Физико-структурные характеристики почвы и их влияние на энерго-массообмен между почвой и нижней атмосферой

В последнее время усилился интерес к изучению почвы как одной из важнейших составляющих экосистемы Земли. Почва оказывает влияние на все оболочки Земли — атмосферу, гидросферу и литосферу. Так, в частности, почва участвует в формировании и поверхностного и подземного стока и водного баланса, является одним из важнейших факторов биопродуктивности водоемов, участвует в формировании и эволюции газового состава атмосферы. Велико влияние почвы на энерго-массообмен с атмосферой, включая сюда и влагооборот атмосферы. С геологической точки зрения, почва — это верхняя часть коры выветривания горных пород, в которой горные породы подвергаются наиболее энергичному воздействию как неорганических компонентов выветривания, так и компонентов, мобилизуемых биотой. Почва является средой, на которой протекает хозяйственная деятельность человека. С этим связана одна из наиболее актуальных экологических проблем в настоящее время — воздействие агрессивных компонентов и отходов промышленного производства, а также масштабной деятельности человека в области сельского хозяйства и добывающей промышленности на почвенный покров. Использование тяжелой техники, химических препаратов наносит непоправимый ущерб в виде разрушения почвы как таковой.

По мере накопления разнообразных экспериментальных результатов по свойствам почв и их теоретического обобщения становилось ясно, что общим для многообразных функций почвы является их неразрывная взаимосвязь. Достаточно подробно об этом идет речь, например, в монографии (Добороволъский и др., 1990). Для исследования функций почв применяется весь инструментарий, который развили физическая химия, минералогия, физика и ряд других наук. В последнее время с большой интенсивностью развивается еще одно направление — моделирование функций почвы и процессов в ней. В результате свойства почвы выступают в виде ряда взаимосвязанных математических зависимостей.

Разработка математических моделей протекающих в почве процессов позволяет с единых теоретико-экспериментальных позиций физики почв рассматривать вклад того или иного явления в процесс в целом. Кроме того, математические модели позволяют выработать количественные рекомендации по предотвращению негативных воздействий на почву или усилению позитивного влияния, что дает возможность подойти к выработке рациональных инженерных решений и управляемого позитивного воздействия на почвенный покров (инженерный аспект). При решении задач корректного математического описания физико-химических процессов в почве и связанных с ней важнейших сферах Земли (гидросфера, атмосфера и литосфера) необходимо учитывать как накопленные экспериментальные и теоретические результаты по изучаемым процессам, так и разрабатывать новые подходы к дополнению и объединению таких результатов, причем с единых методологических позиций.

Особую важность здесь имеет экологический аспект решаемых задач с точки зрения поведения почвы в качестве разделительной границы между литосферой и атмосферой. Дело в том, что почва, как известно, является одной из важнейших составляющих биосферы. В связи с этим изучение влияния различных загрязнений на процессы, протекающие в почвах, особенности миграции загрязнений в почвах и подземных водах являются актуальными с точки зрения их влияния на все более усиливающееся загрязнение гидросферы и атмосферы.

В представленной к защите работе речь пойдет о некоторых базовых элементах математического моделирования физико-структурных характеристик почвы и их влияния на энерго-массообмен с нижней атмосферой как средой, наиболее активно участвующей в таком обмене. Необходимо отметить, что в огромном числе работ по математическому описанию свойств почвы реальным объектом является не почва как таковая, а ее модель — в простейшем (и наиболее популярном) случае модель недеформируемой и ненабухающей пористой среды в условиях неполного насыщения влагой. Важнейшим процессом в такой модели является движение почвенной влаги под действием капиллярных и гравитационных сил — ненасыщенная фильтрация. С момента появления уравнений для описания процесса ненасыщенной фильтрации столь простой, на первый взгляд, объект является предметом пристального научного интереса в течение достаточно длительного промежутка времени. Собственно почва представлена в таком объекте лишь присутствием капилляров сложной формы.

Почвы принадлежат к пористым средам с внутренней структурой, обусловленной прежде всего особенностями процесса почвообразования. Для процесса почвообразования характерно то, что он протекает на контакте атмосферы, гидросферы и литосферы, оказывая обратное влияние на каждую из этих оболочек Земли. Почвообразовательный процесс имеет как бы два «измерения». Первое обусловлено транспортом органических веществ, воды и растворенных в ней компонентов сверху вниз вместе с атмосферными осадками. Этот процесс, сопровождающийся трансформацией минералов почвообразующей породы, приводит к формированию свойственного только почвам феномена — почвенного профиля. Второе «измерение» имеет внутреннее направление. В каждом слое почвенного профиля (горизонте), однородном по своим характеристикам, идет еще один процессвзаимодействие органических и минеральных компонентов друг с другом. Этот процесс приводит к формированию характерных почвенных структурводопрочных агрегатов. Агрегированные почвенные частицы формируют более крупные образования, предопределяя тем самым сложное протекание процесса переноса в таких системах.

