Проблемы естествознания оценка уплотняющего воздействия на почвогрунты по изменению энергетического состояния почвенной влаги Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ПРОБЛЕМЫ ЕСТЕСТВОЗАННЯ

ОЦЕНКА УПЛОТНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВОГРУНТЫ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ

В.В. Алексеев, В.К. Краснов

На основе улучшенной аэродинамической модели почв и почвогрунтов оптимизирован метод оценки механического воздействия на почву специализированных машин. Оценка производится на основании анализа изменения энергетического состояния почвенной влаги. Найдены интегральные показатели уплотнения и разрыхления, определяемые как отношения изменения удельной объемной свободной энергии почвенной влаги до воздействия на почву и после воздействия к ее начальному значению. При механическом воздействии на почву совершается работа, которая затрачивается на изменение энергии связей между подвижными почвенными отдельностями. Эта работа характеризует степень воздействия орудия при энергетическом рассмотрении процесса. Комплекс расчетов позволяет строить на компьютере пространственные карты в изолиниях значений свободной энергии, с целью рационализации воздействия и бережного использования природных ресурсов. В работе приведены уравнения для расчета основной гидрофизической характеристики почвы и расчета интегрального параметра оценки механического воздействия. Учет важнейших характеристик почвы позволяет количественно оцепить проводимые технологические мероприятия.

Разработки позволяют максимально адаптировать почвообрабатывающие машины к изменяющимся условиям их функционирования, дают возможность прослеживать динамику состояния почвогрунта. Они могут быть использованы при испытаниях новой почвообрабатывающей техники, поскольку результаты отражают изменение механического воздействия в зависимости от изменения конструктивных параметров орудий или режимов работы.

Известные способы оценки механического воздействия на почву по измерениям твердости, определению поверхности образовавшихся комков, методы определения уплотнения почвы по учету изменения объемной массы имеют недостатки, так как эти зависимости носят стохастический характер.

В связи с этим нами разработан объективный энергетический метод оценки механического воздействия на почву, основанный на использовании законов термодинамики отражающих энергетическое состояние почвенной влаги [1]. Метод позволяет определить качество механической обработки почвы.

Основной характеристикой энергетического состояния почвенной влаги является термодинамический потенциал, определяемый как работа, необходимая для удаления из почвы единицы массы воды.

Зависимость между влажностью и потенциалом влаги называют основной гидрофизической характеристикой почвы (ОГХ). Эта зависимость весьма информативна и используется для многих целей: регистрации и контроля изменения физических и гидрофизических свойств почвы под влиянием естественных и антропогенных (техногенных) факторов; расчета коэффициентов влагопро-водности, скорости инфильтрации, и других гидрофизических параметров и зависимостей между ними.

Практическое использование ОГХ сдерживается сложностью прямого измерения потенциала влаги, большой длительностью определения частных гидрофизических параметров и высокими профессиональными требованиями к оператору.

Нами используется идеализированная динамическая модель почвы, которая лежит в основе аэродинамического метода измерения: удельной поверхности и коэффициента влагопроводности почвогрунтов. Изменены имеющиеся аналитические выражения для ОГХ и зависимости между коэффициентом влагопроводности и влажностью, согласно законам классической термодинамики.

Использование уточненной идеализированной модели почвогрунтов позволяет решать следующие прикладные геоэкологические задачи: расчет приготовления "смесевых" почв с заданными гидрофизическими параметрами; классификация почв по количеству влаги, доступной для растений; оценка вли-

яния растений на почву; оценка работы специальных уплотняющих почву орудий; оценка сельскохозяйственных почвообрабатывающих орудий с целью выбора оптимальных; определение момента "спелости" почв; определение эрозионной устойчивости почв.

ОГХ индивидуальна для каждой конкретной почвы и в каждом ее определённом состоянии она представляется обычно в виде графиков, охватывающих широкий интервал значений влажности и потенциала влаги. Для решения большинства задач, обычно, достаточно измерить потенциалы для интересующих горизонтов (например, пахотного).

