Математическое моделирование в компонентах природы (стр. 3 )

Контрольные вопросы и задания

Что такое математическая модель?

Что такое стохастическое моделирование?

Как проверить достоверность результатов моделирования?

Что такое математическое детерминантное моделирование?

Как связаны стохастическое и детерминантное моделирования?

Что такое проводимость?

Как проявляют себя барьерные свойства компонентов природы?

Как проявляют себя емкостные свойства компонентов природы?

 

 

Вы будете изучать

·  Водный режим почвы

·  Водно-физические свойства почвы

Цели модуля

·  Овладеть методикой моделирования водного режима почвы

·  Сформировать представления о почвенных гидрофизических функциях

После изучения модуля вы сможете

·  Определять эмпирические коэффициенты аналитических выражений основной гидрофизической характеристики и функций влагопроводности

·  Использовать программный комплекс SWAP для моделирования водного баланса

·  Моделировать влагоперенос при орошении для условий аридной зоны

литература" align="left" width="66" height="50 src="/>

Основная литература

1.  , Корнеев -техногенные комплексы природообустройства. Учебной пособие. М.: МГУП, 2004, 74 с.

2.  , Ольгаренко -техногенные комплексы: Учебное пособие. – Новочеркасск, НГМА, 2003. – 155 с.

3.  , Молдованов инженерной экологии: Учеб. для ВУЗов. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Высшая школа, 2001. – 510 с.

Дополнительная литература

1.  , , Рыжик жидкостей и газов в природных пластах. М.: Недра, 19с.

2.  Воронин физики почв. М.: Изд. МГУ, 19с.

3.  Глобус -гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей. Л.: Гидрометеоиздат, 19с.

4.  Глобус гидрофизика почв. М.;Л.: Гидрометеоиздат, 19с.

5.  Кирейчева, Л.В., , Якиревич расчета водно-солевого режима орошаемых земель. М.: ВНИИГиМ, 19с.

6.  Кулик воды в почву. М.: Колос, 19с.

7.  Физика для всех. Том 1. Общая физика. Пер. с англ. – М.: Мир, 1974. – 382 с.

8.  Мичурин почвенной влаги. Л.: Гидрометеоиздат, 19с.

9.  Пачепский модели процессов в мелиорируемых почвах. М.: Изд-во Московского университета, 19с.

10.  , , Терлеев почвенных процессов в агроэкосистемах. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 20с.

11.  Рекс исследования мелиоративных процессов и систем. М.: Аслан, 1995.192 с.

12.  Роде учения о почвенной влаге, т. 1, Л., 1965.

13.  Судницын почвенной влаги и водопотребление растений. М.: Изд-во Московского университета, 19с.

14.  Фалькович интегрирование и численное дифференцирование функций в электронных таблицах EXCEL. Саратов: Изд-во СГАУ им. , 20с.

15.  , , Корсак прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур на орошаемых землях Поволжья. - Мелиорация и водное хозяйство, № 6, 1996. – С.

16.  Юрченко технологии обоснования мелиораций. – М.: Изд-во «Сопричастность», 2000. – 283 с.

17.  Jones J. W. Using expert systems in agricultural models / Agricultural engineering № 7, 1985, P. 21-22.

 

2.1.1 Водный режим почвы как важнейший фактор
почвообразования

Моделирование переноса влаги и солей для прогнозирования изменений состояния сельскохозяйственных угодий – важнейшая задача при проектировании как орошения, так и осушения земель, а так же при строительстве гидротехнических сооружений.

Например, прогноз режима грунтовых вод орошаемого массива, основанный на оценке влагопереноса, имеет большое значение для планирования сроков строительства дренажа, назначения его типа, расчета параметров, определения способов орошения и техники полива, размещения сельскохозяйственных культур и для оценки возможных отрицательных влияний на мелиоративную обстановку с образованием переувлажненных и вторично засоленных участков. Движение воды в верхних горизонтах почвы даже без подъема грунтовых к поверхности земли может вызвать перераспределение легкорастворимых солей в них и вторичное засоление при нерациональном режиме орошения, либо наоборот рассоление почв при правильно подобранных нормах и сроках полива. Вообще, долгосрочный прогноз водного и солевого режима почв является необходимой составляющей часть любого проекта оросительных мелиораций. При проектировании плотин, особенно насыпных, необходимо определить положение кривой депрессии фильтрующейся через тело плотины влаги, которая определяет долговечность сооружения.

