Моделирование миграции гербицидов в почве

Миграция гербицидов в почве обусловлена сложным взаимодействием ряда переменных, таких как движение воды, распределение гербицида между почвой и почвенным раствором и разложением гербицида.
Обычно различают эмпирические (статистические, регрессионные) и полуэмпирические (имитационные, процессные) модели. В основе эмпирических моделей лежат формулы, показывающие взаимосвязь между искомым параметром (например, глубиной проникновения гербицида) и влияющими на этот показателями факторами (например, количество осадков, гранулометрический состав почвы, содержание органического углерода и др.). Примером эмпирической модели является индекс GUS, который оценивает вероятность проникновения пестицида в грунтовые воды на основании параметров его сорбции и разложения [Сметник и др., 2005]:

где Т50 - период полуразложения пестицида при 20°С. Считается, что если GUS gt; 2,8, то пестицид следует отнести к подвижным, а если менее 1,8 - к малоподвижным. Пестициды с промежуточными значениями GUS относят к среднеподвижным.
Основным недостатком эмпирических моделей, получаемых на основе регрессионного анализа, является их узость применения: их нельзя использовать в условиях, отличных от тех, в которых они были получены. Поэтому в настоящее время наиболее широкое распространение получили полуэмпирические модели, одновременно использующие при описании поведения вещества в почве как формулы, выражающие фундаментальные законы природы, так и эмпирические показатели отдельных почвенных процессов.
В основе таких моделей в большинстве случаев лежат уравнения, основанные на законе Дарси и описывающие движение воды в насыщенных влагой почвах (уравнение фильтрации) или в ненасыщенноненасыщенных условиях (уравнение Ричардса).

Одним из ключевых параметров, определяющих движение воды, является понятие напора Н - энергетической характеристики потока, определяющей направление его движения. В случае, когда система координат ориентирована вниз, напор определяется как

Где Р - давление воды в точке, где измеряется напор, р - плотность воды, g - ускорение силы тяжести, z - вертикальная координата (глубина) точки, где замеряется напор, h - давление в точке, где замеряется напор, выраженное в метрах водного столба.
При изучении движения воды в насыщенных влагой песчаных фильтрах (т.е. процесса фильтрации) Дарси обнаружил, что существует взаимосвязь между скоростью потока влаги qw (количество воды, прошедшее через колонку в единицу времени, см/сут), гидравлическим градиентом АН (разницей напоров в подающем и приемном сосудах) и длиной колонки /, описываемая уравнением:

где Кф - коэффициент фильтрации (в данном случае под фильтрацией понимается движение воды в насыщенной влагой почве). Коэффициент фильтрации является постоянной и характеристичной для данного почвенного объекта величиной и варьируется в среднем от 1-50 для глин до 300-800 см/сут для песчаных почв. В самом общем случае можно считать, что если почвенный горизонт имеет коэффициент фильтрации lt; 6 см/сут, го его можно рассматривать как водоупорный, практически непроницаемый для воды [Шеин, 2005]. В наиболее общем виде при фильтрации в вертикальном направлении закон Дарси имеет следующий вид:

где dz - расстояние, на котором происходит изменение напора, равное дН ¦ Отрицательный знак означает, что градиент движущей силы имеет направление от меньшего к большему, а поток движется от большего значения напора к меньшему, т.е. не совпадает с направлением градиента. Таким образом, закон Дарси гласит, что движение потока влаги в насыщенной почве пропорционально коэффициенту фильтрации и градиенту гидравлического напора.
Первоначально закон Дарси использовали для описания процесса фильтрации, когда движение воды происходит по полностью заполненно-

му водой поровому пространству. Позже установили, что он справедлив и для неполностью насыщенных водой сред.
В случаях, когда часть порового пространства содержит газообразную фазу, использовать коэффициент фильтрации нельзя, и для описания способности почвы проводить воду необходимо применять коэффициент влагопроводности К (синоним: ненасыщенная гидравлическая проводимость). В отличие от коэффициента Кф коэффициент влагопроводности К не является постоянной величиной для почвы, а изменяется в зависимости от давления почвенной влаги. В насыщенной области (давление h gt; 0) коэффициент влагопроводности К равен Кф.
Движение воды в ненасыщенной (т.н. вадозной) зоне описывается уравнением Ричардса:

где в - объемная влажность почвы, h - гидравлическое давление, К- коэффициент влагопроводности почвы (гидравлическая проводимость), I - объем воды, поступающий («источник») или удаляемый из объема почвы («сток») в единицу времени.
В основе уравнений, описывающих поведение гербицидов в почве, наряду с уравнениями движения воды необходимо дополнительно использовать также уравнения, описывающие перенос растворимых веществ в почве, такие как конвективно-диффузионные явления, сорбцию- десорбцию вещества, разложение и пр. Одним из основных уравнений, описывающих конвекцию (лат. convectio - принесение, доставка - здесь: перенос движущейся средой) и диффузию (лат.

diffusio - распространение, растекание; здесь: проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового перемещения частиц вещества), является уравнение конвективно-диффузионного переноса [Шеин, 2005]:

