékfejlesztési workshop. pp.73-83. Lóki J. and Szabó J. (1998): Wind tunel studies on deflation sensitivity of lowland soils in Hungary. Proceedings of the International Workshop on Technical aspects and use of wind tunels for winderosion control Combined effect of wind and water on erosion processes (November 17-18, 1997, Ghent, Belgium) Edited by Donald Gabriels and Wim M. Cornelis. I.C.E. Special Report No. 1998/1, International Centre for Eremology, University of Ghent, Belgium. pp. 33-43. Lóki J. (2000): The study of wind erosion on different soils by wind tunnel. Anthropogenic Aspects of Landscape Transformations. 1. pp.37-44. Williams, G. (1964): Some aspects of the eolian saltation load. Sedimentology. Pp. 257-287. Zingg, A.S. (1951): Evaluation of the erodibility of field surfaces with a portable wind tunnel. Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 15. Pp.11-17. 9