Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Рис. VII.10. Определение почвенно-гидрологических констант, форм почвенной влаги по основной гидрофизической характеристике с помощью метода «секущих» по А.Д.Воронину

По ним, естественно, возникает ряд вопросов. Первый что за «магическое»числоилиточканаосидавленийвлаги,равнаяpF2.17? А.Д.Воронинпредложилследующееобоснование.Этавеличинадавления соответствует эффективному радиусу около 10 мкм это расстояние, на которое распространяется влияние поверхностных сил твердой фазы в жидкую фазу, полученное, впрочем, для плоской поверхности. По-видимому, это справедливо и для капилляров.

Второйвопрос можнолипоэтимуравнениямопределитьпрактически важные почвенно-гидрологические константы? Конечно! Как мы уже обосновали в ч. V («Влажность почвы. Формы воды и почвенно-гидрологические константы»), ММВ соответствует важной почвенно-гидрологической константе «влажности разрыва капиллярныхсвязей»(ВРК),МКСВ наименьшейвлагоемкости(НВ). Поэтому влажность (г/г) при ВРК и НВ можно определить по сле-

дующим уравнениям:

W pFММВ 2.17 ,

ВРК 3

WНВ pFМКСВ 2.17 .

Однако при такого рода определениях и расчетах всегда следует иметьввиду,чтоОГХполучают,какправило,влабораторныхусловиях,нанебольшихобразцах,прихорошемоттоке,визотермическихусловиях. А НВ это величина, определяемая в полевых условиях. Поэтому полного соответствия, видимо, достичь невозможно.

СредиперечисленныхнаправленийиспользованияОГХосталось два: при математическом моделировании передвижения влаги в почве идляоценкифизико-механическихконстантвпочве(методА.Д.Воро- нина). Эти направления будут более подробно освещены в соответствующихчастяхкурса(«Движениевлагивпочве» и«Реологияпочв»).

Сейчас же остановимся еще на одном свойстве ОГХ гистерезисе ОГХ.

4. Гистерезис ОГХ

Досихпормыговорили о том,чтоОГХ однозначнаязави- симостьмеждукапиллярно-сорбционным(матричным)давлениемвлаги и влажностью. В действительности это не совсем так. Форма и положениеэтойзависимостиопределяетсяисториейееполучения,онанеоднозначна, характеризуетсягистерезисом. Каки вмагнитофизике, где гистерезисныеявленияоченьраспространены,вфизикепочвподгистерезисомОГХпонимаютизменениеформыиположенияОГХвзависимости отнаправления протекания процесса полученияэтой зависимости. Действительно, мы можем получать пары значений давление-равновесная влажность (точки для ОГХ), иссушая образец. Это будет ОГХ при иссушении. А можем получать и, увлажняя образец. Это будет ОГХ при увлажнении. Эти две кривые различаются и образуют совместно петлю гистерезиса (рис.VII.11).

Приодном итомже давлениивлагивлажность кривой,полученнойприиссушении,будетвыше,чемприувлажнении.Причинытакого рода гистерезиса ОГХ многообразны. Одна из наиболее часто указываемых этосложностьформыпоровогопространства,нецилиндричность почвенных пор. Вспомним так называемые «жаменовские цепочки». Ведьеслимыпоместимтакой«четочный»капиллярвводу,то вода в нем поднимется лишь до первого утолщения. Влажность будет соответствовать заполнению первого «суженного» пространства капилляра в случае, если мы захотим произвести процесс увлажнения

повремени,онидлительны,равновесны.Явленияжеувлажненияскоротечны, неравновесны, получить ОГХ в этих условиях сложно, а использование ее для решения практических задач ненадежно.

5. О методах определения ОГХ

Мы назвали этот раздел «О методах...», подчеркивая тем самым, что подробно здесь методы определения ОГХ обсуждаться не будут. Более детально эти методы изложены в книгах А.Ф.ВадюнинойиЗ.А.Корчагиной(1986),А.М.Глобуса(1969и1987),«Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв» (2001) и др. Здесь же кратко остановимся на принципах основных методов получения ОГХ.

