Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теоретических подходов к изучению водно-физических свойств почв и обоснованию гидрофизических параметров 16
1.1. Современные методы получения функции влагопроводности и ОГХ.17
1.1.1. Методы получения функции влагопроводности 17
1.1.2. Анализ методов получения основной гидрофизической характеристики 21
1.2. Изучение динамики влаги при орошении 26
1.2.1. Впитывающая способность почвы 26
1.2.2. Изучение контуров увлажнения при капельном орошении 28
1.2.3. Изучение динамики влаги при дождевании 29
1.3. Анализ методов изучения гидрофизических свойств почвы 30
1.3.1. Методы изучения почвенного порового пространства 30
1.3.2. Методы изучения удельной поверхности почвы 32
1.4. Изучение технологических свойств для анализа состояния почвы 34
1.4.1. Использование объемной массы при изучении уплотнения и рыхления почвы 34
1.4.2. Изучение состояния почвы по значениям твердости 37
1.4.3. Анализ энергетического подхода к исследованию крошения почвы 42
1.4.4. Анализ термодинамического подхода к изучению уплотненного состояния почвы 1.5. Особенности оценки проведения ряда агромелиоративных и культуртехнических мероприятий 48
1.6. Обоснование базиса почвенных параметров и характеристик для изучения водно-физических свойств почвы 51
1.6.1. Использование измерений удельной поверхности, плотности твердой фазы, пористости и влажности почвы 53
1.6.2. Учет функции влагопроводности, липкости, сил трения и твердости почвы при анализе результатов глубокого рыхления, фрезерования и плантажа 58
1.7. Выводы по главе 65
2. Моделирование порового пространства и определение гидрофизических свойств почв для целей мелиорации, верификация огх для основных почв чувашской республики 69
2.1. Моделирование трехмерного порового пространства почвы 71
2.1.1. Разработка и подбор трехмерных моделей 71
2.1.2. Вычисление удельной поверхности почв на основе трехмерных моделей аэродинамическим методом 77
2.1.3. Неявное задание гранулометрического состава почв 81
2.2. Теоретическое обоснование и верификация ОГХ почв Чувашской республики 84
2.2.1. Теоретическое обоснование и расчет ОГХ почв 84
2.2.2. Исследование и верификация ОГХ почв 93
2.3. Теоретическое обоснование и верификация функции влагопроводности почв Чувашской республики 99
2.3.1. Обоснование и расчет функции влагопроводности почв 99
2.3.2. Определение соответствия экспериментальным данным функции влагопроводности 103
2.4. Приложения разработанной модели порового пространства почв 110
2.4.1. Изучение связи ОГХ с реологическими моделями 111
2.4.2. Определение гидрофизических характеристик смесевых почв 116
2.4.3. Изучение связей между водопроницаемостью и водоудержанием в почвах 117
2.5. Выводы по главе 122
3. Исследование технологических свойств почв при проведении агромелиоративных и культуртехнических мероприятий 123
3.1. Использование трехмерной модели порового пространства при изучении технологических свойств почв 123
3.1.1. Получение функциональной зависимости для липкости почв 123
3.1.2. Определение соответствия экспериментальным данным аналитической зависимости для липкости почв 126
3.1.3. Получение функциональной зависимости для коэффициента трения в почвах 130
3.1.4. Определение соответствия экспериментальным данным зависимости для трения в почвах 133
3.2. Изменение удельной поверхности почвенных агрегатов как показатель крошения почвы 137
3.2.1. Изменение энергетического состояния почвенной влаги при проведении агромелиоративных и культуртехнических мероприятий .. 137
3.2.2. Эффективный размер почвенного агрегата 142
3.2.3. Исследование процессов крошения и рыхления почвы 149
3.2.4. Исследование динамики влажности при фрезеровании 152
3.3. Модель порового пространства при оценке уплотнения почвы 156
3.3.1. Использование функции влагопроводности для изучения уплотненного состояния почвы 156
3.3.2. Определение уплотнений в тонких почвенных слоях 164
3.3.3. Исследование процессов уплотнения-разуплотнения 167
3.3.4. Потенциал деформируемости почв и его определение 168
3.4. Выводы по главе 173
4. Моделирование эрозионных процессов и профилей увлажнения при проведении оросительных мелиораций 175
4.1. Изучение поверхностного впитывания воды 175