Наличие внутренней структуры почвенных частиц обуславливает дифференцированное протекание процессов массопереноса в почве (внутренний и внешний массообмен). Модели массопереноса для простейших типов таких систем (бипористые системы) достаточно хорошо изучены (Баренблатт и др., 1984; Волков, 1989; Ромм, 1985). Тем не менее, остается открытым вопрос в случае, когда почвенные частицы предоставляют не просто дополнительную пористость, а дают нелинейный вклад в общее удержание влаги или примеси пористой средой. Столь же существенным оказывается влияние последнего фактора и на диффузионный перенос в почве (Letey et ah, 1960; Храмченков, 2003).

Таким образом, расширение «классического объекта» физики почв,, предпринятое в настоящей работе, состоит в следующем. Объектом исследования будет деформируемая набухающая пористая среда, обладающая свойством нелинейного удержания влаги и примеси в своем составе. Кроме того, будет представлена модель, позволяющая объяснить образование частиц такой среды из более элементарных составляющих как органической, так и неорганической природы. В качестве основного метода исследования будет выбрано математическое моделирование, потому что именно недостаток адекватных физико-математических моделей процессов массопереноса в почвах служит причиной некоторой методологической сумбурности в современной физике почв.

Обычно «львиную долю» объема «стандартной работы» по физике почв составляет обсуждение вида и свойств уравнений влагопереноса (ненасыщенной фильтрации) в почве. По этому вопросу имеется обширная литература, но можно выделить лишь работы, ставшие классическими (Полубаринова-Кочина, 1977; Филипп, 1972). Не будем подробно затрагивать здесь эти вопросы, поскольку уравнения ненасыщенного влагопереноса с учетом дополнительных факторов для сложной среды, заявленной здесь как объект наших исследований, представляют собой более сложные нелинейные уравнения по сравнению с классическими. Получение их решений и обсуждение свойств этих решений, а также идентификация входящих в них параметров должны составлять тему отдельного исследования. В нашей работе будут предъявлены лишь простейшие решения этих уравнений, играющие, тем не менее, важную роль для демонстрации физических особенностей протекающих в почве процессов, а также для комплексного анализа последствий загрязнения или разрушения структуры почв.

Из всего выше сказанного следует актуальность темы диссертациитеоретическое и экспериментальное изучение процессов тепломассопереноса в почве и ее взаимодействия с контактирующими с ней подземной гидросферой и нижней атмосферой. Это изучение будет проводиться с точки зрения влияния на процессы почвенного тепломассопереноса основных физико-структурных характеристик почвы и выяснения механизма такого влияния. Такой подход актуален как с точки зрения взаимодействия почвы с поступающей в почву влагой, т. е. с гидросферой, так и с точки зрения влияния процессов тепловлагообмена почвы и нижней атмосферы, активно влияющих на формирование климата, а, следовательно, приобретающих глобальное значение.

Цель работы: изучение физико-структурных характеристик почвы и их влияния на энерго-массообмен между почвой и нижней атмосферой. Поставленную в работе цель предполагается достичь, решив следующие основные задачи исследования:

1. На основе методов термодинамики набухающих систем разработать модели массообмена в набухающих почвах и исследовать в рамках этих моделей влияние различных факторов на физико-структурные характеристик почв.

2. На основе объединения методов теории массопереноса в пористых средах и методов термодинамики набухающих систем разработать модель физико-механических и физико-химических свойств почвы, позволяющую с единых позиций подойти к анализу широкого комплекса вопросов о влиянии загрязнения на важнейшие характеристики почв (реология почв, перенос и диффузия в почвах, электрохимические и буферно-емкостные свойства почв).

3. На базе методов теории массопереноса в набухающих средах разработать модель изменения важнейших транспортных характеристик почвы, связанных с протеканием процессов переноса загрязнений в почвах.

4. На базе проведенных экспериментальных исследований и теоретического анализа процесса агрегатообразования в почвах при взаимодействии неорганической и органической составляющих почвенной матрицы проанализировать основные свойства почвенных агрегатов, в том числе свойство водопрочности.

5. На основе полученных результатов разработать модели, учитывающие влияние физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и турбулентной атмосферы, а также изучение последствий изменения этих параметров.

Выбранные для решения основных задач работы методы исследования заключаются в построении математических моделей для описания основных физико-структурных характеристик почвы и их влияния на энерго-массообмен почвы и нижней атмосферы, дополненных при необходимости экспериментальными исследованиями выше названных процессов. Достоверность научных результатов обеспечивается применением при разработке физико-математических моделей общих законов и уравнений термодинамики и механики сплошных сред. Проведенный сравнительный анализ решений полученных уравнений показывает хорошее соответствие этих результатов в частных случаях с экспериментальными данными. л.