Громадное значение имеет моделирование движения влаги в почве для оценки воздействия сельскохозяйственных угодий на поверхностные водные объекты, а, следовательно, на природную среду и человека. Это связано с тем, что огромные объемы загрязняющих веществ с полей (пестициды, минеральные удобрения, содержащиеся в минеральных удобрениях нитраты, биогенные элементы) переносятся в водоемы фильтрующейся влагой.

Все эти задачи решаются различными методами. Метод натурных аналогий основан на анализе графиков колебаний уровня грунтовых вод. Для применения этого метода на орошаемых землях необходимо иметь достаточно изученный орошаемый массив со сходными природными и организационно-хозяйственными условиями. Успешное применение этого метода, основанного на фундаментальной теории физического подобия, в основном зависит от имеющегося в наличии достаточно близкого объекта сравнения, что на практике бывает довольно редко. При строительстве плотин и других гидротехнических сооружений часто применяют физическое моделирование. Раньше широко применялся и метод электромоделирования.

Математическое моделирование использует аналитические методы, основанные на гидродинамических закономерностях движения подземных вод. Они разработаны российскими учеными (, 1965; -Кочина, 1952; , 1970 и др.) для случаев равномерной инфильтрации на орошаемом поле, влияния поверхностных вод в каналах и водохранилищах на режим уровня грунтовых вод примыкающих территорий. Орошаемое поле рассматривается в виде полосы, на которой происходит формирование потока по методу неустановившегося движения грунтовых вод с учетом глубины до водоупора, интенсивности инфильтрации, уклона подземных вод. С помощью уравнений определяется подъем грунтовых вод в виде бугра в центре массива. Вблизи водоемов колебание уровня грунтовых вод более отчетливо зависит от уровенного режима поверхностных вод. По мере удаления от водоема амплитуда колебания уровня грунтовых вод затухает и не совпадает с ритмом режима поверхностных вод.

Что такое водный режим почвы

Водный режим почвы - это совокупность всех явлений, определяющих поступление, передвижение, расход и использование растениями почвенной влаги.

Водный режим почвы — важнейший фактор почвообразования и почвенного плодородия. Главный источник почвенной влаги — атмосферные осадки; иногда значительную роль играют также близко расположенные грунтовые воды; в районах орошаемого земледелия большое значение имеют поливы. Воды атмосферных осадков и талые воды могут частично стекать, образуя поверхностный сток, а часть воды поступает в почву и расходуется растениями. Глубокая пахота поперёк склонов затрудняет поверхностный сток и способствует задержанию и лучшему впитыванию талых вод. Атмосферные осадки, талые и поливные воды проникают в почву вследствие её водопроницаемости (способности почвы пропускать воду). Чем больше в почве крупных (некапиллярных) пор, тем выше водопроницаемость. Особое значение имеет водопроницаемость для впитывания талых вод. Если осенью почва замёрзла в сильно увлажнённом состоянии, то обычно её водопроницаемость крайне незначительна. Под лесной растительностью, предохраняющей почву от сильного промерзания, или на полях с рано проведённым снегозадержанием талая вода впитывается хорошо. Поступление в почву влаги из грунтовых вод зависит от глубины их залегания и водоподъёмной способности почв и грунта. Грунтовые воды в глинистых почвах по капиллярам поднимаются на большую высоту (до 4 м), но очень медленно; в почвах лёгкого механического состава - быстрее, но на меньшую высоту.

Влажность почвы, т. е. содержание в ней влаги, обычно выражают в процентах от массы сухой почвы (весовая влажность) или от объёма почвы ненарушенного сложения (объёмная влажность); запас воды в почве - в м3/га или в миллиметрах водного слоя.

Почвенная влага может находиться в парообразном, жидком и твёрдом (лёд) состояниях. Обычно содержание водяных паров в почвенном воздухе близко к полному насыщению, а их перемещение в почве происходит под влиянием разности температур - от более тёплых слоев к более холодным.

