МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЯ ВЛАЖНОСТИ С УЧЕТОМ ОСНОВНЫХ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВ ПРИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ МЕЛИОРАЦИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 prezentatsiya_2_vkr.pptx | 2.13 МБ |
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Задача исследования и актуальность работы Актуальность исследования: Разработан метод математического моделирования описывающий процесс вертикального перетока влаги для ненасыщенной зоны аэрации , учитывающий основные водно-физические свойства почв (гранулометрический состав), освобождающий исследователя от трудоемких лабораторных методов получения водоудерживающей способности и влагопроводности . Задачи : 1 . Рассмотреть гидрофизические характеристики почв: влагоудерживающая способность - основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) и зависимость влагопроводности от влажности как результат физического строения почвенной среды . 2. «Восстановить» водоудерживающую способность или основную гидрофизическую характеристику (ОГХ)» без дорогостоящих лабораторных исследований посредством включения в математическую модель влагопереноса необходимых гидрофизических характеристик ( влагопроводность , распределение частиц по размерам, плотность, пористость и пр.) 3. В результате математического моделирования получить данные о вертикальном перемещении влаги в верхних слоях зоны аэрации адекватно отражающие динамику влагопереноса для различных типов почв. 4. Построить схему реализации математической модели влагопереноса и разработать программу ее реализации на ЭВМ
Модель ван Генухтена-Муалема ( van Genuchten , 1980; Mualem , 1976) : (1) где: h – матричное давление [L]; – влажность полного насыщения [-]; – остаточная влажность, [-]; a, m, n – эмпирические коэффициенты [1/L], [-], [-]; Se – эффективное содержание воды [-]; Ks – коэффициент фильтрации [L/T]; равный 0,5 большинства почв ( Mualem , 1976). Уравнение Ван Генухтена – Муалема уравнение зависимости влагопроводности от давления влаги описывает водоудерживание в широком диапазоне давлений влаги 3 слайд
Модель Вогель и Кисляровой (2 )- модифицированное уравнение ван Генухтена с измененными гидрофизическими свойствами в области насыщения ( Vogel , Císlerová , 1988). В данной модели давление, которому соответствует полное насыщение почвы, равно величине h s , отличной от нуля. (2) , (3) (4) где h – матричное давление [L], θ s – влажность полного насыщения при матричном давлении h s [-], θ r – остаточная влажность, соответствующая влажности точки перегиба в сорбционной части [-]; K s – коэффициент фильтрации [L/T]; a, m, n – эмпирические коэффициенты [1/L], [-], [-]; Эмпирические модели для расчета влагопроводности почв без учета связи влагопроводности и водоудерживания 4 слайд
Модель Брукса - Кори (Brooks and Corey, 1964): (5) (6) (7) где θ r – минимальная влажность [-] ; θ s – влажность полного насыщения (близка к водовместимости ) [-]; S e – эффективное содержание воды [-]; K s – коэффициент фильтрации [L/T]; m, n, l - эмпирические коэффициенты, влияющие на форму функций влагопроводности , a - коэффициент, обратный давлению входа воздуха (давлению борботирования ), n - коэффициент, характеризующий распределение пор по размерам (наклон кривой ОГХ) Эмпирические модели для расчета влагопроводности почв без учета связи влагопроводности и водоудерживания 5 слайд
Качественных математических моделей в настоящее время представлено очень много. Одной из первых российских моделей переноса влаги является модель MOIST ( Пачепский , 1992). Также широко известны модель влаго -, соле - и теплопереноса HYDRUS ( Šimůnek et.al., 2005) и модель «почва-вода-растение-атмосфера» SWAP, разработанная голландскими учеными ( Van Dam et.al., 1997). Моделирование поля влажности возможно с применением двух и трехмерных моделей, таких как HYDRUS-2D и HYDRUS (2D/3D) ( Šimůnek et al ., 2008; Skaggs et.al., 2004; Hopp et . al ., 2009). Современные математические модели 6 слайд
