Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Методы построения и использования комплексных моделей почвенных процессов в мелиорации
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат диссертации по теме "Методы построения и использования комплексных моделей почвенных процессов в мелиорации"
На правах рукописи
Никитенксш Борис Федорович
Методы построения ш использования комплексных моделей почвенных процессов в мелиорации
Специальность 06.01.02 -сельскохозяйственная мелиорация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 2000
Работа выполнена
в Московском государственном университете природообустройства
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор Манукьян Д.А. Доктор сельскохозяйственных наук Панкова Е.И. Доктор технических наук, академик РАСХН Маслов Б.С.
Ведущая организация - Всеросийский научно-исследовательский институ Гидротехники и Мелиорации им. Костякова А.Н. (ВНИИГиМ)
Защита состоится "6" марта 2000 г, в 15 часов на заседани! диссертационного совета Д120.16.01 в Московском государственно!! университете природообустройства по адресу: 127550, г. Москва, ул Прянишникова 19, МГУП, ауд. 201.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.
Автореферат разослан " ^ " февраля 2000 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
профессор Л.В.Яковлева.
7 СЗ £ *<0
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Почвы современных сельскохозяйственных ггодий существенно утратили свое генетическое естественное плодородие. Опыт юказывает, что в условиях земледелия почвы не могут долго сохранять присущий 1М исходный уровень плодородия. Необходимо постоянно изменять их свойств, тучшать, мелиорировать. До тех пор пока основным источником продуктов штания является сельское хозяйство, альтернатив развитию мелиорации :ельскохозяйственных угодий не существует.
Приемлемый уровень урожая, обеспечивающий нормальные показатели :ачества жизни населения будет достигаться через новые технологии ¡емледелия, в которых Судет присутствовать не только компонент охраны почв ю и система поддержания физико-химических их свойств и режимов для »беспечения долговременного агроэкологичнеского эффекта.
Ставшая столь привычной концепция необходимости роста продуктивности Iашни уже не может удовлетворить экологически ориентированное »бщественное сознание, требуется инвентаризация имеющегося опыта, •азработка соответствующего понятийного аппарата и языка, адекватно сражающего поиск альтернатив. Распространенная сейчас концепция охраны |рироды, постепенно будет заменяться концепцией рационального форми-ювания глобально безопасной среды обитания человека .
Ни один из аспектов природопользования не вызывал такой поляризации ¡нений, как мелиорация земель. Водные мелиорации явились тем полигоном, це возрождающееся общественное мнение впервые заявило о себе как о ажном социальном феномене. К сожалению эти дискуссии были мало онструктивны и лишь демонстрировали отсутствие у многих ее участников авыков их ведения.
Функции мелиорации полезно рассматривать в более широких рамках, апример, как кардинальное улучшение агроэкологической обстановки на ровне ландшафтов, районов, бассейнов рек и т.д.
Ориентация на экосистемное понимание мелиоративной деятельности, как елостного и комплексного подхода к рассмотрению, планированию и ациснальному использованию компонентов экосистем должна способствовать овышению устойчивости этих компонентов и окружающей среды в целом. Такой -штывающий многие среды подход, являющийся географически всеобъем-ющим, и направленный на восстановление, поддержание и улучшение условий елиорируемых земель, водоемов и других экосистем.
На современном этапе совершенствование теории и практики управления подородием почв становиться необходимым более последовательное ^пользование новых экологических принципов и методов,функционирования
почвы, как открытой, сложной, многокомпонентной, динамической системы с последующей оценкой допустимости сельскохозяйственной деятельности ^ предотврашения возможных негативных последствий.
Сказанное позволяет считать выбранные для темы диссертации проблему V направление исследований как актуальное и имеющие важное теоретическое и прикладное значение
Цель работы состояла в анализе существующих и разработке нового поколения математических моделей, охватывающих весь важнейший комплекс почвенных процессов, отличающихся повышенной глубиной теоретического обоснования и позволяющих комплексно оценивать и прогнозировать режимь богарных и мелиорируемых земель, работоспособных в самом широком спектре природно-климатических условий.
Методы исследований. Методологической основой диссертации являете? использовние наиболее конструктивных направлений теории систем ь современных представлении о строении и функционировании почвенных систег, основанные на комплекса знаний почвоведения, физической химии гидромеханики, химической кинетики, микробиологии, математики I вычислительной техники.
В диссертации представлены результаты более чем 30-ти летних лабора торных и полевых экспериментов по изучению почвенных режимов в разны) природно - климатических условиях и физико-химических свойств почв позволивших теоретически обобщить существующие методы расчетов £ мелиорации и показать влияние неучитываемых в настоящее время факторов таких ка тепловой и газовый режимы почв, развить теорию ионного обмена I показать один из возможных выходов на динамическое прогнозирования урожа; сельскохозяйственных культур.
Научная новизна работы заключается:
в развитии и использовании системных представлений о строении I функционировании почвы, позволившие очертить рамки исследований и выявит! наиболее важные функциональные элементы п роцессы в почвах;
а совершенствовании методологии единства эксперимента и теории I создании и уточнении прикладных математических моделей почвенны: процессов, для учета медленных негативных тенденций и их предотврашнеия.
в создании новых конструкций приборов и новых методов лабораторны: исследований процессов движения почвенных растворов и воздуха I ненасыщенных влагой почвах. Эти лабораторные исследования явились осново! получения динамической инфорсации о медленных процессах и многочисленны; свойст почв, редко измеряемых в производственных ксловиях.
в организации и проведении комплексных полевых экспериментов ( различных природно-климатических условиях с использованием новы: технических средств и приборови получить экспериментальный материал,
аналогов кокорого не существует в настояшеее время.
в построении новых математических моделей ионообменных процессов и методов оценки устойчивости структуры почв, основанных на методах физико-химической кинетики и коллоидной химии.
в анализе основных положений теории движения массы и энергии в пористых средах, позволивших выявить неизвестные эффекты и связи, учесть их в основных уравнениях и тем самым уточнить условия их использования в практике.
в разработке новых расчетных моделей для нахождения наиболее сложно и ненадежно определяемых экспериментально проводящих и массо-обменных свойств почвы, без которых невозможны комплексные расчеты почвенных режимов.
в обосновании необходимой структуры комплексных математических моделей водного, теплового, солевого, пищевого и газового режимов почв на богарных и мелиорируемых землях, и состав необходимой информации для расчетов водного, теплового, газового и солевого режимоа почв и их физико-химических свойств..
Основные защищаемые положения.
1) Комплексный многорежимный подход к процессам протекающим в почвах, основанный на системных представлениях и принципах о почвах и разработке на этой базе теории моделирования почвенных процессов и методов их проктического использования в мелиорации.
2) Методы и конструкция новых приборов экспериментальной поддержки основных положений теории почвенных процессов и прикладных математических моделей организации и проведении комплексных полевых исследований в разных природно-климатических условиях.
3) Система математических моделей для расчетов и прогнозирования водного, теплового, солевого, пищевого и газового режимов почз.
Практическое значение работы заключается в доказанной возможности и эффективности использования разработанных теоретических методов для прогноза основных почвенных режимов и оценки экологического состояния почв на богарных и мелиорируемых землях в широком спектре природно-климатических условий. (Результаты работы внедрены в Молдавии при обоснования режимов капельного орошения; в Краснодарском крае при проектировании водно-солевого режима Краснодарской оросительной системы, в Центральной Якутии при создании опытно-производственного участка "Старая Капитоновка"; при организации и проведении полевых экспериментов в Брестской, Смоленской обл., ОПУ "Лесное" в Белоруссии, Краснодарском крае и др.. Определены с использованием наших приборов Физико-химические свойства почв для проектных работ и научных исследований для ряда почв Краснодарского края, торфов Белоруссии, сероземов Джезказганскай степи,
Таджикистана, Грузии, Якутии, ферралитиых почв Кубы, Ганы, Гвинеи, а также для почз Алжира, Мороко, Сирии)
Апробация и публикации.
По теме диссертации опубликованоболее 35 работ. Основные положения докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГМИ и МГУП (1972-1998 г.г.) Всесоюзных конференциях - 1972, 1975, 1982, 1986, 1989, 1993, 1997 г.г.
Объем работы 303 стр. машинописного текста включая 50 илл. и 20 табл.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Основное содержание работы заключено в семи разделах.
1. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПОЧВЕ
На начальных стадиях углубления и детализации имеющихся представлений о почве, как об объекте, на который направлены познавательные процедуры, необходимо построить схемы этого объекта, охватывающие все его основные черты, необходимые для последующего оперирования. На почву, в методологическом плане, как на любой объект нужно иметь множество точек зрения, каждая из которых дает множественность представлений о почве. Это множество является суммарным знанием сущности объекта.
Почвенные системы по определению являются «открытыми» т.к. элементы этих систем взаимодействуют с окружающей внешней средой. Кроме явных признаков системности (условная делимость, непрерывность и единство, организованность) почвенные системы имеют и все признаки сложности:
- изменение одной подсистемы влечет за собой изменение других подсистем и перестройку почвенной системы в целом;
- неравномерную динамичность (скорости изменения основных параметров почв колеблятся в больших диапазонах);
- воздейстаия и нагрузки в почвенных системах имеют стохастическую составляющую;
- типичные требования к целевым функциям почвенных систем являются взаимно 'исключающими (требование сохранения плодородия - лимитирует интенсивность технологий, повышение продуктивности вызывает загрязнение окружающей среды и т.д.);
- существенне влияние хозяйственного использования и исскуственное поддержания уровня плодородия почвы человеком со своими целями);
Внешние функции почвенных систем выходят за рамки чисто технических или экономических (потребительских) приложений, а затрагивают глобальные процессы жизни на Земле.
Отдельные части почвенной системы блочно представлены на рис 1.
-7В соответствии с современными экосистемными представлениями в почвенных системах прежде всего следует выделить биотические и биотические компоненты.
Наше понимание почвенных процессов, отраженное в соответствующих моделях, должно отражать условия функционирования почвенных организмов.
Основные объемные части почвы могут быть представлены как подсистемы с дополнительными признаками делимости. Так твердая част почвы может быть разделена на минеральную и органическую части, легко растворимую и трудно растворимую, агрегатированную и неагрегатированную. Также могут подразделяться жидкая и газовая части почвы. Основные параметры абиотических процессов и свойства материала приведены на рис. 2.
Тощ ~
ПОЧВЕННАЯ СИСТЕМА
ССНССНЫ5 КОГЛПСН5НТЫ ПОЧ!?У
3
Л5 [ГОТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ
твердая !
