Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Формирование режима и ресурсов почвенных вод в зимне-весенний период

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Формирование режима и ресурсов почвенных вод в зимне-весенний период"

е.Н "7» з*?

м

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ.Н.В.ЛОМОНОСОВА ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

на правах рукописи

ГУСЕВ ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ РЕЖИМА И РЕСУРСОВ ПОЧВЕННЫХ ВОД В ЗИМНЕ-ВЕСЕННИЙ

ПЕРИОД

06.01.03 - агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте водных проблем Российской академии наук.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор И.И.СУДНИЩН доктор сельскохозяйственных наук, профессор A.M.ГЛОБУС доктор сельскохозяйственных наук Н.А.МУРОМЦЕВ

Ведущее учреадение - ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК.

Защита состоится " <?рс(/1 л 1993 г. в 15-22- в ауд.

М-2 на заседании Специализированного Совета Д.053.05.31 на факультете почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "НО. 199^ г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Специализированного Совета Д.053.05.31 в Московском университете, а отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу:

119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый Совет.

Ученый секретарь Специализированного Совета

Л.А.ЛЕБЕДЕВА

■ г-——-.

ГОСУДл^ПиЕННАЯ . '

БИБЛИОТЕКА ",

ИИИДКИ1ЛИ

И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Почвенные воды являются одним из закнейших элементов биосферы., обеспечивая существование жизни ja Земле. В последние года темп эволюции биосферы в связи с активизацией человеческой популяции на планете резко усилился, 1риводя к экологическим катастрофам в ряде регионов. .Ускорение вменений биосферы требует постоянного совершенствования науч-?о-инженерного инструментария во взаимодействии с природой. Это зовершенствование не всегда успевает за биосферной ¿камикой. В частностиi негативные последствия многих крупных водохозяйственных мероприятий в нашей стране объясняются не только издержками командно-административной системы, но и слабым развитием фундаментальных исследований в учении о водах суши, в частности ) почвенных водах. При этом следует отметить тот факт, что само вправление учения о почвенных водах, как части вод суши, слагалось в последние 10-20 лет. Создание этого учения во многом звязано с работами д.г.н. А.И.Будаговского.

Основное внимание исследователей, работающих в области ючвенных вод, как правило, уделялось теплому полугодию - периода вегетации растительного покрова. Закономерности же формирования режима почвенных вод в холодное полугодие, закладывающего гсловия влагообеспеченности растений в период вегетации, изуче-ш существенно меньше.

Это обстоятельство побудило автора провести ряд исследова-шй, касающихся данного вопроса, и попытаться осуществить тео-)етическое обобщение результатов таких исследований, проведении как им самим, так и другими авторами, посвятив его решению [рупной научной проблемы - раскрытию закономерностей формирована режима и ресурсов почвенных вод в зимне-весенний период и ¡истематизации полученных результатов в виде комплекса физико-ттематических моделей.

Под почвенной водой в настоящей работе понимается вода, юдержашаяся в корнеобитаемом слое почвы. Вода, пребывающая в постаси почвенной воды,' играет в биосфере исключительно важную юль [Будаговский, Гусев, 1989]. Под режимом же почвенных вед юнимается временная динамика характеристик, в той или иной lepe отражающих их состояние (влажность, льдистость, температу-ia, величины и направления потоков воды и тепла). Понятие ре-

сурсов почвенных вод, принятое в настоящей работе, обсуждается в ее первой главе.

Цри рассмотрении проблемы формирования режима почвенных вод целесообразно выделить три направления исследований, в той или иной мере затронутых в настоящей работе. Первое заключается в раскрытии геофизических и иногда биофизических закономерностей их формирования на основе сочетания теоретических и экспериментальных исследований. Его условно можно назвать физико! почвенных вод.

Второе направление - географическое. Если геофизические I биофизические законы, лежащие в основе формирования режимг почвенных вод, установлены достаточно точно, то они справедлив! для любых условий. Но одни и те же законы, действующие в разны: условиях, могут приводить к существенно разным результатам Таким образом можно прийти к различиям в закономерностях форми рования водно-теплового режима окружающей среды в неодинаковы: геосистемах, в разных регионах и географических зонах. В данно работе основными объектами исследования являются полевые водо сборы лесной и лесостепной зон.

Третье направление - прикладное. Его можно назвать инже нерно-агрономическим. Прикладные исследования в любой облает могут быть достаточно успешными, если они будут опираться г результаты, полученные в сфере фундаментальных исследований, данном случае речь идет о результатах, полученных в исследовг ниях, связанных с первым из указанных направлений. Вопрось касающиеся инженерно-агрономического направления, а также по; хода к общей стратегии природопользования, затронуты в после; ней главе работы.

Цель работы: раскрытие закономерностей формирования режю и ресурсов почвенных вод в зимне-весенний период, систематизм ция полученных знаний в виде физико-математических моделей.

Задачи исследований:

- экологическое обоснование концепции ресурсов почвенных вод,

- разработка теоретической основы описания, переноса воды, ненасыщенных средах с позиций статистической неравновесн термодинамики,

- экспериментальное исследование процессов промерзания поче миграции воды в промерзшую почву со стороны талой зоны, вши вания воды в почву в период весеннего снеготаяния, оттаиваши

прогревания почвы после схода снежного покрова,

- разработка комплекса 'динамических физико-математических моде- лей процессов формирования режима почвенных вод в зимне -

весенний период,

- разработка способов учета пространственной вариабельности основных факторов, определяющих интенсивность и общий объем весеннего пополнения влагозапасов почвы,

- разработка методов оценки результатов воздействия на режим почвенных вод некоторых агротехнических -приемов, улучшающих экологическое состояние агроэкосистем, в том числе., мульчирования почвы растительными остатками.

Методика исследований. Поставленные задачи решались как на основе теоретических разработок, физико-математического моделирования изучаемых процессов, так и на базе экспериментдльных исследований (лабораторных и полевых), проведенных либо непосредственно автором, либо с его участием. Для апробации разработанных моделей использовались также материалы наблюдений сети водаобалансовых станций.

Объект исследований. Почвенные воды как одна из составляющих вод суши. Основной географический район исследований -лесная и лесостепная зоны ETC. При этом использованы материалы v наблюдений следующих водаобалансовых и биосферных станций.

Подмосковная воднобалансовая станция (лесная зона). Почва

- дерново-среднеподзолистая, средаесуглинистая.

Волховская воднобалансовая станция (лесостепная зона). Почва - серая лесная, средаесуглинистая.

Нижнедевицкая воднобалансовая станция (лесостепная зона). ■ Почва - типичный чернозем, средне- и тяжелосуглинистый.

Придеснянская воднобалансовая станция (лесостепная зона). Почвы - крупнопылеватые серые и светлосерые лесные, средний суглинок и супесь.

Курская биосферная станция (лесостепная зона). Почва типичный чернозем, средне- и тяжелосуглинистый. Научная новизна работы.

Предложена концепция экологической роли почвенных вод, связывающая одно из звеньев гидрологического цикла суши с кругооборотом биоэлементов наземных экосистем. Дано экологическое обоснование меры оценки ресурсов почвенных вод, основанной на величине суммарного испарения фитоценозов.

На основе статистической теории неравновесных процессов получено общее уравнение переноса воды в ненасыщенных средах, являющееся теоретическим обоснованием используемых в настоящее время методов описания движения воды в ненасыщенной почве. Теоретически обосновано использование в случае слабонестационарных процессов переноса воды в почве уравнения Дарси- Букин-гема.

Разработан комплекс физико-математических моделей формирования гидротермического режима почвы в зимне-весенний период. К ним относятся модели промерзания почвы и миграции воды, в мерзлую зону со стороны талой, модель формирования температурного профиля почвы перед снеготаянием, модели впитывания талых вод в мерзлую почву, модели оттаивания и прогревания почвы. Математической основой моделей является метод интегрального баланса.

Предложены варианты учета пространственной микромасштабной стохастичности распределения снегозапасов на склонах и коэффициента фильтрации почвы при моделировании процессов впитывания талых и дождевых вод и склонового поверхностного стока.

Разработаны метода оценки влияния мульчи из растительных остатков на формирование гидротермического режима почвы в зимне-весенний период и на пополнение ее весенних влагозапа-сов. Экспериментально определены теплогидрофизические параметры соломенной мульчи.