4.1.1 Определение впитывающей способности почвы 175
4.2. Моделирование процессов орошения 177
4.2.1. Моделирование капельного орошения 177
4.2.2. Моделирование орошения дождеванием
4.3. Оценка устойчивости сети временных водотоков водосборной площади антропогенных агроландшафтов 180
4.4. Выводы по главе 193
5. Совершенствование методик исследований и экспериментальных установок, разработка программных средств 194
5.1. Программа экспериментальных исследований 195
5.2. Экспериментальные установки
5.2.1. Аэродинамический пермиметр 197
5.2.2. Устройство для определения пористости почвы 198
5.2.3. Твердомеры и определение коэффициента объемного смятия почвы по сопротивлению пенетрации (твердости) 203
5.2.4. Устройство для получения компрессионных кривых 204
5.2.5. Профилограф и определение степени крошения и равномерности поверхности 204
5.2.5. Устройство для вычисления значения влажности «нерастворяющего» солей состояния (определение постоянной Б.В.Дерягина) 210
5.3. Автоматизация измерений 214
5.3.1. Автоматизация оценки заделки жнивья, дернины и сорняков 214
5.3.2. Автоматизация оценки крошения почвы (анализ изображений).. 220
5.3.3. Автоматизация оценки крошения почвы (лазерное сканирование поверхности) 224
6. Реализация результатов исследований и их экономическая эффективность 226
6.1. Реализация результатов исследований 230
6.1.1 Изменение скорости и объема поглощения воды почвой после
механического воздействия 230
6.1.2. Картирование и анализ пространственного распределения функции влагопроводности для принятия управленческих решений по разуплотнению почвы 233
6.1.3. Реализация результатов исследований липкости и сил трения в почвах 239
6.1.4. Реализация результатов исследований качества фрезерования почв 242
6.1.5. Реализация результатов исследований уплотняющего воздействия 247
6.1.6. Результаты определения потенциала деформируемости почв 254
6.1.7. Рекомендуемые мероприятия по мелиорации почв 259
6.2. Экономическая и энергетическая эффективность внедренных
разработок 263
6.2.1. Технико-экономическая эффективность использования трехмерной модели почв при построении ОГХ и функции влагопроводности 265
6.2.2. Технико-экономическая эффективность использования полученных функциональных зависимостей для липкости, сил трения 266
6.2.3. Технико-экономическая эффективность использования коэффициента фильтрации при оценке уплотнения 267
6.2.4. Технико-экономическая эффективность использования эффективного размера почвенного агрегата и потенциала деформируемости почв при оценке крошения 268
Заключение 270
Список основных сокращений и обозначений 272
Список использованной литературы
- Изучение динамики влаги при орошении
- Вычисление удельной поверхности почв на основе трехмерных моделей аэродинамическим методом
- Изменение энергетического состояния почвенной влаги при проведении агромелиоративных и культуртехнических мероприятий
- Оценка устойчивости сети временных водотоков водосборной площади антропогенных агроландшафтов
Изучение динамики влаги при орошении
Высокая точность и воспроизводимость результатов позволяют рекомендовать метод для сравнительной оценки физического состояния почв, а также и его изменений под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности. Наиболее эффективно базовые почвенные свойства, как факторы, учитываются в педотрансферных функциях. ПТФ представляют собой эмпирические зависимости, позволяющие восстанавливать основные гидрофизические функции почв по традиционным, известным из материалов почвенных служб или стандартно определяемым базовым свойствам почв, т.е. переводящих доступные свойства почвы в недостающие. Для определения педотрансферных функций имеются различные подходы [220]: 1) проведение расчетов на основании рассмотрения капилляриметрических моделей почвы;
2) получение регрессионных уравнений, связывающих критические равновесные точки «давление-влажность» с основными физическими свойствами;
3) получение регрессионных уравнений, определяющих связь физических свойств почв с параметры аппроксимации. Поэтому педотрансферные функции, разделяют на следующие основные типы: физически обоснованные, точечно-регрессионные и функционально- параметрические регрессионные.