Выше уже указывалось, что всю кривую делят обычно на области в соответствии с методами ее определения. От 0 до 1000 см водного столба используют уже известный метод тензиометров, или методкапилляриметров.Методтензиометров,какправило,полевой. При его использовании необходимо достаточно длительное время вести наблюдения за давлением влаги в почве в процессе ее иссушения и одновременно отбирать пробы на влажность. Таким способом получают пары равновесных значений давление влажность.

Тензиометр имеет чисто теоретический предел измерений. Так как в приборе создается разрежение, то оно не может быть ниже 1000 см водн. ст., или примерно одной атм. Это абсолютный вакуум, которыйполучитьдажетеоретическиневозможно.Практическийже предел работы тензиометра разрежение около 800 см водн. ст. В этой области среди тонких и тончайших пор фильтра всегда обнаруживается группа пор с большим диаметром, в которой капиллярные силы не в состоянии выдержать такого разрежения. Эти поры опустошаются,черезнихмассовымпотокомначинаетпроходитьвоздух. Как следствие прибор разгерметизируется и выходит из строя. Итак, область определения тензиометра от 0 до 800 см водн. ст.

Группа других приборов (капилляриметры, тензиостаты и др.) позволяеттакжеполучатьпарызначенийкапиллярно-сорбционноедав- ление равновесная влажность в лабораторных условиях. Принцип этих приборов изображен на рис. VII.13.

Основуприбора составляеттонкопористая водонасыщенная керамическая пластина, на которую укладывается образец. Поры почвы находятся в гидравлическом контакте с порами пластины. Если мы создадим разрежение под пластиной, то влага начнет двигаться из почвенного образца в подмембранное пространство через поры в фильтре. Когда почвенная пора целиком освободится от воды (это произойдет, когда давление влаги в подмембранном пространстве окажется ниже, чем в самой поре), тонкий капилляр мембраны способенвыдержатьэторазрежениезасчетменисковыхсил(рис.VII.13, увеличенный участок пор почвы и пор в тонкопористой пластине).

делить равновесную влажность и получить следующую пару значений для ОГХ. И так до тех пор, пока мембрана будет способна осуществлять свою роль «гидравлического посредника» пропускать влагу из почвы, но не пропускать объемного потока газа, т.е. находитьсявводонасыщенномсостоянии,когдаменискикапилляровспособны выдержать разрежение, приложенное к воде в подмембранном пространстве, как и в случае с тензиометром, ограниченное величиной около 700 800 см водн. ст.

Существуетмногомодификацийтакогородаприборов-капилля- риметров.Однаизних тензиостаты,илипесчано-каолиновыеплас- тины.Этиприборыширокораспространенывгидрофизическихлабораториях, их главное преимущество высокая производительность. Основнаяидея такогородаприборов нерегулировать разреженияв подмембранномпространстве,сделатьегопостояннымисоздатьряд таких пластин с постоянно поддерживаемыми разрежениями. Причем для небольших разрежений порядка 10 30 см водн. ст. можно использовать в качестве пластин песчаные слои, при более высокихсмесь песка с каолином, а при разрежениях 300 500 см водн. ст. чистокаолиновыепластиныстонкимипорами.Натакиестолыможно поочередно устанавливать почвенные образцы, всякий раз их взвешивая после достижения равновесия на каждой из пластин. Зная конечную влажность и потерю влаги на каждом из этапов достижения равновесия, можно рассчитать влажность для соответствующих константных давлений влагии получить точки для построения ОГХ. Так получают равновесные пары значений давление влажностьдлякапиллярной(иликапилляриметрической)частиОГХ:от0 до 800 см водн. ст., соответственно для pF от близкого к 0 до 2.9.

Вобласти давлений влаги от 0 до 100000 см водн. ст. (иногда и ниже) существует лишь один прибор для определения ОГХ это так называемый мембранный пресс. Он в целом аналогичен капилляри-

метру (рис. VII.14.)

Вэтом приборе создают избыточное газовое давление над почвенным образцом, которое повышает давление почвенной влаги до нулевого уровня, до атмосферного давления в подмембранном пространстве.Почвеннаявлагазасчетприданногодополнительногоположительногодавленияперетекаетчерезводонасыщеннуютонкопористую мембрану в подмембранное пространство. До тех пор, пока отрицательное давление влаги в почве и положительное добавочное давление над образцом не сравняются по абсолютным значениям, а по алгебраическим не составят в сумме 0. В этот момент и определяют равновесную влажность, соответствующую приданному поло-

Рис.VII.14.МембранныйпрессдляопределенияОГХвобластиот0довеличин, близких к 100000 см водн.ст.

