Справочник содержит максимально сжатую сводку информации, необходимой для прикладных расчётов, полевых изысканий и исследований инфильтрации воды в почву. Описана обобщённая модель инфильтрации для теоретического анализа и расчётов на ЭЦВМ. Дана сводка основных упрощённых приёмов, применяемых для обработки экспериментальных данных и приближенных расчётов.

Рассчитана на гидротехников, мелиораторов, почвоведов, агрономов и специалистов смежных профессий.

Об инфильтрации за последние сто лет было опубликовано по крайней мере несколько тысяч научных статей. Большая часть их описывает результаты полевых и лабораторных опытов. Чтобы представить в обобщённом виде всю эту информацию, необходимо использовать язык уравнений. Поэтому в данной книге основное внимание уделено теории.

Математические модели инфильтрации известны несколько сот лет. Первоначально для обработки и обобщения результатов полевых опытов и наблюдений использовали эмпирические формулы. Почти одновременно появляются модели почвы в виде пучка призматических капилляров. Эти модели редко используют для прикладных расчётов, они обычно служат для обоснования общего вида эмпирических формул.

Развитие теории фильтрации жидкости в полностью насыщенной пористой среде вызывает появление и широкое распространение схемы капиллярных колонн. Основная идея её — схематизация процесса, как взаимодействия двух зон. В первой зоне пористая среда с теми или иными поправками принята полностью насыщенной; во всяком случае влажность здесь не меняется во времени, хотя жидкость находится в движении. Во второй зоне течения вообще нет (сухой грунт). Капиллярные силы действуют только на границе этих зон. Таким образом, задача сводится к расчёту фильтрации в первой зоне; на границе её действует некоторый капиллярный напор.

Схема капиллярных колонн позволила получить ряд очень простых и удобных для практического применения алгебраических формул как для одномерных, так и для многомерных задач. Последние особенно интересны в механике вытеснения газа и нефти водой при законтурном и внутриконтурном обводнении; здесь часто возникает неустойчивость границы раздела. Почвенно-гидрологические исследования с использованием этой модели обобщены в опубликованной более 20 лет назад монографии А. И. Будаговского (Будаговский, 1955).

Инфильтрация — один из процессов переноса энергии и массы в пористой среде, заполненной различными веществами, которые могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии.

Модели, использующие аппарат термодинамики и математической физики, которые могли стать основой для создания общей теории инфильтрации, известны давно. Но по разным причинам они долгое время не применялись.

С появлением ЭВМ положение существенно изменилось. С каждым годом становилось возможным использовать для прикладных расчётов всё более сложные модели. Сразу же возникли две основные задачи:
выполнить исследования, показывающие соотношение между приближёнными моделями и общей теорией энергомассопереноса;
разработать алгоритмы и программы для прикладных расчётов.

Первая задача изучалась австралийскими, английскими и американскими исследователями. Была разработана квазианалитическая техника приближённого решения простейших уравнений влагопереноса в почве. Хотя более простых аналитических решений получить не удалось, было показано, что формулы, полученные на основе почти всех упрощённых моделей, можно вывести из общей теории. С другой стороны, сравнение расчётов на ЭВМ с упрощёнными моделями и опытами показало, что во многих случаях общая теория даёт несколько лучшие результаты. Работы этого направления до сих пор не завершены, пока не удаётся выработать достаточно общую технику получения аналитических результатов, дающую эффективную оценку отклонения приближённых решений от точных.

Решение второй задачи — разработать алгоритмы и программы для прикладных расчётов — было начато в СССР ещё в начале пятидесятых годов с помощью ЭВМ и гидравлического интегратора Лукьянова. Хотя уже в то время применение ЭЦВМ казалось значительно более перспективным, быстродействие их было недостаточным даже для решения одномерных задач. Только с появлением ЭВМ третьего поколения (ЕС-1050, ЕС-1060) массовые прикладные расчёты одномерных нестационарных задач стали вполне экономичными. К этому времени разработка алгоритмов и программ для подобного рода прикладных расчётов начала широко проводиться в СССР и США. Создание систем ЭВМ быстродействием до 10⁹ операций в секунду сделает экономически эффективным также расчёт плоских и трёхмерных задач.

