Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Модель вертикального пассивного массопереноса в почве автономного геохимического ландшафта

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Модель вертикального пассивного массопереноса в почве автономного геохимического ландшафта"

Бесплатно

ЧОГРАФИМ ИНСТИТУТУ АЗЭРБА^АН ССР ЕЛМЛЭР AKAДEIV\ИJACЫ

Эл]азмасы Ьугугунда

ЛУНУСОВ МУСЕЛ4Б ИДРИС (^лу

КУР—АРАЗ ОВАЛЫЕЫ ТЭБИИ КОМПЛЕКСЛЭРИНИН ИРРИГАСИЛА—МЕЛИОРАСША ТЭДБИРЛЭРИНИН ТЭ'СИРИ ИЛЭ ДЭЛИШИЛМЭСИ (КУР ЧАЛЫНЫН САР САЬИЛИ ЬИССЭСИНДЭ)

11. 00- 01—Физики чоррафи}а, ландшафтларын кеофизикасы вэ кеоким]асы

Чографи]а елмлэри намизэди алимлик длрэчэси алмаг учун тэгдим олунмуш диссертаафнын

АВТОРЕФЕРАТЫ

БАК Ы-1 990

Тип. БГУ. Заказ 448. Тираж 100

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ОХРАНЕ ПРИРОДЫ ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ОХРАНЕ ВОД СВ Н И И В О)

На правах рукописи

Маттайс Майк

УДК 550.42

"МОДЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПАССИВНОГО МАССОПЕРЕНОСА В ПОЧВЕ АВТОНОМНОГО ГЕОХИМИЧЕСКОГО ЛАНДШАФТА. "

Специальность 11. 00.11. рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Нлучмые руководители: к. ф-м. и. доц. В. И. Денисов

д. т. н. проф. И. Г. Червлнев

Харьков - Г9О0

Работа выполнена в Харьковском государственном университете ИМ«Н«н»! ОрЬКОГО

Научные руководители -

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат физико-математических наук.

доцент Дениса» В. И.

доктор технических наук.

профессор Черванев Й.Г.

доктор географических наук,

профессор Некое В. Е.

кандидат химических наук,

с. н.с. Блеыинская Л. С.

Украинский научно-исследовательский

институт почвоведения и агрохимии

им А. М. Соколовского

Защита состоится 20 декабря 1990 г. в специализированного совета К-099. 01. О!

АЧ»

на заседании во Всесоюзном

научно-исследовательском институте по охране вод С310888, Харьков, ул.Бакулина б).

С диссертацией можно ознакомиться в ОнОлиотеке ВНИИВО. Автореферат разослан ч^ . Д"^-._ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник//¿/'{у^

Г. И.Кяплим

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность:' . Значение геохимической миграции в

географических ландшафтах в природоохран но-экологи чес ком отношении все более возрастает по следующим причинам. Прежде всего» это интенсификация земледелия, основанная в значительной мере на применении минеральных удобрения. В настоящее время большая их часть С по разным оценкам от 20 до во У» > оказывается вне корнеобитаемого слоя почвы» т. е. вносятся они без пользы для урожая и во вред окружающей среде. Во - вторых, это увеличение общей нагрузки "на ландшафты С в том числе антропогенной) в форме различного рода воздействий, крайним примером которых являются события, связанные с аварией на Чернобыльской АЭС. Анализ процессов вертикальной миграции радионуклидов показал крайнюю недостаточность и схематичность наших знаний в этих вопросах. Разработанные в научной литературе модели такой миграции имеют частный характер. Одним из негативных моментов, присущих изучению вертикальной миграции, является определенный отрыв процесса от общей канвы ландшафтоведения и геохимии ландшафтов» являющейся питательной средой конкретных физико-географических

исследований.При изолированном рассмотрении вертикального

пассивного массопереноса, происходящего под воздействием силы тяжести, утрачивается системный характер этого одного из важнейших процессов общего комплекса географических явлений, в результате чего результативность выполняемых исследований снижается.

Цель и задачи исследований; Анализ модели вертикальной

пассивной миграции химических элементов С соединений) в почве артономного геохимического ландшафта. Математическое моделирор*ние

Э

процессов вертикального пассивного массопереноса.

Основные задачи исследований» решение которых способствует достижению цеди» включают:

1.Исследование существующих моделей массопереноса в геохимии ландшафта и выявление места вертикальной миграции в системе геохимического ландшафта.

2. Оценка места моделирования вертика льного пассивного массопереноса в различных аспектах ландшафтоведения, геохимии окружающей среды и рационального природопользования.

3. Математическое моделирование процесса вертикальной пассивной миграции химических элементов С соединений) в почве на разных уровнях приближения к реальности» проведение численных экспериментов на ЭВМ.

4.Идентификация входных параметров модели, сравнение найденных параметров с параметрами, определенными ранее.

Методика исследования; Логическое и математическое

моделирование процесса массопереноса в пористой

среде. Программирование и имитация процесса вертикального

пассивного массопереноса.

Научная новизна: Впервые сделана попытка трансформировать некоторые представления о массопереносе в геохимическом ландшафте Глазовской М. А. в детерминированную математическую модель.

Впервые установлены характерные времена главных процессов массопереноса.

Предложен метод идентификации входных параметров для модельного описания процессов массопереноса» для различных состояний грунта.

Практическая ценность работы: . Проведенные исследования могут служить основой . для расчета переноса химических удобрений и самоочищения почвы от загрязнений» а .также загрязнения поверхностного стока и грунтовых вод в системе геосистемного мониторинга. Программы численного решения уравнений массопереноса могут быть включены © комплекс ландшафтно-геохимического моделирования массопереноса[Метод расчета характерных времен основных процессов массопереноса может быть использован для предварительной оценки вертикальной миграции различных химических элементов С соединений) в грунтах.

Апробация работы: Основные положения диссертации опубликованы в двух работах и доложены на семинаре во ВНИИВО г. Харьков в 1000 г.; на XXIII Всесоюзной студенческой научной конференции "Студент и научно - технический прогресс"» С Новосибирск» 1Q9S), где автор удостоен Диплома III степени Минвуза СССР; на VI. научной конференции "ПроОлемы рационального использования и охраны природной среды", С Минск» 10805; на Первых научных чтениях памяти основоположника природоохранного движения в России проф. В. И. Талиева, С Харьков, 19853, где доклад удостоен .Диплома I. степени Украинского общества охраны природы.

Публикации: По теме диссертации опубликованы 2 работы.

Объем работы: Диссертация состоит из введения» трех' глав и заключения объемом. 85 страниц, 4 таблиц, 12 графиков. Список литературы включает 109 работ на русском и 60 рАбот на иностранных языках.

Содержание работы:

В первой главе рассматривается место моделирования в

5

географии на фоне общего кризиса» который она» по мнению автора, переживает в связи с разрывом между высоким уровнем качественного познания структуры и закономерностей энерго-массопереноса» с одной стороны, и ограниченными возможностями их адекватного отображения в количественных моделях С Без чего конструктивная география невозможна) - с другой. Модельный подход,развиваемый Глазовской М. А. и Перельманом А. И. > может служить источником математического описания на количественном уровне процессов массопереноса в геохимическом ландшафте.

Во второй главе обсуждается дальнейшее, поэтапное развитие моделирования влаго-массопереноса в почве.

Этот процесс моделируется на трех уровнях. Обсуждается роль и место процесса влаго-массопереноса в почве как части общего процесса переноса веществ и энергии в ландшафте.

В.третьей главе подробно рассматривается математическая модель Генухтена - Виренги вертикального пассивного массопереноса в почве, проведен анализ уравнений этой модели.

Установлены характерные времена основных процессов вертикального пассивного массопереноса веществ, разработаны и реалиэованны в виде программ два метода численного решения системы дифференциальных уравнений массопереноса веществ

Генухтена-Виренги.

Особое внимание уделено вопросу идентификации вхолых модельных параметров. . Указаны недостатки известных методов идентификации. Показано, что метод идечтификашции Генухтеча-Виреигн дает искаженные значения входных параметров.

Предложен способ уточнения метода идентификации В.В Сысуева.

е

Защищаемые положения: 1. Вертикальный пассивный массоперенос является важной составной частью функционирования автономного геохимического ландшафта.

Автономные ландшафты» как верхние звенья каскадных ландшафтно-геохимических систем [по Глазовской М. А. ] , отличаются максимальной геохимической автономностью, но в Большей степени зависят от техногенного загрязнения.

В автономных ландшафтах главным направлением потоков веществ является движение вниз по профилю почвы С вертикальный массоперенос).

