Авторы: проф., д.б.н. Е.В.Шеин, доц., к.б.н. М.А.Сидорова.

I. Организационно-методический раздел

Целью курса является ознакомление студентов с закономерностями массопереноса в почвах.

Задачи курса: знакомство с феноменологическим законом переноса и основными  типами расчета  массопереноса; изучение основных гидрофизических функций, как основы для количественной оценки переноса, знакомство с закономерностями движения растворенных веществ в почвах,  специальными случаями переноса веществ в экосистеме  и почвах.

Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Теоретический курс читается в 7 семестре для студентов кафедры физики и мелиорации почв (4 год обучения). Теоретический курс “Закономерности массопереноса в почвах” непосредственно связан  с практическим курсом “Спецпрактикум”, который проводится параллельно в том же семестре. Параметры массопереноса, полученные на  “Спецпрактикуме” используются  для расчетов в спецкурсе “Моделирование почвенных процессов в физике и мелиорации почв”, который читается в следующем  - 8-ом семестре.

Требования к уровню освоения содержания курса. При успешном освоении материала спецдисциплины студенты приобретают навыки теоретического анализа полученных закономерностей.

II. Содержание курса

Разделы курса. Введение. Феноменологический закон переноса. Основные типы расчета  массопереноса. Основные гидрофизические функции - основа для количественной оценки переноса. Движение растворенных веществ в почвах. Перенос  веществ в экосистеме. Специальные случаи переноса веществ в почвах/

Темы и краткое содержание

1. Введение. Изучение переноса воды и веществ в почвах – основа для оценки и прогноза переноса различных веществ в ландшафте. Экологическая оценка роли почвы в биосфере. Связь основных функций почв (транспортной, охраны биологического благополучия атмосферы, аккумулирующей) с процессами массопереноса. Общие законы переноса и специфические особенности, свойственные почве. Математическая физически обоснованная модель как концепция, позволяющая предсказывать поведение веществ в почве на основе законов их перемещения.

2.1. Перенос воды. Насыщенные и ненасыщенные условия. Механизмы переноса воды в ненасыщенных условиях, составляющие переноса: давление влаги, влагопроводность.  Зависимость коэффициента влагопроводности от фундаментальных свойств почвы и давления почвенной влаги.

2.2. Перенос тепла. Закон Фурье. Размерности потока тепла, теплопроводности и градиента. Другие параметры теплопроводности.

2.3. Перенос солей. Конвективный и диффузионный механизмы. Закон Фика. Размерности потока солей, коэффициента диффузии, градиента концентрации.

2.4. Перенос электрических зарядов (электрический ток в почвах). Закон Ома для почв. Удельная электропроводность почв и поровых растворов. Поверхностная проводимость. Размерность удельной электропроводности.

3.1. Основная гидрофихзическая характеристика почвы (ОГХ) – основа для количественной оценки переноса. 2 модели ОГХ - капиллярная и осмотическая. Расклинивающее давление. Условия применения указанных моделей. Изменение ОГХ при различных почвенных процессах: изменении гранулометрического состава, уплотнении, засолении, осолонцевании, изменении температуры. Описание ОГХ с помощью ряда математических уравнений (Брукса-Кори, Аверьянова, Пачепского, ван Генухтена). Методы получения ОГХ, используемые в массовых лабораториях – тензиостатический (песчано-каолиновых пластин), центрифугирования. Диапазон давления почвенной влаги, измеряемый этими методами.

3.2. Функция влагопроводности (Кв). Зависимость Кв от влажности и давления влаги в почве. Основные модели Кв. Различные природные случаи изменения Кв. Аппроксимация Кв с помощью различных уравнений: степенная функция, уравнения  Гарднера и Муалема. Методы исследования  Кв (анализ стационарных и нестационарных потоков). Классификация методов нестационарного потока по его характеру на линейные и радиальные потоки.   Преимущества и недостатки этих методов. Допущения, принимаемые в этих методах. Требования, предъявляемые к пористым мембранам. Давление барботирования. Восстановление Кв из экспериментально полученной ОГХ.

3.3. Специальные случаи переноса влаги в почвах. Объяснение специальных случаев переноса с помощью ОГХ и коэффициентов  влагопроводности (примеры локального орошения, развития “языковатой” границы горизонта, влияние уплотненных зон, образованных в результате транспортных нагрузок, и  зон засоления на движение влаги).

3.4. Определение параметров аппроксимации ОГХ и функций влагопроводности. Использование стандартных программ “SIGMAPLOT” и “STATISTICA” и др.).

4.1. Диффузия. Представления о широком диапазоне коэффициентов диффузии различных ионов, атомов и молекул в газообразной, жидкой и твердой фазах. Факторы, влияющие на диффузию ионов в почвах. Влияние влажности почвы на диффузию катионов и анионов. Оценка значимости коэффициентов диффузии для почвенных процессов.

