Экспериментальное обеспечение моделей влаго- и солепереноса в почвах

Чехова, Татьяна Ивановна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Экспериментальное обеспечение моделей влаго- и солепереноса в почвах
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное обеспечение моделей влаго- и солепереноса в почвах"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

РГ6 од

На правах рукописи

ЧЕХОВА Татьяна Ивановна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ВЛАГО- И СОЛЕПЕРЕНОСА В ПОЧВАХ

Специальность 06.01.03 — агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета

Научные руководители: профессор, д. б. н. Я. А. Пачепский, профессор, д. б. н. Е. В. Шеин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Л. А. Воробьева кандидат биологических наук, вед. н. с. М. Е. Гинзбург

Ведущая организация: Московский гидромелиоративный институт

Защита диссертации состоится « »— 1994 года на заседании специализированного совета К053.05.16

Адрес: Москва, 119899, ГСП, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Отзывы на реферат, в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба присылать по указанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан <

» 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Г. В. Мотузова

Актуальность темы-. Математическое моделирование - перспективный, научнообоснованный метод прогноза перекоса воды и веществ в почвах и ландшафтах.Он широко используется в почвоведении и экологии при прогнозе распространения различных веществ (в том числе токсикантов) в почве и ландшафте, поиске оптимального реше-■ ния с учетом отдаленных последствий при применении различных агротехнических. агрохимических, мелиоративных и других мероприятий. Экспериментальным обеспечением для моделей влагопереноса являются гидрофизические функции почв - основная гидрофизическая характеристика (ОГК) и функция (иди коэффициент) влагопроводности (Квл) почв. Методам их определения и использования- посвящены известные работы А.Д.Воронина, А.М.Глобуса, И.И.Судницына и др. В случае моделей переноса вещества добавляются еще так называемые' гидрохимические параметры: гидродинамическая дисперсия, параметры массообыена, нерастворяющий объем и др.

Неясно, однако, как влияет метод определения гидрофизических функций и гидрохимических параметров почв нз результаты расчета, какие способы их определения предпочтительнее именно для прогнозного моделирования,в каких случаях требуется оптимизация параметров (т.е. их изменение для лучшего описания природного процесса). Поэтому целью данной работы является разработка подходов по экспериментальному 'обеспечение моделей переноса воды и веществ в почвах.

Научные задачи.

1. Теоретическое обоснование основных параметров моделей водо-и ионопереноса.

2. Обоснование ла£--раторных и полевых методов экспериментального определения основных функций и параметров моделей перекоса воды и ионов в почвах.

3. Идентификация и оптимизация параметров для существующих моделей переноса воды и ионов в почвах по лабораторным и полевым экспериментам. ,

4. Математический- прогноэ соле- и влагопереноса в черноземах южных вторичяо-гидроморфных (Одесская область) и типичных (Воронежская область) на основании полевого и лабораторного экспериментального обеспечения.

Научная новизна. Разработаны и обоснованы экспериментальные

- г -

процедуры определения основных параметров моделей водо- и солепе-

реноса для целей долгосрочного прогноза. Показана необходимость и апробирована методика полевых экспериментов для адаптации и параметризации моделей.

Практическое значение. Результаты работы могут быть использованы .при подготовке экспериментального обеспечения для прогнозных моделей переноса влаги и растворимых веществ в почвах, в том числе удобрений и загрязняющих веществ.

Апробация работы. Диссертация рассмотрена и рекомендована к защите на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ. Основные положения диссертационной работы были . представлены на конференциях: "Физика почвы и проблемы экологии" (Пушдно, 1992г.), молодых ученых МГУ (Красновидово,1993г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы (тезисы).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, Ц глав, выводов, приложения, содержит /¿¿страниц машинописного текста, рисунков, £ таблиц. Список литературы включает наименований» в том числе Э& иностранных. , -

Автор выражает глубокую благодарность н.с. каф.физики и мелиорации почв МГУ А.К.Губеру и с.н.с. ИГИС РАН Е.В.Миронеяко за математическое обеспечение и помощь в использовании программных средств.

