Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Процессы рассоления-рассолонцевания и способы их ускорения при химической мелиорации и промывке содовых солонцов-слончаков Араратской долины

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Процессы рассоления-рассолонцевания и способы их ускорения при химической мелиорации и промывке содовых солонцов-слончаков Араратской долины"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛОЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛСМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

• СААКЯН САМЕЕЛ ВАРАНЦОВИЧ

ПРОЦЕССЫ РАССОЛЕНШ-РАССОЛОНЦЕВАНЙЯ И СПОСОШ ИХ УСКОРЕНШ ПРИ ХИМИЧЕСКОЙ МЕЛИОРАЦИИ И ПРО-ШВКЕ СОДОВЯХ СОЛОНЦОВ-СОЛОНЧАКОВ АРАРАТСКОЙ ■ РАВНИНЫ

Специальность 0o.0i.03. - агропочвоведение и агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва 1991

Работа выполнена в ЯШ почвоведения и агрохимии МСХ Республика Армения и на кафедре физики и мелиорации пота факультета почвоведения МГУ.

Научный консультант - докюр биологических наук, профессор

А. Д. ВОРОНИН

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук Б. А. ЗИШШЦ ■ доктор биологических наук, профессор Е. М. САМОЙЛОВА, доктор химических наук Б. £. ЖЕЛЕЗНЫМ

Ведущее учеревдение - НИИ Водных проблем и гидротехники МСХ Республики Армения.

Залита состоится Н^-рТа 1992г. в 1530 в ауд. М - 2 на заседании Специализированного Совета Д 053.05.31 на. сгаку ль тете почвоведения ИГУ ш. М.В.Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "¿¡¿"р^вЬ 1992г.

Приглашаем Вас принять участие,в обсуждении диссертации на заседании Специализированного Совета Д 053.05.31 в Московском университете, а отзывы ка автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу:

119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения

Ученый Совет.

Ученый секретарь Специализированного Совета

Л.А.ЛЕБЕДЕВА

ОШ,АЧ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. .' Актуальность проблемы. В Армении содовые солонцы-с о лончаки расположены в Араратской равнине /24 тыс. га/ . Они являются одним из реальных резервов расширения орошаемых площадей, так как находятся в наиболее благоприятных природных условиях длн ведения сельского хозяйства.

Мелиорация содовых солонцов-солончаков представляет" особенно большие трудности из-за высокого содер-тания сода и крайне неблагоприятного ее воздействия на агрофизические свойства почвы.

3 результате многолетних экспериментальных исследований в настоящее время разработана научно-обоснованная технология коренной мелиорации солошов-солончаков Араратской равнины с использованием серной кислоты и железного купороса. При этом применяются большие промывные нормы /40-50 тыс. м^/га/ и процесс промывки длится 5-6 месяцев. В связи с этим поставлена задача изучить закономерности внутрипочвенного массообмена в процессе химической мелиорации и промывки содовых солонцов-солончаков и разработать новые элективные способы рассоления и рассолонпевания этих почв.

Существующие методы интенсификации процессов рассоления почв, основанные на увеличении поверхности контакта фаз, недостаточно эффективны при промывке содовых солонцов-солончаков вследствии небольшой глубины перемешивания в условиях полного влагонасыщения почвы. Применение низкочастотных механических колебаний для ускорения процессов рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков имеет определенную перспективу в области освоения засоленных почв.

Цель работы. Изучить основные {акторы, влияющие на процессы рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков при их химической мелиорации и разработать новые способы интенсификации промывного процесса, позволяющие сократить норму промывной воды и продолжительность промывки.

Основные задачи исследования.

1. Установить механизмы взаимодействия кислых химических ме-лиорантов-сернокислого железа и серной кислоты с содовым солонцом-солончаком с целью количественной оценки роли новообразованных продуктов реакции в общем процессе солепереноса.

2. Выявить взаимосвязи между основными Физическими, химичес-сими и физико-химическими параметрами, длн качественной оценки' из-

-А-

менения свойств содовых солонцов-солончаков в процессе их мелиорации.

3. Изучить степень природной пространственной неоднородности содовых солонцов-солончаков и выявить закономерности солепереноса на фоне различных текстурных дифференциаций почвенного профиля.

4. Изучить возможность применения низкокачественных механических колебаний посредством вибратора для ускорения процессов рассоления и рассолонцевания при химической мелиорации и промывке солонцов- с олончаков.

5. Установить оптимальные параметры колебательного режима / частота, амплитуда, продолжительность/ в процессе промывки солонцов-солончаков в зависимости от механического состава почв и содержания солей, йшвить влияние колебательного режима с различной частотой и амплитудой на водно-физические свойства почвы при их промывке.

6. Разработать математическую модель солевого режима при промывке содовых солонцов-солончаков на фоне низкочастотных механических колебаний и без них.

Научная новизна. ■

Впервые доказана возможность ускорения процессов рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков с помощью наложения на процессы промывки полей низкочастотных механических колебаний. Установлены оптимальные параметры колебательного режима при промывках в зависимости от механического состава почв и содержания солей. Показано, что наложение колебаний в процессе промывки указанных почв, существенно не влияет на их водно-физические свойства и урожайность возделываемых культур.

Разработаны математические модели процессов рассоления и рассолонцевания Седовых солонцов-солончаков при их промывках как на фоне механических колебаний, так и без них.

Предложены математические выражения зависимостей: скорости фильтрации от механического состава и солонцеватости, капиллярно-сорбНионного давления от содержания физической глины, солонцеватости и влажности почвы, константы селективности ионного обмена от концентрации ионов и суммы поглощенных катионов, изотермы ионного обмена от ионной силы раствора.

Впервые определена мелиорирующая роль углекислого газа, образовавшегося в результате взаимодействия мелиорантов с карбонатами почвы.

Изучена природная пространственная неоднородность содовых солонцов-солончаков и впервые предложен теоретически обоснованный метод определения необходимого числа повторностей при обследовании почв, а также оценки их надежности.

Разработанные положения и рекомендации выносятся на защиту.

Практическая ценность.

Разработанные научные положения вошли в руководство по освоению содовых солонцов-солончаков Араратской равнины, которое используют проектные организации, а также мелиоративный трест при проведении производственных освоений.

Новые типы водомеров /а. с. СССР W 1328676 и № 1599650/ используются для замера объема промывных и оросительных норм, подаваемых из открытых оросителей, а устройство /а. с. СССР № 1394039/ для измерения объема профильтрованных вод на различных участках промывных чеков и оросительных полей.

Новый способ /а. с. СССР № 1583432/ ускорения процессов рассоления содовых солонцов-солончаков, дающий возможность на АЪ% сократить норму промывной воды и 23-30% продолжительность промывного периода, может быть применен в производственном освоении засоленных почв, с годовой экономической эйрективностью 1,88 млн. руб. или 793 руб./га.

Математические модели могут быть использованы для прогнозирования солевого режима, как при промывках с применением механических колебаний, а также без них.

Апробация работы. Материалы диссертации в виде отчетов ежегодно обсуждались и были одобрены на Ученом Совете и научных сессиях НИИ почвоведения и агрохимии МСХ республики Армения /Ереван, 1975 - 1989 гг./ и на заседаниях кафедры физики и мелиорации факультета почвоведения МГУ /Москва, 1988 - 1991 гг./. На международных курсах специалистов Азии, Африки /Ереван, 1988, 1991 гг./, на съезде Всесоюзного общества почвоведов /Новосибирск, 1988г./, на международном симпозиуме /Волгоград, 1991г./.

Структура и объем работы. Диссертант состоит из введения, шести глав, основных результатов, выводов и рекомендаций. Она включает 265 ст. машинописного текста, 50 рисунков,'53 таблицы и список литературы из 188 наименования /23 - на иностранных языках/.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит анализ процессов растворения и ионного

-з-

обмена, способов их ускорения в почвах и дисперсно-пористых системах. Показано, что процесс растворения и межфазный солеобмен в почвах является одной из важных задач теории и практики мелиоративного почвоведения. Выявление механизмов растворения и передвижения солей в почвах дает возможность разработать научно обоснованные способы интенсификации процессов рассоления и рассолониевания и, тем самым, значительно сократить материальные средства и время освоения засоленных земель.