Транспортная способность почвы (с точки зрения перемещения влаги) определяется ее фильтрационными характеристиками, наиболее важной из которых является коэффициент фильтрации, который сильно зависит от степени уплотнения почвогрунтов.

Изменение пористости, во многом определяющее изменение свободной энергии, характеризует механическое воздействие недостаточно полно. Значение пористости может измениться на одну и ту же величину при различающихся изменениях, произошедших в почве: 1) в случае появления малого числа "крупных" трещин; 2) большого числа "мелких" трещин. Поэтому, обязательно необходимо параллельное измерение коэффициента фильтрации. Кроме того, результаты измерений, рассчитанные по предложенным формулам, имеют достаточно высокую относительную ошибку.

Аналитически зависимость между потенциалом влаги и влажностью, по которой могут быть рассчитаны численные значения потенциала влаги, определяется выражением:

О0а, (1-Р0) (Р0-^)25 АО30 ф=ц/Чц/= & т- --------2^+-------V т

где ¥ - адсорбционный потенциал, отражающий влияние твердой фазы (матрицы) на понижение свободной энергии воды в почве, Дж/м3;

1)Г

капиллярный потенциал, опреде-

ляется вкладом поверхностной энергии на границе раздела жидкость-газ, Дж/м3;

А - постоянная, меняющаяся в пределах (5-10'22-5-10'и)Дж;

— плотность воды, кг/м3;

су1р - удельная свободная поверхностная энергия на границе жидкость-газ, Н/м;

¥/ — объемная влажность, безразмерная величина;

Р0 — измеренное или заданное значение пористости, в долях единицы.

Потенциал влаги обычно выражается через эквивалентное давление

р Р Р РГ 1-(Р„-*„)+ ^ • <2> Нами предложена следующая зависимость для ОГХ:

Р2'5

го

<Ро-Ю

1 1

Ш-5

Р’

г°;

(3)

Введенное слагаемое

АО„

является кон-

стантой для какого либо состояния почвы и сохраняет физический смысл основной гидрофизической характеристики: при высоких влажностях оно обнуляет потенциал (эквивалентное давление) — при полном заполнении пор водой потенциал действительно должен обращаться в нуль; при низких влажностях (\¥/Р«1) его вклад становится ничтожно малым по сравнению со слагаемым, в которое входит влажность в минус третьей степени.

Полученное нами выражение для нахождения постоянной Дерягина выглядит следующим образом:

А =

>2.5

ИР,-'».) о

(4)

Учитывая то обстоятельство, что остаточный объем влаги (¥/0) составляет малую долю от влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (\¥0«Р), запишем

(1-Р„) (Р,-Ш0)ц

«Я“ 0 р02-5 1-(ро-\¥0)

Нт

1

Преобразуем формулу (4) следующим образом:

А = -

з

1ё "О

П2 ’

о

(5)

где О0 — объемная удельная поверхность

твердой фазы, м2/м3; удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела вода-воздух, Дж/м2.

Запишем уравнение для ОГХ подставляя вместо постоянной А выражение (5):

2,5

Р = Р+Р

- + СТ,

Р02’5 1-(р0-\*о' 18

1 1

\Г

(б)

Интегрируя это выражение по объемной сти \¥ = а до полного заполнения пор водой

влажности (от некоторого значения влажно-W = Р ) получим выражение:

У

| рс1м! =

Ю-!еАО30 2 Р2 а2

(р2 ~а2)+

2ст1ва0(Р-1)((Р-а)2-5 (Р-аУ Гп у>, у*

+ —-——------- -----¿— + ±—+ -агсщР-а)

Р‘

Выбор значения нижнего предела интегрирования — влажности N¥=3 неслучаен, так как характеризует определенное энергетическое состояние влаги в почве. Выбор этого значения определяется из конкретных условий задачи, которую необходимо решить на основе энергетической концепции состояния влаги в почве. Например, можно выбрать влажность отражающую переход влаги в такое энергетическое состояние, что она становится недоступной растениям (влажность "устойчивого завядания").

Подстановка конкретных значений гидрофизических параметров, измеренных в полевом эксперименте дает численное значение а, для данного энергетического состояния почвы.

Величина интеграла (3) может быть использована для оценки как уплотняющего так и разрыхляющего воздействия орудий на почву [2]. По своей физической сущности величина интеграла показывает удельную объемную энергию Гиббса находящейся в почве влаги. По изменению этой величины возможно оценить качество механического воздействия на почву обрабатывающих орудий.

Следует отметить, что давление в водных пленках, обволакивающих почвенные частицы, может превышать 3000 атм. Поэтому потенциал почвенной влаги — энергия связи влаги в почве, отнесенная к единице массы влаги — является важным фактором, сравнимым с таким фактором как температура.

К факторам, не учитываемым в данной модели, относятся кислотность и соленость почвогрунта.

Почва представляет собой дисперсную систему, с сильно развитой поверхностью. Подвижные отдельности почвы удерживаются между собой благодаря почвенной влаге. Поэтому физико-механические свойства почвы такие как твердость, пластичность и т.д.

(7)

зависят для каждой конкретной почвы от количества содержащейся в ней влаги. При разрыхлении или уплотнении почвы мы, с точки зрения термодинамики, совершаем над ней работу, которая идет на изменение энергии связей между подвижными почвенными отдельностями. Измерив, разность энергии связей, после воздействия орудия на почву и до воздействия орудия на почву, мы получаем значение работы совершенной над системой. Эта работа характеризует воздействие орудия при энергетическом рассмотрении процесса.

Если до воздействия орудия по участку почвогрунта величина интеграла составляла Е0, а после его воздействия — Е, то разность

АЕ =Е -Е0

покажет нам на какую величину изменилась удельная энергия почвенной влаги (в пределах влажности от полного заполнения пор водой до выбранного нами интересующего

значения). А отношение ДЕ/Ео можно использовать как показатель уплотняющего или разрыхляющего воздействия.

Таким образом, мы получили возможность количественно оценить механическое воздействие обрабатывающих почву орудий.

На практике, после измерения гидрофизических параметров на поле производится обработка данных в лаборатории, а затем результаты вводятся в компьютер и обрабатываются. Весь процесс обработки данных от взятия образца до построения ОГХ и расчета интеграла занимает около четырех часов. Все необходимые приборы и методика работы имеются в лаборатории "Гидрофизики и эрозии почв" при ЧГСХА.

Возможность составления карты в изолиниях введенного параметра поможет предприятиям обрабатывающим почву не только сэкономить средства при воздействии на нее, но и снизить вследствие уменьшения проходов техники техногенное уплотнение, или

120

130

1+0

190 1 80 170

Рис. 1. Фрагмент карты в изолиниях ЕО для слоя 0-20 см.

когда это необходимо, эффективнее увеличить техногенное уплотнение, что в данной экологической и экономической обстановке является весьма актуальным.

На рис.1 представлен фрагмент такой карты для ЕО для слоя 0-20 см.

Кроме того, разработанная нами теория позволяет определить не является ли рыхление чрезмерным (при котором происходит разрушение структуры почвы, эрозия, провальная фильтрация). Деградация почвы вследствие эрозии и уплотнения представляет собой большую экологическую проблему, вызванную традиционной обработкой почвы. В Европе от этого страдают 157 млн га [4].

При совместном решении уравнения (6) и реологических уравнений А.Д. Воронина [3] получены значения объемной влажности соответствующей максимальной механической прочности для основных типов почв ЧР (табл. 1), они лежат в узких пределах (разброс около 3%). Этот факт позволяет сделать вывод, что при объемной влажности менее 6% уплотняющее воздействие техники незначительно для любых почв, т.е. почва ведет себя как твердообразное тело. Однако следует учесть, что механическое воздействие при такой влажности ведет к увеличению эрозийно опасных частиц.

