Дистанционные курсы в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова
Регистрация Главная Контакты О Центре дистанционного образования МГУ им. М. В. Ломоносова МГУ им. М. В. Ломоносва Научный парк МГУ

Закономерности массопереноса в почвах и сопредельных средах

Описание

Цель курса: ознакомление слушателей с закономерностями массопереноса в почвах для решения прикладных задач (ландшафтный дизайн, расчет мелиоративных систем, озеленение, создание почвенных конструкций и др.).

Задачи курса: знакомство с феноменологическим законом переноса и основными типами расчета массопереноса; изучение основных гидрофизических функций, как основы для количественной оценки переноса, знакомство с закономерностями движения растворенных веществ в почвах, специальными случаями переноса веществ в экосистеме и почвах.

Требования к уровню освоения курса: При успешном освоении материала слушатели приобретают навыки теоретического анализа полученных закономерностей.

Разделы курса «Почвенно-экологические основы ландшафтного дизайна», «Ландшафтная архитектура», «Биологические основы ландшафтного дизайна».

Темы  Введение; Феноменологический закон переноса. Основные типы расчета массопереноса; Основные гидрофизические функции - основа для количественной оценки переноса; Движение растворенных веществ в почвах; Перенос веществ в экосистеме; Специальные случаи переноса веществ в почвах.

Темы и краткое содержание

Раздел Введение

Изучение переноса воды и веществ в почвах – основа для оценки и прогноза переноса различных веществ в ландшафте. Экологическая оценка роли почвы в биосфере. Связь основных функций почв (транспортной, охраны биологического благополучия атмосферы – очищающей, аqумулирующей с процессами массопереноса). Общие законы переноса и специфические особенности, свойственные почве. Математическая физически обоснованная модель как концепция, позволяющая предсказывать поведение веществ в почве на основе законов их перемещения.

Раздел Феноменологический закон переноса. Основные типы расчета массопереноса

Перенос воды. Насыщенные и ненасыщенные условия. Составляющие переноса: давление влаги, влагопроводность. Зависимость коэффициента фильтрации от фундаментальных свойств почвы и ряда других факторов. Различные природные случаи изменения коэффициента фильтрации. Механизмы переноса воды в ненасыщенных условиях. Зависимость коэффициента влагопроводности от фундаментальных свойств почвы и давления почвенной влаги.

Перенос тепла. Закон Фурье. Размерности потока тепла, теплопроводности и градиента. Другие параметры теплопроводности.

Перенос солей. Конвективный и диффузионный механизмы. Закон Фика. Размерности потока солей, коэффициента диффузии, градиента концентрации.

Перенос электрических зарядов (электрический ток в почвах). Закон Ома для почв. Удельная электропроводность почв и поровых растворов. Поверхностная проводимость. Размерность удельной электропроводности.

Раздел Основные гидрофизические функции - основа для количественной оценки переноса

Основная гидрофизическая характеристика почвы (ОГХ) – основа для количественной оценки переноса. 2 модели ОГХ - капиллярная и осмотическая. Расклинивающее давление. Условия применения указанных моделей. Изменение ОГХ при различных почвенных процессах: изменении гранулометрического состава, уплотнении, засолении, осолонцевании, изменении температуры. Описание ОГХ с помощью ряда математических уравнений (Брукса-Кори, Аверьянова, Пачепского, ван Генухтена). Методы получения ОГХ, используемые в массовых лабораториях – тензиостатический (песчано-каолиновых пластин), центрифугирования. Диапазон давления почвенной влаги, измеряемый этими методами.

Функция влагопроводности (Кв). Зависимость Кв от влажности и давления влаги в почве. Также как как и ОГХ- две основные модели. Различные природные случаи изменения Кв. Аппроксимация Кв с помощью различных уравнений: степенная функция, уравнения Гарднера и Муалема. Методы исследования Кв (анализ стационарных и нестационарных потоков). Классификация методов нестационарного потока по его характеру на линейные и радиальные потоки. Преимущества и недостатки этих методов. Допущения, принимаемые в этих методах. Требования, предъявляемые к пористым мембранам. Давление барботирования. Восстановление Кв из экспериментально полученной ОГХ.

Специальные случаи переноса влаги в почвах. Объяснение специальных случаев переноса с помощью ОГХ и коэффициентов влагопроводности (примеры локального орошения, развития “языковатой” границы горизонта, влияние уплотненных зон, образованных в результате транспортных нагрузок, и зон засоления на движение влаги).

