Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Моделирование процессов миграции соединений азота в дерного подзолистых почвах при орошении животноводческими стоками

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Моделирование процессов миграции соединений азота в дерного подзолистых почвах при орошении животноводческими стоками"

ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОМИССИЯ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР ПО ПРОДОВОЛЬСТВИЮ И ЗАКУПКАМ

МОСКОВСКИ! ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГИДРОШШОРАТШШ ИНСТИТУТ.

Не правах рукописи ГРОМОВ Александр Викторович

УДК 63Г.4

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МИГРАЦИИ СОЕДИНЕНИЯ АЗОТА В ДЕГ/ЮЕЮЧЩЗОЛИС'ШХ ПОЧВАХ ПГИ ОГШЙБЙ1 ЙВОТНОВОДЧШСЙй! СТОКАМИ

Сцоциаяьиость 05.01.02 - молюрация и сроиаэмоо з омлодвлио

Авторстворьт дассортвшга из соискшпт учэкой степшш кавдидота технических пвук

Москва 1991

Работа выполнена на кафедре теоретической механики Тверского ордена Трудового красного Знамени политехнического института

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Д.Ф.Щульгин

Официальные онпопенти:

1. Доктор технических ниук, профессор Ю.Н.Никольский

2. Доктор сельскохозяйственных наук, ст.и.с. Г.Е.Шэрзлая

Редущая организация - В1Ш0 по сельскохозяйственному использованию сточных вод "Прогресс"

Задав состоится "20 " Мй. %_1991 г. в А? часов

в оуд.1/201 на заседании специализированного совета КЛ20.16.02 при Московском ордиаа Трудового Красного Знамени' гидромелиоративной институте по адресу: 127550, Москва, ул.Прянишникова, 19.

С диссертацией мсшо ознакомиться в библиотеке МШИ

Автореферат разослан ("ЛПр&АЛ. 1991 г.

Учений секретарь специализированного совета

Сурикова Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Последствием проводившейся в наией стране интенсификации животноводства на базе крупного сельскохозяйственного производства являются крупные животноводческие комплекса . При их эксплуатации образуется большое количество гадкого навоза, который по содержанию азота, фосфора, калия и некоторых микроэлементов представляет собой ценное органическое удобрение. В настоящее время в условиях возрастающей актуальности проблемы охраны окружающей природной среди для предотвращения сброса неочищенных сто'щых еод в' водоисточники все большее внимание должно уделяться вопросам их очистки. Одним из наиболее экономичных способов утилизации животноводческих стоков является использование их для орошения сельскохозяйствошшх культур.

При орошении полой сточными водами решается одновременно ряд задач: происходит почвенная очистка сточных вод, предотвращается сброс неочищенных стоков в, водоисточники, увлажняется почва и утилизируются питательные элементы сточных вод, чтс повышает плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур. Орошение сточными водами применяется еще недостаточно, особенно в районах со значительным по количеству, но неравномерным во времени распределением осадков. Однако при интенсивном их использовании возникает опасность загрязнения грунтов и грунтовых вод азотншш и другими соединениями.

Создание оптимальных водного, воздушного и питательного режимов почв, орошаемых сточными водами, в сочетании с требованиями охраны почвогрунтов и грунтовых вод от загрязнения требуют даль-нейлего развитая количественных методов расчета процессов массопо-ренсса. Использование математических моделей, опишващих поредвижете влага и питательных веществ в почвогрунтовой толцэ, позволит . повысить качество разработки проектных рехимов орошения и прогнозировать его последствия. Создание алгоритмов и программ для ЭШ, реализующих математические модели массопереноса, обеспечивает автоматизацию проектныхрг-бот, оперативность корректирования вксплу-атационных режимов орошоюю. ,,

Исследования по тема диссертации проводились в рамках проблемы "Разработка теории и методов ревения задоч подземной, физико-химической гидродинамики и Фильтрации" Координационно!о циана' научно-исследовательских работ вузов в области механики на 1985 -1990 гг.

Цель работы. Работа посвящена разработке количественных методов прогнозирсчания водного и азотного режимов мелиорируемых земель при орошении животноводческими стоками.

В ооответствгл с указанной целью в диссертационной работе били последовательно решены следующие задачи:

- выявлены наиболее существенные процессы и факторы, влияющие на перенос и перераспределение соединений азота в д;рново-по/,золистых почвах;

- разработана математическая модель переноса влаги и осное;шх минеральных соединений азота в ненасыщенно-насыщенных условиях, учитывающая сорбщюнные явления, биохимические процессы, отбор почвенного раствора корневой системой растений;

- разработан алгоритм численного решения уравнений математической модели для слоистых толщ и создана программа реализации алгоритма на ЭВМ;

- разработаны методы определения гидрохимических параметров математической модели по данным полевых и лабораторных опытов;

- проведена проверка адекватности разработашой модели данным натурных наблюдений.

Методы исследований. Методической основой решения поставленных задпч является мгюматическое и физическое моделирование. При разработке математической модели использованы уравнения физико-химической гидродинамики. Решение дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами с использованием ЭВМ. При решении обратных задач по определению гидрохимических параметров использовались балансовые и аналитические методы. Экспериментальная часть исследований проводилась в лабораторных условиях, на монолитах почвы и в полевых условиях на опытной площадке.

Научная новизна. Выявлены основные закономерности миграции основных минеральных форм азота в дерново-подзолистых почвах при орошении животноводческими стоками. Сформулирована и решена задача по прогнозу водного и азотного режима орошаемых животноводческими стоками земель. Разработаны новые метода расчета гидрохимических параметров переноса и трансформации минеральных форм азота рассмотренной математической модели по данным полевых и лабораторных опытов.

На защиту выносятся: физико-математическая модель одномерного переноса влаги и соединений азота в ненасыщённо-насыщбк.шх слоистых почвогрунтах; функциональные зависимости для параметров, входящих в уравнения математической модели; метода определения гидро-

химических периметров модели; метода расчета водного и азотного режимов на ЭВМ и сопоставление результатов вычислений с данными натурных наблюдений.

Практическое значение работа заключается в разработке количественных методов расчета водного реима почвы и концентраций ионов А7Г и NO~ в почвенной толще. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать последствия орошения животноводческими стоками, а также повысить качество расчетов по обоснованию режчмов орошения с учетом требований по предотвращения) загрязнедая почво-грунтов и грунтовых вод.

Внедрение. Разработанная математическая модель и программа расчета использованы институтом СеьНИИГиМ для обоснования величин нагрузок по азоту на разрабатываемые конструкции фитофильтрациои-ных сооружений.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-техшчоских конференциях профессорско-преподавательского состава Тверского политехнического /"статута в 198-1-1990 г.г.; на совместном заседатш секции ВЛС-ХНИЛ "Осушение. земель", секции ВРО ВАСХНИЛ "Комплексно мелиорации и охрана окружащвй среди" и БелНЖМиВХ (Пинск, IS87 г.).

Публикации. Основные положения 'диссертации опубликопа}ш в 6 печатных работах.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, эанлюче;шя, списка использованной литературы. Работа изложена иа 140 страницах машинописного текста и включаот в себя 21 рисунок, 7 таблиц. Список литературы содержит 174 иакменовздшя.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Д.Ф.Шульгину за постоянное внимание к работе и своевременную консультацию по возникавшим вопросам, а также доктору технических наук В.Е.Клыкову за ряд ценных советов, помощь и доброжелательное отношегао.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится литературный обзор работ по волросу очистки и использования сточных вод. Показаны преимущества и оФ1*э-ктивность одного из наиболее доступных и экономичных способов утилизации сточшх вод животноводческих комплексов - использование их для орошения сельскохозяйственных культур. Однако внесение стоков на поля приводит к увеличении содержания в почве а груятових водах

органического вещества, изменению химического состава и микробиологической активности почвы.

Етиянио орошзния стоками крупных животноводческих комплексов на качество подзеьяшх вод может быть оценено по методике, разработанной во ВСЕГ'ШЕГЕи под руководством В.М.Гольдборга. Прогнозирование осуществляется на использовании балансовых уравнений смешения чистых вод грунтового горизонта и загрязненных вод, поступающих из зоны аэрации. Для данной методики прогноза загрязнения не имеют значения процессы накопления и расходования вносимых в почву со сточными водами веществ в верхних слоях грунтовой толщи. Известно, что именно з„зсь наиболее интенсивно протекают процессы трансформации, биопоглсщения, физико-химичиокого поглощения и другие. При этом некоторые компоненты частично или полностью могут удаляться из почвенного раствора, другие - увеличивать свою концентрацию или появляться вновь. Не у чет пере числе!, шх процессов и явлений не позволяет сочетать требования защиты грунтовых вод от загрязнения с вопросами регулирования водного и питательного режимов орошаемых сточными водами земель.

Из обзора иссльдований по вопросу орошения сельскохозяйственных культур животноводческими стоками следует, что:

- процесс загрязнения грунтовых вод можно разделигь на две фазы: I) накопление загрязняющих веществ в верхних слоях почвы и их двихение вмосте с влагой в породах зоны аерацки к уровню грунтовых вод; 2) проникновение загрязняющих веществ в насыщенную зону и перемещение та грунтовым потоком;

- наиболее изученным в теоретическом отношении является перенос вещества грунтовым потеком (вторая фаза); процесс движения загрязняющих веществ через порода зоны аэрации (первая фаза) изучен пока недостаточно;

- в районах ороиения. животноводческими стоками наиболее распространенным является химическое загрязнение грунтовых вод соединениями азота и, прежде всего, нитратами (Ж£); нитраты являются конечным продуктом окисления содержащегося в большом количестве в сточных водах аммония (N2^);

- прогаозные решения представляется возможным и целесообразным осуществлять на основе математических моделей;

- миграция соединений азота в почвогрунтах связана с молекулярной диффузией и гидродинамической дисперсией, явлением сорбции (для иона ИВ^), явлениями нитрификации и дэнитрификации, а также поглощением корнями растений;

- миграция соединений азота в почвогрунтах следует рассматривать совместно с переносом влаги, так как наиболее опасная с позиции возможного загрязнения грунтовых вод нитратная Форма азота полностью находится в почвенном раствора и мигрирует вместе с ним.