Таблица 1

Значения объемной влажности (%) соответствующие максимальной механической твердости почв с различной пористостью

и удельной поверхностью

Почва Уд. поверх- Пористость

ность м2/м3 • 10б 0,4 0,45 0,5 0,55

Дерно-подзол. легко 77,3 3,7 3,7 3,7 3,6

суглинист 96,4 4,1 4,1 4,1 4,1

Светло серая лесная 121,2 4,5 4,5 4,4 4,3

136,1 4,6 4,6 4,5 4,5

162.4 5,3 4,9 4,7 4,9

Темно серая лесная 181,6 5,5 5,4 5,2 5,2

204,9 5,6 5,5 5,5 5,5

Чернозем выщелоченный 243,5 6,1 6,0 6,0 6,2

265,4 6,4 6,3 6,3 6,2

290,2 6,7 6,7 6.57 6,5

В табл. 2 приведены значения объемной влажности, соответствующие "спелому" состоянию для тех же почв.

Для одной и той же почвы разброс значений объемной влажности не превышает 4% (чернозем обыкновенный с объемной удельной поверхностью 290-106 м2/м3) в "спелом" (наиболее выгодном с точки зрения обработки) энергетическом состоянии.

Пористость 0,4 реализуется для уплотненных почв, а пористость 0,55 характеризует равновесное состояние почвы. Реальный разброс значений объемной влажности составляет около 8-9% (от 31% — для дерно-подзолистой почвы при пористости 0,5) до 42% - для чернозема обыкновенного при пористости 0,55).

На основании приведенных данных можно сделать вывод о том, что установле-

ние срока обработки почвы по значениям объемной влажности должно быть определено достаточно точно.

Энергетическая концепция применима для решения конкретных практических задач только при условии имеющейся ОГХ для конкретной почвы, построенной экспериментально. Полученная нами расчетная формула (6) для построения кривой ОГХ позволяет в полной мере пользоваться разработанной энергетической концепцией.

Коэффициент фильтрации позволяет учитывать свойства почвы, так как он зависит от удельной поверхности твердой фазы почвы. Полученная нами формула, показывающая связь коэффициента влагопроводности с полученным в результате экспериментов значением объемной удельной поверхности, выглядит следующим образом:

Таблица 2

Значения объемной влажности (%) соответствующие "спелому" состоянию почв с различной пористостью и удельной поверхностью

Почва Уд. поверхность Пористость

м2/м3 -106 0,4 0,45 0,5 0,55

Дерново подзол, легко 77,3 31 35 37 38

суглинист 96,4 33 35 38 39

Светло серая лесная 121,2 34 35 38 39

136,1 34 36 39 40

162,4 35 36 39 41

Темно серая лесная 181,6 35 37 39 41

204,9 35 37 39 41

243,5 35 37 40 42

Чернозем выщелоченный 265,4 36 38 40 42

290,2 36 38 41 42

К =

О)

(1

где Ро — плотность воды; § — ускорение свободного падения; т|2 2 — вязкость воды; Р0 - пористость почвы; Я - радиус образца почвы; АУ — объемная влажность; Оо ~ удельная поверхность твердой фазы. Формула получена исключением характеристик протекания газа через почву в уравнениях, определяющих удельную поверхность и влагонроводность:

а0 =

Я Ид ДрД1РоЛ/Ро"

к

7] Ах А V АхДV П) 85АрА1 п2

1-Рп

Пористость Р0 можно выразить через объемную массу сухого образца (ру ) и плотность твердой фазы (р.,г) согласно выражению

Рп= 1-

.л.

р$

Учитывая, что при полном заполнении пор водой коэффициент влагопроводности переходит в коэффициент фильтрации, запишем

К

К Ря

1-

V

£*.

¿V,

(8)

Щ О0 д,

В последней формуле опущен постоянный сомножитель og для сохранения общепринятой размерности [м/с]. Размерность ко-

эффициента фильтрации [м/с] обусловлена тем, что К определяют при единичном градиенте давления, а сомножитель og позволяет проводить определения для любого градиента давления. Формула (8) показывает зависимость коэффициента фильтрации от объемной массы почвы, учитывая при этом удельную поверхность твердой фазы почвы. Таким образом, мы имеем возможность находить зависимости коэффициента фильтрации от уплотнения для различных типов почв. Возможен и взаимообратный переход от значений измеренной объемной массы к значениям коэффициента фильтрации.

