CC BY
21
Зарипова Н.А., Луферов М.О., Данникер А.А., Фалькович Л.Л. Предпосылки и модель фильтрации весенней влаги в почву при наличии щелей // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2017. -№1 (8) январь - март. - URL http://e-joumal.omgau.ru/index.php/2017/1/35-statya-2017-1/764-0029L - ISSN 2413-4066
УДК 631.331
Зарипова Наталья Андреевна
Кандидат технических наук, доцент ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск na.zaripova@omgau.org
Луферов Михаил Олегович
Студент
ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск mo. luferov 1634@omgau.org
Данникер Артур Андреевич
Студент
ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск üa. danniker@omgau.org
Фалькович Леонид Леонидович
Студент
ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск fakovich_91 @mail.ru
Предпосылки и модель фильтрации весенней влаги в почву при наличии щелей
Аннотация: Почвы различаются по своему дисперсному составу, то есть по содержанию фракций различного диаметра. Некапиллярные поры характерны тем, что в них (в отличие от капиллярных пор) вода под действием гравитационной силы тяжести способна перемещаться вглубь почвы, то есть фильтроваться. Водопроницаемость, таким образом, в значительной степени зависит от пористости почвы и диаметра пор.
В условиях проявления водной эрозии почвы в период весеннего снеготаяния наиболее рациональным приемом противоэрозионной обработки следует признать плоскорезную обработку с одновременной нарезкой щелей.
При весеннем тепловлагопереносе почва находится в отрицательном температурном интервале поэтому отличительной чертой процесса фильтрации талой воды является его не стационарность. Процесс инфильтрации талой воды может быть корректно описан уравнением скорости фильтрации.
Теоретические расчеты показывают, что величина столба воды в щели в период весеннего снеготаяния не превышает глубины щели 35см. и в большей степени зависит от состояния пахотного слоя 0-12 см. и в меньшей степени от состояния нижнего пахотного слоя 12-35 см.; от некапиллярной пористости почвы, чем выше процент пористости, тем больше скорость фильтрации, от доли заполнения некапиллярных пор льдом и радиуса некапиллярных пор.
Ключевые слова: пористость почвы, влажность почвы тепловлагоперенос, фильтрации влаги в почву, щелевание.
Согласно современным представлениям о строение почвы, ее основу составляет твердая фаза различной степени дисперсности. Промежутки между почвенными частицами (поры) могут быть заняты одним воздухом, когда почва абсолютно сухая. Однако чаще всего поры между твердыми частицами заполнены не только воздухом, но и в некоторой степени водой или льдом. Таким образом, почва состоит из трех фаз: твердой - непосредственно твердые частицы и лед, жидкой - вода и газообразной - воздух и водяной пар.
Почвы различаются по своему дисперсному составу, то есть по содержанию фракций различного диаметра. В почвах со значительным содержанием илистых и коллоидных частиц диаметром меньше 10-3мм будут преобладать микропоры с диаметром 10-3 - 10-4 мм, вода в таких микропорах способна перемещаться только под действием капиллярных сил поверхностного натяжения - смачивание (гравитационных сил не достаточно для ее перемещения). В почвах, основу которых составляют микроагрегаты диаметром 5 10-2 -25 10-3мм есть два типа пор: поры внутри микроагрегатов, диаметр которых 10-3 - 10-4мм -капиллярные поры и поры между агрегатами, диаметр которых составляет 10-2 - 10-3мм -некапиллярные поры.
Некапиллярные поры характерны тем, что в них (в отличие от капиллярных пор) вода под действием гравитационной силы тяжести способна перемещаться вглубь почвы, то есть фильтроваться. Водопроницаемость, таким образом, в значительной степени зависит от пористости почвы и диаметра пор.
С понятием пористости почвы тесно связано такое важное понятие, как влажность почвы, то есть содержание воды в почве. Очевидно, что полная влажность не превосходит пористости. Поскольку в основе определения капиллярной и некапиллярной пористости лежит способность почвы к фильтрации, то естественно разделить общую влажность на капиллярную и некапиллярную влажность.
