WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

РОМКО АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ВОДНОГО И ПИТАТЕЛЬНОГО РЕЖИМА МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ ГУМИДНОЙ ЗОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДЕЛИ АГРОГЕОСИСТЕМЫ

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2007

Работа выполнена в отделе природоохранных технологий Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кирейчева Людмила Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Добрачев Юрий Павлович

кандидат технических наук, доцент Сухарев Юрий Иванович

Ведущая организация: РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева

Защита состоится « » мая 2007 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в Московском государственном университете природообустройства в ауд. 1/201 по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, факс (495)976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан « » апреля 2007 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Т.И. Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интенсификация сельскохозяйственного производства требует совершенствования прогнозирования и управления водным, солевым и питательным режимами почв. Содержание влаги в почве определяет испарение, транспирацию растений, поверхностный сток и инфильтрацию в подземные воды и является ключевым фактором в гидрологическом цикле. Почвенные и подземные воды переносят значительное количество растворенных веществ, в том числе питательные вещества, минеральные соли и различные загрязнители. Повышенное применение органических и минеральных удобрений может привести к загрязнению грунтовых и поверхностных вод. Поэтому адекватное описание движения воды, солей и биогенных веществ в ненасыщенной и насыщенной зонах имеет большое значение для управления факторами роста растений и охраны окружающей среды при интенсивном сельскохозяйственном производстве.

Как показывает анализ наиболее известных моделей влаго-, массопереноса и развития сельскохозяйственных культур, в настоящее время не существует единого программного комплекса, позволяющего моделировать все множество физических, биологических и химических процессов в зоне аэрации и полного насыщения, характерных для мелиорируемых земель. Каждая конкретная модель решает свою узкоспециализированную задачу. В ряде случаев перед исследователем встает задача проводить комплексные расчеты и прогнозы. При этом необходимо согласование различных моделей, что достаточно трудоемко и не всегда возможно. Поэтому разработка интегрированной модели, позволяющей рассчитывать весь комплекс процессов, необходимых для прогнозирования и управления водным и питательным режимами мелиорируемых земель с учетом охраны окружающей среды, является своевременной и актуальной задачей.

Цель и задачи исследований. Цель данной работы - разработка интегрированной модели агрогеосистемы для обоснования мелиоративного режима на интенсивно используемых мелиорированных землях гумидной зоны с целью обеспечения высокой урожайности и предупреждения загрязнения почв и подземных вод биогенными веществами.

Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:

  1. Обоснование и выбор модели пространственной геофильтрации и геомиграции, позволяющей прогнозировать режим уровня грунтовых вод и поверхностный сток в трёхмерной области, а также перенос загрязняющих веществ.
  2. Выбор математических моделей для описания процессов влагопереноса, миграции и трансформации азотных соединений и урожайности сельскохозяйственных культур.
  3. Составление алгоритма интегрированной модели агроценоза и разработка программного обеспечения.
  4. Сопряжение модели агроценоза с моделью пространственной геофильтрации.
  5. Создание интегрированной модели агрогеосистемы для мелиоративного объекта.
  6. Проведения сценарных исследований с целью обоснования урожайности сельскохозяйственных культур с учётом экологических ограничений на загрязнение окружающей среды.

Объект и методика исследований. Объектом исследований являются процессы влагопереноса, миграции и трансформации азотных соединений для формирования требуемого мелиоративного режима на землях двустороннего регулирования водного режима гумидной зоны. Методика исследований включала анализ существующих моделей процессов влаго- массопереноса в насыщенно-ненасыщенных грунтах и урожайности, выбор математических моделей для построения единой интегрированной системы, программирование задачи, верификация отдельных компонентов и интегрированной модели в целом, а также разработки геоинформационной системы.

