Экология/2 Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон

Д.б.н. Гусев Е.М., к.г.-м.н. Кочарян А.Г., Суворов П.C.

Учреждение Российской академии наук Институт водных проблем РАН, Москва, Россия

Методика определения параметров переноса влаги и меди в почве на примере почв водосбора Иваньковского водохранилища

В системе водоснабжения г. Москвы главенствующую роль играет Иваньковское водохранилище. Экологическое состояние и качество воды Иваньковского водохранилища в значительной степени определяется состоянием и характером использования его водосборной территории, поскольку именно на ней протекают основные процессы, формирующие химический состав вод водных объектов. На водосборной площади сосредоточены различные источники загрязнения поверхностных и подземных вод: как точечные, так и распределенные по всей площади водосбора. В отличие от сосредоточенных, рассредоточенные или диффузные источники загрязняющих веществ отличаются большой динамикой функционирования и значительной нестационарностью воздействия, что создает проблемы с количественной оценкой их влияния на водный объект и трудности с их контролем. Поэтому для адекватной оценки поступления загрязненных вод в водохранилище необходимо уметь достаточно точно рассчитывать характеристики стока с водосбора и влагопереноса в почвах.

Один из наиболее перспективных методов получения такой оценки - физико-математическое моделирование процессов массообмена в почвенном профиле рассматриваемых объектов. Осуществление данного типа моделирования требует задания почвенных параметров, идентифицирующих соответствующие экосистемы, в первую очередь гидрофизических параметров почвы, используемых при описании влаго- и солеобмена в ненасыщенных средах на основе решения уравнений влаго- и солепереноса. Настоящая работа, носящая в значительной мере методический характер посвящена экспериментальному определению параметров переноса воды и тяжелых металлов (на примере меди) для пахотной территории водосбора Иваньковского водохранилища.

Приведем основные уравнения влаго- и солеобмена, которые служат основой расчета интенсивности протекания указанных процессов и для которых необходимо определить соответствующие параметры. К ним относятся известное уравнение влагопереноса (в отсутствии растительного покрова)

, (1)

где q - влажность почвы, q – вертикальный поток воды в почве, t – время, z – вертикальная координата (при положительном направлении оси z вверх);

уравнение, определяющее поток воды в почве

, (2)

, . (3)

где K и h –коэффициент влагопроводности почвы и капиллярно – сорбционный потенциал почвы, соответственно;

уравнения переноса меди и ее взаимодействия с почвой

, (4)

, (5)

, (6)

. (7)

где уравнение (4) описывает перенос меди, подаваемой сверху в виде соли Cu(NO₃)₂ (такую часть меди будем называть активной и обозначать индексом 1, а также ее взаимодействие с почвенно – поглощающим комплексом (ППК) и почвенным раствором (ПР), уравнение (5) – изотерму равновесия катиона меди формы 1 между ПР и ППК, уравнение (6) – перенос меди, появившейся в виде продуктов реакции меди с органическими (прежде всего с фульвокислотами) и другими соединениями ПР (такую часть меди будем обозначать индексом 2), уравнение (7) – изотерму равновесия соединений меди формы 2 между ПР и ППК.

В уравнениях (4) – (7) с₁ и с₂ обозначают концентрации меди в ПР, существующей в форме 1 и 2, соответственно; s₁ и s₂ – концентрации меди в ППК в формах 1 и 2, соответственно; m₁ – константа реакции, определяющая переход меди из формы 1 в форму 2; D₁ @ D₂ = D – коэффициент дисперсии рассматриваемых веществ в ПР; k₁, k₂, b₁, b₂, h₁, h₂ – эмпирические константы в уравнения равновесия (5) и (7).

В данной работе мы рассмотрим методы и результаты определения констант только в гумусовом слое (горизонте А) рассматриваемого участка водосбора. В этом слое почва содержит органические вещества и в ПР имеются фульвокислоты, гуминовые кислоты, аминокислоты, сахара и т.д., которые в процессе прохождения через почву меди в форме 1 дают возможность появиться в ПР меди в форме 2.

