Akademia Rolnicza w Lublinie Wydział Rolniczy Bogusław Usowicz Modelowe badania wpływu wilgotności gleby na kształtowanie się temperatury w profilu glebowym



Pobieranie 291.83 Kb.
Strona1/9
Data07.05.2016
Rozmiar291.83 Kb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


Akademia Rolnicza w Lublinie

Wydział Rolniczy
Bogusław Usowicz

Modelowe badania wpływu wilgotności gleby

na kształtowanie się temperatury w profilu glebowym

Praca doktorska

(wersja elektroniczna)


Promotor: Prof. dr hab. Ryszard Walczak
Praca wykonana w Instytucie Agrofizyki

Polskiej Akademii Nauk w Lublinie

Lublin 1991

Promotorowi pracy

Prof. dr hab. Ryszardowi Walczakowi

d z i ę k u j ę serdecznie

za całokształt opieki naukowej

oraz za stworzenie sprzyjającego

klimatu dla wykonania

niniejszej pracy


1. WSTĘP 4

2. FIZYCZNE ASPEKTY PRZEPŁYWU CIEPŁA W GLEBIE 7

2.1. Bilans cieplny powierzchni czynnej 8

2.2. Równanie przepływu ciepła w glebie 9

2.2.1. Warunki brzegowe 11

2.2.2. Matematyczne modele przepływu ciepła w glebie 12

2.3. Cieplne właściwości gleby i ich zależność od wilgotności 14

2.3.1. Pojemność cieplna gleby 15

2.3.2. Przewodnictwo cieplne gleby 17

2.3.3. Dyfuzja cieplna w glebie 20

2.4. Cel pracy 21

3. MODELOWE BADANIA CIEPLNYCH WŁAŚCIWOŚCI GLEBY O ZRÓŻNICOWANYM UWILGOTNIENIU 22

3.1. Statystyczno–fizyczny model przewodnictwa cieplnego gleby 23

3.2. Identyfikacja i weryfikacja modelu statystyczno–fizycznego 27

3.3. Charakterystyki cieplne badanej gleby w funkcji wilgotności 33

4. MODELOWE BADANIA DYNAMIKI POLA TEMPERATUROWEGO W GLEBIE 39

4.1. Doświadczenie polowe 39

4.2. System pomiarowy 41

4.2.1. Podsystem termometrów powietrznych 43

4.2.2. Podsystem termometrów glebowych. 46

4.3. Wstępna redukcja danych 50

4.4. Analiza statystyczna wybranych pól temperaturowych gleby 50

4.5. Przewidywanie temperatury w profilu glebowym za pomocą modelowania przepływu ciepła w glebie 53

5. PODSUMOWANIE 58

6. WNIOSKI 60

7. SPIS LITERATURY 61


1.WSTĘP


Temperatura gleby i jej fluktuacje – obok innych wielkości fizycznych gleby –jest czynnikiem determinującym przebieg procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych w glebie. Znajomość i możliwość przewidywania temperatury gleby w dowolnym punkcie przestrzeni i czasie, poszukiwanie i analiza przyczyn kształtujących dane pole temperaturowe jak i poznanie czynników i ich wpływu na te pole jest podstawowym i najważniejszym zadaniem, które należałoby rozwiązać. Złożoność mechanizmów wiązania wody z cząsteczkami stałymi, charakter sił, charakter przepływu wody w glebie, jej forma i właściwości są zupełnie odmienne przy małej i dużej zawartości wody. Te czynniki decydują o tym, że wilgotność gleby ma zasadniczy wpływ na jej cieplne właściwości. Znajomość temperatury gleby w czasie i przestrzeni jak i jej cieplnych właściwości daje podstawowe informacje o zjawiskach fizycznych dotyczących przekazywania i akumulowania się ciepła w glebie. Badanie różnych czynników wpływających na przepływ ciepła w glebie powinno umożliwić opracowanie modelu, który pozwalałby na prognozowanie warunków termicznych w glebie. Pod pojęciem modelu rozumiemy zespół założeń upraszczających opis danego obiektu fizycznego, procesu lub zjawiska, ujmującego najważniejsze własności obiektu badań i przedstawiający go w ten sposób, że pewien obiekt, proces lub zjawisko, które na ogół w rzeczywistości nie istnieje, ma cechy dostatecznie zbliżone do rzeczywistego obiektu badań (Słownik fizyczny, 1984). Aby jednak model mógł być użyteczny, powinien mieć on sens fizyczny i być określany przez możliwie niewielką liczbę parametrów. Ogólnie przyjęte i wykorzystywane są modele matematyczne do opisu zjawisk fizycznych zachodzących w systemie atmosfera–roślina–gleba.

Modele oparte na prawach fizyki, które pozwalają na obliczanie wartości badanej wielkości są modelami deterministycznymi. Dla zjawisk zależnych od czasu, w którym występuje wiele nieznanych czynników trudno jest znaleźć model deterministyczny.

