Методы построения и использования комплексных моделей почвенных процессов в мелиорации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.02, доктор технических наук Никитенков, Борис Федорович

• Никитенков, Борис Федорович
• доктор технических наук
• 2000

Заключение диссертации по теме «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», Никитенков, Борис Федорович

8.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Использование системных представлений о строении и функционировании основных компонент почвы при постановке и решении практических задач позволили:

• Рассмотреть в единстве разнообразные элементы почвенной структуры и их взаимодействие а также определить процессы которые протекают в почвенных системах на микроуровне и проявление которых необходимо учитывать при решении прикладных задач.

• Показать, возможность существенного упрощения задач, при условии использования на первых этапах более сложных и детальных математических моделей. В частности решение задач инфильтрации и капиллярного подъема в рамках уравнения влагопроводности, без моделирования процессов движения почвенного воздуха и др.

• Определить процессы наиболее значимые и наименее исследованные в прикладном почвоведении. Среди них многокомпонентная диффузия, осложненная ионным обменом и растворением твердых фаз, процессы массообмена в агрегатированных почвах, протаивания и промерзания почв.

2. На основе теории кинетики химических реакций, механики сплошных сред показать, что широко используемые математические модели конвективной диффузии, ионного обмена, фильтрации являются только первым приближением и их использование в длинно временных прогнозах в общем проблематично.

3. Разработаны новые конструкции приборов и соответствующие методы лабораторных исследований процессов движения почвенных растворов и воздуха в ненасыщенных влагой почвах. Проведены определения физико-химических свойств различных почв.

4. Разработаны методы и проведены комплексные полевые эксперименты в различных природно-климатических условиях с использованием средств телеметрии и позволившие оценить аппроксимирующие и экстраполирующие свойства разработанных сложных моделей формирования водного, солевого, пищевого и теплового режима почв.

5. Разработаны новые математические модели ионообменных процессов и формирования структуры почв, основанных на методах физико-химической кинетики и коллоидной химии. Обоснована и экспериментально проверена существенная зависимость параметров ионного обмена от влажности почвы.

6. Новые методы анализа основных положений теории движения массы и энергии в пористых средах позволили разработать моделей для расчета проводящих и массо-обменных свойств почвы, без которых решение прикладных задач невозможно.

7. Разработаны оптимальные численные методы и алгоритмы решения одномерных и многомерных задач совместного движения массы и энергии в почвах, доведенные до уровня программ ЭВМ.

8. Проведенные расчеты показали возможность практического решения сложных задач обоснования химических мелиораций орошаемых черноземов, оценки устойчивости их агрегатов а также возможности оценки агроресурсов и эффективности мелиораций в интегральных моделях формирования урожайности.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе развивается "микроскопический" подход к почвам и процессам протекающих в них. Системность в изучении особенностей малых объемов почвы позволил не только выделить существенные элементы их структуры, но и построить некоторые мысленные конструкции, описывающие процессы движения массы и энергии на макроскопическом уровне. Использование методов механики сплошных сред - это наша плата не только за стохастичность пространственного распределения структурных элементов, но в большей мере за представленную возможность использовать исчисление бесконечно малых, т.е. развитые методы дифференциального, интегрального и вариационного исчислений. Объем почвы в уравнениях сохранения массы и энергии в итоге это бесконечно малый объем, в котором единовременно представлены все структурные особенности почвы. Однако, если уменьшить "увеличение", то становятся невидимыми определенные структуры и в конечном итоге перед нами будет истинная сплошная среда. Но микроскопические особенности не исчезли они просто не видны, как не видны и процессы обусловленные наличием микроструктуры. В построении моделей обычно такого рода явления учитываются разного рода коэффициентами и дополнительными членами в балансовых уравнениях. Как говорится в научно-технической литературе - "с некоторой (кое какой) степенью приближения". Желание что то посчитать, сделать прогноз развития тех или иных процессов в общем для науки явление закономерное и необходимое. Что же касается использование моделей в разработке технологий, то это уже не наука а инженерия. Здесь появляется ответственность за принятые решения, которую разделяют, как инженер - разработчик, так и лица, ответственные за реализацию проектов. Поэтому, чем точнее будут знания о моделируемых процессах, тем безопаснее станут технологии. В современном экологически неустойчивом мире с глобальными нарушениями окружающей среды, рекомендации основанные на предыдущем опыте оказываются бесполезными и даже многократно проверенные достижения -опасными.

Но парадокс заключается в том, что с некоторого уровня , становятся заметными новые структурные особенности строения почв. Например, трещины, локальные участки существенно отличных свойств и т.д. В меньших увеличениях структура оказывается не менее сложной, чем на микроскопическом уровне. Опыт натурного изучения этих особенностей накоплен в классическом почвоведении. Почвоведы натуралисты во многих научных работах их описали. Дополнительную информацию дали аэрокосмические методы. Во многих отраслях знаний требуется учет этих особенностей. Это например очевидно в разработке генетических методов расчета формирования стока рек, при мелиорации больших территорий и др. Но как ни странно уравнение фильтрации и влагопровод-ности и здесь остаются почти что единственным инструментом решения практических задач а для адекватности появляются еще менее понятные коэффициенты и сами физические свойства среды становятся подгоночными параметрами. Воистину чего только не сделаешь ради обоснования своего вторжения в природную среду и необходимости ее обустройства и защиты.

Нужно отметить, что процессы протекающие на микро уровне начинают играть уже другую роль. Часто они незаметны, их скорости малы. Поэтому результаты своих решений мы увидим через годы и десятилетия. Наверное многие из негативных процессов были запущены очень давно и не нами а расплачиваться за них приходится нам.

В этой связи дальнейшие исследования в направлении прикладного инженерного почвоведения можно сформулировать следующим образом:

1. Дальнейшие, более глубокие исследования абиотических и биотических процессов на микро уровне с выходом в научном плане на генезис и формирование свойств почв а в прикладном плане на проектирование и создании почв, устойчивых в земледелии.

2. Разработки методов изучения и описания процессов, протекающих в больших объемах почвы или на больших площадях, для решения локальных или глобальных задач обустройства антропогенизирован-ной окружающей среды и оценки ее экологической безопасности.

3. Разработка методов сохранения заповедных почв, как эталонов результатов естественных природных процессов в условиях глобального вторжения в природу.