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛАГОПЕРЕНОСА С УЧЕТОМ ОСНОВНЫХ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВ 7 слайд Использование педотрансферных функций (ПТФ ). Педотрансферные функции – это эмпирические зависимости, позволяющие восстанавливать основные гидрофизические функции почв, – прежде всего, основную гидрофизическую характеристику (ОГХ ) – по определяемым базовым свойствам почв (Шеин, Карпачевский , 2003 ) , известным из материалов Почвенных служб . ПТФ, из которых наиболее известные следующие: Метод физически обоснованной модели ( Haverkamp , Parlange,1986; Arya , Paris , 1981; Tyier , Wheatcraft,1989). В основу этих методов положены представления о капиллярном строении порового пространства, образуемого почвенными частицами различного размера. Основанная на классе почвы по гранулометрическому составу, показывает усредненные данные гидравлических параметров. Точечно-регрессионный метод ( Gupta , Larson , 1979; Rawls et al ., 1982; Korus , 2007; Ghanbarian-Alavijeh , Millan , 2010 ).. Этим методом предсказывают влагосодержание в почве, соответствующее определенному матричному потенциалу по базовым свойствам почвы. Обычно находят влажность, соответствующую матричным давлениям -10, -33, и -1500 кПа (характерные точки ОГХ) ( Kern , 1995): Qi = ai + b I ωпесок + с i ω пыль + d I ωил + e i ω c + f I где : θ- объемное содержание влаги; i- относится к одной из равновесных точек pF -Ɵ на ОГХ ; ω – доля органического вещества; a, b, c, d, e, f - эмпирические коэффициенты регрессии. Функционально-параметрический регрессионный метод ( Rawls , Brakensiek , 1985; Bachmann , Hartge , 1991, Архангельская, 2008). Используя этот метод, предсказывают параметры аппроксимации ОГХ (или других зависимостей) по традиционным физическим свойствам почвы. Y= a+ b1*X1+ b2*X2+…+ bp * Xp , где переменная Y выражается через константу (а) и угловые коэффициенты (b), умноженные на соответствующую переменную X. Регрессионные коэффициенты (или b- коэффициенты) представляют независимые вклады каждой независимой переменной в предсказание зависимой переменной.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛАГОПЕРЕНОСА С УЧЕТОМ ОСНОВНЫХ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВ 8 слайд Программное обеспечение HYDRUS-1D имеет возможность моделировать движение воды, растворенного тепла, углекислого газа и водопоглощение посредством корней как в насыщенных, так и в ненасыщенных зонах. При этом поток воды, растворенных веществ и перенос тепла являются основной частью этой модели. Расход воды переменно- водонасыщенных почв описывается уравнением Ричардса с равномерной областью течения ( Simunek et al ., 2008). В последнее время были предприняты усилия по имитации переноса загрязняющих веществ под действием градиента почвенной влаги с использованием моделей двойной пористост ( Gerke , van Genuchten , 1993а, 1993b; Simunek , et al ., 2008; Simunek et al ., 2001, 2003). Гидрологические свойства ненасыщенной почвы, θ (h) и K (h) в общем случае являются сильно нелинейными функциями для давления напора (Шеин, 2005; Судницын , 1979). HYDRUS-1D позволяет использовать пять различных моделей для определения гидравлических свойств ( Brooks , Corey , 1964; Van Genuchten , 1980; Vogel , Císlerová , 1988; Kosugi,1996 ). Програмное обеспечение RETC предусматривает несколько вариантов моделирования гидравлических свойств ненасыщенных почв. Эти свойства предполагают кривую удержания воды (θ (h)), функцию влагопроводности , К(h) или К(θ), и диффузию почвенной влаги D(θ). Данные удержания воды в почве описываются уравнениями: Brooks , Corey , 1964; Van Genuchten , 1980 ; Распределение пор по размерам: Burdine [ 1953] ; . Муалем [1976 ] RETC использует следующие входные данные: 1. класс почвы по гранулометрическому составу по международной классификации (всего 12 классов); 2. процентное содержание песка, глины и пыли; 3. процентное содержание песка, глины, пыли и плотность почвы; 4. процентное содержание песка, глины, пыли, плотность почвы и значение наименьшей влагоемкости; 5. процентное содержание песка, глины, пыли, плотность почвы, зна-чения наименьшей влагоемкости и влаги завядания .
. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ВОЛГОГРАДСКОГО РЕГИОНА 9 слайд Метод центрифугирования (Смагин, 2005). диапазон применения от -1000 до –20000 см водн.ст Рис 1. Устройство центрифужного стакана (а) и его расположение при различных конструкциях ротора центрифуги: 1- трубка с материалом-подкладкой; 2 – образец почвы; 3– резиновые упоры; 4–крышки; 5 – свободная жидкость ( вода,почвенный раствор); (б) – ротор-крестовина; (в) – угловой ротор. Методы исследования физических свойств почв . Плотность почвы определена методом бурения. Гранулометрический состав почв определялся на лазерном дифракцион -ном анализаторе размера частиц ANALYSETTE 22 Comfort с длиной волны 633 нм ( Eshel et al ., 2004). Диспергация почвы осуществлялась с помощью ультразвука в 4%-ном пирофосфате натрия. Для оценки почвы по гранулометрии использовали российскую классификацию по Качинскому и классификацию США с фракциями песка 2-0,05 мм, пыли 0,002-0,05 мм и глины < 0,002 мм.
. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ВОЛГОГРАДСКОГО РЕГИОНА 10 слайд Метод капилляриметров зондовый метод диапазон применения от -1000 до –20000 см водн.ст Рис .2- Прибор для определения лабораторных ОГХ и влагопроводности почвы зондовым методом. 1- вакуумметр; 2- мерная бюретка; 3 – цилиндр с почвенным образцом; 4 - кера-мический фильтр; 5- буферная емкость для поддержания разрежения в системе; 6 –кран для слива/подачи воды. Метод тензиостатов диапазон применения до 500 см водн . ст. Рис.3-Тензиостаты для определения ОГХ. Мембраны – песчаные-«а», «б», песчано-каолиновые – «в», «г», каолиновая – «д». (мембраны -1, бюксы с почвой с отверстиями в дне, и закрытые с другой стороны тонкой сеткой, на которой располагается почвенный образец – 2, вода под соответствующим разрежением – 3.)
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования В работе изучались 10 образцов почв с различным гранулометрическим составом 11 слайд
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования На первом этапе был осуществлен переход от гранулометрического состава почв по классификации Качинского к Международной классификации ФАО десяти типов почв 12 слайд Рисунок 5 – Треугольник Ферре с данными почв 5 образцов: 1– сугли -нок, 2- глинистый суглинок; 3- глина; 4-песок; 5- суглинистый песок. Figure 1-Ferre Triangle with soil data from 5 samples: 1- Loam; 2- Glay Loam; 3- Glay ; 4-Sand; 5-Loamy sand. Рисунок 4 – Кумулятивная вероятность (а) и плотность распределения поч -венных частиц по размерам (b) 1 –суглинок; 2–глинистый суглинок; 3–глина; 4 – песок; 5 –суглинистый песок.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования Второй этап : численная схема реализации математической модели влагопереноса и восстановления основной гидрофизической характеристики (OГХ) в пакете RETC 6.02 13 слайд Программа RETC предназначена для восстановления различных гидрофизических характеристик почв на основе их физико-химических свойств: плотность, гранулометрический состав, пористость, полевая влагоемкость, гидроскопическая влажность, коэффициент фильтрации и т.д., В программу входит 7 параметров - т.е. θr , θs , а, п, m, l, и Ks . Программа RETC и ее интерфейс: 1. Прогнозирование и прямая оценка ненасыщенных гидравлических свойств из ранее оцененных гидравлических параметров почвы (прямая задача), 2. Прогнозирование ненасыщенных функций гидравлической проводимости или диффузии по наблюдаемым данным удержания 3. Количественное определение гидравлических свойств путем одновременного анализа массива экспериментальных данных по влагоудержанию и гидравлической проводимости. 4. Выбор гидравлических параметров, подлежащих включению в процесс оптимизации параметров 5. Возможность вычислив параметры модели из данных наблюдений проводимости, данных по удерживанию, или одновременно из измеренного удержания и данных влагопроводимости ; 6. Код RETC может быть легко модифицирована для учета более сложных процессов, потоков, таких как гистерезис двухфазного потока [ Lenhard и др., 1991] или потока Германа [Герман, 1990].
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования Второй этап : численная схема реализации математической модели влагопереноса и восстановления основной гидрофизической характеристики (OГХ) в пакете RETC 6.02 14 слайд Интерфейс ввода-вывода RETC достаточно прозрачен ввод информации Создание нового проекта выбор типа модели задаются размерности времени и пространства
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования Второй этап : численная схема реализации математической модели влагопереноса и восстановления основной гидрофизической характеристики (OГХ) в пакете RETC 6.02 15 слайд Интерфейс ввода-вывода RETC достаточно прозрачен Выбор модели Гидравлические параметры. Результаты моделирования графики влагоудержания и влагопроводност и
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования Второй этап : численная схема реализации математической модели влагопереноса и восстановления основной гидрофизической характеристики (OГХ) в пакете RETC 6.02 16 слайд Рисунок 6 - Восстановленные кривые ОГХ для образцов 1-5 : 1- суглинок, 2- глинистый суглинок; 3- глина; 4-песок; 5- суглинистый песок. Восстановление осуществлялось по полуэмпирической модели Ван- Генухтена , по формуле m=1-1/n (8) где θ(h) – влажность как функция почвенного потенциала h ( cм . вод. столба); θr , θ s остаточная влажность (влажность при которой нет перемещения влаги) и влажность насыщения или полевая влагоемкость ; α(1/см) – коэффициент входа воздуха, характеризующий степень занятости порового пространства воздухом ; n – эмпирический коэффициент, отражающий гранулометрический состав . № образца почвы Θ r cm 3 /cm — 3 Θ s cm 3 /cm —3 α , 1/cm n , ( — ) K 0 , cm/d 1 Loam 0 , 078 0 , 43 0 , 036 1 , 56 24 , 96 2,3,5 Clay Loam 0 ,075 0 , 41 0 , 019 1 , 31 6 , 24 4 Clay 0,068 0,38 0,008 1,09 4,80 6,7,9,10 Sand 0 , 045 0 , 43 0 , 145 2 , 68 712 , 8 8— Sandy loam 0 , 065 0 , 41 0 , 075 1 , 89 106 , 1 Параметры аппроксимации ван Генухтена для образцов почв: 1- Loam; 2,3,5 - Clay Loam,4 - Clay ; 6,7,9,10 - Sand ; 8 Loamy sand
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования На третьем этапе осуществили математическое моделирование поля влажности с учетом основных гидрофизических характеристик в программе RETC 17 слайд Результаты восстановления ОГХ и параметры аппроксимации являются экспериментальным обеспечением для математического расчета вертикального перемещения воды в почве между отдельными её слоями. Для моделирования вертикального поля влажности использовать модифицированное уравнение Ричардса : где ΔР/ Δz - градиент давления на Δz расстоянии между двумя слоями по вертикали Кф – коэффициент влагопроводности при заданной влажности (потенциале). Данные для расчета –пакет RETC Тип почвы НВ Р1 К( нв )мм/ сут q мм / сут Sand песок 0,060 248,000 20,000 0,260 2,964 Loamy Sand Суглинистый песок 0,170 181,300 20,000 12,400 100,006 Loam суглинок 0,260 796,1 20,000 0,68 26,387 Glay loamе глинистый суглинок 0,310 1513 20,000 0,137 10,227 Glay глина 0,350 2589 20,000 0,042 5,395 Тип почвы НВ Р1 К( нв )мм/ сут q мм / сут Sand песок 0,060 248,000 20,000 0,260 2,964 Loamy Sand Суглинистый песок 0,170 181,300 20,000 12,400 100,006 Loam суглинок 0,260 796,1 20,000 0,68 26,387 Glay loamе глинистый суглинок 0,310 1513 20,000 0,137 10,227 Glay глина 0,350 2589 20,000 0,042 5,395 Результаты математическое моделирование поля влажности с учетом основных гидрофизических характеристик (9)
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОГХ 18 слайд Моделируемый параметр, формула Время ручного счета, мин. для 1 образца Время расчета на ЭВМ 1 образец Сокращение времени. для 1 образца почвы Расчет наименьший влагоемкости W (h) = -0,0001h 3 + 0,0138h 2 - 0,3801h + 10,567, R² = 0,83, 2 0,3 1,7 Расчет плотности почвенного слоя ρ(h) = -0,1395h 2 + 0,4286h + 1,0731, 2 0,3 1,7 Порозность почвенного слоя. p (h) = 0,0001h 3 - 0,0137h 2 + 0,3966h + 49,913, R² = 0,96 3 0,4 2,6 Построение графиков кумулятивной вероятности и плотности распределения почвенных частиц по размерам для 5 образцов почв 60 3 57 Расчет основной гидрофизической характеристики ОГХ , , h – матричное давление [L]; – влажность полного насыщения [-]; – остаточная влажность, [-]; a, m, n – эмпирические коэффициенты [1/L], [-], [-]; Se – эффективное содержание воды [-]; Ks – коэффициент фильтрации [L/T]; равный 0,5 большинства почв ( Mualem , 1976). 30 2 28 Моделируемый параметр, формула Время ручного счета, мин. для 1 образца Время расчета на ЭВМ 1 образец Сокращение времени. для 1 образца почвы Расчет наименьший влагоемкости W (h) = -0,0001h 3 + 0,0138h 2 - 0,3801h + 10,567, R² = 0,83, 2 0,3 1,7 Расчет плотности почвенного слоя ρ(h) = -0,1395h 2 + 0,4286h + 1,0731, 2 0,3 1,7 Порозность почвенного слоя. p (h) = 0,0001h 3 - 0,0137h 2 + 0,3966h + 49,913, R² = 0,96 3 0,4 2,6 Построение графиков кумулятивной вероятности и плотности распределения почвенных частиц по размерам для 5 образцов почв 60 3 57 30 2 28
Измерение ОГХ лабораторными методам: капилляриметр , тензиостат , центрифугирование 1-30 суток Расчет коэффициента влагопроводности К о см/ сут m=1-(1/n)/n; n>1; где: h – матричное давление [L]; θ_s – влажность полного насыщения [-]; θ_r – остаточная влажность, [-]; a, m, n – эмпирические коэффициенты [1/L], [-], [-]; Se – эффективное содержание воды [-]; Ks – коэффициент фильтрации [L/T]; равный 0,5 большинства почв ( Mualem , 1976). n – отражает распределение пор по размерам (параметр аппроксимации ОГХ). 30 2 28 Измерение ОГХ лабораторными методам: капилляриметр , тензиостат , центрифугирование 1-30 суток 30 2 28 Расчет поля влажности вертикального перетока где: Δ Р/ Δ z - изменение давления на расстоянии Δz между двумя вертикально расположенными слоями, K(h) - коэффициент проводимости влаги при заданном давлении. 5 0,5 4,5 Итого для 1 образца почв 132 8,5 123,5 Итого для 5 образцов почв 660 42,5 617,5 Время построения модели сокращается в 15,5 раз ( на 617,6 мин).
Получена математическая и компьютерная модель, описывающая процесс вертикального влагопереноса для ненасыщенной зоны аэрации, учитывающая основные водно-физические свойства почв. На основе аналитического подхода ван Ге-нухтена-Муалема ( van Genuchten , 1980; Mualem , 1976) предложена универсальная методика расчета параметров вертикального контура увлажнения. 1. Для 10 образцов почв сухостепной зоны Нижнего Поволжья численно установлены закономерности изменения во времени вертикального влагоперетока в зависимости от гранулометрического состава. 2. Предложена методика и программа численного моделирования основной гидрофизической характеристики в программе RETC 6.02 . 3. В работе исследованы 10 образцов почв с различным гранулометрическим составом: СХП «Луч»; п. Новый Рогачик; Полигон «Городище»; Полигон « Качалино »; Лизиметр ФГБНУ ФНЦ; « Мезанкский »; два образца ООО"БК"; Образец " Казантипский ". Однако для моделирования влагопереноса в программе RETC необходимо учитывать международную классификацию почв по ФАО. С этой целью был произведен перевод из классификации по Качинскому (глина-песок) в классификацию ФАО (пыль-глина-песок). Согласно этой классификации 10 образцов почв соответствуют 5 типам почв по международной классификации ФАО: Sand (песок) ; Loamy Sand (суглинистый песок); Loam (суглинок); Glay loamе (глинистый суглинок); Glay (глина). 2. Гидрофизические свойства ненасыщенных почв в зоне аэрации представлены характеристикой водоудерживающей способности - ОГХ ( зависимость между объемным содержанием воды в почве θ(h) и капиллярным давлением.Кривые водоудержания θ(h) качественно аналогичны для всех типов почв и имеют S-образную форму. Количественное различие определяется увеличением матричного потенциала при переходе от песка к суглинистому песку за счет изменения высокодисперсной фракции в виде глины и пыли. 5. Наблюдается перемещение S-образных кривых в сторону уменьшения влажности при одном и том же почвенном давлении (потенциале). Это свидетельствует об увеличении влагоудерживающей способности при утяжелении почвы, увеличении пылевой фракции. 6. Результаты восстановления основной гидрофизической характеристики и коэффициенты аппроксимации ван Генухтена являются обеспечением для математического моделирования вертикального перемещения воды в почве между отдельными её слоями. 7. Из приведенных примеров явствует существенное различие в вертикальном продвижении влаги в почвах разного гранулометрического состава. В верхнем профиле почвы 20 см, при влажности НВ вода перетечет: в cуглинистом песке ( Loamy Sand ) – 100 мм/ сут ; на втором месте суглинок ( Loamy ) – 26,387 мм/ сут .; на третьем месте глинистый суглинок ( Glay loamе ) –10,277 мм/ сут ; на четвертом – глина ( Glay ) –5,4 мм/ сут . В песке ( Sand ) переток влаги самый медленный –3 мм/ сут . Общие выводы 20 слайд
Благодарю за внимание!