Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

тела-посредника.Аизмеритьеговлажностьможно,например,поэлек- тропроводности.Известно,чтоэлектропроводностьпористыхтелопределяется в основном содержанием порового раствора (влажностью), его минерализацией и химическим составом. Последние два фактора лишь «помехи»вопределении влажности. Длятого чтобы их устранить, было предложено делать тело-посредник из гипса, которыйформируетхорошийпористыйматериал,прекрасноконтактирующий с почвой, а поровый раствор внутри этого гипсового телапосредникавсегданасыщенионамиCaиSO4,темсамым«забуферен» в отношении других солей. Это позволяет, измеряя электропровод- ностьгипсовоготела-посредника(гипсовогоблока),оцениватьвлаж- ностьконтактирующейсблокомпочвы,нотолькоприналичиитарировочнойкривойдляданногогипсовогоблокаипочвенногослоя.Этот метод известен за рубежом как «блок Боюкоса» по имени известного американского физика почв Джорджа Боюкоса (George J.Bouyoucos, 1890 1981). Широко известны его работы по использованию ареометрического метода в гранулометрическом анализе почв (1927) и по гипсовым блокам (1947).

На рис. V.12. представлена схема такого гипсового блока. По оси гипсового блока, имеющего цилиндрическую или кубическую форму, расположены два электрода, выполненные из неполяризующегося (или слабополяризующегося) металла. Этот блок помещается в почву, через некоторое время устанавливается равновесие между влагой в блоке и почве. Измеряя электропроводность блока, которая изменяется в соответствии с влажностью окружающей почвы, можно судить о влажности почвы. Тре-

буется, конечно, надежная

Материалом для блока не обязательно может быть гипс. Были предложеныиопробованыразличныевеществаиликомпозиции:нейлоновая ткань, ткань с ионообменными веществами, керамические материалы с ионообменнымисмолами и др. Однакопринцип во всех этих случаях оставался аналогичным описанному выше.

Особенности метода

Гипсовые блоки обладают гистерезисом, т.е. кривые «электропроводность блока влажность почвы» различаются для условий увлажненияииссушения.Этодополнительнаятрудностьвиспользованиигипсовыхблоков.

Вопределенныхусловиях(принизкихзначенияхрНпочвы,интенсивном влагообмене и пр.) гипс может несколько изменять свою пористую структуру, что влечет за собой и изменение тарировочной кривой. Поэтому необходима регулярная тарировка этих устройств.

Измерения сопротивления необходимо проводить на переменном (высокочастотном) токе или с использованием 4-электродной схемы.

Гаммаскопический метод Этот метод основан на закономерном ослаблении потока гам-

ма-излучения при увеличении влажности почвы. Как и метод нейтронной влагометрии, он обязательно включает источник и приемник гамма-излучения и требует обязательного учета изменения плотностиприизменениивлажности.Этотметодпредставляетопасность для здоровья, поэтому используется в специальных экспериментах, но не в широкой практике влагометрии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Вода в почве представлена различными формами, отличающимися по степени связи ее с твердой фазой почвы. Выделя- ютадсорбированную,пленочную,пленочно-капиллярную,ка- пиллярную и свободную. Граничные состояния между формами воды характеризуются энергетическими константами или влагоемкостями, т.е. влажностями при максимальном количестве соответствующей формы воды: максимальной адсорбционной влагоемкостью (МАВ), максимально молеку- лярнойвлагоемкостью(ММВ),максимальнойкапиллярно-сор- бционной влагоемкостью (МКСВ), капиллярной влагоемкостью и полной влагоемкостью.

2.Область капиллярной влаги наиболееважный диапазонпри оценке состояния и передвижения влаги. Для почвенных ка-

пилляров используют уравнение Жюрена, связывающее высоту капиллярного поднятия h с радиусом капилляра r: h 0.15/r. Знак указывает, что в почве нередко можно наблюдать отклонения от указанной формулы вследствие наличия поверхностно-активных (инактивных) веществ, отсутствия идеальных цилиндрических капилляров. Поэтому говорят об эффективномрадиусе капилляра.

3.В почвенной гидрологии выделяют семь почвенно-гидроло- гических констант общеупотребительныххарактеристических значений влажности, используемых в практических расчетахиуказывающихнадоступность,подвижностьвлаги.Это гигроскопическаявлажность(ГВ), максимальнаягигроскопическая (МГ), влажность завядания растений (ВЗ), влажность разрыва капилляров (ВРК), наименьшая (НВ) или предельно полевая (синоним НВ: ППВ) влагоемкость и водовместимость. Величины ММВ соответствуют ВРК, МКСВ НВ, а полная влагоемкость и водовместимость идентичные понятия.

