Обоснование физико-математической модели влаги и переноса солей в корнеобитаемые слои почвогрунта

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТарГУ имени М.Х.Дулати

Обоснование физико-математической модели влаги и переноса солей в корнеобитаемые слои почвогрунта

Мадалиева Э.Б.

В статье на основе аналитической информации рассматривается проблема обоснования физико -математической модели влаги и переноса солей в корнеобитаемые слои засоленных почв.

При орошении основной целью улучшения почв является создание оптимального водно - солевого и теплового режимов почв, которое достигается промывкой почвенного профиля от легкорастворимых солей на фоне глубокого рыхления с применением временного дренажа по существующим нормативным нормам.

Для успешного прогнозирования водно - солевых и тепловых режимов почвогрунтов на основе теоретических исследований, необходима идентификация структуры и параметров модели, описывающая конкретно рассматриваемые вопросы переноса солей, протекающих в заданной области почвогрунта.

В настоящее время практически нет данных прямых натурных исследований переноса влаги и солей в зоне аэрации на фоне дренажа. Поэтому о массопереносе с учетом зоны аэрации можно судить только по данным имитационного моделирования.

В зоне действия систематического горизонтального дренажа при однородном по площади строений толщи грунтов перенос воды рассматривают как двухмерный профильный. Верхнюю границу изучаемой области массопереноса принимают на поверхности земли или на любой глубине в зоне аэрации, нижнюю - на кровле регионального водоупора. В условиях горизонтального дренажа ввиду симметричности потока воды относительно сечений, одно из которых проходит через середину дрены, а другое - посредине междренного пространства, эти два сечения служат боковыми границами области массопереноса. Перенос воды в ненасыщенно-насыщенных породах при неустановившемся режиме описывается в декартовых координатах нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных [1].

м (Ф)= (1)

Для многолетнего прогноза водного режима при круглогодичной работе дренажа можно использовать модель установившего движения влаги

(2)

В качестве вертикального обычно применяют систематический дренаж, одиночные или взаимодействующие скважины. При исследованиях систематического дренажа ввиду симметричности потока воды к каждой скважине относительно вертикальной оси, проходящей по центру скважины, рассматривают область фильтрации к одной скважине, ограниченную непроницаемой цилиндрической поверхностью, проходящей посредине между скважинами. Уравнение влагопереноса и фильтрации в ненасыщенно-насыщенных грунтах в цилидрических координатах при неустановившемся режиме имеет вид

(3)

при установившемся режиме

(4)

В общем случае для прогноза солепереноса необходимо составить математическую модель переноса каждого иона с учетом всех его механизмов. Обычно о переносе макроколичества солей судят по диффузии аниона хлора; необходимо учитывать большую скорость его переноса, чем других ионов, очевидно, ввиду отрицательного показателя ближайшей гидратации. влага соль засоленный почва

Для описания процессов солепереноса используют кинетический или термодинамический подход. Оба сводятся к рассмотрению энергетических характеристик растворов, которые определяют их свойства. Однако энергетические характеристики молекулярной кинетики и термодинамики неравноценны, поскольку в первом случае учитывается изменение энергии межчастного взаимодействия на расстояниях порядка размеров самих частиц.

При дренаже особенности солепереноса определяются главным образом условиями переноса влаги. В общем случае в первую очередь происходит рассоление грунтов в придренной области, так как здесь линии тока самые короткие и путь солепереноса минимальный; кроме того, здесь наибольшие скорости конвективного переноса солей. С удалением от дрены увеличивается путь переноса солей и уменьшается скорость влагопереноса.

Основным уравнением, описывающим передвижение воды в ненасыщенной почве, как известно, является уравнением

(5)

где i - плотность потока влаги (размерность LT^-1), ДP - перепад давления влаги на пути Дl (размерность L), Kp - коэффициент влагоприводности почвы (размерность L²T^-1 ), величина которого зависит от давления влаги и соответственно влажности почвы. Зависимость K от P можно приближенно описать уравнением [2].

(6)

где K₀- коэффициент влагоприводности при Р=Р_1, т.е. в практически насыщенной влагой почве (фактически К₀ - коэффициент фильтрации).

Поэтому при построении модели удобнее использовать «гидравлический» подход, т.е. допустим, что вода находится в микрообъемах, каждый из которых соединен с резервуаром отдельным каналом. Каждый микрообъем характеризуется определенным «критическим давлением», равным его водоудерживающей силе. Все микрообъемы одного ранга, находящиеся на разном расстоянии от резервуара, можно заменить эквивалентным макрообъемом, расположенным на расстоянии t/2 от резервуара. Соединительные каналы также заменяются одним, по влагопроводности эквивалентным сумме отдельных каналов. При этом соотношение между критическим давлением в объеме и влагопроводностью канала подбирается таким образом, чтобы оставалась в силе зависимость (6).

Поскольку при дренировании почвы в начале осушаются более широкие поры с высоким критическим давлением и лишь затем - все более тонкие с меньшим критическим давлением, можно представить все объемы в виде одного объема с постепенно меняющимся по длине диаметром. Как известно, диаметр капилляра обратно пропорционален его критическому давлению, а длина - дифференциальной влагоемкости.

Коренного повышения эффективности мелиорации и получения высоких урожаев можно достичь лишь на основе комплексного регулирования факторов жизни растений, создания оптимального водно-воздушного, теплового, газового и питательного режимов почвогрунтов и приземного слоя воздуха на протяжении всего вегетационного периода. Не требует доказательства тот факт, что только оптимальное соотношение между влагой, теплом, питательными веществами и газовым режимом обеспечивает наилучшее развитие растений. В связи с этим является актуальной разработка комплексных моделей управления жизнедеятельностью растений.

По временным масштабам принятие решений при управлении процессом формирования урожая можно разделить на три уровня [3]:

- решения при проектировании мелиоративных систем;

- решения при планировании урожая;

- решения при выращивании культуры (оперативное управление).

Относительная самостоятельность уровней принятия решений, а также значительная сложность процессов приводят к созданию различных моделей в зависимости от временных масштабов проблемы.

Для расчета модели поступает следующая методологическая информация: температура, относительная влажность - дефицит влажности воздуха, стабильность облачного покрова, скорость ветра, сведения об осадках и т.д. В зависимости от способа технологии производится расчет потерь влаги при потере искусственного дождя в воздухе, расчет потерь на поверхностный сброс и заполнения неровностей рельефа. Непосредственно впитавшаяся в почву влага распределяется по почвенному профилю. С помощью модели роста корней рассчитывается рапределение площади поглощения поверхностью корней по глубине, вычисляется поглощение влаги из почвенных слоев корнями растений. Для этого используются данные о влажности и плотность почвы, приросте биомассы корней. Используя метеорологические данные влажности почвы вычисляются физические испарения и транспирация.

Важное значение для успешного использования модели формирования урожая имеет точность расчета средней влажности корнеобитаемого слоя почвы. Эта величина, вичисленная для каждых суток передается на вход биотических блоков модели. В случае если она отличается от некоторого биологически оптимального значения средняя влажность корнеобитаемого слоя почвы является лимитирующим фактором в расчете суточных приростов биомассы. Поэтому результирующий урожай в значительной степени зависит от ее временного хода. Обычно среднюю влажность почвы вычисляют пользуясь уравнением водного баланса, толщину расчетного слоя задавая при этом из каких либо эвристических соображений.

Необходимо рассмотреть задачу оптимального управления водным режимом растений в корнеобитаемой зоне, имеющая непосредственное отношение к принятию решений на оперативном уровне. В настоящее время многие исследователи [3,4] успешно разрабатывают модели процесса переноса влаги в системе «растение-почва», основанные на известной краевой задаче ненасыщенного влагопереноса; при этом учет растений производится ведением в уравнение полуэмпирического члена, учитывающего поглощение влаги корнями.

Литература

1. Фабишенко Б.А. Водносолевой режим грунтов при орошении. М.: Агропромиздат, 1986, 304 с.

2. Судницин И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление. М.: Московский Университет, 1979, 255 с.

3. Дубровский З.М., Хубларян М.Г. Математическая модель оптимального уравнения влажности в корнеобитаемой зоне растений.// Сборник научных трудов. ВНИИГ и М., Москва, 1978, с. 27-39.

4. Сейіт?азиев А.С., ?аббасов М.?. Шаю процесінде с?зілген а?ын к?леміні? математикалы? моделін ??ру.// Ізденіс-Поиск, Алматы, 2002, №2, б. 180-184.

Размещено на Allbest.ru