книги из ГПНТБ / Количественные методы в мелиорации засоленных почв

А К А Д Е М И Я Н А У К К А З А Х С К О Й С С Р

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ

МЕТОДЫ

ВМЕЛИОРАЦИИ

ЗАСОЛЕННЫХ

ПОЧВ

И з д а т е л ь с т в о « Н А У К А » К а з а х с к о й С С Р

АЛМА-АТА • 1974

К н и га Природы написана математическим языком .

ГАЛИЛЕЙ

В В Е Д Е Н И Е

Современная промышленная технология за всю историю развития человеческой цивилизации достигла небывало вы­ сокой 'производительности труда. Бурное развитие промыш­ ленности, энергетики и транспорта стало возможным благо­ даря внедрению в производственные процессы комплексной механизации и автоматизации как в сфере производства, так и управления. Созданы поточные линии и целые комп­ лексы, работающие без вмешательства человека. В про­ мышленной технологии наука стала одной из главных со­ ставляющих производительных сил и ее роль все более воз­ растает. Сокращается срок внедрения в практику научного

открытия.

Ускорение научно-технического прогресса позволяет по­ лучать столько промышленной продукции, сколько это не­ обходимо развивающемуся обществу с учетом роста его численности и увеличением потребности его каждого инди­ видуума. К сожалению, этого нельзя сказать о сельскохо­ зяйственном производстве. Величина продукции сельского хозяйства явно отстает от запросов населения. В СССР, на­ пример, продукция машиностроения и металлообработки возросла по сравнению с 1913 г. в 450 раз, а продукция сельского хозяйства увеличилась всего в 3,7 раза.

Большая нехватка продуктов питания остро ощущается в капиталистическом мире. По данным ФАО (Международ­ ной продовольственной и 'сельскохозяйственной ассоциации при ООН), 2/з всего населения земного шара недоедает или голодает. В чем ж е причина резкого отставания сельскохо­ зяйственного производства от промышленного? Главная причина заключается в том, что в сельском хозяйстве еще не внедрены принципы промышленной технологии, основан­ ные на комплексной механизации и автоматизации процес­ сов производства. В результате производительность труда в

3

сельском хозяйстве в 10—15 раз ниже, чем в промышлен­ ности (Богачев и др., 1972).

Вряд ли можно упрекнуть работников сельского хозяй­ ства в отставании их отрасли. Сложность процессов и систем, с которыми имеет дело земледелие, гораздо более высока, чем в промышленном комплексе. Один из создателей сель­ скохозяйственной кибернетики в нашей стране А. Ф. Чудновский (1970) писал по этому поводу: «...ни в одном про­ мышленном процессе мы не встречаемся со столь причудли­ вым, случайным наложением огромного числа факторов, которые действуют в полевых условиях при формировании урожаев сельскохозяйственных культур». С увеличением сложности процессов неизмеримо больше возрастает труд­ ность управления ими в нужном для хозяйства направле­ нии. Вот почему развитие сельского хозяйства еще отстает от промышленности. Трудность усугубляется еще и тем, что сельскохозяйственные поля занимают большие площади. Земледелие имеет дело с огромной массой вещества, рас­ сеянной энергией. Естественный процесс почвообразования, который используется сельским хозяйствам, обладает кос­ ностью и определенной консервативностью по отношению к управляющему воздействию.

Отставание производства продуктов питания объясняет­ ся еще и тем, что сельское хозяйство опирается на биологи­ ческий и геолого-географический цикл наук, которые до недавнего времени носили описательный характер, т. е. выдавали в основном качественную информацию. Качест­ венное описание процессов не дает возможность рассчитать оптимальные условия почвенных процессов и их оптималь­ ное управление при выращивании урожаев. Таким образом, сельскохозяйственная наука еще не стала главной произво­ дительной -силой в своей отрасли и нуждается в большом качественном скачке, который должен заключаться в пере­ стройке методологии исследований с позиций точных -наук. t Использование достижений наук об управлении и -авто­ матике в сельском хозяйстве позволит -создать автоматиче­ ские поля, где будет использован алгоритм -оптимальности для культур, а такж е способы автоматического управления факторами, поддерживающими -процесс на заданном уровне. Особенно перспективно применение автоматики в орошае­ мом земледелии. Регулируя содержание влаги в почве, можно одновременно воздействовать на тепловой, воздуш­ ный и солевой режим почвы. В этом и заключается главное достоинство ирригации.

- . Чтобы избежать отрицательных последствий орошения — -вторичного засоления и переувлажения на малодренирован-

4;

ных землях, необходимо пользоваться некоторыми мелио­ ративными приемами. К ним относятся искусственный дре­ наж, промывки, специальная агротехника. Борьба с засоле­ нием — это старая проблема ирригации, которая до настоя­ щего времени еще не решена полностью. Успешное решение проблемы во многом зависит от наличия количественного описания процессов передвижения солей в почве и грунто­ вой воде на орошаемых массивах. Только количественное описание явления может дать возможность его уверенного прогнозирования и оптимального управления им.

