Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Физико-структурные характеристики почвы и их влияние на энерго-массообмен между почвой и нижней атмосферой

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Физико-структурные характеристики почвы и их влияние на энерго-массообмен между почвой и нижней атмосферой"

На правах рукописи

Храмченкова Резида Хавиловна

Физико-структурные характеристики почвы и их влияние на энерго-массообмен между почвой и нижней атмосферой

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Казань - 2006

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте математики и механики им. Н. Г. Чеботарева Казанского государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Чекалин Анатолий Николаевич Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Фахрутдинова Антонина Николаевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент Овчинников Марат Николаевич доктор физико-математических наук, профессор Якимов Николай Дмитриевич

Ведущая организация - Институт экологического почвоведения МГУ им М. В. Ломоносова

Защита состоится « 29 » июня 2006 г. в 14.30 часов в ауд. 210 физического факультета на заседании диссертационного совета Д212.081.18в Казанском государственном университете по адресу: 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного университета

Автореферат разослан 25 мая 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук,

профессор ' ' А. В. Карпов

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Почва является зоной контакта трех важнейших сфер Земли — атмосферы, гидросферы и литосферы, что предопределяет специфику почвы как физической системы. Одним из главных компонентов этой системы является почвенная влага. Ее накопление и динамика определяются как взаимодействием с атмосферой, так и с подземными и поверхностными водами. Это позволяет рассматривать почвенную влагу как особую составляющую гидросферы Земли, причем ее свойства и движение обусловлены действием специфических сил, главным образом со стороны поверхности почвенных частиц. Специфика почвенной влаги проявляется и в том, что ее движение происходит в двух формах — форме пара и в конденсированном состоянии. Эти проблемы являются объектом исследования многих научных дисциплин, поэтому в последнее время все более остро встает вопрос о выработке единого описания накопленных знаний. Таким описанием может служить представление накопленных знаний в виде математических закономерностей.

Разработка математических моделей протекающих процессов позволяет с единых теоретико-экспериментальных позиций рассматривать вклад того или иного явления в процесс в целом. Кроме того, математическая модель позволяет выработать количественные рекомендации по предотвращению негативных воздействий на систему или усилению позитивных воздействий, что дает возможность подойти к выработке рациональных инженерных решений. При решении задач корректного математического описания гидроаэрофизических процессов в почвах необходимо учитывать как накопленные экспериментальные и теоретические результаты по изучаемым процессам, так и разрабатывать новые экспериментальные и теоретические подходы к дополнению и объединению таких результатов, причем с единых методологических позиций. Особую важность здесь имеет экологический аспект решаемых задач. Дело в том, что почва, как известно, является одной из важнейших составляющих биосферы. В связи с этим изучение влияния различных загрязнений на процессы, протекающие в почвах, особенности деградации почв, переноса загрязнений в почвах являются актуальными с точки зрения их влияния на все более усиливающееся загрязнение атмосферы, гидросферы и биосферы.

Интенсификация загрязнения окружающей среды в последнее время затронула в значительной мере и почвенный покров. Выбросы вредных веществ, разливы отходов химических производств, нефти и нефтепродуктов приводят к интенсивному загрязнению почвы и, как следствие, к необходимости прогноза по изменению свойств загрязненной почвы и влияния таких процессов на влаго-и теплообмен почвы и атмосферы.

Все вышесказанное позволяет сформулировать цель работы: изучение физико-структурных характеристик почвы и их влияния на энерго-массообмеи между почвой и нижней атмосферой.

Из всего множества взаимосвязанных задач физики почв и гидрофизики атмосферы выбраны для исследования пять. Во-первых, это разработка моделей набухания почвенных частиц в зависимости от различных физических факторов (влажность, механическая нагрузка, физико-химические свойства почвы и др.). Во-вторых, массоперенос в ненасыщенных набухающих пористых средах, к каковым относятся почвы. В третьих, задачи, связанные с электрохимическими характеристиками почв. В четвертых, задачи, связанные с процессами взаимодействия органической и неорганической частей почвенной матрицы и формирования водопрочной структуры почвы. И, в пятых, задачи о влаго- и теплообмене между почвой и турбулентной атмосферой.

Первый класс задач традиционно связан с проблемами термодинамики почвенной влаги в набухающих почвах. Свойства почвенной матрицы при этом суммируются в нескольких эффективных параметрах, таких, например, как емкость катионного обмена, которые затем входят в уравнения равновесия для набухающих систем. В итоге показано, что загрязнение почв ведет к снижению одной из важнейших характеристик почвы - се водоудерживающей способности.

Второй класс задач связан с необходимостью разработки подходов к описанию процессов массопереноса в набухающих пористых средах, к которым относятся и почвы, а также влияния механического и химического воздействия на состояние и свойства почв.

Третий класс задач связан с проблемой влияния различных факторов, включая загрязнение почвы, на измените важнейших характеристик почвы. Анализируются различные механизмы переноса в почвах растворов, в том числе и содержащих загрязняющие вещества, активно влияющие на динамику процес-

сов набухания и усадки в почвах, а, следовательно, и на весь комплекс физико-структурных характеристик почвы.

Четвертый класс задач связан с изучением процессов взаимодействия органической и неорганической части почвенной матрицы, в том числе процессов формирования водопрочных почвенных агрегатов, процессов растворения почвенного гумуса, влияния на эти процессы загрязнения почв, а также анализа факторов стабилизации почвенного гумуса.

Пятый класс задач связан с особенностями теплообмена и влагообмена между почвой и турбулентной атмосферой. В этих процессах существенную роль играют именно физико-структурные характеристики почвы, исследованию которых посвящены первые четыре главы настоящей работы. Основные задачи исследования:

1. На основе методов термодинамики набухающих систем разработать модели массообмена в набухающих почвах и исследовать в рамках этих моделей влияние различных факторов на физико-структурные характеристики почвы.

2. На основе объединения методов теории массопереноса в пористых средах и методов термодинамики набухающих систем разработать модель физико-механических и физико-химических свойств почвы, позволяющую с единых позиций подойти к анализу широкого комплекса вопросов о влиянии загрязнения на важнейшие характеристики почв (реология почв, перенос и диффузия в почвах, электрохимические и буферно-емкостные свойства почв).

3. На базе методов теории массопереноса в набухающих средах разработать модель изменения важнейших транспортных характеристик почвы, связанных с протеканием процессов переноса загрязнений в почвах.

4. На базе проведенных экспериментальных исследований и теоретического анализа процесса агрегагообразования в почвах подойти к анализу основных свойств почвенных агрегатов, в том числе к свойству водопрочности, при взаимодействии неорганической и органической составляющих почвенной матрицы.

5. На основе полученных результатов разработать модели, учитывающие влияние физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и турбулентной атмосферы, а также последствия изменения этих параметров.

На защиту выносятся

1. уравнения физико-химической механики почвы и оценка влияния негативного механического воздействия на почву;

2. модель буферных свойств почвы;

3. модель электрохимических свойств почв;

4. модель формирования водопрочной агрегатной структуры почвы;

5. модель для оценки влияния физико-структурных характеристик почвы на процесс энерго-массообмена почвы и нижней атмосферы.