Подвижность и доступность влаги для растений зависят от связи с твёрдыми частицами почвы, величины и строения почвенных пор, степени и характера заполненности их водой. Различают воду связанную, удерживаемую сорбционными силами, и свободную, находящуюся в почвенных порах вне влияния сорбционных сил. Связанная (сорбированная) вода удерживается поверхностью почвенных частиц с очень большой силой; эта вода практически недоступна растениям. Свободная почвенная влага может быть гравитационной, передвигающейся под преимущественным влиянием силы тяжести и капиллярных сил.

Над уровнем грунтовых вод залегает зона капиллярной каймы, влага которой перемещается под совокупным влиянием капиллярных сил и тяжести; эта влага легко доступна растениям. Содержание влаги в зоне соответствует капиллярной влагоёмкости почвы. При глубоком залегании грунтовых вод в верхней части почвы обособляется зона подвешенной влаги, максимальное содержание которой соответствует наименьшей влагоёмкости почвы. Часть влаги этой зоны также доступна растениям. Капиллярная и наименьшая влагоёмкость почвы имеют большое агрономическое значение, так как определяют максимальную величину доступного запаса почвенной влаги (полевая влагоёмкость).

Растения могут иссушить почву до такого состояния, при котором начинается их завядание. Такую степень увлажнения принято называть почвенной влажностью устойчивого завядания растений, почвенную влагу сверх влажности завядания - продуктивной влагой. Вода, получаемая растением из почвы, поглощается не всей поверхностью корней, а только молодыми их окончаниями, так называемыми корневыми мочками и корневыми волосками. Клетки всасывающей зоны корня обладают по отношению к воде своеобразной полярностью. Наружная их сторона всасывает воду, а внутренняя выталкивает её в сосуды корня. Так в растений создаётся корневое давление, нагнетающее воду вверх по корню и стеблю с силой 2—3 и более атмосфер. С такой же примерно силой корень растения сосет воду из почвы и преодолевает сопротивление почвенных частиц, удерживающих воду на своей поверхности силами адсорбции и набухания почвенных коллоидов. По мере уменьшения толщины слоя воды, облекающей почвенные частицы, силы адсорбции, удерживающие воду, быстро возрастают и становятся равными, а затем и большими, чем всасывающая сила корневых клеток, поэтому корни растений не могут отнять от почвы всю находящуюся в ней воду и в почве всегда остаётся некоторое количество недоступной для растения воды. В таком случае дальнейшая потеря растением воды уже не может возмещаться за счёт поступления её из почвы: содержание воды в растении падает и оно увядает.

Вся влага сверх наименьшей влагоёмкости просачивается до верхней границы капиллярной каймы и далее до уровня грунтовых вод, отток которых происходит по водонепроницаемому ложу – водоупору.

Разность в содержании влаги при полном насыщении и наименьшей влагоёмкости называется водоотдачей грунта. Величина водоотдачи колеблется от 5% (в суглинистых и глинистых грунтах) до 20—25% (в песках).

От содержания воды в почве зависят технологические процессы при обработке почвы, снабжение растений водой, физико-химические и микробиологические процессы, обусловливающие превращение питательных веществ в почве и поступление их с водой в растение. Поэтому одной из основных задач земледелия является создание в почве водного режима, благоприятного для культурных растений, что достигается накоплением, сохранением, рациональным расходованием почвенной влаги, а в необходимых случаях орошением или осушением земель.

Водный режим почвы зависит от свойств самой почвы, условий климата и погоды, характера природных растительных формаций; на обрабатываемых почвах - от особенностей выращиваемых культурных растений и техники их возделывания. В созданий благоприятного водного режима почвы большую роль играет поддержание в почве прочной мелкокомковатой структуры. Рациональному использованию запасов почвенной влаги культурными растениями способствуют не только своевременные сроки сева, но и удобрения. Установлено, что при правильном применении удобрений растение расходует меньше воды на каждый центнер сухой массы урожая, то есть с помощью удобрений можно понизить непроизводительную трату воды растениями. Полезащитные лесные полосы, умеряя силу ветра и повышая относительную влажность приземного слоя воздуха на окаймленных ими полях, также способствуют понижению непроизводительной траты почвенной влаги культурными растениями в засушливых районах.

