Научная статья на тему 'Моделирование работы линейных польдерных систем. Расчет переноса влаги в междренной полосе'

Моделирование работы линейных польдерных систем. Расчет переноса влаги в междренной полосе Текст научной статьи по специальности «Сельское и лесное хозяйство»

CC BY
45
14
Поделиться

Аннотация научной статьи по сельскому и лесному хозяйству, автор научной работы — Н. М. Кащенко, В. П. Ковалев, В. В. Васильев

Моделирование работы действующих польдерных систем, основанное на данных экспериментов, показало наличие выраженной зависимости расстояний между дренами от площади осушаемого массива. Наличие подобной зависимости требует точного подхода к расчету параметров дренажа и, в частности, переноса влаги в почве. Применение уравнений переноса влаги по почвенным пленкам устраняет ограничения применения диффузионных уравнений (Ричардса-Букингема) и показывает, что формирование капиллярной каймы и водоотдачи определяется движением влаги по пленкам.

Похожие темы научных работ по сельскому и лесному хозяйству , автор научной работы — Н. М. Кащенко, В. П. Ковалев, В. В. Васильев,

Modelling of work of linear polder systems and the calculation of water transfer in inter-drain strip

Modelling of operation of existing polder systems, based on the data of experiments, showed the presence of apparent dependence of the distance between drains on the area of drained plot. The presence of such a dependence requires accurate approach to the calculation of parameters of drainage and to water transfer in the soil in particular. Application of equations of water transfer according to soil films eliminates restrictions of application of diffusion equations (of Richards-Buckingham) and shows that formation of capillary border and water yield is determined by the movement of water along the films.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Моделирование работы линейных польдерных систем. Расчет переноса влаги в междренной полосе»

ленные, 109450 га очень сильно засоленные почвы, а 27500 га относятся к солончакам. На территории массива, где степень засоления колеблется от среднего до сильного засоления необходимо проведение агромелиоративных мероприятий, способствующих уменьшению количества солей.

4. Промывную норму для мелиорации засоленных почв (с содержанием солей 2-3,0 %) следует рекомендовать равной 10000-12000 м3/га, а для относительно менее засоленных земель (с содержанием солей 1-2,0 %) - 6000-8000 м3/га. Вода должна подаваться разовыми нормами по 20002500 м3/га. Промывку следует проводить в осенне-зимний период года, чтобы избежать реставрации засоления. После промывки в первом году земли следует занять солеустойчивыми культурами (ячмень, сорго и т. д.), выносить органо-минеральные удобрения с применением промывного режима орошения, который способствует обогащению корнеобитаемого слоя почвы органическими веществами, что улучшает мелиоративное состояние земель.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдуев, М .Р.Ускоренная мелиорация глинистых солончаках Азербайджана / М. Р. Абдуев. - Баку, 1977. - 109 с.

2. Азизов, К.З. Водно-солевой баланс мелиорируемых почвогрунтов Кура-Аразской низменности и научный анализ его результатов / К. З. Азизов. - Баку,2006. - 260 с.

3. Аринушкина, Е. В. Руководства по химическому анализу почв / Е. В. Аринушкина. - М., 1970. - 488 с.

4. Бабаев, М. П. Морфогенетические профили почв Азербайджана / М. П. Бабаев. - Баку, 2004. - 204 с.

5.Волобуев, В. Р.Генетические формы засоления почв Кура-Араксинской низменности / В. Р. Волобуев. - Баку, 1965. - 246 с.

6. Качинский, Н. А. Физика почв / Н. А. Качинский. - М.,1965. - С. 60-79.

7. Костяков, А. Н. Основы мелиорации «Сельхозгиз» / А. Н. Костяков. - М.,1960. - 633 с.

8. Экологические аспекты орошения земель в условиях техногенного загрязнения.в кн.Экологические аспекты мелиорации земель Юга Нечерноземья / Ю. А. Можайский [и др.]. - М., 2003. - С. 74-122.

9. Мустафаев, М. Г. Влияние почвенно-климатических условий Мугано-Сальянского массива на сельскохозяйственное производство / М. Г. Мустафаев // Известия и Аграрной науки. - 2008. - Т. 6. - №3. - С. 44-47.

10. Мустафаев, М. Г. Роль мелиорации почв Мугано-Сальянского массива / М. Г. Мустафаев // Мелиорация и водное хозяйство ХХ1 века. Наука и образование: мат. междунар. конф. - Горки, 2009. - С. 41-45.