Научная новизна работы

Среди новых результатов, полученных автором диссертации, наиболее значительными представляются следующие:

• построение на основе теории массопереноса в почвах и термодинамики почв модели набухания и массообмена в почвах, позволяющих оценить влияние различных факторов на водоудерживающую способность почв;

• построение модели физико-механических и физико-химических свойств набухающих пористых сред и ее приложения к почвам и процессам энерго-массообмена с атмосферой;

• построение на базе разработанной модели массообмена в почвах решения ряда задач массопереноса в почвах;

• разработка модели электрохимических свойств почв и ее связи с физико-структурными характеристиками почвы;

• разработка модели, позволяющей проследить процесс взаимодействия минеральной и органической составляющей почвенной матрицы (биокосные процессы) и его влияния на формирование структуры почвы (процесс агрегатообразования);

• разработка модели энерго-массообмена почвы и турбулентной атмосферы и влияния на этот процесс основных физико-структурных характеристик почвы. Научно-практическое значение работы

Работа носит теоретический и прикладной характер. Предложенные модели набухания почвенной матрицы и массопереноса химических примесей в пористых средах позволяют оценить влияние механического и химического воздействия на водоудерживающую способность почвы, что может быть использовано при проектировании хранилищ для химических и радиоактивных отходов, а также решении инженерных задач по обработке почвенного покрова. В результате изучения процесса взаимодействия неорганической и органической со-

сгавляющей почвенной матрицы была предложена модель формирования водопрочной структуры почвы, позволяющая теоретически рассчитать эффективный радиус водопрочных агрегатов. Полученные в итоге математические зависимости позволяют прогнозировать влияния физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и турбулентной атмосферы и, как следствие, на формирование климата Земли.

Достоверность научных результатов обеспечивается применением при разработке физико-математических моделей общих законов и уравнений термодинамики и механики сплошных сред. Проведенный сравнительный анализ решений полученных уравнений показывает хорошее соответствие этих результатов в частных случаях с экспериментальными данными.

Личный вклад диссертанта заключается в разработке модели формирования водопрочной структуры почвы, модели влияния физико-структурных характеристик почвы на теплофизические характеристики почвы и, тем самым, на энерго- массообмен почвы и нижней атмосферы, а также в проведении расчетов теоретических зависимостей, обработке результатов и сравнение их с собственными и литературными экспериментальными данными. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:

• «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2003 г.;

• «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации», Москва, 2003 г.;

• «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2004 г.;

• Euro-Conference on Rock Physics and Rock Mechanics, Potsdam, 2004. Структура и содержание работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, содержит 120 страниц сквозной нумерации, в том числе 4 таблицы и 31 рисунок; список литературы насчитывает 102 наименований, в том числе публикации автора по теме диссертации - 11 наименований.

Во введении обсуждается актуальность темы, формулируются цель и положения, выносимые на защиту. Приводится обзор работ, имеющих отношение к результатам автора. Дается анализ структуры и содержания диссертации. Необходимо отметить, что по вопросам, о которых идет речь в диссертации, име-

ется обширная литература. В наши задачи не входило подробное изложение основных представлений по термодинамике и физике почв или свойствам почвенной влаги. Тем не менее, необходимо отметить, что все новые результаты этой и остальных глав базируются на известных концепциях. Так, основные результаты по теории осмотической набухающей ячейки опираются на работы Р. И. Злочев-ской и В. А. Королева. Огромное влияние также оказали работы J1. И. Кульчицкого, Г. Спозито и С. Иваты. В них изложены основные результаты по термодинамике и физической химии почвенной влаги, на которых построены все результаты первой главы книги. Из работ по теории массопереноса в почвах хотелось бы выделить прежде всего известные монографии Т. Маршалла и Дж. Холмса, а также Д. Митчелла. Кроме того, в этих работах содержится обширный экспериментальный материал по основным свойствам почв, сведения по вещественному составу почвы, основные концепции сложных взаимосвязанных явлений при переносе веществ в почвах (coupled processes), и ряд других. Важными являются пионерские экспериментальные исследования Д. Леггти и А. Юяот-те, а также работа К. Норриша по внуртикристаллическому набуханию. В диссертации используются модели многофазного массопереноса, изложенные в книгах и статьях Г. И. Баренблатта, В. М. Ентова, Я. Бэра, кинетики химических реакций в ходе процессов массопереноса (прежде всего работа Д. А. Франк-Каменецкого), теории массопереноса в тонких пленках (работы Б. В. Дерягина и Н. В. Чураева, обобщенные в их совместной монографии). Важную роль играют классические монофафии по физике атмосферы, прежде всего А. X. Хргиана, а также А. Р. Константинова, в которых рассматриваются вопросы тепло- и влаго-обмена почвы и атмосферы.

Первая глява посвящена вопросам, связанным с термодинамическими и физико-механическими характеристиками почвы и, в частности, почвенной влаги. Основное внимание уделялось нами необходимому уточнению классических результатов по осмотическому равновесию в почвах как ионообменных системах. Были использованы результаты для моделирования физико-механических свойств почв на основе расширенного принципа доннановского равновесия (в смысле его обобщения для ионообменных набухающих систем). Показано, что загрязнение почвы снижает водоудерживающую способность почв.

Первый раздел главы посвящен описанию почв как ионообменных систем, чья способность к набуханию обусловлена наличием электрического заряда

б

у системы, который компенсируется за счет адсорбции катионов из раствора. Поскольку условия равновесия в таких системах (доннановское равновесие) должны дополняться условиями электрической нейтральности системы в целом, то мы приходим к новым уравнениям, позволяющим описывать процесс набухания при известных значениях некоторых параметров. Эти системы были нами названы осмотическими ячейками (рис. 1).

чютяы почвы

_

&

поревыи

<й> (*>

в <А>

<5=

© ^ е ^

с~>

раствор

© <®>

®

ЧКЛши

свободный

с*)

<Й>' <$> раствор

да

®

<Н> ®

Рис. 1. Схема осмотической ячейки, образованной почвенными частицами

Второй раздел главы посвящен решению уравнений равновесия в осмотических ячейках. В частности, было получено решение для уравнения набухания, связывающего давления в растворе и среде и концентраций ионов в растворе и ионообменной системе. Это уравнение позволяет интерпретировать полученные результаты с точки зрения физико-химической механики пористых сред и, таким образом, связать основные параметры физико-химического характера с параметрами, имеющими гидрофизический и теплофизический смысл, В этом смысле полученные результаты перекидывают «смысловой мостик» между термодинамикой почв и механикой почв, которой посвящсн второй раздел книги.

Вторая глава содержит основные уравнения механики пористых сред в условиях неполного насыщения влагой, учитывающие эффект от перехода воды из транспортных пор в состав почвенных частиц или обратно (набухание/усадка). Основные уравнения получены на основе обобщения подходов классической фильтрационной консолидации и теории фильтрации в ненасыщенных пористых средах.

Первый раздел посвящен выводу уравнения баланса массы в почвах. Основной результат получен как обобщение результатов для набухающих систем в условиях полного насыщения на системы, находящиеся в условиях неполного насыщения водой.