При весеннем тепловлагопереносе почва находится в отрицательном температурном интервале. Следовательно, наряду с процессом смачивания и фильтрации в почве протекают процессы теплообмена, следствием которых является переход почвенной влаги из жидкого состояния в твердое и обратно. Поскольку при изменении капиллярной влажности почвы, перемещение влаги происходит на расстоянии порядка 10"2-10"3мм, то можно пренебречь временем капиллярного насыщения и считать, что капиллярная влажность достигает максимального значения в момент достижения соответствующей глубины некапиллярной влаги. Другими словами на границе между промоченной и не промоченной почвой имеется сток влаги равный капиллярной пористости. В дальнейшем, капиллярные поры и капиллярная влажность не оказывают влияния на скорость фильтрации некапиллярной влаги.
Будем считать, что перемещение влаги в некапиллярных порах под действием силы
тяжести и сил внутреннего давления воды подчиняется эмпирически установленному закону Дарси[1] .
Установлено, что к началу снеготаяния температура верхнего слоя почвы имела значение -3°С. Пусть общая пористость почвы составляла 55%, 20% из них занимают некапиллярные поры и 35% -капиллярные. Пусть 30% капиллярных пор заняты льдом. Температура талой воды, достигшей поверхности почвы близка к 0°С. Возьмем 1 см3 почвы промоченной водой. Объем пор, занятых водой составит 0,25 см3. Если лед и почва имели первоначальную температуру -3°С, то для того, чтобы довести их температуру до 0°С, при которой гарантированно прекращается замерзание воды необходимо затратить следующее количество энергии[2]:
Т0(сп^п+Сл^л) = 3(0,20,5+0,30,5) = 0,75 калорий,
где : Сп - теплоемкость сухой почвы; Vп - доля почвы в рассматриваемом объеме; сл -теплоемкость льда; VI - доля льда в рассматриваемом объеме.
С другой стороны, при замерзании 0,01 см3 воды при температуре 0°С выделится 0,8 калорий. Следовательно, общая пористость, не занятая льдом, в результате замерзания воды может снизиться не более чем на 1%. Приведенные рассуждения дают достаточные основания для того, чтобы считать, что при фильтрации весенней влаги в почву эффективная пористость практически не изменяется. Это означает, что при построении математической модели процесса тепловлагопереноса в весенний период можно рассматривать процесс фильтрации влаги вне зависимости от процесса теплообмена. Процесс теплообмена между весенней влагой и почвой с содержащимся в ней льдом может быть корректно описан уравнением скорости фильтрации[3 ].
Принимаем, что при фильтрации воды вглубь почвы теплообмен воды с почвой происходит по следующей схеме:
1) капиллярная, то есть неподвижная влага обменивается теплом с почвой и с некапиллярной, подвижной влагой;
2) некапиллярная влага обменивается теплом только с капиллярной влагой;
3) замерзанию подвержена только капиллярная влага (то есть количество теплоты выделяемой при замерзании капиллярной влаги достаточно для разогрева почвы до 0°).
В условиях проявления водной эрозии почвы в период весеннего снеготаяния наиболее рациональным приемом противоэрозионной обработки следует признать плоскорезную обработку с одновременной нарезкой щелей.
Для определения максимального уровня столба воды в щели примем: все щели имеют одинаковую глубину и ширину, а расстояние между щелями одинаковое и они строго параллельны друг другу.
При вышеперечисленных допущениях задача о фильтрации может быть поставлена в двумерном пространстве, которое будет характеризоваться горизонтальной и вертикальной пространственными переменными x и z, то есть все входящие в математическую модель величины могут зависеть от этих двух пространственных переменных. Отличительной чертой процесса фильтрации весенней влаги в почву является его не стационарность, это означает, что характеристики потока влаги в почву должны зависеть еще от времени.
