Математические модели почвенных процессов
Курсовой проект - Экология
Другие курсовые по предмету Экология
лоя воздуха (2), растительного покрова (3), структуры и свойств почвенного массива (4), теплообмена в почве (5), техногенных воздействий (6) и влагообмена в почве (7).
I
2 3
5
4 6
7
Рис. 3.1 Блок-схема техногенных воздействий на тепловой режим почвы (по Д.А.Куртнеру и Г.А. Трубачевой)
Построение этой модели осуществлялось в следующей последовательности:
) моделирование погодных условий;
) моделирование процессов тепло- и массообмена в приземном слое воздуха и растительном покрове;
) моделирование техногенных воздействий;
) моделирование теплопереноса в почве (рис. 3.2);
) моделирование влагопереноса в почве.
Рис. 3.2 Изменение температуры почвы с глубиной на участке с естественным покровом.
Модель Д.А. Куртенера и Г.А. Трубачевой позволяет рассчитывать термические эффекты техногенных воздействий на фоне заданных погодных условий с учетом характеристик растительного покрова, свойств почвы и ее водного режима. Это создает возможность проводить с помощью ЭВМ различные вычислительные эксперименты, позволяющие прогнозировать результаты хозяйственной деятельности человека на тепловой режим почв и получать обоснованные решения многих практических задач.
. Математическое моделирование водного режима почв
Водным режимом почвы называют совокупность всех процессов поступления влаги в почву, ее передвижения, удержания и расхода. Количественной характеристикой водного режима почвы является ее водный баланс. К основным источникам водного баланса относят осадки и грунтовые воды. Кроме того, дополнительными источниками увлажнения почвы служат поверхностный приток и влага, конденсирующаяся из паров воды.
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 кубических метрах на 1 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 грунтовой водой залегает зона капиллярной каймы, влага которой легко перемещается под совокупным влиянием капиллярных сил и тяжести; эта влага легко доступна растениям. Содержание влаги в зоне соответствует капиллярной влагоемкости почвы. При глубоком залегании грунтовых вод в верхней части почвы обособляется зона подвешенной влаги, максимальное содержание которой соответствует наименьшей влагоемкости почвы. Часть влаги этой зоны также доступна растениям. Капиллярная и наименьшая влагоемкость почвы имеют большое агропроизводственное значение, так как определяют максимальную величину прочного запаса почвенной влаги.
Высокая подвижность воды и способность вступать в химические и физико-химические взаимодействия с большим числом разнообразных веществ определяют ее важнейшую роль в процессах почвообразования. В результате перемещения водой органических, минеральных и органоминеральных соединений формируется почвенный профиль. Чрезвычайно велика роль воды и в биологических процессах. Поэтому водный режим занимает особое место среди почвенных режимов, оказывая исключительное влияние на генезис почв и их биологическую продуктивность. Этим объясняется огромное внимание к проблеме водного режима почв.
Широкое распространение при изучении водного режима почв получил водно-балансовый метод. Его использование в течение столетия позволил получить огромное количество весьма ценных сведений о скорости влагооборота в почвах различных природных зон. Водно-балансовый метод очень полезен для первоначального обобщения обширных материалов о водном режиме почв. В его основе лежит закон сохранения вещества. В наиболее общей форме баланс воды для системы или какого-либо ее компонента может быть описан следующим образом:
?В = П - Р С,
где ?В - изменение содержания воды в системе за данный промежуток времени; П - количество воды, поступившее в систему за это время; Р - количество воды, потерянное системой за ?t; С - синтез или распад воды внутри системы за это время.
Наряду с водно-балансовыми исследованиями предпринимались попытки разработать более общую теорию динамики почвенной влаги, которая базировалась бы на фундаментальных физических законах и позволяла предсказывать состояние и движение воды в почвах. В результате этих усилий был развит термодинамический метод изучения водного режима почв. В его основе лежат представления о термодин?/p>