11. Шихлинский, Э. М. Климат Азербайджана / Э. М. Шихлинский. - Баку, 1968. - С. 15-25.

УДК 631.616:621.72.00157

Н. М. КАЩЕНКО, В. П. КОВАЛЕВ, В. В. ВАСИЛЬЕВ

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЛИНЕЙНЫХ ПОЛЬДЕРНЫХ СИСТЕМ.

РАСЧЕТ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ В МЕЖДРЕННОЙ ПОЛОСЕ

(Поступила в редакцию 28.12.2013)

Моделирование работы действующих польдерных систем, Modelling of operation of existing polder systems, based on

основанное на данных экспериментов, показало наличие вы- the data of experiments, showed the presence of apparent de-

раженной зависимости расстояний между дренами от пло- pendence of the distance between drains on the area of drained

щади осушаемого массива. Наличие подобной зависимости plot. The presence of such a dependence requires accurate ap-

требует точного подхода к расчету параметров дренажа и, в proach to the calculation of parameters of drainage and to wa-

частности, переноса влаги в почве. Применение уравнений ter transfer in the soil in particular. Application of equations of

переноса влаги по почвенным пленкам устраняет ограничения water transfer according to soil films eliminates restrictions of

применения диффузионных уравнений (Ричардса-Букингема) и application of diffusion equations (of Richards-Buckingham)

показывает, что формирование капиллярной каймы и водоот- and shows that formation of capillary border and water yield is

дачи определяется движением влаги по пленкам. determined by the movement of water along the films.

Введение

В процессе эксплуатации действующих польдерных систем Неманской низменности Калининградской области выявлена характерная для них неравномерность осушения массива. Анализ экспериментальных данных работы польдерных систем показал, что неравномерность осушения - результат не учтенных в расчетах параметров, составляющих польдерную систему элементов особенностей формирования стока в условиях безуклонного рельефа. Основанные на экспериментальных данных вычисления выявили наличие полной взаимосвязи параметров составляющих ее элементов: дренажа, проводящих каналов и насосной станции. Полученная при численном моделировании зависимость

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

между площадью осушаемого массива (F) и расстоянием между дренами (Е) £ = 8 + 32 • expf__—1 •

Я 1250J

для £/лр = 1л/(с-га) требует точного подхода к расчету параметров дренажа (рис. 1) [1].

Анализ источников

Расчет параметров дренажа связан с вычислением динамики притока грунтовых вод к дренам в насыщенной зоне почвы и переноса влаги в ненасыщенной зоне. Для расчета потоков грунтовых вод в насыщенной зоне чаще всего используются уравнения Буссинеска и Ричардса-Букингема для опи-

сания движения влаги в ненасыщенной зоне. Оба уравнения диффузионного приближения, в рамках которого невозможно корректно описать результаты экспериментов, в частности, М. Hallaire [3], С. И. Дмитриева, В. Нечаева [8]. Все интерпретации зависимостей переноса влаги в почве имеют в своей основе физическую модель порового пространства. Предложенная С. Аверьяновым и получившая свое развитие в работах van М. Genuchten (Soil Sci. Soc. Am.1980), Y. Mualem (Water Resour.1976) интерпретация закономерности переноса влаги в ненасыщенной почве, имея нижним пределом наименьшую влагоемкость, является диффузионным приближением. Рассматриваемая модель движения по пленкам поверхности порового пространства базируется на гипотезе минимального объема почвы, основанной на гипотезе С. Нерпина о неразрывности пор одного диаметра в почвенном массиве [2], экспериментальных работах К. П. Лундина [4], П. П. Боброва [5]. Хорошее качественное совпадение рассчитанных значений с экспериментальными данными показывает правильность выбранного направления моделирования. Провести сравнительный анализ полученные результатов с имеющимися литературными данными не представляется возможным ввиду их отсутствия.

Методы исследования

Исходными данными для данной разработки явились теоретические и экспериментальные работы С. Нерпина, Е. Хлопотенкова [2], М. Hallaire [3], К. П. Лундина, Л. Б. Свердловой [4], П. П. Боброва, Т. А. Беляевой, О. В. Галеева, В. И. Убогова [5], И. Л. Калюжного, К. К. Павловой [7], С. И. Дмитриева, В. К. Нечаева [8], Ф. Е. Колясева [9], И. И. Судницына [10].

