Обоснование водного и питательного режима мелиорируемых земель гумидной зоны с использованием интегрированной модели агрогеосистемы

На правах рукописи

РОМКО АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ВОДНОГО И ПИТАТЕЛЬНОГО РЕЖИМА МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ ГУМИДНОЙ ЗОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДЕЛИ АГРОГЕОСИСТЕМЫ

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2007

Работа выполнена в отделе природоохранных технологий Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кирейчева Людмила Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Добрачев Юрий Павлович

кандидат технических наук, доцент Сухарев Юрий Иванович

Ведущая организация: РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева

Защита состоится « » мая 2007 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в Московском государственном университете природообустройства в ауд. 1/201 по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, факс (495)976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан « » апреля 2007 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Т.И. Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интенсификация сельскохозяйственного производства требует совершенствования прогнозирования и управления водным, солевым и питательным режимами почв. Содержание влаги в почве определяет испарение, транспирацию растений, поверхностный сток и инфильтрацию в подземные воды и является ключевым фактором в гидрологическом цикле. Почвенные и подземные воды переносят значительное количество растворенных веществ, в том числе питательные вещества, минеральные соли и различные загрязнители. Повышенное применение органических и минеральных удобрений может привести к загрязнению грунтовых и поверхностных вод. Поэтому адекватное описание движения воды, солей и биогенных веществ в ненасыщенной и насыщенной зонах имеет большое значение для управления факторами роста растений и охраны окружающей среды при интенсивном сельскохозяйственном производстве.

Как показывает анализ наиболее известных моделей влаго-, массопереноса и развития сельскохозяйственных культур, в настоящее время не существует единого программного комплекса, позволяющего моделировать все множество физических, биологических и химических процессов в зоне аэрации и полного насыщения, характерных для мелиорируемых земель. Каждая конкретная модель решает свою узкоспециализированную задачу. В ряде случаев перед исследователем встает задача проводить комплексные расчеты и прогнозы. При этом необходимо согласование различных моделей, что достаточно трудоемко и не всегда возможно. Поэтому разработка интегрированной модели, позволяющей рассчитывать весь комплекс процессов, необходимых для прогнозирования и управления водным и питательным режимами мелиорируемых земель с учетом охраны окружающей среды, является своевременной и актуальной задачей.

Цель и задачи исследований. Цель данной работы - разработка интегрированной модели агрогеосистемы для обоснования мелиоративного режима на интенсивно используемых мелиорированных землях гумидной зоны с целью обеспечения высокой урожайности и предупреждения загрязнения почв и подземных вод биогенными веществами.

Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование и выбор модели пространственной геофильтрации и геомиграции, позволяющей прогнозировать режим уровня грунтовых вод и поверхностный сток в трёхмерной области, а также перенос загрязняющих веществ.
2. Выбор математических моделей для описания процессов влагопереноса, миграции и трансформации азотных соединений и урожайности сельскохозяйственных культур.
3. Составление алгоритма интегрированной модели агроценоза и разработка программного обеспечения.
4. Сопряжение модели агроценоза с моделью пространственной геофильтрации.
5. Создание интегрированной модели агрогеосистемы для мелиоративного объекта.
6. Проведения сценарных исследований с целью обоснования урожайности сельскохозяйственных культур с учётом экологических ограничений на загрязнение окружающей среды.

Объект и методика исследований. Объектом исследований являются процессы влагопереноса, миграции и трансформации азотных соединений для формирования требуемого мелиоративного режима на землях двустороннего регулирования водного режима гумидной зоны. Методика исследований включала анализ существующих моделей процессов влаго- массопереноса в насыщенно-ненасыщенных грунтах и урожайности, выбор математических моделей для построения единой интегрированной системы, программирование задачи, верификация отдельных компонентов и интегрированной модели в целом, а также разработки геоинформационной системы.

Адаптация интегрированной модели агрогеоценоза и проведение сценарных исследований выполнены на объекте Куликово Яхромской поймы Московской обл.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

- разработана интегрированная модель агрогеосистемы, представляющая собой модель агроценоза, сопряженную с моделью пространственной геофильтрации, и позволяющая обосновать основные параметры мелиоративного режима на землях двустороннего регулирования водного режима в гумидной зоне с учетом экологических ограничений;

- реализовано сопряжение моделей основных компонентов агроценоза и геосистемы (инфильтрация, урожайность, миграция и трансформация азотных соединений, геофильтрация, геомиграция);

- предложена методология проведения сценарных исследований для обоснования мелиоративного режима почв в гумидной зоне с учетом экологических ограничений;

- выполнено обоснование мелиоративного режима для объекта Куликово Яхромской поймы Московской обл., позволяющее минимизировать поступление биогенных веществ в грунтовые воды.

Практическая значимость. Разработанная модель может быть использована при обосновании технических решений при реконструкции или модернизации мелиоративных систем гумидной зоны, а также для обоснования агротехнических и мелиоративных мероприятий при интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Рекомендации по режиму орошения и нормам внесения азотных удобрений переданы и будут использованы в ЗАО «Куликово» Дмитровского района Московской обл.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на секциях Ученого Совета ВНИИГиМ (2003, 2004, 2005, 2007 гг.), Костяковских чтениях (2005 г.), на Молодежном Форуме «Агробиотехнологии и экологическое земледелие» (Владимир, 2005).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 1 в журнале, рекомендованном ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы из 117 наименований, в том числе 63 работы на иностранном языке. Она изложена на 145 страницах машинописного текста, иллюстрирована 26 рисунками, содержит 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Существующие методы моделирования мелиоративного режима почв и модели фильтрации и влагомассопереноса для ненасыщенно-насыщенной зон» представлен критический обзор наиболее известных математических моделей, с описанием их программных реализаций.