4.Использование почвенно-гидрологических константпозволяетвыделить следующиедиапазоныпочвенной влаги, которые могутбытьпредставленыввидезапасоввлаги(вмм, смили м водногослоя)или просто впроцентах:

диапазон доступной (продуктивной) влаги ДДВ=НВ ВЗ; диапазон гравитационной влаги ГВ=ПВ НВ; водоотдачу почвы, равную разности ПВ НВ, а в случае ко-

лебания уровня грунтовых вод в профиле почвы: ПВ динамическая влагоемкость.

5.Основным,стандартнымметодом определениявлажностипочвы является термостатно-весовой. Это метод прямого определения влажности; другие (нейтронометрический, диэлькометрический,импульснойдиэлькометрииилидиэлькометрии вовременнойобласти TDRи др.) требуют специальнойпроцедуры тарировки для нахождения достоверной зависимости влажности почвы отизучаемого сигнала для каждогопочвенного объекта (слоя, горизонта и пр.).

Литература

Аб ра мо ва М.М. Передвижениеводы впочве прииспарении. //Тр.Почв. ин-таим.В.В.Докучаева.Т.41.М.:Изд-воАНСССР,1953.

Вадюнина А.Ф.,Корчагина З.А.Методыисследованияфизических свойствпочв.М.:Агропромиздат,1986.

Д е р яг ин Б. В.,Ч ур а е в Н. В., О в ч ар е нк о Ф.Д. Вода в дисперсных системах.М.:Химия,1989.288с.

З а й д е л ь м а н Ф. Р. Изучение физических свойств почв на объектах осушения.М.:Ленгипроводхоз,1988.

Поздняков А.И.,Позднякова Л. А.,Позднякова А.Д. Стационарные электрическиеполявпочвах.М., 1996.

Роде А.А.Основыученияопочвеннойвлаге.Т.1.Л.:Гидрометеоиздат, 1965.

Роде А.А.Основыученияопочвеннойвлаге.Т.2.Л.:Гидрометеоиздат.1989.

Роде А.А.Почвеннаявлага.М.:Изд-воАНСССР,1952.

Тарасевич Ю.И..Овчаренко Ф.Д.Адсорбциянаглинистыхминералах. Киев:Науковадумка,1975.352с.

Ш е и н Е. В., К а п и н о с В. А. Сборник задач по физике почв. М.: Изд-во Моск.ун-та,1994.

бенновфизикепочв,чтооченьудобноприразличныхрасчетах.Итак, получается, что вода в капилляре находится не в свободном состоянии, а отличается от него за счет действия капиллярных (или лапласовых) сил на некоторую величину давления, которая вызывает подъем влаги в капиллярах. При контакте почвы (напомним, капил- лярно-пористого тела) с водой именно это давление вызывает быстрое заполнение почвенных капилляров. Образно говоря, происходит поглощение,«всасывание»почвойсвободнойводы,отчегодавление, вызывающее это всасывание, иногда называют «всасывающим». Более строго говорить о капиллярно-сорбционном, или матричном (от «матрицы» твердой фазы почвы), давлении влаги, тем самым подчеркивая его природу. Также весьма важно иметь в виду, что это давление имеет отрицательный знак действительно вода в капиллярах имеет более низкий уровень давления, чем в свободной воде. Давление в свободной чистой воде принимается за ноль.

Всвязистакимвыборомнулевогоуровняследуетболееподробно остановитьсяназнакахвеличиныдавления.Вбольшинствеприродных ситуацийдавлениевлагивпочве отрицательнаявеличина.Давление почвеннойвлагиравнонулютольковслучае,есливсяпочвазаполнена чистой водой, т.е. в состоянии полной влагоемкости, и находится на нулевом уровне (уровне моря), но такое состояние бывает в почве нечасто. Как правило, почва не насыщена влагой, всегда в почве присутствует воздух, имеются малые, но кривизны поверхности менисков.Следовательно,водаимеетэнергиюидавлениеменьшенуля,

