Диссертация (Моделирование порового пространства и гидрофизических свойств почв для обоснования мелиоративных мероприятий и технологий), страница 5

От используемой базы данныхзависит точность и адекватность педотрансферных функций. Посколькуиспользование ПТФ является разновидностью стохастического моделирования, тонемаловажную роль играют предварительная группировка почв и применяемыеспособы (многофакторная регрессия, метод «нейронных сетей» и др.)восстановления педотрансферных функций.При использовании практически всех типов ПТФ важно учитыватьпринцип несовместимости Л. Заде, который утверждает, что при ростесложности системы уменьшается возможность ее точного описания вплотьдо того порога, за которым точность и смысловая связанность информациистановятся несовместимыми, взаимно исключающими характеристиками.Поэтому считаем целесообразной разработку физически обоснованной ПТФиспользующей преимущества точечно-регрессионных и функциональнопараметрических регрессионных функций.Наибольшее развитие описанные идеи получили в камеральномаэродинамическом методе В.М.

Сироткина [192].25RsReqR efΔxΔlРисунок 1.4 – Модель Сироткина В.М. [192]Все поры образца заменяются на одну пору имеющую цилиндрическуюформу. Объемы цилиндрической поры и всех пор почвы равны. Длина порыравна длине образца Δх (рисунок 1.4), а из равенства площади сечения2V P S P Δx Reqцилиндра с общей площадью сечения пор Sp=== P (Р –VS S S Δx RS2пористость, Rs - радиус образца) находится эквивалентный радиус Req. Длялюбого перпендикулярного оси цилиндра сечения отношение площадисечения всех пор Sp к площади сечения образца Ss постоянно.Уменьшение кинетической энергии потока газа при прохождении черезпочву связано с силами вязкого трения. Это трение о поверхность раздела«жидкость-газ», которая образуется при адсорбировании жидкости натвердых частицах почвы. Разность давлений совершает работу, попроталкиванию газа через почву.

Она равна потерям при протекании воздухачерез образец. Величина поверхности раздела «жидкость-газ» отнесенная кобъему жидкости и твердой фазы называется удельной поверхностьюконденсированной фазы:Ω cf =2πReq ΔlVcf,(1.1.5)26где Vcf – сумма объемов жидкой и твердой фаз.Предложенная модель имеет следующие существенные недостатки:- осевая симметрия модели не позволяет при трансляции полностьюзаполнять моделями почвенное пространство; незаполненные областипространства существенно искажают значения пористости и эквивалентногорадиуса, а, следовательно, и полученного результата.- неучтенными остаются поры, имеющие неколлинеарную с главнойосью ориентацию; эти поры составляют существенную долю всех пор, новеличины их конденсированных фаз не учитываются.В связи с этим значения ОГХ в областях средних и высокихвлажностей несколько больше реальных, а в области низких влажностейзначительно больше реальных.1.2. Изучение динамики влаги при орошенииСогласно международной классификации орошение подразделяют нааэрозольное,дождевание,поверхностное,внутрипочвенное(содержиткапельное) и подземное, причем никакой из способов не являетсяуниверсальным.

Основная идея рационализации полива в механизмахрегулированиявлажностисоответственнопотребностямсельскохозяйственных культур и экономии водных и энергетическихресурсов.1.2.1. Впитывающая способность почвыВпитывание воды в почву является сложным процессом. Поток влагиопределяется как объем воды, впитавшийся в почву за единицу временичерез единицу площади: q = Q/St.

На скорость впитывания воды в почвукомплексное влияние оказывают такие факторы как удельная поверхность,пористость почвы, ее начальная влажность, структурность и водопрочность27агрегатов, корневая система и др.Определение коэффициента фильтрации, часто проводят с помощьювертикальных почвенных монолитов. Измеряют объем впитавшейся воды,поддерживая постоянной толщину слоя воды на поверхности монолита.Различаютбезнапорнуюфильтрацию(сединичнымгидравлическимградиентом) и напорную (градиент превосходит единицу).Полученныевбольшинствеисследованийотечественныхизарубежных ученых зависимости и расчетные формулы, описывающиепроцессыинфильтрациивомногихслучаяхспециализированыдляопределенных почв в конкретных условиях и далеко не всегда переносимы отпочвы к почве.Убывающую со временем интенсивность впитывания описываетуравнение А.Н. Костякова [135, 136]:Kt = K0 t −α ,(1.2.1)где Kt - интенсивность впитывания в момент t, K0 – интенсивность в началевпитывания, α – коэффициент.Аверьяновым С.Ф.

и др. формула (1.2.1) была усовершенствованапутем добавления константы равной коэффициенту фильтрации Kф,поскольку, через определенное время, после заполнения пор водой, потокстабилизируетсяиначинаетсяфильтрацияводычерезпочву,т.е.K t = K ô + K 0 t − α . Однако такой тип модели не является стандартным и еголинеаризациядлястатистическойобработкинетривиальна,поэтомуприменение электронных таблиц с целью получения интересующихчисленных значений затруднено.В ряде работ в формулу (1.2.1) добавляется множитель еβi (β эмпирический множитель, i - уклон).Невпитавшаяся вода обуславливает угрозу образования эрозионноопасного стока. Поэтому многими исследователями для улучшениявпитывания были предложены всевозможные решения: дискретный полив с28регулированием интенсивности (А.Н. Костяков и др.); использованиекратковременного полива за определенное время до основного с цельюувеличения коэффициента влагопроводности (предварительное смачивание)(H.H.