Выделяют следующие семь типов водного режима почв: мерзлотный, промывной (пермацидный), периодически промывной, непромывной (импермацидный), десуктивно-выпотной, выпотной и ирригационный.

Мерзлотный водный режим формируется на территории распространения многолетнемёрзлых горных пород. Особенность его — наличие на некоторой глубине постоянно мёрзлого слоя, над которым в тёплое время года образуется надмерзлотная верховодка.

Промывной водный режим, при котором почва возвращает в атмосферу меньше влаги, чем её получает (избыток влаги просачивается в грунтовые воды); свойствен таёжной зоне с подзолистыми, дерново-подзолистыми и подзолисто-болотными почвами.

При периодически промывном водном режиме типе лишь в отдельные годы возврат влаги в атмосферу меньше её поступления; типичен для лесостепной зоны с серыми лесными почвами.

Непромывной водный режим отличается тем, что количество возвращаемой в атмосферу влаги приблизительно равно поступлению её с осадками. Осадки промачивают почву не на всю глубину; причем между промоченным слоем почвы и зоной капиллярной каймы возникает горизонт с постоянной низкой влажностью (близкой к влажности завядания), называемый мёртвым горизонтом иссушения. Встречается в степной зоне (с чернозёмными и каштановыми почвами) и в полупустынях.

Десуктивно-выпотной и выпотной водные режимы наблюдаются в условиях сухого климата; в почвах, которые питаются не только атмосферными осадками, но и влагой неглубоко расположенных грунтовых вод.

Десуктивно-выпотной водный режим почвы возникает в тех случаях, когда поднимающаяся грунтовая влага почти целиком перехватывается корнями растений.

При выпотном режиме грунтовые воды достигают поверхности почвы и испаряются, что часто приводит к засолению земель.

Ирригационный режим создаётся в условиях поливного земледелия; многократные поливы промачивают почву на всю глубину проникновения корней, а иногда (при необходимости промывки почвы от избытка солей) и глубже.

Регулирование водного режима почвы преследует цель — поддерживать в корнеобитаемом слое в течение всего вегетационного периода достаточное количество продуктивной влаги. При этом очень важно, чтобы часть почвенных пор оставалась занятой воздухом, необходимым для жизни растений и нормальной деятельности микроорганизмов. Достигается это системой агротехнических и агромелиоративных мероприятий.

Что такое водно-физические свойства почвы?

Почва – верхний плодородный слой земной поверхности, а равно и подстилающие ее грунты, представляет собой трехфазную структуру (рис. 8), состоящую из твердой фазы (минеральных частиц различных размеров), жидкой фазы (вода с растворенными в ней веществами) и газа (воздуха).

Рисунок 8. Структура почвы

Основными параметрами, характеризующими ее водно-физические (гидрофизические) свойства, являются: плотность (отношение массы или веса к объему), плотность твердой фазы, пористость, удельная поверхность (соотношения объема почвы, ее твердой фазы и поверхности частиц), влажность и влагоемкость (содержание воды в почве и ее способность абсорбировать влагу), коэффициенты фильтрации и влагопроводности (определяют способность почвы пропускать влагу в насыщенном и не насыщенном водой состоянии), давление почвенной влаги. Особую роль играет в моделировании влагопереноса функция, связывающая давление почвенной влаги и влажность почвы - основная гидрофизическая характеристика (ОГХ), или кривая водоудерживания.

Давление почвенной влаги - давление, возникающее в почвенной влаге за счет действия в почве сил различной природы, снижающих энергию почвенной воды по сравнению со свободной чистой водой при атмосферном давлении на уровне моря, энергия которой принимается за ноль.

Различают полное давление почвенной влаги и его отдельные составляющие, характеризующие действующие силы или особенности приборного определения. Полное давление является алгебраической суммой составляющих: матричного (или капиллярно-сорбционного), гравитационного, осмотического, механического и др. В не насыщенных влагой почвах полное давление, как правило, отрицательно.

