книги из ГПНТБ / Количественные методы в мелиорации засоленных почв

ективного численного критерия оценки орошаемых земель по их мелиоративному состоянию. Вопрос этот очень слож­ ный, и приведенные ниже исследования, по существу, толь­ ко начало планомерных работ в данной области.

§ 2. Энергетическая модель процессов солепереноса. Мелиоративный показатель территории

В I главе данной монографии были выведены дифферен­ циальные уравнения массопереноса на основе закона сохра­ нения вещества. Применим другой фундаментальный за­ кон — закон сохранения энергии. Рассмотрим элементарный

и выведем баланс энергии для системы «почва — грунтовая вода». В общем виде изменение энергии на участке dx будет равно

где ДЕ — изменение энергии на участке d x ;

тп\ и тп2— средняя масса грунтовых вод в соответствующие моменты времени t\ vit 2 \ V\, v 2— скорости потока грунтовых вод в соответствующие моменты времени t\ и t2\ A j — рабо­ та, совершаемая в элементарном объеме потоком грунтовых вод на участке dx по преодолению сил трения о частички

131

грунта (другие виды работ по перемещению солей, по пре­ одолению сил сопротивления внутри жидкости и т. п. здесь не рассматриваются ввиду их малости по отношению K li ) .

Считается, что механическая энергия потока грунтовых вод тратится в основном на преодоление трения жидкости о поверхности пор грунта; получаемое при этом тепло рассеи­ вается в атмосферу.

Сила трения жидкости о частички грунта в случае, если течение подчиняется закону Дарси, определяется из выра­ жения (Чарный, 1963):

где v — абсолютная вязкость жидкости, г -см/сек; v — ско­ рость фильтрации, с м ! сек ; k — коэффициент проницаемо­ сти, см 2; р — удельная плотность, г/см3; р — пористость; f(x) — площадь поперечного сечения потока грунтовых вод, с м 2; dl — толщина элементарного сечения, см. Тогда работа, совершаемая силами трения на участке dx, будет равна

At = F TJ,dx

так как dx —vAt, где At —t2—1\, а в формуле (IV.2.2) произ­ ведение рр/(я;)<2/ означает массу жидкости в элементарном объеме толщиной dl, то величина А будет равна

ние силы тяжести; k — коэффициент фильтрации в см/сек или в м/сут. В общем случае, учитывая источники и стоки в виде испарения или инфильтрации, которые вызывают изменение массы потока грунтовых вод, формула для A t тр будет иметь вид

(IV.2.3)

Для участка длиной I общая работа за единицу времени будет описана суммой A i +A2 + . . . -,+Аа, т. е.

132

где Ап— работа, совершаемая потоком грунтовых вод. Работа потока грунтовых вод Ап осуществляется массой

жидкости т. Наиболее существенная для мелиорации рабо­ та по перераспределению солей в вертикальном и горизон­ тальном направлениях производится не всей массой потока грунтовых вод, а какой-то ее частью, которая находится вблизи дневной поверхности. По экспериментальным дан­ ным, наибольшее изменение концентрации солей в грунто­ вых водах в процессе влаго-, солеобмена с почвой происхо­ дит в слое мощностью 10—15 м. Следовательно, необходимо рассматривать не всю массу жидкости т, а эффективную массу т*, активно участвующую в процессе солеобмена. Величина эффективной массы будет меняться в зависимо­ сти от химизма засоления. Для ионов с высокой миграцион­ ной способностью (например, для С1') активная зона соле­ обмена будет большая, чем для сульфатного или карбонат­ ного типа химизма, что и наблюдается в природе. Кроме того, воздействие испарения и инфильтрации воды на поток грунтовых вод происходит не одновременно. Обозначим за t время действия инфильтрации, тогда за единицу времени, которая интересует мелиорацию (год, вегетационный пери­ од), влияние испарения будет оказываться в течение (1—t) времени. Следует также учесть тот момент, что инфильтра­ ция приводит к повышению уровня грунтовых вод, что, в свою очередь, вызывает увеличение испарения. Это увели­ чение можно предусмотреть, если в зависимость испарения от глубины уровня грунтовых вод внести поправку на ин­ фильтрацию, т. е.