Процесс химической мелиорации и промывки содовых солонцов-солончаков можно представить как сумму физических, физико-химических и химических растворении <с образованием новых твердых и газообразных фаз.

По механизму воздействия на процессы растворения и ионного обмена проведена классификация существующих основных способов, ускоряющих процессы растворения и рассолонцевания при мелиорации засоленных почв:

1. Способы, основанные на развитии поверхности контакта почва-вода.

2. Способы, основанные на увеличении скорости обтекания почвенных частиц водой.

3. Способы, основанные на увеличении межфазного солеобмена в системе почвенный раствор-почвенный поглощающий комплекс.

Под способом развитой поверхности контакта фаз понимается обеспечение в процессе рассоления максимально возможной поверхности контакта, что можно достигнуть путем механического перемешивания в процессе промывки /Матюшенко, 1979, Подлужный, Нагичев, 1974, Анюшкин, 1975, Грин, Владимиров, 1983/.

Для увеличения скорости обтекания на практике применяются стационарные силовые поля: постройка различных типов дренажей, применение электрических полей, наложения колебательных движений. Способ ускорения процессов растворения в дисперсно-пористых системах с помощью наложения полей низкочастотных механических колебаний до настоящего времени использовался лишь в области химической и пищевой промышленности. Впервые Г.Шлихтинг /1956/ обнаружил, что вокруг цилиндра, колеблющегося в среде, возникают ламинарные вихревые течения, увеличивающие скорость обтекания, вследствии чего ускоряется массообмен на границе твердой и жидкой фаз. Далее было установлено, что наложение механических колебаний с частотами 5 -

Ч

50 Гц и амплитудой колебания 2-7 мм на слой дисперсных частиц с содержанием воднорастворимых солей дает возможность значительно ускорять процесс растворения.

Сложность применения этого способа при промнвках засоленных почв заключается в его техническом исполнении на больших площадях и глубинах.

В качестве способов увеличения межфазного солеобмена солонцов-солончаков, особенно при содовом характере засоления, применяются химические мелиоранты. По воздействию на ППК химические мелиоранты делятся на две группы: мелиоранты, содержащие ионы кальция и магния, вступающие в обмен, и мелиоранты, способствующие активизации внутрипочвенных запасов калы^вых и магниевых соединений. К первой группе, нашедшие широкое применение, относятся: гипс, гли-ногипс, гажа, фосфогипс, хлористый кальций. Ко второй - серная кислота, железный купорос, кислые отходы биохимических заводов, пирит.

Практика показала, что одним из радикальных средств мелиорации содовых солонцов-солончаков являются серная кислота и сернокислое железо /Агабабян, Г963, Читчян, 1962, Рафаэлян, 1968/.

Во второй главе описаны природные условия региона, общая характеристика и водно-солевой режим содовых солонцов-солончаков Араратской равнины, а также методика исследования.

Показано, что недостаточная атмосферная увлажненность, высокое стояние уровня грунтовых вод с затруднительным их оттоком, резко континентальный климат, когда испаряемость более чем в 5 раз превышает количество осадков, обусловливают выпотной тип водного режима, при котором происходит усиленный процесс передвижения и накопления воднорастворимых солей в верхних горизонтах почвы /1-3#/. Характер засоления содово- сульфатно-хлоридно-натриевы й- или содо-во-хлоридно-сульфатно-натриевый. Присутствие соды в почвенном растворе определяет высокую щелочную реакцию / рР 10-11/. В составе обменных оснований почв поглощенный натрий составляет 50% и более, что является причиной резкого ухудшения водно-физических и агрофизических свойств почвы. Почвы карбонатные /12-20%/,с незначительным содержанием гипса /0,3 - 0,5%/.

При определенных гидрохимических условиях в зависимости от влагонасыщенности почвы и минерализации грунтовых вод солепроявле-ние и щелочность имеют сезонную цикличность /Петросян и др., 1972,

Хтрян, Саакян, 1980/. Процессы рассоления и засоления с превалированием последнего чередуются в многолетнем периоде почвообразования, Существенным фактором при этом является уровень залегания грунтовых вод. При их близком залегании к поверхности почвы, цикличность процессов рассоления и засоления усиливается, с доминированием последнего. При снижении уровня грунтовых вод до 3,5 м, солеобмен в системе1 почва- грунтовые воды практически прекращается.

Методика исследований. Лабораторные эксперименты по установлению взаимосвязи между физическими и химическими параметрами солеоб-мена, а также роли железа в процессе химической мелиорации и промывки проводились в колоннах диаметром 15,5 см, высотой 100 см. Одновременно проводились опыты по изучению рассоления и рассолон-цевания почв на фоне различных литологических профилей. С целью выявления мелиорирующей роли углекислого газа в процессе мелиорации почв в лабораторных условиях проведен специальный опыт в трех стеклянных колонках диаметром 5,5 см и высотой 120 см. Для изучения количественных параметров углекислого газа колонки были оборудованы специальными устройствами.

Полевые опыты по выявлению особенностей процессов рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков на фоне различной текстурной дифференциации почвенного профиля проведены на Октемберян-ском опытно-дренажном опорном пункте, на площади 2,25 га, совместнс с НИИ водных проблем и гидротехники.

Для изучения влияния низкочастотных механических колебаний на процесс интенсификации рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков при их химической мелиорации и промывке разработана специальная методика исследования.

Расчет норм мелиоранта, промывной воды и отбор почвенных проб проведен согласно "Инструкции по химической мелиорации содовых солонцов-солончаков Араратской равнины" /1589/.

Третья глава посвящена выявлению основных факторов, влияющих на процессы рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков при их химической мелиорации и промывке.

С целью количественной оценки роли новообразованных продуктов реакции в общем процессе солепереноса в полевых и лабораторных экспериментах изучалось действие химических мелиорантов - сернокислого железа и серной кислоты на содовые солонцы-солончаки.

Продукты гидролиза сернокислого железа - серная кислота, гидрО'

закись железа^положительно елияют на химические, физико-химические и физические свойства этих почв. Изучалась динамика окисленных форм железа, их трансформация и вынос из почвы. Выявлено, что накопление валового железа в почве после мелиорации составляет 1,10 -1,37% от внесенного количества, при этом 20 - 2А% выносится из метрового слоя почвы, 67$ переходит в окристаллизованную форму и 4 - Ш - в аморфную. После химической мелиорации отмечается значительная микроагрегация почвы, чему способствуют гипс и различные формы железа. По сравнению с исходным содовым солонцом-солончаком в зависимости от механического состава в 15 - 40 раз увеличивается коэффициент фильтрации.

С помощью лабораторного опыта показано, что глубина проникновения 1% раствора серной кислоты при химической мелиорации содовых солонцов-солончаков не превышает 8 - 12 см. Новообразованные продукты реакции - гипс и сульфат магния качественно отличаются от природных аналогов по дисперсному состоянию. Концентрация сульфата кальция в почвенном растворе /1,6 г/л/ в 3 - 4 раза меньше, чем сульфата магния. Сульфат кальция в виде мелких кристаллов гипса накапливается в верхнем горизонте почвы /0 - 12 см/, а сульфат магния практически расходуется в процессе кислования. Наиболее ин-тенсивноеразложение карбонатов происходит в верхнем 0 - 4 см слое /12^/, которое с^ глубиной затухает, и в слое 8 - 12 см составляет 0,4 - 1,0%.

Химическая мелиорация содовых солонцов-солончаков серной кислотой и сернокислым железом сопровождается активным выделением углекислого газа, влияние которого на процесс рассолонцевания этих почв изучается впервые. Показано, что мелиорирующая роль углекислого газа проявляется в основном в горизонте /12 - ТОО см/, где его давление достигает в среднем до 0,06 - 0,14 атм. При концентрации хлористого натрия 20,0 г/л растворимость карбонатов почвы повышается в 5 - 6 раз и происходит интенсивное вытеснение обменного натрия. Долевое участие углекислого газа в процессе рассолонце-^ия содовых солонпов-солончаков при мелиорации составляет 40^. Это подтверждается балансовыми расчетами общей щелочности, гипса и карбонатов почвы. Установлено, что после химической мелиорации и промывки фактически расходуется лишь часть /5655/ образовавшегося гипса, а карбонаты разлагаются значительно больше, чем предполагалось по теоретическим расчетам.

Для качественной.оценки изменения свойств содовых солонцов-солончаков в процессе их мелиорации выявлена взаимосвязь между основными Физическими и физико-химическими параметрами почв.

Результаты лабораторных опытов по рассолению и рассолонцеванио содовых солонцов-солончаков при мелиорации серной кислотой и железным купоросом показали, что порог солонцеватости /Лп /, при котором начинается ухудшение скорости Фильтрации почвы, в значительной степени зависит от ее механического состава /рис. I/.

О 10 ¿и аи <ш 50 60 ф> £

Рис. I Изменение порога солонцеватости / Яп / содовых солон-цов»солончаков в зависимости от содержания физической глияы / Ф /

Порог солонцеватости и содержание Физической глины взаимосвязаны зависимостью:

= 100 - 48,4 ф°>156

/I/

Скорость Фильтрации почвы в зависимости от степени и порога солонцеватости изменяется по формуле:

V = 410 40 /2/

Формула справедлива при условии И» Ып ,

где V - скорость Фильтрации, при различной солонцеватости /Ы/,

Л/^ - то же при солониевзйгости нижеЫп, 40 - эмпирический коэффициент.

-а-

Степень солонцеватости влияет также на водоудерживающую спо собность почвы /рис. 2/.

Рис. 2. •Зависимость капшшярно-сорбционного давления содового солонца-солончака от влажности почвы. I и 2 до и после рассолонцевания, а- легкий суглинок, 6- тяжелый суглинок, в- средняя глина.

Влажность содового солонца-солончака при солонцеватости 65 -8096 значительно выше, чем рассолонцованной почвы /рис. 2/. Взаимосвязь между капиллярно-сорбционным давлением и влажностью, степенью солонцеватости и механическим составом, в интервале давления - 0,1—28 атм выражается зависимостью:

Р =0,1-1-

27,9—^

/3/

где Р - давление почвенной влаги в атм.,

"Ч^од- влажность почвы при давленш-0,1 атм., то же при - 28 атм. "\#0|1.и\Х/2взависят от механического состава и солонцеватости почвы. Обработка данных экспериментального материала дала возможность вывести математическую зависимость указанных параметров:

^0,1=^? * 4,2-10"5ДО3 /4/

0 0 W2в = + 1,210"5КГй /5/

где\^д влажности, соответствующие давлениям почвенной влаги -0,1 —28 атм. рассолонцованной почвы,

N - солонцеватость, %. Изучены ионообменные процессы при химической мелиорации и промывке содовых солонцов-солончаков. Изотермы сорбции между конкурирующими катионами С&, Мд,Ка зависят от ионной силы раствора.и степени мелиорированное™ почвы /рис. 4/. В содовом солоше-солок-чаке при практическом отсутствии конкуренции между указанными ионами они имеют прямолинейный характер /С тип/. В процессе кислова-

п ,, Иг

ния и промывки по мере повышения концентрации Са и Мд в почвенном растворе, меняется термодинамическое состояние системней изотермы сорбции ионов принимают 5 -образную форму. Выявлена взаимосвязь между параметрами ионообменных процессов. Показано, что константа селективности ионного обмена содового солоша-солончака величина нестабильная и изменяется в пределах 2 - 14. Она зависит от относительного содержания иона Ка+в почвенном растворе /I / и суммы поглощенных катионов /Е/. Связь между этими параметрами выражается зависимостью:

кс = 7М)ГЩ^Т - ^ т

где I = Ыа/Ма в почвенном растворе, Ыа ~ среднее содержание воднорастворимого натрия, 21 мэкв/100 г йзявлена математическая зависимость между соотношением конкурирующих катионов в жидкой и твердой фазах, которая выражается в виде трехстепенной параболы:

-Ю-

Na

1 • X3^ - В1- ft, + С^Х

Na

LNa

/7/

41-

где А^, В*, С1 - параметры, зависящие от ионной силы раствора /I/, для которых предложены конкретные алроксаыационные формулы:

т и/=-7~1 -т 0,0451 I2 + 0,042

А1 = 0,011 - 0,007^ Т - 1 , В1 = -та-«г

У 0,16 I3 - 0,52. I2

¿1 = 0,0451 I2 + 0,12 I В1

+ 1

0,16 Р - 0,52 Iй +4 , 0,02 ' 0,0468

В1 = . _ /9/

I С1

С1 =

0,225

Изучено влияние химических мелиорантов на изменение окружающей среды /Пирузян, Саакян, Амирджанян, 1988/: почвы, коллекторно-дренаж-ных вод, стока собирателей и речных вод. Показано, что количество поступающих в почву шесте с мелиорантом тяжелых металлов составляет незначительную часть 0,004' - 2,5% этих элементов, выщелачивающихся из почвы. Промывка воднорастворимых солей до допустимых пределов. также способствует удалению вредных элементов. Грунтовые воды, а также поверхностные воды, образующие на территории промывки содовых солонцов-солончаков, не загрязняются, а их сброс в рр. Севджур, Араке не отражается на ирригационных и ргбохозяйствен-ных качествах речных вод.

В четвертой главе дается анализ экспериментальных исследований процессов рассоления-рассолонцевания содовых солонцов-солончаков при их мелиорации на фоне различной текстурной дифференциации почвенного профиля. Интерес к этим вопросам вызван тем, что почвы Араратской равнины имеют пестрый гранулометрический состав и сложение /Петросян и др., 1983/, что обусловливает неравномерное распределение засоленности и солонцеватости почв в пространстве. Качество мелиорации во многом обусловлено тем, насколько пропорционально распределяется мелиорант и какова доля недопромытых участков, оставшихся после завершения капитальной промывки. Оценка не-дсмелиорированности возможна лишь при подробном учете пространственной вариации ряда параметров: механический состав, содержание воднорастворимых солей и солонпеватость почвы. С этой целью использован траншейный метод.

Траншея имела длину 27 м, глубину 1,2 м и ширину 1,0 м. На про-

тивоположных стенках траншеи с интервалом 3,0 м по длине траншеи сделано 9 пар разрезов, откуда отбирались образцы с интервалом 10см до глубины 100 см.

Сравнение данных показало, что разность между показателями, находящимися на метровом растоянии друг от друга, существенна. Для получения достаточно надежной информации о состоянии таких мелиоративных объектов обычно требуется большая повторность взятия образцов почвы. В руководстве предлагается на гектарном чеке закладывать 9 разрезов, что является результатом обобщения многолетних опытных данных. Однако до настоящего времени нет теоретического обоснования числа точек взятия проб, которое достаточно для выявления недомелиорированных участков при известной доле риска ее превышения. Исследования /Дмитриев, Саакян, 1991/ показали, что между этими параметрами существует зависимость:

п , = £°9с1__/Ю/

и ео9а-Р)

где ГЦ- объем выборки,

Л - вероятность того, что недопромытые участки будут приходиться на часть поверхности, превышающую заданную долю Р. Зависимость между Р и <£ при Фиксированном Ил удобно отражать графически и использовать для контроля качества промывок.

Так, например, при рекомендованном инструкцией числе проб равном 9 на одном га вероятность того, что после мелиорации доля не-домелиорированных участков будет равна 2($, составляет 87%. Таким образом, проектные организации имеют возможность обосновать и выделить необходимые количества средства, для ликвидации недопромы-тых участков после капитальных промывок в период сельскохозяйственного освоения.

Для снижения доли недомелиорированных поверхностей, возникает необходимость в изучении особенностей солевого режима в условиях неоднородности сложения и пестроты почвенного покрова. Ранее нами /Саакян, 1582/ было показано, что скорость опреснения содового солонца-солончака в процессе промывки обусловлена характером текстурной дифференциации почвенного профиля. При залегании трудно-фильтрующихся слоев ниже глубины 50 см по сравнению с ее поверхностным расположением создаются более оптимальные условия мелиорации и ускоряются процессы рассоления и рассолониевания. Для выяв-

ленда закономерностей указанных процессов в лаборатории проведены модельные опыты с использованием почвенных колонок. Характерной особенностью испытанных вариантов является то, что в пе^Ьс пяти труднофильтрующиеся слои размещены в верхней части почвенного профиля /0 - 33 см/, в шестом он залегает ниже 33 см, в седьмом же -отсутствует /рис. 4/.

