Математическое моделирование теплового и температурного режимов почв

Для почв каждого типа характерна определенная динамика температур в течение вегетационного периода и на различной глубине. Наибольшие колебания температуры наблюдаются на поверхности почвы. С глубиной ее колебания уменьшаются. Суточные изменения температуры полностью затухают на глубине 40-50 см. Годовая динамика температуры зависит от природной зоны. Так, в черноземах в зимние месяцы на глубине 30-40 см температура опускается ниже 0°С; в июне-августе она достигает максимального значения, а затем к зиме снова снижается.

На большой глубине годовое колебание температуры очень незначительно. Глубина промерзания почвы в зимнее время зависит от мощности снежного покрова. Под снегом почва промерзает на незначительную глубину, а в бесснежные зимы или при сдувании снега ветром почва может промерзать на глубину 0,7-0,9 м и более. Вот почему снегозадержание проводят не только для накопления влаги в почве, но и для сохранения тепла.

Тепловой баланс почвы складывается из радиационного баланса (Тб), состоящего из поступающей солнечной радиации, а также отраженной и излученной радиации; турбулентного потока тепла, связанного с теплообменом между поверхностью почвы и воздухом (Тк); тепла, затрачиваемого на физическое испарение и транспирацию воды (Тт); теплообмена между слоями почвы (Тп). Уравнение теплового баланса почвы предусматривает алгебраическое равенство величин различных потоков:

Тб + Тк + Тт + Тп=0.

Изучению этого режима в почвоведении уделяется большое внимание, так как он оказывает существенное влияние на интенсивность процессов почвообразования, климат и продуктивность экосистем.

Почва представляет собой многофазную систему, состоящую из скелета, представляющего собой совокупность огромного числа твердых частиц разнообразной формы и величины, разделенных между собой промежутками, заполненными газом и влагой. Теплообмен в таких многофазных капиллярно-пористых телах осуществляется в результате четырех основных процессов: кондуктивной теплопроводности, конвекции в порах, излучения в порах, переноса влаги. Описание температурного поля в почве, где действуют все эти процессы, является чрезвычайно сложной задачей. Обойти эти трудности и успешно решать многие практические важные задачи позволяет модель эквивалентной теплопроводности. Она базируется на феноменологическом подходе и позволяет рассматривать почву как некоторую квазиоднородную среду, к которой применимо уравнение теплопроводности, с осложненной вследствие наличия в почве процессов излучения, конвекции и переноса вещества зависимостью коэффициентов теплопереноса:

л(z, t) = C(z, t) ,

где Т - температура почвы, z - пространственная координата, направленная вглубь почвы, л(z,t) - коэффициент теплопроводности почвы, С(z,t) - объемная теплоемкость почвы.

Зависимости л(z,t) и С(z,t) определяются пространственным и временным ходом физических свойств почвы и прежде всего влажностью W и плотностью ρ почв.

Следует отметить, что в реальных условиях вследствие существенного изменения влажности и водно-физических свойств почвы с глубиной и во времени коэффициенты λ и С фактически являются функциями от z и t. Тем не менее для влажной почвы из-за относительно слабого взаимодействия водного и теплового почвенных режимов, а также высокого влагосодержания достаточно при моделировании физических процессов использовать эффективные (осредненные по t, а в некоторых случаях и по z) величины λ(z) и С(z).

На тепловой режим почв очень большое влияние оказывает процесс влагопереноса в почве. Тепловые и влагообменные процессы в почвах тесно переплетены между собой, поэтому целесообразно совместное рассмотрение тепловлагопереноса в почве. Тепловлагообменные модели лучше отражают реальную картину почвенных процессов: поэтому их развитие весьма перспективно. Тепловой режим почвы может быть всесторонне описан только при совместном рассмотрении процессов теплопереноса в почве и приземном слое воздуха. Наибольший практический интерес представляет изучение теплового режима почв с растительным покровом. Растительный покров оказывает очень большое влияние как на процессы теплообмена в почве, так и на связанные с ними процессы влагопереноса. Невозможно получить удовлетворительное математическое описание теплового режима почв, не учитывая влияние на него растительного покрова.

Несмотря на трудности, возникающие при решении комплексной задачи математического описания теплового режима почв с учетом влагопереноса, теплообмена в приземном слое воздуха и влияния растительного покрова, существуют работы, в которых эта задача успешно решается. Приведем пример модели Д.А.Куртенера и Г.А.Трубачевой (рис. 3.1).

Перейти на страницу: 1 2

Другие статьи по теме

Экология среды обитания
С экологической точки зрения среда обитания (окружающая среда) - это природные тела и процессы, с которыми данный организм находится в прямых или косвенных отношениях. Среда обитания характ ...

Экологические особенности свинцово-кислотных аккумуляторных батарей
Свинцово-кислотные аккумуляторы и батареи, собранные из них, являются очень распространёнными вторичными источниками тока и применяются в различных областях техники. Они обладают относительн ...

Охрана поверхностных и подземных вод от истощения и загрязнения
Основной задачей данной части работы является определение мероприятий по охране подземных вод от истощения и загрязнения. К этим мероприятиям относятся: подземная вода на проектируемом предприят ...

Разделы