Это соотношение, очевидно, можно использовать для коли­ чественной оценки естественной (или искусственной) дренйрованности ландшафта. Из анализа формулы (IV.2.5) сле­ дует, что чем больше работы может совершить система на данном участке, тем более высокой дренированностью она обладает и, следовательно, тем большее количество солей она может вынести за пределы рассматриваемой террито­ рии. j

133

Если рассмотреть работу, совершаемую жидкостью, по отношению к концентрации, то можно положить, что это отношение показывает способность системы «почва — грунтовая вода» освобождаться от легкорастворимых солей (транспортировать их вниз к ионному базису стока). Эта спо­ собность системы имеет чрезвычайно важное значение для мелиоративной характеристики территории. Обозначим это отношение как

где С* — средняя концентрация солей в системе «почва — грунтовая вода»; М — мелиоративный показатель террито­ рии.

С* можно приближенно определить исходя из следую­ щих соображений: начальная концентрация солей в потоке грунтовых вод С0 по мере движения вниз изменяется за счет привнося солей с поливными водами или с атмосфер­ ными осадками. Это поступление солей можно определить, зная концентрацию поливных вод или осадков у п по отно­

шению Щг . Увеличение концентрации за счет потерь массы

Используя (IV.2.5) и (IV.2.7) запишем формулу (IV.2.6) в виде

(IV.2.8)

(IV.2.8), получим значение мелиоративного показателя для Si участка:

134

Для участка площадью S мелиоративный показатель можно определять по формуле

Рассмотрим возможность практического использования по­ казателя М для целей мелиорации.

Мелиоративный показатель — как количественный кри­ терий оценки земель при почвенно-мелиоративном райони­ ровании. «Районирование территории следует проводить не по какому-то одному фактору (глубина грунтовых вод, их сточность, содержание солей в почве и т. д.), а на основе выявления всего комплекса причин, обуславливающих ход процесса почвообразования, засоления и рассоления» (Пан­ ков, 1962). Следовательно, количественный критерий оцен­ ки земель должен включать в себя всю сумму природных факторов, которые влияют на процессы миграции солей в системе «почва — грунтовая вода»: величину осадков, тем­ пературу воздуха, скорость ветра, фильтрационные свойст­ ва пород, геоструктуру и т. д. Покажем, что формула (IV.2.9) включает в себя все названные зависимости: а) кли­ матические показатели интегрально входят в величину ис­ парения qo; б) гидрогеологические условия местности отра­ жаются в величинах коэффициента фильтрации, скорости потока грунтовых вод, глубине залегания грунтовых вод; в) почвенные признаки отражены в величинах инфильтра­ ции, концентрации почвенного раствора. Таким образом, показатель М, который выражается одним числом, содер­ жит в себе всю сумму влияния природы на процессы засо­ ления — рассоления, кроме влияния биологических факто­ ров. Мелиоративный показатель будет иметь наибольшую величину, если содержание солей в почвах, грунтах и грун­ товых водах будет стремиться к нулю. Действительно, если

Со + № + (1 -*> в & оо,

если 1п*—(1—t)qo [^1----- ~~ j + fe-»-0, то М-»О.

Данный случай означает, что вся грунтовая вода и все осад­ ки испарились, на участке остались лишь соли и грунт.

135

Поэтому естественно, что М-Ю. То же самое может наблю­

даться, когда j ->0, т. е. в случае совершенно бессточ­

ных грунтовых вод мелиоративный показатель в данной ситуации имеет наименьше значение. Отсюда видно, что М изменяется от нуля до бесконечности. В настоящее время возникает необходимость экспериментальной проверки — при каких значениях М концентрация почвенного раствора превышает свою критическую величину или становится меньше ее. Если эти данные будут известны, то при райони­ ровании ландшафтов можно будет прогнозировать объем дренажа или объем инфильтрационных вод для создания нисходящих токов влаги. Может так же оказаться, что при определенных значениях М не потребуется ни дренажа, ни промывного режима орошения.