жительному давлению, по абсолютной величине равному давлению влаги в почве в этот момент.

Можно еще повысить давление внутри газовой камеры. Снова дождаться равновесия и определить следующую пару значений давление влаги равновесная влажность. Причем теоретических пределов определения ОГХ здесь не существует: мы создаем давление, а не разрежение. Практическим пределом будет являться водонасыщенность, или тонкопористость, пластины, так как прибор будет работать только в том случае, если пластина будет проводить воду, но не проводить поток воздуха. А это достижимо при очень тонких порахвприменяемыхпластинах.Однакодиапазонопределенийвтаких устройствахзначительношире,чемвкапилляриметрах.Ноониисложнее, и значительно более «медлительны»за счет очень тонких и медленнопроводящихпорвпластине.

И наконец, адсорбционная часть ОГХ. Эту часть, как правило, получают методом равновесия над растворами солей. Этот метод мыужеобсуждаливчастиVI«Давление(потенциал)почвеннойвлаги». При его использовании устанавливается равновесие между относительнымидавлениямипаровводы(p/p0)надразличнымирастворами солей и воды в почве. Это указывает на достижение в почве соответствующего установленному p/p0 давления влаги. Но полного

(!) давления влаги. Мы же указывали, что ОГХ это зависимость междукапиллярно-сорбционным(матричным) давлениемивлажностью. Можно ли использовать этот метод для получения ОГХ? Оказывается, можно. В этой области давлений влаги, в области суще-

ствования тонких пленок и адсорбированной влаги, различия между полным и матричным потенциалами столь невелики, что в обычных (незасоленных) почвах ими можно пренебречь. Поэтому этот методметод гигроскопический, или равновесия над растворами солей, широко используется для получения ОГХ в адсорбционной области.

В результате для получения ОГХ во всем диапазоне давлений (от 0 до 107 см водн. ст.) приходится использовать целый набор методов. Особенно сложна, трудоемка «средняя» область получения ОГХ между диапазонами работоспособности капилляриметра и гигроскопического метода, когда можно использовать лишь мембранный пресс. Однако в последнее время появился ряд методов «восстановления», или расчета, этой средней части ОГХ. Эти методы используют, как правило, процедуру аппроксимации ОГХ различными функциями, что дает возможность по нескольким точкамв капиллярнойобластии нескольким в сорбционной восстановить весь вид ОГХ.

Таким образом, основные трудности экспериментального полученияОГХ следующие: (1)ограниченнаяобласть получения тензиометрических данных по сопряженным величинам «влажностьдавление» in situ, в полевых условиях (область pF от 1 до 2.7 2.8);

(2) возможные погрешности в измерении влажности; (3) трудности в отборе и использовании ненарушенных образцов в лабораторных исследованиях; (4) медленная скорость установления равновесия принизкихкапиллярно-сорбционных давленияхидр. В связисуказанными трудностями нередко поднимался вопрос о том, есть ли возможность определитьОГХ наоснованиидругих,как иногдауказывают, фундаментальных свойств почв. В частности, таких как, гранулометрическийсостав,минералогический состав,плотностьи др. Такая задача нередко возникает, когда нам необходимо знать ОГХ для больших территорий с разными почвами. Подобная возможность имеет как теоретические, так и практические обоснования. Теоретические то, что в физике почв, как уже неоднократно указывали, все свойства и процессы взаимосвязаны; их обоснование лежит в единстве и взаимосвязи почвенных процессов и физи- ко-химических свойств почв как дисперсных тел. Практическое такие фундаментальные свойства, как гранулометрия, микроагрегатный состав, плотность почв, содержание органического вещества, являются к настоящему времени легко (в сравнении с определением ОГХ, конечно) определяемыми. По ним накоплен большой фактический материал. Вот и были осуществлены попытки рассчитать, восстановить ОГХ из известных свойств почв.