Естественно, что лучшие, в плане соответствия между экспериментом и прогнозом, результаты получения ОГХ достигаются при использовании баз данных физических свойств почв, с заранее проведенной группировкой почв, по типу, классу и гранулометрическому составу. От используемой базы данных зависит точность и адекватность педотрансферных функций. Поскольку использование ПТФ является разновидностью стохастического моделирования, то немаловажную роль играют предварительная группировка почв и применяемые способы (многофакторная регрессия, метод «нейронных сетей» и др.) восстановления педотрансферных функций.
При использовании практически всех типов ПТФ важно учитывать принцип несовместимости Л. Заде, который утверждает, что при росте сложности системы уменьшается возможность ее точного описания вплоть до того порога, за которым точность и смысловая связанность информации становятся несовместимыми, взаимно исключающими характеристиками. Поэтому считаем целесообразной разработку физически обоснованной ПТФ использующей преимущества точечно-регрессионных и функционально-параметрических регрессионных функций. Наибольшее развитие описанные идеи получили в камеральном аэродинамическом методе В.М. Сироткина [192]. Rs Ref
Все поры образца заменяются на одну пору имеющую цилиндрическую форму. Объемы цилиндрической поры и всех пор почвы равны. Длина поры равна длине образца х (рисунок 1.4), а из равенства площади сечения VP Spx Req P (Р цилиндра с общей площадью сечения пор Sp VS SS x RS2 пористость, Rs - радиус образца) находится эквивалентный радиус Req. Для любого перпендикулярного оси цилиндра сечения отношение площади сечения всех пор Sp к площади сечения образца Ss постоянно. Уменьшение кинетической энергии потока газа при прохождении через почву связано с силами вязкого трения. Это трение о поверхность раздела «жидкость-газ», которая образуется при адсорбировании жидкости на твердых частицах почвы. Разность давлений совершает работу, по проталкиванию газа через почву. Она равна потерям при протекании воздуха через образец. Величина поверхности раздела «жидкость-газ» отнесенная к объему жидкости и твердой фазы называется удельной поверхностью конденсированной фазы: Q cf 2nReqAl Vcf (1.1.5) где Vcf – сумма объемов жидкой и твердой фаз. Предложенная модель имеет следующие существенные недостатки: - осевая симметрия модели не позволяет при трансляции полностью заполнять моделями почвенное пространство; незаполненные области пространства существенно искажают значения пористости и эквивалентного радиуса, а, следовательно, и полученного результата. - неучтенными остаются поры, имеющие неколлинеарную с главной осью ориентацию; эти поры составляют существенную долю всех пор, но величины их конденсированных фаз не учитываются. В связи с этим значения ОГХ в областях средних и высоких влажностей несколько больше реальных, а в области низких влажностей значительно больше реальных.
Вычисление удельной поверхности почв на основе трехмерных моделей аэродинамическим методом
Рассмотрим вопросы совершенствования почвенной модели порового пространства с учетом энергетики почвенной влаги и возможностью задания гранулометрического состава почвы.
Передвижение влаги в почве обусловлено совокупностью физических и гидрофизических свойств почвы. Важнейшими из них являются основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) и функция влагопроводности, поскольку они детерминируют скорость и направление перемещения почвенной влаги, а, следовательно, интенсивности увлажнения и высыхания, а также доступность влаги растениям. Поэтому важным является получение зависимостей связывающих гидромеханику и термодинамику почв. ОГХ определяет связь давления почвенной влаги (или эквивалентного термодинамического потенциала) с влагосодержанием, а функция влагопроводности определяет связь коэффициента влагопроводности с потенциалом почвенной влаги. Создание модели почвы при изучении ее как сложной системы, позволяет анализировать и предсказывать ее поведение в интересующем заданном диапазоне условий. В зависимости от целей и задач моделирование проводится на различных уровнях абстракции. Поскольку модель является описанием системы, отражающим определенную группу ее свойств, то ее разработка должна отражать следующие сферы: функциональную, морфологическую и информационную [129, 180, 186]. Функциональное описание позволяет определить место и оценить отношения с другими системами. Почва как система в данном рассмотрении служит областью обитания других систем (растений) и в зависимости от значений ряда параметров становится более или менее совершенной системой.