§3. Понятие энтропии

вмелиорации засоленных почв

Понятие энтропии играет фундаментальную роль в сов­ ременной науке. Особенно широко это понятие используется в кинетической теории газов, теории тепловых машин, тео­ рии информации и других областях знаний. В настоящее время существует много плодотворных попыток применить это понятие для биологии.

Понятие энтропии (от греческого слова етрояг), что зна­ чит превращение, изменение) впервые было введено Клаузиу­ сом для характеристики обратимых адиабатических процес­ сов, которые протекают внутри теплового двигателя. Им рассматривалось соотношение между количеством теплоты, получаемым газом и источником, к их абсолютным темпе­ ратурам. Основная задача, решаемая Клаузиусом, заключа­ лась в определении той величины энергии, которая необхо­ дима для совершения работы, чтобы возвратить систему в первоначальное состояние.

В современных справочниках по физике энтропией назы­ вается функция S состояния системы, дифференциал кото­ рой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества тепла, сообщенного системой, к абсолютной температуре последней (Яворский, Детлаф, 1965). Энтропия не поддается непосредственному восприя­ тию и не может быть легко измерена. Она определяется лишь математическим выражением и выглядит поэтому абстрактной величиной, которая трудно поддается простому интуитивному представлению. Однако, как указывает фран­

136

цузский термодинамик П. Шамбадаль (1967), «физический смысл энтропии отнюдь не столь непостижим, как это при­ нято думать, и что величина, скрывающаяся за интегралом Клаузиуса, не более таинственна, чем, скажем, удельная теплоемкость вещества». Уточнить физический смысл энтро­ пии можно, если провести аналогию между энтропией и другими физическими величинами, более доступными инту­ итивному восприятию. Рассмотрим для примера работу гидроэлектростанции. Вполне очевидно, что станция тем больше выработает энергии в единицу времени, чем больше масса воды будет поступать на лопасти турбин и чем с большей высоты она будет падать. Отношение массы воды, поступившей на лопасти, к высоте и будет означать энтро­ пию или величину энергии, производимую единицей массы к единице высоты.

Широкое использование понятия энтропии стало воз­ можным благодаря общности закономерностей, которые она отражает. Для всех физических систем эта закономер­ ность сводится к тому, что в любой системе энтропия воз­ растает. Последнее положение основано на так называемом принципе «минимума энергии», который состоит в том, что любая физическая система стремится к равновесию, совер­ шая при этом минимум работы (камень упадет со склона не зигзагом, а по наиболее короткой траектории, тепло от на­ гретого тела к холодному перейдет также по кратчайшему расстоянию). То есть, наиболее устойчивое состояние физи­ ческая система может достичь при полном равновесии, при нулевом энергетическом потенциале, при максимальном значении энтропии.

Биологические объекты, наоборот, приобретают более устойчивое состояние (в смысле жизнеспособности) при большой разнице потенциалов, при максимальной аккум у­ ляции полезной энергии, которая может совершать работу. Биологические системы отличаются от простых физических систем тем, что они способны понижать энтропию, или, сог­ ласно Э. Шредингеру, накапливать негэнтропию. Негэнтропия — величина противоположная энтропии; первая озна­ чает накопление полезной энергии в системе, вторая — рас­ сеивание.

Почва — биокосное тело и поэтому ей присущи как фи­ зические, так и биологические закономерности. Почва на­ капливает негэнтропию в виде энергии Солнца с помощью механизма гумусообразования. Чем больше в почве органи­ ческого вещества, тем больше работоспособной энергии на­ ходится в ней, тем больший урожай можно получить. Мине­ рализация гумуса — это энтропийный процесс. Если рас­

137

сматривать процесс засоления почв как физический, то можно четко постулировать: чем меньше энтропия системы «почва — грунтовая вода», тем меньше легкорастворимых солей находится в этой системе. При максимальной энтро­ пии (застойные грунтовые воды) можно ожидать появление солончаков.

При рассмотрении в § 2 данной главы работы, которую совершает поток грунтовых вод, можно заметить, что этот процесс означает рост или прибыль энтропии системы «поч­ в а — грунтовая вода» на данном участке. Чем больше при­ быль энтропии, тем лучшим будет ландшафт с точки зрения его мелиорации. Но прибыль энтропии на одном участке приводит к увеличению ее на более низком участке, так как поток уже отдал более верхнему участку какую-то долю энергии. Энтропия системы «почва — грунтовая вода» не­ прерывно возрастает по мере движения от горных областей к равнинным. Дренаж на орошаемых землях повышает негэнтропию ландшафта, увеличивает прилив энтропии. Одна­ ко, сбрасывая соленые воды, дренаж повышает энтропию соседних участков, которые аккумулируют сбросные воды. Отсюда можно сделать парадоксальный вывод для мелио­ рации, который тем не менее четко согласуется и вытекает из первого и второго законов термодинамики. Вывод можно сформулировать следующим образом: «Нельзя что-то улуч­ шить, чтобы что-то не испортить». Что и наблюдается очень часто при орошении. Мелиоративные мероприятия в верх­ них и средних частях долин по рассолению почв ведут, как правило, к увеличению минерализации воды в реке и ухуд­ шению мелиоративного состояния земель в низовьях. При малых КЗИ рассоления почв на малодренированных терри­ ториях можно добиться путем выдавливания оросительны­ ми водами солей на соседние территории. С указанным па­ радоксальным выводом следует считаться и необходимо свыкнуться с мыслью о том, что всего улучшить нельзя. Необходимо ставить вопрос о сведении к минимуму тех мест ландшафта, которые «обречены на ухудшение».

Использование понятий энтропии и негэнтропии, оче­ видно, может быть применено при разработке энергетиче­ ского метода расчета дренажа. Однако вопрос этот чрезвы­ чайно сложный и требует больших специальных исследова­ ний. В данном параграфе приведена только постановка про­ блемы, однако и это необходимо. В своей книге «Развитие и приложения понятия энтропии» П. Шамбадаль пишет «ге­ незис жизни может относиться к проблемам, которые нам каж утся неразрешимыми лишь потому, что они плохо по­ ставлены».

138

Г Л А В А V

ИНФОРМАЦИОННО-СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАСОЛЕННОСТИ ПОЧВ

Неоднородность — один из самых существенных призна­ ков почв. Она проявляется как по площади, так и по глуби­ не, а так же по времени. Наличие неоднородности вызывает значительные трудности при определении параметров почв (эффективных коэффициентов диффузии, коэффициента растворения или кристаллизации солей, скорости движения почвенных растворов и т. д.). При наблюдении за динами­ кой солей в почве без учета неоднородностей можно прийти к неправильному выводу о направленности процесса засоле­ ния — рассоления. Например, сравнив показатели о содер­ жании солей в данной почве в разные промежутки времени

иубедившись, что в некоторый момент времени солей стало больше, исследователь может сделать неверный вывод о направленности процесса миграции солей в сторону засоле­ ния. В действительности это кажущееся увеличение солесодержания может произойти не за счет изменения процесса,

аза счет неоднородности пространственного размещения солей в почве. Вся беда почвоведа-экспериментатора состоит в том, что он не может измерять количество соли в одной

итой же точке почвы, и свои исследования он проводит на какой-то площадке, которая уже по своему составу неодно­ родна, несмотря на свою «типичность».

Вопросы количественной оценки неоднородности изуча­

ются статистикой и теорией информации. К ак статистика, так и теория информации имеют дело с разнообразием эле­ ментов некоторой совокупности, но их подход к задачам совершенно различен. Статистика рассматривает разнообра­ зие как зло и пытается выяснить, что же все-таки можно утверждать или сделать, несмотря на разнообразие. Теория информации рассматривает разнообразие как положитель­ ное явление, без которого такие операции, как отбор, связь, представление, спецификация были бы невозможны. Эта

140