В предлагаемой монографии делается попытка количест­ венного описания некоторых сторон почвенно-гидрогеологи­ ческого процесса по следующей схеме: вещество — энер­ гия — информация — управление — экономика. Современ­ ная наука утверждает, что подобное описание процесса не­ обходимо и достаточно для его проектирования и успешной эксплуатации в хозяйстве.

Некоторые вопросы количественного описания явлений

для расчета моделей на ЭВМ. Другие проблемы даны в виде идей и постановки вопроса и носят подчас дискуссионный характер. Это закономерно, потому что физико-математи­ ческая теория сельскохозяйственных мелиораций только начинает развиваться. Тем не менее авторы надеются, что затронутые ими вопросы найдут отклик у специалистовмелиораторов и помогут развитию мелиоративных работ в нашей стране.

Формирование идей, изложенных в книге, происходило у авторов под влиянием нескольких школ разного направ­ ления.

1. Школа казахстанских мелиораторов, созданная чле- ном-корреспондентом АН КазССР В. М. Боровским. Главное достоинство этой школы заключается в едином рассмотре­ нии почвенно-гидрогеологического процесса, объединении мелиоративного почвоведения и мелиоративной гидрогео­ логии в одну отрасль знаний — мелиорацию ландшафта.

2. Школа лочвоведов-мелиораторов под руководством члена-корреспондента АН СССР В. А. Ковды, вскрывшая основные качественные закономерности почвенных лроцессов при орошении засоленных почв. В. А. Ковда и его учени­ ки разработали основные понятия мелиорации засоленных почв, вскрыли принципиальное назначение дренажа, ис­ следовали генезис и геохимию орошаемых почв крупных районов СССР. Достижения школы используются всеми ор-

5

Г Л А В А I

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ СОЛЕПЕРЕНОСА НА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ

§1. Качественная картина процесса засоления почв

игрунтовых вод

Вопрос о происхождении природных лепкорастворимых солей и засоленных почв решен достаточно подробно и убе­ дительно. Согласно исследованиям К. К. Гедройца, Б. Б. Полынова и В. А. Ковды и с учетом современных представле­ ний, качественная картина засоления почв выглядит сле­ дующим образом: осадки, которые выпадают в горных областях, просачиваются в почву и грунты и формируют поток грунтовых вод. Грунтовые воды*, двигаясь вниз к базису стока под действием силы тяжести, обогащаются солями — продуктами выветривания горных пород. При вы­ ходе в равнину поток грунтовых вод приближается к днев­ ной поверхности и часть из них через капиллярную кайму рассеивается в атмосферу за счет транспирации и испаре­ ния. По мере испарения дистиллированной воды концент­ рация солей в капиллярной кайме возрастает, «...на грани­ це перехода пленочной воды в гигроскопическую, т. е. там, где количество притекающей снизу образующей пленку во­ ды равняется количеству испаряющейся воды, мы будем наблюдать максимум выпадения водно-растворимых солей или максимум засоления» (Полынов, 1933).

В результате резкого повышения концентрации солей в устьях капилляров возникает градиент концентрации, ко­ торый вызывает обратный диффузионный ток солей в грун­ товые воды. Грунтовые воды таким образом обогащаются солями и по мере движения вниз по потоку увеличивают свою минерализацию.

Происходит и качественная трансформация ионного стока. Ионы с низкой миграционной способностью— сили-

* Понятие грунтовые воды авторы трактуют так же, как Б. Б. По­ лынов (1933): «...под грунтовой водой мы разумеем всякое скопление насыщающей (не капиллярной) гравитационной воды в почве или грунте».

Т

каты , карбонаты, выпадают в осадок на более высоких от­ метках рельефа. Более подвижные компоненты — сульфаты, хлориды, двигаются дальше вниз и аккумулируются в поч­ венных горизонтах или достигают базиса подземного стока. Вблизи базиса подземного стока происходит значительное уменьшение скорости движения грунтовых вод. Расходу­ ются они в основном на испарение, что ведет к накоплению солей в почвогрунтах и грунтовых водах. Таким образом, для природных условий, при которых происходит засоление почв, наиболее характерны низкая естественная дренированность и повышенное испарение (Ковда, 1946). Орошение территорий с такими условиями, как правило, ускоряет развитие процессов засоления, образуется так называемое «вторичное засоление почв».

Площадь засоленных и потенциально склонных к засо­ лению земель велика. Достаточно сказать, что в нашей стра­ не она занимает около 60% от всей орошаемой площади (Аверьянов, 1965). В связи с тем, что территории с хорошей естественной дренированностью и благоприятным рельефом уже освоены под ирригацию, то дальнейший рост поливных земель будет происходить на участках с потенциальным за­ солением почв. Вот почему борьба с засолением имеет боль­ шую актуальность и остроту.

