Технология агроклиматического районирования почв предгорных агроландшафтов при закладке садов в Кабардино-Балкарии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНОЛОГИЯ АГРОКЛИМАТИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ ПОЧВ ПРЕДГОРНЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ ПРИ ЗАКЛАДКЕ САДОВ В КАБАРДИНО-БАЛКАРИИ

TECHNOLOGY OF AGROCLIMATIC DIVISION INTO DISTRICTS OF SOILS OF FOOTHILL AGROLANDSCAPES AT LAYING OF GARDENS IN KABARDINO-BALKARIA

Берсиров М.Т., Жирикова З. М.



Аннотация

В данной статье обоснована актуальность поставленной задачи продиктованная сложившейся социально-экономической обстановкой. Для эффективного решения задачи предложен метод количественного прогноза влияния местоположения склона, его крутизны и характеристик мелиоративных приемов на микроклимат почвы. В частности, рассматривается модель тепло- и влагопереноса в почве, позволяющая прогнозировать изменения теплового и водного режимов почвы под влиянием указанных факторов. Рассматривается возможность одномерной постановки задачи при описании энерго- и массопереноса в почвах, основанное на выравнивании пространственной неоднородности характеристик тепло- и массопереноса.

Приведен принцип обеспечения прогнозных расчетов входной микроклиматической информацией, основанный на эмпирической модели учитывающей особенности микрорельефа и общие климатические характеристики рассматриваемой местности.

Дли численного решения теплообменной задачи разработан алгоритм и написана программа. Программа ориентирована на использование стандартной метеоинформации и предусматривает расчет среднесуточных значений составляющих уравнений теплового и водного балансов поверхности почвы, а также параметров входящих в граничное условие. В программе реализована возможность автоматизированного сравнения вариантов и их разностей. Ключевые слова: модель, температура почвы, тепловой и водный режимы почвы, теплофизическая характеристика, идентификация, алгоритм, поток тепла, уравнение теплового баланса, метеопараметр, уравнение теплопроводности, почва, районирование, влагоперенос, рельеф местности, метеоинформация, склон, программа.

In this article the relevance of an objective dictated by the developed social and economic situation is proved. For the efficient solution of a task the method of the quantitative forecast of influence of location of a slope, his steepness and characteristics of ameliorative receptions on a soil microclimate is offered. In particular, the model warm and moisture transfer in the soil, allowing to predict changes of the thermal and water modes of the soil under the influence of the specified factors is considered.

The possibility of a one-dimensional problem definition at the description is considered power- and a mass transfer in soils, based on alignment of space inhomogeneity of characteristics warm and a mass transfer.

The principle of ensuring expected payments with entrance microclimatic information based on empirical model of the considering feature of a microrelief and total climatic characteristics of the considered district is given.

The algorithm is developed for the numerical solution of a heat exchange task and the program is written.

The program is focused on use of reference meteoinformation and provides calculation of average daily values of the making equations of thermal and water balances of a surface of the soil, and also the parameters entering a boundary condition. In the program the possibility of the automated comparison of options and their differences is realized.

Key words: the model, of soil temperature, thermal and water regimes of the soil, thermal characteristics, identification, algorithm, flow of heat, the equation of heat balance, the weather, the heat equation, soil, zoning, moisture transfer, the terrain, the weather data, slope, program.



Введение

Интенсивное развитие садоводства в Северо-Кавказском федеральном округе и в частности в Кабардино-Балкарии требует освоения предгорной зоны, а значит выбора территорий наиболее пригодных для садоводства. Критериями для принятия решений наряду с агроэкологическими особенностями, являются также метеорологические условия, существенно влияющие на урожайность.

Методология проведения работ. Для эффективного решения такого рода задач и принятия решений, необходимо иметь методы количественного прогноза влияния местоположения склона, его крутизны, а также характеристик мелиоративных приемов на микроклимат почвы.

В предлагаемой статье рассматривается модель тепломассопереноса в почве, позволяющая прогнозировать изменения теплового и водного режимов почвы под влиянием указанных факторов.



Основная часть

Материал содержащийся в опубликованных работах посвященных изучению различных аспектов тепло- и массообмена [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10] позволяет наметить основные концептуальные подходы к построению такого рода модели.

В условиях пересеченного рельефа местности, поля температуры и влажности почвы трехмерны, особенно возле вершин и оснований склонов. Для нахождения температурного поля в почве требуется иметь двух- или трехмерные решения уравнения теплопроводности. Отыскание таких решений связано с большими математическими трудностями. В отдельных случаях, как свидетельствует экспериментальный материал, возможна одномерная постановка задачи тепловлагопереноса, если участок склона ровный и достаточно удален от области с явно выраженной неоднородностью тепломассопереноса, то поля температуры и влажности почвы, одномерны. Целесообразность одномерной постановки задачи связана с необходимостью создания простого алгоритма для прикладных целей.

С учетом изложенных соображений математическая модель теплопереноса в почве на склоне строится по тому же алгоритму, что и для ровной поверхности [6] краевая задача формулируется следующим образом:

(1)

где:

л - тепловодность почвы;

Т - температура почвы;

С - объемная теплоемкость; t - время;

x - пространственная координата направленная перпендикулярно поверхности;

h - нижняя граница почвенного массива.

Краевые условия к уравнению теплопроводности записываются в виде:

(2)

(3)

где:

T_э - эквивалентная температура окружающей среды;

N - эффективный коэффициент теплообмена;

F(t) - функция описывающая временные изменения температуры на глубине h;

F₀(х) - начальное распределение температур.

Сформулированная краевая задача применима без изменений только для тех случаев, когда почвенный массив однороден, либо состоит из слоев параллельных поверхности склона.

В горных условиях эти случаи встречаются нечасто, наиболее характерным является произвольное расположение слоев, при этом функции (x,t) и C(x,t) будут двух- или трехмерны, и применение одномерной модели становится невозможным.

Рассмотрим способ преодоления такого рода затруднений, для этого выделим в пределах расчетного участка области с характерным распределением теплофизических свойств. Обозначим площадь каждой такой области через F_i. Опишем эти распределения слоистыми структурами параллельными поверхности склона:

урожайность мелиоративный почва микроклимат



Рисунок 1 - Схема расчетного почвенного элемента склона

Воспользуемся известными зависимостями теории теплопереноса, преобразуем толщину каждого -го слоя i -той области h _iм с коэффициентами теплопереноса _iм, C_iм, м=1,2,3,…m таким образом, чтобы их термические сопротивления оставались неизменными.

(4)

(5)

где:

Преобразованную (эквивалентную) толщину слоя Можно определить по формуле:

.(6)

Эквивалентное значение расчетной глубины в пределах области i равно



(7)

Эквивалентное значение расчетной глубины в пределах области i

(8)

Эквивалентное значение расчетной глубины для всего участка склона находится по формуле

(9)

где: F - площадь расчетного участка.

Таким образом почвенный массив толщиной h и состоящий из m области с различными теплофизическими свойствами преобразован в однородный многослойный объект толщиной h_экв с коэффициентами переноса _1м, С_1м. Термические сопротивления исходного и преобразованного объектов равны, а значит и усредненные по площади температуры должны быть близки друг другу, область i =1, при h= h_экв можно трактовать как информативную, а величины ₁, С₁ , h_экв как входные параметры при расчетах по одномерной модели.

Алгоритм теоретического описания влажностного режима почвы на склоне, также можно построить в одномерной постановке, однако с ограничением однородности структуры почвенного массива вдоль поверхности склона, необходимо учитывать особенность гравитационной составляющей. В одномерной постановке уравнение влагопереноса для равнинных условий формулируется в виде



(10)

,(11)

где: у - пространственная координата, направленная строго по вертикали вглубь почвы;

K - коэффициент влагопроводности;

Р - капиллярный потенциал;

F_{ист.вод} - функция источника;

щ - влажность почвы.

Краевые условия к этому уравнению формулируются:

(12)

(13)

(14)

где: g_ос - интенсивность осадков;

g_пол - интенсивность расхода воды на полив;

F_hвод(t) - функция описывающая временные изменения Р на глубине h_вод;

F_начвод(y) - начальное распределение капиллярного потенциала

Для случая расположения поверхности склона под некоторым углом к горизонту б, влияние гравитационной составляющей можно учесть из соотношения между координатами:

Х = ycosб(15)

где: б - угол наклона поверхности склона к горизонту.