Разработка моделей фильтрации и влагопереноса началась более 50 лет назад. Модели создавались разными авторами и институтами и, в зависимости от поставленных задач, моделировали процессы, не предполагая дальнейшего взаимодействия с другими моделями. Это привело к большому количеству моделей с сильно различавшимся набором входных и выходных параметров. Однако, для практических расчетов зачастую требовались результаты моделирования по нескольким моделям, что вызвало необходимость объединения различных моделей в единые системы, позволяющие моделировать более широкий круг взаимосвязанных природных процессов. Для таких систем приходилось писать конверторы входной/выходной информации, чтобы передавать информацию из одной модели в другую, взаимодействие которых друг с другом изначально не предполагалось. В дальнейшем развитие моделей было связано с интеграцией с ГИС, базами данных, средствами анализа и представления данных. Стоимость разработки и поддержки программного обеспечения сильно возросла, что усложнило создание сложных моделей отдельными специализированными институтами. Наметились тенденции к стандартизации используемых в моделировании данных и кооперации деятельности различных профильных институтов для создания систем нового поколения. Многие институты отказались от поддержки собственных систем и присоединились к существующим проектам.

В настоящее время достаточно хорошо разработана теория фильтрации в водонасыщенных грунтах. Моделированию процессов геофильтрации посвящены фундаментальные работы П.Я. Полубариновой-Кочиной, В.В. Веригина, А.И. Силина-Бекчурина, В.А. Мироненко, В.М. Шестакова, Д.Ф. Шульгина, Р. Винстона, К. Восса, К. Киппа и многих других. Теоретические основы влагомассопереноса в почвогрунтах заложены в основополагающих трудах С.Ф. Аверьянова, Е. Букингема, В.В. Ведерникова, Н.Н. Веригина, А. Дарси, А.Н. Костякова, Л.А. Ричардса и других ученых. Дальнейшее развитие теории осуществлялось в работах И.П. Айдарова, А.И. Голованова, Л.М. Рекса, В.М. Шестакова, Д.А. Манукъяна, И.С. Пашковского, В.С. Борисова, Муалема, Ван Генухтена, И. Шимунека, Й. Ван Дама и других ученых. Существующие модели фильтрации основываются на законах Дарси и предпосылке неразрывности потока. Различия между отдельными моделями состоят в основном в методе решения (конечные разности, конечные элементы) и в способах задания граничных условий (van Waveren R.H., 2003).

Модели массопереноса в грунтовых водах условно можно разделить на две категории. Первый класс - "общие" модели, в которых химические процессы задаются упрощенно в виде коэффициентов (дисперсия, сорбция и т.д.). К этому классу относятся такие модели как MT3D, MOC и HST3D, разработанные американским геологическим обществом (USGS). Как и в моделях фильтрации, различия между моделями массопереноса лежат в основном в методе решения и в способах задания граничных условий. Второй класс моделей позволяет описывать химические реакции в явном виде. Такие модели нельзя применять без серьезной химической экспертизы. К ним относятся такие модели как модель процессов равновесной химической сорбции (Ю.В. Шваров, 1992) и модель PHREEQC (Parkhurst D.L. 1999, Simunek J., 2004), которая разработана американским геологическим обществом.

Модели влагопереноса в зоне аэрации различаются в основном способом решения уравнения инфильтрации. Существует три типа моделей для зоны аэрации:

• Балансовые - наиболее простые модели, не требующие большого количества входных данных, но и не дающие детального решения (van Waveren R.H., 2003). Этот тип моделей применяется, как правило, для того, чтобы получить общее представление о процессах инфильтрации. Примером таких моделей является модель WATBAL, разработанная в университете Вагенингена.
• Псевдо-стационарные - комбинация балансовых и динамических моделей влагопереноса. Примером таких моделей является модель MUST, разработанная в университете Вагенингена (De Laat P.J.M., 1995), имитирующая вертикальный перенос влаги в зоне аэрации с учётом суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур и оттока воды в дренаж.
• Динамические модели, в основе которых лежит уравнение Ричардса (van Waveren R.H., 2003). Такие модели требуют достаточно большого количества входных данных, но дают детальные результаты. Этот тип моделей применяется, как правило, в моделях малых масштабов (уровня поля), чтобы получить детальное представление о процессах инфильтрации. Примером таких моделей являются модели А.И. Голованова, Л.М. Рекса, А.М. Якиревича, модель SWAP и др.

Исследование природных систем показывает, что одномерные и псевдодвухмерные имитационные модели не позволяют учесть все возможные процессы, возникающие на мелиорированных сельскохозяйственных землях. Пространственное разнообразие почвенных характеристик, региональная неоднородность и нелинейность процессов фильтрации, взаимодействие между корнеобитаемой зоной и подземными водами, дренаж, влияние водного и питательного режима на урожайность и качество продукции, наличие загрязнения почв и подземных вод предопределили создание комплексных имитационных моделей для системы «атмосфера-растение-почва-подземные воды». Эти модели являются важным инструментарием для прогнозирования природных процессов в их взаимодействии и позволяют обеспечить адекватное управление мелиоративным режимом при соблюдении экологических требований.

