Содержание к диссертации
Введение
1. Методология системных представлении о почве 10
1.1. Некоторые вопросы общеметодологических принципов построения систем 10
1.2. Системно-онтологические представления о почвах 13
1.3. Почва как среда обитания организмов
1.3.1. Функционирование почвенной биоты 19
1.3.2. Корневая система растений и ее роль в формировании режима почв
1.4. Твердые фазы почвы 25
1.5. Почвенные растворы 31
1.6. Почвенный воздух 33
1.7. Поверхностные фазы почвы
1.7.1. Природа адсорбционных свойств твердой части почв и электрокинетические явления 40
1.7.2. Физико-химические взаимодействия твердых фаз почвы с растворами
1.8. Двойной электрический слой и устойчивость агрегатной структуры почв. 43
1.9. Структура почв и пути ее моделирования
1.10. Понятие элементарного объема почвы и его строение 53
1.11. Проблема пространственной изменчивости свойств почв 56
2. Основы теории движения воды, воздуха и тепла в почвах . 60
2.1. Водновоздушный и тепловой режимы почвы. Основные понятия,
определения, терминология 61
2.2. Простые модели процессов формирования водного режима почв 64
2.3. Закономерности формирования теплового режима и описания процессов движения тепла в почвах
2.3.1. Фазовые переходы вода-лед 72
2.3.2. Простейшие модели движения тепла в почвах 77
2.4. Возможности и техника математического моделирования процессов
движения в почвах влаги, воздуха и тепла 81
2.4.1. Постановка задачи движения воды и воздуха в почвах 81
2.4.2. Решение задач инфильтрации в изотермических условиях 85
2.4.3. Неизотермическая инфильтрация в протаивающих почвогрунтах 90
2.4.4. Движение влаги после инфильтрации в процессах испарения в капиллярном подъеме 95
2.4.5. Расчеты водоотдачи грунтовых и почвенных вод 98
3. Методы экспериментальных исследований почвенных процессов 101
3.1. Лабораторные исследования процессов движения растворов и воздуха при неполном насыщении почв влагой 102
3.1.1. Конструкция экспериментальных установок, методика и некоторые результаты экспериментов 102
3.1.2. Определение зависимостей капиллярного давления и влагопроводности от влажности почвы 110
3.1.3. Экспериментальные исследования много ионного обмена в торфяных почвах. 113
3.1.4. Определение параметров катионного обмена при неполном влагонасыщении почв 116
3.2. Полевые эксперименты 120
3.2.1. Промывка засоленных мерзлотных почв (Якутия) 120
3.2.2. Эксперимент ИМПР (Белоруссия) 123
3.2.3. Полевые исследования кинетики химического состава почвенного воздуха и окислительно-восстановительного потенциала Краснодарских черноземов 127
4. Теоретические основы физико-химических процессов в почвенных системах 136
4.1. Моделирование процессов в почвенных растворах 136
4.1.1. Реакции ассоциации и диссоциации в почвенных растворах и ионные равновесия 137
4.1.2. Окислительно-восстановительные реакции в почвенных растворах 141
4.1.3. Растворение почвенного воздуха и химические реакции его основных компонент в растворах 143
4.2. Процессы ионного обмена в почвенных системах 145
4.2.1. Основные понятия, определения и терминология в теории ионного обмена 146
4.2.2. Равновесие обменного комплекса растворов в двух ионных обменных системах150
4.2.3. Изотермы бинарного ионного обмена в одно и двухвалентных системах153
4.2.4. Изотермы обмена в системах с трехвалентными ионами
1 4.3. Ионный обмен в почвах в при неполном их влаго-насыщении 168
4.4. Моделировании кинетики ионного обмена 172
4.5. Моделирование электрокинетических процессов в двойном слое Штерна при ионном обмене 175
4.6. Растворение и осаждения солей в почвах 180
4.6.1. Равновесие реакции растворения 181
4.6.2. Кинетика реакции растворения 187
5. Моделирование процессов движения компонентов почвенных растворов и воздуха 188
5.1. Оценка существующих представлений о процессах движения почвенных растворов и компонент воздуха 188
5.1.1. Анализ основных понятий и определений теории движения вещества в пористых средах 188
5.1.2. Другие подходы к основным понятиям в теории движения веществ в пористых средах 196
5.2. Уравнения сохранения массы при движении почвенных растворов и воздуха.в полистуктурных системах 210
5.2.1. Баланс массы воды и воздуха в пористых средах 211
5.2.2. Баланс массы компонент почвенного раствора и воздуха 212
5.3. Комплексная модель процессов формирования водно-солевого, газового и теплового режимов в агрегатированных почвах 213
5.3.1. Уравнения баланса тепла в почве 214
5.3.2. Уравнения баланса массы воды в почве 215
5.3.3. Уравнения баланса массы почвенного воздуха 215
5.3.4. Уравнения баланса массы веществ, растворенных в почвенной влаге 216
5.3.5. Уравнения баланса массы компонент почвенного воздуха 218
5.3.6. Моделирование плотностей (интенсивностей) источников и стоков в уравнениях баланса массы 220
5.3.7. Моделирование равновесия почвенных растворов 223
5.3.8. Моделирование ионно-обменных равновесий 228
5.4. Моделирование физико-химических свойств и параметров уравнений движения массы в почвах 228
5.4.1. Моделирование капиллярных свойств и площади межфазных границ в почвах 231
5.4.2. Проводящие свойства почв 237
5.4.3. Примеры комплексного моделирования капиллярных и проводящих свойств для агрегатированных почв 240
6. Практика моделирования водно-солевого режима почв и территориальной оценки агроресурсов 246
6.1. Общие принципы составления расчетных схем почвенной толщи 246
6.2. Моделирование процессов движения воды и солей в черноземах 249 6.2.1. Используемая математическая модель процессов формирования RnnHn-r.nneRoro режима почв 249
6.2.2. Исследование интерполирующих и экстраполирующих свойств модели (Идентификация и верификация модели) 254
6.2.3. Проектное обоснование эффективности внесения гипса при орошении черноземов Краснодарской оросительной системы при использовании воды разного качества 258
6.3. Оценка агроклиматических ресурсов 266
6.3.1. Расчет водного режима почв при оценке агроклиматических ресурсов района, 266
6.3.2. Длиннопериодная динамическая модель формирования урожая сельскохозяйственных культур А.Н.Полевого 266
6.3.3. Некоторые результаты оценки агроресурсов
7. Заключение 276
8. Основные выводы и результаты 279
Литература
- Поверхностные фазы почвы
- Закономерности формирования теплового режима и описания процессов движения тепла в почвах
- Определение зависимостей капиллярного давления и влагопроводности от влажности почвы
- Моделирование электрокинетических процессов в двойном слое Штерна при ионном обмене
Введение к работе
Актуальность проблемы. Почвы современных сельскохозяйственных ггодий существенно утратили свое генетическое естественное плодородие. Опыт юказывает, что в условиях земледелия почвы не могут долго сохранять присущий ш исходный уровень плодородия. Необходимо постоянно изменять их свойств, тучшать, мелиорировать. До тех пор пока основным источником продуктов іитания является сельское хозяйство, альтернатив развитию мелиорации ;ельскохозяйственных угодий не существует.
Приемлемый уровень урожая, обеспечивающий нормальные показатели :ачества жизни населения будет достигаться через новые технологии іемледелия, в которых Судет присутствовать не только компонент охраны псчз ю и система поддержания физико-химических их свойств и режимов для >беспечения долговременного агроэкологичнеского эффекта.
Ставшая столь привычной концепция необходимости роста продуктивности іашни уже не может удовлетворить экологически ориентированное (бщественное сознание, требуется инвентаризация имеющегося опыта, азработка соответствующего понятийного аппарата и языка, адекватно сражающего поиск альтернатив. Распространенная сейчас концепция охраны іриродьі, постепенно будет заменяться концепцией рационального форми-ювания глобально безопасной среды обитания человека .
Ни один из аспектов природопользования не вызывал такой поляризации шений, как мелиорация земель. Водные мелиорации явились тем полигоном, це возрождающееся общественное мнение впервые заявило о себе как о ажном социальном феномене. К сожалению эти дискуссии были мало онструктивны и лишь демонстрировали отсутствие у многих ее участников авыков их ведения.
Функции мелиорации полезно рассматривать з более широких рамках, апример, как кардинальное улучшение агроэкологической обстановки на ровне ландшафтов, районов, бассейнов рек и т.д.
Ориентация на экссистемное понимание мелиоративной деятельности, как елостного и комплексного подхода к рассмотрению, планированию и ациснальному использованию компонентов экосистем должна способствовать овышению устойчивости этих компонентов и окружающей среды в целом. Такой -штывающий многие среды подход, являющийся географически всеобъем-ющим, и направленный на восстановление, поддержание и улучшение условий елиорируемых земель, водоемов и других экосистем.
На современном этапе совершенствование теории и практики управления подородием почв становиться необходимым более последовательное пользование нозых экологических принципов и методов,функционирования
-4-почвы, как открытой, сложной, многокомпонентной, динамической системы с последующей оценкой допустимости сельскохозяйственной деятельности ^ предотвращения возможных негативных последствий.
Сказанное позволяет считать выбранные для темы диссертации проблему v направление исследований как актуальное и имеющие важное теоретическое и прикладное значение
Цель работы состояла в анализе существующих и разработке новогс поколения математических моделей, охватывающих весь важнейший комплекс почвенных процессов, отличающихся повышенной глубиной теоретической: обоснования и позволяющих комплексно оценивать и прогнозировать режимь богарных и мелиорируемых земель, работоспособных в самом широком спектре природно-климатических условий.
Методы исследований. Методологической основой диссертации являете? использовние наиболее конструктивных направлений теории систем і* современных представлении о строении и функционировании почвенных систег, основанные на комплекса знаний почвоведения, физической химии гидромеханики, химической кинетики, микробиологии, математики і вычислительной техники.
В диссертации представлены результаты более чем 30-ти летних лабора торных и полевых экспериментов по изучению почвенных режимов в разны) природно - климатических условиях и физико-химических свойств почв позволивших теоретически обобщить существующие методы расчетов мелиорации и показать влияние неучитываемых в настоящее время факторов таких ка тепловой и газовый режимы почв, развить теорию ионного обмена і показать один из возможных выходов на динамическое прогнозирования урожа? сельскохозяйственных культур.
Научная новизна работы заключается:
в развитии и использовании системных представлений о строении і функционировании почвы, позволившие очертить рамки исследований и выявит! наиболее важные функциональные элементы п роцессы в почвах;
в совершенствовании методологии единства эксперимента и теории і создании и уточнении прикладных математических моделей почвенны: процессов, для учета медленных негативных тенденций и их предотврашнеия.
в создании новых конструкций приборов и новых методов лабораторны: исследований процессов движения почвенных растворов и воздуха і ненасыщенных влагой почвах. Эти лабораторные исследования явились основоі получения динамической инфорсации о медленных процессах и многочисленны; свойст почв, редко измеряемых в производственных ксловиях.
в организации и проведении комплексных полевых экспериментов і различных природно-климатических условиях с использованием новы: технических средств и приборови получить экспериментальный материал,
аналогов кокорого не существует в настояшеее время.
в построении новых математических моделей ионообменных процессов и методов оценки устойчивости структуры почв, основанных на методах физико-химической кинетики и коллоидной химии.
в анализе основных положений теории движения массы и энергии в пористых средах, позволивших выявить неизвестные эффекты и связи, учесть их в основных уравнениях и тем самым уточнить условия их использования в практике.
в разработке новых расчетных моделей для нахождения наиболее сложно и ненадежно определяемых экспериментально проводящих и массо-обменных свойств почвы, без которых невозможны комплексные расчеты почвенных режимов.
в обосновании необходимой структуры комплексных математических моделей водного, теплового, солевого, пищевого и газового режимов почв на богарных и мелиорируемых землях, и состав необходимой информации для расчетов водного, теплового, газового и солевого режимоа почв и их физико-химических свойств..
Основные защищаемые положения.
-
Комплексный многорежимный подход к процессам протекающим в почвах, основанный на системных представлениях и принципах о почвах и разработке на этой базе теории моделирования почвенных процессов и методов их проктического использования в мелиорации.
-
Методы и конструкция новых приборов экспериментальной поддержки основных положений теории почвенных процессов и прикладных математических моделей организации и проведении комплексных полевых исследований в разных природно-климатических условиях.
3) Система математических моделей для расчетов и прогнозирования
водного, теплозого, солевого, пищевого и газового режимов почз.
Практическое значение работы заключается в доказанной возможности и эффективности использования разработанных теоретических методов для прогноза основных почвенных режимов и оценки экологического состояния почв на богарных и мелиорируемых землях в широком спектре природно-климатических условий. (Результаты работы внедрены в Молдавии при обоснования режимов капельного орошения; в Краснодарском крае при проектировании водно-солевого режима Краснодарской оросительной системы, в Центральной Якутии при создании опытно-производственного участка "Старая Капитоновка"; при организации и проведении полевых экспериментов в Брестской, Смоленской обл., ОПУ "Лесное" в Белоруссии, Краснодарском крае и др.. Определены с использованием наших приборов Физико-химические свойства почв для проектных работ и научных исследований для ряда почв Краснодарского края, торфов Белоруссии, сероземов Джезказганскай степи,
Таджикистана, Грузии, Якутии, ферралитиых почв Кубы, Ганы, Гвинеи, а также для почв Алжира, Мороко, Сирии)
Апробация и публикации.
По теме диссертации опубликованоболее 35 работ. Основные положения докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГМИ и МГУП (1972-1998 гг.) Всесоюзных конференциях - 1972, 1975, 1982, 1986, 1989, 1993, 1997 г.г.
Объем работы 303 стр. машинописного текста включая 50 илл. и 20 табл.