Основные защищаемые положения;

- уравнение нестационарного переноса вода в ненасыщенных средах;

- комплекс физико-математических моделей формирования гидротермического режима почвы в зимне-весенний период (модели промерзания почвы в холодный период, формирования температурного профиля почвы к началу снеготаяния, впитывания талых вод в почву в период весеннего снеготаяния и зимних оттепелей, оттаивания и весеннего прогревания почвы);

- метода учета пространственной микромасштабной стохастичности распределения снегозапасов и коэффициента фильтрации при моделировании процессов впитывания талых и дождевых вод и поверхностного скльлэвого стока;

- концепция экологической роли почвенных вод, заключающаяся в том, что в процессе своего движения в системе почва-

- s -

растительный покров-атмосфера они удаляют большую часть энтропии, производимой растительным покровом в процессе его метаболизма, тем самым позволяя зеленым растениям, суши поддерживать свою упорядоченность;

- методы оценки влияния растительной мульчи на гидротермический режим почвы в зимне-весенний период.

- методы определения коэффициентов эффективной теплопроводности и эффективной диффузии пара в мульче.

Практическая значимость работы.

Полученные в работе результаты были использованы:

- в плановых работах Института водных проблем АН СССР и представлены в отчетах по плановой тематике Академии наук СССР (тема "Водные ресурсы и водный режим страны в отдаленной перспективе", 1985 г., гос. регистрац. Х01827018477; тема "Изменение ресурсов и режима вод суши под влиянием природных колебаний климата и антропогенной деятельности", 1990 г., гос. регистрац. JSOI. 9.00018345);

- при реализации Программы биосферных и экологических исследований (Блок "Экология сельскохозяйственного производства"), 1989г.;

- при выполнении темы "Прогноз природопользования и экологии до 2015 г.", разрабатывавшейся по заданию ГКНТ СССР и Госкомприрода СССР, 1991 г.;

- при разработке международных проектов, проводившихся по заданию Международного комитета по планетарным геофизическим исследованиям (КАПГ) (субпроект 17.I "Физика почвенных вод", I980-1985 г.г.; субпроект III-3.I "Изучение переноса воды в системе атмосфера - растительный покров - ненасыщенная зона -грунтовые воды в целях разработки научных основ управления почвенными водами", 1986-1990 г.г.).

Часть результатов послужила основой для составления учебно-методической программы экологического образования учащихся средних школ (экологического лицея, экологического кружка), I991-1992 г..

Результаты работы также могут быть использованы при оценке эффективности различных мелиоративных приемов, а также в практике гидрологических расчетов и прогнозов.

Апробация. Результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих семинарах, совещаниях, конференциях.

Московский городской гидрологический семинар, (1977 г.); рабочие встречи участников субпроекта 17.I Международного комитета по планетарным геофизическим исследованиям (КАПГ) "Физика почвенных вод" (1978 г., СССР, Курск; 1982 г., ЧССР, Требишов; 1983 г., НРБ, София); Всесоюзная школа-семинар "Моделирование гидрологических процессов", (Звенигород, 1982 г.); Чехословацко-польский симпозиум "Физика почвенных вод" (1980 г., ПНР, Закопане); 11-ая Всесоюзная конференция по применению математических методов и ЭВМ в почвоведении (1983 г., Пущино); Доклады в Отделе гидродинамики пористых сред Института гидрологии и гидравлики САН (1985, 1986 г.г., ЧССР, Братислава); рабочая встреча участников проекта III-3 КАПГ "Геофизические основы управления водами суши" (1986 г., ЧССР, Стара Лесна); XX Совещание КАПГ (1989 г, ВНР, Шопрон); Международный семинар "Движение воды в системе атмосфера-ненасыщенная зона-грунтовые воды и его моделирование" (1990, ЧСФР, Стара Лесна); Всесоюзное совещание "Определение и использование параметров влаго- и солепереноса в почвах" (1991 г., Пущино), Заседание кафедры физики и мелиорации почв МГУ (1992 г., Москва); Секции Ученого совета ИБП АН СССР (1985 - 1992 ,г.г.).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложения. Она включает 250 стр. машинописного текста, 32 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 175 наименований (49- на иностранных языках).

Еще раз подчеркнем, что создание общего учения о почвенных водах в основном связано с именем А.И.Будаговского. В то •же время большое значение для развития наших работ имели предшествующие исследования различных частных аспектов этого учения, которые получили свое отражение в трудах очень многих исследователей, таких как Нерпин C.B., Глобус A.M., Пачепский Я.А., Калюжный И.Л., Кучмент Л.С., Мотовилов Ю.Г., Менжулин Г.В., Будыко М.И., Росс D.K., Тооминг Х.Г., Бихеле З.Н., Мол-дау Х.А., Сиротенко Ю.Д., Бойко А.П., Чураев Н.В., Воронин А.Д., Судницын И.И., Лыков A.B., Мичурин Б.Н., Ничипорович A.A., Галямин Е.П., Базилевич Н.И., Родин Л.Е., Коронкевич Н.И., Кренке А'.Н., Кузьмин П.П., Монин A.C., Попов Е.Г., Ершов

Э.Д., Кулик В.Я., Павлов A.B., Роде A.A., Свирежев Ю.М., виноградов Ю.Б., Денисов Ю.М., Чудновский А.Ф., Полуэктов P.A., Слейчер Р., Кэри Дж.в., Лархер, В., Аллер М., Христов И.Д., Phylip J.R., Witt С.Т., Taylor S.A., Childs Е.С., Youngs E.G.. Rose D.A., Anderson D.M., Rubin J., Gardner W.R., Mualem Y., Dagan G., Montelgh. J.L., Freeze R.A., Sutor J., Novak V., Sposlto G., Eagleson P.S., Yoslda Z. и многих других.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. ПОЧВЕННЫЕ ВОДЫ И ЭКОЛОГИЯ НАЗМШХ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ.

Воды суш принято подразделять на поверхностные, подземные, почвенные воды, ледники и снежники (Великанов, 1948). Понятия о ресурсах поверхностных и подземных вод употребляются в гидрологии, гидрогеологии и водном хозяйстве уже давно и общеприняты. Что же касается понятия ресурсов почвенных вод, то оно было введено сравнительно недавно (Будаговский, 1985) и связано с тем, что почвенные воды - важнейший фактор существования и развития растительного покрова суши. В качестве меры ресурсов почвенных вод А.И.Будаговским на основе анализа уравнения водного баланса, водосбора предложено использовать величину суммарного испарения с поверхности суши за безморозный период Ес, представляющего собой сумму испарения воды почвой Ед и поверхностью растительного покрова - транспирации Ет.

С нашей точки зрения предложенная концепция представляется перспективной. Тем не менее введенное понятие о ресурсах почвенных вод (в особенности о мере их оценки) еще не получило достаточного признания. По этой причине в работе был еще раз поднят вопрос определения ресурсов почвенных вод и меры их оценки, причем не столько с гидрологической, сколько с более общей экологической точки зрения [Гусев, 1990].

С этих позиций, все живые организмы, их сообщества, биосфера в целом - суть диссипативные структуры, т.е. структуры возникающие и существующие при значительных отклонениях системы от термодинамического равновесия. Одним (но не единственным) из условий самоорганизации и устойчивого существования диссипативной структуры является экспорт энтропии, т.е. ее выделение открытой системой.

К диссипативным структурам относятся и наземные автотроф-ные растения. Единство биохимической основы жизни на Земле для всех форм живого вещества привело к тому, что для высших наземных растений единственной возможностью оттока деградирующей в тепло энергии солнечного излучения (а с ней и энтропии) без существенного повышения температуры тканей растений мог стать только механизм фазовых переходов вода-пар на поверхности мезофильных клеток, т.е. транспирация. Транспирация оказалась той "точкой", в которой произошло сопряжение двух циркуляционных диссипативных структур, двух гигантских "шестеренок": физической циркуляции воды в системе почва-атмосфера и циркуляции биоэлементов в экосистемах наземных растений.

Для диссипативных биотических структур ресурсами, обеспечивающими постоянство явления жизни, служат не мгновенные запасы каких-либо субстанций (энергии, веществ), а потоки этих субстанций, причем в силу ограниченности по количеству вещества и объему такой системы, как Земля, постоянное присутствие на ней потоков вещества может быть связа-

но только с вовлечением их в систему круговоротов, образующих соответствующие диссипативные структуры.

Основываясь на этом понимании ресурсов, необходимых для существования биосферы, мы видим, что диссипативная, структура циркуляции воды в системе почва-растительный покров-атмосфера является необходимым экологическим ресурсом, используемым биоценозами суши. Отсюда следует, что мерой ресурсов почвенных вод, т.е. показателем, характеризующим потенциальную мощность используемой биосферой циркуляции воды в системе% почва-растительный покров-атмосфера, может служить величина суммарного испарения с рассматриваемой территории суши за характерный промежуток времени, например за год.

