Фотоэлектрические модули снижают смыв почвы на склонах до 56,6%, но вызывают овражную эрозию вдоль линии капельного стока

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Северо-Западного университета сельского и лесного хозяйства Китая (Northwest A&F University) и Китайской академии наук (CAS) с помощью модельных экспериментов с искусственным дождём изучила влияние массивов фотоэлектрических модулей на склонах на характер эрозии почвы и гидродинамические процессы. Результаты показали, что установка фотоэлектрических модулей снижает общий вынос наносов со склона, однако эрозия концентрируется в зоне линии капельного стока под нижней кромкой модулей, формируя овражный тип эрозии, не характерный для естественных склонов.

В эксперименте использовался регулируемый почвенный лоток размером 2,0 м × 1,0 м × 0,4 м, заполненный пахотной суглинистой почвой, отобранной на юге Лессового плато Китая; уклон был зафиксирован на уровне 10°. Четыре специально изготовленных фотоэлектрических модуля размером 57 см × 48 см были размещены над почвой в линейной (1×4) или блочной (2×2) компоновке; исследовались комбинации трёх высот установки — 0,4 м, 0,6 м, 0,8 м — и трёх углов наклона — 30°, 35°, 40°. Для каждой конфигурации проводился 60-минутный модельный дождь с интенсивностью 80 мм/ч; дополнительно использовался эквивалентный склон без фотоэлектрических модулей в качестве контроля; все сценарии повторялись дважды.

В ходе эксперимента отбирались пробы стока и наносов, измерялись скорость потока и глубина воды на покрытых и открытых участках; после каждого цикла фиксировались время начала, длина, ширина и глубина эрозионных борозд под линией капельного стока. Команда также провела 8 экспериментов по снижению эрозии с использованием травяных матов или гравийных полос шириной 20 см.

Исследователи пояснили, что фотоэлектрические модули изменяют естественное взаимодействие осадков и поверхности почвы посредством двух синхронных механизмов: покрытая зона перехватывает дождевые осадки, снижая отрыв частиц при ударе капель и поверхностное уплотнение; перехваченная вода собирается у нижней кромки модулей в виде высокоэнергетического капельного стока, образуя концентрированный поток с повышенной эрозионной способностью. Такое перераспределение формирует на склоне характерный пространственный рисунок — затенённая зона больше не получает прямых осадков, а линия капельного стока подвергается непрерывному воздействию концентрированного потока.

Результаты модельных дождей показали, что в масштабе склона по сравнению с контролем вынос наносов со склона с установленными фотоэлектрическими модулями снизился максимум на 56,6%; по высоте установки наибольшее среднее снижение — 46,3% — наблюдалось при высоте 0,4 м; по углу наклона наибольшее среднее снижение — 36,3% — при угле 35°. При всех конфигурациях фотоэлектрических модулей под линией капельного стока появлялись поперечные микроборозды (мелкие эрозионные канавы, пересекающие склон), тогда как на контрольном склоне такие борозды отсутствовали.

Эксперимент также показал, что в условиях ламинарного течения (Re<500) и докритического режима (Fr<1,0) эрозионная энергия накапливается продольно вдоль склона; скорость потока при переходе от вышерасположенной покрытой зоны к нижерасположенной покрытой зоне увеличивалась на 148%, что делало нижний ряд модулей ключевой позицией базового размыва. Расположение и шаг борозд (48–57 см) определялись компоновкой модулей; ширина и глубина борозд увеличивались с ростом высоты установки, достигая при высоте 0,8 м значений 3,44 см и 1,84 см соответственно. Исследователи считают, что внешние конструкции способны формировать на склонах эрозионную геометрию, не существующую в естественных условиях.

Результаты опубликованы в журнале «Journal of Hydrology» под названием «Photovoltaic panel arrays reshape soil erosion patterns and hydrodynamic processes on hillslopes».