Основная часть

Уравнения Ричардса-Букингема и Аллера для потенциала. При расчете параметров дренажа для одновременного описания движения влаги в насыщенной и ненасыщенной пористой среде почвы уравнение Ричардса-Букингема в терминах потенциала при направленной вверх координате z имеет вид:

Учитывая, что

= C(h)—•> получаем:

дв „ ...... д (,,,„(ôh л „ (1)

5/ Л Э/ д(

где ^ - функция источников и потерь влаги, (1/м), к - потенциал почвенной влаги, (м), к(И) - вла-гопроводность почвы, (м/с).

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

В модельных расчетах использовалось приближение вида:

где ^ - источники (осадки, приток и др.), (м/с), Q - потери (сток, испарение и др.), (м/с), - толщина распределения источников и потерь, (м).

Для решения уравнения Ричардса-Букингема в задаче фильтрации без явного выделения УГВ следует решать уравнение относительно полного потенциала, равного сумме капиллярной и гравитационной составляющих [7]. В насыщенной зоне С{И) = 0. Это создает сложности при численном решении уравнения потенциала. Для устранения этих сложностей величину д(К) приближенно аппроксимируем так, чтобы в насыщенной зоне она принимала малое положительное значение, выбранное из условия малости погрешности такого приближения. Для удобства решения в уравнении Ричардса-Букингема сделаем замену к = Нк - где к - полный потенциал, кк - капиллярный потенциал, тогда оно принимает вид:

^ = у шиъ г/^ + АГш/Ы1 + ^ (2)

С{И)1к = (кт")} + Ть^Хь))+1

При численном решении уравнения по горизонтальным координатам используется явная аппроксимация, а по вертикали неявная и применяется классический вариант прогонки. Для ускорения сходимости итераций применяется релаксация по переменным х и у. Уравнение Аллера формально получается добавлением в уравнение Ричардса-Букингема слагаемого вида:

где А - коэффициент Аллера (эмпирический коэффициент, имеющий размерность длины, м).

С учетом этого уравнение переноса принимает вид:

При условии независимости коэффициента А от времени и координат уравнение (3) можно переписать в следующем виде:

П

- 4(h)- АА1 (V(ht))> V(k(h)V(hk) + £ . ot

Для решения этого уравнения применен следующий алгоритм. После выполнения шага при А = О получим значение к, которое обозначим через й0, и соответственно в(Ь0) и 0 (к ). Тогда получаем аппроксимацию:

-I \т

.8гК

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

,дгК

,дгк

где т - шаг по времени, а черта обозначает значение на предыдущем временном шаге. Это уравнение может быть переписано в виде:

Полученное квазилинейное (из-за зависимости 0(К)) уравнение для получения аппроксимации по времени необходимо решать по чисто неявной схеме с итерациями по нелинейности.

Моделирование переноса влаги по пленкам порового пространства. Рассмотрим физическую модель структуры порового пространства почвы в виде набора капилляров разных диаметров. При выводе зависимости коэффициента фильтрации от начального градиента напора С. Нерпин и Е. Хлопо-тенков использовали в капиллярной модели грунта гипотезу о неразрывности в почвенном массиве пор одного диаметра [2]. Эта гипотеза, с учетом экспериментальных данных [4], приводит к гипотезе о наличии в почве минимального объема, характеризуемого спектром распределения пор, независимым от его расположения и ориентации в почве при условии, что формализация гипотезы неразрывности пор одного диаметра допускает прохождение пор одного диаметра через поры другого диаметра. Введение понятия минимального объема почвы означает, что эти почвы могут быть представлены в виде пучка капилляров с характеризующим его спектром распределения пор, изотропного и однородного в объеме почвы.

Без учета влагообмена система уравнений переноса влаги по пленкам может быть записана в виде уравнений Навье-Стокса:

|а + У(ЙК) = О 5 (5)

|/ + ,У) + аЧк = 0

где к - толщина пленки, м; V - осредненная скорость движения по пленке, м/с; V (к) - скорость

движения волны, = К.М .

а к

Одна из эмпирических формул для скорости V (к), полученная при обработке данных таблицы, имеет вид: у (-/г| = о + 45 ОехрГ- 2'4 1 (гДе к выражено в слоях молекул воды).