Циркуляция вода в структурах гидрологического цикла в конечном итоге поддерживает непрерывную циркуляцию биоэлементов суши. Поэтому собственно их и можно рассматривать в качестве биосферных ресурсов. В большей степени это относится к почвенным водам, поскольку они приводят в движение самое мощное звено в циркуляции биоэлементов наземных экосистем - звено зеленых растений суши. Причем, в настоящее -время 80-90% так называемых "безвозвратных потерь" стока, т.е. изымаемых человеком ресурсов поверхностных и подземных вод, используются в

сельском хозяйстве, прежде всего в орошаемом земледелии. В контексте настоящей работы это означает, что человеческой популяции на определенном этапе -ее существования оказалось более удобным поддерживать свой гомеостаз, потребляя ресурсы поверхностных и отчасти подземных вод с переводом их в ресурсы почвенных вод.

Жизненные процессы на Земле имеют четко выраженный сезонный ход. При этом величина суммарного испарения за период вегетации определяется не только условиями теплого периода. В таких странах, как СНГ, США, Канада, в странах Северной Европы и др. годовая величина суммарного испарения в значительной мере обусловлена величиной снегонакопления на поверхности почвы и последующим разделением выпавших зимних осадков между впитыванием их в почву и поверхностным стоком в' период весеннего снеготаяния.

Важность зимне-весеннего дериода, обеспечивающего начальный влагозапас почвы перед вегетацией растительного покрова и сглаживающего неравномернбсть увлажнения почвы в вегетационный сезон (особенно в критические первые фазы развития растений), обусловленную неравномерностью выпадения дождевых осадков, пространственно-временная изменчивость начального увлажнения делают необходимым исследование физического механизма процессов, определяющих формирование ресурсов почвенных вод в этот специфический период. При этом в качестве конечного результата предполагается получение комплекса физико-математических моделей гидротермических процессов в почве в холодный сезон, дающих возможность предвычисления характеристик режима почвенных вод в этот период в конкретные годы как в естественных условиях, так и в случае того или иного агромелиоративного приема.

В настоящей работе для осуществления физико -математического -моделирования в основном используется аналитический подход. Численный характер решения проявляется лишь иногда в отношении изменения искомых величин во времени. Выбор указанной методологии обусловлен тем, что возможности аналитического моделирования при описании гидротермических процессов в мерзлой почве использованы, как нам кажется, в гораздо меньшей степени, чем алгоритмического. Исполь-

зование аналитических методов неизбежно связано с выделением основных черт явления и пренебрежением второстепенными. Одна-

- ю -

ко, холодный сезон характерен тем, что в отдельные его периоды основными являются разные стороны гидротермических процессов в почвенном профиле.Вследствие этого вряд ли возможно построить достаточно простую, наглядную и в то же время общую для всего периода аналитическую модель. Для разных этапов рассматриваемого сезона приходится строить свою модель, отражающую основную физическую сущность процесса именно для этого этапа. Конкретные детали такого построения описаны в диссертации при изложении соответствующих моделей.

Удобным при исследовании оказалось* выделение следующих характерных периодов.

1. Промерзание почвы под снежным покровом, сопровождающееся миграционным подтоком воды со стороны талой зоны и длящееся фактически с момента наступления отрицательных температур до схода снежного покрова.

2.Предвесенний период, характерной чертой которого является относительно малое изменение глубины промерзания ю^хфор-мировавшегося снежного покрова непосредственно перед снеготаянием.

3. Весеннее снеготаяние и впитывание талых вод в почву.

4. Оттаивание почвы после схода снежного покрова.

5. Зимние оттепели.

Каждый из отмеченных характерных периодов формирования гидротермического режима почвы определяет содержание соответствующей частной модели, а совокупность их представляет законченный комплекс моделей формирования почвенных вод в зимне-весенний период.

При построении указанных моделей возникает задача описания переноса вода в ненасыщенной почве, обусловленного не только градиентом температуры, что вполне естественно для мерзлой почвы, но и градиентом влажности (или потенциала), что обычно соответствует изотермии почвенного профиля. Такая задача, в частности, появляется при описании миграции воды в талой зоне к фронту промерзания, а также при движении воды в смоченной части мерзлой зрны при впитывании, когда температура в смоченной части мерзлой зоны близка к нулю.

ГЛАВА 2. ПЕРЕНОС ВОДЫ В НЕНАСЫЦВННЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.

В совокупности исследований, посвященных построению опи-

сания переноса вода в ненасыщенных средах, можно выделить три различающихся по пространственному масштабу и уровню детализации подхода к решению данной задачи: макроскопический, микроскопический, молекулярный. Поскольку для прикладных целей в конечном итоге интерес представляют соотношения между макроскопическими величинами, в силу естественных исторических причин в настоящее время развит макроскопический подход. При этом подходе перенос воды в ненасыщенных средах описывается на основе уравнения Букингема-Дарси

5ф

дСг.и = - Я- , (I)

вг

которое связывает поток воды д в конкретной точке системы г и в данный момент времени I с градиентом потенциала почвенной воды ф в этой же точке и в тот же момент времени. Параметр К в (I) называется коэффициентом влагопроводности. Эмпирический характер приведенного уравнения и появляющиеся время от времени сведения о его несоответствии экспериментальным данным заставили обратиться как к поиску теоретического обоснования этого уравнения, так и к .определению области его применимости.

В качестве пути решения задачи был выбран третий из указанных подходов, основанный на применении статистической тории неравновесных процессов. В результате было получено уравнение нестационарного переноса воды в ненасыщенной среде [Гусев, 1979а, 1979в, 1981а]:

t со

Г Г <Эф

с»,] (¿г^С^.г^.^-Г.^-г; —

где П - влажность среда, г^ - переменные интегрирования.

Полученное уравнение переноса в отличии от уравнения Дарси-Букингема показывает, что поток воды в данный момент времени t ти в конкретной точке среды г определяется градиентом водного потенциала во все предыдущие моменты времени t1(эффект запаздывания) и-в некоторой окрестности рассматриваемой точки |2-21I (эффект нелокальности).

Отмеченные эффекты описываются на основе релаксационной функции й, являющейся в данном уравнении основной гидрофизической характеристикой среды.

В случае пренебрежения эффектами нелокальности (они имеют

(2)

место лишь при наличии очень резко меняющихся в пространстве градиентов потенциала)уравнение (2) упрощается до

*

вф

1 1 1 вг

43)

«1

Поскольку получение теоретического описания структуры функции £ в настоящее время вряд ли возможно, был разработан метод ее экспериментального определения [Гусев 19836]. Метод основан на получении опытных данных о динамике влажности среды и потоков воды в ней, сведений о зависимости от влажности среды ее капиллярно-сорбционного потенциала, и последующей теоретической обработке этой информации. При этом задача сводится к решению интегрального уравнения, близкого по структуре к интегральным уравнениям Фредгольма 1-го рода. При этом в качестве решения берется функция которая доставляет '

минимум следующему функционалу:

яга; = - я)г<зр + а яга; . (4)

т

Здесь Р - пространственно-временная область определения потоков, т.е. интервал времени, в .течение которого измерялись потоки, а также пространственная область их фиксации, А -

- • л

операторное обозначение правой части уравнения (3), П - стабилизирующий оператор, введение которого дает возможность устранить неустойчивость решения, а - так называемый параметр регуляризации. Оператор (4) строится на основе учета априорной информации, в частности, соображений о достаточной гладкости функции & по обеим переменным.

Разработанная методика позволяет оценить и ошибку расчета релаксацирнной функции, связанную с ошибками исходной информации. Для этого сравниваются два множества значений &, первое, рассчитанное по непосредственной исходной информации о д и градиентах потенциала, второе, рассчитанное по информации, полученной путем искажения исходных данных с помощью датчика случайных чисел ошибками, величины которых соответствуют величинам погрешностей экспериментальных данных.

Методика определения реелаксационной функции была реали-

зована на примере кварцевого песка. Исходной информацией при этом явились сведения о потоках и действующих силах (градиентах водного потенциала), а также об ошибках их измерения, полученные в опыте по капиллярному опусканию воды в колонне с песком СБудаговский, Гусев 19823. Зависимость ф(№) определялась тензиометрическим методом и методом высоких колонн. Для определения потоков воды использовалась информация о динамике влажности в различных сечениях по высоте почвенного образца. Влажность измерялась кондуктометрическим методом.

На ркс.1 показан общий вид релаксационной функции 2.(У/,Т), где __

Ас«/« и* 0<П

РисЛ. Общий вид зависимости-релаксационной функции кварцевого песка от влажности (У и времени запаздывания Т

и }

и я

,.4

Рис.2. Зависимость коэффициента влагопроводности кварцевого песка от влажности, рассчитанная по данным о релаксационной функции (I) и определенная методом - "квазистационарной инфильтрации" (2)

М ор. цъо

Полученные результаты показывают, что даже для такого сравнительно влагопроводного материала как песок, значения релаксационной функции отличны от нуля для интервала времени т порядка нескольких минут. Если бы перенос воды в ненасыщенной среде строго подчинялся бы уравнению Дарси-Букингема, то функ-

- {L, -

цион&льная зависимость Z(T) была бы близка к дельта-функции й(Т), и величина релаксационной функции значимо отличалась бы от нуля только при Т ~ 0.

Представляет интерес проверить согласованность полученных в опыте с капиллярным опусканием данных по &(W,T) с какими-то другими экспериментальными материалами по влагопереносу в исследуемой системе, полученными при экспериментальном анализе других процессов в этой же системе. В частности, можно показать [Гусев, 19836], что коэффициент влагопрорядности, определенный, например, методом "квазистационарной инфильтрации", должен быть связан с релаксационной функцией следующим соотношением

о

K(W) = fcw.TXXT . (5)

-00

На рис.2 представлены значения коэффициента влагопроводности кварцевого песка, полученные на основе двух указанных способов. Видно, что согласование довольно хорошее. Это свидетельствует, во-первых, в какой-то степени о "работоспособности" полученного теоретическим путем уравнения (3), во-вторых, о достаточной надежности методики определения £.

Дальнейший анализ полученных уравнений переноса воды в ненасыщенных средах (2), (3) показал, что возможны различные способы их упрощений для разных частных случаев движения воды в ненасыщенных средах [Гусев, 1979а, 1979в], вплоть до уравнения Дарси-Букингема. Таким образом, уравнения (2), (3) могут в некоторой мере служить обоснованием этого уравнения. Проведенный анализ также показал, что значительных- отклонений фактических данных от рассчитанных результатов, основанных на использовании уравнения Дарси-Букингема, можно ожидать лишь в случае сильно нестационарных процессов, которые отличаются резкими изменениями влажности во времени. При миграции воды в талой зоне к фронту промерзания и в смоченной части мерзлой зоны при впитывании воды с поверхности почвы быстрые изменения влажности практически не имеют места в связи с относительно малыми величинами интенсивности влагопереноса. Поэтому основой для описания переноса воды в почве в этих случаях в настоящей работе послужило уравнение Дарси-Букингема.

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ РЕЖИМА ПОЧВЕННЫХ ВОД В ЗИМНИЙ ПЕРИОД.

Перейдем к описанию конкретных частных моделей формирования режима почвенных вод в холодное полугодие. Первый блок моделей касается вопросов промерзания почвы с учетом миграции воды со стороны талой зоны.

Вопросу промерзания почвы посвящено очень много работ Однако работ, основанных на применении аналитических методов при совместном решении задач промерзания и миграции воды со стороны талой зоны в мерзлую почву, нет. Поэтому в настоящей работе, были разработаны два метода расчета глубины промерзания почвы [Гусев, 1985, 1988; Гусев, Ясинский, 1986], отличительной чертой которых является одновременный учет фактического хода метеоэлементов и фактической динамики снежного покрова в течение зимнего сезона, а также учет миграции влаги со стороны талой зоны. Первый способ основан на рекуррентном пошаговом во времени вычислении положения фронта промерзания, второй - на получении аналитического выражения искомой характеристики на любой момент времени.

В силу ограниченности объема реферата более подробно мы остановимся лишь на втором из указанных методов [Гусев, 19881.

Задача расчета положения фронта промерзания 5 и пополнения влагозапасов мерзлой зоны за счет притока воды из талей зоны решалась на основе метода интегрального баланса (Гудуен, 1967) как в отношении баланса тепла (точнее энтальпии), так и в' отношении баланса воды. Сущность метода заключается в том, что при решении задачи о вертикальном распределении соответствующих характеристик гидротермического режима почвы (например, температуры Т или влажности Ю используется аппроксимация этого распределения некоторым полиномом по вертикальной координате г с неопределенными, меняющимися во времени коэффициентами, для нахождения которых привлекаются граничные условия и уравнения баланса в интегральной форме.

При решении задачи промерзания в мерзлой зоне почвы , а также в вышерасположенном слое снега принималась линейная аппроксимация температуры,' в талой ' зоне - параболическая (рис.3) [Гусев, 1985, 1988]. Аппроксимировалось также отклоне- -ние 8 текущего значени влажности Л от ее начального перед промерзанием значения В соответствии с законом Дарси-Букингема полагалось, что при отклонении дб/дг от нуля поток

- i6 -

воды J3 (здесь и в дальнейшем индексы 1,2 и 3 будут определять соответственно характеристики снежного покрова, мерзлой почвы и талой почвы) в первом приближении пропорционален этому отклонению и приводит к следующей параметризации описания переноса воды в талой зоне:

во

W = -

Qz

(6)

где параметр Ъщ близок по смыслу и значению коэффициенту диффузии почвенной воды при У! ~

1

О V

5

h 1 S(f) ~ т -Г

I

Я

2

3

Z

Рис.3. Схематизация распределения температуры (а) и влажности (б) при промерзании почвы. I - снежный покров, 2 - мерзлая почва, 3 - талая почва.

Выделение отклонения О удобно тем, что для него возможен простой вид аппроксимации в пределах талой зоны до некоторой глубины z=\i (рис.Зб):

6(z) = oís; (7)

Ответим, что аппроксимация (7) справедлива до тех пор, пока граница депрессии влажности ц не достигла уровня грунтовых вод. После этого необходим другой вид апроксимации [Гусев, 1988]. Здесь же будем анализировать случай достаточно глубоко-

го залегания грунтовых вод, при котором граница депрессии ц не доходит до их уровня. Аппроксимация распределения влажности з мерзлой зоне не потребуется, поскольку во всех расчетных выражениях будет использоваться только среднее значение влажности в этой зоне.

Применение метода интегрального баланса для анализа динамики энтальпии почвы приводит к следующему выражению для скорости изменения положения фронта промерзания

г - £ с2 е 1 <*е

р 1С ЯГ -и )--Т - —=

[ ^ н 2 ° 5+71Х2/\, ] Л

т 2 Т*

- " Ч-— - -=====- (8)

3 гч : з

2 1 /-г^га.3(™0> " г «

где - плотность воды, Ъ - теплота фазового перехода вода-лед, То - температура поверхности снега, ^, \2 - теплопроводности соответственно снега и мерзлой почвы, а3 - температуропроводность талой почвы, с2- эффект-»-чая теплоемкость мерзлой зоны, Т* - температура почвы на глубине затухания сезонных колебаний, - параметр, характеризующий влияние предзимья [Гусев, 1985], Л - высота снежного покрова, количество неза-

-е

мерзшей воды в почве, 71 =-р1г<Зг - среднее по мерзлой зоне

^о

общее влагосодержание.

Применение метода интегрального баланса для влагосодержа-ния талой и мерзлой зон почвы приводит к следующему выражению

для ^ [Гусев, 1988]

-е - е -е -е —£ * Я е=1Г0-Е-Лг-5=*0-е+вГ5М-.|7ГЕ*И . (9)

о

-е 1 ?

где й2 = - / егй2- среднее приращение влажности в мерзлой ^ о

"е 1 «

зоне, а б СЕ; = - /6СЕ;<ЗЕ - среднее за период промерзания ^ о

отклонение влажности у фронта промерзания от ее начального

значения, - поток воды у фронта промерзания со стороны талой зоны.

Таким образом, чтобы определить приращения влагозапасов в промерзшей зоне, надо знать J(í) , а также изменение влажности у фронта промерзания. Согласно многочисленным експерименталь-ным данным (например, (Ершов, 1979; Глобус, 1983)) величину потока воды можно определить, исходя из следующих соотношений:

Л О = - Х(и)-

аф

Qz

аф дт

-KW-

дТ вг

дТ

= -ft(u)-

dz

где й(и) - коэффициент термовлагопроводности этого выражения и закона Дарси-Букингема для итоге дает [Гусев, 1988]

(Ю)

2=е

Использование талой почвы в

1

с?

1 + -2 4КГ

at

при ff0(S)

2W

й(£)£

■e

> U„

(II)

0(V

при ff0(?) + в(С) <uH F(t)

r/3 + S

r=i

/9 T

i + 12 D t -

3

Г *

*( t>

Здесь й0 -

влажности

j jam.

0

коэффициент термовлагопроводности при почвы большей, чем количество незамерзшей воды.

Модель (7) - (II) была проверена на данных лабораторных опытов (Sutor, 1971), а также на материалах наблюдений на ряде воднобалансовых и Курской биосферной станций. Для проведения сопоставления с данными лабораторных опытов был использован аналитический вариант реализации модели, при сравнении с данными полевых наблюдений использовался численный вариант с шагом по времени, равным одной декаде.

При моделировании тепловлагопереноса для конкретных полевых объектов возникает проблема нахождения таких па^етров как коэффициент термовлагопроводности kQ и коэф$ициент диффузии воды в почве D . Поскольку данных о зависимостях К(и), ф(и),

и{Т), позволяющих определить указанные параметры для конкретных почв, еще недостаточно, возникает вопрос об их оценке путем решения обратных задач. Методика определения подобным образом параметров к0 и была разработана в настоящем исследовании [Гусев, 19881. Необходимую информацию при этом представляют данные о температуре поверхности снега (примерно равной температуре воздуха), динамике высоты снежного покрова, глубины промерзания и профиля влажности почвы, имеющиеся, например, в материалах наблюдений воднобалансовых станций. Вообще говоря, необходимы также данные о количестве воды-, поступившей в почву в период значительных оттепелей, но можно выбрать зимние сезоны без оттепелей (что и было сделано в данной работе).

Определение и к0 по разработанной методике было осуществлено на материалах наблюдений, проведенных на полевых участках Подмосковной воднобалансовой станции (почва - дерно-во-подзо- листая, средний суглинок) и Волховской воднобалансовой станции (почва - серая, лесная, средний суглинок). Параметры и к0 определялись в зимние сезоны 1976 -1978 гг. и оказались равными соответственно для Подмосковной станции г.б'Ю-'1 смг/с и 1,5-Ю"5 см2/с-град, для Волховской 2,0-Ю"4 с^/с и 0,5-Ю"5 см2/с-град.

Сопоставление результатов расчета глубин- промерзания почвы и приращения влагозапасов в мерзлой зоне с опытными данными, полученными в результате проведения экспериментальных исследований водно-термического режима почвы на Курской биосферной станции ИГ АН СССР (1979-1980, 1983-1984 г.г.), данными наблюдений Подмосковной (1972-1981 гг), Волховской (19761984 г.г.) и Нижнедевицкой (1969-1972, 1976-1980 г.г.) водно-балансовых станций показало их удовлетворительное согласие (часть результатов приведена на рис.4).

ГЛАВА 4. ПОПОЛНЕНИЕ ЗАПАСОВ ПОЧВЕННЫХ ВОД В ПЕРИОД СНЕГОТАЯНИЯ

Перейдем к следующей модели - расчету формирования температурного профиля почвы в период, предшествующий снеготаянию (предвесенний). Температурный профиль мерзлой почвы, связанный с глубиной промерзания, в значительной мере определяет интенсивность впитывания и общий объем впитавшейся в период весеннего снеготаяния вода. Поэтому в работе была решена задача рас

6р\см3/см3

0,0Ц 0,08

■Ц,м>/си3

80\см3/см*

0,0^ 0,03 э'

«!, см-Усм3

Рис.4. Сопоставлеше рассчитанных и измеренных данных по динамике промерзания и изменению влагозапасов в промерзшей зоне почвы для Подмосковной (а) и Волховской (б) водноба-лансовых станций. £р и £э - соответственно рассчитанные и

-5 -5

измеренные глубины промерзания; бр, бэ~ рассчитанные и измеренные приращения влажности в мерзлой зоне почвы.

чета этого профиля [Гусев, Ясинский, 1986]. В основу решения был также положен метод интегрального теплового баланса.

Приведем лишь конечные выражения, позволяющие рассчитывать профиль температуры мерзлой почвы к началу таяния снежного покрова.

= + с„2--

*г где

-2 -

(12)

Л1 £ - г

го = — Т„-

У = г~ £ + ^ 2

- 2 1 -

г° 8Тс г ра-х) яа-тл

= [V ° + V . ° ] <* •

о

А1' В1» - Функции Х>1 > /I, е, а1, а,, р, 5 [Гусев, Ясинский, 1986], а р и д - корни следующего квадратного уравнения:

о ~

г2 + гЕ + Я = О , (13)

Е Л

Иг;) ('+Зт)п

в = з

^Г У -+ а.

52 1 Пг

Я = а, а

36 '2 ^

Здесь а1 и а2 - коэффициенты темературопроводности соответственно снега и мерзлой почвы, - продолжительность предвесеннего периода [Гусев, Ясинский, 1986].

Сопоставление рассчитанных профилей температуры почвы с измеренными проводилось так же, как и 'при проверке методики расчета глубины промерзания, на материалах станций Нижнедеводкой и Курской биосферной, где в течение указанных ранее лет проводились специальные исследования влияния термического режима почв на формирование весеннего стока. Результаты сопоставления (часть из них приведена на рис.5) дали возможность сделать вывод о приемлемости расчетной методики.

Знание температурного профиля почвы перед снеготаянием дает возможность подойти к расчету интенсивности впитывание талых вод. Особенностью данной работы в отличии от уже имеющихся по данной задаче (например Мотовилов, 1977; Зарецкий, Лавров, 1986)является то, что предлагаемая методика расчета впитывания талых вод основана на моделировании этого процесса с помощью аналитических методов [Гусев, 1989]. Численный характер решения задачи проявляется лишь в отношении изменения искомых величин во времени.

Используемое при этом дифференциальное уравнение переноса

воды в почвэ имеет известный вид в форме Дарси-Букингема:

д ф

дв = - К —3 + К , (14)

и в г

где дв - поток воды в почве, фй- капиллярно-сорбционная составляющая потенциала почвенной воды. Гидрофизические, характе-

Л) . 5)

Рис.5. Распределение температуры в почвенном профиле, а)Нижнедевицкая воднобалансовая станция, б) Курская биосферная станция. I. Данные по термометрам сопротивления, 2.Данные по вытяжным термометрам, 3. Рассчитанные данные.

ристики X и фв в данном случав являются функциями содержания жидкой воды в почве и и ее льдистости Л, связанными с общей влажностью почвы V следующим соотношением

Рл

V =-Л + и , (15)

Р*

где Рл » Р„ - плотности соответственно льда и воды.

Интегрируя (14) от г=0 (поверхность почвы) до г=г0 (положение фронта впитывания) и учитывая при этом, что в пределах колонны впитывания дв « д0, где д0 - интенсивность впитывания, получим

ао

* К (1 + в/х0), (16)

где К = 1г Г Шг - средний коэффициент влагопроводности смо-J

о

Ф(0)

ченной зоны, а Н = К/Кбф - эффективный капиллярный по-Ф(2)

тенциал почвы. В первом приближении можно считать, что интегральные параметры X и Л зависят от среднего содержания жидкой

воды в смоченной области почвы й и от ее средней льдистости Л. Таким образом, для расчета интенсивности впитывания q0 необходима оценка двух последних характеристик.

Этот расчет связан с решением.задачи о тепловом режиме почвы. Ее решение осуществлялось на основе метода интегрального баланса, уже применявшегося нами при решении задач формирования гидротермического режима почвы в зимний период . Результат решения можно представить в следующей форме:

: Г^н 2W] Г 12аРГ|

UlLpzn=- ХР --+ - ехр\--=z-\dt (17)

^O J 2 àZ z=*0 О -ZQ) l Ç2 J

о = -2z0(t) + /91z0(t))z + 12 c^t , (18)

где ДЛ - приращение льдистости в смоченной зоне, Гн - температура почвы перед снеготаянием.

Присоединяя к (17) уравнение движения воды в смоченной зоне (16), уравнение динамики глубины проникания а (18), а также условие водного баланса смоченной зоны

* , рл _

I (%- Vdi - 20 [ £ W + 2 - "н J ' <19>

О

где Ug - начальное содержание незамерзшей воды в мерзлой зоне, Яд = K(un,JlQ) - коэффициент влагопроводности почвы перед фронтом впитывания, получаем систему четырех уравнений относительно пяти неизвестных tJl(t), u(t), qQ(t), zQ(t), и a(t). Для замыкания этой системы необходимо привлечь еще одно уравнение.

Им служит в случае выполнения условия — *

Л + 0 < Р , (20)

где Р* - эффективная пористость почвы ( с учетом доли пор, занятых защемленным воздухом), уравнение

Я0 = JQ ' (21)

где J"0 - интенсивность водоотдачи снежного покрова. Если же условие (20) нарушается, замыкающим уравнением является

Л + й = Р , (22)

В этом случае qQ < JQ (поверхность почвы затоплена и имеет место водообразование).

Решение уравнений (16)-(19) и (21) или (22) для заданных моментов времени дает возможность рассчитать динамику интенсивности впитывания и общее количество впитавшейся за период снеготаяния воды.

Автором была разработана методика информационного обеспечения предлагаемой модели впитывания талых вод в мерзлую почву. Прежде всего это касается задания основных тепло- и гидрофизических параметров почвы ин, а2, Р*, К(и,Л), Н(и,Л).

Рассмотренная методика расчета впитывания и была апробирована на материалах наблюдений Подмосковной водно-балансовой станции и данных экспериментальных исследований, проведенных нами совместно с сотрудниками ИГ АН СССР на Курской биосферной станции. Сопоставлялись рассчитанные и наблюденные гидрографы склонового стока (в силу малости размеров стоковых площадок полагалось равенство интенсивности водообразования и склонового поверхностного стока): на двух полевых площадках Подмосковной водаобалансовой станции с 1971 по 1983 г.г. и четырех -Курской биосферной станции с 1979 по 1985 г.г.Кроме того, для Курской биосферной станции было проведено сопоставление рассчитанных и измеренных с помощью электротермометров температурных профилей почвы в период снеготаяния.

Временной расчетный шаг был равен суткам. Величины тепло- • физических параметров почвы приняты на основе' результатов исследований, проведенных Голицыной др.(1972), Павловой, Голицыной (1974), Калюжным, Павловой (1981), с учетом имеющейся на станциях информации й влажности и плотности почвы (средних по слою 0-30 см).

Такие гидрофизические параметры почвы как ее коэффициент фильтрации К0 и эффективный капиллярный потенциал Ик для Подмосковной водно-балансовой станции оценивались на основе результатов специальных исследований впитывания воды в талую почву, проведенных на станции в 1961 г., и были приняты Яо=0,3 мм/мин, Як=10 см.

Значения К0 для площадок Курской биосферной станции с различной подстилающей поверхностью принимались на основе результатов экспериментальных определений этого параметра (Ясинский, 1982), а Нк для черноземной почвы - на основе собственных исследований автора [Гусев, 19816].

На рис.6 приведены рассчитанные и измеренные данные по

Т,°С-5 -4 -3 -г '1 0

о \ 1 > / 'Ъ

о \

о -Ч * / /у*

о ^ ч / / рр

7

\\\

з -

динамике температуры в почвенном профиле.

Рис.6. Динамика температуры почвы (Курская биосферная станция, 1980). 1-4 - экспериментальные данные соответственно на 25 и 31 марта (начало снеготаяния), 2 и 4 апреля; 5 -рассчитанные данные на те же сроки; 6 - рассчитанный профиль температуры на I апреля (начало водоотдачи снежного покрова).

На рис.7 приведены примеры рассчитанных и измеренных гидрографов поверхностного склонового стока. В качестве пока-

г, см

Рис.7. Рассчитанные (I) и измеренные (2) гидрографы поверхностного стока с различных площадок Подмосковной водно-балансовой (а) и Курской биосферной (б) станций.

зателей их соответствия часто используют две характеристики: коэффициент корреляции между ними гк, а также параметр з/У5з, где з - среднеквадратичное отклонение рассчитанных и измерен-

ных величин суточного стока, а Л - дисперсия измеренных значений суточного стока. В данном случав указанные характеристики имеют следующие значения: для Подмосковной водно-балансовой

станции гк=0,82 , а/У25в=0,60 , для Курской биосферной - соответственно 0,85 и 0,52. Коэффициент корреляции между рассчитанными и измеренными слоянй! стока половодья равен 0,95, сред-неквадратическое отклонение - 13 мм.

Пополнение запасов почвенных вод происходит не только в период весеннего снеготаяния. Часть твердых осадков, выпавши в зимний период и накопившихся в виде снежного покрова, может перейти в жидкую фазу и поступить на поверхность почвы во время зимних оттепелей. Хотя в отдельные года объем поступившей в почву воды в этих случаях может быть ощутимым,все же в целом роль зимних оттепелей в формировании водного баланса почвенных вод менее важна, чем весеннее их пополнение. Поэтому для этого случая был разработан относительно более простой по сравнению со случаем весеннего снеготаяния алгоритм расчета объема впитавшейся воды.

Суть упрощений заключалась в применении средних по времени оттепели характеристик гидротермического режима почвы. Сопоставление рассчитанных и измеренных объемов впитавшейся воды было проведено на материалах наблюдений Подмосковной (1956-1974 г.г.), Нижнедевицкой (1955-1974 г.г.) и Придеснян-ской (1952-1974 г.г.)воднобалансовых станций, разумеется, для тех лет, когда оттепели имели место.

Среднее квадратичное отклонение суммарных за период оттепели рассчитанных и измеренных•слоев стока для всех трех указанных станций при общей за оттепель водоотдаче снежного покрова , лежащей в диапазоне от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров, составляет 7-8 мм. С точкл зрения оценки баланса почвенных вод за зимне-весенний период такая точность приемлема.

Вопросы, связанные с экспериментальным исследованием и моделированием последних в хронологическом порядке процессов формирования гидротермического режима почвы - ее оттаивания и прогревания рассмотрены в следующей главе.

- г 7 -

ГЛАВА 5. НЕКОТОРЫЕ ПРИЕМЫ ЦЕЛЕВОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЕЖИМ ПОЧВЕННЫХ ВОД.

Анализ антропогенной деятельности с позиций ресурсов биосферы показывает, что к стратегии поиска компромисса между возможностями биосферы и потребностями ее наиболее активной на настоящий момент частной структуры - человеческой популяции следует подходить на пути создания таких технологий природопользования, которые были бы максимально близки к естественным процессам биосферы, минимально нарушали природные циклические структуры.

Так, в сельском хозяйстве в последние годы все более актуальными становятся нетрадиционные технологии так называемой "нулевой" или "минимальной" обработки почвы . Такие технологии в определенном смысле "выгодны" всей биосфере и по существу носят природоохранный характер.

Оценка эффективности как традиционных, так и нетрадиционных приемов ведения сельского хозяйства ( и не только сельского) требует хотя бы приблизительного подсчета масштабов возникновения тех или иных эффектов в системе, возможности пред-вычисления последствий. В качестве примера использования разработанных и описанных выше методик моделирования режима почвенных вод мы рассмотрим их приложение к решению только двух задач природопользования: предвычисление последствий изменения режима почвенных вод в зимне-весенний период при мульчировании поверхности почвы растительными остатками в агроэкосистемах с зерновыми посевами; повышение весенних влагозапасов псчеы путем кулисования полей с помощью высокостебельных растений.

Кулисование, т. е. создание кулис из высокостебельных однолетних растений - подсолнечника, кукурузы, горчицы, сорго и др. является одним из распространенных видов снежной мелиорации. Оно направлено на предотвращение сноса снега с сельскохозяйственных полей, увеличение запаса вода в снежном покрове. В свою очередь увеличение мощности снежного покрова часто улучшает гидротермический режим почвы в зимний период, уменьшая ее промерзание, способствует повышению водопроницаемости почвы в период впитывания талых вод.

Основным методологическим приемом выявления эффекта от применения кулисования в данной работе являлось сравнение пополнения запасов почвенных вод, рассчитанных для объекта с

естественным протеканием гидрологических процессов и для того же объекта, измененного в результате проведения этого снегоме-лиоративного мероприятия. Объектом являлобь сельскохозяйственное поле в районе Курской биосферной станции.

Методическими основами описания пополнения влагозапасов почвы на склоне сельскохозяйственного поля, происходящего как при кулисовании, так и при отсутствии кулис, служили описанные выше физико-математические модели формирования режима почвенных вод в зимне-весенний период. При этом заметим, что в предыдущих главах речь шла о физико-математических моделях формирования режима почвенных вод, основанных на использовании динамических уравнений эволюции соответствующих физических характеристик объектов во времени. Параметры, входящие в эти уравнения и характеризующие свойства гидрологических объектов, также являлись детерминированными величинами. Однако хорошо известно,что в действительности воднофизические характеристики гидрологических объектов (коэффициент фильтрации почвы, ее плотность, величина снегозапасов на различных участках склона и т.д.) очень сильно варьируют в пространстве даже на небольших расстояниях.

В связи с этим были разработаны подходы к возможному уче ту пространственной стохастичности некоторых из указанных выше параметров [Гусев, 19786, 1982а,б, Гусев, Ясинский, 1987]. Один из таких подходов основан на методе статистических ансамблей. Он представляет собой теоретическую разработку учета пространственной стохастичности параметров почвы, в осноеу которой положено уравнение эволюции не конкретной гидрофизической характеристики режима почвенных вод, например, влажности почвы, а функции ее распределения [Гусев 1982а,б].

Однако, такой вариант учета пространственной стохастичности параметров природных объектов оказался более удобным"" при описании процессов вертикального переноса воды; Для учета горизонтальной пространственной неоднородности гидрологических факторов, что и требуется при оценке эффективности кужсоза-ния, нами был разработан и использован другой подход, основанный на применении метода Монте-Карло [Гусев, 19786; ГусеЕ, Ясинский, 1987]. Метод базируется на обработке серии решений, полученных на основе детерминированной модели, в которой значения закладываемых в модель параметров определяются с помощью

почвы, в том числе и в зимне-весенний период, уменьшая промерзание почвы и создавая более благоприятные условия для пополнения запасов почвенных вод во время весеннего снеготаяния.