Описание системы должно допускать возможность расширения (сужения) интересующего ряда характеризующих систему функций и позволять проведение перехода с одного уровня рассмотрения на другой, и тем самым являться основой создания других моделей систем. Рассмотрение почвы на первом уровне позволяет определить удельную поверхность первичных частиц, из которых она состоит, а на втором позволяет определить удельную поверхность агрегатов почвы, образующихся при обработке. При описании почвы будем считать, что в нее в различные моменты времени могут поступать и выводится влага, энергия, мелиоранты и др. Таким образом, можно получить важные для практики почвенные зависимости. Предложенное описание системы охватывает широкий диапазон свойств. В процессе моделирования важно определить: - контекст, очерчивающий границы моделируемой системы и описывающий ее взаимосвязи; - позицию наблюдателя (мелиоратора), т.е. что будет рассматриваться и под каким углом зрения; - цель, с позиции которой рассматриваются взаимодействия в почвенной модели.
Наилучшим способом моделирования является математическое, поскольку оно вынуждает рассматривать систему как «черный ящик» и определять ее отклик на какое либо внешнее воздействие независимо от того, как она устроена. Такой подход важен тем, что функции системы анализируются независимо от объектов, которыми они оперируют. Цель создания модели – точная характеристика взаимосвязей между компонентами почвы как системы. Такая модель способна обеспечить представление о протекании обследуемого процесса и имеющих в нем место потоках материалов. Функциональные модели используется для описания процессов моделируемого объекта (модель «как есть» AS-IS) и описания взаимоотношений в моделируемой системе (модель «как будет» TO-BE). 2.1. Моделирование трехмерного порового пространства почвы
Экспрессное получение ОГХ возможно методом аэрогидродинамического подобия В.М. Сироткина [192], усовершенствованном в данной работе. Для построения основной гидрофизической характеристики почвы, разработана новая модель, в которой устранен ряд недостатков: цилиндрическая модель почвы одномерная и осесимметричная, не учтены поры имеющие ориентацию, неколлинеарную с главной осью и составляющие большую долю всех пор. Разработанная трехмерная модель образца почвы, учитывает трехмерность расположения пор и позволяет проводить трехмерную трансляцию элементарных объемов почвы и моделировать влагоперенос при орошении.
Почвенная влага рассматривается как среда, ограниченная с одной стороны твердой фазой почвы, а другой стороны почвенным воздухом. Обе поверхности контакта обуславливают поверхностные энергии, которые и играют основную роль в водоудержании. Поэтому объемная удельная поверхность твердой фазы, пористость, коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела вода – воздух выступают как важнейшие параметры основной гидрофизической характеристики. Оценить объемные удельные поверхности почв, и использовать педотрансферную функцию для построения ОГХ позволяет использование трехмерных моделей почв совместно с учетом законов термодинамики и принципа аэродинамического подобия.
Изменение энергетического состояния почвенной влаги при проведении агромелиоративных и культуртехнических мероприятий
Лебедев А.Ф. предложил разделить почвенную влагу в зависимости от ее подвижности на различные формы. На основании многочисленных экспериментов с почвами разного генезиса и гранулометрического состава А.Д. Воронин разработал энергетическую концепцию для описания физического состояния почвы [53]. В концепции было предложено связать энергетические пределы гидрологических характеристик описывающих физико-механическую консистенцию почв с потенциалом влаги или ее содержанием в почве. При увеличении содержания влаги в почве соотношение сил различной природы, действующих на воду, меняется и система проходит через ряд различных состояний.
