2. Свойства геосистем и ландшафтов

Исходя из определения, любая геосистема, в том числе ланд­шафт и тем более, совокупность взаимодействующих ландшафтов, образуют так называемые большие системы, состоящие из подсис­тем. Поэтому к ним применимы общесистемные законы и свой­ства, помимо этого геосистемы и ландшафты обладают собствен­ными, только им присущими свойствами. Знание свойств, их ко­личественное выражение необходимы не только при изучении ландшафтов, их классификации, но и при работе с ними: исполь­зовании, обустройстве, восстановлении.

Работы по обустройству ландшафтов: мелиорации, рекультивации, очистке по сути сводятся к управлению их свойствами. Например, теплообеспеченность почв ландшафтов можно увеличить, уменьшив отражательную способность поверхности почвенного покрова.

Различают общесистемные, межсистемные и внутренние свойства ландшафтов, а также свойства компонентов природы, образующих геосистемы.

К общесистемным свойствам относятся эмерджентность (на­личие у системы таких свойств, которые не наблюдаются ни у одно­го элемента в отдельности, несводимость к составным частям), сложность (характеризуется числом элементов системы, количе­ственно выражается их логарифмом), разнообразие (характеризует­ся числом видов элементов) и структурность, характеризующая организацию системы, ее сложность и разнообразие элементов.

К межсистемным свойствам ландшафта относятся; степень обо­собленности ландшафтов друг от друга, контрастность и четкость его границ; характер связей С другими ландшафтами, их механизм и формы; устойчивость совокупности ландшафтов к внешним воз­действиям; формы межландшафтной горизонтальной, вертикаль­ной, временной, пространстве нно-времсннбй организации; пря­мые и обратные связи, круговороты, механизмы саморегуляции.

Внутренние свойства ландшафта следующие.

Целостность — геосистема любого ранга — это определенный набор взаимосвязанных и взаимообусловленных компонентов.

Открытость — геосистемы обмениваются энергией и веще­ством с другими геосистемами.

Функционирование — внутри геосистемы идут непрерывные про­цессы преобразования и обмена веществом, энергией и информа­цией (круговороты); функционирование геосистемы — это интег­ральный природный процесс, только человек совершенно условно подразделяет его на отдельные составляющие: физические, хими­ческие, биологические и т.д., природа об этом и не «знает».

Продуцирование биомассы — важнейшее свойство геосистем, заключающееся в синтезе органического вещества первичными продуцентами — зелеными растениями, которые, используя сол­нечную энергию, извлекают двуокись углерода из атмосферы, зольные элементы и азот — с водными растворами из почвы.

Способность почвообразования — отличительное свойство зем­ных ландшафтов, заключающееся в образовании особого природ­ного тела — почвы — в результате взаимодействия живых организ­мов и их остатков с наружными слоями литосферы, предваритель­но подвергшимися измельчению под действием воды, солнца, ветра; почвы обладают неоценимым свойством — плодородием, т.е. способностью создавать условия для жизни растений и других организмов; являясь продуктом функционирования, почвы стали и важным компонентом природы.

Структурность — геосистемы обладают пространственно-вре­менной упорядоченностью (организованностью), определенным расположением ее частей и характером их соединения; различают вертикальную или ярусную структуру как взаиморасположение компонентов и горизонтальную или латеральную структуру как упорядоченное расположение геосистем низшего ранга, поэтому нужно рассматривать как вертикальные или межкомпонентные связи, так и горизонтальные или межсистемные связи.

Динамичность — способность обратимо изменяться под дей­ствием периодически меняющихся внешних факторов без пере­стройки структуры; это обеспечивает гибкость геосистемы, ее «живучесть»; проявляется она при суточных, сезонных, годовых и многолетних циклах изменения солнечной радиации, свойств воз­душных масс.

Устойчивость — способность восстанавливать или сохранять структуру и другие свойства при изменении внешних воздействий; устойчивость, в частности, объясняет и динамичность геосистемы; природную устойчивость геосистем следует отличать от устойчи­вости техноприродных систем, которая заключается в способнос­ти выполнять заданные социально-экономические функции.

33

Способность развиваться — геосистемы Эволюционно изменяют­ся, т.е. происходит направленное необратимое изменение, приводя-

2. Лишшіафтовсдснис

шее к коренной перестройке структуры, появлению новых геосис­тем; скорость изменения зависит от ранга геосистемы: быстрее из­меняются фации, затем урочища, местности, время изменения лан­дшафтов и их групп измеряется геологическими масштабами.

Изменчивость свойств компонентов геосистем в простран­стве — может быть детерминированной или упорядоченной и не­детерминированной или случайной, т.е. когда какое-то свойство (плотность, пористость, коэффициент теплопроводности и т.п.) меняется из точки в точку, не подчиняясь какой-либо закономер­ности; изменчивость повышает устойчивость геосистемы.

Нелинейность природных процессов — трансформация и обмен энергией и веществом идут с замедляющейся скоростью: умень­шается скорость впитывания воды в почву, замедляется остывание почвы при похолодании, затухает скорость понижения уровня грунтовых вод при дренировании и т.д.; это свойство также повы­шает устойчивость геосистемы, она не идет «враскачку».

Компоненты природы имеют разнообразные свойства, которы­ми занимаются частные науки, такие, как почвоведение, геохимия, геология и гидрогеология, гидравлика, гидрология, метеорология и климатология. Каждая из этих наук разрабатывает собственные ме­тоды познания свойств компонентов природы, но результаты этого познания имеют нечто схожее. С позиций ландшафтоведения по­лезно рассмотреть такие обобщенные свойства, как проводимость, барьерность и емкость компонентов природы. Это помогает рас­сматривать природные и техноприродные процессы не «изнутри» отдельной науки, а с использованием геосистемного подхода, рас­сматривая функционирование геосистем с междисциплинарных позиций как единый многогранный процесс передвижения, накоп­ления, превращения вещества, энергии и информации. Кроме того, такой путь упрощает формализацию научного знания о свойствах компонентов природы и способствует широкому развитию методов моделирования процессов в геосистемах.

Проводимость — способность природного тела пропускать сквозь себя потоки вещества и энергии. Потоки можно разделить на веще­ственные и энергетические, при этом вещественные делятся на виды по состоянию движущегося вещества. Проводимость зависит от свойств самого природного тела, свойств потока вещества или энергии и от действующих сил, вызывающих этот поток.

В общем виде поток /-го вещества или энергии можно записать как

Qi = V/Zs

где Q,— масса вещества или количество анергии, проходящие через поперечное сечение природного тела F за единицу времени, при этом средняя по площади (виртуальная) скорость равна ѵ,.

Нужно различать истинную и виртуальную скорости потока. Например, при движении в пористом пространстве вода течет не

через все поперечное сечение природного тела, а только через пу­стоты — поры, заполненные влагой, т.е. ѵ, = о:>ѵ_ист, здесь ш — объемная влажность, т.е. отношение объема влаги к объему порис­того тела, ѵ_ист — действительная (истинная) скорость движения воды в порах, занятых водой.

Можно записать общий закон движения потока (переноса энергии), т.е. математическую связь, определяющую скорость миграции растворенных веществ или передачи энергии, в зависи­мости от действующих сил и свойств самого тела

ѵ, = —k(dP/dx)ⁿ,

где к — характеристика проводимости, т.е. поток при единичном градиенте дей­ствующей силы через единицу площади природного тела, зависит от свойств при­родного тела и свойств вещества, образующего поток; dP/dx — градиент потенциа­ла действующей силы; п — показатель степени, характеризующий зависимость скорости потока от градиента действующей силы, он зависит от абсолютного зна­чения Р, свойств среды и характера движения вещества (переноса энергии), на­пример ламинарного или турбулентного движения воды; минус в выражении по­казывает, что поток направлен в сторону падения потенциала действующей силы.

Выражения для конкретных потоков, т.е. законы движения, приведены в разделе 2.7.

Отметим, что вещество и энергия в природе передвигаются не только из-за наличия действующих сил, но и за счет такой способ­ности природных тел, как проводимость. Можно сказать, что про­водимость — одна из причин того, что вещество и энергия стре­мятся равномерно распределиться в пространстве, за счет чего вы­равниваются концентрации веществ и количество тепла в про­странстве, увеличивается степень неупорядоченности системы, ее энтропия.

Наряду с «размазыванием» идут и процессы концентрации ве­ществ, исключения их из круговорота, сосредоточения в некото­рых областях. В качестве примера можно привести месторождения различных полезных ископаемых — известняка, металлических руд. Значит, наряду с проводимостью природные тела обладают свойствами задерживать некоторые вещества, что можно назвать барьерностью. В самом общем смысле барьер можно понимать как локальное нарушение проводимости, приводящее к ускорению или замедлению потоков веществ и круговоротов в целом. Биогео- химические барьеры подробно описаны в разделе 7.6.