Выделяют следующие составляющие полного давления влаги:

-  гидравлическое (гидростатическое) - Давление, создаваемое массой столба воды и пропорциональное высоте последнего. В почвах и грунтах создается свободной гравитационной влагой, содержащейся в водоносном горизонте, а также столбом воды на поверхности почвы; величина положительная;

-  капиллярно-сорбционное (матричное, каркасное) - Давление почвенной влаги, возникающее за счет действия капиллярных и адсорбционных сил твердой фазы почвы, почвенной матрицы. В не насыщенных влагой почвах - величина отрицательная;

-  механическое - Давление, возникающее в почвенной влаге за счет внешней механической нагрузки. Например, давления вышележащих слоев, сельскохозяйственной техники и так далее. Величина положительная;

-  осмотическое - Давление, возникающее за счет растворенных веществ в почвенном растворе. Численно равно давлению, которое необходимо приложить к объему воды, тождественному по составу с почвенным раствором, для того, чтобы привести его в равновесие через полупроницаемую мембрану (проницаемую для воды, но непроницаемую для растворенных веществ) с объемом чистой воды. Величина отрицательная.

-  пневматическое - Давление, возникающее за счет повышения давления в газовой фазе выше атмосферного, контактирующей с почвенной влагой. Положительная составляющая;

-  расклинивающее (термин ) - перепад давления на границе между тонкой пленкой жидкости и поверхностью твердого тела, зависящий от толщины пленки. Причинами возникновения расклинивающего давления являются: 1) наличие поля молекулярных сил, исходящих от поверхности твердого тела, на межфазной границе и 2) сжатие диффузных ионных оболочек в тонком слое жидкой фазы при утончении этого слоя. Когда пленка разделяет твердые частицы, то положительное расклинивающее давление вызывает раздвигание частиц, если не существует сил, уравновешивающих это давление. В почве при неполном увлажнении наличие положительного расклинивающего давления обусловливает равновесие между пленочной и стыковой влагой и передвижение пленочной влаги в сторону пленки меньшей толщины;

-  тензиометрическое - давление, возникающее в тензиометре, и численно равное алгебраической сумме гравитационного давления (равного высоте тензиометра от пористой свечи до вакуумметра) и капиллярно-сорбционного давления почвенной влаги.

Размерность давления почвенной влаги образуется при отнесении величины энергии воды к ее объему: Дж/м3 = Н·м/м3 = Н/м2 = Па). Используются также единицы высоты водного или ртутного столба (метры – м или миллиметры – мм).

В дальнейшем нас будет интересовать в основном капиллярно-сорбционное давление, которое мы и будем называть давлением почвенной влаги. Как уже говорилось выше, это давление обусловлено капиллярными и адсорбционными силами, то есть притяжением молекул воды к твердым частицам почвы. Если мы положим сухой комок почвы на влажную поверхность, то через некоторое время он намокнет. Вода проникнет в поры почвы и поднимется под действием капиллярных сил на некоторую высоту, совершит работу против сил притяжения Земли. Возможность почвы совершать работу по подъему воды называется потенциалом почвенной влаги. С другой стороны, почва как бы всасывает воду, то есть, как бы существует всасывающее отрицательное давление, которое и называется давлением почвенной влаги.

В тоже время способность клеток корней растений потреблять воду определяется во многом их осмотическим давлением. Пока это давление выше по абсолютной величине – растения способны получать влагу, но как только давление почвенной влаги сравнивается с осмотическим, наступает завядание. Влажность, соответствующая такому давлению называется влажностью устойчивого завядания.

Влагоемкость почвы - величина, количественно характеризующая водоудерживающую способность почвы

Существуют понятия влагоемкости почвы как энергетических и почвенно-гидрологических констант.

Влагоемкость почвы - это максимальное количество воды, удерживаемое в почве силами определенной природы (энергетическое понятие).

Выделяют максимальную адсорбционную (МАВ), максимальную молекулярную (ММВ), максимальную капиллярно-сорбционную (МКСВ), капиллярную (KB) влагоемкости.

Почвенно-гидрологические константы влагоемкости - это значения влажности, соответствующие строго оговоренным условиям определения и имеющие практическое значение.

Главными почвенно-гидрологическими константами влагоемкости являются:

·  наименьшая влагоемкость НВ, синонимы – предельная полевая, полевая;

·  полная влагоемкость, синоним – водовместимость.

