Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Существующие методы моделирования мелиоративного режима почв, модели фильтрации и влагомассопереноса для ненасыщенно-насыщенной зон 8
1.1 Модели фильтрации в насыщенной зоне 9
1.2 Модели массопереноса в грунтовых водах 13
1.3 Модели влаго- массопереноса в зоне аэрации 17
1.4 Псевдо-стационарные и имитационные модели влагопереноса и массопереноса в насыщенно-ненасыщенных почвах и грунтах 19
1.5 Сложные имитационные модели 29
1.6 Интеграция моделей и построение моделирующих комплексов 37
1.7 Графические оболочки 38
1.7 Базы данных 42
1.8 Средства анализа и представления данных 43
1.9 Средства для решения обратных задач 44
Глава 2 Выбор математических зависимостей для создания интегрированной модели агрогеосистемы в условиях двухстороннего регулирования водного режима гумидной зоны 48
2.1 Краткая характеристика гумидной зоны ч8
2.2 Создание интегрированной модели агрогеосистемы для гумидной зоны 51
2.3 Обоснование выбора математических моделей 52
2.3.1 Расчёт движения влаги в зоне аэрации 54
2.3.2 Расчёт суммарного водопотребления 57
2.3.3 Расчёт урожайности сельскохозяйственных культур 61
2.3.4 Перенос азотных соединений 63
2.3.5 Фильтрация и массоперенос в подземных водах 71
2.3.6 Сопряжение моделей зоны аэрации и зоны полного насыщения... 81
Глава 3 Создание интегрированной модели агрогеосистемы и описание ее алгоритма 84
3.1 Описание ГИС интегрированной модели 88
3.2 Верификация модели зоны аэрации 91
Глава 4 Моделирование водного и питательного режима с использованием интегрированной модели для Яхромской поймы Московской области 100
4.1 Выбор объекта исследований 100
4.2 Краткая характеристика Яхромской поймы 100
4.3 Построение фильтрационной модели мелиоративного объекта на участке Куликовский 106
4.4 Построение модели зоны аэрации участка Куликовский 111
4.5 Калибровка интегрированной модели участка Куликовский 115
4.6 Обоснование режима орошения и норм внесения азотных удобрений на примере участка Куликовский 121
4.7 Прогнозирование водного режима мелиорированных земель Яхромской поймы на участке Куликовский 128
Выводы по 4 главе 131
Литература 134
- Модели массопереноса в грунтовых водах
- Создание интегрированной модели агрогеосистемы для гумидной зоны
- Верификация модели зоны аэрации
- Краткая характеристика Яхромской поймы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсификация сельскохозяйственного производства требует совершенствования прогнозирования и управления водным, солевым и питательным режимами почв. Содержание влаги в почве определяет испарение, транспирацию растений, поверхностный сток и инфильтрацию в подземные воды и является ключевым фактором в гидрологическом цикле. Почвенные и подземные воды переносят значительное количество растворенных веществ, в том числе питательные вещества, минеральные соли и различные загрязнители. Повышенное применение органических и минеральных удобрений может привести к загрязнению грунтовых и поверхностных вод. Поэтому адекватное описание движения воды, солей и биогенных веществ в ненасыщенной и насыщенной зонах имеет большое значение для управления факторами роста растений и охраны окружающей среды при интенсивном сельскохозяйственном производстве.
Как показывает анализ наиболее известных моделей влаго-, массопереноса и развития сельскохозяйственных культур, в настоящее время не существует единого программного комплекса, позволяющего моделировать все множество физических, биологических и химических процессов в зоне аэрации и полного насыщения, характерных для мелиорируемых земель. Каждая конкретная модель решает свою узкоспециализированную задачу. В ряде случаев перед исследователем встает задача проводить комплексные расчеты и прогнозы. При этом необходимо согласование различных моделей, что достаточно трудоемко и не всегда возможно. Поэтому разработка интегрированной модели, позволяющей рассчитывать весь комплекс процессов, необходимых для прогнозирования и управления водным и питательным режимами мелиорируемых земель с учетом охраны окружающей среды, является своевременной и актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Цель данной работы - разработка интегрированной модели агрогеосистемы для обоснования мелиоративного режима на интенсивно используемых мелиорированных землях гумидной зоны с целью обеспечения высокой урожайности и предупреждения загрязнения почв и подземных вод биогенными веществами.
Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Обоснование и выбор модели пространственной геофильтрации и геомиграции, позволяющей прогнозировать режим уровня грунтовых вод и поверхностный сток в трёхмерной области, а также перенос загрязняющих веществ.
-
Выбор математических моделей для описания процессов влагопереноса, миграции и трансформации азотных соединений и урожайности сельскохозяйственных культур.
-
Составление алгоритма интегрированной модели агроценоза и разработка программного обеспечения.
-
Сопряжение модели агроценоза с моделью пространственной геофильтрации.
-
Создание интегрированной модели агрогеосистемы для мелиоративного объекта.
-
Проведения сценарных исследований с целью обоснования урожайности сельскохозяйственных культур с учётом экологических ограничений на загрязнение окружающей среды.
Объект и методика исследований. Объектом исследований являются процессы влагопереноса, миграции и трансформации азотных соединений для формирования требуемого мелиоративного режима на землях двустороннего регулирования водного режима гумидной зоны. Методика исследований включала анализ существующих моделей процессов влаго- массопереноса в насыщенно-ненасыщенных грунтах и урожайности, выбор математических моделей для построения единой интегрированной системы, программирование задачи, верификация отдельных компонентов и интегрированной модели в целом, а также разработки геоинформационной системы.
Адаптация интегрированной модели агрогеоценоза и проведение сценарных исследований выполнены на объекте Куликово Яхромской поймы Московской обл.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
- разработана интегрированная модель агрогеосистемы, представляющая собой модель агроценоза, сопряженную с моделью пространственной геофильтрации, и позволяющая обосновать основные параметры мелиоративного режима на землях двустороннего регулирования водного режима в гумидной зоне с учетом экологических ограничений;
- реализовано сопряжение моделей основных компонентов агроценоза и геосистемы (инфильтрация, урожайность, миграция и трансформация азотных соединений, геофильтрация, геомиграция);
- предложена методология проведения сценарных исследований для обоснования мелиоративного режима почв в гумидной зоне с учетом экологических ограничений;
- выполнено обоснование мелиоративного режима для объекта Куликово Яхромской поймы Московской обл., позволяющее минимизировать поступление биогенных веществ в грунтовые воды.
Практическая значимость. Разработанная модель может быть использована при обосновании технических решений при реконструкции или модернизации мелиоративных систем гумидной зоны, а также для обоснования агротехнических и мелиоративных мероприятий при интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Рекомендации по режиму орошения и нормам внесения азотных удобрений переданы и будут использованы в ЗАО «Куликово» Дмитровского района Московской обл.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на секциях Ученого Совета ВНИИГиМ (2003, 2004, 2005, 2007 гг.), Костяковских чтениях (2005 г.), на Молодежном Форуме «Агробиотехнологии и экологическое земледелие» (Владимир, 2005).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 1 в журнале, рекомендованном ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы из 117 наименований, в том числе 63 работы на иностранном языке. Она изложена на 145 страницах машинописного текста, иллюстрирована 26 рисунками, содержит 22 таблицы.
Модели массопереноса в грунтовых водах
Модели переноса в грунтовых водах условно можно разделить на две категории. Первый класс - "общие" модели, в которых химические процессы задаются упрощенно, в виде коэффициентов (дисперсия, сорбция). К нему относятся такие модели как MT3D, МОС и HST3D, разработанные американским геологическим обществом (Kipp K.L., 1997). Как и в моделях фильтрации, различия между моделями переноса лежат в основном в методе дискретизации и в способах задания граничных условий (ГУ). Второй класс моделей явно описывает химические реакции. Такие модели нельзя применять без серьезной химической экспертизы. К нему относятся такие модели как модель PHREEQC (Parkhurst D.L. 1999, Simunek J., 2004), которая сделана американским геологическим обществом.