з*

35

Природным процессам свойственна изменчивость во времени (например, динамика влагозапасов, уровней воды, запасов солей, содержания загрязняющих веществ). Динамика определяется действующими силами, проводимостью природных тел, а кроме того — способностью вмещать в себя вещество и энергию. Вмеща­ющая способность природных тел не всегда сводится к исчисле­нию геометрических объемов, свободных для вмещения. В при­родных телах существует равновесное насыщение, когда количе-

СТВО вметаемого вещества/энергии является результатом дей­ствия суммы удерживающих и вытесняющих сил. В качестве при­мера можно назвать запас влаги в капиллярной кайме, который определяется балансом между капиллярно-каркасным и гравита­ционным потенциалами.

Емкость — способность природного тела вмещать и удерживать определенное количество вещества или энергии при равновесии всех действующих сил. Так, почву можно характеризовать коэф­фициентом влагоемкости, который показывает, как меняется влажность (содержание влаги в единице объема почвы) в зависи­мости от полного напора (т.е. суммы всех действующих сил).

Емкостные свойства изменчивы и зависят от состава свойств природного тела (для влагоемкости почвы — от относительного объема порового пространства и размеров пор). Возможность уп­равления емкостными свойствами можно проиллюстрировать на примере теплоемкости почвы. Теплоемкость единицы объема по­чвы как системы, состоящей из твердых частиц, воздуха и воды, можно записать в виде

C—Cjф Ѵ_Тф +с_воз Ѵ_в03 +с_вод Ѵ_воа,

где с_Тф, с„оз, е_вод — теплоемкости фаз (твердой, воздуха и воды; с_Тф = 0,8... 1,3 Дж/(см° ■ К); с_вю = 0,0013ДжДсмЗ-К); с_вод= = 4,2 Дж/(см³ ■ К)); К_тф, К_воз и Кюд ^— относительные объемы фаз, Г_тф+К_воз+К_вод=1.

Меняя соотношение влаги и воздуха в почве увлажнением или дренированием, можно многократно менять ее теплоемкость за счет очень разных удельных теплоемкостей воды и воздуха.

В гидрогеологии при рассмотрении неустановившегося движе­ния грунтовых вод используются емкостные, по сути, показате­ли — коэффициент водоотдачи 5 (при опускании уровня грунто­вых вод — отношение объема вытекшей воды к объему осушенно­го грунта) и недостаток водонасыщения (при подъеме УГВ). Ем­костные свойства определяют инертность потоков. Мерой инертности потока грунтовых вод является коэффициент уров- непроводности а и характерное время стабилизации т, в течение которого на расстоянии L от границы потока происходит при­мерно 90 % возможного изменения уровня, вызванного изменени­ем напора на указанной границе,

кГ 6 L^{1 а} 8 ’ ^х к^гГ ‘

Последние исследования процессов засоления и рассоления почв (А, И. Голованов) показали, что при стабильных внешних воз­действиях (местном климате и базисе эрозии) наступает стабильное засоление. Это дало основания говорить о галогеохимической емкос­ти почв, которая характеризуется стабилизировавшимися средне­многолетними запасами солей. Они подвержены годовым измене­ниям, зависят от влагоемкости и емкости поглощения почв. Учет галоемкости почв позволяет более адекватно описывать многолет­ние процессы засоления и рассоления почв. Мелиорация засолен­ных почв по существу сводится к управлению галоемкостью почв.

6. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАНДШАФТОВ

Различают пространственную, временную и пространственно­временную организацию ландшафтов. Понятие «организация» (от фр. organisation — совокупность процессов или действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей между частями це­лого) ориентирует на поиск закономерностей механизма соединения разнородных компонентов, комплексов в единое целое. Организа­ция рассматривает вопросы структуры ландшафта и его функциони­рования, т. е. изменений, обеспечивающих устойчивость.

Пространственная организация. Она может быть горизонталь­ной и вертикальной.

Горизонтальная организация ландшаф­тов. Изучать ее начинают с рассмотрения морфологической структуры. Для этого рассматривают комплексы более низкого ранга, чем ландшафт: фации, подурочища, урочища, местность. Пространственная организация комплексов включает: сочетание фаций, подурочищ, типов урочищ и местностей, пропорции пло­щадей, закономерности чередования, неравенство и группы комп­лексов, характер их границ и соседство, связи между комплексами низшего ранга. Выявляют характерные черты горизонтальной структуры, зависящие от сформировавших их условий: зональные, азональные, пойменные, террасовые, моренные и т. д. Устанавли­вают воздействие осадков на внутриландшафтные процессы: по­верхностный, внутрипочвенный, грунтовый сток и связанное с ним перемещение вещества. Представление об иерархии в гори­зонтальной структуре и горизонтальных связях между комплекса­ми помогает раскрыть механизм формирования и возможности сохранения и управления организацией ландшафтов. Учитывая направления связей в моделях с односторонним или двусторон­ним перемещением вещества, МОЖНО объяснить и упорядочить комбинации горизонтальной территориальной организации ланд­шафтов, их границ и границ, выполняющих функции мембран или барьеров (частью ИЛИ полностью). Горизонтальную систему внутренних связей природных комплексов в ландшафтоведении определяют как межсистемную, характеризующую взаимное рас­положение частей и способы их соединения.

Вертикальная организация ландшафтов. Она выражается в ярусном расположении компонентов в соответ­ствии с ПЛОТНОСТЬЮ слагающего их вещества. Контактное взаимо­проникновение и взаимодействие атмосферы, гидросферы и ли­тосферы обеспечило формирование производного компонента — почв. Взаимосвязь между компонентами географической оболоч­ки (литосферой, атмосферой, гидросферой, почвой и биотой) в пределах конкретных ландшафтов изучают уже давно. Различия же вертикальной организации в пределах выделенных морфологи­ческих структур ландшафта основательно еще не раскрыты. Пока ясно, что ландшафт — сложная интегральная система элементар­ных вертикальных структур, и анализ межкомпонентных связей, в конечном счете, нельзя сводить к простым элементарным состав­ляющим, к редукции целого в геосистеме. Поэтому проблема изу­ченности совокупности процессов, ведущих к образованию верти­кальных взаимосвязей между компонентами ландшафта, отстает от изученности горизонтальной составляющей. В механизмах вер­тикальной организации ландшафтов большое значение имеют круговороты веществ и энергии, вертикальные потоки тепла и влаги, движение почвенных растворов, миграция органики и т.д.

Временная организация ландшафтов. Существование простран­ственных элементов ландшафта распространяется и на время. Из­менения в ландшафте происходят с некоторой устойчивой повто­ряемостью, ритмичностью и цикличностью. У человека создается впечатление постоянства объекта, хотя часть его состояний изме­няется ежедневно и ежечасно (внутрисуточные изменения). По­этому возникла проблема единства разновременных процессов. Ландшафт как сложное образование формируется за счет связей и процессов. Совокупность устойчиво повторяющихся процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии, свя­зей и состояний называют функционированием.

При расчленении всех временных изменений, происходящих в ландшафте и с ландшафтом, выделяют три временные группы: краткопериодичные (функционирование), среднепериодичные (динамика), длиннопериодичные (эволюция). Разномасштабные процессы и явления: функционирование, динамика, эволюция, объединяются общим понятием «изменение».

Функционирование ландшафта. Это интеграль­ный природный процесс, который складывается из множества элементарных процессов механической, физической, химической, биологической природы.

В краткопериодичной размерности, длительностью от суток до года включительно, отмечают переходы ОДНОГО состояния в другое: дневного В ночное, осеннего в зимнее и т д. Во временную органи­зацию механизма функционирования ландшафта включены пять со­ставляющих: влагооборот, трансформация солнечной энергии, пере­нос твердых масс, движение воздушных масс, био- и геохимический цикл. В функционировании, наряду с простым протоколированием состояний отдельных элементов, требуются обобщающие взаимо­связи процессов, характеризующих функционирование в увязке с космическими ритмами. При такой классификации временной организации будут выражены космические и планетарные циклы, ритмы, биотическая активность и человеческая деятельность.

Динамика ландшафта. Это вторая группа понятий во временной размерности организации ландшафтов. С одной сто­роны, динамика перекрывается функционированием, так как высо­кочастотные колебания до года включительно относятся к функци­онированию. Более длительные временные колебания — многолет­ние, вековые уже ближе к эволюции, хотя и не тождественны ей. Масштаб динамической смены находится в интервале от десятков до 500...600 лет. В период динамических изменений закладываются связи будущих коренных трансформаций ландшафта. Динамика ландшафта диалектически связана с его устойчивостью. Так, мно­голетние обратимые динамичные смены состояний ландшафта ука­зывают на его способность возвращаться в исходное состояние, т. е. на устойчивость. В процессе динамичной смены состояний ланд­шафт может оставаться «самим собой» до тех пор, пока его устойчи­вость не будет нарушена внешними или внутренними причинами. К внешним причинам относятся: период климатических измене­ний, биологических циклов, тектонических движений, изменения уровня моря, воздействие человека.

В целом динамика ландшафта как среднепериодичная времен­ная размерность изучена меньше, чем функционирование.