Глава 1. Экспериментальное обеспечение моделей влаго-и солелереноса. . ,

1.1. Модели переноса воды.

Известно, что основным экспериментальным гидрофизическим блоком для работы модели влагопереноса являются ОГХ и Квл. Причем,'в последнее время основное внимание уделяется ОГХ, т.к.. появился ряд подходов, и уравнений (Воронин,1984;Миа1ещ,1983) по расчету функции влагопроводности из ОГХ.

В работах'А.Д.Воронина, С.Б.Нерпина, И.И.Судницына, А.М.Глобуса, и других показано большое значение функции (кривой) водоу-держивания (ОГХ) для оценки порового пространства, гидрологических констант, физико-механических свойств почвы. Этим объясняется и значение, которое придается.определению ОГХ в физике лочв. Од- . нако, ОГХ имеет еще одно, более "утилитарное", значение, - как

: - з -'

функция переноса в прогнозных моделях, позволяющих рассчитывать динамику влажности почвы (Глобус,1987; Genuhten.1981 и'др.). При широком ее использовании возникает задача о возможности и границах применения методов и подходов определения ОГХ, как основной структурно-функциональной характеристики почв, к расчету переноса воды. В ряде работ (Шеин и др. ,1993 ) показано, что полевые и лабораторные методы дают различный вид зависимости. Обоснование методов определения ОГХ, как основной функции переноса воды в почвах, явилось, одной из задач работы.

, 1.2. Модели переноса растворимых веществ.

Основными гидрохимическими параметрами переноса являются: гидродинамическая дисперсия, нерастворяютщй объем, соотношение проточной и застойной лорозности, коэффициент обмена раствор-твердая, фаза почвы. Эти параметры входа? в модели различной сложности для описания процессов переноса сорбирующихся и несор-бируюиихся ионов (Пачепский,1976,1988; van Genahten,1981). Как • правило, для . экспериментального определения этих параметров используют данные о "выходных" кривых в лабораторных фильтрационных экспериментах. Неясно, однако, в какой степени результаты лабораторных экспериментов и расчеты основных гидрохимических параметров по "выходным" кривым могут быть использованы в математических моделях при долгосрочных прогнозах. Необходимы экспериментальные доказательства такой, возможности с привлечением лабораторного и полевого динамического экспериментального материала. Это составило втору» группу вадач данной работы..

Глава 2. Характеристика объектов и методов исследования.

■.'•• 2.1. Объекты исследования.

Полевые исследования проводились на чернозёмах южных вторич- . но-гидроморфных(Одесская область) и черноземах типичных (Воронежская область) в 1991году. В Одесской области исследования проводились на территории Нижне-Днестровской оросительной системы. Почвообрааующие породы - лессовидные суглинки и лессы. Опытные площадки были заложены вблизи оросительного канала. Почвы - черноземы южные вторично-гидроморфше (УГВ около 1,40 м).В целом фи-

Таблица 1.Некоторые физические свойства изучаемых черноземов

/¡Глубина, Горизонт | см

I I

Чернозем южный вторично-гидроморфный

т-:—

| 0-29 I 29-40 | 40-57 I 57-ПО

Апах А1 АВ Вк

1.41 1.43 1.48 1.57

| 55.1

| 54.0.

I 61.0.

I 61.0

4.6 7.0

14.1

12.2

60.0 60.0 59.6 61.8

Чернозем типичный

Ак Апах А1 АВ

0-10 10-25 25-79 79-97

1.23 1.25 1.15 1.28

54.2 57.5 76.4.