Сложные имитационные модели строятся по блочно-модульной схеме. Это позволяет постепенно наращивать сложность модели при ее разработке и контролировать набор моделируемых процессов за счет отключения ненужных модулей в зависимости от решаемой задачи. Это также делает возможным верификацию расчета отдельных процессов без привязки ко всему комплексу. Современный моделирующий комплекс состоит из управляющего модуля, модулей, реализующих моделирование различных процессов, графической оболочки, базы данных, средств анализа, представления данных и решения обратных задач.

Во второй главе «Выбор математических зависимостей для создания интегрированной модели агрогеосистемы в условиях двухстороннего регулирования водного режима гумидной зоны» дана краткая характеристика гумидной зоны и представлены математические модели необходимые для создания интегрированной модели агрогеосистемы. Под агрогеосистемой автор понимает - термодинамически открытую систему, состоящую из взаимообусловленных биологических, физических и химических компонентов, взаимосвязанных в своем размещении и развивающихся во времени как части целого.

Представленные модели описывают процессы движения влаги в зоне аэрации, суммарного водопотребления и урожайности сельскохозяйственных культур, переноса и трансформации азотных соединений в зоне аэрации, геофильтрации и геомиграции.

Для расчета влагопереноса в интегрированной модели автором используется обобщенная модель, базирующаяся на уравнении Ричардса (Голованов А.И. 1974, Van Dam, J.C., 1997, Kroes, J.G., 2003):

, (1)

где С – водоемкость , K - коэффициент влагопроводности (см/сут), - содержание влаги в почве (см3/см3), S – отбор влаги корнями растений (см/сут), h – напор почвенной влаги (см).

Выбор модели обусловлен ее возможностью рассчитывать режим влажности почвы в одномерной постановке с учетом отбора влаги корнями растений.

Запасы влаги рассчитываются по аналитической формуле Ван Генухтена:

, (2)

где sat - содержание влаги в насыщенной почве (см3/см3), res – остаточное содержание влаги в почве (см3/см3), (см-1), n (-) и m (-) – эмпирические параметры.

Коэффициент влагопроводности рассчитывается по формуле Муалема:

, (3)

где Ksat - коэффициент фильтрации в насыщенной почве, - эмпирический параметр (-), Se – относительное насыщение:

. (4)

Программная реализация интегрированной модели выполнена автором так, что верхнее граничное условие выбирается автоматически на основании текущего состояния модели. Верхнее граничное условие может быть задано потоком или напором на поверхности почвы. В качестве нижнего граничного условия принимается уровень грунтовых вод.

Отбор влаги корнями растений рассчитывается по зависимости, успешно апробированной на фактических данных, в которой отбор влаги корнями зависит от толщины корнеобитаемого слоя и распределения корневой системы (Van Dam, J.C., 1997, Kroes, J.G., 2003):

, (5)

где - толщина корнеобитаемого слоя (см); Lroot – функция, характеризующая распределение корневой системы; - потенциальная скорость транспирации (см/сут).

Недостаток влаги или чрезмерное увлажнение почвы могут уменьшить отбор влаги корнями растений. Действительный отбор влаги корнями (сут-1) рассчитывается из условия:

, (6)

где drw - коэффициент снижения отбора влаги корнями из-за водного стресса (-). Этот коэффициент зависит от напора влаги.

В интегрированной модели для расчёта суммарного водопотребления использовано уравнение Пенмана-Монтейта. По результатам сравнения моделей суммарного водопотребления по данным лизиметров с 11 станций во всем мире в разных климатических условиях, эта зависимость была признана лучшей для всех зон и погодных условий (Jensen M.E., 1990). За рубежом эта модель является стандартом расчета потенциальной эвапотранспирации, так как она наиболее полно отражает физические процессы, обусловленные солнечной радиацией, аэродинамикой и транспирацией растений. Зависимость имеет следующий вид (Van Dam, J.C., 1997, Kroes, J.G., 2003):

, (7)

где W – энергия парообразования (Дж/гр), ETp – потенциальная транспирация (см/сут), v – наклон кривой давления пара (кПа/0С), Rn – поток солнечной радиации (Дж м-2 сут-1), G – поток почвенного тепла (Дж м-2 сут-1), pair – плотность воздуха (гр/см3), Cair - теплоёмкость воздуха (Дж гр-2 оС-1), esat – давление насыщенного пара (кПа), eact – фактическое давление пара (кПа), rcrop – сопротивление листовой поверхности (сек/м), rair – аэродинамическое сопротивление (сек/м), air – психометрическая константа (кПа оС-1).

Сопротивление листовой поверхности зависит от скорости ветра и высоты растений (Kroes, J.G., 2003):

, (8)

где zm – высота точки измерения скорости ветра (м), zh – высота точки измерения температуры и давления (м), d – точка отсчета профиля ветра (м), zom – коэффициент неточности для импульса (м), zoh - коэффициент неточности для тепла и давления (м), kvk – константа фон Кармана = 0,41, u - скорость ветра на высоте zm (м/с).

Параметры d, zom и zoh определяются как (Kroes, J.G., 2003):

, (9)

, (10)

, (11)

где hcrop – высота растений (м). Для расчета аэродинамического сопротивления используется зависимость (8), при этом высота растений принимается равной 1 мм.

Входной информацией для расчета по формуле Пенмана-Монтейта являются среднесуточная температура воздуха, солнечная радиация, скорость ветра и атмосферное давление.

