Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

i b1i b2i песок b3i пыль b4i ил b5i С b6i b b7i ЕКО

где i относится к одной из равновесных точек pF– на ОГХ, а – доля соответствующей фракции в гранулометрическом составе почвы по международной классификации, С содержание органического вещества, b плотность почвы, ЕКО емкость катионного обмена.

При нахождении педотрансферных функций по этому способу следует иметь в виду некоторые необходимые правила:

1.Необходимбольшоймассивданных поОГХипофизическим свойствам почв. Чем этот массив больше, тем достовернее получаетсяпедотрансфернаяфункцияопределенияОГХ.Большиемассивы данных по физическим свойствам необходимо накапливать, создаваяспециализированные банкиданных. Этоодна изнасущных задач мировойфизикипочв.

2.Наиболее надежныепедотрансфункцииполучаются, еслиисходные данные систематизированы для конкретного района, почвенного типа (подтипа, рода, который в основном определяет гранулометрическийсостав),горизонта,структурыитекстуры(группировка по гранулометрическому составу). Этот принцип носит название «предварительнойгруппировки»,соблюдениекоторогонеобходимо.

3.При таком подходе удается достичь величины средней квадратическойошибкиопределениявлажностидо0.07 0.02см3/см3 при давлениях влаги 330 15000 см водн. ст. Это достаточно высокая точность определения влажности для многих практических задач.

И, наконец, о третьем подходе к получению педотрансферных функций. Он также включает расчет регрессионных уравнений, но связывающихпараметрыаппроксимацииОГХстрадиционнымифизическими свойствами. Этот подход основан на том, что ОГХ удается описать плавной функцией, т.е. аппроксимировать математическимуравнением.Есливыбран видфункциидляаппроксимации, тов этой функции всегда есть некоторые параметры коэффициенты, степени или свободные члены выбранной функции. Так, для ОГХ одногопочвенного образца эти параметры получают приаппроксимации конкретное числовое значение. Если возьмем ОГХ для другогопочвенногообразца,топослеаппроксимациитойжесамойфункцией возникнут несколько иные числовые значения параметров.

Такимобразом,используяодинизосновныхпринциповфизики почв о взаимосвязи фундаментальных свойств, явлений и процессов в почвах, удается достаточно надежно определять такую сложную, ночрезвычайноважнуюпочвеннуюфункцию основнуюгидрофизическую характеристику по педотрансферным функциям. При этом наилучшие результаты получаются, если знать заранее тип почвы или класс по гранулометрическому составу и использовать для восстановления определенные точки на ОГХ почвенно-гидрологичес- кие константы, положение которых определяется теорией А.Д.Воронина.Однакоприиспользованиилюбыхподходовповосстановлению ОГХизтрадиционныхпочвенно-физическихсвойствследуетпомнить, чтоточность,устойчивостьопределенияпедотрансферныхфункций может быть достигнута лишь при использовании большого фактическогоматериала,сгруппированногопогенетическимособенностям почв,горизонтов,материнскихпородипр.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) зависимость между капиллярно-сорбционным давлением влаги и влажностью.Физическиеобразы(модели),формирующиеформу и положение этой кривой, это (1) капиллярная модель;

(2)понятиеорасклинивающемдавлении,восновекотороголежит представление о диффузном слое сорбированных ионов;

(3)молекулярная модель формирования давления влаги под действиемсилразличнойприроды.Восновномжеэтосорбционные силы, связанные с поверхностями раздела твердая фазапочвенный раствор почвенный воздух. Эти модели-образы дополняют друг друга в различных областях ОГХ, создавая единую характеристику почвы.

2.ОГХ однаизважнейшихзависимостейдляпочв.Онаиспользуется для (1) сравнительной оценки изменения физического состояния почв, так как изменяется в зависимости от гранулометрического,минералогического,агрегатногосоставов,плотности почвы,минерализации и состава солей,количества и качества органического вещества; (2) оценки распределения объемов пор по их диаметрам, которая основана на капиллярноймоделипочвенныхпоринауравненииЖюрена;(3)оценки

почвенно-гидрологическихконстант,которыесвязаныопреде- ленными уравнениями с соответствующими. давлениями влаги. Для этой процедуры предпочтительнее метод «секущих» Воронина.ДифференциальныйвидОГХ изменениевлажнос-

типочвыприизменениидавления(потенциала)влагипредставляет собой по существу кривую распределения пор по размерам и носит название дифференциальной (удельной)

влагоемкости C( ,Pк-с) d . dPк-с

3.Зависимость между капиллярно-сорбционным давлением и влажностью (ОГХ) неоднозначна вследствие явления гистерезиса: ОГХ, полученная при иссушении образца, имеет более высокую влажность при одном и том же давлении влаги, чем ОГХ,полученнаяприувлажненииобразца.

4.Для экспериментального определения ОГХ во всей области давлений влаги приходится использовать несколько групп методов: капилляриметрический и тензиометрический для давлений (в единицахpF) от 0 до 2.9, методмембранного пресса от 0 до 4 5 и метод сорбционного равновесия (гигроскопический метод) от 4.2 до 6.5. В ряде случаев достаточно использоватькапилляриметрическийигигроскопическийметодыпри последующем расчете или аппроксимации «средней» части ОГХ (pF от 2.9 до 4.2).