Эволюция ландшафтов. Третьим классом размер­ности временных изменений ландшафта считают эволюцию. В своем развитии ландшафт проходит две главные стадии: формиро­вания и эволюционного развития. Первая протекает в период об­разования геологического фундамента при тектонических процес­сах, регрессии моря или таяния материкового ледяного покрова. На новый геологический фундамент воздействуют солнечная ра­диация, атмосферные осадки, поверхностные воды, развивается растительный и животный мир. Это период молодости ландшафта и несложившейся структуры: неразвиты биоценозы и почвы, сла­бо расчленен рельеф, не выражена гидрографическая сеть. Посте­пенно компоненты ландшафта приходят в соответствие друг с другом и с общими зонально-азональными условиями развития. С этого момента он приобретает черты устойчивой структуры и пе­реходит во вторую стадию — медленной эволюции.

Индикатором возраста современных ландшафтов служит по­чва. Почвенный профиль — это своего рода память ландшафта, свидетельствующая о факторах почвообразования в течение вре­мени, на протяжении которого формировалась данная почва. Для образования почвы требуется от нескольких сотен до нескольких тысяч лет (для образования черноземов потребовалось около 3 тыс. лет). Это время можно приблизительно считать возрастом суще­ствования современных ландшафтов. В целом важен не возраст ландшафта, а тенденции и закономерности его развития, необхо­димые для разработки прогноза его поведения.

Пространственно-временная организация. Ландшафт — это про­странственно-временная система с единством, согласованностью, связанностью всех изменений в пространстве и во времени.

Антропогенные воздействия на ландшафты обострили проблему их пространственно-временной организации. При освоении ландшафтов на первом этапе увязывали особенности природного комплекса с про­странственной организацией хозяйственных мероприятий; на вто­ром — решали, проектировали организацию самих ландшафтов в за­висимости от вида использования их земель и проведения необходи­мых мероприятий. Рассмотрим пространственно-временную органи­зацию геотехнической системы в ландшафте на примере нескольких разномасштабных пространственно-временных циклов: во-первых, севообороты, где изменяются во времени и пространстве частные функции, во-вторых, циклы функционирования ландшафта, соответ­ствующие его природным условиям, в третьих — производственный цикл (обработка почвы, внесение удобрений, сев, подкормки, уход, уборка урожая) и цикл функционирования технической системы. Здесь человек провел организацию природной составляющей и орга­низацию сотворчества человека и природы. Эта идея конструктивнее одностороннего воздействия человека на природу, иногда с чуждой ей человеческой деятельностью.

Развитие ландшафтов. Всем ландшафтам свойственен непрерыв­ный процесс направленных изменений. Они незаметны на глаз. Человек фиксирует только цикличные смены различных состояний ландшафта. В конце же любого цикла или изменения структуры ландшафта после нехарактерного воздействия ландшафт возвраща­ется в исходное состояние с некоторым необратимым сдвигом и ос­татком. Например, в конце годичного цикла с поверхностным сто­ком смывается почва, выносится какое-то количество минеральных и органических веществ, деформируются русла, в глубь территории развивается овражная сеть, увеличиваются запасы ила в озерах и торфа в болотах, аллювиальных отложений на поймах, зарастают озера и т. д. Эти процессы имеют определенную направленность и ритмичность, усиливаясь или ослабляясь сезонно или в многолет­нем цикле. Завершающее состояние ландшафта отличается от ис­ходного продолжительностью цикла, которая может быть несоиз­мерима с долговечностью ландшафта. Чем длительнее цикл, тем сильнее отличие. За один геологический цикл (век, эпоха, период) на одной и той же территории ландшафты могут многократно сме­ниться. К причинам развития и трансформации ландшафтов гео­графы относят: внешние космические воздействия, тектонические движения, изменения солнечной активности, перемещения полю­сов Земли, изменения климата или рельефа.

Ландшафт может постепенно саморазвиваться и без вмешатель­ства внешних факторов. Эту способность отмечал еше В. В. Доку­чаев. Так, озеро при постоянстве внешних условий постепенно мелеет, расход воды на испарение постепенно превышает ее при­ход, и в итоге озеро неизбежно исчезает, т. е. превращается в ком­плекс другого типа — болото.

Движущая сила процесса саморазвития ландшафта — внутрен­ние противоречия взаимодействующих компонентов, стремящих­ся прийти в соответствие между собой, т. е. к равновесию. Однако, оно будет только временным, так как сами же компоненты его не­избежно нарушат. Биота как самый активный компонент, стре­мясь адаптироваться к абиотической среде, вносит в эту среду из­менения, постоянно перестраиваясь, приспосабливаясь к ею же измененным условиям, и в результате постепенно перестраивается вся система. Внутренние противоречия существуют не только между биотой и абиотическими компонентами, но и между други­ми компонентами и процессами (например, между стоком и испа­рением). Процесс саморазвития ландшафта протекает относитель­но медленно. На него накладываются и внешние воздействия, способные обратить вспять саморазвитие ландшафта или в случае катастрофических нарушений — прекратить. Например, в резуль­тате катастрофических движений материковых льдов или морских трансгрессий исчезли многие ландшафты.

Диалектический механизм развития ландшафта обеспечивает постепенное количественное накопление элементов новой струк­туры и вытеснение элементов старой структуры. Этот процесс и приводит к качественному скачку — смене ландшафта. Современ­ные устойчивые тенденции и закономерности развития ландшаф­та создают предпосылки для разработки прогноза его дальнейшего поведения.

6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЛАНДШАФТОВ. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ

Открытость любых геосистем, а также их функционирование обеспечивают круговорот веществ, знание которого необходимо для оценки техногенных воздействий на природные системы, в том числе и при природообустройстве. Различают абиотический (геологический) и биотический (биогенный) круговороты. Геоло­гический круговорот складывается из круговорота воздушных масс или газов, вод во всех формах (жидкая, парообразная, твер­дая), масс литосферы в твердом или растворенном виде.

При описании круговорота веществ и энергии в природе и в тех- ноприродных системах используют следующие основные законы: движение твердых тел подчиняется второму закону Ньютона, по которому ускорение движения твердого тела прямо пропорци­онально сумме сил F, действующих в направлении движения, и обратно пропорционально массе тела М:

где v — скорость; f — время;

плотность теплового потока, т. е. потока через единичную площадь в единицу времени, определяют по закону теплопроводности Фурье:

q_m = -ldQ/dx, (2.2)

где к — коэффициент теплопроводности; clü/dx— градиент температуры вдоль оси потока, знак минус означает, что направление потока тепла противоположно гра­диенту температуры, следовательно, тепло движется в сторону падения после­дней, что очевидно; Ѳ — температура;

постоянный электрический ток в проводнике (поток электро­нов проводимости) описывается законом Ома:

q-j = -у dU/dx, (2.3)

где у —удельная электропроводность металла; dU/dx — градиент напряжения Ѵ\

процесс диффузии в растворах, т. е. установление равновесного распределения концентраций, в простейшем случае (при постоян­ной температуре и отсутствии внешних электрических полей и других внешних сил) описывается вторым законом Фика: единич­ный поток вещества

q_c = —Ddc/dx, (2.4)

где D — коэффициент диффузии, точнее — самодиффузии, так как возможна еше и термодиффузия, бародиффузия, электродиффузия, с —концентрация;

медленное (ламинарное) течение жидкости через пористую среду со скоростями, измеряемыми сантиметрами или миллимет­рами в сутки, т. е. фильтрация или влагоперенос, описывается за­коном Дарси: скорость фильтрационного потока, или единичный поток жидкости через единицу поверхности пористой среды

<7ф = —k^dH/dx, (2.5)

где *ф — коэффициент фильтрации, учитывающий свойства пористой среды и свойства жидкости (плотность и вязкость); Л—напор фильтрационного потока (заметим, что — это не истинная скорость фильтрующейся жидкости, после­дняя в 1/р раз больше, в — пористость);

водные потоки в руслах рек, в каналах, в трубах имеют боль­шую скорость, измеряемую метрами или десятками сантиметров в секунду, вследствие этого они сильно завихрены, турбулентны и на перемещение водных масс в таком режиме требуется больше работы, совершаемой внешними силами. Они подчиняются дру­гому закону — Шези: единичный поток воды где К— коэффициент, учитывающий трение потока о его стенки и потери напора на перемешивание жидкости; Я—напор потока.

Сравним: для увеличения скорости фильтрационного (лами­нарного) потока в 2 раза градиент напора надо увеличить во столько же раз, а для турбулентного водного потока — в 4 раза.

К фундаментальным законам природы относятся также законы сохранения вещества, энергии, количества движения.

Приведенные фундаментальные законы позволяют получать уравнения движения веществ, переноса тепла или электрического тока в дифференциальной форме, рассматривая их баланс в беско­нечно малом объеме за бесконечно малое время. Законы движе­ния используют для подсчета прихода вещества (тепла, электриче­ства) в малый объем и расхода. Дифференциальные, а иногда и интегро-дифференциальные уравнения решают или аналитически (для простых случаев), или чаще численно с помощью ЭВМ.

Структура дифференциальных уравнений зависит от учета дру­гих факторов, вызывающих перенос. Например, при описании пе­редвижения токсичных солей, тяжелых металлов или радионукли­дов в почвах и в грунтах надо учитывать не только их диффузию за счет разности концентрации, но и перенос ионов потоком влаги, возможность их сорбции твердой фазой, образование нераствори­мых форм, поглощение корнями растений.