Подставим это соотношение в 10-14 и после преобразований получим

Подставляя это соотношение в уравнение влагопереноса и краевые условия к нему, получим:

(16)

(17)

,(18)

. (19)

Нижние границы моделируемой области почвенного массива при раздельном решении задач тепло- и влагопереноса могут не совпадать h?.

Идентификация параметров входящих в формулы (1)-(3) и (16)-(19) и учитывающих взаимодействие между метеорологическим режимом, растительным покровом и почвой на склоне осуществляется по методике, аналогичной горизонтальной поверхностями [4, 8]. Алгоритм расчета остается без изменений, изменения вносятся лишь в отдельные операции, в частности поток прямой солнечной радиации, поступающий на поверхность склона можно оценить из соотношения соответственно азимуты солнца и проекции нормали к склону на горизонтальную плоскость, отсчитываемы от плоскости меридиана по часовой стрелке; б - угол наклона склона; индексами обозначены С, Г и - соответственно склон, горизонтальная и перпендикулярная поверхности.

(20)

(21)



Решая совместно (20) и (21), можно получить:

(22)

где:

б и - являются характеристиками склона;

h₀ и Ш₀ - входными климатологическими параметрами.

Поток рассеянной изотропной атмосферной радиации приходящийся на поверхность склона, согласно [7, 9]:

(23)

(24)

где:

С - константа.

Из совместного решения (23) и (24), получаем

(25)

Соотношения (22) и (25), дают для потока суммарной радиации

(26)

Величины S_Г и D_Г являются входными параметрами, информация о них содержится в гидрометфондах.

Для случая расчета средних суточных значений теплового и водного режимов почвы используют средние суточные метеопараметры.

Средняя суточная сумма солнечной радиации: как известно равна:



(27)

В работе [9] предложена формула для приближенного расчета суточных сумм радиации для склонов крутизной б не более 30 градусов для условий безоблачного неба в летний период.

(28)

Формулу (28), можно записать в форме наиболее удобной с точки зрения информационного обеспечения:

(29)

Значения находятся по данным [9], в зависимости от широты местности и угла наклона склона б. Переход от сумм к потокам Можно осуществить по формуле

,(30)

где: t - продолжительность интервала осреднения.

Лучистый теплообмен в инфракрасной области спектра по данным [7, 9]

(31)

где: - поток теплового излучения горизонтальной поверхности.

Идентификация конвективных и эвапотранспирационных потоков тепла связана со значительными трудностями. В условиях пересеченного рельефа местности, неоднородного растительного покрова, направленных воздушных течений и интенсивной турбулентности приводит к искажению локальных значений метеорологических величин в приземном слое воздуха [6, 7].

В настоящее время отсутствуют надежные алгоритмы, и теоретическое описание расчета конвективного переноса тепла и влаги в приземном слое воздуха. Поэтому определения параметров, позволяющих идентифицировать эти потоки, возможно лишь для отдельных частых случаев, характерным для горизонтальных поверхностей, достойного удаленных от вершин и оснований склонов. Тогда для определения параметров позволяющих идентифицировать эти потоки можно использовать расчетные схемы изложенные в [4, 8].

Экспериментальная база. Обеспечение расчетов составляющих уравнения теплового баланса деятельной поверхности входной метеоинформацией, связано с некоторыми трудностями, т.к. метеостанции обычно располагаются на равнинных территориях. Используя эмпирические зависимости, связывающие значения метеопараметров на склоне с их значениями на ровных участках, можно преодолеть эти затруднения, обоснование и количественный анализ которых дается в работах [5, 6, 7]. Эти соотношения имеют приближенный характер, тем не менее их можно использовать для формирования исходных данных.

Значение i-го метеопараметра на склоне можно определить по формуле

,

где: - значение i-го метеопараметра на ровной поверхности;

- эмпирические коэффициенты.

Для идентификации коэффициентов используются данные [6] где содержатся сведения о разностях температур на склоне и ровным участком.

где:

- температура воздуха; индексами Д и Н обозначены день и ночь.

Используя эти разности можно полагать, что .

Влияние пересеченного рельефа местности на скорость ветра можно учесть по данным [5, 6, 7], из которых следует, что В_u.1 изменяется в диапазоне от 1,5 до 0,6, а В_u.o=0.

Пересеченный рельеф местности оказывает воздействие на формирование облачности и влажности воздуха в нижней части приземного слоя [5,6,7]. Ввиду отсутствия количественной информации об этом влиянии, в первом приближении можно принять для облачности , а влажности воздуха , … .

Характеристики склона, ориентация и крутизна влияют на перераспределение осадков. По данным работы [6, 7], можно идентифицировать коэффициенты варьирует в зависимости от зоны увлажнения при северной ориентации от 0,84 до 1, а при южной - от 0,92 до 1.

Результаты исследования

Для численного решения сформулированной тепловлагообменной задачи разработан алгоритм и написана программа, за основу приняты алгоритм и программа созданные в работе [8].

Программа ориентирована на использование стандартной метеоинформации и предусматривает расчет среднесуточных значений составляющих уравнений теплового и водного балансов поверхности почвы, а также параметров входящих в граничное условие. В программе реализована возможность автоматизированного сравнения вариантов расчета и определения разностей

где индексами i и j обозначены сравниваемые варианты.

Область применения: районирование территории предгорных агроландшафтов.



Выводы

Разработанная модель и реализующая её программа формирования теплового режима почвы позволяет прогнозировать термические эффекты в почве в зависимости от ориентации склона его крутизны, мелиоративных приемов.



Литература

1. Архипова Е.П., Глебова М.Я., Романова Е.Н. Особенности микроклимата пахотных склонов. Труды 220, 1960. Вып. 91. С. 3-15.

2. Берсиров Т.Г. Эффективность применения пленочной мульчи в условиях склонов предгорной зоны Кабардино-Балкарии // Сб. трудов по агрономической физике. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Вып. 31. С. 160-163.

3. Берсиров Т.Г. Изучение термической эффективности террасирования склонов в предгорной зоне Кабардино-Балкарии // Сб. трудов по агрономической физике. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Вып. 31. С. 157-159.

4. Куртенер Д.А., Усков И.Б. Климатические факторы и тепловой режим в открытом и защищенном грунте. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 231 с.

5. Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Береснева И.А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 245 с.

6. Романова Е.Н. Микроклиматическая изменчивость основных элементов климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 279 с.

7. Роджер Г. Барри. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 310 с.

1. Arkhipova E.P., Glebova M.Ya., Romanova E.N. Osobennosti mikroklimata pakhotnykh sklonov. Trudy 220, 1960. Vyp 91. S. 3-15.

2. Bersirov T.G. Effektivnost primeneniya plenochnoj mulchi v usloviyakh sklonov predgornoj zony Kabardino-Balkarii // Sb. trudov po agronomicheskoj fizike. L.: Gidrometeoizdat, 1973. Vyp. 31. S.160-163.

3. Bersirov T.G. Izuchenie termicheskoj effektivnosti terrasirovaniya sklonov v predgornoj zone Kabardino-Balkarii // Sb. trudov po agronomicheskoj fizike. L.: Gidrometeoizdat, 1973. Vyp. 31. S.157-159.

4. Kurtener D.A., Uskov I.B. Klimaticheskie faktory i teplovoj rezhim v otkrytom i zaschischennom grunte. L.: Gidrometeoizdat, 1982. 231 s.

5. Romanova E.N., Mosolova G.I., Beresneva I.A. Mikroklimatologiya i ee znachenie dlya selskogo khozyajstva. L.: Gidrometeoizdat, 1983. 245 s.

6. Romanova E.N. Mikroklimaticheskaya izmenchivost osnovnykh elementov klimata. L.: Gidrometeoizdat, 1977. 279 s.

7. Rodzher G. Barri. Pogoda i klimat v gorakh. L.: Gidrometeoizdat. 1984. 310 s.

Размещено на Allbest.ru

...