Адаптация интегрированной модели агрогеоценоза и проведение сценарных исследований выполнены на объекте Куликово Яхромской поймы Московской обл.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

- разработана интегрированная модель агрогеосистемы, представляющая собой модель агроценоза, сопряженную с моделью пространственной геофильтрации, и позволяющая обосновать основные параметры мелиоративного режима на землях двустороннего регулирования водного режима в гумидной зоне с учетом экологических ограничений;

- реализовано сопряжение моделей основных компонентов агроценоза и геосистемы (инфильтрация, урожайность, миграция и трансформация азотных соединений, геофильтрация, геомиграция);

- предложена методология проведения сценарных исследований для обоснования мелиоративного режима почв в гумидной зоне с учетом экологических ограничений;

- выполнено обоснование мелиоративного режима для объекта Куликово Яхромской поймы Московской обл., позволяющее минимизировать поступление биогенных веществ в грунтовые воды.

Практическая значимость. Разработанная модель может быть использована при обосновании технических решений при реконструкции или модернизации мелиоративных систем гумидной зоны, а также для обоснования агротехнических и мелиоративных мероприятий при интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Рекомендации по режиму орошения и нормам внесения азотных удобрений переданы и будут использованы в ЗАО «Куликово» Дмитровского района Московской обл.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на секциях Ученого Совета ВНИИГиМ (2003, 2004, 2005, 2007 гг.), Костяковских чтениях (2005 г.), на Молодежном Форуме «Агробиотехнологии и экологическое земледелие» (Владимир, 2005).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 1 в журнале, рекомендованном ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы из 117 наименований, в том числе 63 работы на иностранном языке. Она изложена на 145 страницах машинописного текста, иллюстрирована 26 рисунками, содержит 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Существующие методы моделирования мелиоративного режима почв и модели фильтрации и влагомассопереноса для ненасыщенно-насыщенной зон» представлен критический обзор наиболее известных математических моделей, с описанием их программных реализаций.

Разработка моделей фильтрации и влагопереноса началась более 50 лет назад. Модели создавались разными авторами и институтами и, в зависимости от поставленных задач, моделировали процессы, не предполагая дальнейшего взаимодействия с другими моделями. Это привело к большому количеству моделей с сильно различавшимся набором входных и выходных параметров. Однако, для практических расчетов зачастую требовались результаты моделирования по нескольким моделям, что вызвало необходимость объединения различных моделей в единые системы, позволяющие моделировать более широкий круг взаимосвязанных природных процессов. Для таких систем приходилось писать конверторы входной/выходной информации, чтобы передавать информацию из одной модели в другую, взаимодействие которых друг с другом изначально не предполагалось. В дальнейшем развитие моделей было связано с интеграцией с ГИС, базами данных, средствами анализа и представления данных. Стоимость разработки и поддержки программного обеспечения сильно возросла, что усложнило создание сложных моделей отдельными специализированными институтами. Наметились тенденции к стандартизации используемых в моделировании данных и кооперации деятельности различных профильных институтов для создания систем нового поколения. Многие институты отказались от поддержки собственных систем и присоединились к существующим проектам.

В настоящее время достаточно хорошо разработана теория фильтрации в водонасыщенных грунтах. Моделированию процессов геофильтрации посвящены фундаментальные работы П.Я. Полубариновой-Кочиной, В.В. Веригина, А.И. Силина-Бекчурина, В.А. Мироненко, В.М. Шестакова, Д.Ф. Шульгина, Р. Винстона, К. Восса, К. Киппа и многих других. Теоретические основы влагомассопереноса в почвогрунтах заложены в основополагающих трудах С.Ф. Аверьянова, Е. Букингема, В.В. Ведерникова, Н.Н. Веригина, А. Дарси, А.Н. Костякова, Л.А. Ричардса и других ученых. Дальнейшее развитие теории осуществлялось в работах И.П. Айдарова, А.И. Голованова, Л.М. Рекса, В.М. Шестакова, Д.А. Манукъяна, И.С. Пашковского, В.С. Борисова, Муалема, Ван Генухтена, И. Шимунека, Й. Ван Дама и других ученых. Существующие модели фильтрации основываются на законах Дарси и предпосылке неразрывности потока. Различия между отдельными моделями состоят в основном в методе решения (конечные разности, конечные элементы) и в способах задания граничных условий (van Waveren R.H., 2003).