Первое состояние описывает жидкость с измененными свойствами в плоской пленке воды. В области этого состояния отмечается максимальная прочность влажной почвы, поскольку возникают развивающие большие контракционные силы мениски с отрицательной кривизной, они прочно удерживающие частицы. Это состояние соответствует максимальной адсорбционной влагоёмкости (МАВ) и описывается уравнением: pF = 5,2 + 3w. (2.4.1) Влажность завядания растений отражается следующим состоянием, которое соответствует началу образования жидкостных «манжет» и описывается уравнением: pF = 2,17 + 15w. (2.4.2) Состояние соответствующее максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ) отражает равновесие давлений в «пленочном» и «манжетном» состояниях описывается уравнением: pF = 2,17 + 3w. (2.4.3) В этом состоянии складываются условия, при которых преимущественно образовываются относительно прочные агрегаты округлой формы. Округлая или шарообразная поверхность имеет наименьшую поверхностную площадь для данного объема почвенных частиц. Таким образом, минимизируется поверхностная энергия почвенной влаги и содержащихся в ней частиц получаемых при крошении и рыхлении почвы. Этим объясняется связь между образованием агрономически ценных агрегатов и низкой плотностью упаковки почвенных частиц [31, 32, 251].
Пластичное поведение почвы отражается следующим состоянием, которое соответствует началу проявления гравитационных сил, т.е. максимальной капиллярно-сорбционной влагоёмкости (МКСВ). Оно имеет вид [51]: pF = 2,17 + w. (2.4.4) Состояние, отражающее влагосодержание, при котором наступает равновесие между гравитационными силами – капиллярную влагоемкость (КВ), действующими на почвенную влагу и суммой сил другой природы описывается уравнением: pF = 2,17. (2.4.5) Значение константы 2,17 соответствует pF для капилляра радиусом 10 мкм, на такое расстояние распространяется влияние поверхностных сил твёрдой фазы почвы.
Таким образом (2.4.1) определяет влажность предела усадки; (2.4.2) – влажность завядания растений; (2.4.3) – влажность начала появления липкости и оптимальную для агрегирования почвы; (2.4.4) – полевую влагоемкость; (2.4.5) – влажность верхнего предела пластичности.
Пересечение прямых (2.4.1)-(2.4.5) с кривыми ОГХ основных типов почв Чувашской Республики приведено на рисунке 2.21. Величины влажности почвы соответствующие переходам воды из одной категории в другую можно достаточно точно рассчитать численными методами с помощью специальных математических программ или электронных таблиц.
Установленные А.Д.Ворониным [50, 51, 53] зависимости позволяют определить по кривым ОГХ интервалы, в которых почва ведет себя как твердообразное, вязко-упругое, хрупкое тело; как упруговязкое пластичное тело, и как вязкопластичное тело. Определение величины отдельных компонентов потенциалов почвенной влаги дает возможность охарактеризовать водоудерживающую силу почв, что имеет большое значение для водного питания растений, а также для структурно-механических свойств почвы.
Важным моментом при использовании энергетической концепции А.Д.Воронина является то, что зависимости получены из анализа кривой ОГХ выраженной в pF являющейся десятичным логарифмом давления. Логарифмические координаты выбраны для удобства обозрения кривой ОГХ, а число 10 не является «особенным» и его замена другим числом не должна приводить к потере информации. Однако при использовании более логичного натурального логарифма значения точек перегиба ОГХ меняются, а коэффициенты в уравнениях следует пересчитать. Более того, сам А.Д.Воронин подчеркивал: «…в естественных почвах отмеченные критические состояния характеризуют, как правило, область близких параметров, а представленные на рисунках точки пересечения скорее
114 являются среднестатистическими параметрами. Это обусловлено как их физической сущностью, так и методическими погрешностями, в том числе и с теми, которые связаны с нарушением термостатичности и равновесности». Поэтому уравнения А.Д.Воронина можно считать регрессионными, но при этом частично имеющими некоторую физическую обоснованность. Анализ реологических моделей почвы [54, 131] показал, что использование аэродинамического метода и трехмерных моделей позволяет осуществить более строгий подход к оценке энергетического состояния почвенной влаги на основе исследования уравнений полученных по ОГХ, влагосохранения, липкости и трения.
