Soil resistance as an indicator of the mechanism of erosion process

[Н. Ђ. Живановић]

173 стр.

Биотехничке науке / Ерозија и конзервација земљишта и вода

Biotechnical Sciences / Erosion and soil and water conservation

Земљиште је есенцијални природни ресурс у обезбеђивању основних људских потреба. Ерозија земљишта представља један од најзаступљенијих облика физичке деградације земљишта како у свету тако и у Србији. С обзиром да на настанак и развој ерозионог процеса утиче значајан број фактора као и њихови међусобни односи, проучавање ерозионих процеса представља комплексан, дуготрајан и често скуп процес. Ово је условило недовољну изученост ерозионих процеса, нарочито у областима под шумом. Отпорност земљишта на ерозионе процесе се дефинише физичко-механичким параметрима земљишта. Одређивање механизма настанка ерозионог процеса је од кључног значаја за разумевање праваца даљег развоја, интензитета ерозионог процеса као и за одабир одговарајућег решења за санацију. Примарни циљ дисертације односи се на детерминисање елемената механизама настанка ерозионих процеса на земљиштима истраживаног подручја, анализом физичких и механичких параметара земљишта. Секундарни циљ је утврђивање промена механичких параметара земљишта са променом влажности симулираном кишом. Истраживано подручје налази се у јужном брдовитом делу Београда, у шумском подручју са заступљеном деградираном шумом Quercetum frainetto – cerris. Подручје је захваћено интензивним ерозионим процесима јаружања и клизања земљаних маса, а такође је уочен и процес унутрашње линијске ерозије. Према успостављеном критеријуму, заснованом на заступљености и степену развоја ерозионог процеса, извршено је испитивање физичко-механичких параметара земљишта. Специјално конструисаним и калибрисаним теренским симулатором кише и примењеним одговарајућим поступком експеримента, спроведен је низ опита, са циљем посматрања ефеката промене влажности земљишта на промену механичких параметара земљишта, као и формирање површинског отицаја и еродирање земљишта. Узимање узорака и лабораторијска мерења физичких параметара, обављена су према стандарду о геотехничким испитивањима (SRPS.U.B1). Механички параметри, односно одређивање чврстоће земљишта на смицање (τ) вршено је коришћењем џепне крилне сонде, а отпор при продору игле (R) помоћу џепног (ручног) статичког пенетрометра. Добијени резултати су указали да се механизам настанка ерозионих процеса на истраживаном подручју активира унутрашњом линијском ерозијом, после чега следи појава површинских бразди, чијим продубљивањем настају јаруге и клизишта. Физичко-механички параметри земљишта, могу се користити као индикатори могућности покретања механизма ерозионих процеса. На основу вредности физичко-механичких параметара земљишта, успостављени су јасни критеријуми за утврђивање настанка ерозионих процеса на истраживаном подручју. Успостављен је регресиони модел који најбоље описује зависност између параметара тренутне влажности земљишта и чврстоће земљишта на смицање, са високим коефицијентом корелације r = − 0,85 и коефицијентом детерминације r2 = 0,72. Такође издвојен је модел који показује повезаност параметара тренутне влажности земљишта и отпора при продору игле, са високом корелационом зависношћу r = − 0,81 и коефицијентом детерминације r2 = 0,65. На основу добијених статистичких зависности може се закључити да са порастом тренутне влажности опадају вредности механичких параметара земљишта. Преносиви апарати за мерење механичких параметара земљишта показали су се као веома практични у условима тешко проходних терена, са задовољавајућом прецизношћу мерења. Резултати дисертације могу имати широку практичну примену у оквиру шумарства. У оквиру дисертације предложена је методологија за коришћење параметара којима се детерминишу физичко-механичка својства земљишта у процесу идентификације ерозионих подручја.

Soil is an essential natural resource which is necessary for providing a majority of basic human needs. Soil erosion is one of the most widely distributed forms of physical land degradation, both globally and in the Republic of Serbia. Having in mind that a number of factors, as well as their respective inter-relations affect the occurrence and development of the process of soil erosion, its research can be complex, long lasting, and often very expensive. All of this has caused an overall insufficient amount of information possessed about it, especially in forested areas. Soil’s resistance to erosion can be defined by its physical and mechanical parameters. Determining the erosion process’s mechanism of occurrence is essential for understanding its further development, intensity and decision making of appropriate remediation methods. The main goal of this dissertation is to determine the elements which cause the erosion processes within the investigated area, by analysing the physical and mechanical parameters of its soil. A partial goal is determination of mechanical parameters changes that occur with the changes in soil moisture content achieved by rain simulation. The investigated area is located in the southern, hilly part of Belgrade, in a degraded forest area vegetated by Hungarian and Turkey oak (Quercetum frainetto – cerris). This area is affected by intensive landslide and gully erosion processes, and piping-erosion processes have also been reported. Having the criteria that were set based on the abundance and the level of erosion processes in mind, determination of soil’s physical and mechanical parameters has been performed. By using a field rain simulator and methodology constructed and calibrated particularly for the purpose of this research, a series of experiments were performed in order to observe the effect of changes of soil moisture content on mechanical soil parameters, and formation of runoff and soil erosion. Soil sampling and laboratory testing were done in accordance with SRPS.U.B1 geotechnical testing standards. Soil’s mechanical, shear strength parameters (τ) were determined by using a pocket vane tester, whereas penetration resistance (R) was determined by a manual (pocket) penetrometer. The results that were obtained have pointed that the mechanism of development of erosion processes at the investigated area is initiated by piping-erosion, after which surface gullying, and, finally, landslides take place. Physical and mechanical soil parameters can be used as indicators of the possibility of occurrence of erosion processes. Based on them, a clear criteria for determination of occurrence of erosion processes for the investigated area were set. A regression model with high correlation dependence (r = − 0.85) and determination coefficient (r2 = 0.72) which best shows the dependence of actual moisture content and soil’s shear strength, was adopted. Other than that, a model which shows the connections between the actual moisture content and penetration resistance was utilized, and it has also proven to possess a high correlation dependence (r = − 0.81) and determination coefficient (r2 = 0.65). Based on the statistical dependencies that were obtained, it is to be concluded that soil’s mechanical parameters values decrease with increasing the moisture content. The portable equipment that was used has proven itself to be very practical in terrains that are difficult to reach, and has shown a satisfactory precision in measuring. The results of this dissertation could be widely applied in forestry. A methodology on using the parameters for determining physical and mechanical soil properties in identifying erosion prone areas was also encompassed within this dissertation.

ерозија земљишта, механизам настанка, физичко-механички параметри земљишта, симулатор кише, јаруга, унутрашња линијска ерозија

erosion, occurrence mechanism, physical and mechanical soil parameters, rain simulator, gully, piping-erosion

624.131.37:630*116.24(043.3)

Tekst