Диссертация (1151678), страница 23

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 23)

рисунок 3.11) с меньшейвлагопроводностью и большим водоудержанием.Можно сделать вывод о том, что при обработке почвы фрезамидостигается хороший уровень крошения почвы. Такое воздействие позволяетэффективно снизить скорость испарения влаги почвой, следовательно,семена попадают в почву, менее интенсивно испаряющую влагу и имеющую,благодаря увеличенной фрезерованием пористости, лучшую впитывающуюспособность.Исследование процесса подготовки почвы к посеву овощных культурпоказало, что при среднем временном разрыве между и посевом семяновощей и предпосевной подготовкой почвы от 0,5 до 1,5 часов семена, врезультате резкого снижения влажности, попадают в иссушенный слойпочвы. Это отрицательно сказывается на их всхожести [80].0,00140,00120,001V(w)0,00080,00060,00040,0002000,10,20,30,4w, (м3/м3)Рисунок 3.11 – Динамика влажности(от w =0,32 V(w)=0,00012 до w =0,27 V(w)=0,00038)0,51563.3.

Модель порового пространства при оценке уплотнения почвыНа орошаемых землях достаточно часто возможно образованиеуплотненного слоя почвы, который оказывает существенное влияние навпитывание воды и образование поверхностного стока. Для оценкиуплотнения используется коэффициент фильтрации. Согласно ГОСТ 1626589 «Земледелие. Термины и определения» под термином уплотнение почвыпонимается«Технологическаяоперация,обеспечивающаяизменениевзаимного расположения почвенных отдельностей с уменьшением объемапор», под термином прикатывание почвы понимается «Прием обработкипочвы катками, обеспечивающий ее уплотнение, крошение глыб и частичноевыравнивание поверхности почвы».3.3.1.

Использование функции влагопроводности для изученияуплотненного состояния почвыЕсли крошение глыб при прикатывании можно оценить через размерыэффективных агрегатов, то для точной оценки уплотнения, эти величины негодятся, поскольку при уплотнении повышается величина объемнойвлажности и агрегаты сливаются в практически однородный слой. Однакоесли вместо измерений плотности почвы использовать измерения функциивлагопроводности (коэффициента фильтрации) и ОГХ, то можно получитьболее точную картину уплотнения [265]. Это объясняется тем, что самополучение образца приводит к его деформированию и искажению значенийплотности. На достаточной глубине приращения плотности получаемые из-замногократного прохождения техники по поверхности поля малы, а интервалзначений плотности основных типов почв достаточно узок. Перечисленныефакты приводят к тому, что уплотнение, связанное с остаточнымидеформациями на глубине малозаметно в эксперименте [245, 260].Наиболее сильно при уплотнении меняется коэффициент фильтрации157(максимальное значение функции влагопроводности) и ОГХ.

Кроме того, этивеличины непосредственно связаны с влагообеспеченностью растений иурожаем.Поэтомуихиспользованиедляиндикацииуплотненияпредставляется наиболее логичным. Урожайность растений во многомопределяется плотностью почвы [134, 137]. Плотность почвы значительновлияет на развитие корневой системы растений, поскольку уплотненнаяпочва оказывает повышенное сопротивление проникновению корней [271].Из-за малой пористости в такой почве может содержаться лишь небольшоеколичество воды. Поры во время выпадения осадков быстро заполняютсяводой, ухудшаются влаго- и воздухопроводность [226], что негативно влияетна рост корней и развитие растений.Поэтому создание оптимального по физическому состоянию пахотногослоя, – одна из основных проблем современной агротехники и физики почв[101, 157].Как было показано ранее, существует диапазон влажностей, прикотором почва наиболее сильно подвержена уплотнению (для различныхзначений влажности почва описывается различными реологическимимоделями).

А поскольку влажность почвы сильно варьирует в зависимости отглубины, то в большинстве случаев имеется слой с потенциально опаснымзначением влажности, поэтому при изучении уплотнения следует учитыватьзависимость влажности почвы от глубины.Переуплотнение подпахотного слоя, так называемое накопительноеуплотнение или «плужная подошва» – важная характеристика уплотнения.Существенную роль играет и кратность уплотняющего воздействия.Ежегодное многократное воздействие ходовых систем МТА на почву ведет кнакапливанию уплотнения в пахотном и подпахотном горизонтах. Основнаячасть сельскохозяйственных площадей в среднем подвергается 2-4 –кратному уплотняющему воздействию ходовых систем МТА, которыепокрывают следами от 40 до 70 % площади, многократному воздействиюподвергаются поворотные полосы.