Большие надежды, которые возникли при появлении первых ЭВМ, пока оправдались далеко не полностью. Несмотря на то что решение многих инженерных задач гораздо удобнее проводить на ЭВМ, общение человека с вычислительной машиной пока очень затруднено. Фактически ЭВМ применяют только тогда, когда решение задачи вручную абсолютно невозможно или когда одни и те же вычисления приходится проводить очень много раз. В остальных случаях по-прежнему используют алгебраические формулы и упрощённые методы расчёта. Это отчасти связано с тем, что исходные данные имеют очень низкую точность. Кроме того, часто нужно получить не точную цифру, а некоторую прикидочную величину.

Применение заведомо упрощённых методов расчёта стимулируется также почти полным отсутствием точных и систематизированных данных о физических свойствах почвогрунтов. Существующие в настоящее время методы позволяют получать только очень приближённую и недостаточно полную картину для некоторых небольших участков.

Таким образом, современное состояние поисковых и прикладных исследований и расчётов инфильтрации воды в почву характеризуется мирным сосуществованием общей теории, упрощённых моделей и полуэмпирического анализа экспериментальных данных. Выбирая способ расчёта для конкретного объекта, необходимо принимать во внимание: качество исходных данных; необходимую для решения данной задачи точность расчёта; количество расчётов, которые необходимо провести; реально осуществимый объём лабораторных и полевых экспериментов, которые можно поставить для решения данной конкретной задачи.

Чем выше точность исходных данных, ответственней расчёт, чем больше количество расчётов, чем больше возможность для постановки опытов, тем большие преимущества имеет расчёт, опирающийся на общую теорию и ЭВМ. Для единичных, прикидочных расчётов, проводимых по исходным данным низкого качества, когда расчётчик не имеет возможности определить даже свойства почвы, лучше всего применять максимально упрощённые модели.

Структура книги соответствует современному состоянию проблемы. Основное внимание уделено описанию обобщённой модели инфильтрации, которую начали использовать всего несколько лет назад. Построение её на основе принципов термодинамики необратимых процессов позволяет с самого начала ввести достаточное количество априорной информации и наиболее сжато описать множество лабораторных и полевых опытов.

Модель такого типа позволяет создать основу для изучения с единой точки зрения инфильтрации воды в мёрзлый и талый грунт. До сих пор каждая из этих задач разрабатывалась отдельно. Возможность объединить эти две сферы исследования между собой и связать их с общей термодинамической теорией движения вещества и энергии в почве весьма привлекательна.

Модель полезна также для разработки единых программ для ЭВМ, позволяющих рассчитать инфильтрацию в мёрзлый и талый грунт. Модель не требует определения никаких дополнительных физических характеристик почвы, кроме тех, методики определения которых достаточно хорошо разработаны. Это удобно для практических расчётов.

Приведённая в книге модель представляет собой самый простой из множества более полных вариантов.

В приложении собраны упрощённые формулы, которые удобны для расчёта на арифмометре, логарифмической линейке и малых ЭВМ. Все формулы, приведённые здесь, могут быть выведены из общих уравнений, описанных в начале работы, в первой её части. Они хорошо согласуются со многими лабораторными и полевыми опытами.

Автор надеется, что справочник хотя бы в некоторой степени объединит чисто теоретические разработки и более многочисленные лабораторные и полевые исследования, изыскания и расчёты.

Автор благодарен профессору Г. А. Алексееву, члену-корреспорденту ВАСХНИЛ профессору Н. И. Дружинину, кандидату технических наук И. Л. Калюжному, кандидату географических наук О. В. Попову, доктору физико-математических наук М. Г. Хубларяну, замечания которых позволили значительно улучшить книгу.