В качестве модели урожайности принята упрощенная зависимость, в которой развитие растения задается через индекс листовой поверхности, высоту растения и глубину корнеобитаемого слоя как линейные по времени функции фазы развития растений. Расчёт урожайности производится по формуле (Van Dam, J.C., 1997, Kroes, J.G., 2003):

, (12)

где j – фаза развития растения; n - число фаз развития; ya – фактический урожай (т/га); ym – максимальный урожай (т/га); ETaj – фактическое суммарное водопотребление в определенную фазу (мм); ETmj – максимальное суммарное водопотребление в определенную фазу (мм); Kyi - фактор урожайности в определенную фазу (-).

Существуют более сложные и точные модели роста и развития растений, такие как модели Ю.П. Добрачева (Добрачев Ю.П., 1998) и В.В. Шабанова (Шабанов В.В., 2005). Однако эти модели требуют большого количества труднополучаемой исходной информации и иногда могут давать физически невозможные результаты.

Для оценки влияния азотного питания на формирование урожая используется аналогичная структура формулы, в которой вместо суммарного водопотребления учитывается отбор азота корнями растений.

Перенос азотных соединений в почве описывается зависимостями (Николаенко, 1999, 2002, P. Groenendijk, 1999):

для органического азота:

; (13)

для аммонийного азота:

; (14)

для нитратного азота:

, (15)

где Ci – концентрация i-го вещества (кг/м3), Ru,i – отбор азота корнями растений (кг м-3 сут-1), Rd,i – разложение i-го вещества (кг м-3 сут-1), Rp,i – источник i-го вещества (кг м-3 сут-1), Js,i – вертикальная миграция i-го вещества (кг м-2 сут-1), pd – плотность почвы (кг/м3), Xe,NH4 – объем сорбированного аммония (кг/кг), - содержание влаги в почве (см3/см3).

Разложение азотных соединений характеризуется кинетикой первого порядка (P. Groenendijk, 1999):

, (16)

где k1 – коэффициент распада первого порядка (сут-1).

Отбор азотных соединений корнями растений описывается зависимостью (P. Groenendijk, 1999):

, (17)

где - фактор, зависящий от потребности растений и доступности азотных соединений в почве (долей единицы), qtr – поток влаги к корням (м).

Источником поступления аммонийного азота в почву является минерализация органического азота, которая описывается уравнением (P. Groenendijk, 1999):

, (18)

где fN,fn – фракция азота в fn-том органическом материале (долей единицы), a – фактор ассимиляции вещества в гумус (долей единицы), fN,hu – фракция азота в гумусе (долей единицы), fh – процент разлагающихся твердых органических соединений, идущий на формирование гумуса (долей единицы), kfn – коэффициент распада fn-той органической фракции (сут-1), OM – органические соединения в твердой фазе (кг м-3), fNL – фракция азота в растворенных органических соединениях (долей единицы), kex, khu, ks - коэффициенты распада остатков корней, гумуса и растворенных органических соединений соответственно (сут-1), EX, HU – количество остатков корней и гумуса соответственно (кг м-3), fN,ex – процент содержания азота в отмирающих частях растений (долей единиц), Com - концентрация органических соединений в почвенной влаге (кг/м3).

Источником поступления нитратов в почву являются процессы нитрификации, которые описываются уравнением (P. Groenendijk, 1999):

, (19)

где knit – коэффициент нитрификации (сут-1). В анаэробных условиях происходит разложение нитратов (денитрификация).

Сорбция аммония в равновесной фазе рассчитывается по формуле (P. Groenendijk, 1999):

, (20)

где Ke,NH4 - линейный коэффициент сорбции (м3 кг-1). Предполагается что объем сорбированного вещества пропорционален его концентрации в жидкой фазе.

Для моделирования геофильтрации и геомиграции используется трёхмерная модель движения подземных вод и переноса загрязнений в зоне насыщения nMtWolf, разработанная Санкт-Петербургским отделением ИГЭ РАН (Румянцев, 1997). Модель предназначена для решения трехмерных задач подзем­ной гидродинамики и переноса загрязнений в стационарной и нестационарной постановке при напорной, напорно-безнапорной или безнапорной фильтрации в любом из слоев модели. Возможно подключение набора гидрологи­ческих и гидрогеологи­ческих объектов, таких как реки различного порядка, горизонтальные и вертикальные скважины, горизонтальные дрены и некоторые другие, на которых реализуются граничные условия II-IV рода. В ее основу положено трехмерное нестационарное уравне­ние геофильтрации вида:

, (21)

где kx, ky, kz - коэффициенты фильтрации по осям x, y, z, параллельным главным осям проницаемости; Н - напор; Q - расход, приведенный к единице объема и представ­ляющий внешние источники поступления и/или отбора воды; - упругоемкость; t - время.

В основу численной модели переноса загрязнений положена система дифференциальных уравнений вида:

,

, (22)

где [i] - индекс координатной оси (l[1]=x, l[2]=y, l[3]=z), D[i] - коэффициент гидродисперсии, C и N - концентрация загрязнителя в хорошо и плохо проницаемых зонах, v - скорость фильтрации, - коэффициент массообмена.

Для совместного моделирования процессов влаго- массопереноса в зоне аэрации и полного насыщения необходимо сопряжение соответствующих моделей. В модели nMtWolf нет верхнего граничного условия в явном виде. Все граничные условия (I, II и III родов) реализуются на уровне алгоритма через источники/стоки (II и III род), включая и инфильтрационное питание. Иными словами, то, что поступает в ячейки модели (в верхний слой) сверху - это расход источника. Дополнительный подъем уровня грунтовых вод от действия этого источника определяется уже на этапе решении задачи. Учитывая это обстоятельство, сопряжение моделей зоны аэрации и зоны насыщения было реализовано автором алгоритмически. Имея заданный начальный УГВ в качестве нижнего граничного условия, модель зоны аэрации рассчитывает поток в зону насыщения. Этот поток задается в качестве источника/стока в верхней ячейке модели зоны насыщения. УГВ, рассчитанный в модели зоны насыщения, используется в качестве нижнего граничного условия модели зоны аэрации на следующем временном шаге.