Определение параметров аппроксимации ОГХ и функций влагопроводности . Использование стандартных программ “ SIGMAPLOT ” и “ STATISTICA ” и др.)

Раздел Движение растворенных веществ в почвах

Уравнение неразрывности. Использование уравнения неразрывности для количественного описания движения растворенных веществ.

Диффузия. Представления о широком диапазоне коэффициентов диффузии различных ионов, атомов и молекул в газообразной, жидкой и твердой фазах. Факторы, влияющие на диффузию ионов в почвах. Влияние влажности почвы на диффузию катионов и анионов. Влияние градиента диффузионного потенциала на появление потока раствора в тонкопористых насыщенных влагой почвах при высоких концентрациях солей (диффузиофоретический поток). Оценка значимости коэффициентов диффузии (при доставке ионов на большие и малые расстояния, в частности при корневом питании).

Ионные равновесия. Термодинамическое понятие ионного равновесия. Активность. Вычисление активностей. Термодинамические уравнения для моделей реальных растворов, ионных пар. Ионный обмен в почвах с участием почвенного поглощающего комплекса. Уравнение Гапона.

Перенос ионов в почвах. Понятие о “выходной кривой”. Понятие о тактах и относительной концентрации. Общее выражение конвективно-диффузионного переноса веществ в почвах. Гидродинамическая дисперсия ( D *). Механические и физико-химические процессы, влияющие на D *. Ее составляющие - молекулярная диффузия, шаг смешения, скорость потока.

Различные модели описания переноса ионов в почвах:

а) Отрицательная адсорбция для анионов. Расчет гидродинамической дисперсии, параметра обмена между нерастворяющим объемом и проточной влагой ( a ) и относительного проводящего объема.

б) Линейная равновесная сорбция. Константа селективности, “кажущаяся константа”, коэффициент распределения. Понятие о кинетических уравнениях разного порядка.

в) Модель с сорбционными центрами 2-х типов. Общий вид конвективно-диффузионного уравнения. Параметры уравнения - гидродинамическая дисперсия, a , соотношение центров разного типа.

г) Кинетическая сорбция, как частный случай модели с сорбционными центрами 2-х типов. Параметры D *, a , и коэффициент сорбции.

д) Модель с застойной и проточной зонами ( из выходной кривой определяем D *, a , f -поверхность твердой фазы в проточной зоне, которая может сорбировать, и Ф - долю проточных пор).

Решение обратных задач: нахождение параметров массопереноса по “выходным кривым”. Программа CFITIM для нахождения указанных параметров по выходным кривым.

Раздел Перенос веществ в экосистеме

Трехзвенная система “почва - растение - атмосфера”, как составная часть экосистемы и объект изучения процессов массопереноса. Структура этой системы и ее свойства. Этапы в исследованиях процессов массопереноса в системе “почва - растение - атмосфера”. Экспериментальная программа исследований продукционного процесса.

Массоперенос на границе растительного покрова с атмосферой. Коэффициент турбулентного обмена как параметр массообмена для различных мигрантов (водяного пара, углекислого газа, кислорода и др.). Важнейшие фитометрические характеристики растительного покрова и их связь с процессами массопереноса.

Перенос веществ вблизи корневых систем растений. Уравнение неразрывности для цилиндрической симметрии вокруг корня. Механизмы поглощения веществ корневой системой растений. Уравнение кинетики Михаэлиса-Ментон и условия его применимости. Факторы, влияющие на поглотительную способность корня.

Раздел Специальные случаи переноса веществ в почвах

Перенос по макропорам. Специальные модели. MACRO .

Перенос нефти в почвах. Понятие о нефтеемкости. Простые балансовые уравнения.

Перенос пестицидов в почвах. Использование различных моделей.

Подразделение: факультет почвоведения МГУ
Кураторы курса: Анна Александровна Кокорева, Амината Батальбиевна Умарова
Преподаватели: Анна Александровна Кокорева, Амината Батальбиевна Умарова
Сертификация: Свидетельство о краткосрочном повышении квалификации государтственного образца (на основании лицензии МГУ имени М.В.Ломоносова)
Ресурсы: Наличие компьютера на базе процессора Pentium, 64 Мб оперативной памяти, Операционная система Windows 98/Me/2000/XP или Linux, браузера Internet Explorer 5.5 (и выще) или Mozilla 1.2 ( и выше), Adobe Photoshop, Adobe Acrobat Reader, пакет Microsoft Office или аналогов данных программ обладающих соответствующими функциональными возможностями. Наличие доступа в интернет по модему или выделенной линии, e-mail.