5.Педотрансферными функциями в современном почвоведении называют зависимости, позволяющие восстанавливать основныефизическиефункциипочв, преждевсегоОГХ,потрадиционным, известным или легко определяемым свойствам почв. НаилучшиерезультатывосстановленияОГХпофундаментальным физическим свойствам достигаются, если знать заранее тип почвы, класс по гранулометрическому составу и находить попедотрансфернымфункциямопределенные«опорные»точки на ОГХ в виде почвенно-гидрологических констант.

Литература

Воронин А.Д.Структурно-функциональнаягидрофизикапочв.М.:Изд-во Моск.ун-та,1984.

Глобус А.М.Экспериментальнаягидрофизикапочв.Л.:Гидрометеоиздат,

1969.

Гл о б у с А. М. Почвенно-физическое обеспечение агроэкологических математическихмоделей.Л.:Гидрометеоиздат,1987.

Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств почв / Подред.Е.В.Шеина.М.:Изд-воМоск.ун-та,2001.

С у д н и ц ы н И. И. Движение почвенной влаги и влагообеспеченность растений.М.:Изд-воМоск.ун-та,1979.253с.

l

h

Sпочва

Q

Рис. VIII.1. Схема устройства для изучения фильтрации воды в почве

имеют эту размерность, представляющую величину слоя воды в единицу времени. Анри Дарси, измеряя расходы воды, параметры почвенных образцов, а также высоту перепада воды в подающем и приемном сосудах (h1 – h2= h), впервые заметил, что при фильтрации воды соблюдается следующее соотношение:

qw Kф lh ,

где Кф коэффициентфильтрации,а отношение h/l называетсягидравлическим градиентом, т.е. отношением гидравлического напора h к длине колонки. Фактически гидравлический градиент это потерянапора водына единицудлины фильтрующейколонки.

Очень важно отметить, что Кф имеет ту же размерность, что и поток влаги, т.е.см/сут, м/сут и т.д., но лишь в том случае, если гидравлический градиент является величиной безразмерной, т.е. когда и перепад, и длина колонки выражены в одних и тех же размерностях длины. Важно также, что коэффициент фильтрации равен потоку влаги при единичном градиенте. Поэтому нередко Кф называютскоростью фильтрациинаединицуградиента. Крометого (что тоже очень важно!), Кф является постоянной и характеристичнойдляданногопочвенногообъектавеличиной.Онотноситсякфундаментальным, базовым почвенным свойствам. Классифицируют обычно эту величину следующим образом (табл.VIII.1):

Приведенныевтабл.VIII.1градациикоэффициентафильтрации ориентировочные, в основном применимы для суглинистых почв. Песчаные почвы имеют обычно очень высокий коэффициент фильт-

рации>550см/сут.И есливэтих почвахКф будет составлять по этой классификации высокие значения (40 100 см/сут), то следует говорить о невысоких для песчаных почв коэффициентах фильтрации. В связи с этим ниже приведена добавочная таблица для различных по гранулометрическому составу почвенных объектов (табл. VIII.2).

Т а б л и ц а VIII.2

И в этом случае следует сделать несколько уточняющих дополнений. Во-первых, даже глинистая почва может иметь коэффициент фильтрации более 60 см/сут, так как она может быть хорошо оструктуренной, и эта структура – водоустойчивой. Например, такие величины встречаются в черноземах на глинах, на карбонатных материнских породах, в ферраллитных почвах. Или напротив, песчаные почвы могут иметь очень низкий Кф, до нескольких десятков или даже единиц см/сут. Это случается тогда, когда песчаные почвы слоисты, имеют прослойки более плотного (ожелезненного) песка или отличающиеся по гранулометрическому составу.

«Квопросуо»

АнриДарси(1803 1858)

Анри Филип Гаспар Дарси известен всем физикам почв, гидрологам, как автор основного закона движения влаги в насыщенной почве. Началом этого открытия можно считать 1833 г., когда муниципалитет г. Дижона обратился к молодомуинженеру-гидрологуспредложениемсоздатьпроекточисткигородс- кихвод.Проблемадействительнобылаостройинасущной:ужевтегодыДижон был одним из центров производства горчицы (дижонская горчица известна во всем мире до сих пор! Она обязательный компонент «высокой» французской кухни), кожевенного производства. Все водные источники, каналы, подземные водыэтогогородабыличрезвычайнозагрязнены.Необходимобылокак-тообу- строитьочистныесооружения,создатьфильтры. Имуниципалитет Дижонавыделил 55 тысяч франков для строительства очистных сооружений сумма по тем временам весьма и весьма солидная. Анри Дарси с неистовством принялся за порученную работу, проводя и лабораторные фильтрационные эк- спериментысразличнымипочвенно-песчанымисмесямидляочисткивод, исоздавая проект, и непосредственно в нем участвуя. Его энергия, воля, научная страсть привели к созданию первой в Европе системы городских очистных сооруженийсразличнымифильтрационнымизасыпками,расчеткоторыхонпроизводилнаосновеоткрытойимзависимостифильтрационногопотокаотградиента гидравлического напора. Впоследствии именно Дижон стал эталоном для всей Европы(инетолько!)созданияочистныхсооружений,красивыхфонтанныхансамблей,чистыхисточников.В1856 г. Дарсиопубликовалсвоинаучныерезультатыпо фильтрацииразличныхприродныхсред,используемыхдляочисткигородских вод. Эти достижения обессмертили его имя, и благодарные дижонцы назвали его именем центральную площадь и городские скверы, а также кинотеатр, остановку автобуса, аптеку, автостраду. На его могиле они выгравировали слова:«Онзадумалэтотпроект,сделалнеобходимыеисследования,произвелвсе работы, благодаря которым в Дижоне появилась в достатке чистая городская вода.Бесконечнаяблагодарностьеготалантуисамоотверженностиотегородного города».Можетлиистинныйисследовательжелатьбольшего?!

