1. Введение 3
2. Общее представление о современных методах расчёта коэффициента температуропроводности и потока тепла в почву 5
3. Методы расчета коэффициента температуропроводности и потока тепла в почву 16
3.1. Методика восстановления потока тепла по стандартным метеорологическим
наблюдениям, принятая на сети станций УГМС РФ 16
3.2. Методика расчёта потока тепла и коэффициента температуропроводности при
произвольном размещении почвенных термометров, предложенная проф. И.Н.Русиным 19
3.3. Методика, основанная на использовании конечно-разностного аналога, описанная в
работах Архангельской Т.А 22
4. Основные приборы и источники получения данных, для проведения исследований 24
4.1. Почвенные термометры Савинова 24
4.2. Автоматический мобильный полевой агрометеорологический комплекс (АМПАК) 25
4.3. Сайты с массивами данных 26
5. Исследование теплофизических свойств почвы, на основе проведенных экспериментов28
5.1. Эксперимент на примитивных почвах скалистого берега о-ва Валаам 28
5.2. Эксперимент на сухом и влажном песке 33
5.3. Эксперименты, проведённые на опытной станции пос.Меньково за теплый период
2019 года 38
5.4 Эксперимент, проведённый на сельскохозяйственном поле, о-ва Валаам 43
б. Заключение 48
Список литературы 50
Приложение А 53
Актуальность темы исследования. Коэффициент температуропроводности почвы численно равен отношению теплопроводности к теплоёмкости при постоянном объеме. Как и поток тепла в почву, его определяют ежедневно на сети станций Управления Гидрометеорологической службой Российской Федерации. Указанные характеристики используются в определении энергетического баланса земной поверхности, что в свою очередь позволяет получить данные о микроклимате местности. Помимо этого, использование тепловых потоков и коэффициента температуропроводности, широко распространено в агрометеорологии и агрофизике, для расчёта суммарного испарения, водопотребления растений, а также прогнозирования начала посевных работ. Однако стандартная методика в данный момент времени устаревает, и применима только для определённого типа почвенных термометров, с очень долгой периодичностью наблюдений. Её использование, при измеренных данных современным метеорологическим оборудованием, не возможно, и перед исследователями часто встаёт вопрос о расчёте коэффициента температуропроводности и потока тепла в почву, на основе наблюдений по почвенным логгерам, самописцам и др.
Объектом исследования в магистерской диссертации является поверхностный почвенный слой (0-15 см), с различным содержанием почвенной влаги. Предметом исследования является моделирование и расчёт теплового потока и коэффициента температуропроводности при различном содержании почвенной влаги.
В качестве основных методов исследования в работе были выбраны: а) метод определения коэффициента температуропроводности и потока тепла при произвольном размещении почвенных термометров; б) метод определения коэффициента температуропроводности при помощи конечно - разностного аналога; в) метод расчёта энергетических потоков в системе поверхность почвы - атмосфера; г) статистический анализ точности математических моделей.
Целью данной работы, было исследование влияния различных зависимостей на теплофизические свойства почв, такие как поток тепла и коэффициент температуропроводности. В ходе данной работы, были поставлены следующие задачи:
1. Поиск и определение универсальной и доступной при измерениях в
реальном времени методики расчета коэффициента температуропроводности и потока тепла в почву.
2. Апробация на реальных данных выбранной методики расчета указанных параметров, для выявления и устранения её недостатков.
3. Постановка нескольких агрометеорологических экспериментов, для определения факторов, влияющих на теплофизические свойства почв.
4. Нахождение зависимостей влияния почвенной влаги на энергетические потоки.
Научная новизна. В процессе исследования теплофизических свойств почвы, на основе современных метеорологических наблюдений, были получены следующие результаты:
1. Апробирована предложенная методика определения коэффициента температуропроводности и потока тепла в почву при произвольном размещении почвенных термометров, на основе данных экспериментов, проведенных различными приборами.
2. Сформировано предложение по улучшению данной методики, которое так же было опробовано в процессе исследовательской работы.
3. Обнаружен суточный ход коэффициента температуропроводности и исследован поток тепла в почвы различного состава.
4. Выявлено и исследовано влияние содержания почвенной влаги на коэффициент температуропроводности и поток тепла в почву.
Все используемые в работе данные, были получены мною в ходе нескольких исследовательских практик, а также из сертифицированной базы данных АМПАК, Агрофизического научно-исследовательского института.
В данной работе было проведено исследование теплофизических свойств почвы, ключевыми параметрами которой, выбраны коэффициент температуропроводности и поток тепла в почву. За основу расчёта, взяты данные полученные современными метеорологическими приборами и различными датчиками. Для достижения цели, мною была собрана литература по данной тематике за последние 20 лет, и классифицированы описываемые в ней методики. Проведено несколько численных и агрометеорологических экспериментов для апробации метода и нахождения влияния различных зависимостей на тепловые свойства почв.
Поставленные задачи были выполнены в полном объёме. Была найдена и опробована универсальная и доступная при измерениях в реальном времени методика расчета коэффициента температуропроводности и потока тепла в почву. Были найдены её недостатки и предложены пути их решения. Проведены несколько агрометеорологических экспериментов, для определения факторов, влияющих на теплофизические свойства почв. Найдены некоторые зависимости влияния почвенной влаги на энергетические потоки.
В ходе работы, были сделаны некоторые выводы. Первый из которых, касается используемого метода расчёта. Определено, что данная методика позволяет получать значения коэффициента температуропроводности и поток тепла в почву, в режиме реального времени. Это важный результат, т.к. большинство используемых методов, описанных в первой главе, не могут получать такие значения. Помимо этого, методика позволяет в разных экспериментальных условиях получить значения исследуемых величин, проверенные, где была такая возможность, другими методами. Вторым важным выводом работы, является то, что в ходе расчётов был выявлен явный суточный ход коэффициента температуропроводности. Во многих работах, его принято считать постоянной характеристикой, не меняющейся в течение дня. Помимо этого, сделаны выводы о влиянии содержания почвенной влаги на значения коэффициента температуропроводности и поток тепла в почву.
Проведенное исследование является перспективным. Полученные выводы, на основании метеорологических наблюдений в дальнейшем могут помочь при написании агрометеорологических научных работ. На основании проведенных исследований, было опубликовано две статьи, индексируемые РИНЦ и ВАК. Помимо этого, все работы на исследовательской площадке « пос. Меньково», проводились в рамках государственного задания Агрофизического института на тему «Методология и выбор алгоритмов расчета комплексных показателей почвенно-биологических и энергетических процессов в системе почва растение приземный слой атмосферы (ПР А)».
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
