Введение к работе
Актуальность проблемы.
Почвы являются одним из важнейших элементов биосферы, обеспечивающим существование жизни на Земле. В связи с этим проблемам, связанным с описанием ее состояния, происходящих в ней процессов, а также их эволюции, уделяется большое внимание со стороны исследователей, практиков, хозяйственников и самых широких слоев населения планеты. Общеизвестно, что почвы подвергаются воздействию большого набора сельскохозяйственных и индустриальных поллютантов. Для изучения поведения в почве и подпочвенной грунтовой толще химических веществ и разработки проектов по санации загрязненных объектов исследователи и инженеры в течение последних десятилетий разработали внушительный комплекс компьютерных моделей, описывающих процесс миграции порового раствора в и через эти пористые природные тела. Компьютерные модели по мере углубления знаний об изучаемом явлении и своего параллельного совершенствования превратились в необходимое средство исследований большого числа физических, химических и биологических процессов в почвах, грунтах и трещиноватых скальных породах при их переменном водонасыщении. В свою очередь, при планировании воздействий на природные почвенно-грунтовые среды, включающих как их пассивную защиту, так и их активное очищение, прибегают к использованию компьютерных моделей для получения оценок при проведении многовариантных расчетов по альтернативным сценариям результатов инженерных мероприятий и выбора оптимальных решений, включающих дозы, интенсивности и сроки воздействий. Такой интенсивный спрос на современное компьютерное обеспечение моделирования процессов массопереноса в почвах у исследователей и инженеров, с одной стороны, а с другой - противопоставление известных фактов, знаний и новых экспериментальных данных, повышение требований пользователей к качеству получаемой посредством этих моделей количественных оценок исследуемых процессов побуждает к постоянному их совершенствованию как с точки зрения адекватности описания, так и создания удобств пользования.
К настоящему времени экспериментальными работами П.Н. Березина, А.П. Бондарева, А.Д. Воронина, Б.Н. Мичурина, С.А. Николаевой, Т.Н. Початковой, П.М. Са-пожникова, Е.В. Шеина, E.G. Childs, A. Faure, J.-С. Fies, G. Monnier, M.I. Sharma, P. Stengel и др. показана взаимосвязь между гидрофизическими свойствами и мно-гоуровенной организацией строения порового пространства почв. В результате был сделан переход от рассмотрения почвенной массы в целом к ее дифференциации по фракциям структурных почвенных элементов и нахождению их почвенных характеристик. При этом сложилась логичная концептуальная модель строения порового пространства минеральных почв, в основу которой положено расчленение почвенной массы на структурные почвенные элементы различных уровней с выделением присущих им подпространств твердой фазы и пор. Таким образом, накопленная в течение
последних лет экспериментальная и теоретическая информация позволила сделать в настоящей работе попытку обобщения ее в виде структурных моделей почв с целью нахождения взаимосвязей между физико-механическими и химическими свойствами почв с одной стороны, и их гидрофизическими характеристиками, с другой.
Цель работы: разработать структурные модели строения порового пространства почв, связывающие между собой физико-механические и химические свойства почв с их гидрофизическими характеристиками для оценки состояния и функционирования почв, а также обоснованного выбора математических моделей влагоперено-са в них.
Задачи исследований.
-
Разработать структурно-интегральные модели строения порового пространства почв, имитирующие результаты процессов оструктуривания, агрегации, усадки-набухания, осолонцевания и загипсовывания.
-
Разработать структурно-дифференциальные и структурно-функциональные модели строения порового пространства почв, а на их основе способы косвенной оценки основной гидрофизической характеристики с использованием экспериментальной информации, получаемой известными способами анализа твердой фазы.
-
Разработать способы расчета влагопроводности почв по известной характеристике водоудерживания с использованием структурных моделей строения порового пространства почв.
-
Разработать способы расчета гистерезиса характеристики водоудерживания с использованием структурных моделей строения порового пространства почв.
Методология исследований. Поставленные задачи решались на основе теоретических разработок, включающих модельное представление порового пространства почв в виде многоуровенной иерархической системы. Эта система составлена ансамблями соответствующих структурных почвенных элементов, сгруппированных по фракциям, с использованием характеристик плотностей распределения твердой фазы по элементарному представительному объему для выделения интегральных по-ровых подпространств, а также гранулометрических характеристик распределения структурных почвенных элементов по фракциям для выделения присущих им локальных подпространств. Дифференциация структурных почвенных элементов по фракциям производится по классификации Н. А. Качинского. Методической основой анализа почвенных свойств служат физико-механические и химические характеристики почв, традиционно используемые в почвоведении. При разработке структурно-дифференциальных моделей почв в качестве умозрительных образов использованы известные микроморфологические модели строения почв.
Структурные модели описывают поровое пространство элементарного представительного объема почвы на двух уровнях - макроуровне, размеры которого сопо-
ставимы с размерами почвенных горизонтов, и микроуровне, размеры которого сопоставимы с размерами структурных почвенных элементов. При формализации моделей был сформулирован ряд гипотез, ключевой из которых является гипотеза аддитивности физических и гидрофизических характеристик интегральных и дифференциальных подпространств, на которые расчленяется поровое пространство почвы. Для адаптации моделей к реальным почвам в них включена экспериментальная информация, полученная рядом исследователей о гидрофизических характеристиках водоудерживания фракций структурных почвенных элементов. Верификация моделей строения порового пространства почв осуществлена как с использованием экспериментальных данных исследований (лабораторных и полевых), проведенных либо с участием автора, либо под его руководством, так и данных, предоставленных рядом исследователей, а также опубликованных в научно-технической литературе.