икогда мы будем говорить о реальных величинах давления влаги в почве, следует всегда помнить, что эта величина отрицательная. Впрочем,неслишкомудобноработатьсотрицательнымивеличинами, вести расчеты и представлять физическую картину со сплошными отрицательными знаками. Поэтому нередко в литературе, даже в научной, можно встретить положительные значения давления влаги в почве. Авторы, например, указывают, что «давление влаги в почве составляло10кПа».Нонужнопонимать,чторечьидетоненасыщенной почве с отрицательным давлением влаги 10 кПа. Абсолютные значения давлений влаги (нередко без специальных указаний, часто под названием «сосущая сила почвы» или «всасывающее давление») употребляются в литературе. Но более строго использовать значения давлениявлагисучетомзнака,т.е. отнуля(насыщеннаявлагой почва)

иниже (не насыщенная влагой почва). В дальнейшем будем использовать термин «давление», единицы давления (см водн.ст.) с учетомзнака,авспециальныхслучаях,еслинеобходимо,будемделать оговорку: «поабсолютнойвеличине».

Рис.VI.1. Схема измерения отрицательной величины давления влаги в почве

О том, что в почвенной влаге действительно развивается отрицательное давление (разрежение), можно судить по такому эксперименту. Создадим прибор, представляющий собой трубку, на одном конце которой находится вакуумметр, а на другом тонкопористая, т.е. с очень тонкими капиллярами, пластинка (рис. VI.1).

Все соединения этого простого прибора сделаем герметичными. Заполним его водой. Вакуумметр показывает 0, в приборе чистая вода. Затем тонкопористую мембрану соединим с почвой. Поскольку в капиллярахтонкопористойпластиныкривизнаменисковбылаблизкак нулю, а в почвенных капиллярах она более выражена, то из пористой мембраны и из всего прибора вода будет перетекать в почвенные капилляры. Так как прибор герметичен, то через некоторое время вакуумметр покажет некоторое значение разрежения (Рк-с). Это значит, что достигнуто равновесие между давлением влаги в приборе и давлением влаги в почве. Образно говоря, это действительно «всасывающеедавление»влагивпочве,регистрируемоепоразрежению вприборе.Этосхема(рис.VI.1)традиционногодляфизиковпочвприбора, называемого тензиометр, т.е. прибора для измерения капиллярносорбционного(илиматричного)давлениявлагивпочве.

Теперь можно дать сначала несколько упрощенное, качествен- ноеопределениекапиллярно-сорбционногодавления влаги этопонижение давления воды в почве (по сравнению со свободной чистой водой)поддействиемкапиллярно-сорбционныхсилпочвы,приводя-

Рис. VI.2. Схема, поясняющая возникновение расклинивающего давления в почвах

щее к подъему воды в почвенных капиллярах и образованию прочносвязанныхводныхпленококолопочвенныхчастиц.

Следует отметить, что капиллярно-сорбционные силы, приводящие кпонижению энергии (давления)влаги, этосилы, имеющие различную природу. Наличие поверхностей раздела фаз это лишь однаизпричинпониженияэнергииводы,возникновениякапиллярносорбционного давления. Другая причина связана с наличием на поверхностипочвенных частицзарядов,вчастности, поглощенныхобменных катионов. Эти силы имеют в своей основе осмотическую природу и носят название «расклинивающего давления». Происхождение этих сил можно пояснить на следующей схеме (рис.VI.2).

Как видно на схеме, между отдельными частицами возникает зонаповышеннойконцентрацииионов.Этодолжнопривестикповышенному осмотическому давлению, которое будет «закачивать» свободную влагу между частицами, стремясь их раздвинуть, «расклинить». Эти силы также стремятся «набирать» в почву воду, они в целом действуют аналогично капиллярным. Однако силы капиллярного взаимодействия менисковые усилия будут удерживать частицы друг с другом. В результате в почве наблюдается равновесие тонких пленок (расклинивающее давление) и капилляров (менисковые силы). Схематичное равновесие этих двух видов форм воды капиллярнойсвогнутымменискомипленочнойсвыпуклойповерхностьюприведеновпредыдущейчастинарис.V.4.Физическаяжепричина равновесия этих двух форм влаги становится ясной из совместного рассмотрениякапиллярногоирасклинивающегодавленийпочвенной влаги.

Возникновениевдисперсныхтелахрасклинивающегодавления связано, как видно на рис.VI.2, прежде всего с электростатическим

отталкиванием. Однако это далеко не единственная причина возникновениярасклинивающегодавлениявтонкихпленках.Выделяютеще наряду с электростатической следующие составляющие:

1.Межмолекулярное взаимодействие. Само название указывает на характер взаимодействия молекул, находящихся на поверхности твердой фазы типа Ван-дер-Ваальса.