На выбранном участке водосбора Иваньковского водохранилища вблизи г. Конаково был отобран из горизонта А ряд почвенных монолитов высотой 5 см с ненарушенной структурой для получения в лабораторных условиях характеристик и , определяющих влагообмен в почве, а также монолитов высотой 10 см, давших возможность так же в лабораторных условиях определить гидрохимические характеристики m₁, D, k₁, k₂, b₁, b₂, h₁, h₂.

В гидрофизике почв на основе теоретических и экспериментальных исследований указанных характеристик для различных как по генетическому признаку, так и механическому составу типов почв разработан ряд параметризаций функций h(q) и K(q), т.е. получены обобщенные математические формулировки связи h и K с q, использующие ряд параметров, идентифицирующих конкретную почву. В настоящее время наиболее удачной, достаточно универсальной и очень часто используемой при решении агрофизических, гидрологических, климатических и экологических задач является параметризация ван Генюхтена-Муаллема зависимостей h(q) и K(q) [3]. В этом случае связи h(q) и K(q) выглядят следующим образом:

, (8)

, (9)

где q_r, q_s, a, n и L – параметры связей h(q) и K(q) (для краткости - параметры ван Генюхтена), идентифицирующие конкретную почву (значение L обычно принимается равным 0.5) и зависящие в основном от ее механического состава, содержания в ней органического вещества и некоторых других показателей, K₀ - коэффициент фильтрации почвы (коэффициент влагопроводности при полном насыщении почвы).

В данной работе зависимость капиллярного потенциала почвы от ее влажности для каждого из отобранных образцов была определена в Институте гидрологии Словацкой академии наук (ИГ САН) на основе метода мембранного пресса [1]. Полученная для каждого образца зависимость h(q) была аппроксимирована уравнением (1). Таким образом, для каждого образца были определены параметры q_r, q_s, a, n.

Значения коэффициентов фильтрации K₀ почвенных образцов были получены также в Институте гидрологии (ИГ) Словацкой академии наук на капилляриметре методом падающего давления [1]. Полученные значения q_r, q_s, a, n и K₀ дают возможность на основе (8) и (9) рассчитать зависимость K(q). На рис.1 приведены примеры полученных характеристик h и K для одного из исследованных образцов.

Поскольку гидрофизические характеристики почвы имеют достаточно сильную пространственную изменчивость как по горизонтали, так и по вертикали, во многом обусловленную случайной осцилляцией указанных выше факторов, определяющих значения гидрофизических свойств почвы, значения параметров q_r, q_s, a, n и K₀, полученные для образцов почв каждой экосистемы,

Рис. 1. Пример зависимостей капиллярно-сорбционного потенциала h и коэффициента влагопроводности почвы K от ее влажности q, полученные для одного из почвенных образцов. 1-данные экспериментальных исследований, 2-аппроксимация h(q) и K(q) зависимостями Ван Генюхтена-Муаллема.

Таблица 1. Параметры ван Генюхтена, коэффициенты фильтрации почвы в районе агроэкосистемы водосбора Иваньковского водохранилища и их среднеквадратические погрешности, полученные при определении указанных характеристик.

qs, см^3 см^-3	qr, см^3 см^-3	a, см^-1	n	K0 см сут^-1
0.41 ± 0.02	0.033 ± 0.008	0.014 ± 0.004	1.58 ± 0.08	80 exp(±0.67)

были осреднены для получения более устойчивых их значений, характеризующих выбранный участок почвы (табл.1.)

Полученные данные дают возможность на основе уравнений (1) и (2) рассчитывать водный режим почв сельскохозяйственных экосистем Иваньковского водохранилища.

Перейдем к определению гидрохимических характеристик почвы, определяющих перенос и трансформацию меди в почвенном горизонте А. Метод, который дает возможность определить эти параметры, основан на

решении с помощью компьютерного комплекса HYDRUS [2] обратной задачи переноса и трансформации меди следующими параметрами m₁, D, k₁, k₂, b₁, b₂, h₁, h₂ для горизонта А почвенного профиля. Для этого используются уравнения (1)–(7), начальные и граничные условия для переноса воды и соответствующих форм меди и полученная экспериментально либо информации о динамике концентраций форм меди в ПР, либо информация о динамике нижнего граничного условия в задаче о переносе меди, также полученная из опытных данных. В настоящей работе был использован 2-ой вариант.

Суть его заключалась в следующем. Была поставлена серия опытов с почвенными монолитами, через которые сверху пропускался раствор Cu(NO₃)₂ с постоянной скоростью q, определяюшейся коэффициентом фильтрации почвы (и поэтому разной в разных опытах) и с постоянной во времени концентрацией меди (также задаваемой различной в разных опытах). На нижней границе определялась динамика концентраций с₁ и с₂. Именно эта информация и служила основой решения обратной задачи, т.е. расчетов параметров m₁, D, k₁, k₂, b₁, b₂, h₁, h₂.

При описанной постановке опытов начальные условия для задачи трансформации меди записывались как

c₁(z) = 0, c₂(z)=0 , (10)

верхние граничное условие как

(с₁q)₀ = const1, (с₂q)₀ = const2, (11)

нижние граничные условия как

, , (12)

(здесь H - толщина монолита).

Значения const1 и const2 определяются степенью диссоциации молекул Cu(NO₃)₂ в начальном растворе.

Ряды измеренных на нижней границе монолита (– H) значений c₁(t) и c₂(t), как было отмечено выше, служили информацией для решения обратной задачи в программе HYDRUS при определении гидрохимических параметров.

Что касается влагопереноса, то, поскольку монолит постоянно находился в насыщенном состоянии, верхнее и нижние условия в задаче влагопереноса записывались как

q₀ = q_H = const3=q, (13)

Отметим, что при определении гидрохимических параметров принималось приближение в силу чего необходимо было определить только параметры m₁, D, k₁, и k₂.

Остановимся на полученных результатах. На рис. 2 приведены результаты опыта использованного для определения указанных выше параметров.

При этом оптимальные значения гидрохимических параметров почвы оказались равными соответственно: m₁ = 0.036 мин^-1, D = 40 см²/мин , k₁ = 0.76 см³/г и k₂ = 1.0 см³/г.

Следующие три аналогичных опыта фильтрации раствора Cu(NO₃)₂ в почвенных монолитах служили проверкой того, насколько хорошо при полученных значениях m₁, D, k₁, и k₂ воспроизводится динамика значений концентраций с₁ и с₂ на выходе из монолитов при других начальных концентрациях Cu(NO₃)₂ и других скоростях фильтрации. На рис. 3 и 4 приведены результаты сопоставления рассчитанных и измеренных значений выходных значений с₁ и с₂. Данное сопоставление показало, что при полученных гидрохимических характеристиках почвы горизонта А различие между измеренными и рассчитанными концентрациями на выходе меди в формах 2 и 1 находятся в пределах точности экспериментальных измерений.

Выводы.

Разработана методика, позволяющая при различных параметрах почвы и различных химических характеристиках входного раствора рассчитать скорость выноса и трансформацию различных соединений элементов из гумусового

Рис. 2. Динамика концентрации меди в ПР на выходе из монолита в опыте 1, который послужил основой для определения гидрохимических параметров почвы в отношении переноса и трансформации соединений меди в почвенном горизонте А. Начальная концентрация меди в ПР – 110 мг/л.

Рис. 3. Результаты проверочных опытов по исследованию динамики концентрации меди в ПР в форме 1 на выходе из почвенного монолита во время фильтрации раствора Cu(NO₃)₂.

Рис. 4. Результаты проверочных опытов по исследованию динамики концентрации меди в ПР в форме 2 на выходе из почвенного монолита во время фильтрации раствора Cu(NO₃)₂.

горизонта почвы. Методика апробирована на примере выноса и трансформации меди в почвенном горизонте А.

Литература:

1. Гусев Е.М., Штекауерова В., Стеглова К., Майерчак Ю., Кочарян А.Г., Никитская К.Е. Определение гидрофизических характеристик почв водосбора Иваньковского водохранилища // Водные ресурсы. 2008. Т.35, №3. С.348-357.

2. Simunek J., Huang K., Sejna M, Van Genuchten M.Th. The HYDRUS-ET software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat and multiple solutes in variably-saturated media. Bratislava: Institute of hydrology SAV, 1997. Version 1.1. 184 p.

3. Van Genuchten M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1980. V. 44. № 7. P. 892–898.