где в- объемная влажность почвы, рь - плотность почвы, с - концентрация вещества в растворе, с$ - концентрация вещества в адсорбированной фазе, ?gt;* - коэффициент конвективной диффузии, v - скорость движения потока воды в порах, z - глубина, t - время, ±J(z,t) — свободный член, характеризующий возникновение или исчезновение вещества («источ- ник/сток»). В самом общем случае этот член включает в себя процессы разложения гербицида, его поглощение растениям и др.
При моделировании движения гербицидов в почве первоначально проводят решение уравнения движения воды в отношении интересующих переменных (например, 9) в каждый момент времени t. Так как аналити-

ческое решение такого рода уравнений затруднено, то решение проводят численными методами, т.е. используют алгоритмы поиска приближенных значений искомого решения на некоторой выбранной сетке значений аргумента. Для этого почву условно разбивают на вертикальные слои и для каждого слоя в каждый момент времени рассчитывают интересующие значения. Если рассматривают лишь одно направление движения (например, вниз по профилю), то такие модели называют одномерными. Модели, учитывающие движение в двух направлениях, называются двумерными, а в трех - трехмерными. Проведя решение задачи переноса воды в почве, далее переходят к численному решению уравнения конвективнодиффузионного переноса гербицида.
При моделировании движения гербицида (как и другого вещества) в почве необходимо, прежде всего, задать основные входные данные, включающие в себя данные по почве (ОГХ, возможные минимальные и максимальные значения влажности, гранулометрический состав, плотность, по- розность и др.), исследуемому гербициду (растворимость, Kd, Т50 и др.) и метеоусловиям (осадки, испарение и пр.) и указать расчетный период. После получения решения, или выходных данных, в качестве которых могут выступать отток с нижней границы почвы, концентрация гербицида в почве и почвенном растворе и др., следует оценить точность и адекватность модели. Решение этого вопроса можно выносить только на основании сравнения расчетных и реальных данных с использованием определенных статистических критериев. Использование моделей в научных и практических целях возможно только после проверки модели на независимом массиве динамических данных [Шеин, 2005].
В настоящее время для изучения миграции гербицидов в почве используется целый ряд моделей, среди которых можно назвать PRZM, PELMO, CALF, GLEAMS, CMLS, MACRO, PESLTA, LEACHP и др., отличающиеся по детальности описания процессов сорбции разложения гербицидов, способе описания движения воды и др. [Сметник и др., 2005]. Наряду с описанными выше подходами моделирования, сейчас проводится интенсивное усовершенствование существующих моделей за счет введения [van Genuchten, Simonek, 2004]:
многокомпонентного геохимического транспорта, транспорта коллоидов и коллоидно-облегченного транспорта, объединения поверхностного и подповерхностного моделирования, процессов преимущественного потока.
Модели многокомпонентного геохимического транспорта учитывают одновременное присутствие в почвенном растворе целого ряда веществ и их возможное взаимовлияние на судьбу и транспорт. Примерами таких моделей являются DYNAMLX, HYDROBIOGEOCHEM, UNSATCHEM-2D, FEHM, MULTIFLO, FLOTRAN.

Модели транспорта коллоидов и коллоидно-облегченного транспорта учитывают тот факт, что почвенные органические, неорганические или микробиологические коллоиды с размером частиц 0,01-10 мкм могут усиливать транспорт неподвижных вследствие сильной сорбции в почве соединений за счет того, что эти соединения адсорбируются на коллоидах и мигрируют вместе с ними. Численное описание этих процессов еще не разработано, так как такие модели должны описывать не только поведение и транспорт самих коллоидов, но также и транспорт, взаимодействие, кинетическую и мгновенную сорбцию веществ почвой и коллоидами. Ван Генухтен и Симунек в своей работе описывают модель движения коллоидов и коллоидно-облегченного транспорта, включенную ими в раннее созданную модель HYDRUS [van Genuchten, Simonek, 2004].
Достоинством моделей, объединяющих поверхностный и подповерхностный транспорт, является возможность прогнозирования транспорта веществ в условиях выраженного рельефа поверхности. В отличие от равнинного рельефа, характеризующегося преимущественным потоком воды вниз по почвенному профилю, на склонах при выпадении большого количества осадков инфильтрация поступает в почву только до насыщения в последней влажности, соответствующей полному заполнению порового пространства, после достижения которой происходит образование поверхностного стока. Подобные гидрологические особенности в значительной степени влияют на процессы миграции. К моделям, позволяющим проводить учет поверхностного стока, относятся KINEROS и HYDRUS-2D.
Наконец, особенностью моделей, описывающих преимущественные потоки, является учет в них такого важного почвенного свойства как гетерогенность. В настоящее время хорошо известно, что в оструктурен- ных почвах движение потоков воды происходит преимущественно по крупным межагрегатным порам, каналам, образованным корнями и дождевыми червями, а в почвах легкого гранулометрического состава - по трещинам высыхания. К моделям, в которых предпринята попытка учесть возможность преимущественного движения воды в почве, относятся HYDRUS-1D и HYDRUS-2D.

<< | >>

Источник: Куликова Наталья Александровна, Лебедева Галина Федоровна. Гербициды и экологические аспекты их применения: Учебное пособие.. 2010

Еще по теме Моделирование миграции гербицидов в почве:

- Агрохимия и агропочвоведение - Животноводство и промыслы - Защита растений - Земледелие - Овощеводство - Плодоводство - Пчеловодство - Растениеводство - Сад и огород - Селекция и семеноводство с/х культур - Сельскохозяйственные мелиорации -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -