Экспериментальное обеспечение и оценка точности модели влагопереноса в почвах с учетом макропорозности

• Автор: Никулина, Марина Вячеславовна
• Шифр специальности: 06.01.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. ПОРОВОЕ ПРОСТРАНСТВО И ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В ПОЧВАХ С РАЗВИТОЙ СТРУКТУРОЙ
1.1 Развитие концепции о строении порового пространства почвы
1.2 Методы изучения строения порового пространства почвы
1.3 Закономерности движения влаги в почве
1.4 Роль пространственной неоднородности физических свойств в формировании преимущественных потоков влаги
Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪКТА И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Характеристика почвенных и климатических условий опытного участка
2.2 Эксперименты по изучению структуры порового пространства
2.3 Полевые методы изучения гидрофизических свойств почвы
2.4 Методы проведения полевых экспериментов по изучению особенностей переноса влаги в почве
Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ В ПОЧВЕ
3.1 Уравнения переноса влаги в почвах
3.2 Гидрофизическое обеспечение математических моделей влагопереноса
3.3. Критерии оценки адекватности моделей
Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ В СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ
4.1 Структурное строение серых лесных почв Владимирского ополья
4.2 Фильтрационные свойства серых лесных почв
4.3 Особенности переноса влаги в профиле серых лесных почв
4.4 Экспериментальное обеспечение модели влагопереноса
4.5 Описание переноса влаги с помощью математических моделей и оценка их адекватности
Выводы
Литература
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Математическое моделирование в последние годы прочно утвердило свои позиции как неотъемлемая часть современного почвоведения, в частности, при прогнозировании передвижения влаги и растворенных веществ через почвенное тело. Совершенствование методов исследования водного режима почв позволило выделить новые закономерности передвижения и перераспределения влаги в почве, выделить функционально различные по механизму влагопереноса группы пор. Во внимание принимаются не рассматриваемые ранее явления, например, такие как набухание и усадка агрегатов, неравномерность почвенных свойств и наличие транзитных зон влагопереноса, обусловленных почвенными макропо-рами, по которым вода и растворы могут за короткое время достигать значительных глубин, и неустановившимся потоком в почве (нестабильность фронта увлажнения). В то же время аналитические и численные методы в почвоведении развиваются быстрее, чем методы получения необходимых полевых измерений, на которых собственно и строится моделирование. В настоящее время главным препятствием к широкому распространению математического моделирования в системе «почва - растение - атмосфера» являются не столько принципиальные трудности, сколько недостаточность физического обеспечения (Глобус А.М., 1987). Опыт показывает, что адекватные модели появляются, когда исследуемые явления, процессы или свойства глубоко поняты и изучены экспериментально (Дмитриев Е.А. и др., 1986).
До сих пор не существует научно - обоснованных методов экспериментального определения параметров такого рода моделей, актуальным является вопрос о разделении порового пространства почвы на области с повышенной скоростью массопереноса, транзитные зоны, так называемые макропоры, и области с пониженной скоростью - микропоры; а также подходов по количественному сравнению традиционных моделей с моделями, описывающими перенос по макропорам.
В связи с этим целью работы является обоснование методов экспериментального обеспечения моделей влагопереноса, учитывающих структуру порового пространства (ПП) почвы, и оценка условий применения математических моделей разного уровня.

Задачи исследования включают:
1. Экспериментальное изучение переноса влаги в почвах с развитой структурой при различных способах полива и оценка возможности применения метода инфилътрометров с мачым разрежением и метода трубок с постоянным напором для изучения фильтрационных свойств почвы.
2. Морфологическое изучение парового пространства и структуры серых лесных почв.
3. Изучение изменения порового пространства почвы в процессе усадки агрегатов.
4. Исследование пространственной вариабельности гидрофизических свойств серой лесной почвы.
5. Оценка возможности использования полевых методов определения гидрофизических характеристик почвы для обеспечения моделей влагопере-носа.
6. Обоснование условий применения математических моделей разного уровня для расчетов переноса влаги в почвах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлено, что в серых лесных почвах Владимирского ополья наряду с инфильтрационными имеют место инфлюкционные потоки влаги. Показано, что данные почвы обладают значительной вариабельностью фильтрационных и влагопроводящих свойств, являются набухающими. Выявлено, что при моделировании переноса влаги по макропорам почвы нецелесообразно использовать осредненные гидрофизические характеристики. Впервые в России экспериментальные данные, полученные методом инфилътрометров, применялись для экспериментального обеспечения математических моделей.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны рекомендации по использованию полевых методов для экспериментального обеспечения математических моделей переноса влаги в почвах с развитой структурой ПП. Обоснованы условия применения моделей, учитывающих перенос влаги по макропорам в задачах расчета водного режима применительно к серым лесным почвам Владимирского ополья.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперимент проводился на опытных полях Владимирского НИИСХ г. Суздаля, на территории Владимирского ополья в июне - июле 1997 г.
2.1 Характеристика почвенных и климатических условий опытного участка
Владимирское ополье расположено на Русской равнине северо-западнее г. Владимира на левом берегу реки Клязьма на водоразделе рек Колокша и Нерль и представляет собой междуречную равнину, расчлененную овражно-балочной сетью. Территория ополья имеет форму овала длиной 70 км, шириной около 30 км с общим наклоном к юго-востоку. Юго-восточная часть ополья представляет собой невысокое Суздальское плато (абсолютные отметки 170-200 м). Суздальский и Владимирский районы более равнинны, холмы выражены меньше, овраги более крутобережны и обрывисты. Яркой чертой ополья является западинный микрорельеф. Понижения диаметром 5-10 м имеют очень пологие склоны и отстоят друг от друга на расстояние 15-30 м. Они занимают до 30 % площади поверхности. Превышения микроповышений над микропонижениями составляют чаще всего 30-50 см. Значительно реже встречаются более глубокие (глубже 1 м) понижения, диаметром до 50 см. Серые лесные и темноцветные почвы Владимирского ополья распространены на лессовидных покровных суглинках. Почвенный покров ополья характеризуется комплексностью, связанной с микрорельефом и представленной следующими компонентами: почвами со вторым гумусовым горизонтом в микропонижениях, остаточно-карбонатными почвами микроповышений и поверхностно-оглеенными почвами глубоких западин. Почвы Владимирского ополья обладают следующим общим комплексом свойств: средней аккумуляцией органического вещества, кислой реакцией среды в верхних горизонтах (в местах недавнего известкования пахотных горизонтов близка к нейтральной), слабой насыщенностью почвенного поглощающего комплекса основаниями. Текстурная дифференциация почвенных горизонтов четко проявляется в распределении илистой фракции. Различия химических свойств почв согласуются с их морфологическими характеристиками. Почвы понижений выделяются более глубокой гумусированностью профиля (Лакеев А.О., Дубровина И.В.,1990).