78.3

32.1 27.3 34.1 27.6

64.9 67.7 61.6 65.9

зические свойства этих почв удовлетворительные (табл.1).-. Следует отметить лишь повышенную плотность поверхнрстных.горизонтов. Вероятно, большую, роль ,в уплотнении верхних, горизонтов играет интенсивное орошение и использование тяжелой "сельскохозяйственной

.техники. .V-.'. . ..Г»..'?'..-,., сха " ■ „•■; . .. : г—,

..'..В. Воронежской на территории

совхоза "До£[. '.. Материнские*. породы ^лессовидные с^тМщ.Поч^ . . чернозем „типичные" гяжелосуглинистые'среднемощные^ ■ Агро^зетеские . свойртва изучаемых •ло'ш^уАр^^во^итеданые,^о^ена^сй^йий пони-' женное содержание 'агрономическиденных агрегатов' (табл. 1')".' . '

2.2. Методы исследования.

Материал для этой работы был получен в полевых и лабораторных экспериментах. В полевом эксперименте бал применен метод "малых заливаемых площадей". В Воронежской области были заложены две площадки размером 1,5 х 1,5 м (точки 1 и 2). На них проводилось искусственное дождевание О.ОЗн раствором СаС1г - Проводили 3 полива - через сутки (норма 1 полива - 40мм, интенсивность полива -20мм/час); после поливов поверхность почвы покрывали водонепроницаемой пленкой для предотвращения испарения и достижения квазиравновесного состояния. После третьего полива площадки открывали и вели динамические послойные наблюдения за:

1) давлением почвенной влаги (Р) - тензкометрами, (Судни-цын.1979);

2) влажностью почв (Ю - нейтронным влагомером и термостатно-весовым методом (Ваденина, Корчагина, 1686)

3) физическим испарением с поверхности почвы испарителями Ры-' качева-Качинского;

4) содержанием иона С1~ в водной вытяжке из почвенных образцов.

На черноземах южных (в Одесской обл.) проводился в целом аналогичный эксперимент, однако проводили лишь два полива разными нормами (первый полив - 40мм и второй полив - 25мм) вследствие высокого уровня грунтовых вод.

Кроме того, в течение вегетационного сезона (июнь - сентябрь) 1989года в Одесской области велись полевые динамические наблюдения. 8а' влажность» почвы и содержанием С1" в поровых растворах чернозема южного вторично-гидроморфного.

• В лабораторных условиях СГХ определяли методом тензиостатов и равновесием над насыщенными растворами солей ("Моделирование почвенных процессов 'засоления и осолонцевания почв",1980). Основные физические свойства определяли традиционными методами (Вадюни-на, Корчагина,1986). .Гидрохимические параметры в лабораторных условиях исследовали на основании фильтрационных экспериментов: через почвенный монолит фильтровали, сначала Дистиллированную воду, а затем резко на поверхность подавали раствор с ионом-меткой. В дренируемом растворе изучали динамику концентрации ионов С1~ и КV причем концентрацию выражали в отношении к концентрации пода-

- б -

ваемого раствора (С/Со) в зависимости от количества смен порового раствора в изучаемом монолите - от тактов (Т). Получали "выходные кривые", по которым с помощью программы CXFITIM (van Genuhten,1981) рассчитывали шаг смешения (V). нерастворяхлций объем (вех)(в случае иона С1~),а также константу сорбции (К с)(в экспериментах с ионом К+). Концентрация иона С1~ определялась двумя способами: титриметрическим (почвенная вытяжка титровалась 0.02н AgN03) (Арикушкина,1961) и потенциометрическим с помощью. С1-селективного электрода, выпускаемого НИИ С.-Петербургского университета, электрода сравнения и рН-метра-мшшшольтметра типа рН-150. ' . ' ч;..

Построение хроноизоплет влажности почвы и хроноизогап содержания иона С1~ проводилось по программе "ISCMAP". Аппроксимация ОГХ проводилась по программе "S0WPAR"' (ЫироИенко й др., 1981) с использованием логистической модели W-bi/(l+10z); z-b2(pF-b3) и уравнения Вейбулла: W - (А - D) ехр[-(+/8)сЗ + О.