И

Ш

IV

VI

VII

■о »0

5

I

I и (О

ю

(О

ю

КШШ1

плина средняя

ЕШ

суглинок легкий

Рис. 4. Схема вариантов лабораторных опытов

суглинок тяжелый

Показано, что при]залегании труднофильтрующих слоев с поверхности инфильтрационный поток на первом этапе промывки значительно уменьшается по сравнению с профилем, где с поверхности размещены легкофильтрующие слои. При этом резко увеличивается концентрация натрия и 'его соотношение с другими катионами; вследствие чего имеет место осолонцевание нижних слоев почвы. Для рассоления и рассолон-цевания последних требуется дополнительная норма промывной воды с увеличением продолжительности промывного периода. Из вышеуказанного следует, что одним из способов ускорения процесса рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков в условиях залегания труднофильтрующего слоя с поверхности является увеличение первоначальной скорости фильтрации, в частности, например, глубоким рыхлением почв до мелиорации. Практика освоения этих почв доказала по-

ложительные стороны этого приема.

Для прогнозирования солевого режима содового солонца-солончака на фоне различных литологических профилей предложена эмпирическая формула:

/II/

где - суммарное содержание промываемого иона в жидкой и твердой фазах почвенной колонкивысотой X, площадью р, активной порозностыо гп, после прохождения через колонку промывной воды объемом , •то же до начала промывки, К0 /X/ - коэффициент солепереноса, зависящий от высоты промываемого слоя почвы - X.

К0 /X/ = АХ2 - ВХ + С /12/

где А, В, С - параметры, характеризующие интенсивность рассоления и рассолонцевания почвы, на фоне различных литологических профилей.

Для прогнозирования солевого режима необходимо определить параметры А, В, С непосредственно из экспериментальных данных. При их отсутствии с целью расширения области применимости эмпирической формулы /II/ необходимо найти взаимосвязь между указанными параметрами и параметрами солепереноса. Для получения этих зависимостей непосредственно из полевых экспериментальных'данных возникла необходимость точного учета норл промывной воды, подаваемой из открытого канала на промывной чек, а также ее распределение на различных участках промывного чека. Такая задача оказалась сложной ввиду отсутствия усовершенной техники контроля и измерения расходов воды на оросительных каналах и промывных чеках. Нами предложен /а. с. СССР Р 1328676, № 1599660/ ряд конструкций водомеров для открытых оросителей, а для получения информации о распределении вода на различных участках поливо-промывных чеках на практике можно использовать "устройство для измерения количества жидкости, потребуемой промывным чеком" /а. с. СССР Р 1394039/.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований по ускорению процесса рассоления и рассолонцевания при химической мелиорации содовых солонцов-солончаков с помощью наложения полей низкочастотных механических колебаний /НЖ/. Попытка применения

НМК в области мелиорации засоленных почв, проводится впервые. Для этой цели был использован вибратор марки СБ-10/100.

В полевых условиях проведены испытания вибратора, с целью изучения интенсивности распространения колебательных волн в почве в зависимости от расстояния источника и частоты колебания. Результаты испытания приводятся в таблице I. Опыты показали, что наиболее интенсивное действие вибратора проявляется на расстоянии 100 м или на площади 3,14 га. В пределах этого радиуса максимум амплитуды колебания 5,8 - 6,0 мм наблюдается при частотах 30 - 50 Гц. Полученные параметры совпадают с используемыми в химической промышленности.

Таблица I.

Изменение амплитуды колебания /мм/ на различных расстояниях от источника и частотах колебаний /среднее в 0 - 100 см слое/

Частота, Пд Расстояние от вибратора, м

25 50 100 200 0 - 100

10 4,4 5,0 5,6 3,1 5,0

30 5,5- 6,9 5,0 1,6 5,8

50 7,0 5,0 5,9 1,9 6,0

70 5,0 3,9 3,8 1,2 4,2

Первый эксперимент проведен в полевых условиях на площади 1,9 га с помощью двух вибраторов с частотой 50 Гц. на Фоне низких доз мелиоранта /3054 от расчетной дозы/. При этом в условиях неоднородного распределения солонцеватости на опытном чеке создавались различные обеспеченности мелиоранта в пространственном объеме почвы.

Для изучения режима концентрации почвенного раствора на различных расстояниях от вибратора были поставлены лизиметре в виде трубок с фильтром на конце, на глубинах 50 и 100 см, с помощью которых в процессе промывки получали почвенный раствор. На первом этапе опыта /8 суток/ осуществлялась мелиорация без применения ШК, а на втором /8 - 20-е сутки/ - с применением НМК.

Динамика концентрации почвенного раствора и дренажных вод в

процессе кислования и промывки имеет своеобразный характер, который резко отличается от такового без применения механических колебаний /рис. 5/. В первом этапе кислования в условиях отсутствия колебаний концентрация натрия в почвенном растворе на глубине почвы 50 и 100 см на 8-е сутки кислования снижается по экспоненциальному закону и достигает 60 и 100 мэкв/л соответственно. При наложении на почву НМК концентрация натрия на указанных глубинах резко повышается и на 10-е сутки кислования достигает, соответственно, НО и 180 мэкв/л. При продолжении промывки наблюдается постепенное снижение концентрации натрия в почвенном растворе и на 20-е сутки промывки на Фоне КМК достигает,соответственно, 30 и 60 мэкв/л. Аналогичная динамика концентрации натрия прослеживается при изучении солевого режима в дренажных водах.

200

150

к

&

<я р<

я

ш %

о к

m «

«юо

ш.

ь

а х

50

Кислование

кислование + промывка

1 \ лч

< \ N \

\ i ¡/ N V -1 2

\ V,

* N. — г 4 " ь.

* НМК

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Продолжительность промывки, сутки

Рис. 5. Динамика концентрации натрия в почвенном раствое и в дренажных водах в процессе кислования и промывки, при наложении ГОЖ и без них. I и 2 концентрация натрия на глубинах ^50 и 100 см, 3 и 4 то же в дренажных водах на расстоянии от вибратора 25 и 150 м

Н7--

Изучение солевого режима на гоне ШК показало, что на участках промывного чека, где внесенный мелиорант достаточен для вытеснения обменного натрия, происходит интенсивное рассоление и рассолоние-вание почвы. На участках, не обеспеченных достаточным количеством мелиоранта, процесс рассолонцевания значительно замедляется, а в некоторых случаях наблюдается осолонцевание почвы.

Проведенные балансовые расчеты показали, что при мелиорации на фоне НМК удаляется 70% воднорастворимого и 20% обменного натрия. Промывка содовых солонцов-солончаков без применения химических мелиорантов, или их внесение ниже расчетных доз на фоне НМК, недопустима ввиду замедления скорости рассолонцевания почвы.

Второй эксперимент по изучению процесса рассоления и рассолон-певания на фоне НМК проведен в полевых условиях на площади 2,0 га в четырех вариантах:

1. Промывка после кислования с применением НМК с частотой 10 Гц.

2. То же, с частотой 30 Гц.

3. То же, с частотой 50 Гл.

4. Промывка без применения ШК /контроль/.

Опыт проводился одним вибратором с продолжительностью колебаний для каждой порции промывной нормы /2500 м®/га/ воды 90 минут. Для изучения выноса солей из почвы до и после применения ШК проведены 6 солевых съемок из 9 опорных разрезов в каждом' варианте опыта /рис. 6/.

~ ОРОСИТЕЛЬ

ей рн о рн о 1=1

Т ©

а

6 7

• о

4-1

5 8

• о

.¡О Гц

4 9

• о

£

II! о I

15 • &

4-2

14 ' I • о

1 контрой 12| 13 х8 О I • @

О 1г р а д

19 24 25 О • О)

ч-з

20 23 2( о • @

, 30 Гц

21 22 27

о • ®

,1 т е л ь I

£

281 о1

и ®

| 4-4

29! 32 35 о1 • @

| 50 Гц Щ 31 36 о! • <а>

ЯП м

ьо м

1

валы

50 М

та

та та

о-почвенные разрезы губиной до 2,0 м, • -то же до 3,0 м, ©-разрезы где установлены лизиметры, О -сиотровой колодец, - вибратор Рис. 6. Схема опытного участка

2

После подачи расчетной нормы серной кислоты: I - 102,9, II -73,2, III - 121,2 т/га, проведена промывка указанных вариантов опыта на фоне ШК с частотами 10, 30, 50 Гц соответственно. После завершения промывки вариантов /I - III/ начато кислование /121,3т/га/ и промывка контрольного варианта. При промывке через каждые 15 минут отбирались почвенные растворы, а также пробы дренажных вод. При создании механических колебаний в течение 90 минут концентрация почвенного раствора, при частотах 30 и 50 Гц от 4,3 и 2,1 почти прямолинейно увеличивается и достигает 6,6 и 3,0 г/л соответственно /рис. 7/. При этом концентрация почвенного раствора за указанный короткий промежуток времени без наложения колебаний /кр. 3 и 4/ остается почти без изменения.

Концентрация дренажных вод при кисловании постепенно увеличивается и после его завершения достигает 5 г/л /рис. 8./. При промывке на фоне ИИ наблюдается резкое увеличение концентрации дренажных вод до II г/л. После подачи 20 тыс. м3/га промывной нормы наблюдается снижение концентрации солей на фоне ШК и без них 9,5 и 4,0 г/л, соответственно.

Солевая съемка после рассоления почв до требуемого предела показала занчителъное увеличение скорости рассоления и рассолон-цевания почв при применении ШК, что проявляется в сокращении объема промывной воды и продолжительности промывки /табл. 2/.

Таблица 2.

Расчет экономии промывной воды и продолжительности промывного периода по вариантам опыта /средние данные по 9 разрезам/.

\Показате-3apK\jrax 1нты а., эпыта НР, тыс. м3/га тыс. м3/га тыс. о м /га Vcp, м/сут. tp> сут. t у сут. Э, %

I II III IV 48,8 24,3 14,5 0,35 13,9 6,9 50,2 46,0 25,6 20 4 0,51 9,0 5,0 44,3 53,6 29,0 24 6 0 44 12 I 6 6 45,2 43 2 45 6 нет 0 46 9,5 9,9 нет

хгде Г^ри расчетная и Фактическая норма промывной воды,№р-Ыер

экономия промывной норда, "Ци "Ьр- фактическая и расчетная продолжи/ тельность промывки, Э - экономия промывной норш, % от расчетного.

о и ы о

&4

& к

си

о К

А

--£ Н- — Э- —с

• ^

«ч —•< Г" К-

15 30 45 60 75

90 мин.

продолжительность промывки

Рис. 7. Изменение концентрации почвенного раствора в процессе промывки содовых солонцов-солончаков при пршеваиии ШЖ /I и 2 /, и без них / 3 и 4 /, при частотах 30 / I/ и 50 Гц /2/. ______

^ 12 «

§ 10

аз ®

» 8

§

я" (я

а

Ей

в:

к о

--С

о 5 10 15

промывные нормы, тыс. м3/ га

20

Рис. 8. Изменение концентрации дренажного стока в процессе

кислования /I/ и промывки на фоне НЖ /2/ и без них /3/

- 2.0 -

После мелиорации на фоне ШК с частотами 10, 30, 50 Гц фактическая промывная норма для снижения суммарного натрия до допустимого уровня составляет, соответственно, 24,3, 25,6, 29,0 тыс. м^/га или 50,2, 44,3 и 45,9% от расчетной нормы /табл. 2/. За счет сокращения объема промывной воды, с учетом снижения скорости фильтрации на Фоне НИК, продолжительность промывного периода сокращается на 23 - 3CW.

Для получения надежной информации о влиянии механического состава почвы, засоленности, частоты и амплитуды колебания на процессы рассоления и рассолонцевания содовых солонцов-солончаков, потребовалось проведение дополнительных модельных полевых вегетационных экспериментов.

Опыты проводились с помощью специально оборудованных колонок диаметром 30 см и длиною 130 см, заложенных в почву на глубину 100см Колонки заполнялись содовым солонцом-солончаком со среднесуглинис-ткм, тяжелосуглинистым и легкосуглинистым механическим составом. Группы колонн, состоящие из 3 колонн, расположены от вибратора на расстоянии 105, 85, 65, 45, 25 "м, где одна группа служила контролем /без ШК/.

После проведения кислования всех вариантов опыта, проведена промывка почвы на фоне ШК. Полученные результаты приведены в таблице 3.

Сравнительные данные отражены в виде коэффициента К ускорения процесса рассоления,

С - С0

к = --- 1Ш . /I3/ ^

где С - концентрация почвенного раствори, в данный момент времени, при наложении ШК, С0 - го же, без наложения колебаний.

Разные частоты неодинаково действуют на процесс ускорения рассоления почвы /табл. 3/. Так при частотах колебании 10 и 50 Гц в среднем за 180 минут промыЕки К составляет 45,4 и 53,6%, при 30 Гц оно значительно выше - 73,7?£.

Ускорение процесса рассоления зависит от продолжительности ме-•ханических колебаний. Интенсивность процесса рассоления достигает своего максимального значения при продолжительности колебании 90 -120 минут /1,5 - 2,0 часа/. При дальнейшем продолжении промывки на Фоне ШК интенсивность рассоления при частотах 10, 30, 50 Гц значительно снижается.

Таблица 3.

Изменение коэффициента ускорения / К, %/ процесса рассоления от-частоты колебания, продолжиг е л*н ос т и, механического.состава-почва.л средней.концентрации.почвенного раствора. .

I

го

I

Частота Коэффициент ускорения рассоления, / К, %/

колебания, Гц Продолжительность колебаний, минут, при концентрации 3-18 г/л цродолжительность.колеоании, минут,-при концентрация.до З.г/л .

30 60 90 120 180 Среднее 30 60 "90 120 ' 180" Среднее

среднесуглини отая почва

10 19,5 36,8 61,1 65,6 44,1 . 45,4 43,3 86,6 73,3 71,4 35,7 62,1

30 76,6 88,6 85,7 80,0 37,5 73,7 38,7 46,6 66,0 78,5 60,0 56,7

50 51,4 52,8 54,3 56,4 52,9 53,6 тяжелосуглини 38,4 76,9 75,0 отая почва 72,7 25,0 57,6

10 25,7 37,2 61,3 58,1 40,0 44,5 17,9 17,5 21,1 21,6 22,2 20,6

30 68,0 70,0 58,3 50,0 33,3 55,8 13,8 20,0 24,1 28,5 20,0 21,3

50 40,6 62,1 . 63,2 51,5 30,0 ' 49,6 21,1 15,4 20,0 25,0 21,7 18,6

легко.глин.я отая почва

10 17,6 20,4 19,7 15,1 4,7 15,5 10,3 18,5 23,1 23,1 15,3 18,1

30 40,4 56,8 65.6 40,0 30,0 44,4 11,1 11,4 11,7 11.7 8,6 10,9

50 31,3 17,6 15,8 3,6 10,0 18,3 10,3 14,3 18,5 23,1 15,4 16,3

I

(V

0

1

Интенсивность рассоления почвы снижается также при снижении концентрации почвенного раствора и утяжелении почвы.

Обобщая экспериментальный материал, приходим к следующему заключению: при высоких концентрациях почвенного раствора /3 - 18 г/л/ наиболее эффективное дейстие на процесс рассоления почвы с различным механическим составом оказывают частоты 30 Гц. Ускорение процесса рассоления при этом составляет 43 - 73,755. При низких концентрациях почзенного раствора /до 3 г/л/ действие частот с 10 до 50 Гц примерно одинаковое.

При переходе от среднесуглинистых к легкоглинистым почвам интенсивность рассоления при высоких концентрациях почвенного раствора снижается в 1,8 раза, а при низких - в 3 - 4 раза.

Промывка почв на фоне ШК сопровождается некоторыми негативными процессами, связанными с переупаковкой частиц под воздействием механических колебаний. В связи с этим возникает необходимость выявления влияния ШК на некоторые водно-физические свойства почвы.

Измерения плотности и скорости Фильтрации почв проводились в полевых условиях после кислования и после промывки с применением ШК и без них. Обобщенные результаты исследований приводятся в таблице 4. Плотность почвы и скорость Фильтрации в опытных чеках составляет 1,16 - 1,20 и 0,59 - 1,83 после кислования, а

о

после промывки 1,25 - 1,27 г/см и 0,35 - 0,51 м/сут. Таким образом, плотность почвы при частотах 10, 30, 50 Гц увеличивается, соответственно, на 6,08, 5,85, 10,3655, а скорость Фильтрации снижается на 46,0, 57,4, 76,055. В контрольном варианте опыта эти величины составляют 3,52 и 22,7%, Таким образом, при увеличении частоты колебания уплотнение почвы увеличивается с 5,85 до 10,3655, а скорость Фильтрации уменьшается от 46,0 до 76,055. Показано, что изменение указанных параметров зависит от механического состава и расстояния от источника колебаний. Так, например, в контрольном варианте, при содержании Физической глины 30%, уплотнение после промывки составляет 155, а при 4555 уплотнение составляет 1255. На Фоне НМК уплотнение почвы увеличивается при приближении к источнику колебания. При содержании Физической глины 3355 на расстоянии 90 м уплотнение составляет 3,555, а на расстоянии 25 м - 10,055. Аналогичные результаты наблюдаются при рассмотрении скорости Фильтрации почвы, как в полевых, так и в вегетационных опытах.

Несмотря на указанные негативные явления, как плотность, так и

о

скорость Фильтрации после промывки остаются в оптимальных для выращивания сельскохозяйственных культур пределах.

После промывки почв осенью на экспериментальных участках была высеяна озимая пшеница, урожай которой составил 28 - 30 ц/га. Это свидетельствует о том, что механические колебания не оказывают существенного влияния на плодородие почвы.

Экономическая эффективность при применении одного вибратора только за счет уменьшения нормы промывной воды составляет 1,98 млн. руб. или 836 руб./га. Таблица

Изменение плотности а скорости филы рации метрового сдоя почвы под влиянием ШК и без них ( средние данные из 9 разрезов ).

Варианты опыта Рк' г/см-3 г/ см г/см % ч, м/сут. V«, м/сут. У-Ч-ЛУ м/сут. %

1-10 Гц И-30 Гц Ш-50 Гц Контроль 1,168 1,246 0,078 6,68 0,656 0,351 0,307 46,0 1,196 1,266 0,078 5,85 1,200 0,511 0,689 57,4 1,158 1,270 0,120 10,4 1,830 0,439 1,393 76,0 1,200 1,347 0,247 3,92 0,593 0,458 0,135 22,7

где р - плотность почвы после кислования, ^ - плотность почвы после промывки, изменение плотности до и после промывки, ду/р^- то же в % от исходного,ук - скорость Фильтрации после кислования, Уп - то же после промывки,ьу изменение скорости фильтрации, ДУД;- то же в % от исходного.

В шестой главе приводятся результаты математического моделирования процессов рассоления и рассолониевания при промывке содовых солонпов-солончаков на фоне НЖ и без них.

Для прогнозирования солевого режима при промывках содовых солонцов-солончаков использовали эмпирическую формулу /II/. Последняя с учетом концентрации солей в промывных водах имеет следующий вид:

-Мь = «»И?*.) ж/.

где ¿др - количество солей в промывной воде, находящейся в объеме промывного слоя X.

где Сдр - концентрация солей в промывной воде,

Ш! - пористость почвы.

Для расширения области применения формулы /14/ необходимо найти взаимосвязь между коэффициентом К0 и параметрами солепереноса. Из формулы /14/ можно определить физический смысл К0 - это количество подаваемых порций воды, при которых из почвы удаляется 4054 ее исходного засоления. Объем одной порции промывной воды числено равен объему активной порозности почвенной колонны с площадью р , высотой X и активной порозностью гп . Из определения К0 следует, что чем больше его значение, тем медленее идет процесс рассоления и рассолонцевания почвы,и наоборот.

Исследования показывают, что коэффициент К0 зависит от скорости потока промывной воды /V/, мощности промываемого слоя /X/, средней концентрации почвенного раствора /ССр/ и егокинематической вязкости /{[ /, а также растворимости промываемых солей, характеризующая концентрацией насыщения /Сн/. Таким образом, коэффициент К0 функционально связан с параметрами солепереноса:

К0 = КУ,Х,?,С.Р,Сн) /*?/.

Согласно ЗГ теоремы, число безразмерных комплексов должно быть равно 2 /5 - 3/. Из приведенных параметров, исходя из размерностей, можно выделить два безразмерных комплекса: "^Х и Си/Сер •

Первый безразмерный комплекс представляет собой критерии Рей-нольдса /Яе/, второй характеризует степень разбавленности насыщенного раствора промываемых солей. Таким образом, ввод безразмерных комплексов позволяет сократить число неизвестных параметров, что значительно облегчает поставленную задачу.

К0 = | (Ле, ^сир) ,

Для получения указанных зависимостей в первую очередь необходимо определить /Сн/ и /. Эти параметры для отдельных растворов приведены в литературе, однако для почвенного раствора, образовавшегося в процессе химической мелиорации и промывки содоеых солонцов-солончаков, требовались дополнительные исследования /табл. 5/.

/17/

Экспериментальные данные обработаны методом наименьших квадратов.

Таблица 5.

Концентрация насыщения /С^/ некоторых солей и ионов, зависимость кинематической вязкости от концентрации почвенного

раствора /С/.

Концентрации насыщения, г/л

Концентрация солей концентрация ионов

N»(11 Иа^О,, ВД, сумма солей СГ ¿О2,- С0|- нсо; Иа

304 104 44 14 466 183 70 25 10 178

С, г/л 0 4,63 14,6 50,5 72,4 148,5 284,1 340,3 429,4

Л Г0~2 м2 сут. 8, 6 8,6? 3 8,66 8,72 8,8 8 9,81 10,16 11,57 12,50

Это дало возможность для ионов С1~, Ма+ получить зависимость

меящу коэффициентом К0 и Яе, ПсрГ

где

К0 - ?СКе)СсР - КМ

г а4 + ^г ™ , ЧЧЯе) = а2 -Лг_ + Сг

Зависимость справедлива при следующих условиях:

0.05 4 1,1$ 4,0 4 Сср^200 /21/ ' -26-

В уравнениях а2, Вр Ср а^, С£ безразмерные параметра, зависящие от вида промываемого иона. Ошибка определения указанных параметров I, 4 - 5,6%. С помощью этих параметров рассчитаны значения функции | /Не/ и ^р/ве/ для ионов 01", ¿О2^, Ца+ /табл. 6/.

Таблица 6.

Значения функции £/Яе/ и / для ионов СГ

СГ СА

Яе

Ш

{СЯе) Ше) {(Де) т) Ше)

0,05 0,401 0,0112 0,109 0,0141 -0,207 0,100

0,10 0,186 0,0052 0,050 0,0061 -0,175 0,061

0,15 0,056 0,0028 0,049 0,0071 -0,132 0,046

0,20 0,058 0,0018 0,065 0,0081 -0,092 0,040

0,30 0,043 0,00ГЗ 0,112 0,0141 -0,031 0,037

0,40 0,053 0,0015 0,155 0,0201 0,011 0,038

0,60 0,088 0,0025 0,221 0,0287 0,066 0,041

0,80 0,117 0,0033 0,267 0,0339 0,100 0,043

1,00 0,140 0,0039 0,298 0,0384 0,122 0,М6

1,26 0,152 0,0042 0,314 0,0408 0,141 0,047

Кривые К0 /Яе» Сср/ отражают скорость выноса ионов и в определенном интервале числа имеют минимум, это означает, что в указанном интервале происходит максимальная интенсивность рассоления.

Оптимальные интервалы и V для конов С1", ¿¡О2^, Ыа+ представлены ниже: м/сут.

Ионы СГ 0,20£Кеоп<; 0,35 • 0,0172<У0П й 0,0300 еоп ^ 0,25 •, 0,0С82 Л/о„ £ 0,0215 "-"Ыа+ 0,Г5^еоп £ 0,300,0129¿Уоо < 0,0258 Для прогнозирования солевого режима содовых солониов-солонча-ков,при их промывках, необходимо совместно решить уравнения /14/ и /18/

-^ор

-у-

гДе "5 _ S.- Soy

* " ¿o" SB /23/'

Таким образом, для прогнозирования солевого режима содового солонца-солончака, при известной скорости фильтрации /V /, глубины рассоления /X/, площадью F , активной порозностью /ГП /, концентрации промывной воды /Спр/ и при исходном засолении /¿0/, необходимо сначала рассчитать значение Re?Ha основании которого из таблицы 6 наЦти_соответствующее значение функций -f / Re / и ^p/Re/ Затем задается Snh из уравнения /22/ рассчитывается объем промывной воды /N/, необходимый для рассоления почвы до заданного уровня /5М/.