Поверхностные фазы почвы
Почвенные системы по имеющимся классификациям и определениям .[34, 60, 63, 65, 67, 78, 85, 112, 121,135, 158, 161 мн. др.] являются "открытыми" т.к. элементы этих систем тесно связаны с внешней средой. Кроме основных, общих признаков системности (условная делимость, непрерывность и единство, организованность) почвенные системы имеют и все признаки сложности [161, 174, 180, 200, 229]: - изменение одной подсистемы влечет за собой изменение других подсистем и перестройку почвенной системы в целом; - динамичность (с различными скоростями во времени изменяются все параметры почв); - входные воздействия и нагрузки в почвенной системе имеют случайную (стохастическую) составляющую; - требования к функциям почвенных систем являются взаимно исключающими (требование сохранения плодородия лимитирует интенсивность технологий, повышение продуктивности вызывает загрязнение окружающей среды и т.д.); - влияние внешних систем (хозяйственное использование почв и их плодородия невозможно без участия человека со своими целями); ВНСШНИе функции пичееппыл CFICICIVI ОЬІЛОДЯІ 3d puMKrl ТІИСТС i-rovTiTmor i/TJv ТЙГ тттт экономических приложений, и рассмотрение почвенных систем невозможно без анализа социальных, политических, экологических и др. факторов, (рис. 1.2.)
Основные компоненты и процессы почвенной системы В соответствии с современными экосистемными представлениями в почвенных системах, прежде всего, следует выделить биотические и биотические компоненты. Принципы делимости здесь основаны на отличиях живого от неживого в природе, установленные в биологии. Главные признаки отличия живой материи от неживой следующие [65 и др.]:
Обмен веществ и энергии. Основу обмена веществ составляют процессы ассимиляции, т.е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые и выделяется энергия. Питание. Пища нужна всем живым организмам. Она используются как источник энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности. Дыхание. Для всех процессов жизнедеятельности нужна энергия. Энергия высвобождается в процессе дыхания при расщеплении некоторых высоко энергетических соединений. Выделения. Выделения, или экскреция, - это выведение из организма конечных продуктов обмена веществ. Рост. Объекты неживой природы (например, кристалл или сталагмит) растут, присоединяя новое вещество к наружной поверхности. Живые организмы растут за счет питательных веществ, которые организм получает в процессе автотрофного или гетеротрофного питания.
Раздражимость. Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды, что помогает им выжить.
Подвижность. Живые организмы, как правило, отличаются способностью перемещаться из одного места в другое, т.е. способностью к движению. Животным необходимо двигаться, чтобы добывать пищу. Для растений подвижность необязательна: растения способны сами создавать питательные вещества из простейших соединений, доступных почти повсюду. Но и у растений можно наблюдать движения клеток и даже движения целых органов, хотя и с меньшей, чем у животных, скоростью. Могут двигаться и некоторые бактерии, и одноклеточные водоросли.
Размножение. Выживание организмов обеспечивается сохранением главных признаков родителей у потомства, возникшего путем бесполого или полового размножения и в их способности передавать свои признаки, свойства и особенности своего развития из поколения в поколение.
Приспособляемость (адаптация). Живые организмы обладают множеством тонких и сложных приспособлений, противодействующих изменениям и стремящихся поддержать постоянство внутренней среды.
Изменчивость. Это свойство создает разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что в свою очередь приводит к появлению новых видов живых организмов.
В отличие от живой материи мертвое вещество легко трансформируется под действием механических и химических факторов окружающей среды. Какие бы аспекты современного почвоведения не рассматривались, конечная их цель в любом случае направлена на биологические свойства почвы, как среды обитания живых организмов. Условия функционирования почвенной биоты определяют, по сути, все основные критерии оценки почв. Несмотря на то, что уровням продуцирования высших растений делаются заключения о плодородии почвы, истинные истоки плодородия лежат в условиях обеспечивающих нормальное функционирование биотических компонент почв и главным образом микробиологических ценозов.
Насколько наше понимание почвенных процессов, отраженное в соответствующих моделях, будет отражать условия функционирования биоты, насколько адекватными окажутся обратные связи, учитывающие живой компонент почв в описании абиотических процессов, настолько же успешной можно назвать эту работу.
На рис. 1.4 среди абиотических компонент выделены - твердые фазы почвы, почвенный раствор и почвенный воздух. Основное принцип выделения этих подсистем (системное свойство) - наличие объема и отличия в фазовом состоянии -твердое тело, жидкость, газ. Как известно любые объемы имеют границы. Однако выделение границ твердых фаз - раствор и раствор - газ в особые компоненты среды связано с особыми свойствами этих границ и их значением, как для физико-химических процессов, так и процессов жизнедеятельности микроорганизмов и корней растений в почвах.
В современной экологии выделяются биотические процессы (процессы взаимодействия живых организмов между собой), абиотические процессы (процессы в окружающей организмы среде) и взаимодействие среды и живых организмов (нормы физиологических реакций организмов на факторы среды или как часто говорят -требования биоты к среде).