Глава 3. Экспериментальное обеспечение моделей влагопереноса:

Перенос ионов в почвах во многом определяется, скоростью пере- ' носа растворов,. иначе говоря, воднш режимом и балансом, поэтому исследования строились в 2 этапа. На первом этапе оценивали перенос воды в почве и адаптировали модель влагопереноса по лабораторным и полевым данным. На втором этапе с помощью надежно .адаптированной модели влагопереноса и гидрохимических параметров оценивался перенос ионов в почве. '. . ; . \ Послойные динамики W, Р, а также кумулятивные по запасам ионов С1~ в черноземе типичней! представлены на рис.1(а.б.в). По полевым синхронным данным о Р и W для всех горизонтов чернозема типичного были построены графики ОГХ. На них накладывались графики ОГХ, построенные по лабораторным данным. При рассмотрении полученного материала установлена общая закономерность: "полевые" и "лабораторные;* ОГХ ие совпадали (рис.2, а-в). Причем ОРХ, полученная на тензиостате, располагается в области более высоких влажностей, чем ОГХ, подученная в полевых условиях. Этот факт объясняется методическими особенностями, отмеченными в ряде работ : (Шеин и др. 1993). - . ЛГ.'Д.А: -Более того, 'ход кривой ОГХ, изменяется от полива к поливу

влазность .36,

запасы иона Сб , г/ы2, в)

39 .116 193

время, час.

133 206 279 время;, час.

д)

352

40 80 120 160 время, час.

53 118 183 248 ¡ЕГ "бГ Н8 183 245 313 время, час. время,час.

Рис. I. Послойные динамики объемной влажности (а), давления почвенной влаги (б), запасов иска (в) чернозема типичного; влажноетл и давления чернозема едкого вторлчно-гидрокорфкого (г,д).

давление влаги, |Р|, сы водя. ст. |Р

см вода. ст. 6)

|Р|, см водн, ст.

в)

.26 .32 .38 .44 , „ влаяность,& , см°сьг

влажность, 9 , см3сма

.26 . 32 . 3Ь0 .44 ..о, влаяность. & , см см

Рис. 2. Полевке и лабораторное ОГХ для различные слоев чернозема типичного (а-в) и вжного вторично-гидрсморфного (г-е).

- 9 1 :

(рис.2,а-в), что было связано, по-видимому, с изменением свойств почвы под действием.высоких норм искусственного полива. Мы пытались испольвовать 3 вида информации об ОГХ для модельного восстановления динамики влажности: 1) лабораторную; 2) так называемую "усредненную" ОГХ, использовавшую все экспериментальные полевые данные по синхронным значениям Р и Ы; 3) ОГХ с учетом ее изменения от полива к поливу. Из рис.З(а.г), в котором представлены данные по расчетной и реальной динамикам в сдоях 10, 30см, следует, что описание реального процесса с помощью лабораторных ОГХ было неудовлетворительным: не совпадают минимумы, максимумы на этих кривых, различаются сами величины влажностей. По Р.М.Сайерту (Суег1,1966), это неприемлемое отражение моделью реального природного процесса. Несколько лучше, однако тоже неудовлетворительным, было описание с помощью "усредненной" полевой ОГХ (рис.3; б,д). И лишь . в случае использования в расчетах ОГХ с учетом ее' изменения от полива к поливу (т.е. практически трех ОГХ) совпадение было удовлетворительным (рис.3; в,е).

Это указывает на то, что для надежного точного прогноза необходим прежде всего полевой материал по синхронным данным Р и « и желательно . полученный в условиях, отражающих крайние состояния природных явлений (мощный полив, глубокое иссушение).