Графики таких зависимостей (8) для некоторых типов почв Чувашской Республики представлены на рис. 2-3. Графики содержат две кривые, соответствующие граничным значениям удельной поверхности для того или иного типа почв (значения которых указаны под рисунками).

Формулу (8) можно обезразмерить введя величину р=рУ/р8г, лежащей в интервале значений (0;1).

Для грунта с измеренным распределением коэффициента фильтрации по глубине можно определить параметры области максимального уплотнения или "плужной подошвы" при ее наличии, а так же измерить, как и насколько она изменилась в результате проведения тех или иных технологических операций по обработке почвы.

В результате воздействия обрабатывающей техники меняются физико-механические свойства почв. На рис.4 приведены графики распределения значений объемной массы, твердости и коэффициента фильтрации по глубине. Исследования по оценке

Рис. 2^,Зависимость коэффициента фильтрации К от объемной массы

для дерн<Ягтодзолистой легко суглинистой почвы П0 =(79,5...98,1) 10бм2/м-’.

Рис.З. Зависимость коэффициента фильтрации К от объемной массы для светло серой лесной почвы Д, = (119.2^138,1)'10б м2/м3.

воздействия на пахотный горизонт сельскохозяйственными орудиями проводились на территории ЗАО "Прогресс" Чувашской Республики.

Как видно из рис. 4, распределения значений объемной массы, твердости и коэффициента фильтрации на необрабатываемых площадях имеют вид монотонно меняющихся функций, с небольшими колебаниями значений, обычно не превышающих ошибки измерений.

Иначе обстоит дело на обрабатываемых территориях. Значения объемной массы в среднем меньше аналогичных значений для необрабатываемых почв, что говорит об их разрыхленном состоянии. Они равномерно возрастают, но на определенной глубине имеется некоторый перепад значений. Он соответствует глубине обработки (в данном случае 11-12 см). В области глубин 12-16 см значения объемной массы свидетельствуют об уплотнении. После чего они продолжают возрастать, постепенно приближаясь к значениям на необрабатываемых площадях. Разброс значений в большинстве случаев по порядку величины сравним с относительной ошибкой измерений, что затрудняет анализ поведения данной зависимости.

Значения твердости испытывают резкий скачок на глубине 12 см, четко определяя глубину обработки. Скачок начинает сглаживаться на глубине 16 см. После глубины 19-20 см значения твердости постепенно приближаются к таковым для необрабатываемых

площадей. Изменяющиеся с глубиной значения влажности, оказывают влияние на твердость почвы, которая является функцией влажности. Этот факт затрудняет анализ механического воздействия на почву. Однако анализ возможен при измерении как продольной, так и вертикальной твердости и учета связи между ними.

Значения коэффициента фильтрации убывают до глубины 12 см, показывая уменьшение степени разрыхленности почвы. Значения коэффициента фильтрации на глубинах 13-16 см, говорят о наличии уплотненного слоя почвы. Согласно значениям для слоев 16-18 см и 18-21 см можно проследить изменение степени уплотнения, а также получить некоторые сведения о предшествующих воздействиях. Использование полученных нами таблиц зависимости коэффициента фильтрации от объемной массы может помочь ответить на вопрос о том, как образовался слой "плужной подошвы" - "затиранием" или уплотнением.

Из приведенного анализа можно сделать вывод о том, что значения коэффициента фильтрации наиболее точно отражают состояние "плужной подошвы". Увеличивающаяся с глубиной влажность почвы оказывает сильное влияние на твердость почвы, что затрудняет определение второй (нижней) границы "плужной подошвы", а это немаловажно при проведении мероприятий, связанных с разуплотнением почв. Так как зависимость коэффициента фильтрации от

3

г

г

ю

о

л

о « Ч С

о. S

ф

ш

глубина (см)

глубина (см)

13 17

глубина (см)

-пашня--------целина

21

25

Рис. 4. Изменение значений объемной массы, твердости и коэффициента фильтрации почвы при обработке.