2.Адсорбционное взаимодействие. Оно связано с перекрытием адсорбционныхслоевводы,образовавшихсявблизиповерхностей раздела. Характерно для очень тонких пленок.

3.Структурное взаимодействие, связанное с изменением структуры воды или водных растворов около поверхности твердой фазы, что также приводит к добавочному «отталкиванию» почвенныхмицелл.

Надо отметить, что расклинивающее давление возникает лишь в оченьтонкихпленкахводы,находящихсянаповерхноститвердойфазы почвы,толщинакоторыхменее200нм.Иеслипользоватьсяуравнением Б.В.Дерягина для расчета расклинивающего давления для двух стеклянныхповерхностей,товпленкетолщиной1мкмрасклинивающее давление составит всего около 430 Па, в пленке толщиной 0.04 мкм уже 1.88·104 Па, т.е. примерно 0.2 атм (~206 см водн. ст.). Так как вода в капиллярах находится в непосредственной связи с пленочной,капиллярноедавлениеирасклинивающеевзаимодействуют,формируя в результате равновесную кривизнумениска вкапилляре и толщину пленки. Это изображено в предыдущей части V на рис. V.4.

Таким образом, формирование энергетического состояния почвенной влаги, ее давления обусловлено в основном двумя причинами сорбционнымиявленияминаповерхностиразделафазирасклинивающимдавлениемвтонкихпленках.Какправило,ихобъединяют вместе под общим названием «капиллярно-сорбционное давление».

Следуя вышеприведенной капиллярной модели подъема воды (см. также рис. V.5 ч. V), можно представить, что вода в капилляре будет подниматься до тех пор, пока разница энергий свободной воды иводывкапилляренеуравновеситсягравитационнымстолбомводы (гравитационной энергией). Это указывает на то, что в почве действует и еще одна составляющая давления, вызванная гравитационнымисилами.Онаполучиланазваниегравитационногодавления,или гравитационной составляющей полного давления влаги, и тоже может быть выражена в единицах высоты подъема воды в капилляре. И в случае равновесия капиллярно-сорбционное и гравитационное давления равны. Собственно на этом и основано выведенное Жюреном уравнение (см. Ч. V).

2.Составляющие полного давления влаги в почве

Наводувпочвекромекапиллярно-сорбционныхигравита- ционныхбудутдействоватьидругиесилы.Например,осмотические, обусловленные наличием в почвенной влаге ионов растворимых солей. Как известно, эти силы тоже могут быть выражены в виде осмотического давления, которое понижает давление влаги в почве до величин более низких, чем в свободной чистой воде.

Итак, если говорить о давлении почвенной влаги, то оно в ненасыщенной почве ниже, чем в свободной воде. А причиной этому являются капиллярно-сорбционные, осмотические, гравитационные силы, которые выражаются в виде соответствующих давлений:

Pt Pк-с Ргр Росм Рвн Ратм ,

гдеРt полное,илисуммарное,давлениевлагивпочве,Рк-с капилляр- но-сорбционное (или матричное), Ргр– гравитационное, Росм осмотические давление влаги, Рвн давление вышележащих слоев, или другое внешнее давление, оказываемое на почву (сельскохозяйственной техникой, колесным транспортом и пр.), Ратм атмосферное давление.

Дадимопределениеполногодавленияпочвеннойвлаги.

Полное давление влаги в почве – это уменьшение давления,

измеренное относительно свободной чистой воды (уровень которойпринятза0),причинойкоторогоявляетсясуммадавленийка- пиллярно-сорбционного(капиллярногоирасклинивающеговтон- ких пленках), осмотического (за счет растворимых веществ), гравитационного (равного высоте столба жидкости от нулевого уровня, уровня моря, ав большинстве случаев– поверхностипочвы)ивнешнихдавлений(атмосферногоивышележащихслоев).

Кроме того, влага в почве может находиться под действием и других сил: давления набухания в случае сильно набухающих почв. Эта составляющая может играть заметную роль в ряде природных ситуаций, в набухающих, слитых почвах, вертисолях. Однако доминантное значение имеют указанные первые три. Именно с ними

восновном и связано движение влаги в почве, ее доступность для растений основные процессы передвижения влаги и растворенных

вней веществ. Растворенные вещества определяют величину осмотического давления, которое связано простым соотношением с концентрацией раствора: Росм = – RTC, где Росм осмотическое давление