Поэтому основным направлением работа является разработка модели количественного описания процессов миграции основных минеральных форм азота в условиях ненасыщенно-насыщенной фильтрации при орошении животноводческими стоками. Для достинения этого наполнены теоретические, лабораторные и нолевые исследования, цель и задачи которых сформулированы в конце главы.

Органический азот не рассматривается. Считается, что режимы орошения должны быть разработаны так, чтобы плодородие псчш не нарушалось, процессы аммонификации и иммобилизации азота компенсировали друг друга.

Во второй главе рассматривается математическая модель сош'эс-тного переноса влага и основных минеральных соединений азота.

Первые теоретические работы, рассматривавшие процессы растворения и двикения солей под действием молекулярной диффузии были выполнены А.Н.Щукаревым, А.Нернстом, И.Г.Богусским, Н.О.Кая.<дпром. Впоследствии А.Н.Патрашев, Н.Х.Арутюнян ввели в уравнешг солеш-реноса конвективный член, учитывающий перенос растворенных веществ Фильтрувдайся жидкостью. Целый ряд исследований но изучению процессов движения и растворения солей при Фильтрации из каналов и под гидротехническими сооружения!,и провели П.Я.Полубаркново-Кочина, Н.К.Гпринскнй, С.Ф.Аверьянов. Дальнейшее развитие теории было продолжено Н.Н.Беригиным. Км были получеш закономерности по кинетике растворешш солей твердой фазы и в уравнение конвективной дифрузии введен член, учитывающий эти процессы. Он же предложил совместно рассматривать уравнения фильтрации, конвективной диффузии и массообмена.

В последующи года математические методы описания процессов переноса влаги и растворенных веществ в пористых средах получили дальнейшее развитие. Большой вклад в решение этой проблемы на современном этапе внесли работа И.П.Айдарова, А.А.Алекса1анко, О.М.Бочевера, В.С.Борисова, И.И.Будаговского,' В.В.Ведерникова, А.М.Глобуса, Е.П.Галямина, Н.И.Гамаюнова, А. И. Голованов-), В.Е.Кла-кова, Н.П.Курвново, С.В.Нерпина, Б.Ф.Никитенкова, Ю.Н.Никольского,' А.Е.Орадовской, Я.А.Наччпского, И.С.Пошовского, В.В.Рачинского, Л.М.Рекса, С.Т.Рыбаковой, В.И.Сабинина, Б.А.Файбииенко, М.Г.Хубла-

рана, В.В.Шабанова, Б.С.Шеркукова, В.М.Шзстако^а, Д.Ф.Шульгина, А.М.Якирвйичэ и многих других.. .

Разработка все более сложных математических моделей для прогноза водного и питательного режимов мелиорируемых земель приводит к увеличению числа параметров, подлекащи" определению. Практическое использование таких моделей сдерживается отсутствием общедоступных методик по определению их параметров. Поэтому следует принимать различные допущения и предположения, которые упрощают модель и в то же время дают достаточную для практических целей точность получаемых результатов. Поэтому в работе не рассматривается влияние на лассо;вренос иеоск )вних или малоизученных факторов, учет 1-х осуществляется косвенно при опытном нахождении параметров модели.

Анализ механизмов переноса влаги и минеральных соединений азота в почвогрунтах позволил видышть основные факторы, влияющее на их миграцию. Наиболее существенными при влагопереносе являются силы тажзсти и кышллярйо-сорбциошша силы. Процессы перераспределения в почвогр^нтах аммонийного азота в основном связаны с гидродинамической дисперсией, ионообменной сорбцией и биохимическим процессом нитрификации,, а нитратного азота (Шч) - гидродинамической дисперсией к явлениями нитри^икации-дещ1трификьции. Кроме того, существенное -влияние на массоперенос в почвах сказывает поглощение влаги и питательных веществ корневой системой растений. В одномерной постановке предлагаемая математическая модель миграции влаги и основных минеральных соединений азота в дерново-подзолистой почва в ненасыщенно-насыщенных условиях имеет вид:

¿Ф а, аФ. ¿Хщ

° "7 * —[V" 3 - — тф. (I)

е 1

4 " да ~ 1) ' (2)

мм ни нн

д№ *) ея дО * в(то -4>

- + „ —II)-1---- + Ф - ч , (3)

аг а£ аг1- аг * ег

НО МО но

д№ *) а, дС * д№ ')

-15-1--+ Фг - д , (4)

'Л дг. ■> я'/. * 1

Л\

т

¿11 ни

ЭСа?/ - В'С *) , (5)

N11

- К)Ю * , (6)

НН МО

Ф,- к н'с * - ое- 9 . (?)

ц> - капиллярно-сорбционный потенциал (принимает отрицательно: пшчения в ненасыщенной и положительные в насып; "ч-ной зонах), м; СГ:><; - дифференциальная влагоемкость почвы, м-1; (7 -

объемная влажность, мл/м1; К^'Л)- коэффициент влагопроводности, м/сут; <р(Я,г) - функция, характеризующая отбор влвги корнями рас-

N0

т<?н<>;, сут" ; V - скорость влагопереноса, м/сут; С , С - соответственно концентрации ионов ЯН" и N0" в порозом растворе, мг->гл/л; Я - количество ионов Л7Г, сорбированное твердой фазой почки, приходящееся на единицу ооглма почвы, мг-экв/дая; - коэффициент конвективной диффузии, мг/сут: ,Фг - соответственно интенсивность распада и распада-образования соединений азота, мг-экв/дм'сут; К, - соответственно скоростные константы кшо^и

НН N0

нитрификации и денитрификации, сут 1; ^ СС * ,С 3 ) - функции, характеризующие поглощение соединений азота корнями растений ((-1,2), мг-ыкв/дм'сут; а - коэффициент распределения ионов аммония между почвенным растЕором и твердой фазой почвы; - коэффициент скорости обмена между ионами, находящимися в фильтрате, и ионак. ¡, удерживаемыми почвогрунтом вследствие его сорбцконности, сут-1; 2 - вертикальная координата, направленная вниз, м.

Начальные условия, которые задают исходное распределение капиллярного давления почвенной влаги и концентраций ионов, принимаются как функции вертикальной координаты г. Граничные условия задаются в общем виде, чтобы при численном решении на ЭВМ можно было задавать любое, а также иметь возможность автоматического "переключения" с одного граничного условия на другое, не прерывая вычислений. При рассмотрении слоистых толщ на границах раздела слоев (г-И) должны выполняться условия четвертого рода

ф^. и « О, (1 - - ^(1 - - )м. (8)

&С дО 1!

ссп*е. tJ = г) ; — г- (9)

выражающие соответственно требования непрерывности давления и концентраций при переходе через поверхность раздела и закон сохранения потоков влага и вещества, перетекающих из одного слоя в другой

(ô -- бесконечно малая положительная величина; (+} и (-} - краткие обозначения соответственно для z-h+б и z=h-ô).

Для практической реализации модели переноса влаги и минеральных. соединений азотв в почвогрунтах необходимо знание параметров и коэффициентов, отрезающих водно-физические и физико-химические свойства почвогрунта и мигрантов.

Для аппроксимация зависимости коэффициента влагопроводности от влажности используется формула г.Ф.Аверьянова (1949)

v «/( --¡^ ) • <10>

где К^ - коэффициент фильтрации; m - пористость; IГ - влажность, при которой прекращается движение влаги в почвогрупте под действием гравитационных и капиллярных сил; п - показатель степени, опытно определяемый.

Для зависимости используется формула, предложенная

В.Е.Клыковым (1989)

01 ~ »„>"

ф = А--—S-+ B(W - ИГ ) + ф . (II)

(W - tf)(m - 1Г) n п

В выражении (II) Фп вычисляется из условия ф=о при *'=WrnB, где Неполная влагоемкость почвы; А,В,независимые параметры, определяемые при аппроксимации кривой ty=f(W).

, . Для параметра конвективной диффузии принимается зависимость

D * jj^m . (12)

где \ - параметр гидродисперсии. Молекулярная диффузия не учитывается, полагаемся J9B«X|V|.

Для функции интенсивности отОора влаги корнями растений предлагается выражение

4>(W.z) - eoq(V) --- , (13)

J r(z)dz

о

где ео- потенциальная транспирация из всей корнеобитаемой зоны мощностью zK; r(z) - функция, характеризующая распределение корней растений по глубине корнеобитаемой зоны

r(z)= а ехр(-[Ъ(г^с)]* ) , (14)

где а,Ъ,с - параметры, определяющие вид кривой г(z); q(ïï) - функция, учитывающая зависимость транспирации от влажности почвы

О ,

IV — иг

___3

№ - № К 3

1У - № па

\Ч - П '

пв ни

п < V

П < й- < (V

э • к

17 < ;У < ¡г

к ни

< 1Г < к

117) ЛЬ

где |Г'3.»|{.йгн„.»''„„- влажность завядания, критическая влагаость и влажности, соответствующие наименьшей и полней влагоемкости.

Инте .сивность поглощения соединений азота растениями принимается в виде

г(г)

. (1=1.2)

(16)

/ г(г)Ог

где интенсивность поглощения ионов Л'?Г (1=1) и ЖГ (из всей корнеобитаемой зош, .описываемая уравнением кинетики Михаэли-са-Ментена

-К

а

< ЫН МО

к +(С *+с я)

о. 'I

^ПО таг

С

NN N0

К+(С 4+С ')

(17)

где 1ток - интенсивность поглощения азота при максимальной его

NN N0

концентрации; Кт - константа Михаэлиса; С * ,0 3 - сответственно концентрации ионов ОТГ и ЖГ в почве1Шом растворе.

В третьей главе рассматривается численный метод решения уравнения влагопереноса и уравнений миграции соединений азота. Аналитическое решение системы нелинейных уравнений в частных производных (I)-(7) с граничными условиями общего вида в настоящее время получить не представляется возмомшм. Наиболее эффективным для решения таких уравнений считается численный метод с применением разностных схем и послед лцей реализацией их на ЭВМ, благодаря их универсальности и достаточно хорошо разработанной теории. ,,

В области изменения переменных (0?2<1, 0<1<Г) вводилась неравномерная прямоугольная разностная сетка с переменным шагом по координате и переменным пагом по времени. Неравномерный шаг. разностной сетки позволяет повысить точность производимых вычислений при одновременном сокращении времени счета. Уравнение влагопереноса аппроксимировалось по неявной конечно-разностной схеме пре-

1

о

диктор-корректор. Конечно-разностный аналог уравгений переноса соединений азота получен нри использовании неявной консервативной схемы со втором порядком точности аппроксимации производной но времени. Система неявных разностных уравнений миграции соединений азота ввиду нелинейности решалась методом последовательних приближений (итераций).

Приведенные в этой главе формулы могут быть использованы и при расчетах в слоистых толщах. Щ : этом необходимо учесть следующие особенности. Предполагается, что значения водно-фи^ически'» и гидрохкшческих параметров в пределах слоя не изменяются. Величину шага по koo¡ даете следует выбирать таким образом, чтобы узлы разностной сэтчи совмещались с границами почвенных слоев и в пределах хаедого слон Ohj:o не менее трех узлов. На границах слоев должны i-кполяяться условия (8) и (9) и при необходимости проводится киррек/ирование давлений почве: :юй влаги и концентраций в узлах, соопадамцих с границами раздела слоев.

Минимальный ивг но координате назначается у поверхности почвы, где BOCMOJHL. резкие изменения давлений влахи и концентраций. С глубиной величина постепенно возрастает. Уменьшать шаг по координате следует в слабопроницаемых прослойках и увеличивать в глубоко расположенных хорошо проницаемых слоях. Шаг по времени выбирается в процессе вычислений в зависимости от интенсивности воздействий на границах области фильтрации и выполнения условий материального баланса с заданной точностью. В установившихся условиях величина шага по времени постепенно возрастает в геометрической прогрессии с множителем 1,1.

Вычисления начинаются с решения уравнения влагопереноса. После окончания зачислений давлений на каждом шаге по времени выполняется проверка соблюдения материалльного баланса влаги. Если условие сохранения баланса с заданной точностью не выполняется, то решение уравнения влагопереноса повторяется с меньшим шагом по времени. Далее осуществляется решение уравнений переноса иона Л'/Г и затем иона VCT. При невыполнении с заданной точностью условия сохранения материального баланса ионов повторяются все вычисления, начиная с уравения влагопереноса, с меньшим шагом по времени.

Для решения задачи (1)-(7) в соответствии с разработанным ал-горитмем составлена программа на алгоритмическом языке FORTRAN. Вычисления гидрофизических и гидрохимических параметров модели осуществляется в специальных подпрограмма;:, что позволяет использовать различные аппроксимирующие функции для этих параметров.

В четвертой главе рассмотрены методы определения гидрохимических параметров переноса соединений азота в лочвогрунтах.

Нахождение параметров осуществлялось путем решения обратной задачи: по известному решении краевой задпчи (опытной информации) находились коэффициенты дифференциальных уравнений (пэрг'мзчуа модели). В данной главе приводятся метода нахождения следу ацих гидрохимических пераметров: та - активной пористости; У - коэффициента конвективной диффузии; а - коэффициента распределения; р - коэффициента скорости обмена; К4 и Кг - коэффициентов кот .этик процессов нитрификации и денитрификации соответств'-шо.

Вначале рассмотрен метод расчета параметров по результатам лабораторных экспериментов. Опытной информацией являются выход"но кривые ионов С Г ,!>!Г ,№Х , полученные при последовательном наенщо-нии-промывке монолитов растворами солей на спе-

циальной фильтрационной установке.

Параметры по и X как установлено экспериментальными исследованиями ряда авторов, мзло отличаются для различных ионов и поэтому могут быть найдены по выходной кривой для иона СГ по методике, разработанной В.Е.Клыковым и Д.ф.Шульгиным (1979).

По выходной кривой для иона , полученной при насыщении монолита раствором соли КИОя , вычисляется коэффициент денитрификации К2 . Расчетная формула получена из уравнения материального баланса иона за время опыта при условии, что процесс нитрификации не происходит, так как в растворе отсутствует ион

г НО . . НО НО Ч1 т г МО НО

V-! Со чК + С.ьГт,)] + УДС С.Ь?1»

Т . г МО N0

^ / 51е». % О"-"4']«

ЫО НО

где 'Со э,Сп э- соответственно концентрации иона НОГ в поровом раст-

НО МО

воре на начал.» сил та и в подаваемом растворе; С; ь?»> ,С< ь?т> - соответственно концентрации фильтрата в продолжении опыта (выходная кривая) и в его конце; Г - продолжительность опыта; Ь - длина (высота) монолита.

Коэффициент нитрификации Я4 вычисляется по выходным кривым для ионов ЮГ я №СГ, полученным при насщении монолита раствором соли ННлНОя. Формула для вычиелления получена из уравнения материального баланса иона У£Г за время опыта с учетом процессов нитрификации и денитрификации:

[N0 г N0 КО . Т . НО N0

со 1[°п + у;[сп а .Л»]« -

Л * ............. 111.1 .......... ' ---------------'

* т 1 г

ШЪ Г 5 С * +

Т . г N0 N0

"ни - • (19)

По выходной кривой для сорбируемого иона Жл вычисляются параметры аир. Расчетные формулы для них получаются из решения дифференциальных уравнений миграции иона в области изображений после применения к ним преобразования Лапласа по переменной t. Формула для вычисления а имеет вид:

Г* (в - гсЮе |

• * --гтпг^-1—^гг-1-Щ • <20>

К В Р 1.?% > аг - со * [в - 2а0е 1

о ^ _

где )аЬ(ЪЬ)+гайсГ\(б1), а^Ч/гд, 0=-/ а% той, /Ь.

Параметр р находится из решения трансцендентного уравнения относительно д.:

мн

с *

° - е - В . (21)

ГДО Р.=}а1.*..е"РгйГ, + [тор(1+7)+тоХ4 ]/!>, 7=р/(рнф).

о

Левая часть уравнения (21) вычисляется по данным эксперимента (выходной кривой иена а решение (искомое значение С,) находится одним из приближенных методов. Вычислив , находится

0(6* -а') к 7 = -1-1-----1-1 (22)

яор р

и затем

РТ

0 = . ' (23).

1 - 7а

Для получения более надежного результата вычисления р производятся при нескольких значени х параметра преобразования р и полученные величины осредняются.

Рассмотрен также метод, позволяющий определить гидрохимические параметры то,О,а,0,К4и Кг по данным полевого опыте па специ-

- Г5 -

альнс оборудованной опытной площадке. Опыт проводится в два этапа. Сначала площадка заливается слоем обычной ьоди. Зтим достигается насыщение влагой норового пространства исследуемой толщи. Во втором такте на площадку подается заранее приготовленный раствор, содержащий исследуемые ионы (Gl", Ulf .HCT). По окончании каждого такта на площадке отбираются колонки грунта и но результатам послойного химического анализа строятся зшори распределении концентраций исследуемых ионоп в поровом растворе, а та.;же эпюры содержания сорбируемого иона Ulf в ППК. Кроме того, должны быть известны высота слоя- раствора, впитавшегося на шющадкэ за премя второго такта опыта, и концентрации в подаваомом растворе изучаемых ионов.

Параметры переноса т0 и D вдчислиются по наблюдениям за изменение:,1 концентрации а почвенном растворе иона С Г. Параметры сорбции аир определяются по эпюрам содержания иона Ulf в норовом растворе и в ПР.К до и после второго такта опыта. Методика вычисления этих параметров разработана В.Е.Клыковым и Д.Ф.Шульгиным (1981, 1989).

Расчетная формула для нахождения коэффициента нитрификации Я( получается из решения уравнений миграции w на в изображениях после примонения к ним преобразования Лапласа по переменной г. Для вычисления Kt получено формула

Ь г NH NH -, , МН WH .

«оДС^'- C,.S,]<te4 [°„ * - J, +

К - ь г NH

J g[0/S* + rt t

nam L NH H» , t-f HH NH

+ agl ;7a«S.Jdfc - -JSjj- J[Ct.i»4 02«i.](iz

НН НН

где < , Сг< *> - распределение концентрации иона в поровом растворе до и после второго такта опыта соответственно; Я4<*>,

ми ■ • ч

Н2< * > - то же в ППК; С1 4 - концентрация иона Ш* в поданном на площадку растворе во втором такте опыта; сдой раствора, впитавшийся за время второго такта опыта; Ъ - мощность исследуемой толщи.

Расчетная формула для нахождения коэффициента денитрификвции Кг получается из решения в изображениях уравнений миграции иона Ю~ (преобразование Лапласа по переменной г) при значении

пчрамртра преобразования р^О:

• т.

К-- -

I* г К<>. И** 1 * но МО .

./[с.^.-с,,.-.]^ (сп а -с^п.

я

и 1 г м<

О Ь

Ш К Т Ь Г ■»

------• (25)

+ С2< с1г

Все обозначения идентичны обозначениям в формуле (24).

Для' более оперативного расчета параметров К и Кг по результатам полевых наблюдений при различных влажностях почвы предложен также упрощенный метод, который позволяет уменьшить объем полевых исследований и вннчитвЛ!ко упростить их.

Все излохекныо методы апробированы на практике, с их использованием вычислялись гидрохимические параметры по результатам лабораторных и полевых исследований, описанных в главе 5. Для расчета всех выше упомянутых параметров на ЭВМ составлены программы на алгоритмическом языке уокткан.

В пятой глш:в представлены результаты экспериментальных исследований, получаккие в лабораторных и полевых условиях.

С целью проверки соответствия разработанной математической модели (I)-('(") ревлыым процессам миграции влаги и соединений азота в почвогрунтах в условиях орошения животноводческими стоками проведено сопоставление результа-ов численного решения рассматриваемой &8дачи на ЭВМ с данными натурных наблюдений.

Приводится краткая характеристика объекта исследований, который расположен н^ землях совхоза "Второво" ПО "Клязьменскоа" Ко-ншковского района Владимирской области. Земли совхоза на площади 1140 га планируется орошать стоками свиноводческого комплекса "Владимирский". На полях орошения были оборудована опытная площадка. В соответствии с разработанной методикой (глава 4) проведены полевые экспери^энты и выполнен расчет гидрохимических параметров то,К,Кг ,Хг. Для нахождения параметров сорбции а и р не объекте были отобраны образцы почвы ненарушенной структуры из трех генетических горизонтов. Лабораторные эксперименты на монолитах и расчет параметров выполнены в соответствии с методиками, изложенными в главе 4. Полученные значения гидрохимических параметров представлены в таблице I.

Таблица I

Гидрохимические параметр" переноса соединений азота

Генетический горизонт почвы Значения параыетров

та К, м а Р. -1 к „та* С УТ су г

А: О-ЗОси 0,391 0,087 0,762 4.Р1 0,200 0,140

В: 30-50сч 0,391 0,087 0,914 5,33 0,200 ' 0,140

С: ЬО-150с* 0,391 0,087 0,660 37,5 0 0

Значения коэффициентов нитрификации и денигрифика)да приведи-ну для оптимальных значений вламюети. Для процесса иЧ'.'рифнкащш оптимальным является диапозои влажности от 0,6НВ до 0,-31® (НВ -наименьшая влагоемкость), для дели трнфикации - от }Ю до полной влагоомкости. Вид зависимостей (\Ч) и Кг(1Г) (рис.1) при блеклостях меньших 0.8НВ определялся обобщенными экспериментальными данными ряда исследователей (И.П.Айдаров, 1Э8Е), при Оолшнх влажное-тях - полевыми наблюдениями на объекте исследований.

Выполнено сопоставление результатов расчетов с натурными наблюдениям. В 1989 году на опытной площадке велись наблюдения иа динамикой влажности и содержания в'почве конов Л7Г и после полива СЕШюводческими стокам!. Расчетные данные получены из численного решения на ЭВМ системы дифференциальных уравнений (!)-(?). Гидрофизиче-жив характеристики принимались по формулам (10) и (II), гидрохимические - по результатам полевых опытов и лабораторных экспериментов ьа образцах почвы объекта исследований (табл.1). Сопоставление расчетных и натурных энюр влажности и содержания в почве ионов /.'/Г и Ю'з представлены на рис.2 и 3.-

Пооле полиг.ч стоками ь почве резко возросло содержание аммиачного азота за счет внесения со сточной водой, В дальнейшем всле-дствил нитрификации и поглощения растениями запасы тС4 в почве постепенно снижались и примерно на 24 день после полива концентрация его снизилась до предполивного состояния (рио.2).

Содержание в почве нитратного азота сначала постепенно увеличивается, достигая максимальных значений на 12...14 день посла полива (рис.2). В згот'период образование нитратов за счот нитрификации преобладает над чх расходованием (денитрнфикация и поглощение растениями). Затем снижение концентрации ионов 1ПГА уменьшает

а)

1 .о

у,в' 0.6 0*4 0.3

\

Л.

б)

Г-К/КУ*

\ ! "Ч"

0,1 0.2 0.3 0.4

1 0 ■

! 0 .8

............. V« 0 6

л .....] л........ 0 <1 -

0 2 -

...и...

. л

-Г»«-

"ж"

и>

0,1 0,2 0,3 0,4

И

О ■

1б"вцснные эксперинент&лыше данные (И.[| .Айдаров, 1985 ) даннме натурних исследований: ышрохсимируюцис функции ,

РисЛ. Зависимость интенсивности процессов нитрификации (о) и да нитрификации (б) от влашости

в 10 12 14 16 10' 20 22 24 26 28 30 1 июль 1 9 8 9 г

Рис.2. Динамика содержания ионов Щ и НСГ (В,мг-экв/дмя) в почве в слое 0...50 см после полива животноводческими стоками

31.07.09

0)

О

0.2 0.40,6 0.8 1 .0

В.0Г.ОУ

2. .

г,н

в)

о.г-

0,4 0,6 0,8 1 ,о

Г1 !

У......

2.«

I Д.

17.07.89

о,г

О.б 0.8 1 .0

т±

I......

31.07.89

!

— данные полевых

наблюдений

— результаты

расчетов

содержания ионов. _ ■г-эхв/дя

В

Рис.3. Сопоставление натурных и расчетных оптор влажности (а) и соде ржу ния в почве ионов тГл (0) и (в)

интенсивность образования ионов , происходит постепенное снижение содержания в почве азота нитратов.

Анализируя полученные результат», можно сделать вывод, что разработанная математическая модель правильно отражает характер моде '.ируемых процессов. Получено удовлетворительное совпо.-.оние не только общего содержания влчги и ионов в коршобитаемом слое, но и ■ распределение по профилю.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе представлены результаты теоретических, лабораторных и полевых исследований по вопросам переноса влаги и основчцг минеральных соединений азота в дерновоподзолистой почве при орошонии сельскохозяйственных культур сточными водами животноводческих комплексов.

1. Литературный анализ работ, проведенный по вопросу использования сточных вод для орошения, показал, что работы эти имеют в основном экспериментальный. характер. В теоретическом отношении наиболее слабо изученными являются прс чессы накопления и перераспределений содержащихся в стоках веществ при фильтрации и породах зоны 'а'срааии. Осш. шм загрязнением в районах орошения животноводческими стоками является ■ химическое загрязнешь почвогрунтов и грунтовых вод соединениями азота. Существуадие методики расчета загрязнения грунтовых ьод не позволяют сочетать природоохранные требования о вопросами регулироЕ ни я водного и питательного режимов орошаемых земель.

2. Основными минеральными формами азота в почвогрунтах при орошении чсивотноиодческими стоками являются аммоний (К1Г) к нитра-ш (Л'СГ). Миграция соединений азота в почвогрунтах связана с молекулярной диффузией и гидродинамической дисперсией, явлением сорб-ция-доссшбаия (для иона Л7Г), биохимическими процессами нитрифмка-ции и дештрификации. Существенное влияние на перенос азота в почвах оказывает о*бор корневой системой растений.

3. Обоснование оптимального водно-азотного режима орошаемых сточными водами земель и прогнозирование последствий представляется возможным и целесообразным осуществлять на основе математического моделирования. Для этого разработана модель (в одномерной постановке) переноса влаги и соединений азота в ненасыщенно-насыщошшх условиях. В модели учитываются происходящие в почвогрунтах биохимические процессы нитрификации и денитрификации, а

также отбор влаги и соединений азота корневой системой растений.

4. Предложена зависимость, моделирующая отбор влаги! и соединений азота растениями, учитывающая стопень увлажненности корке-обитаемого слоя, распределение в нем корней растений, а'также относительное содержание даух основных минеральных форм азота, используемых растениями.

5. Для практической реализации предложенной математической модели резработаны численные алгоритмы расчета на ЭВМ.процессов миграции влаги и соединений азота в слоистых почвогрунтах. Составленная программа предоставляет возможность разрабатывать проектныо и эксплуатационные режимы орошения сельскохозяйственных культур сточными водами и прогнозировать последствия орошения в связи с возможным химическим загрязнением почвогрунтов и грунтовых вод соединениями азота.

6. Разработаны метода определения гидрохимических иараметроа математической модели миграции сое,мнений азота. Впервые получено решение обратной задачи для вычисления коэффициентов ки"етик трансформации минеральных форм азота при переменных значениях влажности почвы. Практическая пригодность разръботвшшх методов п]к>верена расчетами параметров по результатам лабораторных экспериментов и полевых опытов.

7. Сопоставлетае результатов расчетов на ЭВМ с данными натурных наблюдений по изменению влажности и содержания в почве аммония и нитратов показало,что разработанная математическая модель правильно отражает физический характер моделируемых процессов и может быть использована , ,м прогноза последствий орошения земель животноводческими стоками.

По теме диссертации опубликованы следующие работа:

1. Омвль<<ен!(о К.Л., Громов A.B. Продвижение загрязнений в кв-налах осушительных систем //Гидравлика русловых потоков. - Калинин: Изд-во КГУ, 1986.

2. Громов A.B. Моделирование процессов загрязнения почвогрунтов и грунтовых вод при орошении сточными водами //Гидравлика сооружений. - Калинин: Изд-во КГУ, 1988.

3. Расчет водного режима и динамики компонентов мииераль-ных' удобрений с учетом их сорбции и разложения ,/Г.П.Белова, А.В.Громов, P.E. Клыков, Д Л>.Шульгин //Проблемы теории фильтрации и тепле-массопереноса. - Калинин: Изд-во КГУ, IB88.

4. ;Тромов A.B. Расчет водного режима и динамики соединений азота в почве в зоне аэрации //Гидравлика русловых потоков. - Калоши: Изд-во КРУ, 198Э.

5. Громов A.B., Клыков B.S. Метод определения гидрохимических параметров миграции соединений азота в почво по результатам полевых акспериментов //Гидравлика русловых потоков. - Тверь: Изд-во

,ЛТУ, I9ÖI.

6. Громов A.B., Шульгин Д.Ф., Клыков В.Е. Лабораторные метода определения гидрохимических параметров математической модели миграции минеральных соединений азота в почвогрунтах при орошении животноводческими стоками. - Ашхабад, 1991.