Таким образом, выбранные математические модели в программной реализации согласуются между собой и их можно объединить в единую интегрированную модель. При этом исходные данные для выбранных зависимостей являются независимыми.

В третьей главе «Создание интегрированной модели агрогеосистемы и описание ее алгоритма» описан алгоритм и верификация как отдельных частей, так и интегрированной модели в целом.

Программные реализации выбранных математических моделей были объединены в единый комплекс. Он включает в себя блоки, реализующие моделируемые процессы и управляющий модуль. На рисунке 1 представлена схема моделируемых процессов и их взаимосвязей. Программная реализация расчета подземных вод находится в модели nMtWolf. Все остальные процессы реализованы в модели, разработанной автором и названной ma3D. Управляющий модуль отвечает за согласованную совместную работу модулей зоны аэрации и модели пространственной геофильтрации и геомиграции nMtWolf. Он обеспечивает поток данных между ними, формируя файлы с входными данными для nMtWolf, на основании результатов расчетов процессов в зоне аэрации, запускает ее и считывает из ее выходных файлов результаты расчета. При передаче данных между моделями, управляющий модуль преобразует их единицы измерения в соответствии с принятыми в моделях.

Схема алгоритма модели зоны аэрации представлена на рисунке 2. На первом этапе для каждого конкретного года с временным шагом, равным одним суткам, рассчитывается потенциальное суммарное водопотребление растений. Затем для этого же года определяются фактические составляющие водного баланса (эвапорация, транспирация, и др.). Для каждых суток по модели зоны аэрации рассчитывается суммарное водопотребление растений, потенциалы почвенной влаги в зоне аэрации, УГВ, рост и развитие растений, перенос и трансформация азотных соединений. Затем рассчитывается УГВ по трехмерной модели геофильтрации и перенос аммония и нитратов по трехмерной модели геомиграции. Этот цикл повторяется для каждых суток моделируемого периода. Для моделирования переноса и трансформации азотных соединений рассчитывается объем отмирающей корневой массы, внесение удобрений, потенциальный отбор питательных веществ корнями растений, температура почвы, снижение коэффициентов распада в зависимости от температуры, влажности, pH почвы и наличия кислорода, трансформация и перенос органического азота, минерализация органических соединений, трансформация и перенос аммония, денитрификация, трансформация и перенос нитратов, фактический отбор питательных веществ корнями растений.

Для обеспечения ввода исходной информации для интегрированной модели была разработана оригинальная ГИС, так как многие ГИС созданы для конкретных моделей и их использование для разработанной интегрированной модели не представляется возможным. Есть ГИС разрабатываемые как универсальные. К таким ГИС можно отнести ArgusOne. Указанная ГИС использовалась автором для изучения моделей MODFLOW и MOC3D. При этом обнаружилось, что ArgusOne неверно создавал входные файлы к указанным моделям – их содержимое не соответствовало отображаемым в ГИС данным. Поэтому была специально разработана ГИС, адекватно работающая для выбранных моделей. Для удобства задания входных параметров в работе был использован аналоговый подход для задания пространственных и временных данных.

Рисунок 1 - Схема моделируемых процессов и их взаимосвязей

Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма интегрированной модели агрогеосистемы

В процессе исследований была проведена верификация всех компонентов интегрированной модели. Верификационные примеры включали задачи: влагопереноса с учетом выращивания сельскохозяйственных культур и орошения; миграции и трансформации азотных соединений с учетом всех моделируемых процессов; моделирование сложных задач для экстремальных условий (интенсивный дождь на сухую почву, сильная эвапорация с мокрой почвы, флуктуация УГВ вблизи поверхности). Максимальные отклонения при верификации модели влагопереноса (исключая задачи для экстремальных условий) составили не более 4%. Максимальные отклонения при верификации модели миграции и трансформации азотных соединений составили не более 8%. Это подтверждает достаточно высокую степень сходства результатов на тестовых задачах с моделями SWAP и ANIMO.

В четвертой главе «Моделирование водного и питательного режима с использованием интегрированной модели для Яхромской поймы Московской области» дана краткая характеристика участка Куликовский, описано построение модели мелиоративного участка, а также приведены результаты сценарных исследований, выполненных с помощью созданной модели.

Для верификации разработанного модельного комплекса в целом, а также для апробации интегрированной модели был выбран участок К-14 совхоза «Куликовский» Дмитровского района Московской области (рис. 3). Главными особенностями участка, обусловившими его выбор, являются наличие двустороннего регулирования водного режима (орошение и дренаж). Вся территория поймы осушается закрытым горизонтальным дренажем с глубиной 0,8-1,2 м и междренным расстоянием 12, 14 и 18 м. Орошение осуществляется дождевальными агрегатами ДДА-100В. Пойма используется для выращивания овощей и картофеля, кормовых культур и многолетних трав. Использование интенсивных технологий приводит к существенному выносу биогенных загрязнителей в грунтовые воды и реки, что увеличивает связь биологического круговорота воды и веществ с геологическим и вызывает ухудшение экологического состояния агроландшафта (загрязнение поверхностных и грунтовых вод биогенными веществами). Двустороннее регулирование водного режима позволяет управлять мелиоративным режимом объекта.

Пойма относится к древнеозерным образованиям со смешанным типом водного питания (грунтово-напорный и намывной). Участок сложен современными аллювиальными, болотными и озерными отложениями общей мощностью 15-30 м, подстилаемые древними аллювиальными отложениями. Почвы в пределах участка – дерново-глеевые, легко- и среднесуглинистые и перегнойно-торфяные разной мощности.

На рис. 4 приведен литолого-геологический разрез Яхромской поймы. При схематизации гидрогеологических условий в модели выделено пять слоев. За региональный водоупор приняты доледниковые древнеаллювиальные глины.

Рисунок 3 – Схема участка К-14 совхоза «Куликовский».

Рисунок 4 – Литолого-геологический разрез Яхромской поймы.

Условные обозначения: al QIV – аллювиальные суглинки прируслового вала, pI d QIV – покровные и делювиальные пески и суглинки, h QIV – болотные торфяные почвы, I QIV – озерные отложения сапропеля, alI I QIII - озерно-аллювиальные и аллювиальные отложения песка суглинка, gl QII m – моренный суглинок Московского оледенения, fglI gl QII dn-m - моренный суглинок Днепропетровского оледенения и межледниковые флювиогляциальные пески с гравием и галькой, al QI – доледниковые древнеаллювиальные пески и глины, K – меловые пески, глины, опоки, J3 – верхнеюрские глины, C – каменноугольные известняки.

Для обоснования водного и питательного режимов мелиоративного объекта и его влияния на прилегающие территории была разработана методология проведения сценарных исследований с использованием интегрированной модели. Методология включает в себя следующие этапы:

1. Выбор вариантов расчета, включая вариант с фактически осуществляемыми водным и питательным режимами.
2. Расчёт по интегрированной модели водного и питательного режима для всех вариантов.
3. Анализ вариантов, и выбор сценариев при которых вынос загрязняющих веществ не превышает ПДК
4. Обоснование оптимального варианта. В качестве оптимального варианта выбирался тот, где формировался максимальный урожай сельскохозяйственных культур при выносе загрязняющих веществ в грунтовые воды, не превышающем ПДК.

С целью анализа влияния орошения на ирригационное питание грунтовых вод и вынос биогенных элементов были проведены сценарные исследования режима орошения по интегрированной модели (Ромко А.В., 2006). Моделировались варианты с различными пределами влажности корнеобитаемого слоя, по которым рассчитывалась величина инфильтрационного питания грунтовых вод, урожайность сельскохозяйственных культур и вынос аммония и нитратов в грунтовые воды, реки и дрены. Сценарные исследования проводились для условий 2005 года, характеризующегося как средне-влажный. В указанный год на участке выращивали картофель, посев которого производился 10 мая, уборка урожая – 25 сентября. Параметры для картофеля были получены с помощью модели WOFOST с учетом фактического урожая картофеля, составляющего 40 т/га. Учитывая тот факт, что это очень высокая урожайность для рассматриваемых условий, это значение было принято за 100% урожая. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты сценарных исследований на участке К-14

Показатели	Варианты расчета
	1	2	3	4
Пределы регулирования влажности корнеобитаемого слоя, в долях от НВ	0,6…0,7	0,7…0,8	0,8…0,9	0,9…1
Относительная урожайность, Yi/Ymax	0,90	0,95	0,99	0,99
Влагообмен между зоной аэрации и грунтовыми водами, мм	4,13	4,33	8,62	11,93
Вынос аммония из зоны аэрации в грунтовые воды, кг/га	0,7	0,7	1,3	1,9
Вынос нитратов из зоны аэрации в грунтовые воды, кг/га	4,7	4,8	9,5	12,6
Вынос аммония в реки, мг с га	6000	6000	6400	7000
Вынос аммония в дрены, мг с га	37	37	75	75
Вынос нитратов в реки, мг с га	97000	97000	101000	106000
Вынос нитратов в дрены, мг с га	758	758	1137	1516

В вариантах с пределом регулирования влажности корнеобитаемого слоя 0,8-0,9 и 0,7-0,8 НВ, влагообмен зоны аэрации с грунтовыми водами стремительно уменьшается по сравнению с вариантом 0,9-1 НВ. В вариантах 0,6-0,7 и 0,7-0,8 НВ он практически не меняется. В вариантах 0,8-0,9 и 0,7-0,8 НВ вынос аммония и нитратов в грунтовые воды, реки и дрены в сравнении с вариантом 0,9-1 НВ резко снижается. Начиная с варианта 0,7-0,8 НВ эти показатели практически не изменяются. Таким образом, наилучший сценарий – вариант 2, при регулировании влажности в пределах 0,7-0,8 НВ. При этом вынос в грунтовые воды аммония составляет 0,7 кг/га, а нитратов 4,8 кг/га.

Вынос биогенных веществ в дрены существенно ниже выноса в реки. Это объясняется тем фактом, что расчетный период работы дрен в сценарных исследованиях ограничен (не превышает 15 суток).

На рис. 5 и 6 представлены графики максимальных концентраций аммония и нитратов, поступающих из зоны аэрации в грунтовые воды.

Рисунок 5 - Расчетные значения максимальных концентраций аммония выносимых на УГВ по вариантам сценарных исследований на участке К-14. Условные обозначения: 1 – для влажности 0,6-0,7 НВ, 2 – для влажности 0,7-0,8 НВ, 3 – для влажности 0,8-0,9 НВ, 4 – для влажности 0,9-1 НВ.