4.2. Ионные равновесия. Термодинамическое понятие ионного равновесия. Активность. Вычисление активностей. Термодинамические уравнения для моделей реальных растворов, ионных пар. Ионный обмен в почвах с участием почвенного поглощающего комплекса. Уравнение Гапона.

4.3. Перенос ионов в почвах. Понятие о “выходной кривой”. Понятие о тактах и относительной концентрации. Общее выражение конвективно-диффузионного переноса веществ в почвах. Гидродинамическая дисперсия (D*). Механические и физико-химические процессы, влияющие на D*. Ее составляющие - молекулярная диффузия, шаг смешения, скорость потока.

5. Различные модели описания переноса ионов в почвах: а) Отрицательная адсорбция для анионов. Расчет гидродинамической дисперсии, параметра обмена между нерастворяющим объемом и проточной влагой () и относительного проводящего объема. б) Линейная равновесная сорбция. Константа селективности, “кажущаяся константа”, коэффициент распределения. Понятие о кинетических уравнениях разного порядка. в) Модель с сорбционными центрами 2-х типов. Общий вид конвективно-диффузионного уравнения. Параметры уравнения - гидродинамическая дисперсия, , соотношение центров разного типа. г) Кинетическая сорбция, как частный случай модели с сорбционными центрами 2-х типов. Параметры D*, , и коэффициент сорбции. д) Модель с застойной и проточной зонами ( из выходной кривой определяем D*, , f -поверхность твердой фазы в проточной зоне, которая может сорбировать,  и Ф - долю проточных пор).

Прямой лабораторный эксперимент на спецпрактикуме. Необходимые экспериментальные величины и расчеты.

Решение обратных задач: нахождение параметров массопереноса по “выходным кривым”. Программа CFITIM для нахождения указанных параметров по выходным кривым.

6.1. Перенос по макропорам. Специальные модели. MACRO.

6.2. Перенос нефти в почвах. Понятие о нефтеемкости. Простые балансовые уравнения.

6.3. Перенос пестицидов в почвах. Использование различных моделей.

Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы. Феноменологический закон массопереноса в почвах и основные типы расчета массопереноса в почвах. Составляющие влагопереноса  в ненасыщенных условиях. Уравнение влагопереноса.  Молекулярная модель ОГХ. Изменение ОГХ и Функции К(Р) при  повышении температуры почвы. Осмотическая модель ОГХ. Изменение ОГХ и функции К(Р) при засолении почв.  Изменение ОГХ и функции К(Р) при осолонцевании.  Аппроксимация ОГХ (уравнения Пачепского, ван Генухтена и др.)  Аппроксимация Кв с помощью различных уравнений. Влияние уплотненных зон на движение почвенной влаги.   Влияние зон  засоления  на движение влаги.   “Парадоксы” переноса влаги в почвах на примере локального орошения.  Специфика  формирования языковатой границы почвенных горизонтов.  Особенности влагопереноса по макропорам.  Теоретические предпосылки и сущность методов определения ОГХ (тензиостатического и центрифугирования). Определение функции Кв (Р) методами  стационарного потока и нестационарного потока, преимущества и недостатки этих методов.  Взаимосвязь ОГХ с функцией влагопроводности.  Дисперсионный массоперенос в почвах. Уравнение конвективно-дисперсионного переноса. Коэффициент конвективной диффузии  и его составляющие - молекулярная диффузия, шаг смешения, внутренняя скорость потока.  Гидродинамическая дисперсия. Зависимость шага смешения, как параметра  массопереноса от гранулометрического состава почв.  Ионный обмен с участием почвенно-поглощающего комплекса. Уравнение    Гапона. Коэффициент селективности. Коэффициент распределения. Понятие о выходной кривой, тактах и относительных концентрациях Основные гидрохимические характеристики (шаг смешения, объем выталкивания, коэффициент распределения)  Программа CFITIM. Задачи и обеспечение программы.

III. Распределение курса по темам

6 лекций по 2 часа.

IV. Форма итогового контроля – зачет.

V. Учебно-методическое обеспечение курса

Литература

  1. Моделирование процессов засоления и осолонцевания почв. Под редакцией Ковда В.А., Наука, 1980.
  2. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго- и массообмен в системе растение-почва-воздух. Л., Гидрометеоиздат, 1975.
  3. Пачепский Я.А. Математические модели процессов в мелиорируемых почвах. Изд-во Моск.ун-та, М., 1992.
  4. Шеин Е.В. и др. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв. Изд-во Моск.ун-та, М., 2001.

Рецензенты: доцент, к.б.н. А.Б.Умарова  (ф-т почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова),
с.н.с., к.б.н. Черноусенко Г.И. (почвенный иститут им. В.В.Докучаева)