-а[/и(1-я)]/а/ + [1-/и(1-^)]Э0/Зг + с1|У9 = 0. (1)

Здесь 0 - общая усадка почвы, т - пористость, 5 - водонасыщенность, ц - скорость фильтрации. Результирующее уравнение имеет ясный физический смысл, допускает сведение к известным частным случаям и в этом смысле корректно.

Второй раздел главы посвящен уравнению баланса импульса в локально-равновесной форме (уравнения механического равновесия) для почв. Уравнение позволяет использовать результаты первой главы, связывающие основные параметры набухающих систем с приложенной к ним механической на!рузкой. Таким образом, удается не только корректно ввести эффективные напряжения для набухающей системы в условиях неполного влагонасыщения, но и установить взаимосвязь этой величины с осмотическим давлением в набухающей системе. Из условия механического равновесия и решения уравнения (1) получена зависимость плотности почвы от нагрузки, вид которой приводится на рис. 2.

Третий раздел главы посвящен фильтрации в почвах. Содержание раздела достаточно традиционно и посвящено обзору основных закономерностей ненасыщенной фильтрации (см. результаты П.Я.Кочиной, Ричардса, Филиппа и др.).

Четвертый раздел главы посвящен собственно процессу набухания/усадки почв и грунтов. В основу положено уравнение кинетики набухания/усадки, основанное на пропорциональности силы, вызвавшей поток жидкости при набухании, самому потоку. Такой подход является в этом смысле традиционным при моделировании неравновесных процессов, к коим относится и изучаемый нами процесс набухания/усадки почв. Здесь получено простейшее решение задачи набухания слоя грунта под постоянной нагрузкой для стационарного фильтрационного потока.

О, кГс

> V

Рис. 2. Зависимость плотности почв от удельного давления. Прямая линия - результат расчетных данных. Точками обозначены данные для ширины шин трактора: 150 - 600 мм - ■ 15 - 30 мм - • 12-38 мм - ♦ 10-42 мм - А Проведено сравнение результатов расчетов по изменению усадки и пористости среды с результатами эксперимента и доказано хорошее согласие расчетных и опытных данных. Кроме того, предложена модель по выявлению связи между динамикой процесса набухания/усадки и агрегатным составом почвы. Установлено, что максимально быстрому впитыванию влаги слоем почвы или максимально быстрой сушке соответствует структурирование почвы в агрегаты строго определенного размера. Это позволяет подойти к решению проблемы о распаде первоначально гомогенной почвенной массы в процессе сушки на агрегаты размера, определенного для каждого типа почв, а также проследить влияние механического воздействия на почву, снижающего одну из важнейших характеристик почвенного покрова - величину водоудерживающей способности.

Третья глава посвящена вопросам моделирования процесса массоперено-са в почве и буферной функции почвы при загрязнении гидросферы.

В первом разделе главы рассмотрена задаче о конвективном массоперено-се пассивной в химическом отношении примеси фильтрационным потоком. Получено решение задачи о хранилище загрязнений, получены соотношения для коэффициентов распределения примеси в почве.

Во втором разделе главы рассмотрен процесс диффузии в почве. Так же, как для процесса диффузии электролитов в глинах, установлены нелинейные

уравнения для диффузии в почве. Получены выражения для эффективного коэффициента диффузии в почве. Соотношение

Рис.3. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации

загрязнения: I — набухающая почва, 2 — ненабухающая лочва; штриховые линии — экспериментальные данные

можно рассматривать как эффективный коэффициент диффузии раствора в почве в зависимости от концентрации примеси (загрязнителя) в растворе С. Соответствующее выражение для случая ненабухающей почвы имеет вид

(3)

г «I -----=

Вид кривых зависимости коэффициента диффузии примеси в растворе от концентрации примеси находится в хорошем согласии с данными экспериментов (рис. 3).

В третьем разделе главы рассматриваются закономерности изменения основных электрохимических параметров почвы в зависимости от концентрации пассивной химической примеси в почве. Построена теоретическая модель электрохимических свойств набухающих и ненабухающих почв на базе представлении об осмотической ячейке. Далее, проведено сравнение расчетных данных с соответствующими данными двух экспериментальных работ (известные работы Д. Летти и А. Клютге) по этому вопросу.

Четвертая глава работы посвящена изучению и моделированию физико-структурных характеристик почвы как границы между атмосферой и гидросферой.

Первый раздел главы посвящен собственно вопросу об агрегировании почвенной массы. На основании экспериментальных результатов, приведенных в работе группы авторов (Кринари и др., 2003) разработаны основные предпосылки для построения математической модели процесса агрегатообразования в почвах.

Во втором разделе проведена реализация модели наиболее простого сценария процесса агрегатообразования. Полученные данные качественно согласуются с основными характеристиками такого процесса, выявленными экспериментально. Исследован процесс массопереноса в биокосных системах и его приложения к процессу почвообразования.

Третий раздел главы посвящен анализу факторов, стабилизирующих органическое вещество почв. Постановка следует из анализа результатов предыдущей главы. Показано, что при определенных (очевидных) предположениях о характере протекания процессов взаимодействия органического вещества почвы с минеральной матрицей процесс почвообразования характеризуете» параметрами, отвечающими механическому равновесию (устойчивости) образующей органно-минеральной структуры.

Пятая глава посвящена вопросам о влиянии физико-структурных характеристик почвы на процессы теплообмена и влагообмена почвы и нижней (турбулентной) атмосферы.

В первом разделе главы построены основные соотношения для связи физико-структурных характеристик почвы с основными теплофизичсскнми параметрами почвы. Соответствующее выражение для основного параметра - теплоемкости почвы - имеет вид

Су — Ссш^

т.,

- + 1-

1+5 + 5'1 ГоА

+ С«у- (4)

' о

Здесь Су^— теплоемкость воды; .у - водонасыщенность почвы; СУг — теплоемкость твердого почвенного материала; V,, У0 - объемы твердого материала и элемента всей среды соответственно, а также введено обозначение для эффективной пористости

т 0,5 ЯТе ЪРоК

Во втором разделе главы исследуется влияние основных физико-структурных характеристик почвы на суточный и годовой ход температуры поверхности почвы и радиационный обмен почвы и атмосферы. Получено выражение для основного управляющего суточным и годовым ходом температуры поверхности почвы параметра процесса - коэффициента теплоусвоения М

М = М0

7<5А <»(■$) +

Здесь используется обозначение

(6)

Ф) = :- 2 - (7)

1+.У+.Г 4 '

Анализ полученного уравнения показал, что чем больше в составе почвы находится обеспечивающей набухание компоненты (глинистые минералы, почвенная органика), тем меньше амплитуда суточных и годовых колебаний температуры поверхности почвы.

В третьем разделе тлавы исследуется влияние физико-структурных характеристик почвы на процесс испарения почвенной влаги, приводится оценка для потоков испаряющееся влаги по капиллярам и по тонким порам почвенной матрицы (осмотическое перемещение влаги):

= (8) Установлено, что полученные нами уравнения для основных физико-структурных характеристик почвы дают правильную оценку процесса испарения почвенной влаги по порам и вследствие пленочного течения почвенной влаги.