Наименьшая влагоемкость - наибольшее количество влаги, которое почва в природном залегании может удержать в неподвижном или практически неподвижном состоянии после обильного или искусственного увлажнения и стекания влаги

Наименьшая влагоемкость определяется в полевых условиях методом заливаемых площадей путем заполнения порового пространства почвы водой и последующего стекания гравитационной влаги при установлении квази-равновесного профиля влажности (на 3-5-й день после увлажнения) при изоляции от испарения воды из почвы в условиях хорошего дренажа и при отсутствии выраженной слоистости почвенного профиля. Давление влаги при НВ: (-10)…(-30) кПа.

Существуют также понятия:

максимальной адсорбционной влагоемкости (МАВ) - влажность почвы, соответствующая максимальному количеству воды, удерживаемого в почве адсорбционными силами и характеризующая прекращением выделения теплоты адсорбции;

максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ) - влажность почвы, соответствующая максимальному количеству воды, удерживаемому молекулярными силами, соответствует также влажности разрыва капиллярной связи (ВРК);

максимальной капиллярно-сорбционной влагоемкости МКСВ - влажность почвы, соответствующая максимальному количеству воды, удерживаемому в почве капиллярными силами. Соответствует почвенно-гидрологической константе наименьшей влагоемкости (НВ).

Капиллярная влагоемкость (KB) - влажность почвы, соответствующая полному заполнению капиллярных пор в условиях водного подпора. KB характеризуется капиллярно-подпертой влагой (по ) и соответствует влажности почвы в пределах капиллярной каймы.

Что такое почвенные гидрофизические функции?

Как известно, функцией называется зависимость одного параметра от другого, называемого аргументом функции (существуют также функции нескольких аргументов). Записывается функция в виде .

При изучении и моделировании движения влаги в почвенной толще важнейшими функциями, уникально характеризующими свойства почвы, являются зависимость давления почвенной влаги от объемной влажности почвы (основная гидрофизическая характеристика или ОГХ, рис. 9), а также зависимость скорости движения воды через почву от ее влажности (функция влагопроводности, рис. 10). Основная гидрофизическая характеристика называется также кривой водоудерживания (water retention curve), отражая тем самым взаимосвязь между всасывающей капиллярной силой (давлением почвенной влаги) и влагой, содержащейся в почве.

Рисунок 9. Основная гидрофизическая характеристика (кривая водоудерживания) – зависимость давления почвенной влаги от влажности

Рисунок 10. Функция влагопроводности – зависимость коэффициента влагопроводности от давления почвенной влаги

Некоторые ученные называют ОГХ тарировочной кривой, имея в виду, что по ней можно эффективно определять влажность почвы по давлению почвенной влаги, получаемой с помощью простых и дешевых датчиков - тензиометров.Другие способы определения влажности почвы более дорогие и трудоемкие, либо не обеспечивают нужной точности. Так, например, при термостатно-весовом (термовесовом) способе определения влажности образцы почвы необходимо сушить в специальном сушильном шкафу 6 часов.

Приборы для определения влажности диэлькометрическим способом, по изменению диэлектрической проницаемости, (TDR) очень дорогие, нейтронные влагомеры содержат опасные радиоактивные элементы. Простые, дешевые и быстро дающие результат электрические (омические) влагомеры (определение влажности по изменению электропроводности почвы) могут давать ошибку при различном содержании в почвенном растворе ионов легкорастворимых солей.

Что такое гистерезис?

Гистерезисом называется свойство природной или технической системы, при котором поведение этой системы на интервале времени определяется не только её характеристикой в данный момент, но и ее предысторией. Зависимость, описывающая эту систему, не является взаимно-однозначной функцией, а на графике присутствует характерная остроугольная петля. Четко выраженным гистерезисом обладает θ(h) - основная гидрофизическая характеристика одного и того же почвенного образца, определенная в режиме иссушения и увлажнения.

То есть, если для почвенного монолита определять пары соответствующих друг другу значений объемной влажности и давления почвенной влаги, постепенно увеличивая влажность образца, а затем повторить измерения в процессе его постепенного высушивания, по эти точкам можно будет провести две отличающиеся друг от друга кривые водоудерживания. Такое явление называется гистерезис, а кривые, соответственно, кривой увлажнения и кривой иссушения (рис. 11).