Трехмерное уравнение массопереноса базируется на законе сохранения вещества и может быть записано в виде: где є - пористость, С - объемная концентрация загрязнителя, рь -плотность породы, С- количество абсорбированного породой загрязнителя, V - вектор скоростей потока жидкости, D - коэффициент дисперсии, W задает поток из/в источники/стоки загрязнителя, С - концентрация загрязнителя в источнике/стоке, X - коэффициент распада загрязнителя. Это уравнение с небольшими модификациями используется в моделях, задающих процессы упрощенно.
Модель MT3D является транспортным продолжением MODFLOW (Мироненко В. А., 1998). Она позволяет рассчитывать трёхмерный массоперенос и дисперсию в подземных водах. Поле напоров, рассчитываемое с помощью MODFLOW, и заданные матрицы проницаемости используются для нахождения поля скоростей фильтрации. Последнее служит базой при решении задачи переноса. Модель двумерного массопереноса и дисперсии в подземных водах МОС, в отличие от модели MT3D, позволяет рассчитывает уравнение фильтрации (Мироненко В А., 1998). Модель МОС используется для расчёта пространственно-временного распределения инертного вещества в потоке подземных вод (Konikow L.F., 1996, Hornberger G.Z., 1998). В основу модели положено совместное решение двух уравнений - уравнения фильтрации и уравнения миграции, описывающих, соответственно, двумерное распределение напоров и концентрации вещества в водоносном горизонте (Kipp K.L., 1998, Goode, D.J., 1999, Heberton C.I., 2000). Модель может быть использована для решения широкого круга задач как в одномерной, так и в двумерной постановках в условиях установившегося и неустановившегося режимов фильтрации. Она рассчитывает изменение концентрации вещества во времени, вызванное конвективным переносом, гидродинамической дисперсией, процессами смешения за счёт поступления воды и вещества из дополнительных источников. Модель SUTRA позволяет вычислять уравнение фильтрации. Она также позволяет вычислить перенос тепла или солей в насыщенной и ненасыщенной средах.
В модели MT3D для решения уравнения массопереноса используется как неявная конечно-разностная схема, так и метод характеристик. В модели МОС используется либо неявный метод переменных направлений, либо полностью неявная схема для решения уравнения фильтрационным методом конечных разностей. Для решения уравнения массопереноса привлекается метод характеристик. В последнем случае используется процедура прослеживания расчётных частиц для представления в модели конвективного переноса и двухшаговая явная процедура для решения в конечных разностях уравнения гидродинамической дисперсии. Для устранения осцилляции в модели SUTRA используется метод взвешивания вверх по потоку, но только для случаев поршневого вытеснения; в противном случае используются схемы с симметричным взвешиванием, не дающим большой численной дисперсии. Модель FLOWNET предназначена для моделирования стационарных двумерных потоков, оценки скоростей фильтрации и построения сетки движения. В основе построения двумерной сетки движения лежит совместный анализ функции потенциала напора и тока, что делает, в частности, прослеживание линий тока существенно более точным, нежели их построение по полю напоров. Модель FLOWPATH предназначена для анализа процессов двумерного конвективного переноса в стационарном фильтрационном поле. Она позволяет рассчитывать поле скоростей фильтрации, линии тока, время переноса загрязнителей, зоны захвата и санитарной охраны водозаборов. Прослеживание движения частиц загрязнителей вдоль их траекторий может вестись в обоих направлениях. Сама траектория движения загрязнителей выстраивается интегрированием значений действительных скоростей по методу Эйлера, причём пространственная и временная разбивка подбираются автоматически с использованием схемы предиктора-корректора. Во избежание осцилляции вблизи застойных точек, вычисление линий тока прекращается, если скорость частицы близка к нулю.
Создание интегрированной модели агрогеосистемы для гумидной зоны
Особенность формирования мелиоративного режима в гумидной зоне предопределяет создание объединенной модели в системе «атмосфера-растение-почва-груновые воды». Цель создания модели - обоснование водного, питательного режима почвы для формирования устойчивого урожая в любой по климатическим условиям год с учетом выполнения экологических требований. В общем виде концептуальную структурную схему регулирования мелиоративного режима можно представить в следующем виде (рис. 1).
Все процессы представленные на схеме логично разделить на взаимодействующие друг с другом модули. Поэтому при создании интегрированной модели нами использовалась модульная архитектура. Реализация и интеграция модулей позволила предложить структуру модели, представленной на рис. 2.
Для построения детальной и согласованной модели автором были выбраны наиболее приемлемые нашим целям математические модели, исходя из анализа существующих моделей, и разработана компьютерная модель, названная ma3D.
Согласованность и большой круг моделируемых процессов моделями SWAP, ANIMO и PEARL делает их наиболее привлекательными при выборе математических моделей для составления общей модели агроценоза. Это широко используемые модели, обладающие достаточно большим набором табличных значений коэффициентов. Они были апробированы во многих точках земного шара, в том числе и в России (Бондарик И.Г., 1999, Бондарик
И.Г. 2004). Они используются как раздельно для моделирования в масштабах поля, так и в составе крупных модельных комплексов (STONE, NL-CAT) для моделирования в масштабах бассейна. Из недостатков следует отметить их одномерность, описание процессов дренажа и отсутствие стыковки с какой-либо модели фильтрации и переноса в насыщенной зоне. Решив эти проблемы можно существенно ускорить процесс создания моделей масштаба поля и убрать необходимость работать с разрозненными наборами данных применяемых в каждой конкретной модели.
Для движения влаги в зоне аэрации, роста растений и суммарного водопотребления были выбраны концепции, используемые в модели SWAP. При этом были сделаны следующие упрощения (Ромко А.В., 2005): 1. Не моделируется влияние иммобильных фракций почвы. 2. Не учитывается влияние трещиноватости породы. 3. Не моделируется снижение испаряемости с почвы.
Моделирование этих возможностей было исключено в связи с тем, что для этого необходимы вводить дополнительные параметры, получение которых трудоемко. Ряд других возможностей SWAP были реализованы альтернативными путями: 1. Моделирование дренажа и поверхностного стока было возложено на модель пространственной геофильтрации. 2. Для псевдотрехмерных расчетов в SWAP используется метод масштабирования параметров. В предлагаемой реализации необходимость использования этого метода отпадает, так как трехмерная зона аэрации разделена на вертикальные ячейки, в каждой из которых задача влагопереноса решается в одномерной постановке. 3. SWAP позволяет моделировать однокомпонентный массоперенос. В предлагаемой реализации необходимость использования этого метода отпадает в связи с тем, что для моделирования транспорта и трансформации азота создан специальный блок. 4. В предложенной модели используется только простая (simple, в терминологии SWAP) модель роста растений. Точность этой модели ниже, чем у детальной, но при этом она требует значительно меньше параметров, которые трудно получить на практике. 5. SWAP позволяет использовать детальные данные об осадках. При их использовании точность расчетов повышается, однако получение таких данных достаточно трудоемко. 6. Вместо моделирования переноса тепла используется синусоидальная модель температуры почвы.
Для моделирования миграции и трансформации азотных соединений были выбраны концепции, используемые в модели ANIMO (Kroes, J.G., 1997). При этом не моделируется перенос и трансформация фосфорных соединений, а задача расчета выноса в дренаж и переноса в поверхностном стоке возложена на модель пространственной геофильтрации.
Верификация модели зоны аэрации
Для верификации расчета процессов влагопереноса были проведены сравнительные расчеты на примере, описанном в инструкции пользователя SWAP 2.0. Моделировался участок размером 1м2, глубиной 2 м, включая почвенный слой и песчаный грунт. В SWAP не учитывалось влияние немобильных фракций воды, трещиноватости породы, поверхностный сток, дренаж, детальные данные об осадках. В качестве нижнего граничного условия был принят уровень грунтовых вод, который на протяжении всего периода расчета предполагался постоянным и лежал на 95см ниже поверхности земли. Использовались данные о погодных условиях за 1980 год, измеренные в Вагенингене. Ирригаций не предполагается. Выращивание культур не предполагается. Период расчета - с 1 января по 31 декабря 1980 года. Результаты моделирования испарения и инфильтрации на УГВ представлены в таблице 1. За исключением фактического физического испарения, результаты практически совпадают. Область моделирования была разбита на ячейки: 10 ячеек толщиной 1 см, 10 по 5 см и 14 по 10 см. Окончательное распределение напоров по ячейкам представлено в таблице 2. Сравнение показывает высокую степень сходства результатов. В ту же задачу было добавлено выращивание кукурузы с временем высадки 1 мая и временем укоса 15 октября. Результаты моделирования представлены в таблице 3. Окончательное распределение напоров также показало высокую степень сходства.
Одним из показателей качества модели является ее способность корректно рассчитывать систему в экстремальных условиях. Были проведены сравнительные расчеты на примерах, описанных в работе Ван Дама (van Dam J.C., 2000). Проводилось моделирование трех случаев - интенсивный дождь на сухую почву, сильная эвапорация с мокрой почвы, флуктуация УГВ вблизи поверхности. Все три расчета проводились для двух типов почв - песчаной и супесчаной. Характеристики почв приведены в таблице 4. Для моделирования первого случая использовалась горизонтальная разбивка с шагом 0,1 см. Расчеты для второго и третьего случая проводились для двух разных вертикальных разбивок - 1 и 5 см. Во всех трех случаях не предполагалось ирригаций и роста растений. В первом примере в первый день был задан интенсивный дождь - 1000 мм. УГВ залегал на глубине трех метров. Период моделирование - двое суток. Результаты расчетов инфильтрации на УГВ за два дня представлены в таблице 5. При таком сильном дожде почва быстро насыщается и не может принимать влагу. Это означает, что избыток влаги образует поверхностный сток. SWAP позволяет рассчитывать поверхностный сток, поэтому инфильтрация на УГВ оказалась существенно ниже чем в разработанной модели. Значения стока за оба дня для глины и песка составили соответственно 78,85 и 22,99 см. Разработанная модель не умеет рассчитывать поверхностный сток. В созданной интегрированной модели затопление моделируется моделью зоны насыщения. Во втором примере для обеспечения высокого уровня физического испарения были заданы большие значения температуры и солнечной радиации. Моделировался период в два дня. Для обоих дней использовались значения солнечной радиации равной 55200 кДж/м2, минимальной и максимальной температуры воздуха - 42С и 44С соответственно. УГВ залегал на глубине 50 см. Результаты расчетов физического испарения за два дня представлены Результаты всех расчетов практически идентичны. Следует отметить различие в рассчитанных величинах при различном шаге дискретизации. В условиях сильных градиентов необходимо задавать меньший шаг сетки (Бахвалов Н.С., 2003, van Dam J.C., 2000). Большие шаги ведут к погрешностям и, возможно, к отсутствию сходимости решения. В третьем примере моделировался период в четыре дня. В первый и третий день был задан дождь - 40 мм. УГВ в первый и третий день залегал на глубине 20 сантиметров, во второй и четвертый день- на глубине 10 сантиметров. Результаты расчетов инфильтрации на УГВ за четыре дня представлены в таблице .