Дубенок); омагничивание воды (H.A. Волконский, Н.Ф. Бондаренко,М.Г. Мамаев и др.); механическое рыхление почвы и ее щелевание (М.С.Григоров и др.); повышение структурности почвы с использованиемполимерных материалов (H.A. Качинский, И.Б. Ревут, A.A. Роде и др.).1.2.2. Изучение контуров увлажнения при капельном орошенииРаспределениевлагиприточечномувлажненииимеетсвоиособенности, которые в большинстве исследований выражаются в видерегрессионныхзависимостей,описывающихпараметрыконтуровувлажнения.

Широкий ряд таких зависимостей приведен в работах А.Д.Ахмедова, М.С. Григорова, А.С. Овчинникова, Е.П. Борового, В.И.Ольгаренко, Г.В. Ольгаренко и др.Поскольку капельное орошение получает широкое распространение вРоссии и за рубежом, позволяя повысить урожайность сельскохозяйственныхкультур, рассмотрим основные характерные ему моменты.При капельном орошении важной является задача определенияпараметров контура увлажнения в области развития корневой системы.

Взависимости от скорости и количества подаваемой воды, а также от воднофизических свойств почвы форма и размеры контура могут значительноразличаться. А поскольку форма и размеры напрямую связаны с поливныминормами, то расчет их динамики необходим при оптимизации и повышенииэкономической эффективности капельного полива.Исследования по изучению параметров контура увлажнения частопроводятся на водно-балансовых площадках для разных поливных норм, приучете ряда факторов: степени увлажнения участка, типа почв, климата,водопроницаемости, пористости, засоленности, уплотненности почвенного29профиля и др.

Установка датчиков влажности на разных глубинах или взятиеобразцов при помощи буров позволяют получать и анализировать значениявлажности. Затем, в большинстве случаев, путем обработки массивастатистических данных получают уравнения регрессии, связывающие формыи размеры контура увлажнения от обозначенного ряда факторов.В ряде случаев изучается зависимость объема подаваемой воды отчисла капельниц и их расположения относительно растения и применяетсяметод расчета объема воды для одной капельницы, с дальнейшимперерасчётом на 1 га.Несмотря на имеющийся ряд нерешенных вопросов связанных спроблемами, возникающими при капельном орошении, своевременнаяподача поливных норм, позволяет эффективно использовать этот наименееэкологически опасный способ полива, поддерживающий оптимальныйводный режим почв.Поскольку расчет режимов капельного орошения позволяет дозироватьподачу воды конкретно в область расположения корневой системысельскохозяйственных культур, то основой численных расчетов может бытьопределение контуров увлажнения совместно с ОГХ.

Поэтому обоснованиеособенностей поливного режима эффективнее осуществлять, используя ОГХи функцию влагопроводности в соответствии с физико-механическимисвойствами почв.1.2.3. Изучение динамики влаги при дождеванииДождевание является автоматизированным способом орошения, прикотором увлажняются как поверхностный слой почвы, так и сами растения.Интенсивность дождя – отношение слоя осадков впавших в единицувремени i=dh/dt. Качество дождевания определяется, помимо интенсивностии равномерности распределения воды, размером капель. От размера капельзависит интенсивность их испарения. С другой стороны, в зависимости от30размера, капли с разной интенсивностью разрушают почвенные агрегаты.Следовательно, по-разному происходит кольматация поверхности почвы именяется ее впитывающая способность.Как и при капельном орошении, установка датчиков влажности наразных глубинах или отбор проб с помощью буров позволяют анализироватьдинамику влажности в зависимости от степени увлажнения участка, типапочв,климата,водопроницаемости,пористости,засоленности,уплотненности почвенного профиля и др.

Обработка статистических данныхпозволяет получать уравнения регрессии, описывающие глубину и скоростьпроникновения воды.При орошении дождеванием благодаря полной механизации процессаполива есть возможность точной регулировки поливной нормы с учетомоптимальной интенсивности дождя. Учет свойств орошаемых почв сиспользованием моделей влагопереноса представляет собой количественнуюоснову для уменьшения поверхностного стока, образования луж и смывапочвы.1.3. Анализ методов изучения гидрофизических свойств почвыСуществующиеметодыопределенияважныхдляданногоисследования почвенных характеристик достаточно многочисленны иобладают рядом своих достоинств и недостатков.1.3.1.

Методы изучения почвенного порового пространстваВ последнее время для изучения гидрофизических свойств почв вРоссииизарубежомширокоеприменениеначинаютполучатьтомографические исследования. Используя томографы (например, SkyScan1172 с разрешением до 16 мкм) можно измерять пористость, объемнуюплотность и влажность почвы [222]. Кроме того, возможна оценка динамики31объемной массы почвы и общей структуры пор вокруг семян и корней впроцессе вегетации. Анализ трехмерных изображений позволяет определитьсвязь уплотняющего воздействия техники с изменением сети преобладающихводно-воздушных каналов в почвах.