Конечно-разностные уравнения скорости фильтрации влаги на свободных границах расчетной области почвы щели, промоченной водой Gt в каждой последующей точке ij определятся согласно формулам:
где: Rэф(х,z) - эффективный радиус некапиллярных пор; Sнк(х,z) - некапиллярная пористость; р - плотность воды; П - вязкость воды;
р(х,^)- давление воды в точке (x,z)Gt .
При получении выходной информации (граница промачивания почвы влагой, уровень воды в щели) за входные параметры принимались: некапиллярная пористость (%) в обрабатываемом слое глубиной 0 - 12 см. и в не обрабатываемом слое глубиной 12-50см., а также радиус некапиллярных пор соответственно по слоям, суточный приток воды из снега.
Расчеты контрольной величины - максимальный уровень столба воды в щели для случая среднемноголетних значений: оптимального содержания воды в снеге 90±10мм при продолжительности интенсивного снеготаяния 6 дней, при влажности почвы близкой к ВЗ и значениях suk(x,z) равной 20 % в слое глубиной 0 - 12см. и suk(x,z) равное 10% в слое глубиной 20-35см. соответственно Яэф(х^) равное 0.05 и 0.01мм, весь поток воды успевает фильтроваться в почву и величина высоты уровня в щели не превышает 100 мм. При влажности почвы близкой к НВ и значениях Sm{x,z) равной 5 % и suk{x,z), равное 2% при тех же радиусах пор поступающая из снега вода слабо впитывается и над почвой образуется столб воды, соответствующий концу снеготаяния 52мм, а столб воды в щели не превышает 160мм.
Из анализа теоретических расчетов следует, что величина столба воды в щели в период весеннего снеготаяния не превышает глубины щели 35см и в большей степени зависит от состояния пахотного слоя 0-12см, и в меньшей степени от состояния нижнего пахотного слоя 12-35см; от некапиллярной пористости почвы: чем выше процент пористости, тем больше скорость фильтрации; от доли заполнения некапиллярных пор льдом и радиуса некапиллярных пор.
Ссылки на источники:
1. Darsy H. Les fontaines publigues de la villt de Dijon. -Paris, 1986.-b 47p.
2. Yarjn B. Thomаs G.W. Soil hydraulic conductivity as affecttd by sjdisc water // Water Rеsour. Res. -1968. -Vol. 4. -P. -545-552.
3. Зарипова Н.А.Обоснование параметров орудия для основной обработки склоновых земель:Дис.. .канд.техн.наук.-0мск,1991.-140с.
Natalia Zaripova
Ph. D., Associate Professor FSBEI HE Omsk SA U Omsk
Michael Luferov
Student
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Artur Danniker
Student
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Leonid Falcovich
Student
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Background and Filtering Model Spring Moisture in the Soil in the Presence Of Cracks
Annotation: Soils differ in their particulate composition, that is, the content of fractions of different diameter. Noncapillary pores characterized by the fact that they (unlike capillary pores) water under the influence of the gravitational force of gravity is able to move deeper into the soil, that is filtered. Water permeability obrazom thus largely depends on the porosity and pore diameter of the soil.
Under the conditions of existence of water erosion of soil during the spring snowmelt most rational reception erosion processing should recognize ploskoreznoj processing with simultaneous cutting slits.
In the spring the soil heat and moisture is in the negative temperature range therefore the hallmark of the filtering process of melt water is that it is not stationary. The process of infiltration of melt water can be correctly described by the equation of filtration rate.
Theoretical calculations show that the quantity of the water column in the gap during the spring snowmelt does not exceed a depth of 35cm gap. and is more dependent on the state of the arable layer 0-12 cm., and to a lesser extent on the state of the bottom of the plow layer of 12-35 cm .; noncapillary porosity of the soil, the higher the percentage of the porosity, the greater the rate of filtration, the proportion of pore filling noncapillary ice and noncapillary pore radius.
Keywords: soil porosity, soil moisture heat and moisture, the moisture in the soil filtration, slotting.