Применительно к загрязнению почв и фунтов соединениями азо­та (нитраты и аммонийные формы) помимо указанных надо учиты­вать процессы аммонификации, нитрификации, денитрификации, происходящие в почве в результате биохимических процессов.

При многокомпонентных потоках веществ и энергии в почвах и грунтах применяют уравнения термодинамики необратимых процессов. Причина возникновения необратимых потоков — нео­днородность в пространстве температуры и химического (парци­ального) потенциала компонентов раствора. Эта теория позволяет строго формально рассматривать так называемые перекрестные процессы, когда, например, изменение внешнего давления на водное тело приводит не только к движению воды, но и раство­ренных в ней веществ, конвективному переносу тепла, изменению электрического поля; изменение температуры на внешних грани­цах приводит не только к ее перераспределению внутри области, но и вызывает передвижение влаги и растворенных веществ и т. д. Это объясняется единством природных процессов. В каждом кон­кретном случае специалист может упростить задачу, не рассматри­вая некоторые перекрестные процессы ввиду их малости.

При борьбе с загрязнением часто приходится иметь дело с мно­гокомпонентными и многофазными потоками вещества. Так, при очистке территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, надо рассматривать движение несмешивающихся жидкостей: воды, нефтепродуктов, а также газов, сложно взаимодействующих

друг с другом и с твердой фазой. При атмосферном загрязнении надо учитывать перенос с воздушными потоками паров, ионов, аэрозолей, пылевых частиц.

Системы дифференциальных уравнений переноса, дополнен­ные уравнениями состояния, описывающими такие процессы, как сорбция—десорбция, растворение — кристаллизация, поглоще­ние корнями растений и т. п., вместе с начальными и граничными условиями по сути дела являются математическими моделями природных процессов, которые при наличии мощной вычисли­тельной техники широко используют для прогнозирования при­родных процессов и их изменения под действием различных ант­ропогенных факторов.

Математическое моделирование не исчерпывает перечень спо­собов моделирования. Основой исследований рассматриваемых процессов являются натурные эксперименты, позволяющие наи­более полно, без искажений и упрощений, изучать эти процессы. Вместе с тем, учитывая сложность организации таких исследова­ний, длительность их проведения (для изучения реакции живых организмов, в том числе и растений, нужны годы), проводят лабо­раторные исследования на малых образцах, применяют аналого­вое моделирование. Возможность последнего вытекает из матема­тической аналогии описания большой совокупности процессов: приведенные ранее законы теплопередачи, электрического тока, диффузии, фильтрации математически аналогичны. Поэтому, ис­следуя распределение электрического поля в сплошной электро­проводной среде, можно описывать другие аналогичные процес­сы, применяя коэффициенты подобия, например между напряже­нием и напором или напряжением и температурой, силой тока и фильтрационным потоком или потоком тепла. Электрическая проводимость модели воспроизводит в определенном масштабе влаго- или теплопроводность.

Достоинство математического моделирования — возможность быстро просматривать много вариантов ситуаций. Недостаток — неполный учет природных процессов, недостаточная количе­ственная изученность процессов. Поэтому модели должны быть сложны, чтобы принятые допущения не приводили к существен­ным ошибкам в принятии решений. К моделям предъявляют сле­дующие очевидные требования:

природным средам генетически присуща внутренняя неодно­родность — как детерминированная, так и стохастическая, или случайная, поэтому модели должны позволять учитывать эту не­однородность;

природные процессы, как правило, нелинейны, это тоже необ­ходимо учитывать в моделях;

как уже отмечалось, интенсивность природных процессов во многом зависит от естественной тепло- и влагообеспеченности, поэтому для получения статистически достоверных результатов

необходимо учитывать разнообразие лет по погодным условиям, рассматривать длительные ряды;

существенна размерность моделей, проще всего строить одно­мерные модели, описывающие вертикальный или горизонталь­ный перенос вещества и энергии, но этого часто бывает недоста­точно.

Математические модели, описывающие процессы в почве, из- за преобладания в них вертикальных потоков могут быть одномер­ными, дающими «точечную» по площади картину. Совокупность результатов моделирования на разных элементах ландшафта в первом приближении позволяет получить пространственную кар­тину загрязнения.

На следующем этапе, объединяя точечные почвенные модели и модели горизонтальных гидрохимических потоков, получают уточненный вариант, учитывающий наличие обратных связей между подземными водами и почвенным слоем.

Объединение точечных моделей загрязнения почв с линейны­ми моделями загрязнения подземных вод существенно удлиняет цепь рассматриваемых процессов, доводя их до поверхностных вод. Дальнейшее удлинение этой цепи, включающее перенос и трансформацию загрязняющих веществ в поверхностных водах, практически обеспечивает полноту рассмотрения процессов заг­рязнения больших территорий.

