Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Моделирование процессов влагопереноса в структурных почвах при орошении

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование процессов влагопереноса в структурных почвах при орошении"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

рр2 Факультет почвоведения

На правах рукописи

ГУБЕР Андрей Кириллович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА В СТРУКТУРНЫХ ПОЧВАХ ПРИ ОРОШЕНИИ

Специальность 06.01.03 — агропочвоведение и агрофизика

Авторефер аг диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ.

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук Л. И. Голованов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Ю. Н. Благовещенский кандидат биологических наук, вед. н. с. М. Е. Гинзбург

Ведущее учреждение: Институт почвоведения и фотосинтеза РАН, г. Пущино.

Защита диссертации состоится 24 мая 1994 г. на заседании Специализированного Совета К 053.05.16 на факультете почвоведения МГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан « 22 » с^^-ух-у- 1994 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Специализированного Совета К 053.05.16 в Московском университете, а отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый Совет.

Ученый секретарь Специализированного совета

Г. В. Мотузова

Дктузлы'остг. темы, днсссртацич определяется сопрсмеикшлн требованиям;« к ра1ра{кпхе технологии орошения. Ухудшение мелиоративной и эхолш песетой сбстяновки в орогласмых регионах, деградация почвы и ошжен!!'-. сс плодородия с одной стороны, дефицит колнзнон коды удовлетворнгсяьного качества и погштки нсгомьзовать воды поаы-шшюп минерализации, с другой стороны, приведи к. ««хжодтюсти разработки вхолоптчсскл безопасных тсхнологлй орошения. Тахие технологии гспс-'И-зуют прогнозные расчеты состояния почв при различных мелиоративных и агротехнических воздействии^ к базируются кл теорс-тичеезгч обоснованных математических моделях массоперсноса.

Совершенсгеоватее методов исследования зодного режима почв позволило виавоть новме закономерности передвижения и перераспределения влаги а иочес, »целить функционально различные по механизму массоггерсяоса группа пор. Теоретические разработки в области модс-яировгияы переноса расгвороз солсй в почвах предопределили создание ыдтематичесхих моделей дглгкешие влаги в пористых средах с двойкой пористостью. Тасне модели успешно лргатеяязстсн на ирак-тнхе. Остаются, одаг.;;», нерешенными проблемы, связанные со спецификой эксперл-кепталытого обеспеченна таких моделей , учетом тстсрсгкса основной гидрофизической характеристики (ОГХ) почва и вопросы адаптации

>содсяи.

ЦйУШ^З&Ш яапзется построите мэтедогтческой модели движения воды в структурных почках с бпнариой пористостью. ' ЗгяажЕ ' ■■ • '"

1. Обосновать ¡»слользовзюто явления шетсрезлса ОГХ почвы дга разделения гсероюто пространства (ГШ) на проточные и застойные ЗОНЫ. . .

2. Ртг)).|€ог,гп» ¡»мплрическуго модель- функции водоудерагивзг-'п* иочвм, иоззолаюазуга ок сказать гистерезис ОГХ, и ыетодпх.у расчета параметр;« мебели вяягеяереяоса по ахеиеримегзтальным дашсым, полу-чгяпява при лосяедозатещ-ных процессах дреккровгккя - пасьпцсних почвы.

3. Ргзрабогатг» к:хт.г» сскую модель влггопсрсиоса з структурных готкие, учятаваюыую налжете застойных и протонных зон.

йсетздовать динамику влажности и давлении почвенной влага в недельных полевых »ьспсркментах на опытных площзялгх темио-кжи-. такгаш'к кота. ' "

5. Сравнить результаты полевых экспериментов и расчетов по моделям с одинарном и бинарной пористостью.

Научная новизна. На основами разделения ПП на проводящие п застойные зоны предложена математическая модель переноса влаги в структурных почвах. Дана методика расчета параметров модели на основании экспериментов по дренированию - насыщению почвенных образцов. Результаты расчетов показали особенность структурных почв проводить влагу по системе проточных пор при частичном заполнении застойных зон 1Ш.

Практическая значимость работы. Использование предложенной эмпирической модели описания гистерезиса ОГХ почвы в уравнениях влагопереноса позволяет учитывать транзитные потоки влаги за пределы корнсобитасмой зоны при орошении структурных почв. В результате численных экспериментов выявлены пределы применения традиционных моделей, не учитывающих наличие проточных и застойных зон ПП в расчетах реккма орошения. Предложенная модель может применяться для расчетов динамики солей в почве совместно с существующими моделями солепсрсноса в средах с двойной пористостью. '

Реализация работы, 1 .Математическая модель, апробированная на данных полевых экспериментов по орошению черноземов типичных Воронежской области, передана:

а) в НПО "Радуга" для обоснования экологически безопасных технологий орошения,

б) во ВНИИ фитопатологии для расчета оптимальных доз и сроков внесения пихлорама 1.

2. Основные результаты работы и реализованная на ЭВМ модель используются в курсе "Математическое моделирование процессов в мелиорируемых почвах" на кафедре физики к мелиорации почв факультета почвоведения МГУ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научной конференции "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск,1988г.); научно-техническом семинаре "Математическое моделирование гидрогеологических процессов" (Душанбе,1988г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивною земледелия" (Москва,1988г.); нэучно-техшгчссхой конференции МГМИ (Москва,1991г.); конференции стран содружества "Физика почв и проблемы экологии" (Пущнно,1992г.).

Публикации. По теме диссертации имеется 10 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит in введения, четырех man, заключения, списка литературы из/¿^наименований ( в том числе ¿^Тзарубсжяых авторов) и 2-х приложений, Еключаст <f е>* страниц текста,

рисунков и 7 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору кафедры физики н мелиорации почв МГУ Е.В.Шсину за полезные замечания при подготовке рукописи.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глаза 1 Современные подходы к моделированию переноса алгги в почвах.

Процессы миграции вяат и солей наиболее активно изучаются п верхлих почвенных горизонтах, - зоке неполного насыщения почгы влагой iir.ii зоне aspaujni- Тсоретичсскос и аксперкмситгльног исследование процессов массопсреноса в этой зоне обусловлено попытками создания оптимального водного и солевого резеимз корнеобитаемого почвенного слоя с целью сохранить его плодородие и уберечь грунтовка еоды от васолмпш. Сложность проблемы привела к возникновению концептуально различных подходов к рггоешпо централь» ->й задачи (Л.А.Роде, С.В.Нерпии, А.Ф.Чудксзсиш, Б.Г.Розаноз, АД. Воронин, Я.А.*.'ачепехпй и др.).

Различие концепций выразилось в параллельном развитии детерминистического н стохастического подходов в моделировании. Первый предполагает, что при заданном еоздс&ствия на объект, всегда существует едапегееяюий отклик, обусловленный тскрцим состоянием системы. Второй допускает возможность неоднозначного, отшка сбзлкта, и стремиться учгегь фалторы, влияющие на неопределенность.

Среди дстср'.епи;ст.1чсск1к кодеяей молото выделить два класса: мехашкггачесхне и функциональные. Механистические модели основаны на фундаментальных законах переноса ( закон Дарен для движения влаги и ьоивектггвно-дисперсионнов уравнения дяя солей). Функциональные исподазузэт упрощенные уравнения а регрессионные зависимости, требующие меньшее число входных параметров.

Данная работа касается развития механистических моделей. Многочисленными исследованиями ( Л.П.Розое, Г.М.Мссрееи, С.В.Саиоя?, Л.М.Рскс, K.H.Coate, B.D.Smith, J.R.Philip, DJLNielaen, J.W.Biggar и др.) установлено существование в почзе двух групп зон: проточные, - зоны

преимущественного переноса почвенного раствора, к застойные, - зоны относительно медленного движения влаги. В радо исследований по миграции влага и солей (Г.В.Высоша:"!, В.В.Рачннсшш, Ф.Р.Зайдсяьмав, М.Д.Пстросяи, И.Ы.Рагкку, 1.Н.В1аск, К.^К5рр) показало существование зон "быстрых" потопов, по которым осуществляется выкос растворенных веществ из корнеобитаемой гоны в гшжнне горизонты и их поступление в грунтсгыс воды. В моделировании 8ти эффекты имитируются введением дополнительных проточных зоя повышенной проницаемости (Б.ФЛЬилтсньов.М.ТЬ.'Уаа СспцсЫсп, РЛЛУкгс^а, Р.Сегтавп, К.Всусп, и др.), соответствующих относительно крупным мс^агрегатным порам и трещинам. Одновременно рассматривается обмен с относительно мелкими порами почвенных блоков н агрегатов. Использование таких моделей сдерживается, однако недостаточной разработкой истодов определения параметров гидрофизических характеристик различных зон ПЛ.

Большое внимание в кодошровагош уделяется явлению гистерезиса ОГХ - неоднозначности зависимости влажности по'шы от кагшллярно-сорбциоиного потенциала. Однако, существующие методы учета гистерезиса в моделях переноса (В.И.Сабтши, Р.АЛЦсрбаков, А.Рои1оуамШз, в.С.Торр, К.К.У/а1зоп, И).^йв1сг) не затрагивают бннарности порового пространства почвы, и существенно не изменяют предшествующие модели. Попытка соединить оба подхода в одной модели предпринята в данной работе.

Глава 2 Построение модели движения влага в структурных почвах.

Многочисленные эксперименты по определению функций водоудер-хивания, проведенные на почвах с различной структурой показывают, что последняя обладает значительным гистерезисом в капиллярпметри-ческом диапазоне давлений. Ранее А.М.Зсйлихсром (1988) было показано, что общее влагссодсржание почвы 0 может быть представлено как сумма влажности проводящих Опр и застойных & зон поросого пространства, причем последняя выражается как произведение функции водоудер-живання застойных зон бз(<р) на насыщенность застойных зон 8, зависящую от давления воздуха в застойных зонах:

в^гЯпрфНБвКф) О)

Оставаясь в рамках предложенного подхода 6)ясм полагать, что насыщенность Б зависит от направленности процесса и капиллярного потеи-в момент его смены. Тогда, для всех дренажных кривых развертки

гистерезиса начинающихся а топке с давлением (р: на гранитном кривом увлажнения (рис.1 г) иасыщстаксеть застойных гон может быть описгна лависимастью:

Зо(9,ср1)=1-а((оп - 9X91 ~ Ф°))Ь «г^СЧ» - <!*)) (2) Для аппроксимации сорбционных кривых, начинающихся на граничной кривой иссугпенад, используется бетя-функция:

8^(ф,<?о=1-а(ф-фо)а(<р1-ф)г (3)

г^е а,Ь,сДс,Г - йигшргпеекке коэффициенты; фо,фа ~ минимальное и максимальное значения давлений на граничных кривгда.

е е

Х'кс. 1. Ветга* рау.'срткн пгстерсзгка ОГХ при (а) иссушении и (5) увлахясшгк ПОЧЕЫ.

Нзсыщеииосгь • зеггогаа« ¡¡сн врянишег зилчгмкг я при

. кзмеиаэю мяп.чягзп'хэтрб^'.окш« потегщшшов Из послед-

него ймражекия сйг^уст, что основная кривая пссужсгтя еста сумма фунгщнй яодоудерж1к:иша ярозодащгя и застойных зон.

= ЙГТКф) + 8 • е^ф) (4)

Фунхщии «хадрудсадияатч нроводящж и »»сголиыл зон в больпшн-стае сяучпсв ?~еиёатао описшзютга функцией Зсйбужа

0ЕЕх-аат к

(5)

пда виах и вшт - максимальная к минимальная глазхност соотастстяу-гогаих зон; к и N - «ганряпссхнв я оэффицз 1снты.

Для расчета «мшричесхих довффнциевдов, входящих в уравнения (2),{3) а (5) необходимо в достаточно 2-х кривда. развертки гистерезиса

1-го порядка (сканирующие кривые увлажнения и иссушения) к 2-х кри-

■>г .... .

вых 2-го порядка. По разности между кривой иссушения 0д(ф) и увлажнения 6с(ф) можно рассчитать эмпирические коэффициенты функции во-доудерживания застойной зоны и коэффициенты а и Ь в уравнении (2):

Оя(ф) - 9с(ф) = вшах X ехр(Чг")№ УХ а X ((<рп - «рХЧ> ~ <Р<0)Ь (б) Ъ

Далее по разности между Од(ф) одной ига дренажных кривых развертки гистерезиса расчитывается коэффициент с а формуле (2):

Оа(<р)-Ё|(и(ф) = 9<ф) X а X ((<рп - ф)(ф1 - фо))ьехР (с«р- <(Н )) (7) Аналогично по разности 6д(ф)-6с(ф) могут бьггь получены эмпирические коэффициенты, входящие в уравнение (3):

Зц(ф) - &(<р)=&(ф) X <1X (ф - фо)е№ - Ф)Г (8)

Окончательно из уравнения (4) определяются коэффкциекгы функции водоудерживания проточных зон порового пространства.

Задача расчета ештркческих коэффициентов по формулам (6) - (8) сводится к. мишштации функционала:

£<Уис-Урас)2-> 0 (9)

где У»ке и Урае - соответственно левые и правые части в уравнение* (б)-(8), к реализуется методом Марквардта.

Рис. 2 Экспериментальные и рассчитанные кривые развертки гистерезиса ОГК при увлажнегаш (а) и иссушении (б) песчаного образца по данным

РоиЬуаазШз.

Апробация методики расчета раздельных фуикддГ: водоуд~рж.ивания проточных и вастойиых зон норового пространства и функций насыщения последних проводилась па литературных данных T.Talsma (1970), A.Poulova.is:Ih ímd WJ\Í.E1-Ghamry (1973), G.CTopp (1371). Экспериментальные точки и рассчташгые по ним кривые развертки гистерезиса показаны ?га рис.2(а,б). Адекватность модели оценивалась по {-критерию. Во всех случаях получено удсслсгсорнтсльнсге совпадение рассчитанных н экспериментальных значений влажности, что указывает на адекватность модели.

Одномерный нелинейный влагоисрснос uiam онисывагтса уравнением Рлчардса:

,, ЭН Э Ггг ЭП -i т

Cw-—- = —-[Kw--~ | -I (10)

dt dz 5r.

где H - сумма каииллярно-сорбционнон и гидростатической составляющей даклешм почтенней плап«; Cw=5\Y/CII - дифференциальна;! влат-емкость; Kw - коэффициент влахонроиодносгн; £ - время; z - вертикальная координата; I - стоковый член.

В CUCTCÍÍO с бгшаряол пористость» рассматривается вертикальное движения шгага по системе проточных зон. Полагается, что в хгсэдьш момент времени давления почвенной виага в застошых и протечных порах оддиакхуш, и насыщение или оиоролисниб застойных íoti осущсстпла-ctcs через проточные. Влажность застойных зон определяется капиллярным потенциалом в них, нппрмшеикем процесса (насыщение иля обезво-anwme) и давлением влаги а момент его wemt. С ирнйхттш допущениями уравнение (10) мохко ислояьзовэть дат опу.саш» двнжежм влаги ко проточкам п заэтокнкм зонам. Согласно урагисгаш (1) даффереици-гпшзяг влагоа.жоеть првкииаст енд:

--------зн (Л)

В работая С.<Ф.Аьерьтго'ва, А.М.Кудатовского, Л.ИЛЪяовЕяояа и др. предложена аппроксимация фушцдап рлпшироводиосга, которую в обш,ем случае мохио записать как:

Kw(W)«»[ f (12)

Опгах - Otaun

uve Kí ' коэффициент фильтрации, Orain и вгаал - наибольшая и найме-пыпкэ влажности, в диапазоне которых прш«£шстся аппроксимация, п -

гмзиртмский коэффициент. В рассматриваемой постановке задали »м-

пирические коэффициенты н константы уравнения (12) следует относить к проточным зонам, т.к. по застойным зонам порового пространства движения влаги не происходит.

При pcmcHim уравнения (10) задаются граничные условия. На верхней границе, - в виде потока при осадках, поливах и испарении с поверхности почвы, либо в виде напора при образовании слоя воды. На нижней границе, - в виде потока при дренировании участка, свободном водообмене, либо как напор при близком расположении грунтовых вод.

Стоковый член учитывает потери воды из почвенного слоя, связанные с потреблением влаги корнями растений н описывается моделью Р.Фсдцсса (Feddcs et al.,1975).

