Математическая программа ВЕТЭРО для моделирования ветровой эрозии
Для моделирования процессов ветровой эрозии почвы была написана программа “ВЕТЭРО”, которая решает следующие задачи:
1) определение ореола загрязнения (площади покрытия радиоактивной пылью);
2) определение потерь ХВХ от ветровой эрозии;
3) определение концентрации пылесодержания на площади ореола загрязнения.
При решении каждой из этих задач возникают вопросы с выбором математического алгоритма реализации физической модели, который адекватно описывал бы каждый из этих процессов.
При решении первой задачи возникает вопрос о выборе закона распространения пыли. Если для определения расстояния пользоваться формулой прямолинейного переноса с учетом розы ветров, т.е. S = ?UT, где S – расстояние, U – скорость ветра, V= ?U – скорость частиц, ? – коэффициент замедления скорости частиц, T – время, то, как показывают расчеты, за сравнительно небольшой промежуток времени пыль переместится на значительное расстояние, что на самом деле вряд ли имеет место, т.к. существуют различного вида естественные преграды (дома, деревья, водоемы и т.д.). Также возникают вопросы об учете скачкообразного переноса пыли за счет порывов ветра, о неравномерном распределении пыли по поверхности и вторичном переносе за счет других факторов. Поэтому для решения первой задачи был выбран простейший алгоритм определения максимального ореола загрязнения без учета естественных преград, порывов ветра, неравномерного распределения и вторичного переноса (линейная модель).
Для решения второй задачи необходимы специальные исследования состава поверхностного слоя ХВХ и климатических условий. Такие исследования не проводились, поэтому использовалось уравнение определения потери почвы от ветровой эрозии Г.П. Глазунова, В.М. Гендугова с параметрами, полученными из различных литературных источников:
где Q – потеря почвы от ветровой эрозии, кг;
T – время прогноза (потерь), с;
S – площадь эрозии, м2;
Uе – скорость ветра за пределами слоя шероховатости, м/с;
p1 и p2
– концентрации почвенных частиц, перемещаемые безвозвратно и скачкообразно, кг/кг;
? – касательное напряжение на почвенной поверхности, возникающее вследствие воздействия на нее ветра, Н/м2;
Bк – параметр массообмена, характеризующий почву при Ue = Uкр., кг/кг;
Uкр. – критическая (размывающая) скорость ветра для данной почвы, м/с;
? – безразмерная почвенная константа.
При уточнении оценочных расчетов был принят ряд допущений:
· критическая скорость ветра (Uкр.) была принята равной 8 м/с;
· на основании усредненных метеоданных в расчете учитывали только дни, когда средняя скорость ветра (Uе) была выше Uкр. ;
· скорость ветра (Uе) в расчетные дни была принята равной среднему значению скорости ветра в эти дни;
· параметр массообмена (Bк) был принят равным промежуточной величине (средней величине для различных видов почвы) – 0.0000005 кг/кг;
· величина безразмерной почвенной константы (?) была принята равной – 8 (средней величиной из литературных данных);
· величины p1 и p2
были приняты 0,5 и 0,1 кг/кг, соответственно (0,4 кг/кг – вклад крупных непереносимых частиц);
· климатические условия: климат умеренно-континентальный, с небольшим количеством осадков. В летние месяцы, июль-август, приходится период максимума суточных температур, самые низкие температуры в январе-феврале. Атмосферные осадки распределены очень неравномерно. Наибольшее их количество выпадает в виде дождя и приходится на весну и осень, минимальное на летние месяцы, сентябрь. Среднегодовое количество 380 мм. Снег выпадает в декабре – феврале, толщина покрова до 15-20 см. Снеговой покров весьма неустойчив, держится 50-70 дней;
· в расчетах оценочно учитывали влияние снежного и травяного покрова на эрозионной площади, а также увлажнение почвы в результате дождевых осадков, при этом введен поправочный коэффициент -b в уравнение (1):
Qпопр.=bQ,
где
b = 0 – в случае наличия снежного покрова;
b = 1 – в случае “голой”, “сухой” почвы;
b = 0,5 – в случае выпадения осадков и установления травяного покрова.
Расчеты проводили для трех “критических” вариантов:
1). без учета климатических условий, но для дней с превышением критической скорости ветра Uкр.;
2). для эрозии почвы (медленное расползание зеркала ХВХ) с оценочным учетом климатических условий;
3). для пылевой бури (распыление ХВХ).