В полевом опыте на черноземах южных вторично-гидроморфных были получены идентичные результаты (рис.2,г-е). Специфика этого объекта состояла В том, что, вследствие близкого залегания УГВ и слабой динамики влажности в глубинных слоях, невозможно было получить полевую ОГХ во всем диапазоне давлений влаги; имелось лишь "облако" точек Р - V, лежащих левее лабораторной ОГХ (рис.2,г-е). В этом случае функцию. ОГХ для прогнозных расчетов получали следующим образом: лабораторные ОГХ сдвигались влево так, чтобы они проходили через "облако'* полевых точек, а начальные влажности при малых значениях давления оставались близкими к насыщению (т.е. использовались данные,полученные на тепзиостате). в этом случае удалось удовлетворительно Описать послойные динамики для полевого модельного эксперимента.

Оставался, однако, вопрос: насколько хорошо полученные в полевом модельном эксперименте данные дают возможность осуществить долгосрочный прогноз.

Чтобы ответить на. этот вопрос, ыы решили просчитать водный

о •49 .

С2> .43 .

Е* О .37 .

и 1 .31 •

а)

расчетная .41 • .37 -

.33 • .29 .

полевая

О 20 40 60 80 100 время, час.

'со 3 О N со 2 О

С2>

.49 .43

.37 .

.31 .

г)

расчетная

кы4-

полевая

б)

►41 .37 ; .33 -.29

20 40 60 60 100 время, час.

0 20 40 60 80 100 время, час.

0 20 .40 60 80 100 время, час. ■.

0 20 40 60 80 100 время, час.

0 „20 '40. 60 80 100 время,час. ■

Рис.. 3. Расчетное и полевые динамики объемной влажности чернозема типичного- в слоях 10см (а,б,в) и 30см (г, д, е) .

■о

100

хз &

100

34 54 61

время, сут.

Ь.

20_- 24 24- 28 28 - 32 , . 32 - 36 36 - 40

Рис.4.. Хроноизоплетн объемной влажности почвы в черноземе ютом вторэтно-шдроморТнсм, полученные при'экспериментальных стациокарно-ро.та/лих наблюдениях (а) и рассчитанные с помощью модели (б).

режим эа достаточно долгий промежуток времени - три месяца. Для этого использовались независимо полученные данные по динамике влажности и другим составляющим водного режима, полученных на черноземе южном вторично-гидроморфном под покровом люцерны. На рис.4 представлены хроноизоплегы объемной влажности рассчитанной (б) и реальной (а). Как видно из этих рисунков, хорошо совпадают глубины иссушения и увлажнения почвенного профиля, в целом совпадает диапазон влгоностей. Это указывает на надежность предложенных подходов к определению ОГХ с обязательным привлечением полевого экспериментального материала для долгосрочных прогнозов водного режима почв. ;

Таким образом, для надежного описания процесса влагопереяоса в качестве экспериментального обеспечения недостаточно лабораторного определения ОГХ. Лабораторные данные могут служить лишь ориентировочной информацией по водошестиыости почвы и наклону кривой. Необходимые для моделирования пары значений W - Р надо определять из полевых синхронных данных по Р й W, а для Солее качественного описания водного режима почв при интенсивных поливах большими нормами надо знать изменение ("дрейф") ОГХ под влиянием последовательных поливов. В целом мы полагаем, что следует различать ОГХ как почвенную характеристику, основную для . оценки . структурно-функциональных свойств почвы (Воронин,1984) и ОГХ как функцию переноса воды. Первую ысжно (и необходимо) определять в лабораторных равновесных экспериментах, вторую - в полевых стационарно-режимных экспериментах по синхронным данным о давлении влаги и влажности почвы. •"•

Глава 4.Экспериментальное обеспечение моделей переноса содей.

Полученные в лабораторных фильтрационных экспериментах выходные кривые приведены на рйс.5. Они имеют характерный вид для объ- . i.ctob, в которых по огношевио к аннону выражены явления гндроди-нами1 хжой дисперсии (D), "нерастворяодег& объема" (вех), а в отношении катиона К - и сорбции, выраженной в виде константы сорбции (Кс).По этим выходным кривым с помощью специальной модифицированной программы CXFITIM (van Genuchten) рассчитывали указанные гидрохимические параметры, которые представлены в табл. 2,3.