ша ' ' Я ¿-0,8,1

Экспериментальные исследования переноса влаги по пленкам

Толщина (число слоев) Измеренное время релаксации (с) Толщина (ангстрем) Vmax (м/с) а = (Тт,х)2/к Аппроксимация а

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

1 5,0-Ю"10 3,1 0,62 0,124 0,62

2 5,0-Ю"11 6,2 6,20 6,20 6,71

4 2,2-Ю"11 12,4 14,09 16,01 21,88

>10 7,7-10"12 31,0 40,26 52,29 35,29

В используемой для расчета модели обмен влагой между пленкой и капиллярной влагой в уравнениях непрерывности пленки (5) и в капиллярных уравнениях (4) учитывается слагаемыми вида:

к -к

-, где /?„ - толщина равновесной пленки, м; тр - скорость (характерное время) влагообмена, с.

Таким образом, эта система примет вид:

дИ,

а

81

Г,, ¡ = й

ко-к

(6)

дV

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Ы

+ (№ V) + аУк = 0

Здесь Ь - нормировочный множитель, м.

Результаты численного моделирования. Проведенные расчеты формирования водоотдачи с использованием системы уравнений (6) для экспериментальных данных, полученных И. Калюжным на почвенных колонках, приведены на рис. 1 [7].

р

р

0.12 0.20 Водоотдача,р.

Рис. 1. Рассчитанные и фактические значения динамической водоотдачи для различных скоростей снижения напоров на колонке [7].

Скорости снижения напора на колонке: 2 и с - 0,025 см/мин., 3 и ■ - 0,056 см/мин., 4 и + - 0,25 см/мин., 5 и ■ - 1,0 см/мин., 6 и о -1,5 см/мин., 1 и • - профиль для малых скоростей снижения напора

Хорошая сходимость экспериментальных данных и рассчитанных значений для процесса водоотдачи допускает получение необходимого качества результатов расчетов параметров польдерных систем для периодов осушения. Применение системы уравнений (6) для расчета переноса влаги в почве для низких значений влажности было проведено с учетом экспериментальных данных, приведенных в [8]. На рис. 2 приведены результаты моделирования влагопереноса для условий модельных экспериментов С. И. Дмитриева и В. К. Нечаева [8] для малопроводящих почв с диаметром пор 1,3 мк в максимуме спектра. Цифры на графиках соответствуют моментам времени 1 - начальный профиль влажности, 2 - 0,1 сут., 3 - 0,3 сут., 4 -0,5 сут., 5 - 1,5 сут., 6 - 3 сут., 7 - 9 сут. Хорошее качественное совпадение с экспериментальными данными рассчитанных значений профилей влажности (рис. 2, 3) позволяет надеяться на получение хороших

результатов при расчете параметров управления паботой польлспных систем в периоды дефицита влаги.

0 Расстояние от верха колонки,Н,см.

10 0 5 10 15 20 Влажность VI/,% объема порового пространства.

Р ис . 2 . Рассчитанные профили влажности в разные моменты времени для условий модельных экспериментов.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

I - С. И. Дмитриева и В. К. Нечаева [8], II - M. ШЬте [3]

Здесь становится очевидным, что гравитационная влага за счет сил поверхностного натяжения формирует капиллярную кайму, параметры которой определяются динамикой движения влаги по пленкам. Приведенные на рис. 3данные показывают, что скорость подъема капиллярной каймы фактически не зависит от начальной влажности почвы. Расчеты динамики формирования капиллярной каймы с использованием системы уравнений (6) показывают хорошую сходимость рассчитанных значений и экспериментальных данных.

Скорость подъема,Чем/мин

10.0 8.0 6.0 4.0 2,0

+

+

* + + с*о

Рис.

"0 20 40 60 80 Высота подъема,и,см. 3. Скорость подъема V капиллярной каймы в зависимости от высоты подъема к. • - данные Ф. Е. Колясева (впитывание в начально сухую почву) [9]; о - данные И. И. Судницына (впитывание в начально влажную почву) [10]; х - рассчитанные для условий экспериментов значения скорости подъема

Заключение

1. Использование для расчетов переноса влаги в почве системы уравнений, основанной на расчете движения влаги по пленкам, учитывая хорошую качественную и количественную сходимость полученных результатов моделирования с экспериментальными данными, предпочтительнее перед уравнениями диффузионного вида.

2. Введение понятия минимального объема почвы означает, что эти почвы могут быть представлены в виде пучка капилляров с характеризующим его спектром распределения пор, изотропного и однородного в объеме почвы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кащенко, Н. М. Расчет линейных польдерных систем / Н. М. Кащенко, В. П. Ковалев // Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования: матер. Междунар. конф. - М., 2007. - С. 195-200.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

2. Нерпин, С. Обобщение закона Дарси для случаев нелинейной фильтрации в ненасыщенных и насыщенных грунтах / С. Нерпин, Е. Хлопотенков // Доклады ВАСХНИЛ. - М.: Урожай, 1970. - С. 3-17.