Под влиянием многократных проходов158техники уплотнение нарастает и проникает в более глубокие слои почвы.Происходит образование слоя почвы плохо проницаемого для воды ивоздуха. Степень уплотнения существенно зависит, помимо кратностивоздействия и влажности, от величины контактного давления, исходногосостояния почвы. Перечисленные факторы напрямую определяют глубинупроникновения деформации и разрушения структуры почвы. Обнаружитьтакоеуплотнениедостаточнотрудно,посколькуононезаметносповерхности почвы, а значения плотности довольно сильно варьируют [34,35, 56].

В результате усиливаются эрозионные процессы, ухудшаетсяжизнедеятельность почвенной микрофлоры, увеличивается сопротивлениепочвы обработке [44, 46].Практическивсепоказатели,характеризующиеуплотняющеевоздействие техники часто являются функциями плотности почвы [111].Функциональныезависимостимеждупоказателямиуплотненияиплотностью почвы достаточно изучены и информативны, однако в рядеслучаевимеютсятрудностиреализациейизмеренийнапрактике.Мониторинг процессов накопления остаточных деформаций в почвесущественно затруднен из-за того, что изменение значений плотности частоимеет тот же порядок малости, что и ошибка измерений.

Выемка образцапочвы из места его залегания приводит, к занижению или завышениюэкспериментального значения плотности.При оценке уплотняющего воздействия техники важным моментомявляется возможность определять даже небольшие изменения искомыхвеличин. Чувствительность измерений можно повысить при заменеизмерений плотности измерениями гидрофизических характеристик почв.Особенно чувствительными по отношению к уплотняющему воздействиютехники являются коэффициент фильтрации и потенциал почвенной влаги[137, 192, 242]. Использование этих гидрофизических характеристик являетсяболее предпочтительным еще и потому, что с их помощью адекватноописывается влагообеспеченность растений [207, 208].159При воздействии сельскохозяйственной техники на почву изменениямв первую очередь подвержено поровое пространство.

Форма, величина иориентация пор являются наиболее информативными и генетическиобусловленными признаками почвы при данном рассмотрении вопроса.Поэтому при изучении уплотнения необходимо обратить внимание напоровое пространство и использовать для этого аэродинамический метод.Рассмотрим протекание воздуха через две противоположные гранитрехмерного образца почвы. Поскольку известна неизменность законовпротекания для газов и жидкостей при сопоставимых числах Рейнольдса,Маха и Фруда [85, 153]. То есть равенство однотипных критериев подобияразных физических явлений является достаточным условием подобия этихявлений. Таким образом, для описания движения газа можно воспользоватьсязаконами, полученными для описания движения жидкости.

Следовательно,расчет по экспериментальным данным значения коэффициента фильтрации Kдля воздуха, позволяет получить значение коэффициента фильтрации дляводы K*:K∗ = Kη1,η2(3.3.1)где η1 –коэффициент вязкости воздуха, η2 –коэффициент вязкости воды.Запишем закон ДарсиQ=KΔpS обр ,l(3.3.2)где Sобр – площадь грани образца, Q=ΔV/Δt – расход газа, т.е. объем газа ΔVпротекающего через образец за единицу времени Δt.Выражение для объемной удельной поверхности почвы имеет вид3(ln2)2 (Π 02 + 2Π 0 )2 ΔpΔtΩ0 =⋅⋅,1 − Π0ΔV128 π ηV55(3.3.3)где Π0=Π+w пористость сухого образца, η – вязкость газа, Па·с, w – объемнаявлажность, м3/м3.Зависимость коэффициента фильтрации от пористости и удельной160поверхности почвы можно получить подставив в зависимость коэффициентавлагопроводностизначениевлажностисоответствующееполномузаполнению пор водой w=П0:5K=3(ln2) 2128 π ηl 4(Π⋅+ 2Π 0 ) 2 1.⋅1− Π0Ω0520(3.3.4)Поскольку пористость Π0 можно выразить через плотность сухогообразца ρ и плотность твердой фазы почвы ρsf согласно выражениюΠ0 = 1 −ρ,ρ sf(3.3.5)то, подставляя (3.3.5) в (3.3.4) и обозначая первый сомножитель (3.3.4) черезконстанту С, имеем5⎛ρρ ⎞⎟ 2 ρ sf 1⎜+ 2⋅⋅K =C⋅ 3−4.⎜⎟ρρρΩ0sfsf ⎠⎝2(3.3.6)Коэффициент фильтрации в формуле (3.4.6) зависит от удельнойповерхности твердой фазы и плотности почвы.

