Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Модели движения воды в почве, их экспериментальное обеспечение и использование

ВАК РФ 06.01.14, Агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Модели движения воды в почве, их экспериментальное обеспечение и использование"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОЛОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

2 ."».¡Г На правах рукописи

ВАН ИЦЮАНЬ

Модели движения воды в почве , их экспериментальное обеспечение и использование

Специальность 06.01.14 - агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Е.В.Шеин

кандидат биологических наук А. К. Губер

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук П.М.Сапожников кандидат биологических наук И.М.Рыжова

Ведущее учреждение: Владимирский НИИ сельского хозяйства

Защита состоится "¿1" „ПАХ' 1996 г. в 15 час .30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета по почвоведению К-053.05.16. в МГУ км. М.ВЛомоносова.

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке факультета почвоведения МГУ

Автореферат разослан "_"_1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Г.В.Мотузова

Актуадьцо.сп> темы, Исследованиям и оценке водного режима почв посвящено много работ. Достаточно указать классические работы Г.Н.Высоцкого, А.А.Роде, Н.А.Качинского, Ф.Р.Зайдельмана, И.И.Судннцына, А.Г.Бондарева, Л.О.Карначевского и др. Фактически любое комплексное почвенное исследование включает исследование водного режима. Однако до сих пор остаются вопросы, сохраняющие свою актуальность. Это и выбор параметров по количественной оценке водного режима, и возможность достаточно точного и корректного описания и прогноза водного режима почв с помощью различного рода математических моделей.

Иедь_ра£ош, Исследование применения моделей различного уровня для количественного описания передвижения влаги в почвах.

1. Детальное исследование водного режима модельных дерново-подзолистых почв в строго контролируемых условиях больших лизиметров почвенного стационара МГУ.

2. Использование вероятностных подходов для количественной оценки режимов влажности и давления влага в годы различной обеспеченности.

3. Сравнительная оценка использования почвенно-гадролошческих констант, полученных различными способами, для оценки и прогноза водного режима почв балансовой моделью влагопереноса.

4. Оценка адекватности описания водного режима почв с помощью балансовой и "дифференциальной" моделей.

5. Оценка адекватности описания лизиметрического стока с помощью балансовой и "дифференциальной" моделей.

Научная новизна. Обосновано применение полученного различными способами экспериментального обеспечения моделей балансового и полуэмпирического ("дифференциального") типов для наиболее точного и надежного описания водного режима почв. Показано, что при статистически достоверной адекватности моделей указанных двух типов имеют место систематические ошибки в описании интенсивных внугрипочвенных потоков инфлюкционного типа.

Пршш1ашаа^жш£Ы11ь_Указатше типы моделей имеют соответствующие области применения: балансовые способны надежно описывать глубинный сток, "дифференциальные" - послойную динамику влажности и глубинный сток. Рекомендовано для надежного применения моделей балансового типа использовать экспериментально полученные в полевых условиях почвешш-гидрологические константы, а для моделей "дифференциального" типа - основную гидрофизическую характеристику (ОГХ), определенную по полевым синхронным данным о давлении влаги и влажности почвы в области рр от I до 2.8 и по лабораторным данным о равновесных влажностях почвы над насыщенными растворами солей (рИ от 4.45 до 6.42).

результаты работы были доложены на межвузовской научной конференции "Физика твердого тела"(Барнаул,1994), на конференции молодых ученых МГУ "Современные проблемы почвоведения и эколо-пш"(Красноввдово, 1994),на Всероссийской конференции "Вопросы агрофизики при воспроизводстве плодородия почв"(Санкт-Петербург, 1994),на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ (февраль, 1996 г.).

Публикации.. По теме диссертации опубликовано и подготовлено к печати 5 работ. ^

страницах, включает !.?... таблиц и ¿.й-. рисунков; состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего наименований и приложения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственлого университета им. М.ВЛомоносова. Автор выражает свою признательность к.б.н. А.Б.Умаровой и аспиранту кафедры физики и мелиорации почв А.В.Дембовецкому за помощь при выполнении и оформлении работы. Автор также благодарит всех коллег кафедры за помощь и поддержку в трудную минуту.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования служили модельные дерново-подзолистые сред-несуглшшстые почвы Почвенного стационара факультета почвоведения МГУ. Эти почвы находятся в больших открытых почвенных лизиметрах, которые представляют собой цементные емкости, выложенные керамической плиткой, площадью 9 м2 и глубиной 1,75 м. Снизу почвы подстилаются песчаным и гравийным слоями, имеется устройство для сбора и регистрации лизиметрического стока.

Исследовались варианты сверхглубокого плантажа (лизиметры 7 и 9) и вспашки по Мосолову (лизиметры 11 и 13). Предложенный Б.Г. Ганжой и В.П. Бушинским, способ сверхглубокого плантажа заключается в выворачивании на поверхность иллювиального горизонта, который после комплекса агротехнических мероприятий теряет свою токсичность. По мнению авторов происходит разрушение подзолистого горизонта, почва приобретает более рыхлое строение, создаются благоприятные условия для растений. Глубокая обработка должна производится один раз, далее почва пашется на обычную глубину. Профиль модельной почвы в лизиметрах 7 и 9: В2(0-43), В 1(43-65), А2(65-80), Ап(80-100), В2(100-120), ВЗ(120-150). Прием трехъярусной вспашки с помощью специально сконструированного плуга был предложен академиком В.П. Мосоловым с целью обогащения питательными элементами верхних слоев почвы н улучшения се сложения. Профиль модельной почвы в этом варианте:

Табл.1. Некоторые физические свойства исследованных почв (по прямым экс_____пернмеитальным наблюдениям) ___

Гори- Сод. Плот- Плот- Пороз. Коэф.

зонт физ. ность ность общая филь- HB вз \1Г Г

(Глубина опробования (СМ)) глины * (%) почвы (г/см3) твердой фазы* (г/см3) (см3/см3 трации (м/суг) (см'/ см3) (см3/ см3) (см3/ см3) (см3/ см3)

Лизиметр 7

Ar.(ÍO) 44.0 1.40 2.73 0.487 0.750 0370 0.172 0.134 0 037

В2('30) 48.0 150 2.71 0.446 0250 0351 0.184 0.144 0.039

В1(50) 55.0 1.47 2.89 0.491 0250 0338 0.169 0.140 0.039

А2(70) 52.0 1.50 2.85 0.474 0.450 0371 0.174 0.145 0.040

Ап(УО) 41.0 151 2.68 0.437 0350 0383 0.150 0.107 0.026

B2Ü10) 46.0 ISO 2.80 0.464 0.055 0.431 0.096 0.060 0.014

В3(130) 46.0 1.65 2.82 0.415 0.055 0390 0207 0.177 0.051

Лизиметр 9

Ап(Ю) Н.О. 1.44 2.73 0.473 Н.О. 0374 0.177 0.138 0.038

В2(ЗС) Н.О. 1.43 2.71 0.472 но. 0398 0.176 0.137 0.037

В1(50) И.О. 1.46 2.89 0.495 Н.О. 0340 0.168 0.139 0.039

А2(70) Н.О. 1.46 2.85 0.488 H.O. 0375 0.170 0.141 0.039

АЩ90) НО. 1.52 2.68 0.433 Н.О. 0375 0.151 0.108 0.026

В2(И0) И.О. 1.50 2.80 0.464 Н.О. 0.432 0.091 0.060 0.014

В3(130) и.о. 1.65 2 82 ' 0.415 Н.О. 0362 0207 0.177 0.051

Лизиметр 11

Ап(10) 38.0 1.14 2.65 0.570 0.500 0395 0.080 0.060 0.014

ВЦЗО) 54.0 ¡28 2.50 0.488 0250 0341 0.109 0.059 0.016

А 2(50) 57.0 1.40 2.58 0.457 0.550 0374 0.155 0.109 0.031

В2(70) 51.0 1.43 2.60 0.450 0300 0388 0.174 0.133 0.040

В2(90> 50.0 1.47 2.58 0.430 0230 0363 0.178 0.137 0.041

В2(П0) 50.0 150 2.60 0.423 0.050 0363 0.182 0.140 0.042

! В3(130) 50.0 1.55 2.60 0.404 0.050 0355 0.194 0.166 0.048

1 Лизиметр 13

Ап(10) Н.О. 1.14 2.65 0570 0550' 0.413 0.080 0.061 0.014

В1(30) Н.О. 127 250 0.492 0250 0356 0.108 0.058 0.016

А2(50) и.о. 1.43 2.58 0.446 0.550 0390 0.158 0.111 0.032

В2(70) Н.О. 1.48 2.60 0.431 0300 0390 0.180 0.138 0.041

В2(90) Н.О. 1.41 258 0.453 0300 0359 0.17i 0.131 0.039

В2(110) Н.О. 1.50 2.60 0.423 0.050 0366 0.182 0.140 0.042

В3(130) и.о. 1.55 2.60 0.404 0.050 0380 0.194 0.166 0.СМ8

'-по данным А.Б.Умаровой (1995)

\п(0-20), В 1(20-45), А2(45-б0), В2(60-120), ВЗ(120-150). Некоторые физичес-сие свойства этих почв представлены в таблице 1. Отметим, что наименьшая шагоемкость (НВ), представленная в этой таблице, определялась экспериментально в тот момент, когда практически заканчивался весенний лизимет-

рический сток: В дальнейшем эта величина НВ будет фигурировать как "экспериментальная".

Годы исследования представляли большой интерес в связи с целью данной работы: это были исключительно влажный 1993 г. (осадки по данным метеостанции МГУ за период исследований апрель - октябрь составили 155% от среднемноголетней), умеренно влажный 1994 г. (119 %) и сухой 1995 г. (66% от среднемноголетней нормы). Следует отметить, что лизиметрический сток в варианте глубокого плантажа (418.4, 360.1 и 117.1 мм) во все годы исследований превышал сток в варианте вспашки по Мосолову (369.7, 315.0 и 30.6 мм). Это отмечалось и в диссертации А.Б.Умаровой (1995), которая связывала этот факт с наличием трещиноватого, крупноблочного горизонта В2 на поверхности почвы, формировавшего сток инфлюкционного типа.

Все три года исследований с апреля по октябрь измерялись влажность почвы послойно нейтронным влагомером и давление влаги тензиометрами. В 1994 г. лизиметры 9 и 13 были засеяны ячменем, в остальные годы все варианты представляли собой черный пар, - соответственно определялись микроиспарителями эвапотранспирация и испарение с поверхности почвы.

Мы использовали почвенную гидрофизическую информацию, полученную различными методами. На рис. 1 в качестве примера представлены ОГХ, полученные на основе различных методов: лабораторных исследований (капилляриметрический и метод равновесия над растворами солей) -"лабораторная ОГХ", на основе полевых синхронных данных о давлении влаги и влажности -"полевая ОГХ", и на основе полевых синхронных данных в ка-пилляриметрической области и лабораторных данных по равновесию над растворами солей -"лабораторная+полевая". Эти 3 типа кривых служили обеспечением для дифференциальной модели. Во всех случаях, в связи с разбросом полевых данных и различными диапазонами измерения, экспериментальные данные аппроксимировались функцией ван Генухтена (на рис.1- сплошные линии)- После аппроксимации из этих ОГХ рассчитывали НВ и другие по-чвенно-гидрологические константы по методу А.Д.Воронина для экспериментального обеспечения балансовой модели. Функцию влагопроводности почвы кычисляти по методу Муалема для "дифференциальной" модели влагоперено-са.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МОДЕЛИ

Балансовая модель основана на расчете послойного баланса влаги с использованием пшролотческих констант (полная влагоемкость - ПВ, НВ, ВЗ, МГ, Кф). При поступлении влаги в слой он насыщается со скоростью впитывания до ПВ, и при отсутствии дальнейшего поступления, влажность в нем снижается до НВ за счет оттока в нижележащий со скоростью, равной коэффициенту фильтрации Кф. Дальнейшее иссушение при заданном испарении

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0,(см3/см?) 0,(слг7см3)

Рис 1. Основные гидрофизические характеристики (ОГХ) .полученные разными методами : О в-в - лабораторные, В И 9 - лабораторные + полевые, А А А - полевые; о - экспериментальные лабораторные данные, □ - экспериментальные полевые данные. Глубины: а - 10 см, б -30 см, в -90 см, г- 110 см; (Лизиметр 7).

приводит к уменьшению влажности почвы от НВ до ВЗ во времени по экспоненциальному закону. Почвенно-гидрофизическое обеспечение балансовой модели - это экспериментально полученные по прямым полевым и лабораторным исследованиям величины ПВ, НВ, ВЗ, МГ и Кф, а также указанные гидрологические константы рассчитанные из ОГХ по методу А.Д.Воронина.

Полуэмпирическая (Пачепский, 1991) или, в дальнейшем, "дифференциальная" модель - использует уравнение Ричардса и основные гидрофизические функции для расчета переноса влаги. Указанные модели разработаны и реализованы на ЭВМ с.н.с., к.б.н. А.К.Губером.

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ВОДНОГО РЕЖИМА ПОЧВ

Традиционно в почвенной практике водный режим почв представляют в виде хроноизоплет влажности с учетом послойных значений почвенно-

гидрологических констант (Роде, 1960; Зайдельман, 1985 и др.). Такие карты хроноизоплет влажности и/или давления влага почвы позволяют качественно характеризовать водный режим, классифицировать и вести сравнительный анализ. Однако хроноизоплеты не позволяют проводить количественный анализ, сложны при многообразии сравниваемых объектов и хранении такого рода информации. Поэтому, кроме традиционного подхода в работе использовалась количественная вероятностная оценка водного режима, обоснованная в работах Е.В.Шеина и С.В.Махновецкой (1994, 1995). Этот подход основан на расчете вероятности появления избытка (< 5% воздухосодержания) и недостатка влажности (<70% от НВ) в рассматриваемом массиве данных, полученных с одинаковым временным интервалом. В табл.2 представлены эти количественные характеристики режима влажности. Прослеживаются характерные различия по годам и вариантам исследования: вероятность избытка влаги была наибольшей в 1993 г. и отмечалась практически по всему лрофшно исследованных почв. Дефицит влаги наиболее ярко проявлялся в 1995 г. в верхних почвенных горизонтах, когда практически во время всего периода исследований влажность была менее 0.7НВ. Закономерны различия и по вариантам исследования: вариант сверхглубокого плантажа (лизиметры 7, 9) имел четко выделяемое и практически постоянное переувлажнение в нижних слоях почвы, а в случае вспашки по Мосолову (лизиметры 11, 13) переувлажнение наблюдалось в меньшей степени и в средней части профиля вследствие его слоистости. Эти характерные отличия водного режима также обусловлены инфлюкци-онным типом движения влага в случае глубокого плантажа и более равномерного, инфильтрационного типа, - в случае вспашки по Мосолову. Таким образом вероятностная оценка водного режима почв позволяет количественно определять характерные особенности водного режима почв как по вариантам, так и по годам исследования. Следует отметить, что оценка по давлению влага менее показательна, особенно в области переувлажнения. Это связано с особенностями работы тензиометров, которые не имеют высокой чувствительности в области высокого и низкого влагосодержания. Поэтому в последующих разделах работы мы пользовались подобного рода количественной оценкой для режима влажности почвы. В дальнейшем, для краткости, приведены материалы по водному режиму почв за умеренно влажный, но в то же время контрастный 1994 г. для лизиметров 7,11 и 13, учитывая различие вариантов 7 и 11 в профильном отношении , а вариантов 11 и 13 в состоянии поверхности (лизиметр 13 - ячмень).

АДЕКВАТНОСТЬ ОПИСАНИЯ МОДЕЛЯМИ РЕЖИМА ВЛАЖНОСТИ

Обладая подробной (определение влажности и давления мат в почве проводились практически ежедневно) информацией о водном режиме и стоке 1а пределы профиля, следующей задачей работы явилась оценка работоспособ-

Табл.2, Вероятность избытка (воздухосодержание <5%.) и недостатка (влажность <70 % НВ) влага в .почве за 1993 -1995 гг.

Глубины (см) 1993 1994 1995

Избыток Нел остаток Избыток Недостаток Избыток Недостаток

Лизиметр 7

10 0.0020 0.2663 0.0000 0.0277 0.0000 0.9868

30 0.0447 0.0000 0.0010 0.0000 0.0000 0.0000

50 0.0004 0.0004 0.0000 0.0000 0.0000 0.0640

70 0.0140 0.0000 0.0065 0.0000 0.0044 0.0316

90 0.9899 0.0000 0.9991 0.0000 0.8271 0.0000

110 1.0000 0.0000 0.9999 0.0000 1.0000 0.0000

Лизиметр 9

10 0.4236 0.0559 0.3095 0.0357 0.0159 0.4892

30 0.0000 0.3380 0.0000 0.6731 0.0000 0.9198

50 0.0000 0.0000 0.0002 0.0002 0.0000 0.0403

70 0.0000 0.0000 0.0010 0.0070 0.0000 0.0013

90 0.9950 0.0000 0.7125 0.0005 0.8384 0.0000

Лизиметр 11

10 0.0065 0.2479 0.0000 0.0390 0.0000 0.9386

30 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0058

50 0.0886 0.0035 0.0750 0.0001 0.0000 0.8605

70 0.3790 0.0000 0.0850 0.0000 0.0000 0.0336

90 0.4840 0.0000 0.1700 0.0000 0.0000 0.0281

Лизиметр 13

10 0.0012 0.1641 0.0001 0.1390 0.0000 0.9748

30 0.0005 0.0000 0.0457 0.0130 0.0000 0.0274

50 0.2582 0.0000 0.1703 0.0870 0.0000 0.9342

70 0.7636 0.0000 0.2864 0.0312 0.0000 0.0352

90 0.0003 0.0000 1/.0419 0.0125 0.0000 0.0144

9, см3/см'

038

3

(а)

0, см /см . (б)

0.38

0 30 60 90 120 150 180 О

0.50

30 60

120 150 180

\yvv- "Л - '"V

0.45 0.40 0.35 0.30 0.25

30 60

90 120 150 180 время, сут

О 30 60 90 120 150 180 время, сут

Рис.2. Динамики влажности почв в лизиметре 7, 1994 г. Экспериментальные величины - точки, рассчитанные - линии: а - по балансовой модели, б

- по дифференциальной модели. Глубины: -- 20 см; Н, -—— ——

- 30 см; а ,----50 см; ▼,....- 90 см; ._- 110 см .

ности известных моделей на подобном детальном материале.

В результате прогнозного моделирования мы получали послойную динамику влажности и рассчитанный лизиметрический сток. На рис. 2 представлены расчетные (линиями) и реальные (точками) динамики влажности почвы по слоям 20, 30, 50, 90 и 110 см. Из рисунка видно, что обе модели качественно по-разному описывали динамику влажности. Дифференциальная модель в приведенном примере воспроизводила динамику влажности значительно лучше, чем балансовая. Недостаточно качественное описание динамики влажности балансовой моделью связано прежде всего с упрощающими допущениями: отток из почвенного слоя с влажностью выше НВ происходил со скоростью, равной коэффициенту фильтрации, что физически нестрого.

В большой степени качество описания моделями динамики влажности почвы зависело от способов получения почвенно-гидрофнзической информации. Поэтому для детальной оценки моделей на адекватность необходимо использовать количественные критерии. Прежде всего был применен вероятностный количественный подход по оценке режима влажности, использованный ранее для оценки водного режима по годам и вариантам. Следует отметить по

Табл. 3. Сравнительная оценка экспериментального и расчетного водных режимов почвы по вероятности появления _____________периодов недостатка и избытка влага______________

Глуб. (СМ) экспериментальный режим Балансовая модель Дифференциальная модель с использованием ОГХ

Экспериментальная нв с использованием ОГХ

Лабораторная Лабораторная +полевая Полевая Лабораторная Лабораторная +полевая Полевая

Избыт. Недост. И юыт. Недост. ИзбыТ. { НСДОСТ. Избыт. 1 Недост. Избыт. ; Недост. Избыт. | Недост. И (быт. Недост. Избыт. Недост.

Лизиметр 7, 1994 г.

20 0.0000 0.0277 0.0175 0.0166 0.0264 0.0179 0.0000 0.0406 0.0000 0.0619 0.0553 0.0003 0.000 0.0173 0.0000 0.0874

30 0.0010 0.0000 0.0000 0.0000 0.3429 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 (1.0000 0.9099 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Я) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0296 0.0000 0.0000 0 .(XXX) 0.0000 О.СХХХ)

70 0.0065 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0880 0.0000 0.4169 0.4711 0.0000 0.0000 0.0000 0.0016 0.1710

9(1 0.9991 0.0000 0.5341 0.0000 0.5941 0.0000 0.5342 0.0000 0.6500 0.0000 0.9400 0.0000 0.9999 0.0000 1.оооо 0.0000

110 0.9999 0.0000 0.0000 0.3049 0.0000 1.0000 0.0000 0.9992 0.0000 0.9815 0.0000 1.0000 О.(КХХ) 1.0000 0.0000

Лизиметр 11, 1994 г.

2« 0.0000 0.0390 0.0000 0.0079 0.0000 0.0230 0.0000 0.3152 0.0000 0.2664 0.0000 0.0000 0.0000 0.0004 0.0000 0.0000

3« 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 О.(ХХХ) 0.0001) 0.0000

50 0.0750 0.0001 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.2007 0.0000 0.1292 0.1052 0.0000 0.1487 о.оооо 0.3313 О.СХХХ)

70 0.0X50 0.0000 0.0083 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 О.(ХХХ) 0 0000 0.0000 0.0000 0.0450 0.0000 0.4650 0.0000

чо 0.1700 0.0000 0.0408 о.оосо 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 о.оое:) 0.0000 0.0002 0.0000 0.3382 о.(ххх) 0.0000 0.0000

Лизиметр 13, 1994 г.

20 0.0001 0.1390 0.0221 ( 0.5734 0.0041 0.5796 0.0049 0.5687 0.0053 0.5070 0.0000 0.0000 0.0000 | 0.0053 о.оош 0.0015

С...>457 0.0130 0.0403 1 0.5445 0.0377 0.4318 о.оз; 9 0.4911 0.0152 0.4578 0.0000 0.0000 0.0000 0.0003 о.оооо О.ОО'4) О.СХХХ)

50 0.1703 0.0870 0.1758 | 0.4398 0.0000 0.0000 0,0110 0.2190 0.0000 0.6485 0.0411 0.0000 0.0491 0.1215 0.005Х

71» 0.2864 0.0312 0.24« 0.26X4 0.0000 о.оооо 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0432 0.0000 0.0561 0.Ш52 0.9999 0.0000

ад 0.0419 0.0125 0.0000 о.оо(Ю 0.0000 0.0000 0.0000 0.0002 1 0.0000 0.0020 0.0000 0.0000 0.0000 0.0004 О.ОО(Х) 0.0000

результатам табл.3, что и балансовая, и дифференциальная модели недостаточно хорошо описывали переувлажнение при использовании лабораторной ОГХ. Балансовая модель также явно переоценивала появление засушливых периодов в варианте с растениями (лизиметр 13), а дифференциальная - недооценивала в случае лабораторной ОГХ. Эти результаты указывают на наличие погрешностей в моделировании, наибольших в случае использования лабораторной ОГХ. Однако, это качественная оценка с использованием количественных критериев. Остается вопрос: статистически различаются расчетный и экспериментальный режимы?

Для статистической оценки использовали следующие параметры (Пачеп-ский, 1991): "чистая" ошибка, Бе, - характеризует вариабельность экспериментальных данных; неадекватность модели, Б г, - характеризует разброс погрешностей модели; нормализованная объектная функция, N0?,- это ошибка модели, нормированная общей средней (считаегся, что если N0? > 0.5 - то модель неудовлетворительная) и отношение квадратов чистой ошибки к квадрату неадекватности (табл.4). Если это отношение будет меньше табличного критерия Фишера для соответствующих степеней свободы, то с .соответствующей вероятностью нулевая гипотеза не отвергается и различия считаются недостоверными, то есть гипотеза об адекватности модели может быть принята. Табличная величина критерия Фишера равна для рассматриваемого случая 4.4 при вероятности 0.999. Из табл. 4 следует, что по величине ЫОР все модели с соответствующим обеспечением могут быть использованы. Однако, по критерию Фишера балансовую модель следует признать неадекватной для описания режима влажности, она недостаточно успешно практически во всех вариантах используемой экспериментальной информации описывает динамику влажности. Точность дифференциальной модели значительно выше, однако при использовании лабораторной ОГХ расчет также неадекватен реальной влажности. Особенно неудачно обе модели описывали вариант глубокой вспашки (лизиметр 7). И это вполне понятно: перенос влаги в этом варианте происходил по макронорам и трещинами, имел инфлюкционный характер, а ни одна из испытанных моделей не способна описать мгновенные "проскоки" влаги, -отсюда и наибольшие ошибки в модельном описании явления переноса. Таким образом, для точного описания режима влажности следует использовать дифференциальную модель с лабораторно-полевой ОГХ. Следующим вопросом является применение моделей для описания лизиметрического стока, - важной характеристики экологической функции почв.

АДЕКВАТНОСТЬ ОПИСАНИЯ МОДЕЛЯМИ ЛИЗИМЕТРИЧЕСКОГО

СТОКА

На рис.3 представлены кумулятивные кривые лизиметрического стока экспериментальная и рассчитанные с помощью различных моделей. Из графиков

Табл.4. Статистические параметры оценки адекватности описания режима влажности моделями, _ использующими различные почвенно-гидрофизические характеристики. _____

Статистические параметры Балансовая модель Дифференциальная модель

Из экспери- 1 Из полевой | Из лаборатор-ментачьныл | ОГХ ной+пояйвой данных | | ОГХ Из лабораторной ОГХ Полевая ОГХ Лабораторная +полевая ОГХ Лабораторная ОГХ

Лизимегр 7, 8е=0.015()

вг 0.0372 ( 0.0706 0.0470 0.0482 0.0395 0.0214 0.0774

N0? 0.0120 0.1920 0.1278 0.1311 0.1075 0.0582 0.2104

Яг2««»2 6.! 588*" 22.1492*" 9.8151"" 10.3279'" 6.9427*" 2.0326 26.6008""

Лизиметр 11, 5е=0.0241

Бг 0.0323 0.0535 0.0545 0.0419 0.0203 0.0202 0.0465

\ОР 0.0927 0.1536 0.1565 0.1203 0.0582 0.0580 0.1335

Яг2^2 1.7908 4.9107*** 5.1008*" 3.0161* 0.7059 0.6997 3.7137

Лизиметр 13, 5еМ).0490

8г 0.1218 0.0897 0.1018 0.0822 0.0272 0.0280 0.0360

0.3666 | 0.2702 0.3066 0.2475 0.0818 0.0344 0.1085

Бг2^ 6.1693"* 3.3500" 4.3131" 2.8113* 0.3069 0.3268 0.5452"*

Примечание: Бг - Среднее значение неадекватности модели; 5г = --У , -У (Эр,-9э,)2

ш г, уп

Бе - среднее значение "чистой" ошибки; = — У ;- У (0а, - Оз.)2

т к I I л "

КОР - нормализованная объектам функция; N0? - ^

0р - экспериментальная и рассчитанная объемные влажности почвы на ¡-том горизонте.

Лизиметр 11

время, суг время, сут

Рис.3 Кумулятивный лизиметрический сток (У,мм) за 1994г.: о-о-е - экспериментальный; расчетные: а - балансовая модель, б - дифференциальная

модель,........- параметры из полевой ОГХ,----- параметры из

лабораторной+полевой ОГХ,------- параметры из лабораторной

ОГХ ,--НВ по экспериментальным данным.

следует, что количественное описание удовлетворительное,-и суммарные величины стока за сезон в большинстве случаев близки. То есть для нахождения усредненных оценок вполне могут быть использованы обе модели. Статистические опенки это подтверждают: обе модели адекватно описывают лизиметрический сток (табл.5). Лишь в случае балансовой модели в лизиметре 13 наблюдаются достоверные отличия, что еще раз указывает на недостаточную точность описания балансовой модели водного режима при наличии растительности. Следует, подчеркнуть еще один характерный момент: как следует из ^.1С.З, описание дифференциальной моделью лизиметрического стока в случае использования лабораторной ОГХ качественно неудовлетворительное, а статистический критерий адекватности указывает на адекватное описание этой моделью динамики лизиметрического стока. По всей видимости, используемый критерий адекватности в виде сравнения отношения Б^/Бе2 с критерием Фишера не может быть использован как единственный и самостоятельный критерий адекватности, особенно в случае высскодинампчных и контрастных (большие различия максимальных и минимальных величин) режимных данных. Прежде всего, вследствие того, что этот критерий не указывает на наличие систематических ошибок и во многом определяется разбросом экспериментальных данных (высокой величиной "чистой" ошибки, вс), т.е. контрастностью режима. Поэтому для всесторонней оценки модели необходимо использование и других критериев, оценивающих модель на наличие систематических ошибок. Это особенно важно в данном случае при описании лизиметрического стока, так как эта составляющая водного режима имеет характерные особенности: интенсивный и максимальный весенний сток и более равномерный летне-осенний. Для этого были проанализированы погрешности моделей, гистограммы которых показали, что погрешности моделирования наибольшие в случае балансовой модели н имеют сдвиг в сторону отрицательных величин, то есть когда экспериментальный сток превышал расчетный. Это г сдвиг указывает на возможность систематической ошибки при моделировании. На рис. 4 представлены зависимости погрешности расчета лизиметрического стока от измеренной величины в графическом виде. Из этих графиков видно, что действительно наблюдается рост погрешностей с ростом снмоп величины стока. По-видимому, имеется систематическая погрешность в моделировании стока, связанная с неудовлетворительным описанием моделями интенсивных потоков, с максимальными величинами суммарного стока за период. Однако требуется статистическое подтверждение этого качественного вывода. Для этого мы рассчитали регрессию погрешностей моделей от измеренной величины (Д = а + в-Хэкпер.). Если в этом уравнении линейной регрессии коэффициенты будут значимо не отличаться от нуля, то можно с соответствующей вероятностью говорить об отсутствии систематической погрешности моделирования. Если же величина "а" будет отлична от 0, то это указывает па систематическую погрешность, если же "Ь" отлична от 0, то существует зави-

3

2

1 • •

•

0 •

V

-1 -2

(а)

б 4 2 О

■г

-4

4 2 О •2 -4

^ (б)

О -1 ■2 -3

• • •

4 О Лизиметр 11 2

1 О -1 -2 ■3

г •

4 О 1 2 3 4

Лизиметр 13

1

О ■1 -2 -3

чК.

012345» 1 2 3

ХЭкс, мм/сут Хэкс, мм/сут

Рис.4 Зависимость погрешностей моделей (Д=Х ртсч'Хдс) от экспериментальных величин интенсивности лизиметрического стока (ХЭцСПер); а - балансовая модель, б - дифференциальная модель (для "лабораторной ♦полевой" ОГХ).

3

Табл.5. Статистические параметры оценки адекватности описания моделями лизиметрического стока

Статистические параметры Балансовая модель Дифференциальная модель

Эксперимснта-льные данные Полегая ОГХ Лабораторно-полевая ОГХ Лабораторная оге Полевая ОГХ Лабораторио-нолева» ОГХ Лабораторная ОГХ

Лизиметр 7, 5е=4.0774 ,а=58

Эг ! 3.9437 5.8627 5.1928 ! 4-202 1.6163 1.5420 4.8688

1.261? 1.8755 1.6612 ] 1.3444 0.5171 0.4933 1.5576

8г2/5е2 | 0.9355 ■ 2.0667 1.6218 | 1.0621 0.1571 0.1430 1.4259

Лизиметр 11. 8е=4.3351 ,п=5б

Бг 1 20.6459 20.9191 16.6466 ¡5.8299 2.3040 1.9904 2.1699

NOF 4.5776 4.6382 3.6909 3.5098 0.7595 0.6562 0.7153

&Л8е2 1 Х42П 2.4857 1.5740 1.4232 0.2825 0.2108 0.2505

Лизиметр 13. 3е=4.3351 ,п=5б

вг 4.4373 12.5938 12.8202 10.1554 3.9561 3.3243 3.2453

NО¥ 1.4628 4.1516 4.2262 3.3478 1.3042 1.0959 1.0698

1.0476 8.43%* 8.7474* 5.4878* 0.8328 0.5880 0.5604

Табл.б. Статистическая характеристика адекватности моделей по коэффициенту корреляции (г) и по регрессии _погрешностей (А) от измеренных величин лизиметрического стока ~(ХЗКС.); Д=а+Ь Хэкс. ____

Лити-мстр Экспериментальная Полевая Дабораторная+полевая Лабораторная

г а ! Ь г а Г Ь ( Г а ь ! - а ь

Балансовая модель

7 0.6990 0.0633 ] -0.2307 0.6140 -0.0985 ( -0.8059 0.6523 -0.0790 -0.6322 0.5754 0.3051* -0.8449,

и 0.7088 1.1687*** | -4.0881* 0.4029 0.9141*** -5.0340* 0.4466 0.9174*** -4.9879** 0.4148 0.9100*** -4.160,4**

13 0.7803 ' 0.1385 | 1.2617 0.4385 -0.4310 1.5266 0.4234 -0.4428 1.5321 0.4754 -0.2769 1.4109

Дифференциальная модель

7 - ) - 0.9190 0.1964"* \ -0.7432** 0.9250 0.1310** -0.3387 0.0231 0.9914*** -0.6388**

1» - 1 0.8461 0.2764*** | -0.9638** 0.8900 0.2049*** -0.9362** 0.8650 0.2890*** -0.7683*

13 - I 0.5458 0.6843***1 -0.1190 0.8909 0.5203*** 0.2660 0.9412 0.4348*** 0.5896;

симость погрешности от значений измеряемой величины. Результаты табл.6 показывают, что систематическая погрешность присутствует, особенно при моделировании балансовой моделью стока в 11-м лизиметре с использованием лабораторной ОГХ. В значительной мере выражены систематические ошибки и при использовании дифференциальной модели, хотя коэффициенты корреляции экспериментального и рассчитанного лизиметрического стока здесь значительно выше.

Таким образом, обе модели адекватно описывают внутрипочвенный сток на нижней границе почвы и могут быть использованы для его оценки. Причем, для масштабных исследований и при наличии качественной экспериментальной информации может быть использована простая балансовая модель. Однако, следует иметь в виду наличие систематических, занижающих реальную величину, ошибок при моделировании в особенности интенсивных потоков влага.

ВЫВОДЫ

1. Использование вероятностного подхода позволяет количественно оценить водный режим почв, выделяя почвенные слои с характерным переувлажнением и недостатком влаги. Это дает возможность проводить количественный сравнительный анализ водного режима почв различного строения и в годы различной увлажненности. '

2. Для исследования, оценки и прогноза водного режима почв может быть использована различная почвенно-гидрофизическая информация. Для балансовых моделей наилучшим образом подходят экспериментальные и полученные из лабораторно-полевой ОГХ почвенно-гидрологические константы, для диф-. ференциальной - использование лабораторно-полевой ОГХ.

3. Оценка моделей на адекватность- описания фактического материала включала сравнительный анализ расчетного и экспериментального массивов влажности по вероятностям появления периодов недостатка и избытка влаги, статистических критериев адекватности, основанных на анализе достоверности различий разброса погрешностей модели от разброса экспериментальных данных. Балансовый тип модели описывает динамику влажности неадекватно, а дифференциальная - адекватно с высокой степенью достоверности при использовании лабораторно-полевой ОГХ.

4. Наибольшие погрешности наблюдались при описании водного режима почв в варианте глубокого плантажа, что связано с инфлюкционным типом переноса влага, который не рассматривается исследованными моделями.

5. Обе модели адекватно описывали лизиметрический сток, что позволяет использовать их для прогноза этого важного в экологическом отношении элемента водного баланса почв. Более простая и удобная балансовая модель предпочтительнее в случае использования экспериментально полученных!

или рассчитанных из лабораторно-полевой ОГХ почвенно-гиярологических констант.

6. При описании лизиметрического стока обе модели имели систематические ошибки и ошибки, связанные с зависимостью погрешностей модели от значений измеряемых величии. Эти ошибкп, не изменяющие общей адекватности моделей, связаны с наибольшими погрешностями описания моделями интенсивных внутрипочвенных стоков.

7. Для всесторонней оценки адекватности описания моделью реальных динамических режимных, данных необходимо совместное .использование ряда качественных и количественных статистических критериев: качественный анализ экспериментальных и расчетных динамик на совпадение минимальных и максимальных значений при общем описании тенденции явления, коэффициента корреляции, сравнение критерия адекватности модели с критерием Фишера и анализ погрешностей модели на наличие систематических ошибок.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Параметры переноса воды и веществ в почвах и дисперсных грунтах. II Тезисы докладов к межвузовской научной конференции "Физика твердого тела", Барнаул, 1994, с.34 (в соавт.)

2. Взаимосвязь параметров распределении фракций твердой фазы почв с параметрами кривой водоудерживания. //Тезисы докладов к межвузовской научной конференции "Физика твердого тела", Барнаул, 1994, с.35 (в соавт.).

3. Исследование водного режима модельной дерново-подзолистой почвы с помощью закрытых лизиметров. //Тезисы докладов конференции молодых ученых МГУ "Современные проблемы почвоведения и экологии", Красновидо-во, 1994, с.63 (в соавт.)

4. Изменение физических свойств, водного режима, плодородия и эволюции дерново-подзолистых почв при различных видах мелиоративной вспашки в условиях многолетнего лизиметрического опыта. /ЛГезисы докладов к Всероссийской конференция "Вопросы агрофизики при воспроизводстве плодородия почв", Санкт-Петербург, 1994 , с.ЗЦв соавт.)

5. Investigation and modeling of soil water regime by lysimeters. Annales Geophysical, Assembly of the European Geophysical Society, The Hague ,6-10 May, 1996 (в соавт , в печати).

Подписано ■ печать 2'У 03- Формат £C¡(¿ Ззглэ

Усл. печ.л. If0 Тираж //5"

Типографа« Росселыишкалекял