3. Hallaire M. Le potential efficace de l' eau dans le sol en regime de dessechement. In «L'eau et production vegetale», I.N.R.A. Paris ed, 1964, 27-62.

4. Лундин, К. П. Исследование структурных пор торфа с помощью радиоактивных изотопов / К. П. Лундин, Л. Б. Свердлова // Мелиорация и использование осушенных земель. - Минск: Урожай,1966. - С. 48-67.

5. Диэлько-влажностные характеристики почвенных образцов с различным содержанием гумуса в сантиметровом и дециметровом диапазонах / П. П. Бобров [и др.] // Естественные науки и экология. - Ежегодник ОмГПУ. - 2001. - С. 3-7.

6. Кащенко, Н. М. Анализ применимости уравнения потенциала для моделирования работы дренажных систем / Н. М. Кащенко // Информационно-вычислительные технологии и их приложения XI Междунар. науч.-техн. конф. (МК-42-9). - Пенза, 2009. - С. 138-142.

7. Калюжный, И. Л. Экспериментальные исследования процесса водоотдачи почвы при различных скоростях изменения уровня грунтовых вод / И. Л. Калюжный, К. К. Павлова // Труды ГГИ, вып. 268, Вопросы гидрофизики почв. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - С. 39-50.

8. Дмитриев, С. И. К вопросу о применимости уравнения диффузии для изучения явления влагопроводности в поч-во-грунтах / С. И. Дмитриев, В. К. Нечаев // Труды ЛГМИ. - 1962. - Вып. 13. - С. 11-15.

9. Колясев, Ф. Е. Результаты исследований по движению воды в почве при различных влажностях / Ф. Е. Колясев // Сб. тр. по агрономической физике. Выпуск 4. (Под редакцией А.Ф.Иоффе.) - М.-Л.: ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИС, 1948. - С. 141-164.

10. Судницын, И. И. Закономерности передвижения почвенной влаги / И. И. Судницын. - М.: Наука, 1964. - 64 с.

УДК 631.347.3

В. И. ЖЕЛЯЗКО, В. М. ЛУКАШЕВИЧ

КАЧЕСТВО ИСКУССТВЕННОГО ДОЖДЯ ПРИ ДОЖДЕВАНИИ МАШИНОЙ BAUER RAINSTAR T-61

(Поступила в редакцию 28.12.2013)

В статье представлены результаты полевых опытов по The article presents results of field research into qualitative

изучению качественных характеристик искусственного дож- characteristics of artificial rain with watering by remote-spray

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

дя при поливе дальнеструйным дождевальным аппаратом SR- sprinkler SR-140. We have established that the sprinkler SR-140

140. Установлено, что дождевальный аппарат SR-140 созда- provides efficient watering. Even with the largest diameter of

ет качественный полив. Даже при самом крупном диаметре sprinkling nozzle of 30 mm, the average size of drops does not

дождевального насадка 30 мм, средний размер капель не пре- exceed 1.2 mm, which positively influences both the soil and the

вышает 1,2 мм, это в свою очередь оказывает благоприятное vegetative cover. воздействие как на почву, так и на растительный покров.

Введение

Известно, что водная эрозия наносит огромный ущерб народному хозяйству, так как вместе с почвенными частицами в каналы и реки попадают минеральные удобрения, пестициды, что приводит к ухудшению качества воды. В сельском хозяйстве эрозия почвы приводит к уменьшению мощности гумусового горизонта и элементов питания растений, ухудшению физических и физико-химических свойств, что в конечном итоге ведет к снижению плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур [6, с. 32], [11, с. 140].

При орошении дождеванием смыв почвенного слоя на 40-42 % больше, чем смыв, вызванный снеготаянием. Дождь, создаваемый современными дождевальными машинами, отличается по своим параметрам от естественных осадков. Высокие энергетические показатели искусственного дождя приводят к разрушению почвенного покрова и образованию поверхностного стока, неравномерности полива, что способствует развитию, водной эрозии, переувлажнению земель и вымоканию растений в одних местах, при недостаточном их увлажнении в других, снижению плодородия орошаемых земель и неэффектив-