Как уже описано выше, если провести прямую регрессии через точку (0; 2,17) и значения ОГХ, вычисленные в точках соответствующих максимуму, функции K, она принимает вид pF=2,17+15,381w, практически совпадающий с уравнением (2.4.2) описывающим влажность завядания растений.
Влажности, соответствующие точкам начального залипания (см далее п.3.1.2) определенные из графика по предложенной зависимости для липкости L(w) соответствуют «спелому» состоянию почвы. Они вполне могут заменить уравнение (2.4.3). Влажности, соответствующие точкам максимума на предложенной зависимости для коэффициента трения (см далее п. 3.1.3) могут заменить следующее реологическое уравнение. Для сравнения, в таблицах ниже, приведены влажности соответствующие переходам от одного энергетического состояния в другое, рассчитанные по различным концепциям.
Оценка устойчивости сети временных водотоков водосборной площади антропогенных агроландшафтов
В первой главе (1.2.4) было показано, что одна только величина порового пространства не может адекватно отражать состояние почвы без значения удельной поверхности конденсированной фазы. Значение пористости для почв с крупными или тонкими порами может быть одинаковым. Поэтому кроме объема порового пространства следует учитывать или диаметр преобладающих пор или в размер преобладающих почвенных агрегатов. Эти величины позволяют дифференцировать поры по их функциям. Крупные поры с большим диаметром ( 75 мкм) в основном проводят влагу, средние (30-75 мкм) сохраняют влагу растениям, тонкие поры ( 30 мкм) содержат недоступную растениям влагу. В связи с этим актуальной становится разработка и теоретическое обоснование методик и технических средств для оценки степени рыхления и крошения почвы. В большинстве работ, связанных с совершенствованием почвообрабатывающей техники основное внимание уделяется описанию конструкционных особенностей почвообрабатывающих машин и технологических операций. Однако вопросы о том, как воздействие орудия на почву повлияло на условия функционирования системы «вода – почва – растение» практически не затрагиваются.
При агромелиоративных и культуртехнических мероприятиях (плантаж, глубокое рыхление, фрезерование) воздействие на почву производится силами сжатия - растяжения или силами сдвига. В реально встречающихся ситуациях их различить трудно, поскольку довольно часто они действуют одновременно.
Разрыхлить поверхностный пахотный слой почвы в большинстве случаев не сложно. Сделать это эффективно, можно используя различные почвообрабатывающие орудия [86, 106, 112, 214]. Сложнее разрыхлить сами агрегаты, чтобы восстановить внутриагрегатную пористость. На величину внутриагрегатной пористости влияют как содержание ряда органических веществ, так и деятельность почвенных микроорганизмов. Оптимизация агрофизических условий сложный процесс, требующий всесторонних знаний. Поскольку агротехнические меры в этом случае малоэффективны, то в большинстве случаев становится необходимым использование удобрений, стимулирующих активность обитающих в почве микроорганизмов, а также улучшающих состояние почвы.
Поэтому использование таких величин, как средний размер агрегата и процентное соотношение между агрегатами и пылью, заменяется использованием, определяемых непосредственно из эксперимента, пористости и удельной поверхности агрегатов [13, 14, 16]. Поскольку при рыхлении и крошении в первую очередь изменению подвержено поровое пространство, то одной из основных используемых нами характеристик является пористость – объем пор в единице объема образца почвы. В рассматриваемом контексте удобно разделить общую пористость П на внутриагрегатную – П0 и межагрегатную – П , причем П=Пк+П . Внутриагрегатная пористость Пк равна пористости равновесного состояния почвы и определяется до прохождения почвообрабатывающей техники. После прохождения техники определяется общая пористость П и сравнивается с оптимальной. Вычисляется межагрегатная пористость.