В четвертом разделе главы исследуется влияние физико-структурных характеристик почвы на теплообмен и влагообмен почвы и турбулентной атмосферы, дается анализ глобальных последствий вследствие изменений физико-структурных характеристик почвы, вызванных техногенными причинами.

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в диссертационной работе:

1. выведены уравнения физико-химической механики почвы, из анализа которых получены зависимости плотности набухающей почвы от приложенной нагрузки и влажности, определяющие энерго-массообмен почвы и атмосферы, а также выражение для характерного размера почвенного агрегата;

2. получены аналитические выражения для коэффициента распределения примеси в почвенной влаге и для зависимости коэффициентов диффузии и электрохимических параметров почвы от концентрации раствора;

3. выведены уравнения, описывающие формирование почвенного профиля и водопрочной агрегатной структуры;

4. установлены связи теплофизических параметров почвы с основными физико-структурными характеристиками почвы, прежде всего с влажностью и со способностью почвы к набуханию;

5. получена зависимость коэффициента теплоусвоения от основных физико-структурных характеристик почвы, и их влияние на суточный и годовой ход температуры почвы, а также на энерго-массообмен между почвой и турбулентной атмосферой в целом.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Храмченков М.Г. Физико-химия и механика процессов набухания в почвах I М.Г. Храмченков, Р.Х. Храмченкова // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации: сб. ст. - М.: Изд-во МГУ, 2003. - С. 260-262.

2. Кринари Г.А. Динамика и структурные пределы формирования надмолекулярных органно-минеральных комплексов. / Г.А. Кринари, М.Г. Храмченков, Р.Х. Храмченкова, A.A. Шинкарев, К.Г. Гиниятуллин // Структура и динамика молекулярных систем: сб. ст. - Казань: Изд-во КГУ, 2003. - Часть 3. - С. 110-116.

3. Кринари Г.А. Минералогические и реологические подходы к агрегации почв. / Г.А. Кринари, М.Г. Храмченков, Р.Х. Храмченкова, A.A. Шинкарев, К.Г. Гиниятуллин II Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации: сб. ст. - М.: Изд-во МГУ, 2003. - С. 19-24.

4. Храмченков М.Г. Математическая модель усадки набухающего почвенного слоя / М.Г. Храмченков, Р.Х. Храмченкова, А.Н. Чекалин // Вопросы атомной науки и техники, сер. Математическое моделирование физических процессов. -2004.-№3.-С. 72-5.

5. Лыгина Т.З. Физико-химические аспекты формирования и роль глино-металло-органического комплекса в процессе почвенного агрегатообразования / Т.З. Лыгина, Т.А. Романова, Р.Х. Храмченкова, М.Г. Храмченков // Структура и

динамика молекулярных систем: сб. ст. - Казань: Изд-во КГУ, 2004. - Часть 1. - С. 372-377.

6. Khramchenkov M.G. Swelling's model: non-elasticity and scaling / M.G. Khramchenkov , R.Kh. Khramchenkova // EURO Conference on Rock Physics and Geomechanics, September 20-23,2004.: Abs. - Potsdam, 2004. - p.72- 74.

7. Храмченков М.Г. Введение в физико-химическую механику почв / М.Г. Храмченков, Р.Х. Храмченкова - Казань: Изд-во Казан, мат. об-ва, 2005. - 100 с.

8. Лыгина Т.З. Электрохимические свойства почв и грунтов / Т.З. Лыгина, Р.Х. Храмченкова, М.Г. Храмченков // Разведка и охрана недр. - 2005. - №8,- С. 50-54.

9. Храмченкова Р.Х. Влияние физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и нижней атмосферы / Р.Х. Храмченкова, М.Г. Храмченков, А.Н. Фахрутдинова. - Препринт ПМФ - Казань: Изд-во Казан, мат-го об-ва, 2006. - 01. -25с.

10. Храмченков М.Г. Теоретические основы гидрофизики набухающих почв / М.Г. Храмченков, Р.Х. Храмченкова //Георесурсы. -2006. -№1 (18),-С. 17-20.

11. Храмченкова Р.Х. Гидрофизические свойства и атмосферная функция почв / Р.Х. Храмченкова, М.Г. Храмченков, А.Н. Фахрутдинова, А.Н. Чекалин // Вопросы атомной науки и техники, сер. Математическое моделирование физических процессов. - 2006, - вып.2, с.58-64.

Лицензия на полиграфическую деятельность №0128 от 08.06.98r. выдана Министерством информации и печати Республики Татарстан Подписано в печать 22.05.2006 г. Форм. Бум. 60x84 1/16. Печ. Л.1. Тираж 100. Заказ 151.

Минитипография института проблем информатики АН РТ 420012, Казань, ул. Чехова, 36

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Храмченкова, Резида Хавиловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Термодинамика почвенной влаги. Набухание почвенных частиц

Раздел 1.1. Ограничение на массообмен в системе почвенная частица - раствор». Осмотическая 22 ячейка

Раздел 1.2. Связывание почвенной влаги осмотическими ячейками

ГЛАВА 2. Влияние почвы на гидросферу. Модели и задачи гидрофизики почв

Раздел 2.1. Уравнения физико-химической механики почвы и почвенной влаги как компоненты гидросферы Раздел 2.2. Оценка техногенного механического воздействия на почву и почвенную влагу

Раздел 2.3. Усадка/набухание почвы. Влияние различных факторов на способность почвы к набуханию.

ГЛАВА 3. Процессы массопереноса в почве. Буферная функция почвы при загрязнении гидросферы

Раздел 3.1. Конвективный массоперенос в почвах. Задача о хранилище загрязнений

Раздел 3.2. Диффузионный массоперенос в почвах.

Влияние загрязнения на диффузию в почве

Раздел 3.3. Электрохимия почв. Влияние загрязнения на электрохимические свойства почвы

ГЛАВА 4. Изучение и моделирование физико-структурных характеристик почвы как границы между атмосферой и гидросферой

Раздел 4.1. Динамика формирования надмолекулярных органо-минеральных комплексов

Раздел 4.2. Изучение и моделирование переноса вещества в биокосных системах

Раздел 4.3. Формирование водопрочной агрегатной структуры почвы как регулятора влагообмена между почвой и атмосферой

ГЛАВА 5. Влияние физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и нижней атмосферы

Раздел 5.1. Физико-структурные характеристики и некоторые теплофизические параметры почв.

Раздел 5.2. Влияние физико-структурных характеристик почвы на суточный и годовой ход температуры почвы

Раздел 5.3. Влияние физико-структурных характеристик почв на испарение почвенной влаги

Раздел 5.4. Влияние физико-структурных характеристик почв на влаго- и теплообмен между почвой и турбулентной атмосферой

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Физико-структурные характеристики почвы и их влияние на энерго-массообмен между почвой и нижней атмосферой"

В последнее время усилился интерес к изучению почвы как одной из важнейших составляющих экосистемы Земли. Почва оказывает влияние на все оболочки Земли - атмосферу, гидросферу и литосферу. Так, в частности, почва участвует в формировании и поверхностного и подземного стока и водного баланса, является одним из важнейших факторов биопродуктивности водоемов, участвует в формировании и эволюции газового состава атмосферы. Велико влияние почвы на энерго-массообмен с атмосферой, включая сюда и влагооборот атмосферы. С геологической точки зрения, почва - это верхняя часть коры выветривания горных пород, в которой горные породы подвергаются наиболее энергичному воздействию как неорганических компонентов выветривания, так и компонентов, мобилизуемых биотой. Почва является средой, на которой протекает хозяйственная деятельность человека. С этим связана одна из наиболее актуальных экологических проблем в настоящее время - воздействие агрессивных компонентов и отходов промышленного производства, а также масштабной деятельности человека в области сельского хозяйства и добывающей промышленности на почвенный покров. Использование тяжелой техники, химических препаратов наносит непоправимый ущерб в виде разрушения почвы как таковой.