В самом общем случае следует считать, что если почвенный горизонт имеет коэффициент фильтрации 6 см/сут, то этот почвенный горизонт можно рассматривать как водоупорный, практически непроницаемый для воды (табл.VIII.1) вне зависимости от его гранулометрического состава и других свойств.

Важно также отметить, коэффициент фильтрации это свойство не только почвы, но и протекающей в почве жидкости, так как закон Дарси применим не только к воде, но и к другим жидкостям.

И в этом случае поток этой жидкости (ql) будет определяться коэффициентом фильтрации жидкости (Кl), плотностью ( l) и вязкостью ( l)этойжидкости:

ql Kl l g hl .

l l

Фильтрация движение жидкости в насыщенной этой жидкостью почве (двухфазной системе: твердая и жидкая фазы). Вотсутствиеспециальныхуказанийфильтрация этодвижение

( h)идлинаколонки(l)имеютодинаковыеразмерностидлины;

размерности Кф и qw также одинаковы [длина/время], например м/сут, см/сут.

Коэффициент фильтрации (Кф) это способность почвы проводить насыщенный поток влаги под действием градиента гидравлического давления. Обычно при градиенте давления, близком к единице.

Мы рассмотрели форму записи уравнения Дарси на основе тех экспериментов, которые проводил сам автор этого закона. В самом общем виде закон Дарси имеет следующую запись:

qw Кф dhdz ,

гдеdz расстояние,накоторомпроисходитизменениегидравлического давления, равного dh. Это расстояние может быть как в горизонтальном направлении (как в рассматриваемом случае с горизонтальной колонкой, когда оно равно l по оси x), так и любом другом (z по вертикалиилиy подругойгоризонтали).Подчеркивая,чтозаконДарси справедлив и для трехмерного переноса воды, записывают

qw Kф H ,

где H градиент гидравлического напора в трехмерном пространстве. Отметим, что произведение Кф H является произведением скалярной величины Кф на векторную H, и в этом случае поток qw тоже вектор,направлениекоторогоопределяетсявекторнойвеличиной.

А вот знак «минус» в вышеприведенном уравнении Дарси – феноменологический. Это означает, что в самом общем случае градиент движущей силы имеет направление от меньшего к большему, а поток движется от большего значения напора к меньшему, т.е. не совпадает с направлением градиента. Отсюда и минус в уравнении. Кроме того, в физике почв при рассмотрении движения по вертикали поток приобретает знак в зависимости от своего направления. Если он направлен вниз – отрицательный, вверх – положительный. Так как фильтрация осуществляется под действием градиента гидравлического давления, всегда движущего воду вниз, то получается, что поток должен иметь отрицательное значение. При решении фильтрационных задач по вертикальному переносу воды чаще всего не придерживаются этой строгости, а вычитают из большего значения напора меньшее, а знак в общей записи не учитывают. Так мы и будем делать при рассмотрении фильтрационных задач.

1.2. Виды фильтрации и фильтрационных задач

Обычно фильтрация воды в почве происходит в вертикальном направлении, с поверхности почвы в глубинные слои. Нередко так проводят и определение коэффициента фильтрации, используя вертикально расположенный почвенный монолит, на поверхностикоторогопостоянно поддерживаютопределенныйслой воды, а регистрируют количество вытекающей воды во времени с нижней границы фильтрующего монолита. На рис.VIII.2 этот монолит имеет длину l, а слой воды на его поверхности равен h1. В такой постановке опыта гидравлический градиент будет равен (h1 + l)/l, а поток воды

qw Kф h1 l l .

В этом случае градиент не равен единице, хотя отличается от нее не намного, что допустимо для экспериментальных определений. Кроме того, отметим, что в такой постановке эксперимента линиитока водырасположеныпараллельнодруг другу. Представленный случай один из многочисленных, это безнапорная линейная установившаяся ламинарная фильтрация. В реальных же условиях могут встречаться различные виды фильтрации:

•безнапорная(пригидравлическомградиенте,близкомк1)инапорная (градиент значительно превышает 1);