Объемные основные части почвы в системном представлении могут быть представлены подсистемами из дополнительных признаков делимости. Так твердая часть почвы может быть разделена на минеральную и органическую части, легко растворимую и трудно растворимую, агрегатированную и неагрегатированную. Также могут подразделяться жидкая и газовая части почвы. (Рис. 1.3)
При моделировании почв нам в любом случае придется работать как в плоскости процессов, так и в плоскости материала, на котором протекают эти процессы и ли которым они захватываются.
Закономерности формирования теплового режима и описания процессов движения тепла в почвах
Естественно предположить, что если выбрать образец пористого тела, то для него существуют точные значения плотности, пористости и удельной поверхности.
Если этот образец разделить на части, то в каждой из частей также будут значения отмеченных параметров. При изменении размеров образцов будут меняться средние значения, но в особенности разброс этих значений. Средние значения меняются по той причине, что рассматриваемые параметры не аддитивно зависят от объема. Но тенденция в целом будет таковой, что с увеличением объема разброс в значениях величин, характеризующийся отклонением от среднего значения, будет убывать. На практике чаще всего с некоторых значений объема средние и среднеквадратичные значения рассматриваемого параметра стабилизируются и выходят на постоянный уровень . При этом среднеквадратичное отклонение может убывать до величин, определяемых точностью замера, либо будут выше. В первом случае пористую среду можно считать однородной. Когда изменчивость параметра, несмотря на увеличение объема, не уменьшается до уровней, определяемых точностями замеров, то в выделяемые объемы продолжают попадать отдельные части с существенно разными свойствами. В этом случае среду нельзя считать однородной, и требуется раздельное изучение составных частей.
Рассмотрение изменчивости свойств (и не только рассматриваемых здесь), позволяет из тех или иных практических и теоретических потребностей выбрать некоторый минимальный объем, который, с одной стороны, существенно меньше объема исследуемого тела, но в то же время в этом объеме присутствует достаточное количество структурных элементов (твердых фаз и пустот), чтобы его рассматриваемые свойства можно было считать постоянными.
Это означает, что выбранные методы осреднения позволят по микрохарактеристикам получить устойчивые макропараметры и свойства.
Таким образом, в изучении структуры пористых сред имеется два уровня координат. На одном уровне координата характеризует положение точки в пространстве. На другом уровне координата характеризует свойства пористой среды, которые не относятся к данной точке пространства, а характеризуют некоторый объем вокруг этой точки. В общем случае смещение точки пространства изменяет свойства пористой среды, которые приписываются этой точке. Даже в случае резкого изменения свойств на некоторой поверхности при смещении координаты при больших объемах усреднения (которые могут определяться измерительными возможностями) не может быть резкого изменения свойств.
Естественно, чем меньше объем, тем точнее можно отразить изменение свойств, но величина этого объема для каждого конкретного случая имеет нижний предел, определяемый не только возможностью измерений, но и устойчивостью усредненных по объему параметров. Но опять же речь идет о подходах к описанию процессов и свойств. Эти ограничения связаны на данном этапе только с тем, что невозможно, а точнее, не требуется, описывать процессы на микроуровнях для решения практических задач, так как, исходя из принципов, изложенных в главе первой, должен быть баланс между детальностью описания и возможностью анализа и использования получаемой информации.
Описание структуры пористых тел исходит из того, что вынужденное или обоснованное использование осредненных характеристик пористых сред должно позволить учесть эффекты, наличие которых определяется микронеоднородностью почвы. Нужно использовать наиболее доступные для практических приложений методы, развитые в теории сплошных сред, в изучении движения массы и энергии, и теории гомогенных и гетерогенных реакций в гетерофазных пористых средах. К таким эффектам относятся пока недоступный к инструментальным точным исследованиям эффект Тейлор а-Ариса, наблюдаемый за счет неравномерности скоростей движения в отдельной поре, гидро и аэро дисперсии за счет различия средних скоростей в порах разных размеров, эффект застойных и неподвижных зон, а также ряд эффектов, связанных со сложностью и неоднородностью поверхности пор.
Вынужденность использования некоторых эффективных параметров и свойств пористых сред на данном этапе требует не только обоснования их введения, но и разработки методов их определения. При этом, если параметр или свойство может быть получено разными независимыми способами, это указывает на то, что он объективно отражает потребность в этом параметре.
Этому условию не будут удовлетворять параметры, для которых не существует методов нахождения, за исключением решения обратных задач. Такие параметры аналогичны коэффициентам эмпирических интерполяционных формул. Поэтому использование методик, содержащих такие параметры, для прогнозирования (то есть для экстраполяции) требует дополнительных исследований, по крайней мере, необходимо получение опытных точек за существующими пределами информации.
Для описания свойств пористых сред и получения усредненных характеристик используют различные модели [309, 320, 13, 46, 82, 136, 151, 184, 255, 296]. Условно эти модели можно разделить на модели, описывающие структуру пространства пор, и модели, описывающие пространство твердых фаз. Модель, как известно, - объект, замещающий исследуемый и позволяющий получать дополнительную информацию и свойства основного объекта.
Модели структуры пористых сред, как правило, заменяют сложную естественную пористую систему на более простую, для которой уже получены зависимости для изучения исследуемых явлений. Для тел корпускулярного строения, то есть состоящих из отдельных частиц, используются модели укладки частиц правильной формы, что, в общем, позволяет моделировать поровое пространство.
Для описания процессов в порах (движение, гомогенные реакции, диффузия) естественным представляется использование моделей первой группы, то есть моделирующих поры, а для описания прочности, упругости, плотности и т.д. используются корпускулярные модели. Известные модели можно разделить на детерминированные и случайные. В детерменированных моделях структура пористых тел представляется в виде набора элементов, расположенных в пространстве по заданным функциональным зависимостям (детерминированно). Часто эти модели представляются чередующимися наборами одинаковых элементов структуры - порами или частицами. Стохастические модели предполагают случайным значение одного или нескольких параметров, характеризующих размеры или взаимное расположение элементов в моделях. Реже встречаются модели, в которых случает и выбор элементов из заданного набора. Сейчас наметилась явная тенденция к более широкому использованию стохастических моделей как более адекватно отражающих действительные свойства пористых тел, однако большая наглядность, а в ряде случаев и понимание процессов, достигается на детерминированных моделях.
Определение зависимостей капиллярного давления и влагопроводности от влажности почвы
Условие (2.4.7а) отражает равенство нулю потока воздуха через границу и действительно при затоплении. В действительности при затоплении больших площадей защемленные большие объемы воздуха прорываются сквозь воду, подходя к поверхности по макропорам, трещинам и т. д. Граничное условие (2.4.7а) с учетом того, что на поверхности почвы действительно уравнение (2.4.16), дает трансцендентное уравнение для давления в защемленном воздухе (здесь выполняется закон Бойля-Мариотта): Р2 (т -W) = Р2 (т - W) Д \\W - соответственно давление и влажность почвы в момент защемления. В практических расчетах Р2 может быть принято равным Рл , a W - Ц\ Условие (2.4.76) отражает равенство давления воздуха атмосферному давлению. Это условие действительно, если влажность поверхностного слоя не достигла 3. На некоторой глубине 1 можно задать: а) влажность, б) поток влаги, в) гради ент влажности: дНш 3W &)W\x=t=Wb б)- !— \I=,=if; в) — йяЛ (2.4.8) Граничное условие (2.4.8а) используется в том случае, если при инфильтрации глубина 1 не будет достигнута. Условие (2.4.86) обычно применяют на во-доупорах (!( =0) и при моделировании в рамках одномерной модели расходова ния грунтовых вод (дренаж, боковой отток [ 89, 90 и др.]). Условие (2.4.8в) задается в случае, когда инфильтрация затрагивает весь расчетный слой и отсутствуют данные по влажностям и потокам, необходимые для точного задания граничных условий. 4. Для уравнения движения воздуха на глубине может задаваться: а) давление воздуха, б) поток воздуха: а) Р2\х=( = / 200; б) - j -\х=е = Чв- (2.4.9) Второе условие обычно применяется на водоупорах или при влажности W W,, тогда а,. = 0. Однако, условием (2.4.96) можно учесть отток воздуха за границы области инфильтрации. Начальные условия для системы (2.4.1) следующие: a) W\X=0=WQ; б) Н =Н10; в) Р2_ = Р20; (2.4.10) /W и., Условия (2.4.10а, б) отражают задание или исходного распределения влажности, или напора воды. Условие (2.4.10) указывает, что для решения задачи, нужно задать распределение давления воздуха по глубине, чаще всего (и проще) задается P=const. Когда задача инфильтрации ставится для слоистых сред, то параметры уравнения (2.4.1)должны быть заданы для каждого слоя. На границах слоев задаются условия четвертого рода: О =0 Н+=Н : Р2 = / "; (2.4.11) где + относится к верхней границе слоя; - к нижней. Условия (2.4.11) отражают неразрывность движения массы и поля давлений в воде и воздухе.
Система уравнений (2.4.1) является одной из самых общих, применяющихся для расчетов процессов инфильтрации в настоящее время. Однако, следует отметить ряд факторов, которые она не учитывает: 1) процессы смачивания, 2) неизотермичность условий, 3) изменение свойств грунтов во время инфильтрации, 4) биологическую деятельность, 5) отклонение движений от ламинарных, б) кнудсеновские механизмы движения почвенного воздуха [ 95, 179, 369 ].