Причиной гистерезиса являются различия в диаметре почвенных пор и процессы набухания и усадки почвогрунтов. Этот физический эффект называют также эффектом чернильницы, поскольку почва сравнивается с распространенными раньше чернильницами.

Рисунок 11. Гистерезис основной гидрофизической характеристики

Гистерезис существенно влияет на числовые характеристики движения воды в почве в условиях большого количества циклов «иссушение-увлажнение», что происходит, например, при орошении в аридной или субаридной зонах.

2.1.2. Аналитические представления функции влагопроводности и кривой водоудерживавния

Хотя табличные формы представления основной гидрофизической характеристики функции влагопроводности (θ(h) и K(θ)) достаточно успешно использовались много лет, в настоящее время во многих программах применяются аналитические выражения. Причин для этого несколько:

1)  аналитические выражения более удобны для моделирования;

2)  легче сравнивать свойства различных почвенных горизонтов путем сравнения параметров аналитических функций;

3)  в случае гистерезиса кривые увлажнения и иссушения могут быть получены некоторой модификацией аналитической функции;

4)  аналитическое выражение необходимо для экстраполяции данных за пределы измеренного диапазона;

5)  аналитическая функция позволяет проводить калибровку и модели оценку качества определения почвенной гидравлической функции обратным моделированием.

Израильский ученый Муалем и нидерландский ученый Ван Генухтен предложили следующее уравнения для аналитического представления ОГХ:

()

где θнас – объемная влажность почвы при наименьшей влагоемкости, см3/см3; θост - объемная влажность почвы в самом сухом диапазоне, см3/см3; h – давление почвенной влаги, см водного столба; n, m и α являются эмпирическими коэффициентами, причем , а α измеряется в 1/см.

Используя это уравнение, с помощью теории ненасыщенной гидравлической проводимости (влагопроводности) было получено следующее аналитическое выражения для коэффициента влагопроводности:

()

где Кф – коэффициент фильтрации, см/сут; λ – эмпирический коэффициент, Se – относительное водонасыщение, определяемое по формуле:

()

Что такое педотрансферные функции

Педотрансферные функции - эмпирические зависимости, позволяющие восстанавливать основные гидрофизические функции почв, - прежде всего, основную гидрофизическую характеристику (ОГХ), - по традиционным, известным из материалов почвенных служб или традиционно определяемым базовым свойствам почв.

Существует несколько подходов определения педотрансферных функций:

1)  расчет ОГХ на основании рассмотрения капилляриметрических моделей почвы;

2)  эмпирические (регрессионные) уравнения, связывающие равновесные значения "давление-влажность" с помощью основных физических свойств;

3)  регрессионные уравнения, связывающие параметры аппроксимации ОГХ с традиционными физическими свойствами.

Наилучшие результаты восстановления ОГХ по фундаментальным физическим свойствам достигаются, если используется банк данных физических свойств почв, заранее проведена группировка почв, близких по типу, генетическому горизонту, классу, по гранулометрическому составу к тем, определение педотрансферных функций которых производится.

Рекомендуется находить по педотрансферным функциям определенные «опорные» точки на ОГХ в виде почвенно-гидрологических констант (общая пористость (ОП), капиллярная и наименьшая влагоемкость (KB и НВ), влажность разрыва капиллярной связи (ВРК) и максимальная гигроскопическая влажность (МГ).

Точность и адекватность педотрансферных функций зависит от используемого банка данных, предварительной группировки и способов их восстановления (регрессия, метод «нейронных сетей» и др.).

Таким образом, использование педотрансферных функций – еще один вид стохастического моделирования в природообустройстве. Целесообразность применения этих функций основана на том, что как полевые, так и лабораторные методы определения ОГХ очень трудоемки. Если удастся с достаточной степенью точности воссоздать ее по известным и общепринятым простым почвенным характеристикам, это намного облегчит проектные работы и проведение прогнозных эколого-мелиоративных исследований.

До настоящего времени наиболее широко применялся метод восстановления педотрансферных функций с помощью множественной регрессии (см. раздел «Стохастическое моделирование»). В конце ХХ века американские ученые ( и др.) предложили использовать для восстановления педотрансферных функций очень интересный современный метод стохастического моделирования – «искусственные нейронные сети».