Передвижения влаги при малонапорной и безнапорной фильтрации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ ПРИ МАЛОНАПОРНОЙ И БЕЗНАПОРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Панина С.С.,

Шеин Е.В.

Проблемы детального изучения и прогноза передвижения веществ в почвах в настоящее время являются чрезвычайно актуальными. Действительно, на современном этапе мы должны точно знать и количественно прогнозировать развитие того или иного природного процесса, чтобы своевременно и точно решить вопрос об управлении им.

К сожалению, применение математических физически обоснованных моделей связано не только и не столько с их математическим построением, сколько с получением адекватного экспериментального материала по свойствам почв для их работы. Именно поэтому в настоящее время наиболее актуальны вопросы, связанные с получением и применением экспериментального обеспечения такого рода моделей.

Целью данной работы был анализ различий при экспериментальном и расчетном (модельном) изучении процессов передвижения влаги в условиях малонапорной и безнапорной инфильтрации. Задачами работы являлись: (1) экспериментальное исследование динамики влажности почвы при малонапорной и безнапорной инфильтрации и последующем испарении в полевых условиях; (2) возможности описания процесса влагопереноса с помощью физически обоснованной модели HYDRUS и (3) оценка экспериментального обеспечения для адекватного воспроизведения моделью процессов влагопереноса в почве.

Объекты и методы. Объектом исследования являлась агросерая среднесуглинистая почва на карбонатных лессовидных суглинках Владимирского ополья.

В полевых условиях изучалось движение влаги по специальной методике на почвенных монолитах с помощью специальных заливочных экспериментов (в 2009 и 2010 годах). Цель эксперимента заключалась в изучении особенностей движения влаги при малонапорном и безнапорном впитывании. Согласно схеме опыта были подготовлены два идентичных по размерам (диаметр 42 см) и почвам монолита. Боковые стенки монолитов были обернуты пленкой и покрыты монтажной пеной для предотвращения потери влаги и тепла. Затем монолиты были закопаны, что предотвращало боковое рассасывание влаги. Такая методика позволила точно соблюсти условие одномерного передвижения влаги в почвенном профиле.

Эксперимент ставился так, что одновременно в обоих монолитах проводилось впитывание, но в одном случае на поверхности поддерживали постоянный напор 5 см, а в другом впитывание воды было безнапорным (мелкодисперсное дождевание без образования слоя воды на поверхности). Предполагается, что преимущественные пути миграции, быстрые потоки влаги будут возникать в том случае, если на поверхности имеется напор воды, а в случае безнапорной фильтрации быстрых потоков возникать не будет.

В 2009 году поверхность монолитов поливали водой. Через сутки после проведения фильтрационного эксперимента послойно снимали слои монолита (с шагом 10 см) и по сетке снимали показания влажности для исследования ее пространственного распределения. В 2010 году на поверхность монолитов подавался раствор 0, 5 М KCl. Для определения влажности и содержания солей ежедневно проводилось бурение в монолитах. Через 5 дней также послойно и по горизонтальной сетке отбирали образцы (25 экспериментальных точек на каждый слой) для определения пространственного распределения влажности.

Контролировались испаряемость и испарение с поверхности почвы за весь период эксперимента с помощью небольших (около 83 см³) монолитиков.

В лабораторных условиях определяли гранулометрический состав (на лазерном дифракционном анализаторе размера частиц ANALYSETTE 22 Comfort) и основную гидрофизическую характеристику (методом десорбции паров воды над солями и с помощью капилляриметров в зондовом варианте) [1]. Для расчетом движение влаги использовалась физически обоснованная модель HYDRUS [2].

Результаты и обсуждения. Анализ профильных распределений влажности по профилю агросерой почвы показывает, что влага продвинулась до 30 см в монолите при отсутствии напора на поверхности почвы, а в монолите с наличием гидравлического напора - до 40 см (рис. 1). Кроме того, пространственное распределение влажности (рис. 2) показывает, что при малонапорной инфильтрации статистики варьирование влажности более значительное (на глубинах 50 и 60 см квартиль и размах составляли около 2-3 и 6-12%), так как проявляются преимущественные потоки влаги. При безнапорной инфильтрации наблюдается меньшее варьирование влажности (на глубинах 50 и 60 см квартиль и размах составляли около 2 и 5%), так как вода медленнее движется по толще почвы и промачивает весь профиль равномерно. При безнапорной инфильтрации наблюдается меньшее варьирование влажности (на глубинах 50 и 60 см квартиль и размах составляли около 2 и 5%), так как вода медленнее движется по толще почвы и промачивает весь профиль равномерно.

Рис. 1. Распределение влажности по профилю почвы до и после полива (а - при безнапорной фильтрации, б - при малонапорной фильтрации).

гидравлический напор влага почва

Рис. 2. Распределение влажности по профилю полива (а - при безнапорной фильтрации, б - при малонапорной фильтрации) через 5 суток после полива.

Одной из задач работы является моделирование указанных процессов, сравнение расчетных и экспериментальных данных для того, чтобы характеризовать, какое экспериментальное обеспечение модели является наиболее адекватным: экспериментальное получение ОГХ, использование ПТФ из гранулометрии и других свойств почвы и др.

При безнапорной фильтрации вторая модель (с учетом гранулометрического состава) лучше других, а для монолита с наличием напора на поверхности лучше всего подходит третья модель (с учетом гранулометрического состава и плотности почвы). А самая худшая оказалась модель с ОГХ в качестве экспериментального обеспечения. Скорее всего, это связано с тем, что при определении ОГХ возникает большая экспериментальная погрешность, связанная с использованием нарушенных образцов и с недостаточно четким заданием начальных условий эксперимента (предварительным насыщением образца водой). Стабильный и точный метод определения гранулометрического состава дает более достоверные результаты.

Для оценки возможности модели прогнозировать различное движение влаги также был проведен статистический анализ данных по критерию Вильямса-Клюта. Анализ показал, что модели лучше описывают безнапорную фильтрацию. Это, скорее всего, связано с тем, что программа не учитывает преимущественные потоки: наибольшие ошибки наблюдаются в нижней части профиля в конце эксперимента (при разборке монолита).

Список использованной литературы

1. Теории и методы физики почв. Колл. монография под ред.Е.В.Шеина и Л.О.Карпачевского. М.: «Гриф и К». 2007. 616 с.

2.Љimщnek J., van Genuchten M. Th. and Љejna M.. The HYDRUS-1D Software Package for Simulating the One-Dimensional Movement of Water, Heat, and Multiple Solutes in Variably-Saturated Media. Department of environmental sciencesuniversity of California Riverside, 2005.

Размещено на Allbest.ru