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Задачи фильтрации многофазной несжимаемой жидкости, Коновалов А. Н., 1988
2. Физика почвы, Нерпин С. В., Чудновский А. Ф., 1967
3. Изменение почвенно-мелиоративных условий Хаузханского массива в связи с развитием орошения, Реджепбаев К., Эсенов П., 1987
4. Мелиоративная гидрогеология, Кац Д. М., Шестаков В. М., 1981
5. Закономерности формирования водопотребления и водообеспеченности агроценозов в условиях юга Русской равнины, Шумова Н. А., 2010
6. Гидравлика: Основы механики жидкости. Учебное пособие для вузов, Киселёв П. Г., 1980
7. Мелиоративная оценка оросительных и дренажных вод Ташаузской области, их рациональное использование и охрана, Эсенов П., 1989
8. Гидрологический анализ и расчёты, Поляков Б. В., 1946
9. Исследование поверхностного и подземного стока, Срибный М. Ф., Курдюмов Л. Д., ред., 1967
10. Гидрохимия местного стока Европейской территории СССР (основы гидрохимического принципа картирования), Воронков П. П., 1970
11. Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология, Пиннекер Е. В., Писарский Б. И., Шварцев С. Л., Богданов Г. Я., Борисов В. Н., Караванов К. П., 1980
12. Агротехника, Мосолов В. П., 1948
13. Моделирование тепло- и влагообмена поверхности суши с атмосферой, Гусев Е. М., Насонова О. Н., 2010
14. Гидротехнические сооружения. Учеб. пособие для студ. гидротехн. спец. вузов. В 2-х ч. — 2-е изд., перераб. и доп. Ч. I. Глухие плотины, Чугаев Р. Р., 1985
15. Агрономия, Муха В. Д., Картамышев Н. И., Кочетов И. С., Муха Д. В., Привало О. Е., Шмат З. М., 2001
16. Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв, Кудеяров В. Н., ред., 2006
17. Грунтоведение, основания и фундаменты, Рубинштейн А. Л., 1961
18. Экология сосновых лесов на осушенных болотах, Бабиков Б. В., 2004
19. Гидрогеологические прогнозы в системе мониторинга подземных вод, Семенов С. М., 2005
20. Регуляторная роль почвы в функционировании таёжных экосистем, Добровольский Г. В., ред., 2002
21. Математическое моделирование техногенного загрязнения в криолитозоне, Пермяков П. П., Аммосов А. П., 2003
22. Численное решение задач гидромеханики, Рихтмайер Р., ред., 1977
23. Избранные работы. Речная гидравлика. Теория фильтрации. Аэродинамика и газовая динамика. Горное дело. Теория пластичности. Энергетика, Христианович С. А., 1998
24. Нелокальные математические модели переноса в водоносных системах, Сербина Л. И., 2007
25. Томография нефтенасыщенных пористых сред, Хавкин А. Я., Чернышев Г. И., 2005
26. Химическая термодинамика к курсу общей химии, Зайцев О. С., 1973
27. Химическая термодинамика. — 3-е изд., перераб. и доп., Карапетьянц М. X., 1975
28. Термодинамика, Кубо Р., 1970
29. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур, Пригожин И., Кондепуди Д., 2002
30. Основы химической термодинамики. Учебное пособие для университетов. — 2-е, изд., перераб. и доп., Еремин Е. Н., 1978
31. Термодинамика необратимых процессов, 1962
32. Питание растений и удобрение агроэкосистем в условиях ополий Центральной России, Никитишен В. И., 2012
33. Экология почв. Учение об экологических функциях почв: учебник, Добровольский Г. В., Никитин Е. Д., 2006
34. Геостатистика и география почв, Красильников П. В., ред., 2007
35. Повышение плодородия кислых почв. — 2-е изд., испр. и доп., Авдонин Н. С., 1969
36. География почв с основами почвоведения: Учебник, Геннадиев А. Н., Глазовская М. А., 2005
37. Морфология почв: Учебник для высшей школы, Розанов Б. Г., 2004
38. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере, Алоян А. Е., 2008