Modele zwane probabilistycznymi lub stochastycznymi pozwalają obliczyć prawdopodobieństwo tego, że wyliczana wartość zawarta będzie w określonych granicach. W określeniu modeli stochastycznych obowiązuje zasada oszczędności (Box, Jenkins 1983) zgodnie, z którą dążymy do adekwatnej reprezentacji badanego procesu za pomocą możliwie najmniejszej liczby parametrów.

Dobór modeli zarówno deterministycznych jak i stochastycznych z minimalną liczbą parametrów ma na celu:



  • dostarczenie informacji o zmianach temperatury gleby w czasie i przestrzeni,

  • otrzymanie optymalnych prognoz przyszłych wartości temperatury gleby,

  • opisanie związków dynamicznych pomiędzy przebiegami temperatury gleby a tym samym identyfikacja matematycznego modelu glebowego opartego o równanie przewodnictwa cieplnego lub zależności statystyczne,

  • znalezienie optymalnego sterowania np. regulowania wilgotnością gleby pod kątem kształtowania jej cieplnych charakterystyk dla danych warunków meteorologicznych.

Badanie kompleksu zagadnień dotyczącego przekazywania i akumulacji ciepła w glebie oraz cieplnych właściwości gleby nastręcza wiele trudności. Największe trudności występują przy wyznaczaniu cieplnych właściwości gleby w zależności od wilgotności, a szczególnie współczynnika przewodnictwa cieplnego. Niniejsza praca przedstawia podejście, które pozwala na zminimalizowanie trudności w rozwiązywaniu powyższych zagadnień.

* * *


PRZEGLĄD LITERATURY

2.FIZYCZNE ASPEKTY PRZEPŁYWU CIEPŁA W GLEBIE


Podstawowe procesy wymiany masy i energii zachodzące w systemie gleba–roślina–atmosfera determinują wzrost i rozwój roślin w zależności od elementów meteorologicznych. Fizyczne charakterystyki bezpośrednio kształtujące właściwości wodne, tj. rozkład porów i powierzchnia właściwa (Walczak 1977, 1984, Dobrzański i Witkowska–Walczak 1984), decydują również o przebiegu procesów przenoszenia i akumulacji ciepła oraz dyfuzji gazów. Współczynniki charakteryzujące procesy wodne, termiczne i gazowe są zależne głównie od wilgotności oraz temperatury gleby (Philip, de Vries 1957, de Vries 1958,1987, Rose 1968). Zawartość wody w glebie i jej dyfuzja jest czynnikiem, który bardzo istotnie kształtuje charakterystyki cieplne gleby (Walczak 1987).

Przepływ ciepła w glebie zależy od podstawowych właściwości cieplnych gleby tj. pojemności cieplnej na jednostkę objętości oraz współczynnika przewodnictwa cieplnego. Pojemność cieplna na jednostkę objętości gleby zależy od pojemności cieplnej poszczególnych składników i równa się ich sumie. Przewodnictwo cieplne gleby nie zależy w prosty sposób od przewodnictw poszczególnych składników, jak to ma miejsce przy pojemności cieplnej, ale również zależy od rozkładu cząstek w przestrzeni (de Vries 1963). Pojemność cieplna na jednostkę objętości i przewodnictwo cieplne rośnie wraz z zawartością wody w glebie, a dyfuzja cieplna wykazuje maksimum przy określonej wilgotności rys.2.1 – wielkości te zdefiniowano w punkcie 2.3. Pojemność cieplna na jednostkę objętości praktycznie jest liniowo zależna od wilgotności objętościowej gleby. Tylko przy bardzo małych wartościach wilgotności zależność ta jest nieliniowa, związane jest to z mniejszym ciepłem właściwym wody zaadsorbowanej na powierzchni cząstki stałej. Przewodnictwo cieplne w początkowym zakresie wilgotności wzrasta nieznacznie. Woda, która została wprowadzona do suchej gleby absorbuje się na powierzchni cząstek mineralnych. Wzrost wilgotności powoduje tworzenie się manszetek wodnych, przez co powstają tzw. mosty cieplne, powodujące intensywny wzrost przewodnictwa cieplnego. Przyrost ten obserwowany jest do pełnej kapilarnej pojemności wodnej. Dalszy wzrost wilgotności powoduje coraz mniejsze przyrosty przewodnictwa cieplnego.





Rys. 2.1. Zależność pojemności cieplnej na jednostkę objętości, przewodnictwa cieplnego i dyfuzji cieplnej od zawartości wody (Koorevaar et al 1983).

Dyfuzja cieplna będąca ilorazem przewodnictwa cieplnego i pojemności cieplnej na jednostkę objętości wykazuje ekstremum przy charakterystycznej dla danej gleby wilgotności. Dyfuzja cieplna mówi nam o tzw. prędkości rozchodzenia się fali temperaturowej, a zatem mówi o szybkości "ogrzewania lub oziębiania" się gleby przy zmiennych warunkach zewnętrznych.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna