Mathematical model of thermal transfer in frozen soil | Математическая модель тепловлагопереноса в мерзлой почве

English. Soil moisture is a resource for plant development and one of the main factors determining the choice and conditions of soil cultivation. Unsaturated soil (root layer) is a three-phase system of soil-water-air. Regularities of equilibrium and transport of soil moisture in this case are greatly complicated. If the mechanisms of moisture migration in unfrozen soils have been studied sufficiently and filtering patterns in frozen soils require additional studies. In this paper are presented the theoretical studies of the thermodynamic approach in which forces of different nature, collectively determining the behavior of water in frozen soil, are combined into one resultant. Analysis of theoretical calculations shows that the height of the water column, determined by the absorbing capacity of the soil and potentially affected by the runoff during the spring snowmelt is determined by the difference in the inflow of moisture from the snow and the rate of its filtration into the soil. It depend to a greater extent on the state of the arable layer 0–16 cm, to a lesser extent – from the state of the lower layer 16–50 cm; from non-capillary porosity of the soil, the higher the percentage of non-capillary porosity, the greater the filtration rate and the lower the water level over the soil; from the fraction of the filling of non-capillary pores with ice formed during the freezing of autumn precipitation (autumn soil moisture), the higher the initial soil moisture, the lower the filtration rate and the higher the level of the above-ground layer of water; from the radius of the non-capillary pores through which the filtration process proceeds, as the radius of the pores of the arable layer of the soil increases, the filtration rate increases and the height of the column of water above the soil decreases.

Russian. Почвенная влага – это ресурс для развития растений и один из основных факторов, определяющих выбор и условия обработки почвы. Ненасыщенная почва (корнеобитаемый слой) представляет трехфазную систему почва-вода-воздух, закономерности равновесия и переноса почвенной влаги в таком случае значительно усложняются. Если механизмы передвижения влаги в незамерзших почвах изучены достаточно, то ее фильтрационные закономерности в мерзлых почвах требуют дополнительных исследований. Представлены теоретические исследования термодинамического подхода, при котором силы различной природы, в совокупности обусловливающие поведение воды в мерзлой почве, объединены в одну равнодействующую. Анализ теоретических расчетов показывает, что величина высоты столба воды зависит от впитывающей способности почвы. Количество воды, подверженной стоку в период весеннего снеготаяния, определяется разностью притока влаги из снега и скоростью ее фильтрации в почву и зависит в большей степени от состояния пахотного слоя 0–16 см, в меньшей степени – от состояния нижнего слоя 16–50 см; от некапиллярной пористости почвы: чем выше процент некапиллярной пористости, тем больше скорость фильтрации и тем меньше уровень воды над почвой; от доли заполнения некапиллярных пор льдом, образованным при замерзании осенних осадков (осенней влажности почвы), чем выше исходная влажность почвы, тем меньше скорость фильтрации и выше уровень надпочвенного слоя воды; от радиуса некапиллярных пор, через которые идет процесс фильтрации: при увеличении радиуса пор пахотного слоя почвы увеличивается скорость фильтрации и уменьшается высота столба воды над почвой.