Так как система (2.4.1) отражает ламинарное движение влаги, то она не может учитывать процессы, не связанные с такими передвижениями. В частности, перед началом инфильтрации поверхность почвы должна быть увлажнена. Во многих слу чаях в естественных условиях поверхность сильно высушена и нередко становится гидрофобной (например, торф), и при обычных давлениях вода сразу не впитывается. Затем, когда пройдет определенное время, вода в такие грунты начинает впитываться, но со столь значительными скоростями, что обобщенный закон Дарси вряд ли может быть выполним. Поскольку система (2.4.1) может быть получена путем осреднения по некоторому объему и неявно по времени, то она не может быть применена на малых интервалах пространства, в частности, на поверхностях раздела сред и на коротких промежутках времени.
Пункты 2, 3, 4 принципиально могут быть учтены путем добавления соответствующих уравнений, параметров и т. д. Так будет сделано для рассмотрения неизотермической инфильтрации в нижеследующих разделах, но ряд факторов не может быть учтен в настоящее время. Другие же факторы нецелесообразно учитывать, т. к. это не прибавит точности исследованию.
Нелинейность системы (2.4.1) не позволяет ее решать аналитическими методами. Численные методы являются эффективным и точным средством решения аналогичных систем дифференциальных уравнений. Условие применимости системы (2.4.1) и ее отличие от ранее используемых уравнений можно рассмотреть на ряде примеров. Эти примеры взяты из работ Б. Ф. Никитенкова и В. В. Ведерникова [55, 56 и др.]. Для упрощения задачи, и в связи с до сих пор нерешенными вопросами учета неравновесных и гистерезисных явлений было принято, что а = Д = Д = 0.
Анализ влияния почвенного воздуха на основе системы, близкой к системе уравнений (2.4.1), был выполнен в ряде работ зарубежных ученых [358, 363, 371 и др.].
Следует отметить, что двухфазная фильтрация и сейчас привлекает многих специалистов. В то же время, обычно, для описания процессов инфильтрации используется лишь первое из уравнений (2.4.1), т. е. : Т- =!/; H = Pk(W)-x (2.4.12) от ох Уравнение (2.4.12) широко используется не только для изучения инфильтрации, но и капиллярного подъема, испарения и перераспределения влаги.
Уравнения (2.4.12) предполагают, что среда недеформируема, процесс изотермичен, давление воздуха и его движение не влияют на процессы движения влаги. Хотя введение фиктивных (т. е. не соответствующих действительным) функций K1(W) и PK(VV) в определенных условиях можно добиться достаточно хорошего совпадения экспериментальных данных и результатов расчета.
Отличие расчетных и экспериментальных профилей влажности проявляется в процессах инфильтрации. Профили влажности, получаемые решением уравнения (2.4.12), приведены на рис.2.9а . Видно, что на них отсутствуют те зоны, на которые указывали еще Бодман и Кольман и которые подтверждаются экспериментальными исследованиями. Вычисленные профили влажности позволяют выделить лишь проводящую - зону увлажнения и фронт промачивания. Отсутствие зоны насыщения и переходной зоны не являются принципиальными на первый взгляд отличиями. Но то, что проводящая зона является зоной практически полного насыщения, указывает на резкое несоответствие модели (2.4.12) действительности. Можно, конечно, искусственно ограничить влажность в верхней зоне, вводя или неполное насыщение на поверхности, или дополнительное гидравлическое сопротивление, моделирующее гидравлическое сопротивление, моделирующее зону насыщения и переходную зону. Такие приемы упрощения задачи могут быть применены, но для их обоснованных вначале требуется исследование этого вопроса в полном объеме, т. е. решение системы (2.4.1).
Моделирование электрокинетических процессов в двойном слое Штерна при ионном обмене
Эксперимент ИМПР (Белоруссия) Принципы планирования эксперимента, исновнои замысел эксперимента состоял в том, чтобы в полевых условиях получить необходимый экспериментальный материал о процессах, протекающих в почве, и их параметрах, параллельно с измерением показателей роста и развития сельскохозяйственных культур.[225,255] При планировании экспериментов учитывались следующие условия: а) существование множества моделей почвенных процессов, роста и развития растений, разработанных к настоящему моменту, с экстраполяцией существующих тенденций моделирования в будущее; б) технические и организационные возможности проведения эксперимента; в) отсутствие разработанных методик определения ряда параметров, входящих в математические модели; г необходимость разработки специального математического и программного обеспечения результатов эксперимента, методов его проведения и технических средств телеизмерений, задействованных в опытах; д) необходимость проведения комплекса методических работ как в полевом эксперименте, так и в лабораторных условиях.
К моменту проведения эксперимента в основном уже были разработаны технические средства телеметрии и имелся опыт использования микро-ЭВМ в экспериментальных исследованиях. Позднее в эксперименте были задействованы более совершенные ЭВМ, позволившие расширить возможности обработки и особенно хранения и представления экспериментальной информации.