Максимальная концентрации аммония за вегетационный период не превышает 2,5 мг/л. Максимальная концентрации нитратов – 16,6 мг/л. Таким образом, максимальная концентрации аммония превышает ПДК почти в пять раз. При этом максимальная концентрация за весь период практически не опускается ниже ПДК. Максимальная концентрация нитратов не превышает ПДК. Из графиков видно, что максимальные концентрации выносимого аммония уменьшаются с уменьшением влажности корнеобитаемого слоя. Однако, при снижении влажности ниже 0,7-0,8 НВ концентрация практически не падает. Максимальные концентрации выносимых нитратов увеличиваются с уменьшением влажности корнеобитаемого слоя. При увеличении влажности выше 0,8-0,9 НВ концентрация практически не увеличивается.

Рисунок 6 - Расчетные значения максимальных концентраций нитратов выносимых на УГВ по вариантам сценарных исследований на участке К-14. Условные обозначения: 1 – для влажности 0,6-0,7 НВ, 2 – для влажности 0,7-0,8 НВ, 3 – для влажности 0,8-0,9 НВ, 4 – для влажности 0,9-1 НВ.

За счет снижения влажности корнеобитаемого слоя происходит некоторое снижение урожайности картофеля - от 10% для 0,6-0,7 НВ до 1% при 0,8-0,9 НВ (табл. 1). Результаты моделирования показали, что в вариантах с меньшей влажностью при одинаковых нормах внесения удобрений, отбор азота корнями растений был выше. Это можно объяснить тем фактом, что при меньшем содержании влаги концентрация азотных соединений в почвенном растворе выше. Таким образом, при одинаковом уровне транспирации количество поглощенного азота будет выше, что может отразиться на качестве продукции.

Динамика влажности корнеобитаемого слоя для расчетного 2005 года приведена на рисунке 7. Большую часть вегетационного периода влажность колебалась около значения НВ. Увеличение до 1,1 НВ в середине сезона обусловлено поливами, снижение до 0.8 НВ в конце сезона обусловлено сухой и жаркой погодой в сентябре. Расчеты показывают, что при таком режиме влажности за вегетационный период влагообмен составил 16,28 мм, вынос аммония и нитратов – 2,9 и 15,65 кг/га соответственно. Среднее расчетное значение концентрации аммония, выносимого непосредственно в реки, составило 1,05 мг/л. Это соответствует измеренным значениям – 0,93 мг/л (Стрельбицкая Е.Б., 2003).

По результатам моделирования можно рекомендовать величину поддержания влажности при выращивании картофеля в пределах 0,7-0,8 НВ. Это позволит получать достаточно высокие урожаи при снижении инфильтрационного питания на уровень грунтовых вод, а это в свою очередь уменьшит вынос биогенных веществ в грунтовые воды и в речную сеть, что позволит улучшить экологическую ситуацию.

Рисунок 7 - Динамика влажности корнеобитаемого слоя в 2005 году. Условные обозначения: Ос+Ор – осадки и орошение (мм/сут), влажность (долей НВ).

На основе созданной модели участка Куликовский были проведены прогнозные расчеты выноса биогенных веществ с мелиоративного объекта на 2006 год. В качестве исходных данных были использованы фактические погодные условия 2006 года, фактические нормы и сроки внесения минеральных удобрений и проведения поливов (табл. 2). 2006 год характеризовался как влажный (обеспеченность по осадкам 83%).

Таблица 2 - Агрономические данные по участку Куликовский за 2006 год

Выращи-ваемая культура (площадь, га)	Внесение удобрений		Посев		Поливы		Уборка урожая
	Виды и нормы (кг/га)	сроки	нормы	сроки	Нормы (мм)	Сроки	вели-чина, т/га	сроки
Капуста (74)	Азофоска – 600 Туран – 0,02 (NH4 – 42 кг д.в., NO3 – 60 кг д.в.)	15.04-30.05	33 тыс. шт/га	28.04- 30.05	30	5.05 30.05 15.06 10.07	95	октябрь
Морковь (24)	Азофоска – 600 Туран – 0,02 (NH4 – 42 кг д.в., NO3 – 60 кг д.в.)	Апрель – май	1 млн. шт./га	1.05- 5.05	30	5.06 25.06 15.07	55	05.09-15.09
Карто-фель (30)	Диаммофоска – 600 (NH4 – 30 кг д.в., NO3 – 30 кг д.в.)	Май	2,8 т/га	12.05-14.05	-	-	41	10.09-15.09

Прогнозные расчеты показали, что при фактическом мелиоративном режиме влажности в 2006 году влагообмен между зоной аэрации и грунтовыми водами составил 25 мм, вынос аммония и нитратов с моделируемого участка – 4,8 и 17,7 кг/га соответственно (при внесении д.в. 42 и 60 кг/га соответственно). Однако, с экологических позиций это не самый благоприятный вариант. Выполненные прогнозные расчеты показали, что при снижении урожайности на 5% представляется возможным уменьшить величину влагообмена до 6,9 мм за вегетационный период, при этом вынос аммония и нитратов снизится до 1,1 и 7,5 кг/га соответственно. Таким образом, при применении оптимального водного режима можно снизить вынос аммония на 3,7 кг/га, а нитратов на 10,2 кг/га, соответственно на 77 и 57%. Применение оптимального режима позволило бы снизить максимальную концентрацию выносимого аммония с 2,8 до 2,5 мг/л (рис. 8), а максимальную концентрацию нитратов с 17 до 16 мг/л (рис. 9). Однако, следует отметить, что даже при таком режиме, максимальная концентрация аммония превышает ПДК в пять раз.