На защиту выносятся:

1. уравнения физико-химической механики почвы и оценка влияния негативного механического воздействия на почву;

2. модель буферных свойств почвы;

3. модель электрохимических свойств почв;

4. модель формирования водопрочной агрегатной структуры почвы;

5. модель для оценки влияния физико-структурных характеристик почвы на процесс энерго-массообмена почвы и нижней атмосферы.

Научная новизна работы. Результаты диссертации являются новыми.

Среди новых результатов, полученных автором диссертации, наиболее значительными представляются следующие:

• построение на основе теории массопереноса в почвах и термодинамики почв модели набухания и массообмена в почвах, позволяющих оценить влияние различных факторов на водоудерживающую способность почв;

• построение модели физико-механических и физико-химических свойств набухающих пористых сред и ее приложения к почвам и процессам энерго-массообмена с атмосферой;

• разработка модели массообмена в почвах;

• разработка модели электрохимических свойств почв и ее связи с физико-структурными характеристиками почвы;

• разработка модели, позволяющей проследить процесс взаимодействия минеральной и органической составляющей почвенной матрицы (биокосные процессы) и его влияния на формирование структуры почвы (процесс агрегатообразования);

• разработка модели энерго-массообмена почвы и турбулентной атмосферы и влияния на этот процесс основных физико-структурных характеристик почвы.

Научная значимость и практическая полезность работы заключается в следующем:

• создана модель набухания почвенной матрицы, описывающая влияние загрязнения на набухание и водоудерживающую способность почв;

• создана модель массопереноса в ненасыщенных пористых средах с набухающим скелетом, позволяющая оценить изменения свойств почв вследствие механического и химического воздействии на нее;

• построены решения основных задач по переносу загрязнений в почвах;

• разработана модель электрохимических свойств почв, учитывающая влияние загрязнения почвы;

• изучен процесс и предложена модель взаимодействий неорганической и органической составляющей почвенной матрицы, прослежено влияние такого взаимодействия на процесс формирования водопрочной структуры почвы, а также влияния на данный процесс загрязнения почвы;

• разработана модель прогноза влияния физико-структурных характеристик почвы на энерго-массообмен почвы и турбулентной атмосферы, а также некоторые глобальные аспекты такого влияния.

Результаты работы были частично реализованы при разработке программного комплекса для расчета переноса загрязнений в подземных водах, а также их удержания почвой, реализованного совместно со специалистами РФЯЦ — ВНИИЭФ.

Личный вклад диссертанта заключается в разработке модели формирования водопрочной структуры почвы, модели влияния физико-структурных характеристик почвы на теплофизические характеристики почвы и, тем самым, на энергомассообмен почвы и нижней атмосферы, а также в проведении расчетов и обработке их результатов по всем разделам диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

• «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2003 г.;

• Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации", Москва, 2003 г.;

• «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2004 г.;

• Euro-Conference on Rock Physics and Rock Mechanics, Potsdam, 2004.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подводя итог, остановимся на основных результатах работы: ^ ¦ выведены уравнения физико-химической механики почвы, из анализа которых получены зависимости плотности набухающей почвы от приложенной нагрузки и влажности, определяющие энерго-массообмен почвы и атмосферы, а также выражение для характерного размера почвенного агрегатаполучены формулы для коэффициента распределения примеси в почвенной влаге и для зависимости коэффициентов диффузии и электрохимических параметров почвы от концентрации растворавыведены уравнения, описывающие формирование почвенного профиля) и водопрочной агрегатной структурыустановлены связи теплофизических параметров почвы с основными к физико-структурными характеристиками почвы, прежде всего с влажностью и со способностью почвы к набуханиюполучена зависимость коэффициента теплоусвоения от основных физико-структурных характеристик почвы, и их влияние на суточный и годовой ход температуры почвы, а также на энерго-массообмен между почвой и турбулентной атмосферой в целом.

Необходимо еще раз отметить, что выбор задач в данной работе является неслучайным. Он естественно определяется ее главной цельюисходя из общих принципов явлений переноса в почве и атмосфере, основанных на законах термодинамики, дать по возможности полный анализ наиболее существенных явлений физического и физико-химического характера, протекающих в почве и прилегающей к ней части атмосферы. Главное, что, по мнению автора, удалось сделать — это разработать единый подход к описанию и изучению процессов массопереноса в почве и энерго-массообмена с атмосферой. Это единство обеспечивается применением разработанной концепции осмотической ячейки к набухающим средам в условиях неполного насыщения влагой, на основе чего Определяющим элементом диссертации в первую очередь являлась физика процессов и, во вторую очередь, связанное с этими явлениями исчерпывающее количественное моделирование. Исходя из этого, можно наметить перспективы дальнейших исследований: получить результаты численного моделирования процессов набухания/усадки почвы в полной постановке, т. е. для неравновесных условий протекания процесса переноса влаги и примесей в почвенном профиле их влияния на энерго-массообмен с атмосферойпровести сравнение результатов расчетов такой расширенной модели с имеющимися экспериментальными данными.