Агрометеорологические аспекты экологической надежности распределения химических веществ на территории неоднородных степных ландшафтных комплексов

Размещено на http://allbest.ru

Институт степи УрО РАН

УДК 631.8 : 504.06

Агрометеорологические аспекты экологической надежности распределения химических веществ на территории неоднородных степных ландшафтных комплексов

Дибихин К.Ю.

Оренбург

Территория Оренбургской области представлена естественным ландшафтным разнообразием, обусловленным близостью южных отрогов Уральских гор, степных агроландшафтов Южного Зауралья, западного и северного Казахстана. Вся территория области вовлечена в хозяйственную деятельность, представленную как промышленным, так и сельскохозяйственным производством. Для интенсификации производства сельскохозяйственной продукции применяется агротехника, основанная на использовании технологий и средств химической защиты сельскохозяйственных культур. Распределение химических веществ средствами сельскохозяйственной авиации, направленное на сохранение биохимического баланса в культурных растениях, является неотъемлемой составляющей сельскохозяйственного производства. Использование средств сельскохозяйственной авиации обусловлено необходимостью соблюдения нормативов качества внесения химикатов и норм экологической надежности.

Проводимые работы регламентируются рядом ведомственных руководств и инструкций министерства гражданской авиации [1, 2], зачастую носящих исключительно рекомендательный характер, что обусловлено отсутствием теоретического обоснования, недостаточным количеством и качеством разработок научно-практического плана.

В указаниях по технологии авиационно-химических работ в сельском и лесном хозяйстве [3] приведены лишь отдельные ограничения, связанные с тактико-техническими характеристиками сельскохозяйственных летательных аппаратов и особенностью их эксплуатации в сложной метеорологической обстановке. Не отмечены возможности повышения качества внесения химикатов и снижения экологической опасности вследствие периодически складывающихся локальных метеорологических состояний (ЛМС).

В работе [4] обозначен подход, ориентированный на оценку и учет периодичности образования, развития и распада ЛМС, изменяющихся в течение земных суток и определяющихся стоками холодных воздушных масс, туманом, конвекцией и температурной инверсией приземном слое атмосферы. Анализ суточных изменений метеорологических элементов и характеристик позволяет сделать выводы об оказываемом ими существенном влиянии на процессы перераспределения химических веществ в приземном слое атмосферы.

В монографии [5] приведены теоретические аспекты моделирования ЛМС сельскохозяйственного полигона. В работе внимание акцентировано на неоднородности агроландшафтов, связанной с наличием на территории полигона:

- географических и техногенных факторов, представленных топографическими особенностями сельскохозяйственного полигона, его высотой над уровнем моря и искусственными техническими сооружениями;

- метеорологических факторов, представленных измеренными и расчетными значениями метеорологических элементов и характеристик [6].

Процессы перемещения воздушных масс связаны, в основном, с топологией местности и суточными изменениями положения Солнца над подстилающей поверхностью. Топографические особенности неоднородных степных ландшафтных комплексов представлены, как правило, пологими склонами значительной протяженности.

На основании данных, приведенных К.Н. Пономаревым в [7], графическую модель процесса стока (перемещения) воздушных масс по пологому склону длиной l проиллюстрируем схемой, представленной на рис. 1.

В соответствии с этой графической моделью, масса перемещаемого охлажденного воздуха М, заключенного в объем n, представлена арифметической суммой масс частиц воздуха или молекул т, т.е.:

. (1)

Рис. 1. Графическая модель процесса перемещения объема охлажденного воздуха

по пологому склону

Применение законов механики для изучения перемещения частиц воздуха на склоне описано в [8], где рассматривается разложение сил по двум перпендикулярным направлениям, как показано на рис. 1. Процесс перемещения частиц воздуха может быть описан дифференциальными уравнениями с решением уравнения движения атмосферного воздуха на основе преобразований Лапласа.

Для того, чтобы вызвать изменения в положении воздушных масс, необходимо приложить силу, сообщающую ускорение составляющим перемещаемый объем частицам воздуха. Частица воздуха на молекулярном уровне имеет массу т, поэтому прикладываемая сила определяется произведением массы частицы на ускорение, т.е.:

F = та. (2)

В рассматриваемом примере такой силой является сила тяжести, определяющая удельный вес объема воздуха Р, изменяющийся вследствие суточных изменений положения Солнца над подстилающей поверхностью и вызывающий ускорение частицы воздуха в вертикальной плоскости. В соответствии с графической моделью, представленной на рис. 1, приложенные силы могут действовать по двум направлениям: горизонтальному и вертикальному.

Если обозначить через и, v и w составляющие скорости в каждом из направлений х, у и z, с учетом реакции площади подстилающей поверхности N₁ получим:

; (3)

; (4)

. (5)

Давление стекающих по склону воздушных масс, действующее вдоль оси х, определяет давление р, направленное к площади подстилающей поверхности N₁. Образуемый градиент давления (др/дх) в направлении х создает силу барического градиента F_x:

. (6)

Для описания использованы частные производные, поскольку градиент давления может быть разложен по трем направлениям в соответствии с наличием трех независимых переменных x, у, z. Разность между этими двумя силами дает градиент давления в направлении х, т.е.:

(7)

Принимая массу частицы воздуха условно равной единице и учитывая, что плотность (с) есть отношение массы тела к его объему, получим:

, (8)

. (9)

Аналогичное выражение может быть получено для вертикального направления z с учетом ускорения силы тяжести g. Отсюда:

. (10)

Сравнивая уравнение (3) с (8), а уравнение (4) с (9), получаем:

, (11)

. (12)

С целью уточнения уравнений (11) и (12) приведем значение силы Кориолиса:

vf =2vЩsin ф, (13)

где: v - скорость стока воздушных масс, направленная по градиенту давления;

Щ - угловая скорость вращения Земли;

ф - географическая широта;

f - параметр Кориолиса.

При разложении силы Кориолиса по двум взаимно перпендикулярным направлениям у и x, скорости вдоль которых обозначены соответственно через v и u, учитываем, что сила Кориолиса пропорциональна по величине и перпендикулярна по направлению скорости потока. Компонента силы Кориолиса vf не связана с компонентой ускорения dv/dt в направлении у, а связана с компонентой du/dt в направлении х.

Таким образом, уравнения движения в направлениях х и у примут вид:

, (14)

. (15)

При du/dt и dv/dt, равных 0, составляющие скорости потока, отвечающие этим условиям, будут пропорциональны градиенту:

, (16)

. (17)

Условия, при которых составляющие ускорения по каждому направлению равны 0, определяют условия установившегося течения и потока. Поток перпендикулярен направлению градиента давления, поскольку в выражении для и (компоненты вдоль оси х) содержится градиент давления только вдоль оси у. Уравнение для потока, исходя из компонент и и v для любого момента времени с выражением его скорости через v_g, примет вид:

, (18)

где а - направление по нормали.

Для искривленного изобарического течения, создаваемого сложностью рельефа, преобразуем уравнение (18), отобразив центростремительное ускорение, возрастающее с уменьшением радиуса кривизны траектории. Обозначив через r радиус кривизны, получим:

, (19)

а для отрезка, где барический градиент и центростремительное ускорение действуют в одном направлении:

. (20)

Наличие силы трения F приводит к снижению скорости потока. Следовательно, вертикальный сдвиг потока увеличивается с возрастанием высоты над уровнем подстилающей поверхности:

~ z . (21)

Это соотношение позволяет составить дифференциальное уравнение зависимости скорости потока от высоты над данной подстилающей поверхностью. Вводя коэффициент

, (22)

где - динамическая скорость потока;

K - постоянная Кармана (K ?0,4),

получаем следующее уравнение:

. (23)

Далее определим обобщенный закон перемещения воздушных масс по пологому склону. Поскольку в любой момент времени t на объем охлажденного воздуха действуют следующие основные силы:

- вес охлажденного воздуха, заключенного в объеме Р;

- сила трения, создающаяся между перемещаемым объемом воздуха и подстилающей поверхностью F;

- реакция плоскости подстилающей поверхности N₁;

- нормальная составляющая силы Р, обозначенная через N;

- нормальная составляющая силы Р, обозначенная через Т,

отсюда

N = Р cos б, (24)

Т = Р sin б. (25)

Тогда сила трения может быть представлена выражением

F = - kN = - kР cos б. (26)

Действующие силы Р, F, N заменяем системой сил Т и F:

R = Т + F. (27)

R = Р sin б - kР cos б. (28)

Р =mq. (29)

. (30)

Получаем дифференциальное уравнение движения

(31)

Решая полученное уравнение, получаем:

(32)

Тогда общее решение примет вид

(33)

Постоянные С₁ и С₂ определяются из начальных условий:

t=0; l=0;

В результате получаем систему:

(34)

откуда С₁ = С₂=0.

Подставляя значения С₁ и С₂ в уравнение (33), получим в общем виде описание процесса стока воздушных масс по пологому склону подстилающей поверхности:

 (35)

В свою очередь, выражение (35) имеет место при следующих ограничениях: биохимический сельскохозяйственный экологический

- справедливо только для склона с прямолинейной поверхностью и его прямолинейным участком;

- угол наклона плоскости должен удовлетворять условию б > 0;

- объем перемещаемого охлажденного воздуха должен быть постоянным и физически однородным;

- плотность потока перемещаемого объема охлажденного воздуха должна быть равномерной.

На основе вышеизложенного можно сделать следующие обобщающие выводы:

1. Авиационное распределение химических веществ на территории сельскохозяйственного полигона создает условия для возникновения экологических рисков, связанных с нецелевым внесением химикатов в сложившиеся биогеоценозы.

2. Агротехнические мероприятия, реализующие распределение химических веществ, направленное на сохранение биохимического баланса культурных растений, являются неотъемлемой составляющей сельскохозяйственного производства. Однако масштабы проводимых работ создают предпосылки для возникновения экологической опасности для расположенных в непосредственной близости природных объектов.

3. Эффективность производства сельскохозяйственных работ, использующих авиационное распределение химических веществ, непосредственным образом связана с наличием агрометеорологической компоненты, обусловленной объективным существованием локальных метеорологических состояний.

4. Реализация концепций, подходов и методов, позволяющих планировать технологические операции с учетом агрометеорологической компоненты, приводит к качественному переходу от планирования на основе обобщенных агрометеорологических прогнозов к планированию на основе моделирования процессов образования, развития и распада локальных метеорологических состояний.

Работа выполнена в рамках проекта Программы президиума РАН № 13: «Степь и лесостепь Российской федерации: актуальные проблемы землепользования и пространственного развития в условиях модернизации экономики».

Регистрационный номер проекта 12-П-5-1005.

Список использованных источников

1. Авиационно-химические работы. : реф. сб. / Науч. тр. ГосНИИГА. - Вып. 6. - М. : ГосНИИГА, 1974. - 210 с. - 500 экз.

2. Руководство по авиационно-химическим работам гражданской авиации : Министерство гражданской авиации. - М.: Воздушный транспорт, 1984. - 63 с.

3. Указания по технологии авиационно-химических работ в сельском и лесном хозяйстве. Мин-во гражданской авиации. - М.: Воздушный транспорт, 1982. - 120 с.

4. Дибихин К.Ю. Управление качеством авиационно-химических работ на основе учета локальных метеорологических состояний сельскохозяйственных полигонов. «Агро XXI». - М. : Агрорус. - 2009. - №.7-9. - С. 9-11.

5. Дибихин К.Ю. Моделирование локальных метеорологических состояний сельскохозяйственного полигона. Монография. - Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - 190 с.

6. Дибихин К.Ю. Информационно-поисковая система обработки запросов о локальных метеорологических состояниях сельскохозяйственных полигонов. / Сб. матер. VII Всерос. научн.-практ. конф. с междунар. участием «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике». - Оренбург, ОГУ : - 2008. - С. 347-349.

7. Пономарев К.Н. Составление и решение дифференциальных уравнений. - М. : Учпедгиз, 1962. - 184 с.

8. Самнер, Г. Математика для географов. - М. : Изд-во «Прогресс», 1981. - 296 с.

Аннотация

УДК 631.8 : 504.06

Агрометеорологические аспекты экологической надежности распределения химических веществ на территории неоднородных степных ландшафтных комплексов. Дибихин К.Ю. Институт степи УрО РАН (Оренбург)

Авиационное распределение химических веществ производится, в соответствии с рекомендуемыми нормами расхода, без учета специфики ландшафтного разнообразия обрабатываемого полигона. Формирующаяся в этих условиях агрометеорологическая компонента способствует снижению эффективности воздействия химических веществ на культурные растения, а также нецелевому распределению химикатов за пределами полигона. Автором предложены альтернативные подходы к планированию технологий авиационного распределения химических веществ, учитывающие особенности ландшафтного разнообразия и агрометеорологической специфики горно-степных ландшафтных комплексов.

Ключевые слова: авиационное распределение химических веществ, сельскохозяйственный полигон, горно-степные ландшафтные комплексы, локальные метеорологические состояния, экологическая безопасность

Размещено на Allbest.ru