влажности известна, то можно сделать поправки на изменение влажности с глубиной. Более высокая (в 3-5 раз) чувствительность его измерений по сравнению с измерениями объемной массы позволяет более точно определить границы "плужной подошвы" и, следовательно, более полноценно бороться с тех-

ногенным уплотнением почв. Кроме того, нами составлены программы (ЭВМ), которые по среднему значению коэффициента фильтрации позволяют вычислить энергетический показатель, для исследуемого слоя почвы.

Разработанная теория может быть применена к энергетической оценке прямого noce-

ва и минимальной (нулевой) обработки почвы, которую в последнее время начинают проводить в ряде стран (Дания, Франция, Германия, Великобритания, Италия, Швеция и Швейцария). Задачи хозяйствования с использованием прямого посева решаемые специалистами программы "АГЕНДА" и Европейской сельскохозяйственной федерации (ЕСАР), с помощью разработанной нами теории и методик, могут быть решены в значительно более короткие сроки.

Анализ гидрофизических характеристик можно проводить и для оценки уплотняющего воздействия орудий, работающих на строительстве водохранилищ. Особенно этот вопрос актуален для Чувашской республики, где, как сказано в послании Президента Чувашии Н.В. Федорова, развернулись масштабные работы по строительству водоёмов и водопроводов для снабжения качественной питьевой водой ряда районов республики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сироткин В.В., Сироткин В.М. Прикладная гидрофизика почв. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2001.252с.

2. Ocena mechanicznego oddzialywaia nazedzi I maszyn uprawowych na zwiany stanu energetycszego wody glebowej - IX International symposium ecological aspects. Of mechanization. Of plant production. Warszawa, 19-20 wrzesnia 2002. s.335-141.

3. Воронин А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв. - Почвоведение. 1990, №5. - С. 7-19.

4. Максимов И.И., Максимов В.И. Энергетическая концепция эрозионной устойчивости антропогенных ландшафтов. - Чебоксары: Чувашская ГСХА, 2006. - 304 с.

5. Non-dimensional parameters describing the state of soil and the degree off mechanical impact of tillage machines. - X International symposium ecological aspects. Of mechanization. Of plant production. Warszawa - Melitopol, 03 - 05 wrzesnia 2003. S.141-146.

АЛЕКСЕЕВ Виктор Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры математики Чебоксарского кооперативного института Российского университета кооперации.

КРАСНОВ Вячеслав Константинович, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой математики Чебоксарского кооперативного института Российского университета кооперации.

ИССЛЕДОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ПРИКЛАДНОЙ ПРОГРАММЫ 8ТАТ18Т1СА ЗАВИСИМОСТИ ПРОДАЖ ПО ГРУППЕ "ПЛОДЫ, ЯГОДЫ, ВИНОГРАД" ОТ ФАКТОРНЫХ ПРИЗНАКОВ (среднедушевого дохода населения, индекса цен на потребительские товары, численности населения)

Г.Г. Волков, Е.А. Григорьев

Курс "Эконометрика" занимает важное место в учебных планах экономи-ческих вузов. Он входит в раздел общих математических и естественнонаучных дисциплин в соот ветствии с государственными общеобразовательными стан-дартами специальности 351400 "Прикладная информатика (в экономике)".

На кафедре математики было разработано и издано пособие "ЭКОНО-МЕТРИКА И БТАТКТГСА. Лабораторный практикум" / Сост. Г.Г. Волков, Е.А. Григорьев, С.Н. Романов Чебоксары 2007 г./

Основой лабораторного практикума составляют подробно разобранные лабораторные работы. Их отличительной чертой является то, что они состоят из двух взаимосвязанных и взаимодополняющих друг друга частей: теоретической и практической, В теоретической части изложены основные идеи, методы и модели эконометрики. Теория в начале каждой лабораторной работы не претендует на полноту университетского изложения. В практической части работ подробно описаны применения