Краткая характеристика Яхромской поймы
В геологическом строении участка принимают участие современные аллювиальные отложения, которые целиком заполняют пойму р. Яхромы. В верхней части разреза преобладают суглинки, которые неоднородны по механическому гранулометрическому составу, местами содержат прослои и линзы песков, супесей и глин различной мощности. Местами отмечены единичные случаи песков мощностью до 3-4 метров, залегающих с поверхности.
Суглинки преимущественно оторфованные как с поверхности, так и на различной глубине. На изучаемой территории отмечаются погребённые торфа, иногда с прослоями сапропеля мощностью до 1,5 м. Пески также неоднородны по составу, содержат прослои и линзы суглинков и супесей.
В гидрогеологическом отношении территория объекта характеризуется наличием как грунтовых вод, так и вод типа верховодки. Грунтовые имеют повсеместное развитие и приурочены к современным аллювиальным пескам, суглинкам и торфам, суммарная мощность которых составляет 5-Ю м.
Питание водоносного горизонта осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков, оросительной воды на мелиорируемых участках и притока грунтовых вод с прилегающих к объекту территорий. Водоупором служат тугопластичные суглинки, залегающие в основании обводнённой толщи. Грунтовые воды пресные. Имеются предпосылки напорного. подпитывания горизонта грунтовых вод, т.к. из скважин, вскрывающих основной водоносный горизонт как в центре массова, так ина его периферии (устье кан. Ильинка) наблюдается самоизлив подземных вод.
В почвенном профиле на большей части территории сверху залегают торфа, легкие и средние суглинки, ниже чередование слоев тяжелого и среднего суглинка, песка и супесей. На объекте выделены следующие почвенные разновидности - аллювиальные дерново-глеевые оторфованные легко и среднесуглинистые, аллювиальные дерново-глеевые среднесуглинистые, аллювиальные дерновые зернистые глеевые легко- и среднесуглинистые, аллювиальные дерновые слоистые глеевые песчаные, аллювиальные дерновые зернистые среднесуглинистые, реже суглинистые.
Вся территория поймы осушается закрытым горизонтальным дренажем с глубиной 0,8-1,2 м и междренным расстоянием 20-40 м (Мусекаев Д.А., 1994, Шишов К.Н., 1972). В 2001 году на участке была проведена реконструкция осушительно-оросительной сети с заложением дренажа с междренным расстоянием 12,14 и 18 м (фото 1).
Площадь участка - 86 га. Для орошения используется дождевальная техника ДДА-60ВХ, «Агрос-75» и «Мини-Кубань-ФШ» марки МДЭШ-176-20. Орошение последними двумя осуществляется от закрытой оросительной сети. Общая протяженность закрытой оросительной сети составляет 2,41 км,, протяженность открытых оросителей - 3,442 км. Фото 1 - Участок К-14. Магистральный коллектор МЯ-26-2 после реконструкции
Осушительная сеть состоит из двух открытых осушительных каналов МЯ-26-2 и МЯ-4-2 общей длиной 0,848 км и закрытой коллекторно-дренажной сети. Коллектора из пластмассовых труб диаметром ПО мм и 160 мм - 5,22 км, дрены из пластмассовых труб диаметром 63 мм - 28,87 км.
Пойма используется для выращивания овощей и картофеля, кормовых культур и многолетних трав. При этом используются интенсивные технологии, позволяющие получать высокие урожаи и характеризующиеся внесением высоких доз минеральных удобрений и применением агрохимикатов для борьбы с вредителями и сорняками. В таблице 9 приведены агрономические данные за годы, прошедшие после завершения реконструкции осушительно-оросительной сети. Применение интенсивных технологий на фоне орошения и дренажа и обусловливают весьма высокий уровень антропогенной нагрузки как на почвы, так и на агроландшафт в целом, что привело к существенным выносам биогенных веществ в грунтовые воды и реки Старую и Новую Яхрома. На рассматриваемом участке орошение осуществляется дождевальными машинами ДДА-ЮОМ.
