Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Теперь модель можно использовать для решения разнообразных задач.

4. Использование моделей

Не имея возможности подробно останавливаться на использовании моделей (а оно в последнее время чрезвычайно многообразно) отметим несколько наиболее распространенных задач, которые используют такие преимущества моделей, как возможность быстро и по различным сценариям ставить разнообразные «машинные» эксперименты, т.е. эксперименты на ЭВМ

(см. «К вопросу о»).

Анализ чувствительности моделей. Изучают изменение пе-

ременнойсостояния приварьировании основных параметровмодели. Этот анализ необходим для того, чтобы выяснить, какой же из параметров оказывает наибольшее влияние на изменение искомой переменной состояния. Кратко на этом анализе мы уже останавливались как на необходимом этапе работы с моделью.

Поливариантный прогноз. Оценка катастрофических воз-

действий. Изучают динамику искомой переменной состояния при изменении различных входных параметров. Это могут быть условия на границах, соответствующие годам различной обеспеченности, изменению уровня грунтовых вод и пр. Прогнозы могут касаться и поведения почвы при изменении ее свойств (при уплотнении, разрыхлении,добавлениипеска,органическихвеществи проч.),что достигается соответствующим изменением экспериментального обеспечения. И, наконец, можно прогнозировать некоторые катастрофическиевоздействия:например,водныйрежимвгодэкстремальной влагообеспеченности илиприэкстремальном выпадении солей (агрохимикатов) на поверхность почвы. Это касается и таких воздействий, экспериментально изучить которые, быть может, и не удастся. А вот модель даст представление об изменении почвенных режимов и в таком необычном случае.

Поиск оптимальных управляющих решений. Перебор раз-

личных вариантов применяемых к почве воздействий позволяет на модели найти их оптимальное сочетание.

Планирование экспериментов. Использование модели при планировании эксперимента вполевыхили лабораторныхусловиях уже становится обязательным этапом эксперимента. Этот этап необходим, так как модель это энциклопедия знаний в конкретной области. И с ней-то необходимо сравнивать будущий эксперимент

для ответа на вопрос: «Что же нового даст планируемый эксперимент? Какое новое знание будет благодаря этому эксперименту получено?»

«К вопросу о .»

Странички истории ЭВМ

Задумаемсянадвопросом,чемпринципиальноотличаетсяЭВМотпростых калькуляторов, счетов? Наверное, в основном тем, что на ЭВМ возможно спомощью специальныхязыковосуществлятьряд последовательныхопераций. Причемсусловиями«если то»:еслидостигаем какой-либовеличины или этапа, то надо считать по такому-то пути, а не по другим возможным. Машина осуществляет ВЫБОР. Вот и кажется, что она думает. Причем, возможно, каждый раз по-разному. Когда же и где зародилась идея «думающей машины»?

Идея«думающеймашины»ипервоееевоплощениепринадлежитангличанину Чарльзу Бэббиджу в начале XIX века. Еще нет паровых машин и электрических генераторов, а идея «думающей машины», способной на разнообразные подсчеты в зависимости от внедренной программы, уже появилась!ИБэббидж практическисоздалчертеж такой машины, придумалразные механические устройства, в которых мы теперь распознаем узлы современной ЭВМ: устройства ввода вывода, ОЗУ. И все из шестеренок, колесиков только механические детали!Болеетого,ужетогдабылисоставленыипервые программы, предполагавшие, что машина будет способна осуществлять различные задания в зависимости от работающей программы. Первая программа, или скорее инструкции по программированию к механической машине Бэббиджа, принадлежит перу дочери Байрона Аде Лавлейс.

Итак, идеи «думающеймашины»сразличными программамиродились в начале XIX века. Идеиэти неисчезли, а реализовались в середине XX века, когда в 1946 г. в США появилась первая электронная вычислительная маши-

на ENIAC (Electronical Numerfoll Integrator and Calculator). И в Советском Союзе, благодаря усилиям С.А.Лебедева, В.М.Глушкова, И.С.Брука, А.А.Ляпунова, чуть позже были созданыпервыеоригинальные устройства. Аидеито были почти полуторавековой давности! Вот и приходится задумываться о «несвоевременности», о забытых, исчезающих идеях. Так же, каки всевещественное в этом мире, идеи, наверное, тоже бесследно не исчезают. Просто рождают другиеили ждут своего времени. Значит, стоит думать и предлагать новые идеи. Не забудутся!

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Математические модели являются мощным средством познания,предсказанияиуправленияприроднымиявлениями.Ихправильноеиспользованиевозможнолишьприпониманиипринципов функционирования модели, входящих в нее расчетных формул для перетоков веществ («вентили» на системной схеме явления), описании граничных условий в соответствии с моделируемым объектом и (главное!) при соответствующем экспериментальном обеспечении модели.

2.Экспериментальное обеспечение моделей соле-, влагопереноса включает послойное экспериментальное определение ОГХ,

Кф, плотности почвы и гидрохимических параметров ( их выбор в зависимости от свойств движущегося вещества): шаг смешения,коэффициентраспределения,нерастворяющийобъем влаги,периодполураспадаи,вслучаеструктурныхпочв,коэффициент обмена между застойной и проводящей зонами порового пространства.

3.Необходимость введения базовых физических свойств (гранулометрический состав, структура почвы, плотность, емкость катионногообмена,содержаниеорганическоговеществаидр.) указываетнаиспользованиев моделипедотрансферныхфунк-

ций, восстанавливающих ОГХ, Кф, и другие составляющие экспериментальногообеспеченияпоэмпирическимформуламна основе некоторой базы данных. Условия применения этих педотрансферных функций и соответствующей базы данных для исследуемого объекта должны быть уточнены.

4.Модель должна быть проверена на адекватность на независимом массиве динамических данных. Должны быть проанализированысоответствиереальныхирасчетныхданныхипогрешности моделирования в виде разности реальных и расчетных данных. Анализ погрешностей и уточнение параметров модели должны дать убедительный ответ об адекватности модели, после которого возможно ее всестороннее использование в научных ипрактических целях.

Литература

Б удагов ский А. И.Испарениепочвеннойвлаги.М.: Наука. 1964.

Глобус А.М.Почвенно-гидрофизическоеобеспечениеагроэкологических моделей.Л.: Гидрометеоиздат,1987.428с.

Моделированиеростаипродуктивностисельскохозяйственныхкультур./Пер.с англ.Подред.Ф.В.Т.ПеннингадеФризаиХ.Х.ванЛаара.Л.:Гидрометеоиз-

дат,1986.

П а ч е п с к и й Я. А. Математические моделипроцессов в мелиорируемых почвах.М.:Изд-воМоск.ун-та,1992.82с.

Р ыжова И.М.Математическоемоделированиепочвенныхпроцессов.М.: Изд-воМоск.ун-та,1987.82с.

Си р о т е н к о О. Д. Математическое моделирование водно-теплового режимаипродуктивностиагроэкосистем.Л.: Гидрометеоиздат,1981.

Судницын И.И.Движениепочвеннойвлагииводопотреблениерастений. М.:Изд-воМоск.ун-та,1979. 253с.

Хэнкс Р.Дж., Дж.Л.Ашкрофт.Прикладнаяфизикапочв.Влажностьи температурапочвы.Л.:Гидрометеоиздат,1985.151с.

V a n G e n u c h t e n M. T h., E. A. S u d i c k y. Recent advances in vadose zone flow and transport modeling. In: Vadose zone hydrology: Cutting across disciplines. Ed.by M.B.Parlange and J.W.Hopmans. Oxford Univ. Press, NewYork, NY. P.155193.

ноизменяются условияфункционирования почвеннойбиоты, апри 5% наблюдается гибель растений, это нижний предел порозности аэрации. Рекомендуется использовать в качестве критической величины 10%.