На процесс засоления влияет множество факторов окру­ жающей среды. К ним относятся геологические, метеороло­ гические, геоморфологические, гидрогеологические, почвен­ ные, ботанические. Для успешного исследования процесса засоления необходимо выделить главные факторы, обуслав­

рения; интенсивность инфильтрации; энергия потока грун­ товых вод (естественная или искусственная дренированность ландшафта). Перечисленные факторы являются интеграль­ ными параметрами природной среды. Интенсивность испа­ рения определяется климатом, типом почв и растительно­ стью, глубиной залегания грунтовых вод. Интенсивность инфильтрации зависит от климата, свойств почв и хозяйст­ венной деятельности человека; величина энергии потока грунтовых вод — от геоструктуры, литологии, рельефа, ха­ рактера увлажнения территории.

Так как перечисленные факторы можно измерять чис­ ленно, то это облегчает рассмотрение процессов миграции солей иод их влиянием с количественной стороны.

8

§ 2. Существующие математические модели процессов солепереноса в почвах

Существующие математические модели процессов соле­ переноса в почве основываются на закономерностях физикохимической гидродинамики пористых сред. Обзор литера­ туры, описывающий явления диффузии и маособмена при фильтрации жидкости в пористых средах, дан в книге «Раз­ витие исследований по теории фильтрации в СССР» (1969). Н. Н. Веригиным и Б. С. Шержуковым в специальной главе этой книги дан критический анализ научных исследований по вопросам конвективной диффузии, растворения солей, сорбции и ионного обмена в горных породах, рассмотрены дифференциальные уравнения, которые описывают процес­ сы миграции солей, приводятся методы определения пара­ метров.

Указанными авторами рассмотрено около 400 отечест­ венных и зарубежных публикаций, посвященных явлениям солепереноса и вышедших в свет за последние 30 лет, при­ водится библиография. Менее полный обзор существующей литературы по еолелереносу в пористых средах дан С. И. Смирновым (1971), Ю. А. Чизмаджевым (1971) и др.

В этом параграфе дается обзор литературы по количест­ венному описанию механизма миграции солей в почве. На­ сколько известно, подобного обзора в почвенной и мелио­ ративной литературе приведено не было. Этот вопрос доста­ точно подробно рассмотрен Л. М. Рексом (1971).

Первая попытка вскрыть физику (механизма движения солей в почве и показать количественное взаимодействие факторов была предпринята в нашей стране В. М. Лего­ стаевым (1951). Для расчета увеличения минерализации грунтовых вод им было использовано следующее уравне­ ние:

где г ' 2 — скорость испарения грунтовых вод; С — концент­ рация солей; и — коэффициент диффузии; у — координата протяженности; t — время.

Это уравнение получено из равенства в равновесном случае двух потоков солей (конвективного и диффузионного) в произвольном сечении грунта параллельному свободной поверхности. Однако теоретическая зависимость, получен­ ная из этого уравнения, не может претендовать на общность хотя бы потому, что получена она на основании гипотез с весьма искусственными допущениями. Так, например, пред-

9

положение В. М. Легостаева о том, что можно найти единую зависимость для всей зоны солепереноса независи­ мо от структуры грунта и характера режима влаги в нем (наличие капиллярной каймы и т. л.) не соответствует дей­ ствительности. В дальнейшем будет показано, как с изме­ нением в зоне солепереноса структуры грунта и режима грунтовых вод резко меняются закономерности изменения концентрации. Несмотря на это, уравнение (1.2.1) позволило автору дать некоторые теоретические зависимости, приме­ нимые к расчету миграции солей в отдельных простейших случаях. В последующих своих работах В. М. Легостаев по неизвестным причинам не применяет теоретических разра­ боток и пользуется эмпирическими зависимостями. В 1953 г. Н. Н. Веригиным при исследовании фильтрации жидкостей через пористую ореду в условиях их физико-химического взаимодействия рассмотрено совместно уравнение фильт­ рации и солепереноса. Математическая .модель, составлен­ ная Н. Н. Веригиным, представляет собой замкнутую систе­ м у дифференциальных уравнений, которые описывают филь­ трацию воды в грунте (по закону Дарси и уравнению нераз­ рывности потока), а также уравнение солевого баланса для потока грунтовых вод при наличии вертикальной и горизон­ тальной составляющих вектора скорости фильтрации:

где

При некоторых ограничениях, накладываемых на коэф­ фициенты влаго- и солепереноса, а такж е допущениях, не противоречащих физике процесса, решение указанной си­ стемы уравнений сводится к решению следующего уравне­ ния:

где v x , vy — компоненты вектора скорости фильтрации v, соответствущие осям Ох и Оу и определяемые из уравнения фильтрации; D — коэффициент диффузии; С0 — концентра­ ция солей предельно насыщенного раствора; С — концент­

10