В частности, разработан комплекс программ, обеспечивающих графическую обработку данных. Для решения задачи идентификации математических моделей в эксперименте планировалось регулярное измерение параметров состояния агроце-ноза и его отдельных компонент, фиксация как начальных условий развития агро-ценоза, условий и физических потоков на его границах, так и параметров управляющих воздействий. К параметрам агроценоза в первую очередь относятся характеристики его основных компонент: параметры растения; физические, агрохимические, биологические параметры почвы; агрометеорологические параметры микро- и фитоклимата поля, растительного покрова и приземного слоя воздуха, а также технологические параметры мелиоративных и агротехнических мероприятий.
Соответственно методика опытов должна иметь комплексную основу, включающую методы полевых исследований в земледелии, растениеводстве, почвоведений. агрохимии, балансовых опытов в агрометеорологии, гидромелиорации и био-геоценологии. В то же время конкретная программа раоот учитывала реальные, часто весьма ограниченные возможности. Этим определяются особенности методики как в части выбора состава культур, схемы опытов и агротехники, так и в части организации наблюдений и обработки данных.
Основным в проведении эксперимента был принцип максимального различия траекторий факторов роста и развития сельскохозяйственных культур на различных вариантах опыта с данной культурой. Исходя из имеющихся возможностей, в каждой из исследуемых сельскохозяйственных культур были варианты, на которых искусственно (поливами и внесением удобрений) поддерживался разный водный и пищевой режимы и при этом существенно изменялись все почвенные режимы.
Для каждого варианта опыта предусматривались площадки для проведения как синхронных, так и отдельных замеров.
Реализация основного принципа позволила по однородной методике получать существенно различные почвенные режимы и физиологические реакции растений на изменение факторов роста и развития.
Описание полевого эксперимента. Опыт проводился со следующими культурами: В 1987 году - ячмень; в 1988 году - пшеница, картофель, варианты без растений (пар); в 1989 году - райграс, пар.
Каждая культура была разделена на четыре варианта, различающихся по водному и пищевому режиму. По водному режиму: 1-й вариант без полива, 2-й вариант полив до цветения, 3-й вариант постоянный полив, 4-й вариант полив после цветения.
Для обеспечения различий по пищевому режиму на 1-й вариант удобрения не вносились, на остальные варианты вносились различные дозы азотных, фосфорных и калийных удобрений. Каждый вариант был разбит на четыре делянки (повторности) размером: ячмень, пшеница 4,5x3,0 м, картофель 4,5x2,1м. На пару было два варианта: поливной и неполивной. Перед посадкой и внесением удобрений с каждого варианта опыта по всем культурам были отобраны почвенные образцы: - с глубины 0-25 см в трех повторностях для хим. анализа и определения влажности; - с шести глубин 0-15, 15-30, 30-45, 45-60, 60-75, 75-90 см для химанализа;
Затем перед посадкой на варианты были внесены различные дозы минеральных удобрений, а в середине сезона оыла проведена подкормка. При л им на ішріифсль азотные удобрения не вносились.
После посадки на каждый вариант были установлены три полотна для определения микробиологической активности.
Для каждого варианта одна из делянок принята за контрольную. На ней были установлены измерительные приборы. На поверхности почвы располагались максимальный, минимальный и текущий термометры, почвенные термометры устанавливались на глубинах 5, 10, 15, 20 см. Термометрами замеры производились один раз в сутки.
Телеметрические стойки, выполненные Сосновским B.C., были установлены на пшенице (первый и третий варианты), на картофеле (первый вариант), на пару (первый вариант). Они замеряли влажность у поверхности почвы и температуру на семи горизонтах (50, 0, -5, -20, -50, -100, -150 см от поверхности почвы), замеры производились восемь раз в сутки через три часа, данные заносились на перфоленту и обрабатывались.
Тензиометры для определения давления почвенной влаги по четырем глубинам (20, 50, 100, 150 см от поверхности почвы) были установлены на пшенице (первый и третий варианты) и на картофеле (первый вариант), замеры производились один раз в сутки.
Объемная влажность определялась влагомером ВПГР-1 один раз в неделю, а также после поливов. Еженедельно проводились замеры газового режима по Штатнову. На каждом варианте была установлена скважина для измерения уровня грунтовых вод (УГВ). Замеры проводились ежедневно. С каждого варианта еженедельно производился отбор почвенных образцов с глубины 0-25 см в трех повторностях. Для злаковых одновременно производился отбор растений. Из каждого образца отбиралась почва для определения весовой влажности в двух повторностях и для определения NTK по стандартным методикам на водную и две кислотные вытяжки (N03, NH4, Р, К). После этого образцы с одного варианта культуры смешиваются (в результате получается 14 образцов) и из них отжимается почвенный раствор с использованием центрифуги.