Модели массопереноса в грунтовых водах условно можно разделить на две категории. Первый класс - "общие" модели, в которых химические процессы задаются упрощенно в виде коэффициентов (дисперсия, сорбция и т.д.). К этому классу относятся такие модели как MT3D, MOC и HST3D, разработанные американским геологическим обществом (USGS). Как и в моделях фильтрации, различия между моделями массопереноса лежат в основном в методе решения и в способах задания граничных условий. Второй класс моделей позволяет описывать химические реакции в явном виде. Такие модели нельзя применять без серьезной химической экспертизы. К ним относятся такие модели как модель процессов равновесной химической сорбции (Ю.В. Шваров, 1992) и модель PHREEQC (Parkhurst D.L. 1999, Simunek J., 2004), которая разработана американским геологическим обществом.

Модели влагопереноса в зоне аэрации различаются в основном способом решения уравнения инфильтрации. Существует три типа моделей для зоны аэрации:

  • Балансовые - наиболее простые модели, не требующие большого количества входных данных, но и не дающие детального решения (van Waveren R.H., 2003). Этот тип моделей применяется, как правило, для того, чтобы получить общее представление о процессах инфильтрации. Примером таких моделей является модель WATBAL, разработанная в университете Вагенингена.
  • Псевдо-стационарные - комбинация балансовых и динамических моделей влагопереноса. Примером таких моделей является модель MUST, разработанная в университете Вагенингена (De Laat P.J.M., 1995), имитирующая вертикальный перенос влаги в зоне аэрации с учётом суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур и оттока воды в дренаж.
  • Динамические модели, в основе которых лежит уравнение Ричардса (van Waveren R.H., 2003). Такие модели требуют достаточно большого количества входных данных, но дают детальные результаты. Этот тип моделей применяется, как правило, в моделях малых масштабов (уровня поля), чтобы получить детальное представление о процессах инфильтрации. Примером таких моделей являются модели А.И. Голованова, Л.М. Рекса, А.М. Якиревича, модель SWAP и др.

Исследование природных систем показывает, что одномерные и псевдодвухмерные имитационные модели не позволяют учесть все возможные процессы, возникающие на мелиорированных сельскохозяйственных землях. Пространственное разнообразие почвенных характеристик, региональная неоднородность и нелинейность процессов фильтрации, взаимодействие между корнеобитаемой зоной и подземными водами, дренаж, влияние водного и питательного режима на урожайность и качество продукции, наличие загрязнения почв и подземных вод предопределили создание комплексных имитационных моделей для системы «атмосфера-растение-почва-подземные воды». Эти модели являются важным инструментарием для прогнозирования природных процессов в их взаимодействии и позволяют обеспечить адекватное управление мелиоративным режимом при соблюдении экологических требований.

Сложные имитационные модели строятся по блочно-модульной схеме. Это позволяет постепенно наращивать сложность модели при ее разработке и контролировать набор моделируемых процессов за счет отключения ненужных модулей в зависимости от решаемой задачи. Это также делает возможным верификацию расчета отдельных процессов без привязки ко всему комплексу. Современный моделирующий комплекс состоит из управляющего модуля, модулей, реализующих моделирование различных процессов, графической оболочки, базы данных, средств анализа, представления данных и решения обратных задач.

Во второй главе «Выбор математических зависимостей для создания интегрированной модели агрогеосистемы в условиях двухстороннего регулирования водного режима гумидной зоны» дана краткая характеристика гумидной зоны и представлены математические модели необходимые для создания интегрированной модели агрогеосистемы. Под агрогеосистемой автор понимает - термодинамически открытую систему, состоящую из взаимообусловленных биологических, физических и химических компонентов, взаимосвязанных в своем размещении и развивающихся во времени как части целого.

Представленные модели описывают процессы движения влаги в зоне аэрации, суммарного водопотребления и урожайности сельскохозяйственных культур, переноса и трансформации азотных соединений в зоне аэрации, геофильтрации и геомиграции.

Для расчета влагопереноса в интегрированной модели автором используется обобщенная модель, базирующаяся на уравнении Ричардса (Голованов А.И. 1974, Van Dam, J.C., 1997, Kroes, J.G., 2003):

, (1)

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»