чыт» { (мстеагм
I I .1 I
ГРАНИЧА ГРАНИЦА
ТВЕРДЫХ ПОЧВЕИНСГО
ФАЗ РАСТВОРА
И и
гючэашего почасного
РАСТВОРА ВОЗДУХА
( БИОТИЧЕСКИЕ КОГЛПЗКЗДШ } ---—
действия
лочзт-иой
еноты
и
почаы
А Т-
кУ
^ТЗзанмодейстЕг^ Смедтичесяя котозксит: Е!?ОТИЧ~СК11Е ПРОЦЕССЫ
Ж
Рис. 1 Основные части почвенных систем, отличающихся физико - химческим состоянием, функциями и организацией.
Представления о почвах, как капиллярно-пористых, дисперсных многофазных телах, в рамках которого обычно рассматриваются процессы движения и физико-химической трансформации веществ и энергии, ни в коей мере не характеризуют почву, как среду обитания огромного количества самых разнообразных организмов. Полидисперсность твердой части почвы и
неоднородность порового пространства способствуют разделению почвы н множество слабо взаимодействующих микрообъемов, в которых при функцу онировании почвенных микроорганизмов могут создаваться существенн отличающиеся и даже противоположные условия.
ПОЧВЕННАЯ СИСТЕМА
Рис. 2 Основные свойства и параметры частей почвенной системы
Особо в почвах выделяют роль гумуса. Являясть продуктом микробис логической и физико-химической переработки органического веществ, он дл ряда почв служит ближайшим резервом питательных элементов, зкогогическо нишей обитания микроорганизмов. Велика роль гумуса в создании поддержании структура почвы, устойчивости почвенных агегатов.Не совсе понятно в настоящее время его значение в формировании гетерогенно-блоково стркутуры почв, значение которой в формировании регионального водног режима несомненна.
Далее в работе дается общая характеристика основных компонент и фг почвенной системы - твердой части, почвенных растворов и почвенного воздух а также поверхностных явлений.
Почва, гак система начинается с появления элементарных частиц (в то числе органических) с их особыми физическими и химическими свойствами. Эт частицы, взаимодействуя с растворами, определяют дальнейшие структурны изменения, и в конечном итоге, дифференциацию химических и физике химических свойств и визуальной различимости отдельных типов почв.
Моделирование структуры пористых тел исходит из необходимости учест эффекты, наличие которых определяется микро-неоднородностями внутренне! строения почвы. Понятие элементарного объема почвы является одним ь основных в разработки теории почвенных процессов. В этом объеме, с одной
тороны должны присутствовать все необходимые компоненты почвенной системы, а сдругой стороны этот объем является единым целым. В зависимости от поставленной задачи представление о строении элементарного почвеннсго объема должно быть разным.
На рис.3 представлен один из вариантов строения элементарного объема почвы с выделением подсистем отличающихся по физико-химическому состоянию, функциям в почвенной системе.
2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ, ВОЗДУХА И ТЕПЛА В ПОЧВАХ
Вода и воздух в почвах являются наиболее подвижными частями многофазной почвенной системы. Растворенные химические вещества оказывают воздействие на движение воды. Однако химический состав и концентрации почвенных растворов мало изменяют физико-химические свойства подвижных фаз, чтобы нельзя было рассматривать химические процессы и процессы движения и перераспределения воды и воздуха в почвах раздельно.
Рис. 3. Один из вариантов строения элементарного объема почвы.
1 - материал агрегата; 2- внутри агрегатная пора; 3 - материал чежагрегатного пространства; 4 - растительные остатки; 5 • мелкие поры мстительных остатков; 6 - почвенный воздух; 7 - корни растений; 8 ■ очвенный раствор; 9 - колонии микроорганизмов.
Температура почзы существенно изменяет состояние и физико-химические свойства жидкости и газа. Вязкость воды меняется более, чем на 30% пру изменении температуры на 10 что ведет к пропорциональному изменения скоростей движения. Изотермические приближения процессов движения водь и воздуха представляются достаточно грубыми.Поглощение воды корняму растений является сложным процессом, сочетающим в себе как физические так и физиологические функции. На основепредставлений об энергетики отборе и вариационных принипов минимизации энергетичекого функционала былг получена формула для интенсивности отбора воды корнями растений:
Т • [Рк (у/ ) - Р з I • [1 - 13]
(Г
и =
1(Рк - Р3 ) ■ (I - 13) йх
о
Рз - предельное сосущее давление корневой системы, определяемое видог. сельскохозяйственной культуры; О - нижний предел температуры метаболизме Для аппроксимации зависимости влагопроводности от влажности предла
гается следующая трехпараметрическая зависимость:
г . ... Ч в
К
(VI ж ) = К ф о Ехр
А 1
№
т
т
(/V
(2
ж - •• М
Эта зависимость может аппроксимировать как данные, которые олисы ваются известной формулой С. Ф. Аверьянова, так и формы, которые формуло! С. Ф. Аверьянова не описываются (рис.4).
А К»
: ехр
-70-
IV
—; «1 = 0.85 гл
та, -о.2
х х эксперимент
с^—О расчет по формула
Солоно "Лсс810с" (1968 г.)
ш —+—
0.5
0.6
0.7
Рис. 4 Зависимость коэффициента влэгогшозадкости торфяной почвы от влажности
(УДИ. Лесное, (1968 г.)
Наименее изученным вопросом при моделировании теплового режима почв является вопрос об учете фазовых переходов вода - лед в осенний, зимний и весенний периоды.
Льдистость (L) зависит от ее температуры. З.А. Нерсесовой (1953-1957гг.) доказано, что количество незамерзшей воды (WH) определяется только температурой почвы и не зависит от исходной влажности.
L(t) = W - WH (t) (3)
По опытам 3. А. Нерсесовой, была определена структура и получены параметры зависимости количества незамерзщей воды от температуры
В области, фазовых переходов, коэффициент теплопроводности обычно аппроксимируют зависимостью:
УМ „t WH (4)
К, = К
1-
- к-
\Л/ ) ' \л/
Где - теплопроводность полностью замерзшей К^ и полностью протаившей К^. почвы (являются эмпирическими функциями влажности почв \У).
Далее в главе 2 рассматриваются возможности и техника математического моделирования процессов движения в почвах влаги, воздуха и тепла и примеры расчетов процессов инфильтрации, водообмена и испарения почвенной влаги в изотермических и не изотермических условиях.
Система уравнений, описывающая процессы движения воды и почвенного воздуха может быть представлена в виде: 5\Л/ д .. дИ „
дх д_ дт
-К
ах w ах Рв(т - w)
с ii-
Сэ аг
н = Pw -
т
_а_
дх х;
дх
'К„ ар„
дх
т
к
1L
дх
- С о • Ч W
рн
Pw =
at_. ах' Pk(w.t);
(5)
Сэ = Сск + C0(W - L) + ClL + Al
dWj. dt
Среди численных методов решения приведенной системы, обладающих устойчивостью и сходимостью, может быть рекомендован потоковый вариант метода матричной прогонки.
Процессы инфильтрации и протаивания почв моделировались для условия метеостанции «Якутск».Свойства почвопределялись по описанию почвенно-грунтового профиля. Изменение параметров системы уравнений проводилось в пределах, допускаемых для данного типа почв. Получено удовлетворительного совпадения расчетов с непосредственными замерами .
В завершении главы исследуются возможности моделирования процессо инфилырации, водообмена, капиллярного подъема и водоотдачи. Результат! этих расчетов опубликованы в работах Никитенкова Б.Ф. (1974-1991 ] Ведерникова В.В. и Никитенкова Б.Ф (1977-1978), Никитенкова Б.Ф. и Попов Л.Г. (1975,1978 )
В целом можно сделать вывод о хороших интерполирующих и аппроксиму рующих свойствах системы уравнений (5).
3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЧВЕННЫ: ПРОЦЕССОВ
В области прикладного почвоведения появление новой теоретическо модели того или иного процесса сопровождается соответствующей проверко ее в лабораторных или полевых условиях. Анализ таких работ показывает, чт речь идет всего лищь об оценках аппроксимирующих или экстраполирующи свойств рассматриваемых моделей.
1986-1991 г. в МГМИ под руководством автора был создан ряд лаборатории установок и проведены комплексные исследования физико-химических свойст почв и процессов движения влаги и ионоз солей при неполном насыщении поч: влагой.
Схема одной из наиболее совершенной из созданных установок (Рис.5)
представляет собой колонку внутренним диаметром 15 см и высотой 160 см, зборудованную системой отбора растворов солей с нижней крышки колонки, лбора порового раствора с глубин 10. 30, 50, 70, 90, 110, 130,150 см, датчиками тензиометрами для измерения капиллярного давления, расположенными по ¡ысоте колонки на тех же глубинах и ионоселективными электродами для !змерения рН порового раствора на глубине 30, 70, 110, 150 см. На нижней ранице колонки поддерживалось отрицательное давление и создавалось шполное насыщении почвы на нижней границе.
Эксперимент был направлен на изучение процессов движения влаги и ионоз :олей в почвах при неполном их асдонасыщении и подаче в колонку растворов >азличной минерализации. Исследования проводились на черноземе •быкновенном
В диссертации приведены конструкции и описание экспериментов еще двух становок для исследования процессов движения компонент почвенного детвора и диффузии почвенных газов при неполном влзгонасыщснин. Описаны риборы для измерения капиллярного давления и даются способы получения исследования почвенных растворов.
Для черноземоз, торфяников, степных сероземоз, ферралитных поиз Ганы, винеи и Кубы, и многих.других пипов почв были получены физико-химические войства - изотермы ионного обмена, зависимости капиллярного давления от лажности почв и др..3ти работы дали большой г/атериал для исследования 1атематических моделей и их интерполяционных свойств в самых разно-бразных ус условиях.
1. Промывка засоленных мерзлот ных почв (Якутии)
Проблема засоления орошаемых земель в Центральной Якутии не имеет налогов в других зонах России. Практическое отсутствие дренирозаннссти, пределяемое режимом многолетнемерзлых почв, а также существенногз пияние зимнего периода на процессы перераспределения солей в почвах, аличие фазовых переходов вода-лед во все периоды, позволяет считать эту роблему одной из самых трудных в практике мелиорации земель. Засоление в эй или иной степени начинает проявляться уже в первые пять лет эксплуатации лстем, а через десятилетия орошаемые почвы имеют большой процент сильно эсоленных почв (пухлых солончаков).
В 1973-1978 г.г. в были проведены специальные исследования направленные а определения возможностей промывок засоленных земель используя атопление площади и дождевания.
Схема участка промывки затоплением предстазлена на рис. 6.
Описание эксперимента. Промывка началась 01.09.75 и закончилась 5.10.75. Средний слой поданной соды -500 мм. Участок был оборудован эедствами телеметрии для наблюдения за температурами почвы и воздуха, аждые 6 часов
проводился стандартный комплекс замеров метео параметров (Влажность воздуха, скорость ветра, прямая солнечная радиация, осадки) два раза в сутки замерялся УГВ по всем створам и слой воды по площади.
Результаты. Химические анализы показали, что почвы после промывки до глубины сезонного протаивания промыты. На участке исчезла галофитные виды растений. Их заменили луговые злаковые виды. Солевой баланс указывал на большое количество солей которые должны были бы остаться на участке.
В результате глубокого бурения (2,5 м.) ниже границы протаивания обнаружена незамерзщая насыщенная водой прослойка с общей концентрацией 25-30 г/литр. Характерно, что такие же прослойки были обнаружены в 1973-1974 г. Под старыми каналами при проведении изысканий институтом "Якутгипроводхоз"
В 1977 г. талой прослойки до глубины 3.5 м. Обнаружено на участке промывки не было а грунт на месте первонычальной прослойки был слабо засоленным с концентрацией солей не более 5г/литр.
Рис.6. Схема участка промывки засоленных земель (Старая Капитоновка). I - VII - створы иаблюдадэтельных сквожин.ТР - магистральный трубопровод; К1, К2 -приемные колодцы дренажного стока;ЛТ - линии телеметрии.
2. Эксперимент ИМПР (Белоруссия)
Цель эксперимента состояла в том, чтобы в полевых условиях получить необходимый экспериментальный материал о процессах, протекающих в торфяной почве, и их параметрах, параллельно с измерением показателей роста и развития сельскохозяйственных культур.
Основным принципом б проведении эксперимента было достижение жсимального различия траекторий факторов роста и развития сельскохо-йственных культур на различных вариантах опыта сданной культурой. В каждом вариантов опытов искусственно (поливами и внесением удобрений) .одерживался разный водный и пищевой режимы.
Список измеряемых в эксперименте величин составлял более 100 параметров. Ограничемся здесь перечислением измеряемых величин. Среди них: вес юушенных стеблей растений. (Отбор с площади 0,25 кв.м), вес высушенных ютьев растений. (Отбор с площади 0,25 кв.м), вес высушенных колосьев стений. (Отбор с площади 0,25 кв.м),.вес высушенных 20 растений. (Отбор с ощади 0,25 кв.м), площадь листьев. (Отбор с площади 0,25 кв.м), весовая ажность листьев, весовая влажность стеблей, весовая влажность колосьев, (личина осадков, рН, ЫН4, Ы03, Р, К, А1, Ре, Са, С1, Мд, Ма, воды в дренажном лодце до и после полива, рН, МН4, Ы03, Р, К, А1, Ре, Са, С1, Мд, № поливной ды, содержание МН4, N03, Р в почве елей 0-25 см. (стандартная кислотная 1тяжка), содержание ЫН4, Ы03, Р в почвенном растворе, пересчитанное на 0 г сухой почвы, слой 0-25 см, рН, Ж4, (МО,, Р, К, А!, Ре, Са, С1, Мд, Ыа почвенного (створа (мг/л). слой 0-25 см, весовая и объемная влажность почвы, ределенная в образцах почвы для замеров параметров корневой системы, ьемный вес почвы.,интенсивность выделения углекислого газа с поверхности чвы. Уровень грунтовых вод. температура поверхности гточзы и на глубинах 10, , 50, 100, 150 см. температура на высоте+ 50 см. Сырой вес стеблей, листьев, посьез и корней, весовая и объемнаявлажность корней растения, слой 0-25 . плотность корневой системы (Бес влажных корней, деленный на объем почвы), едняя плотность корней в слое 0-25 см (вес корней, деленный на их объем), ¡отность распределения корней по слою 0-25 см почвы.(вес сухих рней,деленный на обьем почвы), вес одного растения в комплексном образце, с высушенных стеблей, листьев, колосьев в комплексном образце растений. ,юота растений (комплексный образец).
(Отбор с площади 0,25 кв.м).Высота растений, Биомасса растений, количество стений, среднее количество стеблей на одном растении, Биомасса 20 растений <орнями, вес корней 20 растений, вес стеблей 20 растений, вес листьев 20 стений, вес колосьев 20 растений, вес сухих корней 20 растений, вес юушенных стеблей 20 растений, вес высушенных листьев 20 растений, пес юушенных колосьев 20 растений,вес высушенных корней 20 растений. 3. Полевые исследования кинетит химического состава почвенного >здуха и окислительно - восстановительного потенциала (ОЗП) шснодарских черноземов
Целью полевого эксперимента, поведенного в Краснодарском крае являлось мерение кинетики концентрации основных компонентов почвенного воздуха )ВП на различных глубинах почвы. Измерение ОВП позволяет исследователю
определить направленность химических и биологических процессов, протекающих в почвах . В свою очередь эти процессы в сильнейшей степени зависят от содержания кислорода в почвенном воздухе, и в свою очередь определяется структурой почвы, метеорологическими условиями и ее водно -воздушным режимом/.
В качестве объекта исследования были выбраны две площадки, размером 2 на 2 м, на расстоянии 10 м друг от друга. Почвы представлены тяжелосуглинистыми предкавказскими черноземами.
На каждом из выбранных для исследования участках почвы, были сделаны разрезы, в каждом из которых по глубине были установлены датчики для измерения концентрации почвенного воздуха и ОВП почвенного раствора. .
На рис. 7. приведен временной ход влажности почвы, ОВП, содержания в поченном воздухе кислорода и диоксида углерода на глубине 75 см в одном из вариантов опытов.
Рис. 7. Результаты наблюдений за динамикой содержания кислорода и диоксида углзрода в почвенном воздухе и окислительно-восстанооителького потенциала Краснодарского чернозема.
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОЧВЕННЫХ СИСТЕМАХ.
Изложению теории водных растворов посвящено множество работ, из которых выделяются уже ставшие хрестоматийными работы Р. Робинсона и Р. Стокса, К. П. Мищенко и Г. М. Полторацкого (1968), Г. И. Микулина (1937) и его школы, Г. Харнеда и Б. Оуна (1952), О. Я. Самойлова (1957) и др.
Для нахождения детального химического состава равновесных почвенных створов уравнение баланса записывается в виде:
С ? = С
V л» гп-1_т1т2чт1
] У цк ¡] к а а
(7)
где с ¡х - суммарная молярная концентрация устойчивого соединения или мического элемента в растворе, с~| - молярная концентрация элемента или единения, не вошедшего в химические соединения с другими элементами, В диссертации рассматриваются реакции окисления-восстановления т.е. акции изменения валентности элементов, природа которых допускает такие менения. К числу таких элементов относятся сера, азот, железо и др. Почвенные растворы всегда в тех или иных количествах со держат створенные газы. Эти газы поступают в почвенный раствор из почвенного здуха, либо образуются в результате внутренних химическихх и биохимических оцессов в самих растворах пли на границах твердой фаза и почвенный раствор. Среди почвенных газов, как отмечалось, наибольшее значзние имеют азот дслород и диоксид углерода. При моделировании углеродного и азотного цикла едует знать закономерности растворения еще нескольких газов ЫН3 - аммиака, У, М02 окиси и двуокиси азота, а в некоторых случаях сероводорода Н23 и СН4 тана.
Процессы ионного обмена о почвенных системах
В многообразии взаимодействий твердой фазы почв с почвенными растворами обое значение имеет совокупность физико-химических процессов, известных д названием «ионный обмен».
К настоящему времени в основном сложились основные понятия и рминология, относящиеся к изучению и прикладным аспектам ионообменных оцессов. В основу здесь положены принципы и взгляды, развитые в работах дающегося советского ученого, академика К. К. Гедройца. Уменьшение содержания в почвах Са, Мд, Л/а, К, ННЛ, Ы03, Р04 в поглощенных >рмах на 1 мг-экв/100г. в 0, 5 м слое почеы с объемной массой 1,4 г/см приведет ¡оступлению элементов в почвенный раствор (кг/га): 140, 87,161, 273,126, 340 га АЮ3 (или 98 кг/га Ы), 686 кг/га Н2Р04(или 224 кг/га Р). Это значимо особенно я пищевых элементов, для которых обменный комплекс является наиболее изким резервом, требуется достаточно точное изучение состава обменных нов. (Не только катионов но и анионов способных к обмену) Емкость катионного обмена не является постоянной величиной для одной и й же почвы в различных условиях. Наибольшее влияние оказывает значение I почвы.
Изотермы ионного обмена являются предельными случаями уравнений кинетики реакций обмена, когда скорости прямой и обратной реакций обмена постоянны.
В работе используются методы гомогенной кинетики, дополненной в некоторых случаях уравнениями молекулярно-кинетической теории, для получения изотерм катионного обмена. Следует особо отметить, что такой подход совершенно непригоден для расчета реальных скоростей реакций обмена.
Изотермы обмена ионов одинаковой валентности с использованием кинетических схем приводят к известным формам изотерм:
А А <8>
Т~ Гдв В";
Коэффициент Гдв полностью определяет равновесную ионообменную систему и ее свойства.
При взаимодействии одно, двух, и трех валентных ионов, кинетические подходы к равновесию ионного обмена позволяют раскрыть сложную структуру коэффициентов обмена и их зависимость от концентраций элементов в системе.
Особенно эта связь проявляется при малых концентрациях.
Изотерму ионного обмена в этом случае можно представить уравнением:
(В - В~о )п Вп .
- ГАВ ^Г. (9)
П<т; Во - суммарный обем мест занятых ионом в~ в обменном комплексе и недоступных по разным причинам иону Д . Эффективный коэффициент изотермы ГдВ в общем случае является дробно рациональной функцией ¡3" и д" .например, для случая обмена одно и двух валентных ионов
а + (ЗВ (Ю)
'АВ - ~7ЁГ у + оВ
о^Р.У.З - константы определяемые химическими свойствами обменного комплекса.
На Рис.7, приведена построенная по данным эксперимента Антипова-
Каратаева (1936) изотерма ионного обмена Са - Ыа
Обработка опытных данных для обмена Ыа и Са традиционно проводится для изотермы вида:
N1
__I/" . \У .
Коэфициент корреляции г=0.8945 К-) =0.0646; К2=0.38;
2.5
й
ё 2
1,5
Я 1
к я
? 0.5 О
**
у?*"*'
А А«**1""
у=0-С54 х+0.33 (г— 3.931)
т
ю
15
Р ас тв ор
20
25
30
35
Рис. 7. Изотермы (11) ионоого обмена о млсштабе. нз пс-кзг'ыг'г'ющка ае особенности п области малых концентраций раствора.
Изменение масштаба изображения, ез области малых концентраций (рис.8) указывает на нелинейность изотермы сбмена за счет особенностей процессов. Дальнейшая обработка позволяет найти выражение коэффициента изотермы в
зиде: 1.9 1 ■ 1 0~4 + 4524 -¡Та
гав - „ с „ г и „-з~
0.505 -10
70 500■N а
(12)
Рис. 3. Изотермы (11 и 12) ионоого обмена в крупном масштабе, покззьпгакицая ее особенности в области малых концентраций.
Двусторонний ионный обмен.Опубликованные данные показывают, чт< при насыщении этих почв водородом происходит появление алюминия i обменном комплексе и исчезновении из него водорода. Аналогичная картин; наблюдается и со считающимся необменным поглощением калия и аммонш для некоторых почв. В то же время, при изменении условий (влажность температуры) эти ионы могут возвращаться в раствор.
Такие явления вполне объяснимы с точки зрения теории двухстороннегс ионного обмена.
Рассматривается случай двойного обмена ионами поверхности почвенны; частиц с ионами раствора и ионами в твердой фазе (незакрепленными ионамь внутри кристаллических решеток).
Полученные теоретические уравнения изотерм при кинетическом подходе i ионному обмену соответствуют термодинамическим уравнениям однако, как и е предыдущем случае имеют более сложную структуру коэффициентов.
Агь -Bza = Fab -Az> -BZa; AZb -B^ = Гдв • AZb -BZa;
Эти уравнения должны быть дополнены уравнением насыщения обменного комплекса.
Условия неполного насыщения почв влагой являются основным предметом изучения гидрофизики почв. Известны исследования по влиянию концентрациу и состава солей в почвенном растворе и ионов в твердой фазе на Pk(W), Установлено, что в почвах, содержащих в ППК только обменный Са++, Pk(W) не зависит от концентрации почвенного раствора. В присутствии же Na+ в ППИ величина всасывающего давления, соответствующая одинаковой влажности, повышалась с понижением концентрации почвенного раствора с ростом доли обменного натрия.
Сложность заключается в том, что изменения солевого состава почвенных растворов может с одной стороны приводить к изменению структуры почвы за счет изменения электрокинетических условий на границах твердой фазы почв (например - пептизация). Но также возможно изменение химических свойств твердой фазы, т.е. числа реакционных мест и емкости обмена, за счет изменения рН. В системе происходит изменение активности воды, как растворителя, что меняет термодинамические ее свойства.
В работе дается теоретический анализ факторов определяющих ионный обмен в ненасыщенных водой почвах, где доказывается существенная зависимость параметров изотерм от влажности почвы.
Результаты экспериментальных исследований ионного обмена выполненные под нашим руководством Камаловым С.Д. показали, что такая зависимость
существует.
Точное написание кинетических уравнений для реакций ионного обмена в очвах невозможно. Поэтому по модельных представлениям считают скорость
реакции обмена монотонной нечетной функцией отклонения действи-эльного содержания иона в обменном комплексе от его равновесного значения.
Для ионного кинетическое уравнение может быть записано в виде:
-N¡5; ЗГдпСф^ - 3|дп(^ -И,); (13)
соответственно равновесное для заданных концентраций очвенного раствора и текущее содержание \ - го катиона в обменном форме,
Для вычисления используется уравнения изотерм ионного сбмена при экущих значениях концентраций почвенного раствора .
Равновесие реакции растяоовнир. Растворимость различных мннэралов днего и того же химического состава несколько отличается. На растворимость элей в почвах влияют размеры солевых включений и кристаллов и, в том числе химический состав почвенных растворов . В этой езязи теоретичес;<и решить опрос о величине скорости растворения или осаждения солей невозможно ез полнительных феноменологических предпосылок. Ряссмагризается реакция
растворения - осаждения солей.
(АиВи )кристалл ^ + и^)раствор
пр = АиВууХт^= кр ' (14)
Пр - произведение растворимости .
Из (14) следует, если А иВ Уу д у ^ =Кр будет равновесие; еслиП р < кр роисходить растворение; и если П р :> кр происходит осаждение, кристал-изация.
Кинетика реакции распюорония Отклонение существующего произведения астворимости от равновесного определяет направление процесса и его корость протекания. Если обозначить Р. т - содержание гп-й соли в твердей )азе, то:
(15)
при этом ((0)=0 и является немонотонной и ограниченной функцией. В завершении главы 4 дается методика расчета электрокинетического отенциала, открывающая реальные пути прогнозирования устойчивости
жпочвенной структуры агрегатированных почв.
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПОЧВЕННЫ РАСТВОРОВ И ВОЗДУХА.
Стохастичностьструктуры природных пористых сред приводит к тому чт изучение движений, соизмеримых с размерами частиц, или процессов конкретной точке пространства становятся бессмысленным, и получаемы результаты всегда относится к некоторому, хотя и небольшому, но конечной объему.
Уравнение неразрывности для к-й компоненты фазы (уравнение сохранена массы) записывается в виде:
дС
5т
аск У!
ЭХ |
дХ
= X
(1(
где ч к - плотность источников (стоков) к-й комплненты. Наличие ^ отражает внутренние источники и стоки, связанные с физико- химическим процессами внутри объема фазы. Нельзя связывать с обменными и другим процессами, происходящими на границе фазы. Уравнение движения к компоненты является отражением закона сохранения импульса (количеств движения).
Уравнение сохранения импульса:
(1<
ЗС Ё У^ Эт
ас V ¡V |
5Х ,
+- А!
ар,
5Х
Используя уравнение неразрывности и определение потока диффузии, V (16) можно получить:
■8 ±.
ат
1Ь —
|р
+ v, = i р,"
¿Рц
эх i
X - АI
¡V- У (1!
Считая, что силы вязкости пропорциональны первой степени потока , давление равно соответствующему осмотическому или парциальному давлении уравнение диффузии б- компоненты запишем в виде:
= —-А1Р-С (1!
Левая часть (17) отражает инерционные силы, и если ими пренебречь, т при отсутствии движения растворителя, полей внешних сил и источников ил стоков из (17) следует известный закон Фика для описания потоков диффузии
в ас = ---
1 а ах.
ас
ах,-
(2(
к
Нужно отметить, что при нестационарных процессах о неподвижной среде (18) не выполняется, и вместо (18) имеем:
8
ЭХ ]
■ з.э ч ч
Характерной особенностью полученного уравнения движения компоненты является отсутствие абсолютных скоростей движения компоненты и наличие только относительной скорости диффузии |р . С учетом уравнения сохранения массы (17) имеется система двух уравнений, в которые входят пять неизвестных С, |р , V, Я, Рц. Средняя скорость движения фазы, может быть найдена решением соответствующих уравнений механики сплошной среды для фазы в целом. Поэтому в дальнейшем следует считать функцию известной функцией координат X и времени. Далее, для определения плотности массовых сил, действующих сил, в частности, силы тяжести могут быть представлены их плотностью, равной ускорению свободного падения.
Уравнение (19) в одномерном случае имеет вид:
а\ эсV 5 Г|2"| э(V • I) а(с-у2) ^ „ . , , „ ас
При постоянной скорости движения среды, отсутствии внешних сиПолучается замкнутая система уравнений, которая может быть ведена к одному дифференциальному уравнению относительно концентраций: лив пренебрежении квадратичным членом Р/С (22) записывается:
31 дС д\
— + V — + — = о
дх дх дХ (23)
Добавляя уравнение неразрывности (21):
31 ,, дС „„ д\ о о, дС * . о
5т+ "а7+ 5Х"+( )ЗХ"+ (24)
Получается замкнутая система уравнений, которая может быть ведена к одному дифференциальному уравнению относительно концентраций:
>2' э2с .ас „,а2с . ..эс „
и I. г,- о о и и о
+ + +в)-г- + а ■ v —— = 0 (2£
от
2 дхдх дх 4 дХ2 зх
Рассмотрим решение одной краевой задачи для (25), представляющей методический интерес: Начальное условие:
т = 0; С = 0;
дх (26)
Граничные условия: т > 0; С(Х - 0) = С
о
Для системы (21-22) граничные условия должны быть записаны: т > 0; Х = 0; С = С0
+ г-»- — - 0- —- 0 50 п
ах зх х~ю' ж'0 = 0 (2?)
Решение, полученное методом преобразования Лапласа, имеет вид::
•ч/вм
„ „ Г АХ 1 АХ I АХ ) ! Л 2(У2-В)>1 114
С = С0 Ехр]----М--5-Ьхр--5-И--—Г===-^
Ч У2-В Ч 2{У2 - В)У I
л/ВХ УХ А(У2-В) А2Х2 (28)
а_—--; = т + —; а = —--—; р = —^—
(У2-В) V2-В 4В н V -В
\гу2
(V2 -В)2
с = 0 =5> Х>т(У+л/В)
- функция Бесселя.
Решение той же краевой задачи в "классической" постановке т.е. при
гч ЭС
-—, записывается в виде:
ОА
е^с
+ ехр
ух О
ег1с
(29)
Системное, полисгуктурное представление почвы с, множеством жизненных зон и условий движения веществ, рассмотренное в первом разделе требует описания процессов в каждом выделяемом структурном элементе и моделирования связей между элементами. В данном разделе, как пример, рассматривается бидисперсная модель, которая предполагает выделение двух частей в элементарном почвенном объеме Условно они будут называться агрегатной и межагреатной частями. В общем случае агрегатной части соответствует часть объема почвы с мелкими порами и как следствие малыми скоростями движения. Эта условность исчезает в почвах, где явно выделяются агрегаты и существуют методы определения их параметров - пористость объемного и удельного веса и т.д Как известно такие методы используются в анализе состояния черноземов, где агрегатированность является естественным свойством и сушествуют
экспериментальные методы определения соотношения агрегатов к бесструктурной части почвы, плотности агрегатов и др. Баланс массы воды и воздуха в поаистых соедах
V « 5Р
Уравнение баланса массы —----—— = J, нуждается в интерпретации
от эх ¡
входящих величин для выделенных элементов почвенной структуры. 1. Средняя по элементарному объему плотность
р =
— ГрсШ
(30)
а) Для почвенной влаги - это масса воды в объеме выделенного структурного элемента (к) отнесенная ко всему элементарному объему почвы.
—(к)
Ру\/ = Р
\7
\Л/(к); (31)
уу(к).объемная влажность агрегатов. -физическая плотность воды (т.е масса Н20 в единице объема воды.
РЕ=Р«-(32)
\Л/£т) - объемная влажность 8 межагрегатных порах.
б) Для почвенного воздуха - это масса воздуха в объеме выделенного структурного элемента (к) отнесенная ко всему элементарному объему почвы.
Р^к) =р<к)-(т(к);-\Л/<к)) (33)
т (к), уу (к) - отнесены ко всему элементарному объему почвы; р ^ -физическая плотность воздуха внутри выделенного структурного элемента (к)
Плотность газа зависит от температуры и давления, уравнения баланса массы почвенной влаги и воздуха могут быть записаны в виде:
эуу("> д(УУ) (М)
Тг ~дХ~~= у ™ (*>)
аР<к>(т<к>-\л/<к>) д(р(к>у(ак))
дх
дХ:
Где: и - плотности источников и стоков связанных с обменом с
другими структурными элементами или фазами.
Баланс массы компонент почвенного раствора и воздуха Уравнения баланса массы компонентов почвенных растворов и воздуха могут представлены (одномерное движение, полидисперсное представление):
асО/м скс^уЦ?)
дг
дХ
_8_ дХ
я^ОО
'т -
сХ
+ (36)
зр<,У(т<к>-\лг<») а<Р<кМ))
дх
ох
ох
Где: и Сд'У - соответственно концентрации N компонента почвенного X - вертикальная координата, для дальнейшей определенности формул отсчитываемая от поверхности почвы и направленная вниз(глубина); т - время.
Далее в работеизлагается большая математическая моделыидрохимического для агрегатированной почвы (комплексная бидисперсная модель) дополненная уравнением теплопроводности с учетом фазовых переходов вода-лед и вода-пар
(Ю
,(к> д-)
ОС
ах
+ 1«
(
9 ^
(37)
д\ дх
Ох [ Ох
С иЧи
дх
(38)
&1
I55 -
=£ср-в
5С £?Х|
(39)
В химическом составе почвенных растворов выделены 13 элементов в ионной форме (Са, Мд, Ыа, А1, Ре, С, Б, Р,Ы, С1, Н, М1, М2) и пять растворенных газов (02, С02, N0, СН4, Н23). N0 - обобщенный продукт процессов нитрификации -денитрификации.
Кроме того раствор характеризуется показателями рН и Е1г
Устойчивость почвенной структуры оценивается по величине электрокинетического потенциала твердой фазы агрегатов.
Ионно-обменный комплекс почвы содержит Са, Мд, А), Н, ЫН М , М .
4 1 2
Растворимые соли представлены гипсом (СаБ04), кальцитом (СаС03),
экисью железа (Ре203) и двумя видами минеральных удобрениями (выбор из габл.)
Предполагается, что два металла М и М не образуют комплексных зоединений в растворе но обладают ионоббмен^ой и необменной сорбцион-лостью.
Газовый режим почвы определяется давлением почвенного воздуха в агрегатной и межагрегатной частях, потоками воздуха как газовой фазы, и концентрацией газов, содержанием газов в поровом пространстве.
Корни растений относятся к межагрегатной части почвы но они покрыты пленкой воды. Поэтому все источники и стоки связанные с метаболизмом корней входят только в уравнения балансов почвенных растворов.
Приводятся уравнения кинетики массссбмена для агрегатной и межагрегатной частей почвенной системы. Многие вопросы теоретически рассматривались в предыдущих главах.
Моделирование физико-химических свойств и параметров уравнений движения массы в почвах.
Необходимость моделирования физико-химических и проводящих свойсгв почв вытекает из ряда положений, которые нельзя не учитывать при практическом ■юпользовании полученных ранее уравнений.
Во-первых, параметры, входящие в уравнения движения и отражающие проводящие свойства среды, должны быть взаимно связаны, так как движение 1роисходит в одном и том же пространстве пор. Несогласованность параметров может приводить не только к качественно неверным результатам но быть причиной вычислительной неустойчивости конечноразностных схем.
Во-вторых, методы экспериментального определения различных параметров разработаны не с одинаковой степенью детальности. По крайней мере, неизвестно ни одного экспериментального метода, который позволил бы определить весь набор параметров в одном опыте.
В-третьих, теоретические представления о механизмах и процессах, протекающих в почвах, потребуют введения параметров, которые ранее не измерялись.
В-четвертых, все параметры, входящие в уравнения движения массы и энергии в принципе возможно определить решением обратных задач. Но в практической реализации такого подхода требуется задать форму функциональной зависимости от параметров состояния системы, Однако, последнее не приведет, ввиду теоретической недосказанности однозначности решения, к достоверности результатов а отсутствие об устойчивости решения по отношению к постоянным параметрам вполне приводит к вычислительной неустойчивости.
Отмеченные положения направляют исследования основных параметров
движения по двум основным руслам.
1. Разработка таких моделей пористых сред, которые позволяют установить основные теоретические связи между параметрами.
2. Теоретически обосновать и выбрать основные базисные параметры, имеющие надежные и простые экспериментальные методы своего определения а затем создать расчетные методы определения соподчиненных параметров.
В этом разделе основные модельные представления о структуре пористых материалов, направлены на сознание расчетных методов определения таких трудно определяемых параметров уравнений движения, как коэффициенты водопроводности, диффузии компонент почвенных растворов и газов, площади межфазной внутренней границы жидкость-газ в почве и др.
Размеры и форма пор в реальных почвах очень сложная. Поэтому на первых этапах требуется заключить определенные упрощающие соглашения о размерах и форме пор. Но в то же время существуют множество косвенных путей суждений об их размерах а точнее приведения измеряемых параметров к некоторым эффективным модельным размерам.
Моделирование капиллярных свойств и площади межфазных границ в почвах
Основные капиллярные свойства почв, как уже отмечалось, отражают зависимость капиллярного давления почвенной влаги от влажности почв.Обычно рассматриваются две предельные зависимости капиллярного давления от влажности почв: одна - для процесса иссушения первоначально полностью насыщенной почвы; другая - для увлажнения первоначально сухой почвы.
Взяв за основу модель полого кругового цилиндра, на первом этапе необходимо решить вопросы о свойствах отдельной поры, воспользовавшись фундаментальными соотношениями физической химии капиллярных и поверхностных явлений.
Для реальных почв существуют методы определения зависимости капиллярного давления от влажности как для процессов десорбции, так и процессов адсорбции. Но обычно на практике измеряется десорбционная ветвь зависимости. Считается, что это более устойчивая зависимость, так как при адсорбции и особенно при увлажнении, почвенный воздух защемляясь в зависимости от техники увлажнения, делает неустойчивой величину влажности при высоких уровнях капиллярного давления.
Модельные представления с эффективными радиусами капилляров, полученные из реальных капиллярных зависимостей десорбционной ветви, позволяют расчетным путем получить вторую предельную ветвь. Возможно исследование и промежуточных ветвей, что в обычных экспериментах трудно осуществимо.
По-видимому не представляет никакой трудности, используя стандартные
прсцедуры решения системы нелинейных уравнений для ЭВМ, определить эффективные радиусы капилляров заполненных водой при заданном капиллярном давлении в процессах адсорбции и десорбции.
В общем случае объемная влажность по распределению пор по радиусам и цлине определяется по формуле:
Г оэ 30 со
Мо = ¡г2 1*0". I) • С11 • аг + /(2гЬ - ь2) ^(г, I) • с11 • 6г (36) 0 0 г 0
где: г - предельный радиус капилляра полностью заполненный при капиллярном давлении, соответствующем Ш; I - длина капилляра; - толщина пленки в капилляре радиусом г>; ^ плотность распределения радиусов и длии капилляров.
Очевидно, что использование в практических расчетах полидисперстных моделей встретит порей непреодолимые препятствия из-за отсутствия параметров л в частности водно-физических и физико-химических свойств для выделенных структурных элементов. В частности многолетний опыт работы с бидисперсными моделями показал, что во многих случаях требуются не просто необходимые параметры, а нужны внутренне согласованные формы зависимостей этих параметров.
Вторым вопросом является выбор обоснованных критериев деления перового пространства. Для бидисперсных моделей оказалась вполне приемлемей гипотеза э том, что все крупные поры находятся в межагрегатной части почвы. Другим зажным моментом является использование тех свойств почв, для которых :уществуют апробированные методы экспериментального определения.
К ним относятся: рп плотность почвы г/смЗ, рт - плотность твердой фазы г/ :м.куб; т - пористость почвы, ра - плотность агрегатов г/см.куб; УУмг -максимальная гигроскопичность см/см; А - Агрегатировзнность почвы \Л/, -злажность завядания см/см. Ррасчетом определяются дополнительные свойства.
Для расчета также необходима интерполирующая зависимость - Р;< (), заданная аналитически или таблично.
Для определения координационного числа решетки требуется значение любого (13 проводящих свойств хотя бы в одной точке не полного насыщенияю
Далее рассчитываются относительные зависимости коэфициентов шпаголро-зодности и воздухопроводности для порового пространства в целом а также диффузионные свойства веществ в поровом растворе и почвенном воздухе. Используя значения плотности агрегатов и агрегатированности (отношение веса згрегатов к весу почвы) и рассчитав агрегатную пористость (в долях общего эбъема) и используя гипотезу о том что в агрегатах находятся мелкие поры пористый объем разделяется на две части и рассчитываются статические ¡ависимости толщины пленок в капиллярах и объемы воды в полностью
заполненных и незаполненных капиллярах и соответствующие влажности в агрегатной и межагрегатной частях системы.
Пример расчета разделения общей зависимости капиллярного давления от влажности на агрегатную и межагрегатную приведен на рис. 9. Расчетные зависимости проводящих свойств почвы для агрегатной части почвы приведен на рис.10.
объемная влажно сть почвы (агрегаты ишжагрегатное пр о струшств о) Рис.9. Результаты расчета зависимостей капиллярного давления от влажности для агрегатной и межагрегатной чистей системы
Рис. 10. Результаты расчэта водопроводности и ппагопроводности для агргатной части почоы.
6. ПРАКТИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОДНО-СОЛЕВОГО РЕЖИМА ПОЧВ И ЕРРИТОРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ АГРОРЕСУРСОВ.
Возможности применения разработанных в предыдущих разделах матема-ических моделей рассматриваются в данной главе на ряде примеров. Среди их расчет водно-солевого режима орошаемых черноземов и обоснование юроприятий по предотвращению вымыва кальция и сохранению их структуры; досматриваются вопросы моделирования пищевого режима осушенного 1изинного торфяника. Завершает главу расчеты по региональной оценке !гроресурсов с анализом эффективности мелиоративных мероприятий.
Общие принципы схематизации почвенной толщи
Физико-химические свойства не являются постоянными величинами по (бъему почвы и изменяются по времени.
Имеются определенные закономерности в изменении сзойств почвы по лубине, обусловленные генезисом почв и различаями интенсивностей фоцессов. Моделирование процессов в сложной пористой среде с ^пользованием дифференциальных уравнений баланса энергии и массы ■ребует схематизации расчетного слоя почвы. Схематизация должна отражать I генетические изменения свойств почв и выделять некоторые слои почвы, где ¡войства можно считать постоянными.
В схематизации нужно учитывать наиболее сильные антропогенные вменения свойств почв (культивации, пропашки, боронования н т.п.). ^иболыиее воздействие оказывает вспашка, при которой изменяются свойства ючв пахотного горизонта, и в результате ее применения формируется так шываемая плужная подошва.
Опыт показывает, что при моделирования почвенных режимов можно 1Спользовать несколько расчетных схематизации почвенного слоя представ-1енных на рис 11. Эти расчетные схемы имеют различный уровень детализации 1, как следствие, требуют различных объемов входной информации.
Детальные расчетные схемы следует в настоящее время использовать ■лавным образом в научных исследованиях, когда они смогут быть обеспечены одежной информацией.
При выборе общего размера расчетного слоя нужно исходить от имеющихся з наличии на нижней границе расчетного слоя данных, необходимых для ¡здания граничных условий, и - требований скорости расчета. Часто в качестве ■раничных условий для расчетов используются метеорологические или агрометеорологические данные, и общая мощность расчетного слоя почв может быть зыбрана в пределах до 3,2 м.
Л_
аХ
£*£.- ¿Н-—■ —
ах' ах' ах' зх' вх
. вр^. ¿¿а, ¿а,. д, ах ' ггх' ¿гх ' ггх' ех
Нижняя грвнмиа
Горизонт ¿X
Горшомт
в
Горизонт
с
Слои рыхл «НИЛ при агротехнических ол араиияк
¡¡2521^ Плужмал подошва
в
Рис. 11. Различныэ уровни схаматиззции расчетного слоя помоы.
Моделирование процессов движения воды и солей в черноземах
Из моделей, предложенных в предыдущих разделах, для расчетов формирования водно-солевого режима черноземов Краснодарской оросительной системы выбрана система с раздельным решением задачи расчета водного режима и последующего решения 9-ти уравнений для компонент почвенного раствора, двух кинетических уравнений растворения гипса и карбонатов и трех кинетических уравнений для содержания Са, Мд, и Ма в обменном комплексе почв.
Для численного решения уравнения движения влаги использовалась неявная четырех точечная конечноразностная схема для аппроксимации уравнения и метод прогонки итерационном цикле для решения конечно-разностных уравнений.
Исходные данные и варианты расчета водно-солеаого режима
Максимальное содержание воднорастворимых солей в толще 0-2 м не превышает 0,1-0,2%.
Средняя емкость обменных основания в пахотном горизонте равна 37,140,8 м.экв/100 г. В составе обменных оснований преобладает кальций (65-82%)%. Отмечается повышенное содержание поглощенного магния (9-33%), натрий в почвенном поглощающем комплексе занимает около 2%, а в отдельных горизонтах достигает 5,2%.
Прогноз водно-солевого режима выполнен для 6-ти гюльного севооборота, типичного для данной зоны. Режим осадков и водог.отребления сельскохозяйственных культур принят по данным метеостанции Тихсрецк. Расчетный слой увлажнения почвы и нижний порог влажности в нем для основных сельскохозяйственных культур с учетом их фаз развития в степной зоне Краснодарского края определены при обобщении литературных данных по Северному Кавказу, югу Украины, Молдавии.
Высокая емкость поглощения и относительно большое содержание в поливной воде ионов натрия и магння (особенно для р. Челбас) указывает на опасность процессов осолонцевания. и связанную с этим возможность разрушения структуры
Расчета солевого режима выявили две общие закономерности во всех вариантах - это вымыв кальция из верхнего слоя почвы и накопление натрия в верхнем слое почвы, величение его содержания в ППК, что обусловливает необходимость применения химических мелиораций (внесение кальций содержащих веществ);
Скорость накопления натрия в ППК в зависимости от варианта расчета колеблется отО (р. Кубань, карбонатный чернозем) до 0,25-1,0 м-экв/100 г в год (р.Челбас, выщелоченный чернозем). Скорость накопления магния в ППК также зависит от минерализации оросительной воды и колеблется от 0,0 до 0,5 м-экв/ 100 г в год.
Анализ химического состава порсвого раствора при орошении позволил сделать вывод, что выщелачивание кальция может быть остановлено путем применения химических мелиорантов, однако при использовании для орошениявод местного стока, характеризующихся высоким содержанием сульфатных и идрокарбонатных ионов, скорость растворения гипса и кальцита резко падает и не может предотвратить тенденцию накопления и в обменном комплексе. Динамика водного режима посвы, концентрации раставоренного хлора а также содержания ионов в ППК и процессы растворения гипса и кальцита показана на рис.12 и 13.
Рис. 12. Водный режим карбонатного и концентрации хлорид иона в слое 0-50 см. за ротацию севооборота.
% Э2 ЯЛ И • ЛО Гй О 1 г т Си _|-----
^-- -в. Ч«лб«в Кубам» ~—~
--- - Р
| "--
гл а ___
—-- -.--
¡Ма 1-__-
1 ' 1И1 1 1 К 1 III )|\/ 11II1..||г>. 1 1 1« 1 «II | IV
1 Г г? ж* Т-й ГУЛ Э-Й ГЧ>В, г..,-* гол
(Чармомм кдрввмтный о ниамииам гмпва)
Рис. 13. Динамика содержания обменных оснований и растворимых солей в слог. 0-50 см. за ротацию севооборота
Следует отметить, что растворение гипса вызываетувеличение концентрации в поровом растворе, что может привести к созданию токсичных условий для растений, а также увеличивается вынос солей в нижележащие горизонты. Динамика концентраций иона показана на рис.
Качественное сравнение результатов прогнозных расчетов водно-солевого режима орошаемых карбонатных черноземов с данными полевых исследований свидетельствует о хорощих аппроксимирующих свойствахиспользованной модели.
Несколько позже в данную модель был введен блок расчета электрокинетического потенциала и реальной оценки опасности разрушения агрегатной структуры почвы. По опубликованным данным уровень потенциала при котором происходит пептизация почвенных коллоидов лежит в пределах 50-60 мв.
На рис.14 приведены результаты расчета, показывающие, что при условии повышения содержания натрия и магния в обменном комплексе опреснение слоя почвы приводит к росту потенциала за счет деформации электрического поля вокруг коллоидов по теории изложенной в главе 3.
Увеличение потенциала является необходимым но недостаточным условием разрушения структуры почвы. Однако, если в этих условиях структура почвы будет разрушена, то восстановление ее становится проблематичным.
Рис. 14. Оценка опасности разрушения почвенной структуры по расчетам злент по кинетического потенцизпа коллоидной фракции чернозема.
Оценка агроклиматических ресурсов
Расчет водного режима почв при оценке агроклиматических ресурсос района.
Для расчета водного режима почв используется полидисперсная модель нестационарного влагопереноса дополненная расчетом теплового режима почв Движение почвенного воздуха учитывалось косвенно по методике описанной е главе 2.
Эвапотранспирация и осадки, наряду с обменом с грунтовыми водами являются в естественных условиях основными составляющими водного балансе корнеобитаемого слоя.
Для определения суммарного водопотребления в основном используются расчетные методы, основанные на использовании уравнений, характеризующих динамику тепло- и влагообмена в системе почва-растение-атмосфера. В данном разделе работы для расчетов применялась методика Н.Н.Иванова, дополненная и уточненная Н.В. Данильченко.
Внутрисезонный ход суммарного водопотребления определяется темпами роста и развития вегетативной массы растений и изменением метеорологических условий. Наибольшая интенсивность суммарного испарения полем отмечается при совпадении периодов "пикового" спроса растений на воду и наиболее напряженных метеорологических условий.
Урожайность растений зависит ст их суммарной фотосинтетической продуктивности, которая определяется как интенсивностью фотосинтеза, так и площадью листовой ассимилирующей поверхности и временем ее работы. Урожай, кроме того, зависит от характера распределения ассимилятов в растении
Моделирование формирования урожая зярновых культур включает количестоенное описание процессов фотосинтеза, дыхания и роста
При описании процесса фотосинтеза любого из фотосинтезирующих органов за основу приято известное уравнение Монси и Саэки, связываюшее интенсивность фотосинтеза и ФАР. Для учета влияния температуры воздуха и влажности почвы использованы эмпирические функции влияния. Изменение фотосинтеза в онтогенезе учтено через функцию, которая описывает интенсивность фотосинтеза в зависимости от физиологического возраста растения. Эта функция названа А.Н. Полевым "онтогенетической кривой фотосинтеза".
Определение фотосинтеза посева за сутки Ф1 связано с суммированием значений фотосинтеза отдельных органов. Имеющиеся данные указывают, что часть ассимилированного в процессе фотосинтеза углерода затрачивается на дыхание.
Дыхание роста рассматривается пропорциональным фотосинтезу посева.
Дыхание поддержания структур пропорционально сухой биомассе посева и зависит от температуры и возраста растения:
При описании скорости изменения сухой биомассы отдельных органов были приняты гипотезы предложенные Ю.К.Россом с учетом модификаций Е.П. Галямина и Х.Г.Тооминга, А.Н. Полевого.
УРОВЕНЬ ОПТНПЙПЬНОПТИ ВОДНОГО И ТЕП^ОВОПО I почвы
1. о
о. е.
О.
о. л.
о
о. о.
..........—г:- - х=v—
!
-■■■■ ■■ ■ ■ ТепЛ01уэй -■»--- ВОДММ.1 ............
1. оо
РОСТ ПР04иКТИЭНЫ>С ОРГАНОВ ПРИ ОПТИМ^ПЬНОМ URrlrtX ПЕГНИИ РОСТ ПРОДУКТИВНЫ); ОРГДНОЭ ПРИ >} i Г, f! УВЛАЖНЕНИИ
ИЗМЕНЕНИЕ ВгМКНОСТИ nO>JE=bl < U-U35 M-UCZ} ЕО ВРЕМЕНИ.
О. ВО - ■ о. ¿о о. -to
О. 20
о. оо
• Pjj
Рис. 15. Формирование урожая в 1971 г. (Влажный год) Послэ 111 декады июня постоянное переувлажнение почвы. Низкий уровень солнечной рздияции
1.0
О. 8 0.4
о.«
0.2 0.0
УРОВЕНЬ CnnrWbHOMTH БОДНСПЭ И ТЕЛгЧСВЗГО РЕмииа почвы
...............:.............ГТТТ5^
1.0
0.8 0.6 0.4 0.2 О.О
с
Минск 19 69 г : Jf ....................^..............
йпрель i г1дл " i июнэ i икуъ i йвгцст i сентябрь!
Рис. 15. Формирование урожая в 1969 г. (Благоприятный для земледелия год). Переувлажнение почеы только в III декаде августа. Высокий уровень солнечной радиации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе развивается "микроскопический" подход к почвам процессам протекающих в них. Системность в изучении особенностей маль объемов почвы позволил не только выделить важные элементы их структуры, ь и построить некоторые мысленные конструкции, описывающие процесс движения массы и энергии на макроскопическом уровне. Использование методе механики сплошных сред - это наша плата не только за стохастичност пространственного распределения структурных элементов, но в большей мер за представленную возможность использовать исчисление бесконечно малы т.е. развитые методы дифференциального, интегрального и вариационно! исчислений. Объем почвы в уразнениях сохранения массы и энергии в итоге эт бесконечно малый объем, в котором единовременно представлены вс структурные особенности почвы. Однако, если уменьшить "увеличение", п становятся невидимыми определенные структуры и в конечном итоге перед наг; будет истинная сплошная среда. Но микроскопические особенности не исчезг они просто не видны, как не видны и процессы обусловленные наличие микроструктуры. В построении моделей обычно такого рода явления учитываютс разного рода коэффициентами и дополнительными членами в балансовь уравнениях. Как говорится в научно-технической литературе - "с некоторой (кс какой) степенью приближения". Желание что то посчитать, сделать прогне развития тех или иных процессов в общем для науки явление закономерное необходимое. Что же касается использование моделей в разработке технологи! то это уже не наука а инженерия.
Здесь появляется ответственность за принятые решения, которую разделяю как инженер - разработчик, так и лица, ответственные за реализацию проекта Поэтому, чем точнее будут знания о моделируемых процессах, тем безопасне станут технологии. В современном экологически неустойчивом мире глобальными нарушениями окружаюшей среды, рекомендации основанные н предыдущем опыте оказываются бесполезными и даже многократно прс верейные достижения - опасными.
Но парадокс заключаетя в том, что с некоторого уровня, становятс заметными новые структурные особенности строения почв. Например, трещинь локальные участки существенно отличных свойств и т.д. В меньших увеличения структура оказывается не менее сложной, чем на микроскопическом уровне. Опь натурного изучения этих особенностей накоплен в классическом почвоведенш Почвоведы натуралисты во многих научных работах их описали. Дополнительну! информацию дали аэрокосмические методы. Во многих отраслях знани требуется учет этих особенностей. Это например очевидно в разработк генетических методов расчета формирования стока рек, при мелиораци больших территорий и др. Но как ни странно уравнение фильтрации влагопроводности и здесь остаются почти что единственным инструментом
ешения практических задач а для адекватности появляются еще менее онятные коэффициенты и сами физические свойства среды становятся одгоночными параметрами. Воистину чего только не сделаешь ради боснования своего вторжения в природную среду и необходимости ее бустройства и защиты.
Нужно отметить, что процессы протекающие на микро уровне начинают грать уже другую роль. Часто они незаметны, их скорости малы. Поэтому езультаты своих решений мы увидим через годы и десятилетия. Наверное ¡ногие из негативных процессов были запущены очень давно и не нами а асплачиваться за них приходится нам.
В этой связи дальнейшие исследования в направлении прикладного нженерного почвоведения можно сформулировать следующим образом:
1. Дальнейшие, более глубокие исследования абиотических и биотических роцессов на микроуровне с выходом в научном плане на генезис и юрмирование свойств почв а в прикладном плане на проектирование и оздании почв, устойчивых в земледелии.
2. Разработки методов изучения и описания процессов, протекающих в ольших объемах почвы или на больших площадях, для решения локальных или юбальных задач обустройства антропогенизированной окружающей среды и ценки ее экологической безопасности.
3. Разработка методов сохранения заповедных почв, как эталонов езультатов естественных природных процессов в условиях глобального торжения в природу.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
1. Использование системных представлений о строении и функционировании сновных компонент почвы при постановке и решении практических задач озволили:
рассмотреть в единстве разнообразные элементы почвенной структуры и х взаимодействие а также определить процессы которые протекают в почвенных истемах медленно но проявление которых необходимо учитывать при решении рикладных задач, особенноно при долгосрочных прогнозах.
показать, возможность существенного упрощения задач, при условии спользования на первых этапах сложных исследовательских математических юделей, определитьзначимые, существенно влияющие факторы и параметры исключить или учесть косвенно незначимые.
определить процессы наиболее значимые и наименее исследованные в рикладном почвоведении. Среди них многокомпонентная диффузия, сложненная ионным обменом и растворением твердых фаз, процессы !ассообмена в агрегатированных почвах, протаивания и промерзания почв.
-402. На основе кинетической теории химических реакций, механики сплошнь сред показать, что широко используемые математические модели конвективнс диффузии, ионного обмена, фильтрации являются только первым прибл! жением и их использование в длинно временных прогнозах в обще проблематично.
3. Разработаны новые конструкции приборов и соответствующие метод лабораторных исследований процессов движения почвенных растворов и возду> в ненасыщенных влагой почвах. Проведены многочисленные определени физико-химических свойств различных почв для решения научных и практичесм задач.
4. Разработаны методы и проведены комплексные полевые эксперимент в различных природно-климатических условиях с использованием средст телеметрии и позволившие оценить аппроксимирующие и зкстраполирующи свойства разработанных сложных моделей формирования водного, солевой пищевого и теплового режима почв.
5. Разработаны новые математические модели ионообменных процессов формирования структуры почв, основанных на методах физико-химическо кинетики и коллоидной химии. Обоснована и экспериментально проверен существенная зависимость параметров ионного обмена от влажности почвы.
6. Разработать теорию и алгоритмы расчета проводящих и массо-обменнь свойств почвы, без которых решение прикладных задач невозможно ил вероятно развития вычислительной неустойчивости за счет несогласованное! параметров.
8. Проведенные расчеты показали возможность практического решени сложных задач обоснования химических мелиораций орошаемых черноземо! оценки устойчивости их агрегатов а также возможности оценки агроресурсов эффективности мелиораций в интегральных моделях формировани урожайности.
СПИСОКОПУБЛИКОЗАННЫХ РАБОТ
1. Никитенков Б.Ф. Расчет на ЭВМ междренных расстояний в двухслойно грунте с учетом изменчивости фильтрационных свойств и мощности слоев л массиву. Материалы Всесоюзного семинара "Применение ЭВМ в НИР..." -М., 197;
2. Богушезский A.A., Никитенков Б.Ф. Расчет на ЭВМ глубины протаивану грунта под слоем воды о зоне распространения многолетней мерзлоть Материалы Всесоюзного семинара "Применение ЭВМ в научно-исслед< вательских работах и проектировании в системе Минводхоза СССР". -
М., 1972.
3. Ведерников В.В., Никитенков Б.Ф.Влияние почвенного воздуха на движем влаги при неполном насыщении почзогрунтов. Доклады ВАСХНИЛ, 1973, N9. Зст|
4. Ведерников В.В., Никитенков Б.Ф. Математическое моделирование 1нфильтрации воды в почве с учетом движения почвеного воздуха. Тезисы укладов УШ совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. -Новосибирск, 1973, .
5. Никитенков Б.Ф. Нестационарная фильтрация грунтовых вод со свободной юверхностью к горизонтальным дренам при инфильтрации и грунтово-напорном штании. Тезисы докладов УШ совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. -Новосибирск, 1973, .
6. Никитенков Б.Ф. Некоторые вопросы теории движения тепла, влаги, ючвенного воздуха и солей в мерзлоталых почвогрунтах. - Труды МШИ, вып. Сельскохозяйственные мелиорации." -М.:МГМИ, 1974, т. 36, с.65-70.
7. Богушевский A.A., Никитенков Б.Ф. Использование методов теории вероятностей и случайных функций для изучения водного, теплового и других эежимов в почвогрунтах и расчетные методы оценки процессов массо-и теплообмена., Тезисы докладов Всесоюзного координационного совещания по проблеме 02.03. Почвенный институт им. Докучаева В.В. -М.1975, с. 128-131 стр.
8. Богушевский A.A., Никитенков Б.Ф. Использование методов теории зероятности и случайных функций для изучения водного, теплового и других эежимов в почвогрунтах естественного сложения. Тезисы докладов Всесоюзного <оординационного совещания по проблеме 02.03. Почвенный институт им. Докучаева В.В. -М.,1975, с. 131-134
9. Богушевский A.A., Никитенков Б.Ф. Особенности формирования теплового эежима почв, методы тепловых мелиораций почв и условия их применения а зоне многолетней мерзлоты. Тезисы докладов Всесоюзного координационного совещания по проблеме 02.03. Почвенный институт им. Докучаева В.В. -М.,1975
134-137
10. Никитенков Б.Ф., Попов Л.Г. Зависимость Еодоотдачи от скорости понижения грунтовых вод и водно-физических свойств низинных торфяников. Груды ВНИИГиМ. -М., 1975, вып. 3. 6стр..
11. Ведерников В.В., Никитенков Б.Ф. Исследование совместного движения зоды и воздуха в почвогрунтах. - Почвоведение, 1976, N 12, с. 73-78. ^
12. Ведерников В.В., Никитенков Б.Ф. Некоторые вопросы использования математических моделей при прогнозировании водного и солевого режимов ючвогрунтов. - В сб.:Сельскохозяйствзнные мелиорации,- М.:МГМИ, 1976, т.40,
54 -60.
13. Никитенков Б.Ф., Попов Л.Г. О влиянии движения почвенного воздуха на зодообмен между зоной аэрации и грунтовыми водами. - Почвоведение, 1978, N 10. е..37-46
14. Шабанов A.A. Богушевский И.П. Айдаров Ю.Н. Никольский, Никитенков Б.Ф. Генеральная программа научно-исследовательских работ по комплексному мелиоративному регулированию на период 1981-1985 г.г. с перспективой цо 1990 года МИНВОДХОЗ СССР, МСХ СССР, ВАСХНИЛ, МГМИ, 1981 г 24 стр.
15. Никитенков Б.Ф. Моделирование и модельный эксперимент в сельско-<озяйственных мелиорациях. В сб."Методы полевых исследований по эсушительным мелиорациям." ВАСХНИЛ, М, Колос, 1983 г. 10 с.
-4216. Никитенков Б.Ф. Вопросы создания опытно-производственных систег! комплексного мелиоративного регулирования факторов жизни растений. Теори! и практика комплексного мелиоративного регулирования. Сборник научны: трудов МГМИ, 1983 г. 12 стр..
17. Никитенков Б.Ф., Меза Н., Овезоз А.К. Уравнения движения ионов солей элементов минерального питания и воздуха при положительных температурах I почвогрунтах. Теория и практика комплексного мелиоративного регулирования Сборник научных трудов МГМИ, 1983 г. 12 стр.
18. Никитенков Б.Ф., Овезов А.К., Смирнов С.М. Основные закономерное™ движения почвенного воздуха, диффузии кислорода, углекислого газа и водногс пара в ненасыщенных средах. Основные мероприятия по повышении эффективности мелиораций, Сборник научных трудов, МГМИ, 1984 г. 8стр.
19. Никитенков Б.Ф., Овезов А.К., Л.Ф.Пестов Л.Ф., М.Тузани. Методик; проведения экспериментов по определению основной гидрофизическо! характеристики почз и оценке коэффициента влагопроводности. Комплексны« мелиорации. Сборник научных трудов МГМИ, 1986 г. С.
20. Никитенков Б.Ф., Меза Н., Овезов А.К. Экспериментальная установка дл5 комплексного изучения процессов движения ионов токсичных солей, элементо! минерального питания и диффузии компонентов почвенного воздуха. ВНИИТЭИ Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение. Серия 3,8,1986 г. 160 ВС-86 Деп стр
21. Никитенков Б.Ф., Овезов А.К. Бушфар А. Прибор для определена параметров ионного обмена и растворения солей при полном насыщении почв ВНИИТЭИ. Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение. Серия 8, 1986 г. 156 ВС 86 Деп стр.
22. Никитенков Б.Ф., Овезов А.К., Смирнов С.М. Использование микро ЭВГ»' для обработки опытных данных и управления экспериментом в сельско хозяйственных мелиорациях. ВНИИТЭИ. Орошение с.-х.культур. Осушение с.-х угодий. Серия 4, 7, 1986 г. 157 ВС-86 Деп стр.
23. Никитенков Б.Ф., Овезов А.К. Постановка задач неизогермическо£ кинетики основных компонентов почвенных растворов и воздуха. ВНИИТЭИ Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение 9, 1989 г. 335 ВС-89 Деп. стр.
24. Айдаров И.П., Никитенков Б.Ф., Камалов С.Д., Клыков В.Е., Коган Б.З. и др Методы определения гидрохимических и гидрофизических параметров используемых в долгосрочных прогнозах водно-солевого режима почв. ВНИИТЭИ Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение 3,1989 г. 5 ВС-89 Деп. стр,
25. Никитенков Б.Ф., Камалов С.Д. Количественная оценка физического состояния почвы при мелиоративных расчетах с позиций теорий ионного обмена и двойного электрического слоя. ВНИИТЭИ. Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение 2, 1990 г. 507 ВС-90 Деп стр.
26. Никитенков Б.Ф., Камалов С.Д. Математическое моделирование ионного обмена в почвах. ВНИИТЭИ. Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение 2,1990 г 506 ВС-90 Деп стр.
27. Никитенков Б.Ф., Овезов А.К. Анализ влияния химического состава почвенного воздуха на продуктивность сельскохозяйственных культур и возможностей регулирования газового режима почв при комплексных мелиорациях. ВНИИТЭИ. Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение 3, 1990 г.
3C-S0 Деп. стр.
I. Никитенков Б.Ф., Яковлев В.В. Некоторые вопросы теории и модели-ания процессов движения элементов минерального питания растений. ■1ИТЭИ. Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведение 2,1991 г. 1 ВС-91 Деп. стр.
Никитенков Б.Ф., Лагутина Н.В. Моделирование гидрохимического и робиологических процессов в малых реках верховий Немана. Тезисы ладов научно-технической конференции МГУП. Москва 1988, МГУП ). Никитенков Б.Ф., Лагутина Н.В. Гидравлические расчеты для малых рек амках составления схем КИОБР. Тезисы докладов научно-технической ференции МГУП. Москва 1998, МГУП
I. Казакбаев Д. Никитенков Б.Ф. Моделирование движения компонент Еенного воздуха. Тезисы докладов Научно-технической конференции МГУП. :ква 1998, МГУП
I. Никитенков Б.Ф. Моделирование проводящих и диффузионных свойств в. Тезисы докладов Научно-технической конференции "Природообустройство сологические проблемы Водного хозяйства и Мелиорации" Москва, МГУП 1999
3. Казакбаев Д. Никитенков Б.Ф. Полидисперсноя модель движения лпонент почвенного воздуха. Тезисы докладов Научно-технической |ференции "Природообустройство и экологические проблемы Водного яйства и Мелиорации" Москва, МГУП 1999 г.
4. Евграфов A.B. Никитенков Б.Ф. Построение цифровой модели водосборов ; и определение основных морфологических параметров поверхности для мета стока. Тезисы докладов Научно-технической конференции "Природо-'стройство и экологические проблемы Водного хозяйства и Мелиорации" сква, МГУП 1999 г.
35. Козлов Д.В.. Никитенков Б.Ф. Длиннопериодная модель теплового
кима и процессов промерзания - оттаивания малопроточных пресноводных io-емов. Тезисы докладов Научно-технической конференции Природо-'строй-ство и экологические проблемы Водного хозяйства и Мелиорации" сква, МГУП 1999 г.
36. Козлоз Д.В. НикитенковБ.Ф. Водохозяйственные балансы (Учебное пособие для дентов) М..МГУП 1995 г.
Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Никитенков, Борис Федорович
8.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.
1. Использование системных представлений о строении и функционировании основных компонент почвы при постановке и решении практических задач позволили:
• Рассмотреть в единстве разнообразные элементы почвенной структуры и их взаимодействие а также определить процессы которые протекают в почвенных системах на микроуровне и проявление которых необходимо учитывать при решении прикладных задач.
• Показать, возможность существенного упрощения задач, при условии использования на первых этапах более сложных и детальных математических моделей. В частности решение задач инфильтрации и капиллярного подъема в рамках уравнения влагопроводности, без моделирования процессов движения почвенного воздуха и др.
• Определить процессы наиболее значимые и наименее исследованные в прикладном почвоведении. Среди них многокомпонентная диффузия, осложненная ионным обменом и растворением твердых фаз, процессы массообмена в агрегатированных почвах, протаивания и промерзания почв.
2. На основе теории кинетики химических реакций, механики сплошных сред показать, что широко используемые математические модели конвективной диффузии, ионного обмена, фильтрации являются только первым приближением и их использование в длинно временных прогнозах в общем проблематично.
3. Разработаны новые конструкции приборов и соответствующие методы лабораторных исследований процессов движения почвенных растворов и воздуха в ненасыщенных влагой почвах. Проведены определения физико-химических свойств различных почв.
4. Разработаны методы и проведены комплексные полевые эксперименты в различных природно-климатических условиях с использованием средств телеметрии и позволившие оценить аппроксимирующие и экстраполирующие свойства разработанных сложных моделей формирования водного, солевого, пищевого и теплового режима почв.
5. Разработаны новые математические модели ионообменных процессов и формирования структуры почв, основанных на методах физико-химической кинетики и коллоидной химии. Обоснована и экспериментально проверена существенная зависимость параметров ионного обмена от влажности почвы.
6. Новые методы анализа основных положений теории движения массы и энергии в пористых средах позволили разработать моделей для расчета проводящих и массо-обменных свойств почвы, без которых решение прикладных задач невозможно.
7. Разработаны оптимальные численные методы и алгоритмы решения одномерных и многомерных задач совместного движения массы и энергии в почвах, доведенные до уровня программ ЭВМ.
8. Проведенные расчеты показали возможность практического решения сложных задач обоснования химических мелиораций орошаемых черноземов, оценки устойчивости их агрегатов а также возможности оценки агроресурсов и эффективности мелиораций в интегральных моделях формирования урожайности.
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе развивается "микроскопический" подход к почвам и процессам протекающих в них. Системность в изучении особенностей малых объемов почвы позволил не только выделить существенные элементы их структуры, но и построить некоторые мысленные конструкции, описывающие процессы движения массы и энергии на макроскопическом уровне. Использование методов механики сплошных сред - это наша плата не только за стохастичность пространственного распределения структурных элементов, но в большей мере за представленную возможность использовать исчисление бесконечно малых, т.е. развитые методы дифференциального, интегрального и вариационного исчислений. Объем почвы в уравнениях сохранения массы и энергии в итоге это бесконечно малый объем, в котором единовременно представлены все структурные особенности почвы. Однако, если уменьшить "увеличение", то становятся невидимыми определенные структуры и в конечном итоге перед нами будет истинная сплошная среда. Но микроскопические особенности не исчезли они просто не видны, как не видны и процессы обусловленные наличием микроструктуры. В построении моделей обычно такого рода явления учитываются разного рода коэффициентами и дополнительными членами в балансовых уравнениях. Как говорится в научно-технической литературе - "с некоторой (кое какой) степенью приближения". Желание что то посчитать, сделать прогноз развития тех или иных процессов в общем для науки явление закономерное и необходимое. Что же касается использование моделей в разработке технологий, то это уже не наука а инженерия. Здесь появляется ответственность за принятые решения, которую разделяют, как инженер - разработчик, так и лица, ответственные за реализацию проектов. Поэтому, чем точнее будут знания о моделируемых процессах, тем безопаснее станут технологии. В современном экологически неустойчивом мире с глобальными нарушениями окружающей среды, рекомендации основанные на предыдущем опыте оказываются бесполезными и даже многократно проверенные достижения -опасными.
Но парадокс заключается в том, что с некоторого уровня , становятся заметными новые структурные особенности строения почв. Например, трещины, локальные участки существенно отличных свойств и т.д. В меньших увеличениях структура оказывается не менее сложной, чем на микроскопическом уровне. Опыт натурного изучения этих особенностей накоплен в классическом почвоведении. Почвоведы натуралисты во многих научных работах их описали. Дополнительную информацию дали аэрокосмические методы. Во многих отраслях знаний требуется учет этих особенностей. Это например очевидно в разработке генетических методов расчета формирования стока рек, при мелиорации больших территорий и др. Но как ни странно уравнение фильтрации и влагопровод-ности и здесь остаются почти что единственным инструментом решения практических задач а для адекватности появляются еще менее понятные коэффициенты и сами физические свойства среды становятся подгоночными параметрами. Воистину чего только не сделаешь ради обоснования своего вторжения в природную среду и необходимости ее обустройства и защиты.
Нужно отметить, что процессы протекающие на микро уровне начинают играть уже другую роль. Часто они незаметны, их скорости малы. Поэтому результаты своих решений мы увидим через годы и десятилетия. Наверное многие из негативных процессов были запущены очень давно и не нами а расплачиваться за них приходится нам.
В этой связи дальнейшие исследования в направлении прикладного инженерного почвоведения можно сформулировать следующим образом:
1. Дальнейшие, более глубокие исследования абиотических и биотических процессов на микро уровне с выходом в научном плане на генезис и формирование свойств почв а в прикладном плане на проектирование и создании почв, устойчивых в земледелии.
2. Разработки методов изучения и описания процессов, протекающих в больших объемах почвы или на больших площадях, для решения локальных или глобальных задач обустройства антропогенизирован-ной окружающей среды и оценки ее экологической безопасности.
3. Разработка методов сохранения заповедных почв, как эталонов результатов естественных природных процессов в условиях глобального вторжения в природу.
-
Никитенков, Борис Федорович
-
доктора технических наук
-
Москва, 2000
-
ВАК 06.01.02
- ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗВИТИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИИ В ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТИ
- Эволюция почв и почвенного покрова объектов реконструкции мелиоративных систем
- Особенности формирования структуры почвенного и растительного покровов агроландшафта степной зоны
- Эколого-экономическая оценка богарного и орошаемого земледелия степной зоны Ставропольского края
- Способ количественной оценки пищевого режима осушенных торфяных почв