С помощью математического моделирования можно быстро воспроизвести (прогнозировать) длительные, многолетние про­цессы, что очень важно для оценки работы гидромелиоративных систем в различные по естественной влагообеспеченности годы. Так, устанавливают «мощность» гидромелиоративной системы (подачу насосных станций, размеры каналов), обеспечивающую работу системы с заданной надежностью. Моделирование позво­ляет «проиграть» некоторые чрезвычайные ситуации, например, связанные с выходом из строя очистных сооружений и массовым выбросом загрязняющих веществ, с нарушениями технологий, газо- и нефтетрубопроводов, военными действиями и т. п. Фор­мально — это изменение граничных условий моделей, происходя­щее в заданное время. На таких моделях можно рассматривать и разные сценарии ликвидации последствий.

При природообустройстве человек вмешивается в биологичес­кие процессы, особенно при мелиорации сельскохозяйственных земель, борьбе с загрязнением. Поэтому модели природных про­цессов обязательно дополняют моделями функционирования и продуктивности живых организмов.

Круговорот воды, водный баланс. Вода обладает уникальными свойствами, делающими ее незаменимым фактором, участвую­щим во всех природных процессах, включая и жизнь. Она имеет довольно высокую плотность, малую вязкость, хорошую растворя­ющую способность, высокую теплоемкость и теплопроводность, большую скрытую теплоту парообразования и плавления, а моле­кулы воды — малые размеры. Вода является непременным участ­ником фотосинтеза —единственного природного процесса, обес­печивающего жизнь на Земле. Являясь высокоподвижной, вода переносит большое количество растворенных веществ, обеспечи­вая растения элементами питания.

Количественно влагооборот можно описать балансом влаги, т. е. равенством приходных, расходных составляющих влагооборота и из­менения запасов. При составлении баланса влаги непременно нуж­но оговорить объем тела, для которого составляют баланс (озеро, объем почвы, бассейн подземных вод); указать временной интер­вал, для которого составляют баланс. Для общей характеристики влагооборота часто используют установившиеся среднемноголет­ние показатели, тогда изменение запасов влаги с начала и до кон­ца года можно не учитывать. Если же баланс влаги составляют за лето, то обязательно учитывают запасы влаги на его начало и ко­нец. Статьи водного баланса и его запасы измеряют для опреде­ленной территории в кубических метрах, иногда кубических кило­метрах; для единицы площади — в миллиметрах слоя воды или в кубометрах на 1 га. Структура водного баланса зависит от степени открытости геосистемы, выраженности тех или иных составляю­щих влагооборота.

Наиболее простая структура водного баланса всей планеты Земля, которая не обменивается водой с окружающей Вселенной. Среднемноголетний баланс в этом случае следующий: испарение с поверхности океанов и суши, составляющее 577 тыс. км³, равно атмосферным осадкам. С учетом площади поверхности Земли слои осадков и испарения равны и составляют 1130 мм. Отметим, что суммарные запасы всех вод на Земле, равные 1,4 млрд км³, го­раздо больше вовлеченных в круговорот. Из всех запасов (96,5 %) — это соленые воды океанов и морей. Запасов пресных вод на суше всего 35 млн км³, из которых 2/3 сосредоточено в лед­никах и снежном покрове Антарктиды и Арктики.

К водному балансу суши помимо осадков и испарения добавля­ют еще одну статью — поверхностный и подземный сток в Миро­вой океан: осадки (119 тыс. км³, или с учетом площади суши— 800 мм), испарение (72 тыс. км³, или 485 мм), сток (47 тыс. км³, или 315 мм), Для Мирового океана прибавляют приток с суши, тогда баланс выглядит так: осадки (458 тыс. км³, или 1270 мм), ис­парение (505 тыс. км³, или 1400 мм), приток с суши (47 тыс. км³, или 130 мм). Структура водного баланса отдельных участкон суши зависит от их широтного расположения И удаленности от океанов (степени континентальное™). Составляющие среднемноголетне­го водного баланса ДЛЯ некоторых ландшафтов приведены в таб­лице 2.1. Следует отметить очень сильное варьирование ГОДОВЫХ сумм осадков по сравнению со средней для всей суши. Испарение во влажных холодных ландшафтах ограничивается недостатком тепла, а в засушливых — недостатком влаги. Помимо испарения используют понятие «испаряемость» — количество влаги, которое может испариться, исходя из тепловых ресурсов местности при неограниченном количестве осадков, идущих на увлажнение по­чвы. Орошение в засушливых районах существенно увеличивает испарение, доводя его до испаряемости.