Следует отметить, что основныевеличины- 0 (точнее в основ*-

—г—

.2 .6 1.0 1.4 . Т .2. .6 1.0 1.4 1.8 .2 .6 1.0. 1.4

Рас. 5. Выходные кривые для иона С£ , полученные в фильтрационных экспериментах на ненару-аенных образцах слоев 60-75 (а-в) и 75-90 (б-е) см чернозеш типичного для двух пространственных повторностай (а,<5 и в,г) и•последлвательно на одних и тех же образцах (в,д л г,е).

Табл.2. Некоторые гидрохимические параметры для иона С1 (почва - чернозем типичный), рассчитанные по программе СХПТШ

I-1-1-1-1-1-1-1--

Т.1

1 1 1 Ю-15 | 5,30 | 0.Б4 1 | 997 1 Г 1 12.64 | 1 0.1831 1 0.1371 200

|1б-30| 1.65 | 0.58 | 1775 18.49 | 0.070| 0.1361 111

|30-45| 3.86 1 0.78 | 693 13.63 | 0.040| 0.128| 99

|45-60| 5.22 | 0.03 | 438 12.68 | 0.040| " 1 85

|60-75| 8.10 |0.76 | 220 11.73 | 0.1001 " 1 65

|75-90| 8.29 | 0.71 ■ ■ 1 | 310 11.69 | > ■ 0.120| | 0.1291 94

| ,.',■• Т.2 (эксперимент 1)

1 1 1 |15-30| 3.00 1-0.35 1 | 951 1 1 14.67 | 1 0.2931 1. 108

|30-45| 4.21 | 0.54 | 774 13.33 | 0.1881 1 .121

|45-60| 3.05 | 0.45 I 887 14.58 | 0.223| 1 101

|60-75| 1.81 | 0.37 I 2293 |7.73 | 0.3091 1 151

|75-90| 1.78 | 0.38 1 1 1 I 3331 1 17.86 | | 1 0.224] | 1 I 216

I Т.2 (эксперимент 2)

I г 1 |30-45| 10.20| 0.65 1 | 182 | 1 11.37 | 1 0.1561 1 1 69

|45-60| 3.15| 0.59 I 12923 14.44 | 0.1361 1 151

160-751 8.92| 0.80 | .740 11.67 Г 0.0901 ■ 1 240

|75-90| 1.151 0.29 | _. 1. ..... 1........ 1 3987 (2.20 | 0.2901 ■ 1 167

ном определяющая О и независимая от скорости течение раствора величина X - "шаг. смешения")8эХ для иона С1"* слабо варьируют по профилю чернозема. В то же время, стабильность их определения невелика: при повторных экспериментах на тех же самых образцах наблюдалось изменение величины в 1,5-2 раза. Связано это прежде всего, на наш взгляд, с небольшими изменениями порового пространства почвы в эксперименте (сравните данные экспериментов 1 и 2,проведенных последовательно на одних и тех же образцах почва).С другой стороны, их изменения связаны со способом их совместного расчета из выходной кривой, что обусловливает их тесную взаимозависимость, а следовательно, и снижение стабильности определения каж-' дого из гидрохимических параметров.

В качестве: предварительных результатов можно говорить и о том, что рассчитанные из разнообразных экспериментов. 8еХ были близки (порядки величин) к МГ, которую Я. А. Пачепский (1991) считает близкой к объему "нерастворяющей влаги". Порядок величины Кс тоже близок к известный из литературы коэффициентам селективности обмена Са2+- К+, которые! варьируют от 1 до 18. Это позволяет надеяться, что экспериментальную информацию по ряду гидрохимических параметров возможно получать из прямых почвенных экспериментов, когда; их определение независимо и стабильно'. Хотя для этого утверждения требуются дополнительные исследования, необходимы специально направленные эксперименты. Однако, недостаточно высо-каястабильность лабораторного определения и расчета гидрохимических параметров, ■.: их скоррелироваяность при расчете по выходным кривым, труднообъяснимое с физической точки зрения изменение их по профилю чернозема - это определенные недостатки в экспериментальном получении;гидрохимических параметров лабораторными методами. ".'чЦ дА'Г'.^-^ л ./-;