Уравнение /22/ дает возможность прогнозировать солевой режим содового солонца-солончака при промывке, в условиях когда Re= 0,051,26, а скорость фильтрации метрового слоя почвы 0,0043 - 0,11 м/сут Однако в полевых условиях часто встречаются объекты, где скорость фильтрации значительно превышает указанный предел. Для определения зависимости коэМициента KQ от параметров солепереноса в интервале Rg= 1,26 - 20,0 проведены специальные исследования с использованием полевых экспериментальных данных. Эти исследования показывают, что в указанном интервале существенно меняются соотношения действующих факторов на процесс солепереноса. Показано, что'функцию ■р /Яе/ можно принимать постоянной, а в функции 'p/Re/ можно пренебречь последним членом - cg/CRe + Таким образом, функции ■f /Re/ a^f/Re/ принимают вид:

í(Ke)=n, ^CRe) = /24/.

Зависимость KQ /Re» CCp / приобретает более сложный характер и представляется в форме:

1С - п i- 4URe) Сер.

~ ~ ЗГГГ^Г 2 /25/.

Формула справедлива при условиях:

1,26 é R.e ¿ 20 ; 10 300 /26/.

Обработка экспериментального материала методом наименьших квадратов дала возможность получить численные значения параметров П, ад, Б3» с3 ДЛЯ ионов 50*^,Ыа+:

Ионы П а3 *3 с3

СП ¿0^4 0,020 4 336 8291 0,37 I 46 520 0,21 5 297 5206

Прогнозирование солевого режима содовых солонцов-солончаков при их промывке в указанном интервале можно осуществить путем совместного решения уравнений /14/ и /25/. Решение имеет следующий вид:

ы[1пС5о- 5пр)Ц, - Епы] = тРхСп+УСМСср

С-Н -1 1(Сср) /27/

где

з С

Таким образом, получена Функция из двух переменных М и С„_.,

"Л Р

которая решается следующие образом: задается значение ССр и отыскивается N из уравнения /27/, графически или методом подбора.

Методы математического описания процессов интенсификации соле-переноса на фоне НМК почвенных условий разработаны нами впервые. В качестве критерия оценки процесса интенсификации рассоления -рассолонцования выбрано отношение коэффициентов: Н^/Кд, где К0 -коэффициент солепфеноса, при отсутствии НМК и определяется из отношения /18/ и /25/, Кд - то же, при наложении РЖ.

скспериментальными исследованиями установлено, что процесс интенсификации рассоления содовых солонцов-солончаков, при их промывке на ¿боне НМК, зависит от частоты

амплитуды /А/ колебания, скорости фильтрации /V/, средней концентрации почвенного раствора /ССр/ и растворимости промываемых солей /Сн/. Такая зависимость выражается:

Кк/К, = {ЗД-Я.Ч Сср,С„) к»'.

На основании зг теоремы, число безразмерных комплексов будет 2 /5 -3/. Учитывая размерности}легко можно выделить из них две:

Е = . С^ = -йн- /30/.

V Сьр

Таким образом, задача сводится к определению зависимостей между 1(к/К0 и Е, С0р. Указанную зависимость отыскивали в виде:

Кк/К0 = •9С0ср)-2Си)> и = Е^Е-Ю-^ /31/_

Обработка полевых экспериментальных данных по рассолению почв на фоне ШК методом наименьших квадратов дает следующие зависимости по интенсификации процесса выноса суммарного воднорастворимого и поглощенного натрия из метрового слоя почвы:

У (Сер) = 0,0219 Сс^515 /32/,

К(и) = 5.556и2 " 3,333II +1 /33/<

Подставляя /32/ и /33/ в /31/}получим:

Кк/К0 = 0.0219 сГр515(,5.55би2-3.2>ЗЗМ-1) /34/.

Ошибка между экспериментальными и рассчетными по /34/ данными составляет 7,42%, что дает основание рекомевдовать полученную модель для использования в практических расчетах.

На рис. 9 приведено графическое изображение функции /34/, что отражает зависимость от "У и ССр. При постоянном ССр оно

представляет семейство кривых параболлического типа с минимумом в точке и + 4 = 4,3. Это значит, что существует оптимальная скорость обтекания, при которой процесс рассоления происходит наиболее интенсивно. Как превышение, так и снижение скорости обтекания от оптимального значения, приводит к уменьшению интенсивности рассоления. Последняя снижается также при разбавлении почвенного раствора. Линия Кк/К0 = 1,0 показывает, что процесс интенсификации при этом не имеет место. Пользуясь минимумом функции определяли

оптимальные параметры колебательного режима:

ЭКк/Ко г о , = 4,3 АопЮ™ - 2-Ю"* /-/

эи ' V у„ "

Пользуясь зависимостью W =-f/А/ /табл. I/,можно определить оптимальные скорости Фильтрации метрового слоя почвы- при различных режимах колебательного движения. Результаты расчетов приведены в таблице 7.

Von = 4.зя10"3иМ, п/«т. /36/

Анализируя данные таблицы 7, можно константировать, что оптимальная скорость фильтрации при частоте колебания 10 - 50 Гц и амплитуде 5-6 мм^аходится в пределах 0,216 - 1,296 м/сут. С помощью данной таблицы выбирается оптимальный режим колебаний, при известной скорости фильтрации. Если скорость фильтрации не попадает в область, указанную в таблице, то выбирается наиболее близкий режим колебания /и) , А/, а скорость фильтрации регулиру-

-зн-

ется до достижения соответствующего оптимального значения. Последний можно достигнуть путем глубокого рыхления, изменением высоты слоя воды над поверхностью почвы и т.д.

Таблица 7.

Зависимость между оптимальной скоростью фильтрации, частотой и амплитудой колебания

Параметры и) А, мм А, ш * А, мм

10 5,0 30 5,8 50 6,0

Уоп, м/сут. 0,216 0,752 1,229

Для прогнозирования солевого режима в процессе промывки содовых солонцов-солончаков на фоне НМК, необходимо совместно решить уравнения /14/, /34/ и, в зависимости от изучаемого интервала, числа Яе/18/ или /25/. В уравнении /14/} заменив К0 на Неопределим М , используя зависимость

£0 - £н (Ь.- 8пр)ехР ^-Е^Кк) /37/

получим

-^КкССср) + = еп^Йо!^) Сер] /38/

Ф/ташия /38/ отражает зависимость М = ^'/Сс_/. Для прогнозирования задается С = С^ , по данным ц), А,^определяем У и из графика /рис. 14/ определяем К^/К0 = р. По данным Сср^ и определяется из /18/ или /25/ К0. Коэффициент определяется по формуле:

К^ = К0 * р /39/

Подставляя /К^/ и значение С^ в /38/, получим уравнение с одной переменной /Н Л которое решается графически или методом подбора.

Таким образом, получена математическая модель для прогнозирования солевого режима содовых солонцов-солончаков при их промывке

-92-

на фоне механических колебаний и без них.

ВЫВОДЫ

1. Доказана возможность ускорения процессов рассоления содовых солонцов-солончаков с помощью наложения на процессы промывки полей низкочастотных механических колебаний /ШК/. Показано, что применение механических колебаний с частотами 10 - 50 Гц и амплитудами 4,2 - 6,0 мм позволяет на 45 - 50% сократить норму промьшной воды и на 23 - 34% продолжительность промывного периода.

Предлагаемым способом рассоления почвы с применением одного вибратора за год можно промыть 2370 га почвы, при этом экономическая эффективность составляет 1,88 млн. руб. или 793 руб./га.

2. Установлено, что оптимальная продолжительность механических колебаний при каждой порции промывной нормы /2500 м^/га/ составляет 1,5 - 2,0 часа. Показано, что интенсивность процесса рассоления зависит от средней концентрации почвенного раствора и механического состава почвы. Интенсивность рассоления снижается при уменьшении концентрации почвенного раствора и утяжелении механического состава почвы.

3. Выявлено, что изменение плотности и скорости фильтрации почвы под воздействием колебаний зависит от механического состава, параметров колебательного режима и расстояния от источника колебания.

Показано, что под воздействием НМК в процессе промывки средне-суглинистые почвы уплотняются на 4,4, тяжелосуглинистые - на 7,4, легкоглинистые - на 13,4%, а скорость Фильтрации в среднесугли-нистых почвах снижается на 29,6, в тяжелосуглинистых - ка 16,3 и легкоглинистых - на 11,6% по сравнению с контрольным вариантом. Полученный урожай зерна озимой пшеницы /27 - 30 и/га/ свидетельствует о том, что некоторое ухудшение водно-физических свойстз на фоне механических колебаний существенно не влияет на плодородие почвы.

4. На основании теории размерностей разработана математическая модель для прогнозирования солевого режима при промывках содовых солонцов-солончаков, как при наложении механических колебаний, так и без них. Предложена методика определения оптимального коле-ьательного режима /иО , А/ для создания максимальной интенсификации процессов рассоления и рассолонпевания с помощью механических

колебаний.

5. Выявлена мелиорирующая роль углекислого газа, образующегося в процессе взаимодействия серной кислоты с карбонатами почвы. Она проявляется в горизонтах почвы на глубине 12 - 100 см, где давление углекислого газа достигает в среднем 0,06 - 0,14 атм. В условиях превалирования хлоридного засоления, это способствует повышению растворимости карбонатов в 5 - 6 раз. Долевое участие углекислого газа в процессе рассолонцевания почвы составляет 40% от общей солонцеватости.

6. На основании данных полевых и лабораторных экспериментов выведены математические зависимости между некоторыми физическими и физико-химическими параметрами, определяющие интенсивность рассоления содовых солонцов-солончаков при их промывках: скорости фильтрации от механического состава и солонцеватости, капиллярно-сорбционного давления от содержания йизической глины, солонцеватости и влажности почвы, константы селективности ионного обмена от концентрации ионов и суммы поглощенных катионов, изотермы ионного обмена от ионной силы раствора.

7. Дана опенка природной неоднородности содовых солонцов-солончаков по механическому составу, суммарному содержанию солей и солонцеватости,и предложен теоретически обоснованный метод вычисления необходимого числа повторностей и оценки надежности и доли поверхности, которая может оказаться не до конца мелиорированной при .заданной численности выборки.

8. Изучены особенности процессов рассоления и рассолонцевания при химической мелиорации и промывке содовых солонцов-солончаков на фоне различных текстурных дифференциаций почвенного профиля. Показано, что скорость опреснения почвы обусловлена вертикальным расположением глинистых прослоек. При наличии глинистого слоя с поверхности почвы создаются наиболее неблагоприятные условия для рассоления почвы. На основании экспериментальных исследований, выявлены основные факторы, влияющие на процесс рассоления и рассолонцевания с различным литологическим строением профиля.

ПРЕДЖШЕНШ ПРОИЗВОДСТВУ

I. При промывке содовых солонцов-солончаков с использованием низкочастотных механических колебаний производственным брганиза-

-Ъч-

циям рекомендуется: на участке мелиорируемого поля последовательно осуществить рыхление на глубину 0,8 м, разбивку чеков оградительными валами, внести расчетную норму серной кислоты или железистого купороса с последующим затоплением промывной водой из расчета 2500 м^/га. Затем,на дороге, проходящей вдоль промывных чеков, расстояние которых слева и справа от дороги составляет 100 м, установить вибратор /например, сейсмовибратор марки СВ-10/100/ и включить его в режиме, обеспечивающим максимальную интенсивность рассоления почвы /смотри табл. 7/. При этом, в радиусе 100 м до глубины 1,0 и почве сообщается колебательное движение с амплитудой 5,0 - 6,0 мм. Спустя 0,5 ч вибратор переместить вдоль промывных чеков примерно на 33 м так, чтобы мелиорируемый участок подвергался воздействию колебаний в течение 1,5 - 2,0 ч. После подачи каждой порции воды, вибратор возвратить на прежнюю позицию и повторить этот цикл до полного рассоления почвы.

2. Предлагаются новые конструкции водомеров и устройств, позволяющие провести учет, как общего объема воды, подаваемого из открытого оросителя на промывные чеки, так и инфильтрационной воды на каждом участке промывных чеков.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ АВТОРШ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

I. О вопросе математического моделирования процесса рассоления рэазных литологических слоев. - Изв. с.-х. наук, МСХ Арм. ССР, 1977, № 5, с. 62 - 66. - Api. Рез. русс.

2? Мелиорирующее влияние железа на содовые солончаки. - Гидротехника и меливраыия., 1978, 7, с. 87 - 90.

3Í 0 солевом обмене и возрасте процессов засоления содовых солонцов-солончаков Араратской равнины. - Екол. лурн. Армении, 1980, Ü? 6, с. 597 - 603.

4Í 0 солевом режиме мелиорированных почв Араратской равнины. -Тр. НИИ почвов. и агрох. МСХ Api. ССР, K8I, вып. 16, с. 157 - 166.

5. Водный и солевой режим основных типов почз орошаемой зоны Араратской котловины и их регулирование: Авторе*, дисс. канд. биол. наук. - М.: МГУ, IS82, ' - 24 с.

6. Взаимосвязь параметров водосолепереноса в содовом солонце-солончаке. - Бол. Почв, ин-та им. В.В.Докучаева, 1983. - Зып. 33. -с. 28 - 31.

-зъ-

7? 0 мелиорации содовых солонцов-солончаков с применением сернокислого железа. - Почвоведение. - 1983, № II. - с. 71 - 77.

8? 0 характере изотерм ионного обмена в зависимости от соотношения конкурирующих ионов в системе почва - раствор. - Тр. НИИ почв, и агрох. МСХ Арм. ССР. - 1985. - Вып. 20: с. 100 - 105.

9. Об оптимальных параметрах влаго-солепереноса при химической мелиорации содовых солонцов-солончаков Араратской равнины. - Тр. НИИ почвов. и агрох. МСХ Арм. ССР, вып. XXI, 1986. - с. 84 - 89.

10? К вопросу влагосолепереноса в условиях неоднородной литологии содовых солонцов-солончаков. - Тр. НИИ почвов. и агрох. МСХ Ары.ССР, 1987, вып. XXII, с. ПО - 115.

I". О возможности физико-химической адсорбции железа солонцовой почвы. - Тр. НИИ почв, и агрох. МСХ Арл. ССР, 1987, вып. XXII, с. 124 - 127.

12. Влияние степени мелиорированности солонцов-солончаков на их водно-физические свойства и урожайность с.-х. кудьтур. - ТР. НИИ почв, и агрох. МСХ Арм. ССР, IS88, вып. XXIII, с. 147 - 151.

13? Применение хжкелиорантов при промывках содовых солонцов-солончаков. - мелиорация и водное хозяйство, 1988, R 5, с. 54 - 55.

14? Экологические аспекты применения серной кислоты для мелио-раиии содовых солонпоЕ-солончаков. - ТР. НИИ почвов. и агрох. МСХ Арм. ССР, 1988, вып. XXIII, с. 37 - 45.

15? Водомер для открытых оросителей. - Авторское свидетельство СССР К? 1328676, Г.87, Бюлл. i,'0*29.

16? Устройсаво для измерения количества жидкости, потребуемой промывным чеком. - Авторское свидетельство СССР I3940S9, 1988, бюлл. 'i? 17.

17. Способ рассоления почвы. - Авторское свидетельство СССР l¡° 1583432, F90, бюлл. 29.

18. Водомер для открытых оросителей. - Авторское свидетельство СССР I59S660, 1990, бюлл. Í.'1 38.

19? Инструкция по химической мелиорации содовых солонцов-солончаков Араратской равнины Армянской ССР. - Ереван, 1989, 38с.

20. Роль углекислого газа в процессе химической мелиорации содовых соллниов-солончаков Араратской равнины. Тез. докл. УШ Всес. съезда почв., 1989, Новосибирск, кн. 5. с. 167.

х - отмечены работы, представленные в соавторстве

-ъь-