Научная новизна.
-
Разработаны структурные модели различных по строению порового пространства почв, позволяющие оценить их гидрофизические характеристики по физико-механическим и химическим свойствам, а также влияние ряда внешних и внутренних факторов на состояние и функционирование этих природных пористых сред, исходя из их водоудерживания и влагопроводности.
-
Получены аналитические выражения (на основе моделей Муалема и Бердай-на), позволяющие рассчитывать влагопроводность сложных по строению порового пространства почв.
-
Разработаны способы адекватного апостериорного аналитического описания гидрофизических характеристик водоудерживания и влагопроводности почв.
-
Показана правомочность принятия гипотезы аддитивности гидрофизических характеристик водоудерживания поровых подпространств, составляющих поровое пространство почв, при моделировании строения иерархических многоуровенных почвенных сред.
Основные положения, представляемые к защите.
-
Структурные модели строения порового пространства почв ("бесструктурная", "структурная", "агрегированная", "набухающая", "солонцовая", "гипсо-кальцитная") а также способы расчета характеристик водоудерживания этих моделей по экспериментальной информации о физико-механических и химических свойствах почв.
-
Способ расчета влагопроводности почв по известной характеристике водоудерживания с использованием структурных моделей строения порового пространства почв.
-
Способы апостериорной аппроксимации характеристик водоудерживания и влагопроводности почв.
Практическая ценность заключается в возможности получений гидрофизической информации, необходимой для прогнозирования водного режима на основе традиционных способов измерения физико-механических и химических характеристик почв, а также в возможности прогнозирования изменения гидрофизических характеристик почв в результате воздействия ряда внешних и внутренних факторов (агротехнических мероприятий, водного и солевого режимов и пр.).
Реализация работы. Полученные в работе результаты были использованы при выполнении договорных научно-исследовательских проектных работ НИЧ МГУП. Отдельные теоретические результаты работы вошли в состав учебно-методических пособий, а также были использованы в процессе подготовки защищенных кандидатских диссертаций четырех аспирантов, в руководстве которыми принимал непосредственное участие автор. Компьотерные программы, составленные на основе разработок, вошедших в диссертацию, использовались инженерами, аспирантами и исследователями ряда учебных, научно-исследовательских и проектных организаций России, Украины, Узбекистана, Литвы, Кубы, Сирии, Франции и Швейцарии. Разработки по оценке гидрофизических свойств почв вошли в состав пособия руководства по дренажу. На основе результатов работы прочитан курс лекций по моделированию процессов массопереноса в почвах для преподавателей и исследователей кафедры орошения и дренажа Агрономического Университета г. Сиего Де Авила, Куба.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и получили одобрение на научно-технических конференциях МГМИ (Москва 1982-1992гг.), годичном собрании секции мелиорации и гидротехники ВАСХНИЛ (Москва, 1985), на школе-семинаре факультета почвоведения МГУ (Пущине 1986), на советско-французском семинаре "Идентификация моделей массопереноса в почвах" (Ленинград, 1986), семинаре "Моделирование процессов энерго- и массопереноса в почвах" (Курск, 1988), на семинаре лаборатории моделирования массопереноса Агрофизического института (Ленинград, 1987), на малом ученом совете Почвенного института им. Докучаева (Москва, 1987), на первом Всесоюзном совещании "Гидрофизические функции и влагометрии почв" (Ленинград, 1987), на школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1988), на семинаре "Математическое моделирование гидрогеологических процессов" (Душанбе, 1988), на методической конференции ЮЖНИИГиМ (Новочеркасск, 1988, 1989), на школе семинаре ИВПАН АН СССР (Москва, 1989), на французско-советском семинаре "Количественные методы в почвоведении" (Бордо, Франция, 1989), на международном семинаре "Косвенные методы оценки гидрофизических характеристик почв" (Риверсайд, США, 1989), на семинаре лаборатории почвоведения института агрономических исследований (Авиньон, Франция, 1989, 1992). на международном семинаре "Влагоме-трия почв" (Монпелье, Франция, 1992), на конференции стран содружества "Физика
почв и проблемы экологии" (Пущино, 1992), на втором СНГ-США конференции "Гидрология и гидрогеология окружающей среды" (Вашингтон, США, 1993), на семинаре института мелиорации департамента сельскохозяйственной инженерии лоэанской федеральной политехнической школы (Лозанна, Швейцария, 1994), на XV Международном конгрессе по почвоведению (Акапулько, Мексика, 1994), на семинаре Вайле-ровской лаборатории сохранения и развития аридных почв, Института исследований пустыни Якова Блаустейна (Седе-Бокер, Израиль, 1994), на XX сессии Европейского геофизического общества (Гамбург, Германия, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Она включает 370 стр. машинописного текста, 119 рисунков (64 стр.), 45 таблиц (29стр.), список литературы включает наименований (25 стр.).
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному консультанту проф. д.б.н. А. Д. Воронину за ценные советы и помощь при работе над темой, коллективу проблемной лаборатории Московского государственного университета природообу-стройства, всем коллегам, оказывавшим содействие в выполнении НИР, проведении полевых и лабораторных исследований, предоставившим свои экспериментальные данные, сделавшим замечания и пожелания при подготовке работы, а также родным, друзьям и знакомым, поддерживавшим в трудную минуту.