ч Мы попытались получить эти параметры и из полевых модельных экспериментов, пользуясь подходами решения обратной задачи: восстановления гидрохимических параметров.по известному водному режиму и реальной послойной динамике ионов. Расчеты показали, что если полученные в лаборатории экспериментальные гидрохимические параметры пбдставить непосредственно в отлаженную модель, влагопере-носа,. то:не удается воспроизвести натурную картину динамики С1~. Это следует из сравнения. хроноизогад С1~ расчетных по модели АОиАБАЬТ и экспериментальных (рис.б,а-б.соответственно). При под-

Таблица 3. Основные гидрохимические параметры для иона К (почва - чернозем типичный)

1 см | Пекле запаздыв. | динам, дисперсии! шения сорбции |

1 1 Р И 1 0 1 X Кс |

1 1 ■ < [СезрЗ Сбезр] | 1 см2/сут 1 см [безр] |

1 ; 1 | Точка 1. |

1 1 10-15 | 0.15 1 2.08 | 35220 1 I 93.33 1 .0.57 |

115-30 | :-1.71 15.75 | . 1713 1 8.19 7.82 |

130-45 | 6.22 35.13 | 430 | 2.25 17.75 |

145-60 | 22.04 25.72 | 104 I 0.64 12.85 |

160-75 | 35.23 36.95 | 51 I 0.40 18.34 |

175-90 | | ' 22.90 34.49 1 112 I 0.61 1 17.08 | |

боре величины X, в частности ее увеличения в верхних слоях до 2000см и закономерного снижения с глубиной до значений 50см, картина улучшается,- закономерности динамики концентрации С1 'реальной и рассчитанной близки (рис.6,б-в). Если же в качестве нераст-воряющего объема.взять экспериментальную величину МГ, то хронои-аогалы в природных и расчетных условиях совпадают удовлетворительно (рис.6,б-г).

Из зтг" серии экспериментов ыоошо сделать следующий вывод, в целом аналогичный выводу, полученному в отношении эксперименталь- . ной информации для моделей влагопереноса: . лабораторные эксперименты не могут служить достаточно надежной информацией для обес- . печения моделей солепереноса. Нужен качественный специальный полевой эксперимент по изучению послойной динамики иона-метки.

И ещё один вывод,: относяздйся к разряду предварительных.' и требующих подтверждения. Величина X, вычисленная по полевому модельному эксперименту, заметно и закономерно снижается вниз по пр_4>илю: в верхнем 20-см слое она составляет 2000см, в слоях 20-40, 40-60 и 80-100 си 50см. Физического обоснования такому поведению в рамках современных представлений нет, т.к. X считает-, ся зависимой от физических свойств почвы (гранулометрии, .пороз-

•о

о. • к

о «

га %

к о

в я

"■ о и о"

тт \

h \' 4 ^

О го о

. в

сл

te)

О ы о

, глубина, см

о а> ф ' ti. JO о о о о о

гдубша, см

ности), а они слабо изменяются по профилю изученных черноземов. Мы полагаем, что X возможно не является почвенной константой, а зависит от скорости течения раствора - чем выше скорость переноса, „>м выше возможность более значительного "размыва" фронта, что и отражается в изменении величины X. Однако, это замечание, относящееся к будущим исследованиям и требующее всесторонней провер-

Л ВЫВОДЫ. -

1. Экспериментальным обеспечением математических дифференциальных моделей.влаго- и солепереноса являются прежде всего основная гидрофизическая характеристика (СО) и гидрохимические параметры (шаг смешения:, нерасгворяюшдй объем, константа сорбции).