Рассмотрим такое состояние пахотного слоя, при котором семя растения после его заделки в почву лежит на более плотном слое, а поверхностная часть состоит из мелких агрегатов составляющих менее плотный слой [169]. В этом случае осуществляется хороший контакт семян с почвой, а верхний слой способствует аэрации и сохраняет влагу. Эти закономерности справедливы для дерново-подзолистых и серых лесных почв. Иная ситуация наблюдается у черноземов. В этом случае для роста и развития растений и использования, имеющихся в почве питательных веществ при недостатке воды необходимо, чтобы находящийся над семенем слой был более уплотнен в пределах диапазона 0,951,15 г/см3, а слой, на котором лежит семя, был разрыхлен. Оптимальными для самого семенного слое считаются агрегаты размерами менее 5 мм.
Из многолетней земледельческой практики установлено, что оптимальным является размер агрегатов близкий к размеру семян. Однако оценивать крошение почвы по распределению агрегатов почвы по размерам, полученному методом просеивания почвы через набор сит – трудоемкая задача. К тому же сам процесс просеивания через сита существенно влияет на результат.
Количественную оценку размера агрегатов с минимальными затратами времени позволяет осуществить аэродинамический метод. Энергетическая концепция количественной оценки степени крошения почвы почвообрабатывающими машинами реализована благодаря возможности измерения удельной поверхности, образующихся при крошении агрегатов. Совместно с учетом значения пористости она позволяет ввести в рассмотрение размер «эффективного» агрегата как характеристику обработки почвы. Поскольку при количественной оценке крошения измеряется степень приближения созданных орудием гидрофизических условий к оптимальным для роста и развития растений, то в качестве критериев оценки предлагается одновременно учитывать изменения пористости почвы и удельной поверхности образовавшихся почвенных частиц, что позволяет использовать в качестве количественного показателя «эффективный» размер агрегата.
Введем понятие размера «эффективного» агрегата d. Это такой размер, при котором число агрегатов, умноженное на их объем, равно объему образца почвы до обработки. Учитывая, что объем агрегата пропорционален d3, а площадь пропорциональна d2, можно, измерив, пористость и удельную поверхность, определить «эффективный» размер экспериментально.
Степень крошения почвы существенно зависит от ее влажности, режима работы и конструкционных особенностей рабочих органов, кратности воздействия и т.д., то есть от целого ряда факторов, определяющих совокупный итог воздействия. Естественно, что далеко не всегда удается проводить обработку почвы в оптимальных по всему широкому ряду факторов условиях. В результате чего почва находится не в самом оптимальном, от возможно реализуемого, состоянии для роста и развития растений.
Крошение почвы можно рассматривать как комплекс процессов изменения взаимного расположения почвенных частиц, при котором увеличиваются пористость и поверхность частиц. Качество крошения почвы необходимо оценивать независимо от конструктивных параметров и режимов работы. А уже после получения независимых, количественных результатов осуществлять выбор оптимальных орудий, конструктивных параметров, режимов работы. Изменения, произошедшие в почве после обработки, фиксируются по измерениям гидрофизических показателей: пористости, межагрегатной пористости и удельной поверхности агрегатов. Выбор такого набора показателей обусловлен тем, что их сочетание полно характеризует качество процесса крошения почвы.
Влага в почве ограничена с одной стороны твердой фазой, а с другой -газообразной, то есть в отличие от свободной влаги имеется поверхностная энергия взаимодействия с воздухом и поверхностная энергия взаимодействия с твердой фазой почвы. При механическом воздействии на почву во время агромелиоративных и культуртехнических работ в ней образуются сети трещин и т.п. Поверхность взаимодействия с воздухом увеличивается, а, следовательно, имеет место увеличение поверхностной энергии.
Работу А произведенную над почвой рабочими органами обрабатывающего орудия можно разделить на следующие компоненты: A = Апер + Акр , (3.2.10) где Апер – работа по перемещению почвы, переориентации агрегатов и т.п., Дж; Акр – работа по разрушению целостности почвы, созданию сети трещин, т.е. созданию дополнительной поверхности агрегатов, Дж. Учету работы Апер посвящено множество научных работ и инженерных разработок, большинство из которых направлено на снижение ее доли, т.е. на повышение коэффициента полезного действия почвообрабатывающего орудия.