Пассивный массоперенос химических элементов С соединений) подчиняется физическими законами. Определяющими факторами

вертикального пассивного массопереноса являются диффузии и фильтрации веществ через почвенный профиль, процессы адсорСции веществ» извлечение с помощью корневой системой растениий химических элементов <соединений) .

3. Моделирование вертикального массопереноса является узловым момоентом познания ландшафтно-геохимического процесса для создания ландшафтно-геохимической модели антропогенного ландшафта. оценки процессов самоочищения почвы и загрязнения поверхностного и подземного стока.

Определяющее значение процессов массопереноса, происходящих в а втономнсм геохимическом ландшафте» для геохимического ландшафта в целом, открывается из модельных представлений каскадно ландшафтно - геохимических систем Глазовской М. А.

Моделирование процессов вертикального пассивного

массоперенос? в автономном геохимическом ландшафте дает

возможность ученому на ЭВМ воспроизводить всевозможные ситуации, включая критические» аварийные и катастрофические в процессе функционирования геохимического ландшафта и изучать их развитие, не вмешиваясь в природу.

Одним из примеров применения математического моделирования процессов массопереноса в геохимии ландшафта является агрохимия, где основное внимание сосредоточено на процессе вертикальной миграции химических веществ С элементов и соединений) по профилю почв с целью создания оптимальных условий для роста культурных растений.При этом часто избыток удобрений или агрохимикатов,их дальнейшая судьба не входят в круг интересов агрохимиков. В то же время, от "них зависит эффективность химизации, с одной стороны, и степень ухудшения состояния ландшафта и поверхностного стока - с другой.

3. Разработана и реализована программа численного моделирования процессов вертикального пассивного массопереноса в водоненасыщенном однородном грунте для ЭВМ.

В этой модели основные уравнения массопереноса имеют следующий ВИД:

(Л)

С£-/2рВ1 тп2 +С01 тС I пО -аС Ст-С I т.) , где С - концентрация раствора в единицах масссы на объем растворителя; 5 - концентрация адсорбированного компонента в единицах массы на массу пористой среды С тд/д почвы);Р коэффициент гидродинамической дисперсии, характеризующий скорость

8

выравнивания неоднородности концентрации раствора ;/ -* относительное количество сорбирующих участков почвы» находящихся в непосредственном контакте с щ подвижной жидкой фазой -

гидравлическая проводимость cm/day \9 - объемное содержание влаги в порах cnVcm1; р - объемный вес пористой среды С плотность)

9

g/em ; t - время т;г — глубина em; a - коэффициент массопереноса i/day; Индексы rr»,vtn используются для обозначения

величин,относящихся к подвижной и инертной зонам соответственно.

Взаимосвязь между концентрацией растворенного вещества в подвижной и застойной жидких фазах основывается на уравнении переноса между ними. Существенные значения для модели имеют, уравнения сорбции вещества. В нашей работе мы используем выражения для 5 - функции адсорбции,предложенные Фрейндлихом:

р Р

Sm-/pKCm, Sirn~Ct —f 2pKCimt С 2)

где К коэффициент адсорбции» в котором показатель р . нелинейности функции адсорбции. Мы считаем р равным 1, следуя работам Генухтена М. Т. , Виренги П. Дж. ;В. В. Сысуева.

Далее мы преобразуем приведенную систему уравнений, предлагая использовать их для моделирования массопереноса & почвенных колонках. В результате получаем:

-асс-сьо сз,

t>0, 0<s<L.

Краевые условия длч приведенной системы, в случае почвенноп колонки, состоят в следующем.

При 2=0.поток вещества равен интенсивности поступления

вещества на поверхность»т. е.

где Со С О -концентрация вещества,поступающего на поверхность почвенной колонки.

Поток вещества на нижней границе»при равен интенсивности

вытекания раствора, и поэтому краевое условие при имеет вид: ,

-О, 1>0. С 5)

Для ограниченной почвенной колонки длимой £.» начальные условия могут быть заданы в виде:

СтпСв, 0Э -СтС^У; СктСг, 0Э =С\.тСг>; о<г<1. Ь ~0. С 6)

Далее мы считаем» что в начальный момент времени почвенная колонка не содержит вещества трассера • а функция СОСIЭ» - функция поступления вещества на поверхность £=0 имеет ступенчатый

характер, т.е.

(СО ,если О<Ь<Т0

0 .если Т>ТОь где СО-сопзЬ* а ТО - время работы трассера. Нами реализованы» в виде программ для ЭВМ» два метода численного решения приведенной системы уравнений-* метод прямых и явный конечно-разностный метод.

Сущность метода прямых состоит в замене дифференциальных уравнений в частных производных системой обычных дифференциальных уравнений , для решения которых потом используются хорошо исследованные методы численного решения, например, метод Рунге-Кутты.

Как альтернативный метод численного решения основной системы нами реализована также и явная ' конечно-разностная схгма ее решения.

Для сравнения этих двух методов проведены численные эксперименты на основе эталонных данных, полученных Нкеди-Кица*. Результаты этих расчетов представлены в виде графиков концентрации трассера для активной и застойной зон почвенного раствора, С рис 1) .

Как видно из графиков, расчеты, проведенные по этим схемам, дают практически идентичные результаты - различия в значениях концентраций не превышают 2 У*.

4. Установлены характерные времена основных процессов массопереноса диффузионного, фильтрационного и процесса ©Омена между активной и застойной зонами. Временной параметр

характеризует скорость диффузионно- дисперсионного массопереноса С в сутках) . Величину Т мы назовем характерным временам диффузионно

- дисперсионного массопереноса.

Аналогично;

- характерное время фильтрационного массопереноса С в сутках);

Г ^ = iS.fl* */£]. Г я,

- характерное время массооОмена "активная зона"*"эастопная зон«" С в сутках};

г. = ? * - Г ■ С105

Nkedi-Kissa Р. et al.

On t h*> equivalence of t ънэ conceptúa I mode I s for de>scri bing t rr>«= eye hang** dvr ing t reins por t. through an aggrega ted oxi «о I. Wat. Res. Rest. , Í984, v. 20 tN. в. ÍÍ23-ÍÍ30.

- характерное время массооСмена "застойная эона"+"активная зона" С в сутках);

Сравнивая эти времена между сосой, можно получить качественную оценку скорости того или иного процесса массопереноса» и. следовательно» ранжировать эти процессы по скорости протекания.

5. «Доказано. что метод идентификации Генухтена-Виренги дает искаженные значения входных параметров модели. Показано, что эти искажения достигают 20 - ЗО *Л .

Основная трудность применения этой модели »как и других. основанных на уравнении конвективной диффузии, состоит в том. что некоторые параметры модели С например, коэффициенты

гидродинамической дисперсии» массоооменаЭ » невозможно пока определить независимыми методами.

Их значения определяют методом подбора» добиваясь, например, совпадения расчетных и экспериментальных кривых концентраций выходного трассера в колонках почвенного монолита. С этой целью проводятся специальные эксперименты.

Полученные в ходе эксперимента графики функции концентрации вещества трассера, несут в . сеОе информацию о процессах взаимодействия раствора и почвы, а их анализ дает возможность определить численные характеристики этих взаимодействий. Проводя численное моделирование . этих процессов» сравнивая расчетные и экспериментальные результаты» мы должны для определения интересующих нас величин решать, по существу» обратную задачу моделирования.

В применении к. системе уравнений вертикального пассивного массоперенос* задача идентификации состоит в определении

параметров Р, К, а>, /? по экспериментальным данным - концентрациям выходного трассера. Известны два метода идентификации этих параметров - метод Генухтена-Виренги и метод Сысуева.

По методу Генухтена-Виренги, идентификация производится следующим образом. Используя точное аналитическое решение уравнений вертикального массопереноса в полубесконечной колонке »получают график концентрации вещества трассера на глубине ¿. полубесконечной колонки. Подбирая значения параметров Р, Я, о, добиваются

"наилучшего" совмещения расчетного . графика с экспериментальным графиком концентрации вещества трассера на, выходе колонки длины Соответствующие значения параметров Р% К, <о, 0 считают равными искомыми .

В. В. Сысуев » для идентификации параметров, решает оптимизационную задачу, где функцией цели является мера рассогласования расчетных и экспериментальных результатов. Лля реализации был выбран метод симплексного поиска Спиндлея и Хецта.

Как. отмечает В. В. Сысуев, недостатком его метода является существенное влияние выбора исходных точек симплекса на результаты идентификации, а реализация его трудоемка и требует большого запаса машинного времени. По свидетельству этого автора, расчет продолжался на БЭСМ-6 около 1.3 ч.» а на ЕС-1033 порядка 2.5-3 ч.

Существенным недостатком метода идентификации

Генухтена-Виренги является необоснованная процедура, сравнения

концентрации на выходе • колонки длины £. с расчетными значениями концентраций на глубине Л полубесконечной колонки.

Следует отметить, что такое сравнение нельзя использовать при идентификации в силу чисто математических обстоятельств -

13

соответствующие задачи являются по существу различными краевыми задачами.

Нами проведены численные. эксперименты, в которых производилось сопоставление концентраций вещеста трассера на выходе колонки конечной длины 2. с концентрациями на глубине ¿. полубесконечной колонки»С рис 2Э.

Из приведенного графика следует. что они существенно отличаются значениями максимумов концентрации вещества трассера. Эти различия» в некоторых случаях, 20

Поэтому естественно, что идентификация по методу Генухтена-Виренга дает искаженные значения параметров Р. К» со, 0. Происхождение этого искажения ' - в неправомерном сравнении выходного трассера колонки конечной длиной ¿. с концентрацией вещества трассера на глубине ¿. полу бесконечной колонки.

Мы идентифицировали значения параметров Р, К, со, 0 для экспериментов Нкеди - Кииа » добиваясь подбором параметров Р, Я, и>, 0 "наилучшего" совпадения расчетных концентраций на выходе колонки по нашей программе, с экспериментальными данными, С рис 3, 4Э .

Идентифицированные нами параметры Р, R, со, 0 для эксперимента Нкеди-Кица , имеют следующие значения:

Р-4. О, 0=0.017, 0.917.

Тогда как значения Р, Я, ы» полученные по

Генучтену-Виренге, равны:-

Р=4.6, 1.096, 0-0.917, 917.

Сравнивая их, видим, что значения параметров Р и идентифицированные по методу Генухтена-Виренги "полубесконечной

колонки", приблизительно на 20 У, - 30 % отличаются от значений, идентифицированных нами.

Таким образом, следует признать, что метод идентификации Генухтена-Виренги имеет существенный недостаток.

Тем не менее, этот метод можно использовать как первый шаг в решении задачи идентификации для определения исходной точки симплекса в методе идентификации В. В. Сысуева.

Личный вклад исследователя: Дан анализ математической модели вертикального пассивного массопереноса, предложенной Генухтеном и Виренгом и решена, с помошью двух независимых численных методов, система дифференциальных уравнений одномерного массопереноса.

Установлены характерные времена главных процессов вертикального пассивного массопереноса в почве.

Предложен новый метод идентификации входных параметров модели, основанный на методах, предложенных Генухтеном и Виренгом, и также Сысуевым.

Предложена программа дальнейших исследований процессов массопереноса в почвенной среде.

Доказательность, оценка достоверности. : Система

дифференциальных уравнений, описанная Генухтеном и Виренгом, была решена двумя независимыми численными методами . Сравнение полученных результатов численного эксперимента с опубликованными результатами этих авторов показали адекватность сравниваемых данных.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Вертикальный пассивный массогтеренос является важной составной частью функционирования автономного геохимического

13

ландшафта.

2. Моделирование вертикального массопереноса является узловым момоентом познания ландшафтно-геохимического процесса для создания ландыафтно-геохимической модели антропогенного ландшафта, оценки процессов самоочищения почвы и загрязнения поверхностного и подземного стока.

3. Разработана и реализована программа численного моделирования процессов вертикального пассивного массопереноса в водоненасыщенном однородном грунте для ЭВМ. ^

4. Установлены характерные времена основных процессов массопереноса - диффузионного» фильтрационного и процесса обмена между активной и застойной зонами.

9. Доказано.; что метод идентификации Генухтена-Виренги дает искаженные значения входных параметров модели. Показано» что эти искажения достигают 20 — 30 .

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Денисов В. И. . Маттайс М. О математическом моделировании процессов влаго-массопереиоса в зоне аэрации. Вестник ХГУ -Харьков: ХГУ. 1990. •

2. Денисов В.И. .Маттайс М. Математическая модель массопереноса химических элементов по профилю почв черноземного типа. Вестник ХГУ -Харьков: ХГУ. Ю80,х. 341 .82-84.

ВпакЬНгоидК сит»* т. 6 ст Вхр.4 /ог гШа о/ Ык<нИ-К1гел, 1984 тахсИ//:2%

—— р*я„те --Р-Г те.

ИКЕтЛ12к е* аи 863 ЕХР. 1/Н20

трог