2. Для надежного долгосрочного прогноза водного режима почвы недостаточно .определения ОГХ лабораторными методами. Необходим специальный полевой динамический эксперимент (искусственное интенсивное орошение) для получения синхронных данных по давлению, влажности почвы и условиям на границе почвенного профиля, позволяющих совместно с.лабораторными исследованиями определить ОГХ, ■ как основную функцию переноса. ■

3.Расчет основных гидрохимических параметров переноса ионов в почвах из лабораторной выходной кривой не является надежным способом их определения для. целей прогнозного моделирования: палу- . ченные данные изменяются по профилю вне зависимости от почвен-но-физическнх свойств черн зенов, шзкоэоспроизвадимы, взаимозависимы. 5 ,-'.' ■ ■ ■''/-. V; * .' ' '■'

4. Шаг смгшения А, полученный резгешем обратной задачи из полевых послойных динамик содержания иона метки в течение модельного-, полевого эксперимента на заливаете: площадках прсвшает в 150-1000 раз а поверхностных слоях ив6-10 раз в глубинных слоях величины X, рассчитанные.йа лабораторного фильтрационного зкепе-. римента. Значения "нерастворящего обгеиа" (8вх) по полевым зкс~: периментам близки к велкчине иаксимаяьной гигроскопической влаги.

5.применение прогнозных кагешгичэских моделей солепереноса может Сыть надежным лишь пря наличии адаптированной модели влагопе-раюса и гидрохимических параыетров. полученных па основании полевого модельного эксперимента ш изучение послойной динамики ио-

, . на-метки (С1~) . Лабораторные фильтрационные эксперименты и анализ "выходной кривой" могут являться лшь исходной количественной ив-

формацией для экспериментального обеспечения моделей солеперено-са.

Методические рекомендации.

Полевой модельный эксперимент должен включать ряд (2-4) последовательных каждодневных поливов 0,01-0,05н растворами хлоридов при устранении испарения с поверхности почвы и подробное исследование послойных динамик влажностей, давления влаги, содержания С1~,испарение с поверхности почвы в течение 15-20 суток. Обработка результатов такого эксперимента состоит (1) в проверке баланса. влаги и ионов, (2) определении ОГХ по синхронным данным о давлении и влажности почвы и оценке возможности ее изменения от полива к поливу, . (3) адаптации модели влагопереноса (д. применением,» частности,качественных. критериев Р.М.Саерта), (4) определении гидрохимических параметров по палевой послойной динамике С1~, (5) адаптации модели солепереноса. Аналогичную адаптацию модели вла-го-, солепереноса для долгосрочных прогнозов необходимо проводить на независимом от полевого модельного эксперимента материала по режиму влажности и ионов.

- По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Экспериментальное обеспечение математических моделей влагопереноса.// Тезисы докладов третьей научной конференции "Применение математических методов и ЭВМ в почвоведении, агрохимии и земледелии''. Барнаул.1992,с.25./с соавторами/.

2.Проблемы адаптации моделей влагопереноса.//Тезисы докладов конференции стран содружества. "Физика почвы'и проблемы экологии". Пущино, 1992.С.118./с соавторами/. .

3.Полевые ^лабораторные методы исследования параметров переноса воды и веществ в почвах.//Тезисы докладов конференции стран содружества: "Физика почвы и проблемы экологии". Пущи-но,1992,0.121./с соавторами/.

4. Экспериментальное обеспечение моделей массопереноса в почвах.//Тезисы докладов научной конференции молодых ученых МГУ. Красновидово,1993,с. /с соавторами/.

5.Особенности экспериментального определения гидрофизических и гидрохимических параметров математических моделей влаго- и солепереноса в почвах.// "Почвоведение" (в печати) ( с соавторами).

МП «Петит» За*.¡.НЬ'Юз

Информация о работе

Чехова, Татьяна Ивановна
кандидата биологических наук
Москва, 1994
ВАК 06.01.03

Автореферат

Похожие работы