Вполнепонятно,чтопорозностьаэрации величинадинамическая, связанная своей динамикой с изменением влажности. Нередко поэтому говорят, что «вода и воздух в почве антагонисты». Точнее, они постоянно дополняющие друг друга величины: больше воды – меньше воздуха, меньше воды больше воздуха в почве. А вот для того чтобы сравнивать почвы по их воздушным свойствам, в частностипоспособностикаэрации,необходимоиспользоватьхарактерное значение влажности. Это сравнение производят при почвенной гидрологической константе, как правило, при НВ. Нередко эту характеристикуназывают «воздухоемкостью». Ниже приведены оптимальныедиапазонывоздухоемкостидляразличныхпогранулометриипочв:

песчаные 20 25% суглинистые >15 20% глинистые – >10%.

Поддержание оптимальной порозности аэрации это одна из задач по управлению почвой. Задача формулируется так: создать оп- тимальныйводно-воздушныйрежим,основуустойчивогофункциони- рования почвы. Оптимальные режимы возможны лишь в хорошо структурированных почвах. Именно структура, агрегатный состав и будут гарантировать оптимальный водно-воздушный режим, о чем уже говорилось в разделах о структуре почвы, о дифференциальной порозности. Если же агрегатный состав почвы отклоняется от оптимального, например за счет уплотнения, то это изменяет водно-воз- душный режим, аэрацию почв – функционирование почвы и растительного покрова изменяется весьма заметно. Подчеркнем, прежде всего за счет водно-воздушного режима, аэрации.

Понятие аэрации близко к понятию воздухообмена. Отличие заключается лишь в том, что процесс воздухообмена включает описание и тех сил, процессов, которые его вызывают, например изменение атмосферного давления, температуры почвы и пр. Все эти динамические процессы(аэрация, воздухообмен) определяются таким почвенным параметром, как воздухопроницаемость – Ка. Этот параметр связан с пористостью аэрации по степенному закону:

K a m airn , где n и m эмпирические параметры, причем n колеблется от 0.5 до 2 для макропористых сред (торф, лесная под-

стилка, пески и проч.) и от 2 до 10 для средне- и тяжелосуглинистых почв (Смагин, 1999).

Аэрация почвы это процесс поступления в почву и замещение атмосферным воздухом почвенного. Порозность аэрации

(синоним воздухосодержание) разница между общей по-

розностью и объемной влажностью почвы: air = – . Критические значения порозности аэрации наступают при величинах <10%;вэтихусловияхначинаютдоминироватьанаэробныепроцессы, снижается рост корней растений.

Воздухообмен это обмен почвенного и атмосферного воздуха, это аэрация почв с указанием причин, вызывающих этот обмен. Воздухоемкость объемный процент, занимаемый воздухом впочвепривлажности,соответствующейнаименьшейвлагоемкости (НВ).

Воздухопроницаемость способность почвы проводить поток воздуха. Характеризуется коэффициентом воздухопроница-

2. Газовый состав почвенного воздуха. Газообмен с атмосферой

В составе атмосферного и почвенного воздуха различают макро-и микрокомпоненты.Атмосферныйсухойвоздух обычно содержит 78.08% азота, 20.95% кислорода, 0.93% аргона и 0.03% углекислогогаза.А вот микрокомпоненты, или примеси, непревыша-

ютпо содержанию0.1ppm(ppm «part permillion», промилле,одна тысячная часть к объему или весу. Среди микрокомпонентов атмосферного воздуха могут присутствовать различные газы: метан, окись углерода, соединения серы, азота, пары летучих органических соединений. Несмотря на разнообразную человеческую деятельность,атмосферныйвоздухвсеже характеризуетсяотносительнымпостоянствомсостава. А вотсоставпочвенного воздухавесьма динамичен. Изменения содержания макрокомпонентов весьма велики: О2 от 20.9 до 0.05%, СО2 от 0.03 до 20%. Такие значительные колебания определяются динамикой содержания углекислого газа, которое может повышаться во много раз за счет прежде всего биологических процессов и в меньшей степени из-за химических процессов, связанных с окислением различных соединений, выпа- дениемосадкаприкарбонатно-кальциевыхвзаимодействияхипроч. Важно, что сумма этих газов остается практически всегда близкой к 21%. Поэтому, определив содержание О2, можно практически без ошибок по разности определить и содержание О2. Хотя, конечно,

лучше определять их раздельно, так как в почве иногда и очень кратковременно могут создаваться условия, когда указанное постоянство суммы не выдерживается. Например, при поливах очень сухойпочвы, когдаинтенсивно начинает«работать»почвеннаябиота, при попадании в почву вод, содержащих растворенные газы и др., т.е. в неравновесных, крайне недолговременных процессах. Общее же правило действует для условий, близких к равновесию, более характерных для почвенных процессов: %О2+%СО2 21%.

Динамичность содержания СО2 и его выделение в атмосферу имеет определенные временные и пространственные закономерности. Временные сезонные и суточные закономерности, определяются,конечноже, биологическойактивностью,которая,в своюочередь, температурой и влажностью почвы. Поэтому и наблюдается весьмахорошее соответствиемеждууказанными физическимифакторами и, например, выделением СО2 из почвы в течение вегетационного сезона (рис. XIII.1.)

При анализе динамических процессов следует учитывать не только физические факторы активности микрофлоры, но и наличие питаниядлямикроорганизмов,аименнопоступлениеопадаи/иликорневого опада. Это достаточно хорошо иллюстрируется данными А.В.Смагина(1999),вкоторыхпикконцентрацииСО2 приходитсяна август ноябрь, что связано не только с оптимальными температуройивлажностью,ноиспоступлениемсосновогоопада(рис.XIII.2).

Из приведенного рисунка видны и некоторые пространственные закономерности распределения СО2. Заметим, что содержание СО2 на глубине 30 см заметно выше, чем в поверхностных слоях, хотя, вероятно, самая высокая микробиологическая активность наблюдается в поверхностных слоях почвы. Попробуем применить общий физический подход при анализе явлений передвижения веществ: выявить источники и стоки веществ и выяснить основные физические факторы переноса. Источник микробиологические процессы трансформации органических веществ. Сток перенос углекислого газа в атмосферу, где его концентрация значительно ниже, и «стекание» вниз по профилю за счет его более высокой молекулярной массы. Движение этого газа в профиле будет определятьсяпроцессами диффузии и конвекции,о которых подробнее будет сказано ниже.

Таким образом, определяющими факторамипространственного распределения СО2 в профиле являются (1) активностьмикробиоты (источник) и (2) газообмен с атмосферным воздухом и «стекание» СО2 вниз это стоки. На основе этих процессов формируется

эмиссия СО2 , мг/м2

май июнь июль август

Рис. XIII.1. Сезонная динамика температуры, влажности почвы и выделения СО2 из дерново-подзолистой почвы под паром (по Макарову, 1988)

Рис. XIII.2 Сезонная динамика концентрации СО2 по слоям почвы в сосняке (по Смагину, 1999)

повышенная концентрация СО2 на глубине 30 см газообмен здесь снижен по сравнению с верхними слоями, и наряду с собственным «производством СО2» сюда же «стекает» и СО2 из верхнего слоя. В годовом цикле и для больших глубин эти процессы, в особенности

Рис.XIII.3. Распределение концентрации СО2 по профилю дерновоподзолистой почвы под смешанным лесом (цит. по Воронину, 1986, данные И.Н.Николаевой и Л.Б.Боровинской)

процессфизического«стекания»внижниеглубинныеслои,выглядит весьма впечатляюще (рис. XIII.3).

За летние месяцы на глубинах 100 250 см создается ярко выраженный максимум, превышающий содержание в верхних слоях

в3 5 раз. Оказывается почва может быть не только источником СО2

ватмосферу нашей планеты, но и заметным его буфером и аккумулятором ведь какие большие количества СО2 «стекают» вниз

впочвенные слои!

Таким образом, динамику газового состава почвенного воздуха (газовый режим почвы) определяют процессы газообмена с атмосферным воздухом, продуцирование почвенной биотой и движение впочвенномпрофиле газоперенос.Остановимсяпоочереднонаэтих процессах.

Процесс газообменаСО2 сатмосферой, или дыхание почв.Дыхание почв это поглощение кислорода и выделение СО2. Процесс посвоейсутибиологический,связанныйсдыханиемпочвеннойбиоты, а эмиссия СО2 почвой (выделение почвой СО2) определяется только частично процессом дыхания. Интенсивности потребления