В основу метода оценки влияния мульчирования на температурный режим почвы в зимний период [Гусев, Ясинский, 1990] положено математическое моделирование теплопереноса в системе снежный покров - мерзлая почва - талая почва как при наличии мезвду снежным покровом й мерзлой почвой теплового сопротивления мульчслоя, так и при его отсутствии. Основные положения моделирования промерзания почвы и формирования ее температурного профиля в мерзлой зоне в отсутствии мульчирующего покрытия были изложены выше. Учет мульчи осуществлялся на основе введения в модель дополнительного термического сопротивления между почвой и снежным покровом.

Созданные модели позволили осуществить математическое моделирование динамики промерзания почвы и формирования в ней термического профиля как при отсутствии, так и при наличии на ее поверхности мульчирующего покрытия. Результаты моделирования сопоставлялись с данными экспериментальных исследований термического режима почвы, которые проводились зимой 1988-1989 г.г. в районе Курской биосферной станции ИГ АН СССР на трех участках: паровом, паровом, покрытом соломенной мульчей, и участке с естественным травяным покровом степной зоны.

При моделировании промерзания почвы под мульчирующим слоем необходимо иметь сведения о коэффициенте теплопроводности соломенной мульчи или войлока естественного растительного покрова. Автором была разработана специальная методика определения этого параметра.В результате была получена следующая оценка коэффициента теплопроводности соломенной мульчи под снежным покровом:

^ = (2,4 ± 0,7) • 1СГЛ кал/Сс см °С).

Наличие данных о высотах и коэффициентах теплопроводности слоев соломенной мульчи и войлока отмершей естественной травяной растительности позволило провести расчеты динамики промерзания почвы и формирования в ней температурного профиля. Результаты сопоставления рассчитанных и экспериментально определенных характеристик термического режима почвы приведены на рис.8 и 9.

Для оценки влияния соломенной мульчи на изменение

I-1-1-1-1 о

10 40 СО

е

XI хи I И 0

7Щ—'—'—'—г

Рис.8. Динамика промерзания почвы на открытом пару (а), пару, покрытом соломенной мульчей (0), участке с отмершим естественным травяным покровом (в). I - данные по мерзлотомеру Данилина; 2 - данные по электротермометрам ТЭТ-2; 3 - рассчитанные данные.

т;о

-з -г -1 01

Рис.9. Профили температуры в мерзлой зоне почвы на открытом пару (I, 4), пару, покрытом соломенной мульчей (2, 5), естественном степном участке (3, 6). I, 2, 3 - экспериментальные данные; 4, 5, 6 - рассчитанные данные.

пополнения весенних влагозапасов гочеы был проведен численный эксперимент для климатических условий Курскрй области, состоящий в расчетах объемов впитавшейся в период весеннего снеготаяния воды при наличии мульчи на поверхности почвы, и при ее отсутствии. Основой расчета служили описанные выше модели формирования почвенных вод в зимне-весенний период.

Полученные при проведении расчетов результаты свидетельствуют о некотором влиянии соломенной мульчи на величину пополнения запасов почвенных вод в весенний период в рассматриваемом районе (увеличение на 5-20 мм). К сожалению, отсутствие каких-либо экспериментальных данных по одновременному измерению стока на площадках с оголенной и мульчированной почвой не позволяет сопоставить рассчитанные результаты с наблюденными. Поэтому их можно рассматривать только как численный эксперимент, иллюстрирующий возможности применения описанных выше моделей для оценки эффективности мульчирования с точки зрения увеличения весеннего пополнения влагозапасов почвы.

Мульчирующее покрытие из растительных остатков изменяет термический режим почвы и в весенний период непосредственно после схода снежного покрова. Если зимой тепловое сопротивление мульчи уменьшает промерзание и охлаждение почвы, то весной это же сопротивление затрудняет оттаивание и прогревание почвы, что, в частности, может сказаться на сроках сева яровых или начале вегетации озимых сельскохозяйственных культур. Изменение времени оттаивания почвы в какой-то мере может повлиять и на изменение ее впитывающей способности непосредственно после схода снежного покрова.

При рассмотрении задачи о термическом режиме почвы после схода снежного покрова удобно выделить два характерных этапа прогревания почвы после схода снега. Первый связан с непосредственным оттаиванием мерзлой почвы, второй с прогреванием уже оттаявшей. Основой решения двух этих подзадач в настоящей работе явился, как и презде, метод интегрального теплового баланса.

Построенная в результате модель передвижения верхней границы оттаивания С имеет следующий вид

/ Г Лз V

а.зтб™

<2т • (23)

1*=1Г«г-ин;+с3гп/2

где б - высота слс< мульчи, - эффективная теплопроводность мульчи, - теплопроводность талой почвы, Тб - температура воздуха, 2"п - температура поверхности почвы, с3 - теплоемкость талой почвы.

Решение задачи о нахождении профиля температуры почвы после ее оттаивания выглядит следующим образом

Т(г^)-

2-0 - г тп~д— + т(°>о-

л

Т(г,г)

г = г*

+ А(г-а)г при 0<г<а прио^ г<1

■»к

I - Ст,

, I = ■/12 а3 гз

(24)

А = е

12 а^

'Л "

72 0,1'

з

о^а <и1

л'

о «

У^аТТ

аз= \з/сз-

"*3" ■

где ?3 - продолжительность зимнего периода, Ск -* глубина промерзания почвы в конце зимнего периода, а момент 1=0 соответствует моменту полного оттаивания почвы.

При проведении расчетов кроме задания теплогидрофизичес-ких характеристик почвы - теплопроводности и теплоемкости, содержания незамерзшей воды в ней, необходима информация о коэффициенте эффективной теплопроводности к* мульчслоя после

схода снежного покрова. В связи с этим были проведены специальные полевые исследования для его независимого определения.

Было установлено, что в отличие от случая мульчи под снежным покровом, для мульчи после снеготаяния основной вклад в механизм теплопереноса в ней вносит конвективная составляющая, обусловленная влиянием ветра. Поэтому коэффициент X* был оценен независимым способом на основе данных о коэффициенте эффективной турбулентной диффузии в соломенной мульче с^, для определения которого была проведена серия специальных полевых исследований, связанных с испарением воды почвой под слоем мульчи. Выбор такой методики определения с^ был обусловен тем, что перенос водяного пара в открытой мульче также как и перенос тепла определяется в основном механизмом вынужденной конвекции.

Оценка с^ для соломенной мульчи проводилась на основе экспериментов по определению испарения с оголенной смоченной почвы Е0 и с почвы, покрытой слоем мульчи Е , с использованием следующего соотношения:

8 В

Е0 — - 1

Е

I ф* В И--

Ср + Ъ Ф' Ъ Е

(25)

где Ь - коэффициент конвективного массообмена между подстилающей поверхностью и стандартной высотой наблюдений метеоэле-

А

ментов, X - теплота фазавого перехода вода-пар, Ср- теплоемкость воздуха, <р' - производная по температуре зависимости насыщающей влажности воздуха от его температуры, В - теплообмен в почве.

Указанные эксперименты были проведены в районе Курской биосферной станции ИГ АН СССР в течение двух летних сезонов (1988, 1989 г.г.). Всего было поставлено около 30 серий опытов при различной высоте слоя соломенной мульчи и при разных значениях средней за период наблюдения скорости ветра (от 0,5 до 2,5 м/с). Проведенные измерения показали, что указанные выше параметры связаны с коэффициентом турбулентного обмена между подстилающей поверхностью и стандартной высотой измерения метеоэлементов (~2м) В следующими соотношениями

-л» Л< *

где й « 0,8 см, а Ху « й'О, где й' <* 0,24 кал/см2оС.

- г

о *

Т,°С 1}

Рис.10. Динамика среднесуточной температуры почвы в степ (а), на участке, покрытом соломенной мульчей (б), и на пар (в). I - температура воздуха, 2,3 - рассчитанная темпера тура почвы на глубинах соответственно 10 и 40 см, 4,5 измеренная температура почвы на тех же глубинах.

В результате оказалось, что при скоростях ветра характерных для марта, апреля в районе Курской биосферной Х^ <* 2 • Ю'л кал /(см с °С), что и было принято при проведевди модельных расчетов динамики температуры почвы под слоем мульчи с целью сопоставления получаемых результатов с натурными данными.

Найденное значение коэффициента эффективной теплопроводности мульчи дало возможность провести. расчеты термического режима почвы после схода снежного покрова на основе рассмотренных выше моделей для конкретных объектов и провести сопоставление расчетных данных с данными непосредственных наблюдений. В качестве таких объектов были взяты три площадки в районе Курской биосферной станции: с оголенной почвой, с почвой, покрытой слоем соломенной мульчи с указанными вше характеристиками, а также на степной площадке, покрытой естественным войлоком отмершей травяной растительности с плотностью 1 кг / м2 и эффективной высотой « 7 см . Коэффициент для отмершей растительности естественного травяного покрова принимался таким же, как и для соломы.

Сопоставление рассчитанных и измеренных характеристик термического режима почвы (рис.10) показало их удовлетворительное согласие, что свидетельствует как о "работоспособности" моделей, так и о достаточной надежности определения входящих в них параметров почвы и мульчи. Далее, как расчетные,так и измеренные данные показывают, что слой соломенной мульчи (при той его плотности, какая была в эксперименте) по своему воздействию на термический режим почвы в весенний период почти эквивалентен слою естественного войлока отмершей травяной растительности. Это обстоятельство немаловажно по той причине, что с экологической точки зрения наиболее оптимальны, как было отмечено выше, те технологии природопользования, которые в меньшей степени нарушают сложившийся в результате эволюции естественный режим природных объектов .

Основные выводы

I. Главная экологическая роль почвенных вод заключается в том, что в процессе своего движения в системе почва-растительный покров-атмосфера они удаляют большую часть энтропии, производимой растительным покровом суши в процессе его метаболизма, тем самым позволяя зеленым растениям суши сохра-

нять и увеличивать свою упорядоченность.

2. Участие почвенных вод в кругообороте вод суши, связанном с круговоротом биоэлементов наземных экосистем, дает экологическое обоснование использованию в качестве меры оценки ресурсов почвенных вод величины суммарного испарения фитоцено-зов. Подтверждено, что использование такой меры объединяет на единой основе ресурсы всех составляющих вод суши: поверхностных, почвенных и грунтовых вод.

3. Общее уравнение переноса воды в ненасыщенных средах, полученное на основе статистической теории неравновесных процессов, является теоретическим обоснованием используемых в настоящее время методов описания движения воды в ненасыщенной почве. В случае слабонестационарных процессов переноса вода в почве для их описания возможно использование уравнения Дарси-Букингема, являющегося частным случаем полученного уравнения.

4. Разработанный комплекс физико-математических моделей формирования гидротермического режима почвы в зимне-весенний период, включающий модели промерзания почвы и миграции вода в мерзлую зону со стороны талой, формирования температурного профиля почвы перед снеготаянием, впитывания талых вод в мерзлую почву, оттаивания и прогревания почвы, удовлетворительно описывает различные качественные и количественные закономерности протекания отмеченных процессов и может' быть использован для расчетов характеристик формирования режима почвенных вод в указанный период. Предложенные в работе варианты параметризации теплогидрофизических характеристик почвы могут являться основой информационного обеспечения указанных моделей.

5. Основными характеристиками, требующими учета их микромасштабной пространственной вариабельности при моделировании режима почвенных вод в зимне-весенний период, являются коэффициент фильтрации почвы и величина снегозапасов. Рассмотренные в работе варианты динамико-стохастического моделирования процессов формирования почвенных вод могут быть использованы для учета влияния пространственной микромасштабной неоднородности распределения снегозапасов на склонах и коэффициента фильтрации почвы при расчетах впитывания талых и дождевых вод.

6. Разработанные метода, расчета промерзания, оттаивания и весеннего прогревания почвы, покрытой мульчей из растительных остатков, отражают экспериментально установленные закономер-

ности протекания указанных процессов и могут быть использованы для оценки влияния мульчи на формирование гидротермического режима почвы в зимне-весенний период.

7. Экспериментально определенные теплогидрофизическке параметры соломенной мульчи служат информационной основой как при оценке эффективности мульчи в качестве депрессора непродуктивного испарения, так и при анализе ее влияния на уменьшение амплитуд колебаний термического режима почвы. Установлено, что применение слоя соломенной мульчи толщиной 5-10 см создает гидротермический режим почвы, близкий к режиму естественной • степной экосистемы.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях.

1. Гусев Е.М. Зависимость интенсивности впитывания веды в почву от ее начальной влажности// Водные ресурсы. 1978.

С.45-52. (0,8 п.л.)

2. Гусев Е.М. Влияние горизонтальной неоднородности коэффициента фильтрации почвы на интенсивность впитывания// Метеорология и гидрология. 1978. * 7. С. 66-73. (0,9 п.л.)

3. Гусев Е.М. Об уравнении нестационарного переноса влаги в почвогрунтах // Доклады ВАСХНИЛ. 1979. ЖЗ. С.39-41. (0,3 п.л.)

4. Гусев Е.М. Исследование процесса впитывания дождевых осадков. Автореф. канд. техн. наук. Москва, Агрофизический КИИ,

1979. 21 с. (1,5 п.л.)

5. Гусев Е.М. Об одном уравнении изотермического движения воды в почве // Почвоведение. 1979. Ш. С.61-68. (0,7 п.л.)

6. Гусев Е.М. Методика расчета впитывания и поверхностного стока на единичном склоне с учетом пространственной изменчивости фильтрационных свойств почвы // География и природные ресурсы.

1980. Ш. С.161-163. (0,3 п.л.)

7. Гусев Е.М. Проблемы теории переноса жидкости в ненсыщен-ных пористых средах // Физика почвенных вод. М.: Наука, 1981. (1,7 п.л.)

8. Гусев Е.М. Экспериментальное исследование напорного впитывания// Физика почвенных вод. М.: Наука, 1981. С. 195-205. (1,5 п.л.)

9. Гусев Е.М. Вариант динамико-стохастического моделирования гидрологических процессов- // Метеорология и гидролегкд. 1982. Ав. (0,8 п.л.) . ,

10. Гусев Е.М. Стохастическое описание водного обмена на сельскохозяйственном поле//Доклада ВАСХНИЛ. 1982. *10.(0,5 п.л.)

11. Гусев Е.М., Будаговский А.И. Определение потоков воды в ненасыщенных средах // Водные ресурсы. 1982. #2. (1,0 п.л.)

12. Гусев Е.М. Определение релаксационной функции ненасыщенной почвы // II-ая Всесоюзная конференция по применению математических методов и ЭВМ в почвоведении. Пущино. 1983.(0,2 п.л.)

13. Гусев Е.М. Определение релаксационной гидрофизической функции ненасыщенной почвы // Почвоведение. 1983. С.51-56. (0,5 п.л.)

14. Гусев Е.М. Приближенный численный расчет глубины промерзания почвы // Метеорология и гидрология. 1985. J6 6. С. 94102. (0,9 п.л.)

15. Гусев Е.М., Ясинский C.B. Методика расчета динамики термического режима почвы в зимний период// Материалы метеорологических исследований. М.: Междуведомственный геофизический' комитет АН СССР, 1986. * 10. С. 87-100. (1,3 п.л.)

16. Гусев Е.М., Ясинский C.B. Моделирование склонового стока талых вод с учетом пространственной вариации снегозапасов // Изучение и оптимизация водных ресурсов Центральной лесостепи. Московский филиал Географического общества СССР. Курск. 1987. (0,6 п.л.)

17. Гусев Е.М. Упрощенный расчет глубины промерзания почвы с учетом миграции воды к границе промерзания // Водные ресурсы. 1988. » I. С. 33-42. (1,0 п.л.)

18. Гусев Е.М. Впитывание вода в почву в период снеготаяния// Водные ресурсы. 1989. Jt 2. С. 19-31. (1,3 п.л.)

19. Гусев Е.М., Будаговский А.И. Почвенные вода // Водные ресурсы. 1989. N5. С.16-27. (1,2 п.л.)

20. Гусев Е.М. Экологическая роль почвенных вод и их ресурсы // водные ресурсы. 1990. * 5/C.II0-I2I. (1,3 п.л.)

21. Гусев Е.М., Ясинский C.B. Влияние мульчи из растительных остатке^ на формирование,'термического режима почвы в зимний период // Почвоведение. 1990. J6I2. С.46-54. (0,9 п.л.)

22. Gusev Е.М. Modelling of water transfer in soils for the winter-spring period // ■ IAHS Publication N 204. Hydrological Interaction Between Atmosphere, Soil and Vegetation. 1991. p.235-244. (0,7 п.л.)

-

23. Gusev Ye.M., Busarova O.Ye., Yasinsky S.V. Impact of mulch layer composed by organic remains on the soli hydrother-mlc regime In the water-spring period // Annals Geophysical. Part II. Oceans, atmosphere,, hydrology & Nonlinear geophysics. Supplement II to Volume 10. Springer International. 1992. P.273. (0.1 H.ji.)