6. Педотрансферные функции

Потребность в получении многочисленных зависимостей «капиллярно-сорбционноедавление влаги влажность»(ОГХ) возникла в связи с тем, что ОГХ является основой экспериментального обеспечения разнообразных почвенных моделей. Так, ОГХ необходима для прогнозных моделей засоления/рассоления, мелиоративныхпрогнозов, вразнообразныхсистемах управленияи поддержки решений в экологии, сельском хозяйстве, гидрологии и проч. Причем учитывая уникальность ОГХ для каждого почвенного горизонта, для расчетов и прогнозов переноса веществ в ландшафте требуются уже сотни, а иногда и тысячи экспериментальных значений этой функции. Учитывая сложность и дороговизну определения ОГХ, такого рода экспериментальный материал получить бывает просто невозможно, а в большинстве случаев экономически нецелесообразно. Поэтому и возникла идея использовать взаимосвязи ОГХ с фундаментальными свойствами почв. Можно попытаться использовать те самые зависимости формы и положения ОГХ, которые были разобраны нами на рис. VII.3 VII.7. И в результате возникло предложение восстанавливать ОГХ из доступнойинформации, изданныхпогранулометрическомусоставу,плотности, содержанию органического вещества, емкости обмена (что отражает минералогический состав) и другим свойствам. Восстановление ОГХ заключается в получении конкретных пар значений «pF-влажность»по традиционнымсвойствам почв. Для такого рода восстановления и были предложены педотрансферные функции. Физики почв любят говорить: «Педотрансферные функции превращают данные, которые у нас есть, в данные, которые нам нужны!»

Педотрансферными функциями в современном почвоведе-

нии называют зависимости, позволяющие восстанавливать основные гидрофизические функции почв прежде всего основнуюгидрофизическуюхарактеристику(ОГХ) потрадиционным, известным из материалов Почвенных служб или традиционно определяемым базовым свойствам почв.

Существуетнесколькоподходовопределенияпедотрансферных функций:

расчетОГХнаоснованиирассмотрениякапилляриметрических моделей почвы;

регрессионныеуравнения,связывающиеравновесныезначения «давление влажность»с помощью основных физических свойств;

регрессионные уравнения, связывающие параметры аппроксимации ОГХ с традиционными физическими свойствами.

Первый метод, как правило, основан на представлении о капиллярном строении порового пространства как образующегося между почвеннымичастицами,радиусыкоторыхизвестныизданныхпогранулометрическому составу. Форма и размеры частиц диктуют способ упаковки, а для каждого способа упаковки существует своя геометрическаямодельпоровогопространства.Вконечномитогеможно длякаждоготипаупаковкиопределитьраспределениедиаметровка- пилляров,адиаметрнапрямуюсвязанскапиллярно-сорбционнымдав- лением. Этот путь получения ОГХ на основании только гранулометрического состава почвы и геометрических представлений об упаковке частиц, к сожалению, не всегда дает хорошие результаты по вполне понятным причинам: простые геометрические представления об упаковке частиц далеко не всегда применимы к почве с ее особенностямипоровогопространства,образованногоагрегатамиразличногопорядка,биопорами,трещинамиидругимиспецифическими почвеннымиобразованиями.

Второй подход наиболее распространен в современных исследованиях. На ОГХ выделяют несколько характерных точек. Как правило, это давление влаги, равное 15000 см водн. ст., или pF=4.18, которое связывают с влажностью завядания; это давление влаги 330 см водн. ст. (pF=2.52), которое, как считают многие исследователи, соответствует наименьшей влагоемкости. Исходят из предположения, чтовлажность приуказанных давленияхбудет определяться гранулометрическим составом, содержанием органического вещества, плотностью почвы, емкостью катионного обмена (ЕКО) и минералогическим составом (выраженным нередко в виде отношенияЕКО/содержаниефизическойглины).Инаходятпомногочисленным экспериментальным данным зависимости влажности при конкретном давлении от указанных свойств почв. Для получения такого рода зависимостей требуется большой фактический материал, которыйнакапливаютвспециализированныхбанкахданных.Вполнепонятно,чтосозданиеинаполнениетакихбанков делоособойважности, которым заняты почвоведы во многих странах мира.

Итак, используя многочисленные экспериментальные данные гранулометрического состава и ОГХ, методом наименьших квадратовнаходятэмпирические коэффициенты b1, b2, b3, b4,ит.д.множественнойрегрессии,напримертакоговида: