Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование водно-теплового режима сальскохозяйственного поля

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование водно-теплового режима сальскохозяйственного поля"

t

ОДЕССШИ ГИДгаДЕТБОГОЛОгаГШОИ ШСПГГУТ

lía правак рукописи CAffAPCB СУРХАП Г/САН огт

УДК 631.4.32.21:436.001.57

модЕлироаиа® вол»» - ТЕПЛОВОГО РЕШ СЕЛЬСКОХЮЯЛСТВИЗЮГО ПОЛЯ

Специальность Х1.00.0Э - метеорология, климатология,

агроштоорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учэяой степени кандидата географических наук

ООКИИСК ISS2

Работа ыяюлненл до Бскссшнон научно-исследоиательск. институте сельскохозяйственно!! метеоролог»'..., .

Научные руководители: профессор,доктор фазико-матема.*«-чьских наук С11РОТЕИК0 0.'!.-

«¿.ндндат $изкко-математнчес1;«/. :шук ЕОЯКО Л.!!. . .

Официальные сгаолшты: профессор, доктор географически*, ноу и ПОЛНЬОН А.11.

каидодат техйических ¡му,: ШИШ В.Д.

Еед^гчия органияьц»/: Гидрометцентр СССР

Защита диссертации состоится " { Ь" ^¿И^ЮЛ^, ' в 14 часов 1ш заседании специьлнакроиашюго. сов.'Н"! К Обе!.ОД.01 в Одессксы гидрометеорологическом институте в аудитории £ 306 по едресу:

27С016 г,Одесса-16 ул.Львовская, 15,ОГ®

С диссертацией мошо ознакомиться в библиотеке Одесского гидрометеорологического института.

Автореферат разослан " // 1992 г.

Учений секретарь специализированного совета Н.С.Лобода

■ , - г г?-, г- ' - ' О __

1.....-з-

| г :!«Е='._ .. ...

I .-.-.81 I

! ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. Почвенная влага является одним из ввхнэЛ-ших факторов, определяпцих продуктивность агротеосистем. От особенностей формирования водного и теплового режима почпы зависят размещение и специализация сельского хозяйства, потори, связан-ннэ с неблагоприятними погодашми условиями (засухи, суховеи и др.), эффективность применения мелиоративных мероприятий и агро-тохгеиеских приемов возделывания сельскохозяйственных культур.

Большой вклад в изучение этих проблем внесли известные агрометеорологи Вериго, Разумова, Цуйэрбиллер, Давитая, Константинов и др. Однако, большинство исследований в этой области до настоя- • щего времени проводятся на основе эмпирических и полуэмпирических подходов.

В этой связи дальнейшее исследование формирования водно-теплового режима сельскохозяйственного поля на основе совремшш;:.! теории эиорго ■• и массооОмона системы поч па-рясте ние-отмоо^'ра (ПРА) и построение соответствующих математических моделей является одним из важнейших и актуальных научных и прикладных напрпв-Л91!ИЯ современной агрометеорологии.

В нашей стране важнуи роль в формировании теории энерго -и массообмена системы ПРА и использовании ео в прикладных целях сиграли работы Будаговского, Будыко, Сирогенко, Бойко, Мекжулина и др. За рубеком наиболее значителькие исследования по этой проблеме принадлежат Пенмону и Филиппу. Определенным достижением в области разработки наиболее полных числетшх схем расчета гкдротер юпеского рокиха система ПРА являются роботы Менжулинч и Спивать -вв, Сиротчнко и Бойко в нааей стране и Лемона и др. за рубежей.

Одной из вчкнейших проблем исследовсния системы ПРА яыя';т:а

вибор опул.дашп простоя структура математи юской модели для реке-иия прикладных задач. Известно, что как сильно усложненные, гак и "Ф^згл-ръо упроцошто модали по разним причинам могут быть одинаково н-.'.п^^зкткмшми. Ник правило, усложненные схемы из-за сложности пк гоализащш редко Применяются длп решения практических вопросов.

Дия п^лилзцнцх. целеЯ .наиболее оправданным будет использование модплей систем« ПРА о сосредоточенными параметрами.'Подобные модели-ото компромисс между сложностью и физической обоснованностью.

Во ЫШЖЙСМ разработаны довольно полнив и физически обоснованные модели энэрго - и масеаоПмена системы ПРА с распределенными и с сосрадаточошшки параметрами. Ш в тоже время в математическом, ¡ш.'/х^рмадогао,",! к организационном аспектах сш сложны для практического использования.

Настоящая работа является продолжением этих исследований. Осношое вщл:аниэ в мой удолено вопросам параметризации описания процессов взаимосвязи элементов системы ПРА, имея в виду прикладную направленность модели и развитие численной схеш решэкия уравнения влагопереяоса в почве, учитывающей появление и динамику просохшех'о слоя, а также испарение через просохший слой.

Щль-работы. Разработать прикладную динамическую модель формирования бооно-тйплового рехима сельскохозяйственного поля с рзсттелььым покровом и без него в течение теплого периода года с учетом суточного хода метеорологических элементов. Провести идентификацию параметров и верификацию модели для расчета значений йлпкности и теи^ра-гуры почвы, а также суммарного испарения в аридных усдов-.ях. Исследовать с помощью модели динамику процесса 5ет:ар.;нил из проечхощей почвы, включая образование и развитие лроеоАшего слоя. Изучить возможности применения модели для исслв-.псззшя тшощссов иссунегаш почвы, развития засухи при различных

метеорологических условиях вклячая суховеи. Указашгао воомо:шос1>! модели позволит оо исппл.и'овг^ь чо в компьютизированной система агрометеорологического обосггечзкия сельского хозяйства.

Научная новизна. В настоящей работе продлокена новая прикладная динамическая модель г.одно-тэплового poKw.ü сельскохозяйствен ного поля, поаволявдая рассчитывать дкнзмкку гешорятури и или* ности почвы по дчсятисянтамотровым слоям до глубины 150 см, Хринспирацию и испарение, динамику биометрических характеристик посева в точение вегетационного периода. В данной прикладной мололи впервые используогся в ладом виде уравнение водного билансо агроцоноза и учитывается влияние интенсивности турбулентного обмена благодаря привлечению данных о скорости ветра, предложены новые алгоритмы, рассчитиватоие затраты маги на испарение и пополнение почвенной влаги осадками или поливной водой, разработана численная схема .расчете испарения через просохний слой, моде лируюишя его обрпзовшпю и лииамику.

Научное и практическое значение. Основное назначение предложенной модели -расчет термического и водного режима о?льскпхо?ля ственного поля с растительным покровск и без ного в теплый период года. Модель мокло использовать в качестве гидрометеорологи -ческого блока данамичесгаа моделей продуктивности агроэкосистом, для разработки методики комплексной количественной оценки засушливых условий и суховейных явлений, для обоснования милиорипш-шх мероприятий и нормирования орои^нгл и в качество основы создании методов оперативной оценки тепло- и .влзгосбвспэЧэнкости va ■ гетациенного лориодч растений: Модель птадип.адт.ется кспэл:»эср/«ть для развития ctiCTGMf-КЛ.ОДТ-ЖйШ' CCCI', ръа{л*отгто?. tu híCW/li. для оценка влияния ошдэемых и?м9нениЯ кягюта ча гйрмчтрм kw>-тёплового p-?Kwà' солйскоюзяЯстзоююго.'пс^]! С уплели яч

основа метеорологической информации, постушшшвй в Гидрометцентр СССР по опьра^шзшм каналам связи, били рассчитаны динамика запасов продуктивной влаги под яровым ячменем по дашшм пяти станций Ростовской области в I99G г. Результаты расчетов ежедекадно передавались в Совкавгвдромат и получены положительные результаты.

Структура работы и ее краткое содержание. Диссертационная работа состоит из ввэдения, четырех глав, заключонил, 'Пяти прилоке-Ш'Л и списка литературы, включающего 185 наименований, из них 25 работ на английском языке. Объем работа 210 стр., в том числе 135 стр. текста, 51 рис., 18 таблиц.

Апробация работы. Основные результата, полу тише в процессе выполнения работы над диссертацией, докладывались и получили одобрение на Безсоюзной конференции "Использование современных технические средств по влагометрци в практике обеспечения сельског.озяй-стьвшюго производство", Кишинов, IS87 г; на 12-й Конференции молода* ученых УкрНШШ, Киев, 1988; на 28-й Конференции молод:;!, ученых Гидрометцентра СССР, (2-е место), Москва, 1990 г; на научных семинарах отдела динамики климата Института глобального климата Росгидромета СССР, Москва, 1991 г; в лаборатории моделирования гидрологического цикла суии Института водных проблем АН СССР, Москва, 1991 г

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели и задачи диссертации, сформулированы основные положения, составляете научную твизну и предмет защиты.

В первой "лаве изложены описания процессов тепло- и-влагопере-носа и составляющих водного баланса почвы. Показано, что использование уравнения Елагопервноса при решении прикладных задач в отдельных работах подвергается критике в силу того, что это ур&внониэ

19 дпо1 адекватного описания всей совокупности процессов движения эода в такой сложной гетерогенной среде, которой является почва. Эднеко, по мнении большинство специалистов, несмотря на все пел ¡с ■ хатки, нет лучшей теоретической основы, кроме этого уравнения. Ос но вше процессы это уравнение отшивает адекватно, и ого можно использовать для создания прикладных расчетных схем-.

Отмечено, что вопросы, связашие с процессами трансгтирают и испарения с умакненной почви, исследованы достаточна подробно. По в настоящее время ног апробированной аналитической теории естественного испарения из почви с просохшим слоем. Частичным решением этого вопроса может служить разработка моделей, освещающих отдельные стороны этого процесса.

Било отмечено, что большинство методов расчета водного баланса почвы основам! на эмпирических подходах, и по мнению Константинова, основное внимание должно Сыть переключено с разрабоки локальных методик на решение главной задачи -создания корректной универсальной методики расчета водного режима агро^косистен.

Из приведенного анализа следует, что уравнения влагопровод-иости и теплопроводности с соответствующими краевыми условиями на поверхности почвы для потоков тепла и влаги долхны лежать в основе прикладной динамической модели водно-теплового режима сельскохозяйственного поля.

Вторая глава диссертации посвящена разработке прикладной динамической модели водно-теплового режима сельскохозяйственного поля.

Модоль включает в себя субмодели энерго- я массообмена почвы и растительного покрова и субмодель роста и развития растений.

Ь модели рвссчигыраотся перехват атмосферных осадков растительным покровом и потери вош на поверхностный сток, гафдатра-ция осадков, суточный ход текпоратуры и влажности почвы, образом-

ни<? и динамику проспхиого слоя почв«, поглощение влаги корневой темой, трпнспирэция, испарение, температура и водный потенциал листьев, динамика листового индекса, мпссн корней и высота р-зститчльиого покрова.

Б первом разделе рассматривается численная схема расчета водно-теплового режима почвы. Предполагается, что корневая система оказывает существенное влияние но перераспределение влаги г почзе г-лько в вертикальном направлении.1 Влогоперенос рассматривается в наизотерюгчосккх условиях. Влияние влажности почвы на тормоперанос учитывается через коэффициент теплопроводности.

Для ошсания динамики водно-тешлового режима почвы используэт урам;едав влагопроводности да почве в вкдо

при следующих начальных и градогздых условиях:

риД) г |Кг,0). (2)

О, (3)

и уршшенил эффективно? топлогхро.ро.гцюсги в почво в виде

8х (СвТв) = к Щ '

при елодупвих начальных и граничных условиях:

Тв<ь,г) - Т0(г.О). (С)

<8)

ГД1 |мг.О » Тв'ч5,г> •профиля влпкност» и текпврстура ьочгы т.

- э -

мент времени t; TeQ(t) -температура поверхности почви; (t) -том пература почви на глубине 150 см; t -время; г-вертнкальная косрци-ноти, направленная вниз; v -модуль водного потошдеала пом ионной мм-ги; К -коэффициент гидравлической проводимости; (1-источ1Шко -отоко вый член; С3-тошюемкость почвы; Хв-тегшопроводность почви; внутрошшо источники тепла.

Uciiapomie, транспиращ»я и втгтв&нне осадков учитываются через источ!г.1ко-стоковиЯ член <1 уравнения (I).

Решение задачи расчета водно-теплового режима почви ищется численно, методом конечных разностей. Используется явно-неявная схема. Шаг интегрирования по вертикальной координате равен 10 см и по времени равен 3 часам в бездоздшй период и I часу при впитывании осадков. При решении уравнения влаголроводности в почве выполняется условие баланса в виде

i.® J4-1 iS i iEr r j j+iy г jn ji

где г -шаг интегрирования по бремени; Р^-водообмен с нижележащими

СЛОЯМИ.

Другими словами, изменение суммарных влагозайасов в расчетном слое 0-IC0 см определяется испарошем, трайспИрацйэЙ, ойадками и влагооы<еном с нижележащими слоями.

При решении задачи разработана процедура paciera еоставлякдих величин источнико-стокового члена d уравнения (Г) на каждом временном шаге интегрировашм и показаны способы определения осноышх п:д -рофлзических характеристик почвы: затрата влаги на гранспирациь ограничиваются потенциалом почвенной влагч, комйициэнтом влагспро-водности, массой корней и продуктивной влагой. При учете испарении предполагается, что на испарение из Каждого почвенного слоя сверху

вниз иьшается то количество води, которое из него можно извлечь, --до уровня максимальной гигроскопичности. Эта процедура повторяется до тех пор, пока суммарюе количество вода, изъятой из почва, не станет равно испарению. Важной положительной характеристикой этого алгоритма является возможность появления просохшего слоя и пе редыженш ого в глубь почьи. ¡Дм выпадании осадков учтены их потери на смачивание растений и поверхностный сток. В каждый из слоев сверху вниз доливается максшально-возможное количество воды из доли осадков, рассчитанных для впитывания на каждом временном шаге. Такая процедура повторяется Да полного впитывания осадков в таче1ше суток их выпадания.

Во втором разделе предложена субмодель агюрго -и массообмена растительного покрова. Для описания процессов использованы уравнения теплового и водного баланса растительного покрова и уравнении теплового баланса влакной почвы. Эти уравнения имеют вид

(Ю)

К<п>

X -Е8 = Ид ~ На - С. (12)

где Нь - ь „-су (ть - та]/ га. Н8 « Р-Ср- (та - та)/ г'а,

Е1 - [чг - Ча)/(Га + = р- (ЧаГ ЧаИгА' + Г-г^},

X -скрытая теплота испарения (конденсации); Е^ -интенсивность транспирации; Еа-интенсивность испарения с почви; и Ва -радиационный баланс растительного покрова и испарящего слоя почвы соответственно; Н^ и Ыа -турбулентные потоки тепла от растительного

покрова и поверхности почвы соответственно; С-поток тепла в почту;

-потенциал влаги листьев; -сродневзвещашшй потенциал почве» ной влаги корнэобитаемого слоя ночей; А -функция, зависящая от характеристик корневой системы и гидравлической проводимости системы почва-корень; р и Ср -плотность и теплоемкость воздуха, соответственно; Та, Т^, Т3-температуры воздуха свободной атмосферы, растительного покрова и испарящего слоя почвн; га, г^-сопротивление пе -реносу на пути лист-воздух и почва-воздух соответственно; г^' -сопротивление переносу пара из зоны испзрошм в почве в воздух; г(11 -устыиное сопротивление листьев, флкция обводненности растительно го покрова; гдч{ -сопротивление испаряющего (I -го) слоя почпн; (^-насыщающая удельная влажность при температуре Т^; <|д,'-насыщатс.чл удельная влагсюсгь испаряющего слоя почв и; да-удельнэя влажность воздуха приземного слоя атмосферы.

Радиационный баланс растительного покрова <ИЬ) и поверхности почвы зависят от суммарной радиации, противоизлучения атмос-$врц, альбедо системы почна-растетга, облачности, функции процус-ка;мя растительного покрова, упругости водяного пара, влажности почвн и растительного покрова.

Сопротивления переносу на пути лист-воздух (га) и почва-роз-дух (г^) зависят от листового индекса, высоты растений и скорости ветра. При отсутствии растительного покрова гд зависит только от скорости ветра и шероховатости подстилающей поверхности.

Устьичное сопротивление гзг рассчитывается по формуле Свудрп •

Идее

где •>, Ь-парпмотры, г0-минимальное устьичлэо сопр-.ттл'чг,!", поп роо является функцией радиационного баланса рз^титэл.ного покр.-ьл. П согтпго МС.'ДОЛИ реализована численяяя пияю.чячпчя [л-

(ТУ)

считывать испарение через просохши слой почва, а также динамику глубины иросохаого слоя Показано, что является важной ха-

рактеристикой почвы, влшняей «а интенсивность испарения через пега. Для расчета г^' получено выражение •

^'^¿•Цгптрг]' I")

где коэффициент изеижстости," ^-гатцкна просохшего слоя, коз(йицЕэнт диффузии содянох'о пара в воздухе.

Естественно, что при отсутствии прссохпэго слоя г^.

Ка основании теоретических соображений и числокных экспериментов для га3£ нами подучена формула в вида

где г°а -шыиыадьное сопротивление почвы (при полном ее смачивании), ц -вычисляемый параметр, индекс I показывает номер испаряйте го слоя почва.

ВоемЬхнэсть расчета дина микн прссыхания почвы обеспечивается, а так зга к тем, что в слагаемом <1 уравнения (I) учитывается цспа: роние из влаишх слоев почвы (необязательно с первого верхнего сх почвы), а слагаемым <1Т уравнения (5) учитываются затраты тепла на это испарение.

Система (10)-(12) линеаризована относительно Ть~Та, Т6-Та, 51"Ча'и Ч6~Яа и ® результате чего получена система линейных уравнс ний, решая которую мокно рассчитать значения траксгшрации, испарения, температуры листьев и поверхности почвы и некоторые другие херактеристики.

3 тротьо« разделе рассматривается численная схема расчета да -нэмики листового индекса, высота растений и масса коркеЯ, который являются входными параметрами модели (субмодель роста и развития рзстоний).

В конце второй глвбы приводятся результата чисданяых экспьрл-млнтов по сценка чувствительности модели. Они обобщены в форме зависимости интенсивности суммэрюго ксггзречия I) от каждого ил метооолекентон (температура воздуха, относительная влвяяость воздухе, суммарная радиация) при постоянстве остальных при заданной влахиссти почвы; Z) от влажности почек при заданных метеоусловиях, 31 и от фотометрических характеристик посзва (лаптовой индекс и масса корней) при заданных метеорологических условиях и влажности почва. Анализ результатов показывает, что модель в делом адекватно описывает основная физические процесса, происходящие в ситеме ПРА. Полученный дашшэ хороио согласуются с результатами других авторов (Снротенко. Бойко, Росс, Бимло, Молдау).

Третья .глава посвящена вопросам идентификации и проверка адекватности разработан"ой-модели. Для этого использовались материалы наблюдений за влвкностью почвы, суммарного испарения и температуры почва олорных станций комплексной воднобвлалсовой и агрометеорологической сети, шчввнноиспарчтальных и снегонсперн-телътах пунктов Северо-Кавказского УГКС (ГТЮ Семакарзкорск: черный пар, 1981-1983 гг; яровой ячмень, 1981, 1962 и 1985 гг; ози-мея паганицз, 1981-1983 rr: AMC Гигант: черный пар а скиая гам-ница, 1981-1983 и 1985 гг; АНС Камивеватская: чершй пар, 1Э82. 1983, 1985 гг), материалы наблюдений за влаяюстью почвы AMC лг-лос Самарской области на полях с черным паром, яровой и озимой пшеницей в 196$ к Ii6S гг.'«атериздн нМтадвиаЛ эз влзжнссть» и фггемтрэтлегайм 'характеристиками посева на зкезеримоитал и;<м

участке ШШСХ-ЮВ (Саратов) за 1979 и 1980 гг под посевом яровой паеницы, а материалы наблюдений за суточным значением сум-

марного испарения на Валдае в 1964, 1972 и 1Э73 гг под посевом яровык зерновых культур.

Из них для оценки параметров субмодели внерго -и массообмена почвы использованы материалу наблюдений за влашостью и температурой почвы черного пара в района Семикаракорска в '1963 г.

Для оптимизации параметров субмодели энерго-и массообмена растительного покрова использованы наиболее репрезентативные данные по суммарному испарению, изморенные бтносительно точным трибором-Болыиим гидравличасхам испарителем' (БГИ).

Оценивание параметров субмодели роста и развития растений проводилось по материалам наблюдений за фитометрическн!«в. характеристиками посевов яровой пшеница в района Саратова в 1979 и 1980 гг.

Остальное материалы использовались в основном для верификации модели и частично для уточнения тех или иных параметров модели в целом. Исследование адекватности модели проведены путем сравнения измеренных и рассчитанных величин суммарного испарения, влажности к температуры почвы. Использовались следующие критерии точ-ностй: относительная ошибка (Б0), коэффициент корреляции (Л^) и отношение ошибки метода к естественной вариации Также при-

водился средаее значение фактической (У1у0) и рассчитанной влажности почвы, срэднеквадратическое отклонение значений фактической влажности почва (В?), среднеквадратическая (Зс) и абсолютная (Ба) ошиб' и расчета.

Коэффиц! нт корреляции между рассчитанными и измеренными величинами суточного суммарного испарения на Валдае составляет 0.850.86, относительные ошибки -36-37% и отношение ошибки метода к естественной вариации -0.72-0.77. Согласно методикам Госкомгидромета,

если это отношение меныие 0.8, то метод можно рекомендовать для * *

практического использования.

Относительные ошибки пентадных и декадных значений суммарного испарения на Валдае составляют -20 а в Семнкаракорске в целом

28-31Ж, что соответствует точности лучших принятых у нас методов.

Н. рис Л для иллюстрации представлош суточный ход рассчитанного и измеренного суммарного испарения под посевом ярового ячменя па Валдае в 1973 г.

Для проверки адекватности модели ло дашшм о влажности и твшоратуре почва использованы материалы наблюдений 27 -годостан-ций. Сравнение рассчи?ашшх. и фактических значений влажности почвы проводилось по данным слоев 0-10, 0-20, 0-50 и 0-100 см (поля с черным паром, яровыми и озимыми злаковыми культурами) и значений температуры почвы на ее поверхности и на глубинах 10 и 20 см (поле с черным паром).

На рис. 2 показано сравнение рассчитанных и фактических значений влажности почвы п слоях 0-20, 0-50 и 0-100 см под посевом ярового ячменя в 1931 г и на рис. 3 под посевом озимой пшеницы в 1981-1963 гг.

Относительная ошибка расчетов составляет 2-20%, что находится в пределах ошибки метода экспериментального измерения влажности почвы. В качестве примера в табл. I частично приведены статистические характеристики расчетов по ГМО Семикэракорск.

Относительные ошибки расчетов температуры почвы составляют 3 12%, отношение ошибки метода к естественной вариации меняется от 0.18 до 0.46.

Резюмируя итоги проверки модели, можно считать, что построен ная модель достаточно адекватно отобран ¡от поведение моделируемой системы.

- IS -

10 20 30 40 SO 60 70 CO 90

ГЬрядкоьнВ h;'M"¡! сутчк от irri'i.vi 'vi-^'-ч

Г*о. I. 7лwMiîJta 1пкт,1чвскыс (EF) и гпсчитадвн (EX) суточных зиячлн^Л суиызрнсго йспл^нля la) s также осзгчов (0) зя -«ряоа 4 им - ¿6 колч 1573г,.Паллий, яровой ячмень.

400 '

•А 300 -

¿5 «1Л/

i о

Й loo

PQ

_) —- i—-1,....., - л..

ттм

40.Э

ЗОД5 20А íCfl 0.0

Ú ДО 20 30 10 30 60 70 80 10

Порядковый: номер суток от начала счета

Рис. 2. Фактические (точки) и рассчитаннио (лшии) значения алагозапасов в почвенных слоях 0-2Р (I), 0-50 (2), Q-IOO (.1) у количество оса.пков (вертикальные линии). Ярошй ячмень, Семикаракорсн, I9SI г.

О 20 10 É0 ЦО loo 120 НО iíO lio 200 220

Порядковый номер суток от начала счета

Рис. 3. Фактические (точки) и рассчитанные (линии) «начлния влаго'запасов в почвенных слоях 0-20 ti), 0-С0 (2), 0-100 t:¡, <\м, и количество осадкой (вертикальны?; линии). Озим.ч пшеница, Семикьрчкорск, 1982 г.

Таблица I.

Статистические характеристики рассчитанных и Фактических значения влажности почвы, Семикаракорск.

СлоЯ, elvi so ffF0 "не Sa

чертой пар,1981 г 9.07 - 18.10, /N102 ДНЯ

0-10 И 19 18 б.З 2.7 2.0 0.42

о-го 7 36 36 8.3 3.1 2.5 0.37

0-50 5 98 102 10.0 5.8 4.8 0.58

0-100 3 227 227 9.7 7.2 6.1 0.74

яровей ячмень, 1981 Г, 19.04 -17.07, N =90 дней

0-10 10 22 20 7.6 2.6 2.1 0.34

0-20 6 45 43 14.0 3.1 2.4 0.22

0-50 5 120 121 32.4 6.S 6.1 0.21

0-100 6 264 25Б . 57.5 14.4 10.5 0.25

яровой ячмень, 1985 г, 19.04-31.08, У=135 дней

0-10 13 20 18 3.9 3.7 2.8 0.87

0-20 7 39 38 7.5 3.4 2.8 0.44

О-БО 5 103 107 19.0 6.1 5.1 0.32

0-100 4 222 224 29.9 IÛ.8 8.8 0.36

озимая пиониця, 1981 г, 1.04 - IQ.09, Л'=163 дней

0-10 6 19 19 7.4 1.5 I.I 0.20

0-20 6 39 38 13.4 2.7 2.1 0.20

ОБО 5 107 107 29.8 6.4 5.3 0.20

0-100 Б 227 230 51.4 13.9 12.1 0.25

озкмпя пшеница,28.09.1981 -27.09.1982 гг . W*2I6 дной

0-10 10 22 24 6.8 4-7 З.Ь 0.73

0-20 13 45 48 12. I 7.2 5.4 0.G4

0-И 8 120 119 "6.7 12.6 9.2 0.50

0-100 5 244 241 44. 2 17.3 12.9 0.43

В четвертой глава рассматривается применение» модели для решения исследовательских и прикладных задач. С помощью численных экспериментов показаны возможности модели для исследования явлений засухи и суховеев, в частности сроков их наступления.

С помощью модели исследовано иссушение почвы, показана динамика передвижения фронта испарения вглубь почвы, процесс образована:': просохшего слоя, а также глубина просыхания почвы. Важным моментом является то, что модельные результаты подтверждаются фактическими данными. Результаты численных эксперименте!) показывают возможности модели при исследовании динамики стабилизации водного режима почвы в процессе ее длительного иссушения и выхода на квазистационарный режим.

Здесь обсуждается возможности анализа условий ьлагообеспе-ченности вегетационного периода по громче ским изображениям. Рассматриваются хроноизоплотц запасов продуктивной и относительной продуктивной влаги, эпюры влажности и динамика влажности фиксированного слоя почвы. Анализируются достоинства и недостатки каждого графического изображения и возможности их использования дчя рвшегшя прикладшх задач.

Проверка метода расчета запасов почвеыюП влаги на независимом материале производилась по экспериментальным данным агрометеорологических станций Гигант, Чортково, Зорноград, Цешяш, Морозовск Севкавгидромета за 1990 г под посевом ярового ячменя. Использовались дашшо по запасам влаги на дату всходов и мэтеогаформацид, поступившая по оперативным каналам связи в Гидрометцентр СССР. В связи с отсутствием данных о дефиците влажности воздуха и числе часов .солнечного сияния разработаны алгоритмы, позволяпше вместо них использовать информацию о ~'>ютературч точки росы и облачности соответственно.

зао ЛЗо

..: ¿«o

! >

-3 , Ü ñ

Й i oo -

й .1 so -

"x.

3Q0 2 ÍO 20.0 t>

1ÍD Ц

п я

над о зо 0.0

20 10

ПорЯДКОИЫЙ !!•:

É0 во 100

.'р суток от )i.-j4iJj|cl l'4f;?a

i со. -1- Фактически« (точки) и рзссчш-мшш* (линии; значения >v!-ai4iíitJi.wc>B в íioMfa'jiinux слоях U--ZÜ (Г), o-fcü (Z), (1-lüCi (3) см,

КОЛИ :ОС'ГЫ> осадкоь (r¡H])TllKUJlI,i;Ht; ЛИНИИ). Чроьой НЧМОНи , "¡ ("псоьс', J9yO г.

4 00

40,0

о 2о 40 io ео ico

Порядкошй номер суток от начала счята

I'ikj. Ь. Фактически« (точки) и расечитшмш (линии) яньченм кшго&анлшв в лмчьенних слои 0-20 (I), О-БО (Z¡, 0-100 (3) и количестве осадков (ьертвкьльше ла'ыш). Яровой ячнкнь, •

Г1!."-,«1П'> Г.

О

На рис. 4 приведс-irj результаты сравнения фактических к расе читанных влагозапасов под посолом яровых культур в районе Черт--ково, а на рис. 5 -в районе Гигант.

Сродноквадратичесгам отибки расчетов варьируют в пределах допустимых значений критериев точности, отношение ошибки метода к ес-тествотюй вариации в целом mixo 0.8. Сравнительно большие относительные ошибки можно обленить шзтга значениями запасов пролуктип ной влаги. Гезультаты расчетов использовались п оперативной рчпотя.

В настоящее время в силу глобального потепления климата важное значоние приобретают исследования трансформации водного режима сельскохозяйственных полой в связи с указанными изменениями.

В диссертации приводятся результаты сравнения рассчитанных дяп-ных по влагозапасам почвы с изморегашми среднемчоголетними величинами метрового слоя под посевом яро еж зерновых культур при современном состоянии климата. Оценено такхэ влияние изменения основных климатических факторов на суммарное испарение.

Полученные результата показывают, что предложенная модель достаточно реалистично описывает влажностный режцм- почвы при соа-ременном состоянии климата, и ее можно использовать для рераштл задач, связанных с оценкой последствий изменения климату дл? сельского хозяйства.

оаювшЕ результаты И вывода.

В процессе выполнения настоящей диссертационной рДОти поручена следупдие результаты. '

I. Предложена новая прикладная динамическая модель водно ■■теплового режима сельскохозяйственного поля, вк.'шчэигая в себя субмо ■ д»ли энерго-и массообмена почвы и растительного покрова п также роста и рязвитлч растени?. В результате реи^тая этой- задачи:'

I.I. Гюработпна процедура-учета затрат злаги на тронаюр:.?»- и

испарении, а тзюкэ схема пополнения почвенной влаги осадками. Затраты влаги на трашпирацию зависят от массн корней, влажности и пцдно-ф*!зических свойств рассматриваемого слоя почва; при испарении из каждого почвенного слоя сверху вниз изымается то количество воды, которое из него можно извлечь до максимальной гигроскопичности; пополнение почвенной влаги осадками или поливной водой осуществляется сверху В1шз до уровня наименьшей влагоемкосги.

1.2. Предложены форм! ли для расчета сопротивления влагсной и гсросыхпшей почвы переносу водяного пьра в атмосферу.

1.3. Разработана физически обоснованная схема расчета испарения черей просохший слой почвы, которая позволяет рассчитывать толиииу просохшего слоя в ого динамику по глубине.'

2. С целью идентификации пврглютров модели и проверки ее адекватности :

2.1. Проведена численные эксперименты по оценке чувствительности модели к г.змйнонмяы внешних условий и фитс.лотричоских характеристик посева. Полученные результаты показывают, что модель в целом реалистично огшсывеот основные физические процесса, происходящие в системе почва - растение - атмосфера. ,

2.2 Сопоставлены результаты сравнений ,-рассчнтанних и фактически: средлесуточ>!Ых значения суммарного испарения. Коэффициенты коррел яшш еосттштот 0.6i--0.ee. Для сравнения с другими методами были рассчитаны характеристики точности за периоды осреднения 5 и 10 сут. Полученный результаты показывает, что относительные ошибки расчвтон варьирует в продала* 20-31Х. что соответствует точности лучзмх приняпа у нас методов.

2.3. Оценена точность расчетов влажности и температур/.- почвы. Счнос-ягельные ссаЛея расчетов влажно ~ти почвн составляют 2-20*, оти^'ки» ссхОкя метода х естественной варивши фактических вели-

чин за редким исключением меняется от 0.20 до 0.80. Относительные ошибки расчетов температуры почвы составляют 3-12%. Отношешю ошибки метода к естественней вариации составляет 0.18 - 0.46. Приведен 1шо статистические характеристики расчетов свидотельстнует с том. что получены удовлетворительные результаты, и модель можно использовать для расчета динамики важнейших показателей вод: ю-теплою го рок'к;» сельскохозяйственного поля в течэниэ теплого периода года в аридных зонах.

3. С целью применения модели для рогания исследовательских и прикладных задач:

3.1. Изучены возможности модели для исследования процессов иссушения почвы, засухи и суховеев.

3.2. Проведены расчеты запасов продуктивной влаги под яровыми зерновышм культура)« для СевКавгидромвта в 1990 г. Результаты расчетов использовались в оперативной практика. Получена справка о внедрении методики расчета влажности почвы.

3.3. Оценены влагозаыасы почвы при современном состоянии климата и реакция суммарного испарения на измене.аш отдельных климатических параметров. Полученные результатам показывают, что одель реалистично описывает водный режим почвы.

В составе диссертационной работы приводится 5 приложений.

В приложении А рассматривается послойно-балансовая конечно -разностная аплрокцимация уравнения влагопроводаости в почве.

В приложении Б приведены графические изображения результатов идентификации параметров и проверки адекватности модели.

В приложении В показано, что в модели используется следущая группа исходной информации: а) константы времени и места; б) аг-рогидрологические константы; в) характеристики начального состояния почвы и посева; г) метеорологические данные ( данные по 8-и

срокам о температуре воздуха, допинге влажности воздуха и ско-]х)сти ветра, а тйкже число часов солнечного сиятш v. осадки кч сутки).

В приложении Г приводятся графические результаты проверки .модели по нэеэвисимым материалам за 1990 г в Ростовской ооласти.

В приложэтт Д предложены мотод восстановления начальных irpo-фией температуры почвы и Алгоритм расчета биологического времени гл'л использования его в оперативной практике.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Бойко А.П., Сатаров С.Г. Восстановление запасов продуктивной влаги в почво ко дату всходов яровых сальскохозяЯствешых культур//Труды ВШШСХМ. - 1936. -Был. 21. С. 110 - 119.

2. Гчэйко А.П., Ыамедов Ш.Г., Сафаров С.Г. Пословная и точечная шдоли влагопвреноса в почв4/йШШСХМ -Обнинск, 15вЧ. - 51 е.. -Доп. в ИЦ ВИИИГМИ-МЩ1 Госкомгидрсм^та 10.08.88, № 609 -гм88.

3. Всйкэ А.И., Сафпров С.Г. 'Численнио процедуры учета-испарения, трснспира{цта и осадков при родении уравно1ШЯ влагопереноса ¡а !:очго//Ис:1одьзсва1Шэ современных технический средсть по влагоме-т-

j к: в ¡трпктгао обэспзчения сельскохозяйственного производства. СО. xw¡дог. участников Бсосоканой конференции, Кишинэа, 26-27 августа IKW г.--Г..: Гидро^лтоойздат, I'ä59. -С. 90-101.

4. ЬоЯко А.И., Сафаров С.Г., Сиротвнко О.Д. Моделирование суточного ход» сум48рмого испарошя с посевов с&льскозсозяЯатвониих К'у.'.-.тутЛ'Труды BI0WCXM.' -Т990. -Вып.'26. С. 22-33.-

Г.;:0'"Т.чГ.;у1Г :<чк13 ?Ü<>V Тг.;-г.к ХСОэка.