Technika TDR w modelowaniu ruchu wody glebowej

Wrocław 2014, wydanie 1, format 170 x 240, objętość 99 str., oprawa miękka

Zamierzeniem autora była poprawa dokładności prognozowania stosunków po wietrzno-wodnych w wierzchniej warstwie gleby. Cel ten zrealizowano poprzez zastosowanie reflektometrii domenowo-czasowej (TDR) do bardziej precyzyjnego wyznaczania danych wejściowych w modelach matematycznych opisujących ruch wody w wierzchniej warstwie glebowej. W równaniu Richardsa wyznaczenie kompletu danych wejściowych sprowadza się do określenia: warunków początkowych, brzegowych oraz parametrów charakteryzujących modelowaną przestrzeń. W niektórych przypadkach niezbędne jest również wyznaczenie członu źródłowego, uwzględniającego np. pobór wody przez korzenie roślin. Badania polowe i eksperymenty laboratoryjne opisane w rozdziale 5, mimo że zróżnicowane tematycznie, łączą dwa aspekty. Po pierwsze, każde z zagadnień dotyczy danych wejściowych w równaniu Richardsa, po drugie - w każdym zastosowano technikę TDR. Te dwa punkty wspólne zadecydowały o wyborze materiału badawczego.

W niniejszej pracy warunek początkowy został sformułowany w czterech wariantach. W pierwszym - po przyjęciu pewnych założeń upraszczających - równanie Richardsa sprowadzono do jednego wymiaru i warunek początkowy określono na podstawie pomiarów wilgotności aparatem TDR. W dwóch następnych wariantach równanie to rozpatrzono jako trójwymiarowe. W II - warunek początkowy określono, podobnie jak w wariancie I, na podstawie pomiarów wilgotności w punktach węzłowych. Natomiast w III wariancie wartości wilgotności w punktach węzłowych odczytano z map, w których interpolację przeprowadzono metodą krigingu. Kriging jest techniką stosowaną do lokalnej estymacji, w której tylko dane w pobliżu obszaru estymacji są uwzględniane w procesie szacowania. Technika ta stanowi metodę interpolacyjną średniej ważonej ruchomej (Namysłowska-Wilczyńska 2006). W czwartym wariancie równanie ponownie potraktowano jako jednowymiarowe, ale warunek początkowy w punktach węzłowych realizowano jako zmienną losową. W każdym z wariantów technikę TDR wykorzystano do wyznaczenia wilgotności objętościowej. Zastosowano ją również do szacowania warunków brzegowych - w szczególności do ustalenia górnego warunku brzegowego II rodzaju. Podano sposób szacowania opadu netto oraz parowania z nieporośniętej powierzchni gleby. Ponadto technikę TDR wykorzystano do wyznaczania członu źródłowego w równaniu Richardsa, co szczegółowo opisano w rozdziale 5.3. Dokładność zaproponowanych poniżej zastosowań techniki TDR przeanalizowano na podstawie badań laboratoryjnych i polowych. Wyznaczanie parametrów charakteryzują cych modelowaną przestrzeń i stosowanych w równaniu Richardsa, podobnie jak warunek początkowy, przeprowadzono w czterech wariantach. W wariancie I założono, że parametry są jednakowe w każdym punkcie modelowanej przestrzeni a ich wartości, dla danego typu gleby, określono na podstawie danych literaturowych (Genuchten van 1991). Ustalenia muszą być poprzedzone badaniami pozwalającymi oznaczyć skład granulometryczny materiału glebowego. Drugi sposób (wariant II) wykorzystuje technikę TDR i polega na przeprowadzeniu tzw. kalibracji modelu przepływu wody dla równania Richardsa. Pozwoliło to na wyznaczenie wartości parametrów glebowych w wielu pionowych przekrojach modelowanej przestrzeni. Kalibrację modelu w niniejszej pracy nazywano również procedurą identyfikacyjną. Trzeci i czwarty sposób to, podobnie jak w przypadku warunku początkowego, podanie wartości parametrów w postaci map (wariant III) lub w postaci zmiennej losowej (wariant IV).

W rozdziale 6 przedstawiono przykłady zastosowania modelu matematycznego do prognozowania stosunków powietrzno-wodnych w wierzchniej warstwie gleby użytku łąkowego. W tym celu równanie Richardsa zostało rozwiązane z danymi wejściowymi zaproponowanymi w niniejszej pracy. Powstały w ten sposób cztery warianty modelu pozwalającego prognozować stosunki powietrzno-wodne w wierzchniej warstwie gleby. Przydatność modeli przeanalizowano i zweryfikowano, wykorzystując niezależny materiał uzyskany na podstawie badań polowych na użytku łąkowym położonym w miejscowości Brenna w województwie śląskim.