По мере накопления разнообразных экспериментальных результатов по свойствам почв и их теоретического обобщения становилось ясно, что общим для многообразных функций почвы является их неразрывная взаимосвязь. Достаточно подробно об этом идет речь, например, в монографии (Добороволъский и др., 1990). Для исследования функций почв применяется весь инструментарий, который развили физическая химия, минералогия, физика и ряд других наук. В последнее время с большой интенсивностью развивается еще одно направление - моделирование функций почвы и процессов в ней. В результате свойства почвы выступают в виде ряда взаимосвязанных математических зависимостей.

Разработка математических моделей протекающих в почве процессов позволяет с единых теоретико-экспериментальных позиций физики почв рассматривать вклад того или иного явления в процесс в целом. Кроме того, математические модели позволяют выработать количественные рекомендации по предотвращению негативных воздействий на почву или усилению позитивного влияния, что дает возможность подойти к выработке рациональных инженерных решений и управляемого позитивного воздействия на почвенный покров (инженерный аспект). При решении задач корректного математического описания физико-химических процессов в почве и связанных с ней важнейших сферах Земли (гидросфера, атмосфера и литосфера) необходимо учитывать как накопленные экспериментальные и теоретические результаты по изучаемым процессам, так и разрабатывать новые подходы к дополнению и объединению таких результатов, причем с единых методологических позиций.

Особую важность здесь имеет экологический аспект решаемых задач с точки зрения поведения почвы в качестве разделительной границы между литосферой и атмосферой. Дело в том, что почва, как известно, является одной из важнейших составляющих биосферы. В связи с этим изучение влияния различных загрязнений на процессы, протекающие в почвах, особенности миграции загрязнений в почвах и подземных водах являются актуальными с точки зрения их влияния на все более усиливающееся загрязнение гидросферы и атмосферы.

В представленной к защите работе речь пойдет о некоторых базовых элементах математического моделирования физико-структурных характеристик почвы и их влияния на энерго-массообмен с нижней атмосферой как средой, наиболее активно участвующей в таком обмене. Необходимо отметить, что в огромном числе работ по математическому описанию свойств почвы реальным объектом является не почва как таковая, а ее модель - в простейшем (и наиболее популярном) случае модель недеформируемой и ненабухающей пористой среды в условиях неполного насыщения влагой. Важнейшим процессом в такой модели является движение почвенной влаги под действием капиллярных и гравитационных сил - ненасыщенная фильтрация. С момента появления уравнений для описания процесса ненасыщенной фильтрации столь простой, на первый взгляд, объект является предметом пристального научного интереса в течение достаточно длительного промежутка времени. Собственно почва представлена в таком объекте лишь присутствием капилляров сложной формы.

Почвы принадлежат к пористым средам с внутренней структурой, обусловленной прежде всего особенностями процесса почвообразования. Для процесса почвообразования характерно то, что он протекает на контакте атмосферы, гидросферы и литосферы, оказывая обратное влияние на каждую из этих оболочек Земли. Почвообразовательный процесс имеет как бы два «измерения». Первое обусловлено транспортом органических веществ, воды и растворенных в ней компонентов сверху вниз вместе с атмосферными осадками. Этот процесс, сопровождающийся трансформацией минералов почвообразующей породы, приводит к формированию свойственного только почвам феномена - почвенного профиля. Второе «измерение» имеет внутреннее направление. В каждом слое почвенного профиля (горизонте), однородном по своим характеристикам, идет еще один процесс -взаимодействие органических и минеральных компонентов друг с другом. Этот процесс приводит к формированию характерных почвенных структур -водопрочных агрегатов. Агрегированные почвенные частицы формируют более крупные образования, предопределяя тем самым сложное протекание процесса переноса в таких системах.

Наличие внутренней структуры почвенных частиц обуславливает дифференцированное протекание процессов массопереноса в почве (внутренний и внешний массообмен). Модели массопереноса для простейших типов таких систем (бипористые системы) достаточно хорошо изучены (Баренблатт и др., 1984; Волков, 1989; Ромм, 1985). Тем не менее, остается открытым вопрос в случае, когда почвенные частицы предоставляют не просто дополнительную пористость, а дают нелинейный вклад в общее удержание влаги или примеси пористой средой. Столь же существенным оказывается влияние последнего фактора и на диффузионный перенос в почве (Letey et ah, 1960; Храмченков, 2003).

Таким образом, расширение «классического объекта» физики почв, , предпринятое в настоящей работе, состоит в следующем. Объектом исследования будет деформируемая набухающая пористая среда, обладающая свойством нелинейного удержания влаги и примеси в своем составе. Кроме того, будет представлена модель, позволяющая объяснить образование частиц такой среды из более элементарных составляющих как органической, так и неорганической природы. В качестве основного метода исследования будет выбрано математическое моделирование, потому что именно недостаток адекватных физико-математических моделей процессов массопереноса в почвах служит причиной некоторой методологической сумбурности в современной физике почв.

Обычно «львиную долю» объема «стандартной работы» по физике почв составляет обсуждение вида и свойств уравнений влагопереноса (ненасыщенной фильтрации) в почве. По этому вопросу имеется обширная литература, но можно выделить лишь работы, ставшие классическими (Полубаринова-Кочина, 1977; Филипп, 1972). Не будем подробно затрагивать здесь эти вопросы, поскольку уравнения ненасыщенного влагопереноса с учетом дополнительных факторов для сложной среды, заявленной здесь как объект наших исследований, представляют собой более сложные нелинейные уравнения по сравнению с классическими. Получение их решений и обсуждение свойств этих решений, а также идентификация входящих в них параметров должны составлять тему отдельного исследования. В нашей работе будут предъявлены лишь простейшие решения этих уравнений, играющие, тем не менее, важную роль для демонстрации физических особенностей протекающих в почве процессов, а также для комплексного анализа последствий загрязнения или разрушения структуры почв.

Из всего выше сказанного следует актуальность темы диссертации -теоретическое и экспериментальное изучение процессов тепломассопереноса в почве и ее взаимодействия с контактирующими с ней подземной гидросферой и нижней атмосферой. Это изучение будет проводиться с точки зрения влияния на процессы почвенного тепломассопереноса основных физико-структурных характеристик почвы и выяснения механизма такого влияния. Такой подход актуален как с точки зрения взаимодействия почвы с поступающей в почву влагой, т. е. с гидросферой, так и с точки зрения влияния процессов тепло- влагообмена почвы и нижней атмосферы, активно влияющих на формирование климата, а, следовательно, приобретающих глобальное значение.

Цель работы: изучение физико-структурных характеристик почвы и их влияния на энерго-массообмен между почвой и нижней атмосферой. Поставленную в работе цель предполагается достичь, решив следующие основные задачи исследования:

1. На основе методов термодинамики набухающих систем разработать модели массообмена в набухающих почвах и исследовать в рамках этих моделей влияние различных факторов на физико-структурные характеристик почв.

2. На основе объединения методов теории массопереноса в пористых средах и методов термодинамики набухающих систем разработать модель физико-механических и физико-химических свойств почвы, позволяющую с единых позиций подойти к анализу широкого комплекса вопросов о влиянии загрязнения на важнейшие характеристики почв (реология почв, перенос и диффузия в почвах, электрохимические и буферно-емкостные свойства почв).

3. На базе методов теории массопереноса в набухающих средах разработать модель изменения важнейших транспортных характеристик почвы, связанных с протеканием процессов переноса загрязнений в почвах.

4. На базе проведенных экспериментальных исследований и теоретического анализа процесса агрегатообразования в почвах при взаимодействии неорганической и органической составляющих почвенной матрицы проанализировать основные свойства почвенных агрегатов, в том числе свойство водопрочности.

5. На основе полученных результатов разработать модели, учитывающие влияние физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и турбулентной атмосферы, а также изучение последствий изменения этих параметров.

Выбранные для решения основных задач работы методы исследования заключаются в построении математических моделей для описания основных физико-структурных характеристик почвы и их влияния на энерго-массообмен почвы и нижней атмосферы, дополненных при необходимости экспериментальными исследованиями выше названных процессов. Достоверность научных результатов обеспечивается применением при разработке физико-математических моделей общих законов и уравнений термодинамики и механики сплошных сред. Проведенный сравнительный анализ решений полученных уравнений показывает хорошее соответствие этих результатов в частных случаях с экспериментальными данными. л

На защиту выносятся:

1. уравнения физико-химической механики почвы и оценка влияния негативного механического воздействия на почву;

2. модель буферных свойств почвы;

3. модель электрохимических свойств почв;

4. модель формирования водопрочной агрегатной структуры почвы;

5. модель для оценки влияния физико-структурных характеристик почвы на процесс энерго-массообмена почвы и нижней атмосферы.

Научная новизна работы. Результаты диссертации являются новыми.

Среди новых результатов, полученных автором диссертации, наиболее значительными представляются следующие:

• построение на основе теории массопереноса в почвах и термодинамики почв модели набухания и массообмена в почвах, позволяющих оценить влияние различных факторов на водоудерживающую способность почв;

• построение модели физико-механических и физико-химических свойств набухающих пористых сред и ее приложения к почвам и процессам энерго-массообмена с атмосферой;

• разработка модели массообмена в почвах;

• разработка модели электрохимических свойств почв и ее связи с физико-структурными характеристиками почвы;

• разработка модели, позволяющей проследить процесс взаимодействия минеральной и органической составляющей почвенной матрицы (биокосные процессы) и его влияния на формирование структуры почвы (процесс агрегатообразования);

• разработка модели энерго-массообмена почвы и турбулентной атмосферы и влияния на этот процесс основных физико-структурных характеристик почвы.

Научная значимость и практическая полезность работы заключается в следующем:

• создана модель набухания почвенной матрицы, описывающая влияние загрязнения на набухание и водоудерживающую способность почв;

• создана модель массопереноса в ненасыщенных пористых средах с набухающим скелетом, позволяющая оценить изменения свойств почв вследствие механического и химического воздействии на нее;

• построены решения основных задач по переносу загрязнений в почвах;

• разработана модель электрохимических свойств почв, учитывающая влияние загрязнения почвы;

• изучен процесс и предложена модель взаимодействий неорганической и органической составляющей почвенной матрицы, прослежено влияние такого взаимодействия на процесс формирования водопрочной структуры почвы, а также влияния на данный процесс загрязнения почвы;

• разработана модель прогноза влияния физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и турбулентной атмосферы, а также некоторые глобальные аспекты такого влияния.

Результаты работы были частично реализованы при разработке программного комплекса для расчета переноса загрязнений в подземных водах, а также их удержания почвой, реализованного совместно со специалистами РФЯЦ - ВНИИЭФ.

Личный вклад диссертанта заключается в разработке модели формирования водопрочной структуры почвы, модели влияния физико-структурных характеристик почвы на теплофизические характеристики почвы и, тем самым, на энерго- массообмен почвы и нижней атмосферы, а также в проведении расчетов и обработке их результатов по всем разделам диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

• «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2003 г.;

• Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации», Москва, 2003 г.;

• «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2004 г.;

• Euro-Conference on Rock Physics and Rock Mechanics, Potsdam, 2004.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Храмченкова, Резида Хавиловна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итог, остановимся на основных результатах работы: ^ ■ выведены уравнения физико-химической механики почвы, из анализа которых получены зависимости плотности набухающей почвы от приложенной нагрузки и влажности, определяющие энерго-массообмен почвы и атмосферы, а также выражение для характерного размера почвенного агрегата; получены формулы для коэффициента распределения примеси в почвенной влаге и для зависимости коэффициентов диффузии и электрохимических параметров почвы от концентрации раствора; выведены уравнения, описывающие формирование почвенного профиля ) и водопрочной агрегатной структуры; установлены связи теплофизических параметров почвы с основными к физико-структурными характеристиками почвы, прежде всего с влажностью и со способностью почвы к набуханию; получена зависимость коэффициента теплоусвоения от основных физико-структурных характеристик почвы, и их влияние на суточный и годовой ход температуры почвы, а также на энерго-массообмен между почвой и турбулентной атмосферой в целом.

Необходимо еще раз отметить, что выбор задач в данной работе является неслучайным. Он естественно определяется ее главной целью -исходя из общих принципов явлений переноса в почве и атмосфере, основанных на законах термодинамики, дать по возможности полный анализ наиболее существенных явлений физического и физико-химического характера, протекающих в почве и прилегающей к ней части атмосферы. Главное, что, по мнению автора, удалось сделать - это разработать единый подход к описанию и изучению процессов массопереноса в почве и энерго-массообмена с атмосферой. Это единство обеспечивается применением разработанной концепции осмотической ячейки к набухающим средам в условиях неполного насыщения влагой, на основе чего Определяющим элементом диссертации в первую очередь являлась физика процессов и, во вторую очередь, связанное с этими явлениями исчерпывающее количественное моделирование. Исходя из этого, можно наметить перспективы дальнейших исследований: получить результаты численного моделирования процессов набухания/усадки почвы в полной постановке, т. е. для неравновесных условий протекания процесса переноса влаги и примесей в почвенном профиле их влияния на энерго-массообмен с атмосферой; провести сравнение результатов расчетов такой расширенной модели с имеющимися экспериментальными данными

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Храмченкова, Резида Хавиловна, Казань

1. Айлер Р. К. Коллоидная химия кремнезема и силикатов / Р. К. Айлер -М.: Госстройиздат, 1959. - 288 с.

2. Алпатьев А. М. Влагообороты в природе и их преобразования / А. М. Алпатьев- JL: Гидрометеоиздат, 1969. 323 с.

3. Ахтырцев Б. П. История формирования и эволюция почв надпойменнх террас среднерусской лесостепи / Б. П. Ахтырцев // Биология, экология, биотехнология и почвоведение: сб. ст. М.: Изд-во МГУ, 1994. - С. 212-218.

4. Базаров И. П. Термодинамика / И. П. Базаров М.: Высшая школа, 1991.-376 с.

5. Баренблатт Г. И. Движение жидкостей и газов в природных пластах / Г. И. Баренблатт, В. М. Ентов, В. М. Рыжик М.: Недра, 1984. - 211 с.

6. Брент Д. Физическая и динамическая метеорология / Д. Брент- Л.: Гидрометеоиздат, 1938.-398 с.

7. Ван Кампен Н. Г. Стохастические процессы в физике и химии / Н. Г. Ван Кампен М.: Высшая школа, 1990. - 376 с.

8. Васильев В. П. Термодинамические свойства растворов электролитов / Васильев В. П. М.: Высшая школа, 1982. - 320 с.

9. Веригин Н. Н., Шержуков В. С. Диффузии и массообмен при фильтрации жидкостей в пористых средах. В кн.: Развитие исследований по теории фильтрации в СССР. - М.: Наука, 1969. - С. 237-313.

10. Ю.Вериго С. А. Почвенная влага и ее значение в сельскохозяйственном производстве / С. А. Вериго, Л. А. Разумова. Л.: Гидрометеоиздат, 1963.-289 с.

11. П.Волков И. А. Моделирование процессов пьезо- и теплопроводности в бинарных средах во взаимосвязи с задачами теории колебаний: дис. . д-ра физ.-мат. наук. / И. А. Волков- Москва, 1989. 125 с.

12. Вороникевич С.Д. Основы технической мелиорации грунтов / С.Д. Вороникевич М.: Научный мир, 2005. - 504 с.

13. Гельферих Ф. Иониты. Основы ионного обмена / Ф. Гельферих М.: Изд-во иностр. лит., 1962. - 490 с.

14. Голубев В. С. Динамика геохимических процессов / В. С. Голубев- М.: Недра, 1981.-208 с.

15. Гуггенгейм Э. М. Современная термодинамика, изложенная по методу У. Гиббса / Э. М. Гуггенгейм М. - JL: Госхимиздат, 1941. - 188 с.

16. Дамаскин В. Б. Основы теоретической электрохимии / В. Б. Дамаскин, О. А. Петрий. М.: Высшая школа, 1978. - 239 с.

17. Де Грот С. Р. Термодинамика необратимых процессов / С. Р. Де Грот. -М.: ГИТТЛ, 1956.-280 с.

18. Де Грот С.Р. Неравновесная термодинамика / С. Р. Де Грот., П. Мазур -М.: Мир, 1964.-456 с.

19. Дерягин Б. В. Поверхностные силы / Б. В. Дерягин, Н. В. Чураев, В. М. Муллер М.: Наука, 1987. - 398 с.

20. Добровольский Г. В.Функции почв в биосфере и экосистемах / Г. В. Добровольский, Е. Д. Никитин. -М.: Наука, 1990. 261 с.

21. Дриц В. А. Рентгеноструктурный анализ смешанослойных минералов / В. А. Дриц, Б. А. Сахаров // Труды Геологического ин-та АН СССР, вып. 295. М.: Наука, 1976. - 256 с.

22. Касрлоу Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Касрлоу, Д. Егер М.: Наука, 1964.-488 с.

23. Константинов А. Р. Испарение в природе / А. Р. Константинов- JL: Гидрометеоиздат, 1968. 532 с.

24. Корн Г. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Г. Корн, Т. Корн М.: Наука, 1977. - 832 с.

25. Костерин А. В. Модели и задачи механики насыщенных пористых сред / А. В. Костерин // На рубеже веков. НИИ математики и механики Казанского университета. 1998 2002 гг. : кн. - Казань: Изд-во Казан, матем. об-ва, 2003.-С. 310-318.

26. Костерин А. В. Массоперенос при фильтрации растворов в трещиновато-пористых средах / А. В. Костерин, Э. В. Скворцов, М. Г. Храмченков // Инженерно-физический журнал. 1991. - Т. 61. - №6. -С. 971-975.

27. Колосов Г. Ф. Определение содержания органического углерода в почвах / Г. Ф. Колосов, А. А. Шинкарев // Методические разработки к лабораторно-практическим для студентов по химическому анализу почв Казань: Изд-во КГУ, 1989. - 22 с.

28. Кройт Г. Р. Коллоиды. JL: Госхимтехиздат, 1933. - 200 с.

29. Кульчицкий JI. И., Усьяров О. Г. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород. М.: Недра, 1981. - 178 с.

30. Лазаренко Е. К. Курс минералогии. -М.: Высшая школа, 1963. 559 с.

31. Лосев А. П., Журина Л. Л. Агрометеорология. М.: КолосС, 2004. -301 с.

32. Лыгина Т. 3., Храмченков М. Г., Храмченкова P. X. Электрохимические свойства почв и грунтов // Разведка и охрана недр. -2005.-№8.-С. 50-56.

33. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: ГИФМЛ, 1959. -699 с.

34. Манучаров А. С., Абрукова В. В., Черноморенко Н. И. Методы и основы реологии в почвоведении. М.: Изд-во Москов. гос. ун-та, 1990. 98 с.

35. Матвеев Л. Т. Физика атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. -778 с.

36. Матвеев Л.Т., Матвеев Ю.Л. Облака и вихри основа колебаний погоды и климата. - СПб., 2005 - РГГМУ. - 327 с.

37. Мустафаев А. А. Деформации засоленных грунтов в основании сооружений. М.: Стройиздат, 1985. - 280 с.

38. Полубаринова-Кочина П. Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука, 1977. - 664 с.

39. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. -X М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1960. 127 с.

40. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1971.-509 с.

41. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965. - 223 с.

42. Розанов Б. Г. Морфология почв. М.: Изд-во Академический проект, 2004.-432 с.

43. Ромм Е. С. Структурные модели порового пространства горных пород.i- JL: Недра, 1985. 240 с.

44. Русин И. Н., Тараканов Г. Г. Сверхкраткосрочные прогнозы погоды. -СПб.: Изд-во РГГМИ, 1996. 307 с.

45. Самарина B.C. Гидрогеохимия. JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1977. -4 360 с.

46. Сиротенко О. Д. Математическое моделирование вводно-теплового А режима и продуктивности агроэкосистем. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-168 с.

47. Скорчеллети В. В. Теоретическая электрохимия. Л.: Госхимиздат, 1963.-608 с.

48. Смагин А. В., Садовникова Н. Б., Смагина М. В., Глаголев М. В., Шевченко Е. М., Хайдапова Д. Д., Губер А. К. Моделированиеф динамики органического вещества почв. М.: Изд-во Московск. ун-та,2001.-121 с.

49. Смагин А. В. Газовая фаза почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. - 300с.

50. Спозито Г. Термодинамика почвенных растворов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 240 с.

51. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. -^ М.: Наука, 1977.-736 с.

52. Уоррел У. Глины и керамическое сырье.-М.: Мир, 1978. 237 с.

53. Фахрутдинова А. Н., Храмченков М. Г., Храмченкова P. X., Чекаиин А. Н. Гидрофизические свойства и атмосферная функция почв // Вопросы атомной науки и техники, сер. Математическое моделирование физических процессов. 2006. - В печати.

54. Филипп Дж. Р. Теория инфильтрации. В кн.: Изотермическое передвижение влаги в зоне аэрации. - Д.; М.: Гидрометеоиздат, 1972. -С. 6-71.

55. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. - 502 с.

56. Храмченков М. Г. Математическая модель массопереноса в почве с учетом свойств пленочной воды/ Казан, ун-т. — Казань, 1991. 5 с. -Деп. в ВИНИТИ 11.10.91, №3942-В91.

57. Храмченков М. Г. Элементы физико-химической механики природных пористых сред. Казань: Изд-во Казан, матем. об-ва, 2003. - 178 с.

58. Храмченков М. Г., Храмченкова P. X., Чекалин А. Н. Математическая модель усадки набухающего почвенного слоя // Вопросы атомной науки и техники, сер. Математическое моделирование физических процессов. 2004. - Вып. 3. - С. 72 - 75.

59. Храмченков М. Г. Точные решения некоторых задач подземного массопереноса.-Казань: Изд-во Казан, матем. об-ва, 2005.-128 с.

60. Храмченков М.Г., Храмченкова Р.Х. Введение в физико-химическую механику почв. Казань: Изд-во Казан, матем-го об-ва, 2005. - 100 с.

61. Храмченков М. Г., Храмченкова P. X. Теоретические основы гидрофизики набухающих почв // Георесурсы. 2006. - №1 (18). - С. 17-20.

62. Храмченков М.Г., Храмченкова Р.Х. Физико-химия и механика процессов набухания в почвах // В сб.: Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. М.: Изд-во МГУ, 2003. -С. 26--262.

63. Храмченкова Р.Х. Влияние физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и нижней атмосферы / Р.Х. Храмченкова, М.Г. Храмченков, А.Н. Фахрутдинова. Препринт ПМФ - Казань: Изд-во Казан, мат-го об-ва, 2006. - 01. - 25с.

64. Хргиан А. X. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 647 с.

65. Хуанг К. Статистическая механика. М.: Мир, 1966. - 520 с.

66. Чураев Н. В. Физико-химия процессов массопереноса в пористых средах. Л.: Химия, 1990. - 272 с.

67. Шатилов И. С., Чудновский А. Ф. Агрофизические, агрометеорологические и агротехнические основы программирования урожая. Л.: Гидрометеоиздат. - 320 с.

68. Шеин Е. В., Архангельская Т. А., Гончаров В. М., Губер А. К., Початкова Т. Н., Сидорова М.А., Смагин А. В., Умарова А. Б. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв. М.: Изд-во МГУ, 2001. - 200 с.

69. Шеин Е. В. Фундаментальные проблемы современной физики почв. В сб.: Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. - М.: Московский государственный университет, 2003. -С. 34-36.

70. Шинкарев А. А., Гиниятуллин К. Г., Колосов Г. Ф. Оптимизация условий фракционирования гумусовых веществ методом последовательного растворения. В кн.: Биология, экология, биотехнология и почвоведение. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - С. 239 - 243.

71. Шинкарев А. А., Гиниятуллин К. Г., Кринари Г. А., Гневашев С. Г. Использование системного подхода при исследовании глинисто-гумусовых взаимодействий в почве. Почвоведение, 2003. - № 3. - С. 476-486.

72. Эверет Д. Введение в химическую термодинамику. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1963. - 294 с.

73. Эйриш М. В. О природе сорбционного состояния катионов и воды в монтмориллоните. Коллоидный журнал. - 1964. - Т. 26. - №5. - С. 633-639.

74. Якобсон А., Пуш Р. Явления тиксотропии в перемятых мягких глинах. В кн.: Инженерно-геологические свойства глинистых пород и процессы в них. М.: Изд-во Московск. ун-та, 1972. - С. 25 - 34.

75. Bear J. Dynamics of fluids in porous media. Elsevier, New York, 1972. -764 p.

76. Bear J., Bachmat Y. Introduction to modeling of transport phenomena in porous media, Kluwer Academic Publishers, 1990. 553 p.

77. Letey J., Klute A. A modified method of measuring transference numbers of ions in soils and clay pastes // Soil Science. 1960. - V. 90. - No. 3. - P. 121 -128.

78. Letey J., Klute A. Apparent mobility of potassium and chloride in soils and clay pastes // Soil Science. 1960. - V. 90. - No. 4. - P. 259 - 265.

79. Khramchenkov M.G., Khramchenkov E.M., Pleshcinskii N.B. Physico-chemical mechanics of clay swelling // Acta Geodyn. Geomater. Vol.2. -No.2,(138)-2005.P.47-52.

80. Khramchenkov M.G. Swelling's model: non-elasticity and scaling / M.G. Khramchenkov , R.Kh. Khramchenkova // EURO Conference on Rock Physics and Geomechanics, September 20-23, 2004.: Abs. Potsdam, 2004. -p.72-74.

81. Khramchenkov M.G. Rheological double-porosity model for clayey rocks / Khramchenkov M.G. // International journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2005. -V.42. - P. 1006 - 1014.

82. Marshall T. J., Holmes J. W. Soil physics (Second edition). Cambridge: Cambridge University press, 1988. 374 p.

83. Miller C. W., Benson L. V. Simulation of solute transport in a chemically reactive heterogeneous system: model development and application // Water Resour. Res. 1983. - V. 19. - No. 2. - P. 381 - 391.

84. Mitchell J. K. Fundamentals of soil behavior. New York: Wiley, 1983. 4221. P

85. Norrish K. Swelling of montmorillonite. Disc. Faraday Soc., 1954. - V. 18.-P. 120-134.

86. Norrish K., Raussel-Colom I. A. Low-angle X-ray diffraction studies of the swelling of montmorillonite and vermiculite. In : An. Tenth National Conf. on Clays and Clay Minerals. -1957. - P. 123 - 149.

87. Rubin J. Transport of reacting solutes in porous media: relation between mathematical nature of reactions // Water Resour. Res. 1983. V. 19. - No. 5.-P. 1231-1252.

88. Schlogl R., Helfferich F. Comment on the significance of diffusion potentials in the ion exchange kinetics. J. Chemical Physics. - 1957. - V. 26. - No. 1.-P.5-7.

89. Smiles D. E. Infiltration into swelling material // Soil Science. 1974. -V. 117, No. 3.-P. 140-147.

90. Sposito G., Gupta V. K., and R. N. Bhattacharga, Foundation theories of solute transport in porous media: a critical review. Adw. Water Res. -1979.-P. 59-68.

91. Thomas H. R., Rees S. W. The numerical simulation of seasonal soil drying in a unsaturated clay soil // J. for Numer. and Anal. Methods in Geomechanics. 1993. - V. 17. - P. 119 - 132.