Это значит, что формулапозволяет учитывать как генетические свойства почвы, так и ее состояние.Возможен и взаимообратный переход от значений коэффициента фильтрациик значениям плотности. В результате получена зависимость коэффициентафильтрации от удельной поверхности твердой фазы и плотности почвы вявном виде.Сравнение чувствительностей оценки уплотнения почвы различнымиметодами можно произвести на основе теории ошибок.Вслучае,когдачисленноезначениенекоторойвеличиныфункционально зависит от некоторого набора измеряемых величин, ее можновыразить в виде:у=ƒ(х1, х2, ... хn),(3.3.7)где х1, х2, ... , хn – базис измеряемых величин. При получении численныхзначений х1, х2, ... , хn допускаются ошибки ±dх1, ±dх2, ...

, ±dхn. Поэтому для161непрерывной ƒ(х1, х2, ... , хn) можно записатьу±dу=ƒ(х1 ± dх1, х2 ± dх2, ... , хn ± dхn),(3.3.8)В рассматриваемом нами случае одной независимой переменнойвыражение (3.3.7) принимает виду±dу=ƒ(х ± dх),(3.3.9)Ограничимся линейной частью разложения ƒ(х) в ряд Маклорена:у±dу=ƒ(х)±ƒ′(х)dx,(3.3.10)Для приращения можно записатьdу=dxƒ′(х),(3.3.11)Пусть Δу - вариация функции, при вариации аргумента Δх:Δу=Δхƒ′(х).(3.3.12)Поэтому относительная ошибка может быть записана какΔу/y=Δхƒ′(х)/y,(3.3.13)dy dx(dy / dx) df ( x)==,yf ( x)f ( x)(3.3.14)илиобозначая δу=dу/y, можно записать:δу=dlnƒ(х).(3.3.15)Формула (3.3.15) показывает, что относительная ошибка функцииодного независимого переменного δу равна дифференциалу натуральногологарифма этой функции.Чувствительностьэкспериментальноизмеряемыхвеличинкуплотнению будем сравнивать по их относительному изменению.Введемобезразмереннуюплотностьr=ρ/ρsfкаквеличину,показывающую относительное уплотнение.

Тогда δК/δr показывает восколько раз чувствительность по измерениям коэффициента фильтрациивыше чувствительности по измерениям плотности (показывает на сколькопроцентов изменяется значение коэффициента фильтрации при измененииплотности на 1 %).162Тогда по формуле коэффициента влагопроводности можно определитьчувствительность уплотнения, итак если:5C1K=(3 − 4r + r 2 ) 2 ⋅ ,rΩ0(3.3.16)то для определения чувствительности имеем:dKdK rδK.= K =dr Kδ r drrПервыйсомножитель(3.3.17)есть(3.3.17)производнаякоэффициентафильтрации по относительному уплотнению:355(3 − 4r + r 2 ) 2 ⋅ (−4 + 2r )r − (3 − 4r + r 2 ) 2dKC 2=⋅=dr Ω 0r2=C (3 − 4r +⋅Ω032 2r ) ( 4r 2r− 6r − 3)2(3.3.18).После преобразований найдем отношение относительных ошибок355(3 − 4r + r 2 ) 2 ⋅ (−4 + 2r )r − (3 − 4r + r 2 ) 2δKC 2=⋅×δ r Ω0r24r 2 − 6r − 3.×= 2543r−r+1C(3 − 4r + r 2 ) 2 ⋅Ω0rr.(3.3.19)Аналогичные выкладки для трехмерной модели, не учитывающейбоковые поры, дают следующий результат:3r +1δK 2=.δrr −1(3.3.20)В обоих случаях (3.3.19) и (3.3.20) δК/δr является убывающейфункцией от r, т.е.

наблюдаем увеличение коэффициента фильтрации приуменьшении уплотнения. Величина r связана с пористостью почвы.163Зависимость чувствительности от относительного уплотнения для реальносуществующих значений пористости от 0,4 до 0,6 приведена на рисунке 3.12.-1чувствительность-20,40,50,60,73 поры1 пора-3-4-5-6-7-8относительное уплотнениеРисунок 3.12 – Чувствительность оценки уплотнения почвИз рисунка 3.12 видно, что абсолютная величина чувствительностиоценки уплотнения по значениям коэффициента фильтрации возрастает приувеличении уплотнения. Поэтому коэффициент фильтрации целесообразноиспользовать для оценки уплотнения, а не разрыхления.Учитывая, что Π=Π0–w, можно получить зависимость коэффициентафильтрации от влажности и делать поправки на изменение влажности сглубиной.Использование трехмерной модели позволяет получить обобщеннуюзависимостькоэффициентафильтрацииотплотностииудельнойповерхности почв.

Характеристики

Список файлов диссертации