Таким образом, разработанная интегрированная модель агрогеосистемы может быть использована для создания постоянно-действующих моделей конкретных мелиоративных объектов для обоснования норм и сроков поливов и внесения удобрений, обеспечивающих благоприятный мелиоративный режим с учетом требований охраны окружающей среды, а также для оперативного управления поливами и агротехническими мероприятиями с учетом складывающихся погодных условий.

Рисунок 8 - Расчетные значения максимальных концентраций аммония, выносимых на УГВ. Условные обозначения: 1 – для фактической, 2 – для влажности 0,7-0,8 НВ.

Рисунок 9 - Расчетные значения максимальных концентраций нитратов, выносимых на УГВ. Условные обозначения: 1 – для фактической, 2 – для влажности 0,7-0,8 НВ.

Выводы и рекомендации

1. Выполненный анализ наиболее известных математических моделей, описывающих фильтрацию воды и массоперенос в зоне полного насыщения, показал, что процессы инфильтрации и массопереноса в зоне аэрации указанными моделями или не рассчитываются, или рассчитываются в упрощенной постановке. Современные модели зоны аэрации, как правило, одномерны. Полнота учитываемых процессов и точность при их расчете варьируется в зависимости от конкретной модели: существует широкий спектр моделей - от элементарных балансовых до сложных динамических моделей. Однако недостатком практически всех моделей зоны аэрации является необходимость знания значения УГВ, либо другого параметра, задаваемого в качестве нижнего граничного условия, за весь моделируемый период. В последнее время создается все больше интегрированных моделей, объединяющих в себе модели грунтовых и поверхностных вод, а также зону аэрации. Однако, эти комплексы применяются, как правило, для моделирования гидрогеологических процессов и не моделируют ряд важных для сельскохозяйственных задач процессов, связанных с ростом и развитием растений.

2. В работе предложена интегрированная модель агрогеосистемы, представляющая собой модель агроценоза, сопряженную с моделью пространственной геофильтрации и геомиграции, и позволяющая обосновать основные параметры мелиоративного режима на землях двустороннего регулирования водного режима с учетом экологических ограничений.

3. Обоснован выбор математических моделей для моделирования процессов в зоне аэрации: влагопереноса, переноса и трансформации азотных соединений, водопотребления и урожайности. Для моделирования пространственной геофильтрации и массопереноса, была использована трёхмерная модель nMtWolf, разработанная Санкт-Петербургским отделением ИГЭ РАН, которая предназначена для решения трехмерных задач подзем­ной гидродинамики и переноса загрязнений в стационарной и нестационарной постановке при напорной, напорно-безнапорной или безнапорной фильтрации.

4. Рассмотрены основные концепции сопряжения моделей зоны аэрации и зоны насыщения. На основании существующих ограничений был выбран алгоритмический способ сопряжения моделей, позволяющий использовать модульный принцип построения модели.

5. Разработана оригинальная ГИС, обеспечивающая ввод исходных данных для интегрированной модели и адекватно работающая для выбранных моделей. Для удобства задания входных параметров в работе был выбран вариант с использованием аналогового подхода для задания пространственных и временных данных.

6. Проведена верификация как отдельных компонентов интегрированной модели, так и модели зоны аэрации в целом. Для этого использовались задачи, применяемые для верификации и оценки моделей, на основании концепций которых была построена разработанная модель. Предельные отклонения в расчетах испарения и инфильтрации на УГВ составили не более 4%. Предельные отклонения концентраций аммония и нитратов составили не более 8%.

7. Выполнены сценарные исследования на опытном участке Яхромской поймы и даны рекомендации о выборе водного режима, поддерживающего влажность почвы в диапазоне 0,7-0,8 НВ, что позволяет получать высокие урожаи (картофеля до 40 т/га, капусты до 90 т/га) при достаточно низких уровнях загрязнения грунтовых вод. При применении рекомендуемого водного режима можно снизить вынос в грунтовые воды: аммония на 3,7 кг/га, а нитратов на 10,2 кг/га (соответственно на 77 и 57%) за вегетационный период по сравнению с применяемой технологией.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ромко А.В., Применение математических моделей для управления агроценозом на мелиорированных землях, Вопросы мелиорации № 1-2, 2005 г. с. 99-103.
2. Яшин В.М., Ромко А.В., Формирование дренажного стока с мелиорируемых земель Яхромской поймы, Материалы молодежного форума "Агробиотехнологии и экологическое земледелие" (13-16 апреля 2005 г., г. Владимир), Владимир 2005, с. 102-104.
3. Ромко А.В., Создание интегрированной модели агрогеоценоза на мелиорированных землях, Материалы международной конференции "Наукоемкие технологии в мелиорации", М. 2005, с. 385-389.
4. Ромко А.В., Перенос и трансформации азотных соединений на мелиорируемых землях, Вопросы мелиорации № 1-2, М. 2006, с. 92-100.
5. Ромко А.В., Обоснование режима орошения и норм азотных удобрений, Агрохимический вестник №5, 2006, с. 16-17.

Подписано к печати 09.04.2007 г.

Формат 60х84 1/32 Тираж 100. Зак. № 33

ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии

127550, Москва, Б. Академическая, 44