Автореферат (1151677), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Кроме того, путемрыхления и оструктуривания почвы возможно увеличение ее впитывающейспособности, а соответственно интенсивности дождевания, которая частоявляется основным критерием при подборе поливной техники. Адекватноотразить качество крошения возможно учетом изменения величины поровогопространства совместно со значением изменения удельной поверхностипочвенных агрегатов.Работу А, произведенную над почвой рабочими органами обрабатывающегоорудия, можно разделить на следующие компоненты:A = Апер + Акр ,(23)где Апер – работа по перемещению почвы, переориентации агрегатов и т.п., Дж;Акр – работа по разрушению целостности почвы, созданию сети трещин, т.е.созданию дополнительной поверхности агрегатов, Дж.Согласно гипотезе П.
Риттингера приращение площади поверхностиагрегатов пропорционально работе при крошении Акр. Эта работа может быть20использована для определения эффективности воздействия на почву. Онарасходуется на увеличение энергии связей между почвенными агрегатами инепосредственно связана с изменением энергетического состояния почвеннойвлаги. Поверхность образовавшихся при крошении почвенных агрегатовпропорциональна работе Акр.При рыхлении и крошении почвы наблюдается изменение параметровпорового пространства. Поэтому для дальнейшего рассмотрения удобноразделить общую пористость П на внутриагрегатную – Пк и межагрегатную – П*,причем П=Пк+П*, где внутриагрегатная пористость Пк вычисляется на образцахпочвы взятых до воздействия обрабатывающей техники, поскольку соответствуетпористости равновесного состояния почвы и определяется.Количественную оценку размера агрегатов с минимальными затратамивремени позволяет осуществить аэродинамический метод.Введем понятие размера «эффективного» агрегата d.
Объем такого агрегата,умноженный на число агрегатов, должен равняться первоначальномунеобработанному объему почвы. Поскольку площадь агрегата пропорциональнаd2, а объем пропорционален d3 можно рассчитать «эффективный» размер поизмерениям пористости и удельной поверхности.Удельная энергия E прямо пропорциональна удельной поверхности.Умножая коэффициент поверхностного натяжения на удельную поверхность,получаем энергию, приходящуюся на единицу массы почвы:Е = σ (Ω* - Ω),(24)где E – поверхностная энергия, приходящейся на единицу массы почвы, Дж/кг; σ- удельная работа увеличения поверхности границы раздела твердое тело жидкость, Дж/м2; Ω и Ω* - удельные поверхности почвенных агрегатов до и послепрохождения орудия, м2/кг.Пусть γ = ρ/ρк коэффициент упаковки агрегатов после рыхления почвы (ρ объемная масса после рыхления; ρк - плотность агрегата или объемная масса дорыхления).
Площадь образовавшихся после рыхления агрегатов(25)(Ω* - Ω) = γS/V,следовательно,S/V = (Ω* - Ω)/γ,(26)Предполагая справедливость нормального закона распределения агрегатовпо размерам, для объема и площади можно записатьS = n π(d2+σ2),(27)32V = n π(d +3σ d)/6,(28)2где σ - дисперсия распределения, n – число агрегатов.Совместное решение уравнений (26)-(28) позволяет получить значения d иσ, то есть дать статистическое описание результатов обработки. Верификациярезультатов осуществляется путем статистической обработки данных лазерногосканирования почвы. В качестве примера опишем результат оценки степеникрошения серой лесной почвы (агрегаты более 10 мм не рассматриваются, каклегко измеряемые другими методами).
Для сравнения предлагаемого подхода склассическим, агрегаты были разделены на фракции с помощью набора сит. По21результатам измерений массы фракций были построены полигоны частотn(d)/n.Полученный аэродинамическим способом эффективный размер агрегатовпочвы 2,8 мм практически совпадает с максимумом (3 мм) на классическипостроенном полигоне частот (рис. 8). Расхождение между предлагаемым иклассическим методом в данном случае составляет около 6,7%.n(d)⋅100%n3020dэф = 2,810d, мм003691215182124Рисунок 8 – Полигон частот образовавшихся частицТаким образом, величина эффективного радиуса почвенного агрегатапозволяет определять качество крошения почвы, а ее использование совместно сдругими гидрофизическими характеристиками дает возможность многостороннеоценивать влияние почвообрабатывающей техники на почвенную структуру.БРисунок 9 - Результаты работы программ по автоматизации расчетовстепени крошения и размера агрегатов.Для автоматизации процесса оценки степени крошения в средепрограммирования Delphi разработаны соответствующие программы (рис.
9). Приэтом использован механизм распознавания образов, базирующийся наиспользовании нейронных сетей. За основу взята обработка изображенийнейронными сетями, которая позволяет получать эмпирические распределения22n(d) числа агрегатов по размерам. Анализ полученного распределения позволяетвычислить среднее значение полученных после обработки почвы агрегатов и ихдисперсию. Для этого использована библиотека FANNL.
Фотографияповерхности почвы, подвергается попиксельному пересчету и на мониторвыводится статистическая информация о распределении агрегатов.Разработанные программы позволяют при минимальных затратах ресурсови времени получать количественные значения размеров агрегатов.На орошаемых землях достаточно часто наблюдается образованиеуплотненного слоя почвы, который оказывает существенное влияние навпитывание воды и образование поверхностного стока.
Для оценки уплотненияиспользуется коэффициент фильтрации. Сравнение чувствительностей оценкиуплотнения почвы различными методами можно произвести на основе теорииошибок по относительному изменению измеряемых величин. Введем параметрбезразмерной плотности r=ρ/ρsf (ρsf - плотность твердой фазы почвы) каквеличину относительного уплотнения, тогда П0=1 - r. Частное относительныхизменений значений коэффициента фильтрации к относительным изменениямзначений плотности δК/δr показывает на сколько процентов изменяется значениекоэффициента фильтрации при изменении плотности на 1 %, т.е.
во сколько раз впредлагаемом варианте выше чувствительность измерений:δK dK K dK r==.(29)δrdr rdr KДля случая А расположение пор:5C2 2 1K=(3 − 4r + r ) ⋅ , тогдаΩ0r355(3 − 4r + r 2 ) 2 ⋅ (−4 + 2r )r − (3 − 4r + r 2 ) 2δK C 2r=⋅⋅=25δ r Ω0r1C(3 − 4r + r 2 ) 2 ⋅Ω0r(30)4r 2 − 6r − 3= 2.r − 4r + 3Таблица 2 – Оценка уплотненного состояния почв (сравнительная)δК/δρΩ,Почвам2/гρsf , г/см3Дерново- подзолистаяСветло серая леснаяТемно серая леснаяЧернозем выщелоченный31,546,366,792,02,62±0,042,65±0,042,65±0,032,73±0,04ρ=1,3г/см33,543,693,714,75ρ=1,5г/см34,004,184,565,59ρ=1,7г/см34,855,655,616,73ρ=1,9г/см36,967,507,338,38Использование трехмерной модели порового пространства позволилополучить обобщенную зависимость коэффициента фильтрации от плотности иудельной поверхности почв.
Чувствительность определения параметра23уплотненного состояния почв по измерениям коэффициента фильтрациивозрастает с увеличением плотности. Если для неуплотненных почв она выше в3,5-4 раза, то для уплотненных примерно в 5-8 раз. Расчеты по формуле (30) дляразных типов почвы представлены в таблице 2.Исследование динамики уплотненного состояния почвы в зависимости отглубины проводится путем измерения коэффициента фильтрации 20-тисантиметрового слоя почвы.
Далее решается система уравнений, в каждом изкоторых «тонкие» почвенные слои толщиной 2 см вносят свой аддитивный вкладв 20 см слой. При протекании газа через почву имеют место потери энергиигазового потока в каждом слое. Поэтому измеренная для почвы величина K 1−1может быть представлена в виде суммы величин обратных коэффициентамфильтрации с 1-го по 10-й слой:k1−1 + k2−1 + ...
+ k10−1 = K1−1 ,(31)где ki−1 – вклад i-го слоя (рис. 10).1 - й слой2 - й слойh(n - 1) - й слойn - й слойРисунок 10 – Порядок отбора образцов почвы для определения коэффициентафильтрацииАналогично записав уравнения для глубины залегания слоев со 2-го по 11й, с 3-го по 12-й и т.д. составим систему (n-10) уравнений, с n неизвестными. Длятого чтобы система имела единственное решение ее необходимо дополнить еще10-ю уравнениями. Более высокие значения влажности и плотности почвыпозволяют определить коэффициент фильтрации для одного слоя используястакан высотой в 2 см. Это невозможно сделать для более сухих и менее плотныхверхних слоев, так как образцы почвы рассыпаются. Определив еще 10 значений,получаем систему уравнений:⎧ k1−+1i + k2−+1i + ...
+ k10−1+ i = K1−+1i ,(32)⎨ −1−1kK,=n −10 + i⎩ n −10 + iгде i=0...10. Решение системы позволяет анализировать уплотнения в каждомслое.Для совокупной оценки таких мелиоративных мероприятий, какразуплотнение и рекультивация введено понятие - потенциал деформируемостипочв (патент RU 2528551). В конкретных условиях залегания почвы потенциалдеформируемости почвы равен удельной энергии, затраченной на массообменныепроцессы и деформацию:24⎛ EА ⎞ ⎛ EА ⎞ϕ = −⎜⎜ 1 − 1 ⎟⎟ + ⎜⎜ 2 − 2 ⎟⎟,(33)mmmmn1 ⎠ ⎝ n 4n2 ⎠⎝ n3где А1, А2 – механическая работа, затраченная соответственно на деформациюпочвы при тестировании твердомером до и после ее обработки, Дж; mn1, mn2 –соответственно масса деформированной почвы при тестировании твердомером дои после ее обработки, кг; Е1, Е2 – свободная энергия Гиббса, характеризующаясостояние влаги в почве и тем самым определяющая энергию связей междуподвижными почвенными частицами в образце почвы до и после воздействия нанее рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, Дж; mn3, mn4 –соответственно масса почвы в образце, взятого на тестируемом участке до и послемеханической, кг.Для расчета потенциала деформируемости почвы необходимы измерениявеличины твердости и глубины погружения цилиндрического наконечникатвердомера соответствующие линейному (начальному) участку твердограммыР=f(h).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