Среди численных методов решения уравнения (10) наиболее распространена конечно-разностная аппроксимация исходного уравнения н граничных условий, т.к. для полученной системы линейных уравнений разработаны достаточно простые и точные алгоритмы решения. В работе использована неявная конечно-разностная аппроксимация уравнения вла-гопсреноса:

AiH^j - BiH|+1 +С1Н[+/ = Di (13)

>де Ai,Bi,Ci,Di - коэффициенты, зависящие от Hi, Cw, Kw и L Для решення системы уравнений (13) с сильно нелинейными коэффициентами выбран алгоритм потоковой прогонки по А.А.Самарскому.

Точность и сходимость решения зависят от способа вычисления дифференциальной влагосмкосга и межслойных коэффициентов влагопро-водности. Различные способы аппроксимации коэффициента влагопро-водности по глубине приведены в работах A.KIute, J.Rubin, M.R.Todd, L.Van Phuc, K.K.Watson, F.D.Whisler. Рядом авторов (R-Havcrkamp and M.Vauclin, R.Haverkamp et al) на основании расчетов по модсш( динамики влажности в пссча!Шой колонке, использующей квазианащпмческое ■ решение Дж.Филипа (Philip, 1957), показано занижение значений мех-слойных коэффициентов впагопроводяоети при нспользовашш средне-гармонических значений, вычисленных по среднеарифметическому меас-слойному давлению. Использование среднеарифметической величины или значения в вышележащем по направлению потока узле приводит к значительному завышению межслойных коэффициентов. Наилучшее приближение достигается при использовании среднегеометрической аппроксимации. Для неравномерной по глубине сетки в слоистых профилях с существенно различающимися фильтрационными свойствами необходимо учитывать мощности слоев. В работе принята аппроксимация мсжслой-

пых коэффициентов шмгопроеодности Kwi+o.s по сумме сопротивлений в соседних слоях (Голованов, Новиков, 1974):

где L - мощность слоя.

Значительные ошибки послойных балансов влага, связанные с нелинейностью функций водоудерхнвания возникают при подстановке в уравнение влаголсрсноса дифференциальной влагосмкости в ввде производной cW/SIL Исбежать дисбалансов удастся линеаризацией производной (11) на каждом временном отрезке:

с Jt05 - ) + вГ'аСфГ) -(0"Р(9|) + Sfo^,'))

При расчет« динамики влажности пго модели в периоды с повышенной водсподачен наблюдается значительное ухудшение сходимости ре-шепгм. Дисбалансы ешш в расчетсплх слоях возникают также при интенсивности полива превышающей впитывающую способность, что в естественных условиях приводит к образованию слой воды на поверхности или поверхностному стоку. Для улучшения сходимости решения во врсья поянва или еыпздсиия шггенскшых осадков шаг по временной координате искусственно заиикаотся (Zar*dny,1978). Момент образования слоя воды из поверхности ночвы илп формирование поверхностного стока ожхется сущвстогвным дна рета прикладных задач, поэтому в программе при пакта задается граничное условие в виде нулевого сдоя воды и рассчэтапгя иптеисгожосгь вгаггызания «жостгвляэтся с пнтснсивносшо осадт.ог. В результате проверки сыбкрастся соответствующее гргтгшос условие.

Kos. следует из агпгроксимздрта ьейффнцзмтгоз влагопровсдносга и «ккеарнзацви дафферекцнальной алагосмкостн коэффициенты в снстсмс. тнпкГашх урагкетй (13) являются функциями искомых потенциалов пгстг-сггной влаги, потопу дгч ее ресгешк нсталмуетоа итсративЕйл! мзгк'.ъ Переход • на следующий шаг по времени происходит при доспсштн заданной точности решения % на reex N горизонтах:

OSiSN (16)

Глава 3. Объекты и методы исследования.

Исследования формирования еодиого режима в темно-каштаиопых почвах проводились в 1983-35гг. на территории совхоза "50 лет СССР* Пролетарского района Ростовской области РСФСР.

Опытный участок находился на первой надпойменной террасе реек Западный Маиыч. Геологическое строение территории складывается из осадков четвертичных (сурожских и карагатских отложений, представленных желто-бурыми суглинками и гладами, подстилаемыми неогеновыми отлажалшми сарматского и тортонехого ярусов гаии, являющихся региональным водоупором. Климат области носит континентальный характер. Годовое количество осадков не превышает 340-3б0мм. Грунтовые воды залегают на глуб:Я1С 1-Зм. Основным источником питмнш служат иифильтрацношше воды при орошении. Некоторые физические характеристики, гранулометрический и мнкроагрегатный составы по слоям темно-каштановой почвы приведены в таблице 1 и на рнс.За.б. _Таблица 1 Физические свойства темно-каштановой почвы.

глубина взятия образца, (см) плотность почвы (г/см3) порозность (см3/см3) содержание гумуса (г на 100г почвы) МГ (см3/см3)

0.15 - 0.30 1.46 0.445 3.62 0.129

0.45 - 0.60 1.70 0.363 1.95 0.140

0.75 - 0.90 1.69 0.381 0.92 0.123

1.05 - 1.20 1.71 0.369 - 0.124

Методы исследования.

Полевые исследования по изучению динамики плагозапасов при орошении темно-каштановых почв велись на опытных площадках (рис.4) размерами в плане 2x2м с удаленным растительным покровом. По иери-

ЛМ р.иф | -

Л

2м

V

±

0.75м

Рис. 4 Схема экспериментальной площадки.

каштановой почвы. Размер фракции: О - 1- 0.25мм, 0 - 0.25- 9.05мм, Д -0.05 - 0.01мм; 0 - 0.01 - 0.005км, V - гор. 0.005 - 0,001мм.

йГ17

nmvct.crcx 190эг., нмпиллагижтгжсхис огу. Рнс.5. Экспериментальные и аппроксимацнонные ОГХ темно-каштаиовон почвы по данньш капкпляриметра: О - гор. 0 - 0.20м; 0 - гор. 0.20 - 0.40м; Д - гор. 0.40 - 0.65м; Ф - гор. 0.65 - 0.90м.

метру площадки устанавливалась гидроизоляция (1) до глубины 2.5м, препятствующая боковому виутршгочвенному влагообмеиу, и металлическая рама (б) высотой 0.3м на поверхности почвы. В скважину, пробуренную в центре площадки, помещалась обсадная труба (4) для измерения влажности нейтронным влагомером ВПГР-1. Значения давлений почвенной влаш определялись по показаниям почвенных тетномстров (5) с ртутными манометрами (3), установленных из обсадного колодца (2) на глубинах 0.075-1.425м с шагом 0.15м.

В ходе эксперимента па поверхности площадки мгно:;сшю создавался слой соды 0.2-0.25м и производились измерения объема впитавшейся воды, влажности почвы и давлений почвенной влага. После окончание впитывания шощда накрывалась гвдроизолациониым материалом для предотвращения испарения. Интернаты времеш: между замерами, определяемые интенсивностью перетоков влаги в почве, составляй 15-20 минут в первые 2-4 часа и 4-6 часов чераз 2-е суток после налива. Через 10-15 суток ахсперимент повторялся с цеяыо изучения влиянии предпгол.чвной влажности почвы на динамику псрсраспрвделсши влаги.

Лаборатордае определения Еодкофизических фулхщш почвы проводились на образцах ненарушенной структуры темно-хаштаиовой почвы с иомощыо калшиырнмеяров рад^альлош дойстз;к по стандартной методике. Полученные кривые аппроксимировались зависимостью (5). Графики измеренных ОГХ и их аппроксимации представлены на ргс.5.

Глава 4. Экспсркмгнтглшые и модели гие исслсдоаа.яи дпнамкш . влажности и давления шши в почве.

В течение лешего керЕзода 1983г. проведены 3 кагаша шиевдоши isopMrM.cs: 22.5см, 20см к 21см. Прсдпоишвное распредехеш® влажности по профклш в шшоах 2 и 3 сооииягствозаяо "квазиргшиовесному" рас-предслсшш давлений штеггшй влит, ври которых расход влага на ас-парешзе с поверхности потаы яш&сясяровъск за счет кодтгпывгккя почвы фунтовыми водами. Исхсдкоо распределение влажиостей и дазлешш з псрасм эксперименте сложилось в результате ддихелыгого иссушения почвы, и в первую очередь аерхннх ее горгионтов. Во всех. Фахпсрпкеа-Т8Х с момсгла подачи мзды на поверхность почтенною ыоидаита до окончания впкшшка аамерашеа слои вготоозсйся юда с интервалом в 5-10 минут.

Полученные в полевых экспериментах данные со динамике влажности а калиялярко-сорбщюшюю иотенцдзла во ершеия к исслс-

дуемых почвенных слоях (рис.6), показывают, что при значительных поливных нормах фронт увлажнение достигает глубины 1.5м в первые 15-20 минут после полива. Это одновременно фиксировалось, тензно-метрамл и нейтронным влагомером.

Другая особенность перераспределения влаги, наиболее ярко проявляющаяся в верхних почвенных слоях - явление гистерезиса ОГХ. Приведенные на рис.7 полевые характеристики водоудерживания показывают, что явление гистерезиса ОГХ наблюдается до глубины 1м., причем на всех графиках ветви увлажнения располагаются над кривыми иссушения. Такое несоответствие может быть вызвано как. несоответствием радиусов действия нейтронного влагомера и почвенных тензиометров, так и с методическими ошибками. Почвенные теазиомстры непеременно реагируют на давление в насыщенных макропорах в моменты прохождения по ним влаги, или давление влаги почвенных блоков после сброса гравитационной воды из макропор. В первой случае, ошибочно соотносить влажность почвы с давлениями влага, измеренным тензиометрамн. Исходя из современных представлений о движении воды в почве, следует рассматривать раздельно степень насыщения макропор н влажность почвенных блоков с соответствующими им давлениями почвенной влаги.

Анализ данных полевых экспериментов приводит к ряду заключений: 1. Полевые ОГХ не являются облаком случайно расположенных точек н носяг закономерный характер связанный с гистерезисом водоудерживания я методическими особенностями полевых наблюдений за давлением и влажностью почвы;

2. Несмотря на сходность н закономерность процессов впитывания и перераспределения впали при наливах одинаковыми нормами, в каждом отдельном случае энергетическое состояние влаги определяется как исходным соотношением влажности и почвенных потенциалов в почвенном профиле, так и предкеторией процесса, - конкретной ветвью кривой ОГХ, и соответственно, соотношением влагосодержания различ- . ных групп пор.

Расчет параметров моделей ОГХ проточных и застойных зон ПП, а также коэффициентов функции насыщени застойных зон проводился по синхронным профилям давлений и влажности почвы. Параметры функции влагопроводносп! рассчитывались решением обратной задачи впаго-переноса. Восстановленные ОГХ модели почвы с бинарной пористостью приведены на рнс.8.

Рис. б. Послойная динакиза почвеюшх щугаощшюв к вшкхастеЁ вэш после iGOiffioa 1.23. О - iop.0.15-û.?.bf, 0 - r©p.ö.3-9.45w; Д - гор.0.45-0.<5м; О- гор.О.б-ОЛЗм; V- гор.0.7э-0.5>м.

Рис. 7. Полевык характеристики водоуяерживашм почвы О - калив 1; 0 - налив 2; Д - налив 3.

Рис. 8. Рдесчкгакшсе со волевым цлагыы OÏX краточждс. (0} к эасто&аа (©i soit m^oacro нрогтракстеа.

Дня срзгшоняи предлагаемой модели с тралчцмяекш проводились расчет»! вяагопсрсиоса с использованием тстсрезисяых СПХ, гяпроь-симациогадлх кривых по осредненным полевых я лабораторным данным. На верхней гражще задавался слон еоды при поливе и отсутствие потока после окончания епнтыпишя. Из татсн,- условие, соотпэтствз'ющсс грл-вптлциоиному по-лжу. Результаты рзечетов приведены на рнс.9. Дяз сопоставления точности моделей использовался средний квадрат отклонения рассчитанных ппазнсстей от измеренных. Как ввдио нз тпбл.2 наилучшее приближение получено при расчете по модели с бинарной пористостью (В). Существепшле расхождения в расчете кнагопсреиоса с использованием ОГХ, измеренной на капппляримстре (С) выззаны ее сдвигом по отношению к полевой ОГХ в область высоких впажностсп. При расчете по осредясшшм полевым ОГХ (А) в ряда случаев (сло.т 0.15 - 0.30 п 0.75-1.05м) наблюдаются сопостгяимьзе с моделью (В) значения.

Тгбл. 2. Значения квадратов отклонений рассчитанных и _измерсШИЛ ЕЛЗЖКОСТСИ.___

Глубина 60- Средний квадрат отклонений

А В С.

0.15-0.30 2.4Е-5 1.1 Е-5 4.1Е-3

0.30-0.45 5.3Е-5 8.3 Е-б 3.2Е-3

0.45-0.60 7.9Е-5 6.9Е-6 3.1 Е-3

0.60-0.75 2.6Е-5 З.бЕ-б 5.8Е-5

0.75-0.90 8.5Е-5 1.7Е-5 3.4Е-4

0.90-1.05 4.5Е-5 1.0Е-5 1.9Е-4

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1 .Разработанная эмпирическая модель гистерезиса функции еодо-удерЕквакия, оснозанная на предпосылке о существозании функционально различных групп пор, адекватно воспроизводит лабораторные данные. '.

2.Эхсперимевталыше полевые исследования показали различие в кривых иссушения после окончания впитывания, которые могут быть объяснены существованием функционально различных групп пор.

З.Эмпиричсс&ая модель гистерезиса может быть пепользовзиа дм моделирования перераспределения влаги при орошении структурных почв. Точность модели, количественно учитывающей наличие проточных и застойных зон в почве, в ряде случаев на порядок превышает точность традиционных моделей.

Phs. Ишерсгсыг к рассчлггашьм дгашшш влажности гюччм о-попгамг; О-fîo осре/щскнон owseaofi ОШ; Л-по иодюпг гастерсиюл ОГХ; 0-цо ODC, кояучгшкж m ыгашшрнкетре.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Использований квазианалнтнчеекоп) решения краевой задачи ила-гопереноса для нахождения параметров гидрофизических характеристик почвУ/М.:Деп N38 ВС-87, 9с., 1987,(в соавторстве).

2. Одномерная имитацгамшая модель влаголсреноса в структурных почвах.// Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышенна плодородия почв в условиях интенсивного земледелия"-Москва,1988г.

3. Математические модели совместного переноса жидкого и газообразного песмешизающнхся флювдов в почвенных и грунтовых средах. // Тезисы докладов научной школы конференции "Совремешше проблемы механики жидкости н газа". Иркутск, Сиб. отд. АН ССОР, с. 146, 1988, (в соавторстве)

4. К методике проведения и обработки полевого Експсрнмснта по влагопереносу.// Сборник трудов НПО Югмелиорация, Новочеркасск, 1990, с.122-129. (в соавторстве)

5. Одномерная имитационная модель миграции псстихщдов в почвах с бинарной порнстостью7/ Тез. докл. Ш научн. конф. "Применение математических методов и ЭВМ в почвоведении, агрохимии н земледелии". Барнаул, 1992, с.7.

6. Способ расчета характеристик водоудерхнвания для почв с бинарной пористостью.// Тез. докл. конф. стран содружества "Физика почв и проблемы вколопш". Пущино, 1992, с. 18-20.

7. Проблемы адаптации моделей влагопрсноса7/ Тез. докл. конф. стран содружества "Физика почв я проблемы экологии". Пугцино, 1992, с.118-119. (в соавторстве) "•'••".

8. Перенос воды и веществ в почвах с учетом макропористости: проблема, эксперимент, модель^/ Тез. докл. конф. молодых ученых МГУ "Совремешше проблемы экологии и почвоведения", Красновидово, 1993, с.29-30. (в соавторстве) " .

9. Экспериментальное обеспечение моделей массоперсноса.// Тез. докл. конф. молодых ученых МГУ "Современные проблемы экологии и почвоведения", Красновидово, 1993, с.97. (в соавторстве)

10. Особенности экспериментального определения гидрофизических н гидрохимических параметров математических моделей влаго- и солепереноса в почвах.// "Почвоведение", (в печати)- (в соавторстве)