Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

ния веществ в почве. Эти особенности проявляются в том, что если вещество-метку подать на поверхность почвы вместе с впитывающейся водой, то это вещество можно обнаружить на больших глубинах и локально в отличие от того, как это предполагают классические теории. Явление переноса веществпо отдельным водным «тяжам», каналам получило название «преимущественных путей переноса» («preferential flow»). Специфический перенос веществ характеризуется несколькимимоментами:(1)миграциейводыивеществ,отличающейся отидеальной,т.е.подчиняющейсярассмотреннымвэтойкнигезаконам движенияводыивеществ;(2) практическимоментальнымвсравнении собщимвнутрипочвеннымпередвижениемвеществ,преждевсеговоды;

(3)заметнымизменениемсорбционныхпроцессовотихполногоотсутствияпридвижениипомакропорамитрещинам,доувеличениясорбции

вслучаеразвитияпреимущественныхпутейфильтрации;(4)относительнойстабильностьюподобногородапочвенныхканалов.

Итак, преимущественный перенос веществ это обобщенное понятие разнообразных процессов, характерной чертой которых являетсяотличиеихот«идеальных»,описываемыхклассическимиуравнениями Дарси, Фурье и др. Это явление не является недавним открытием в физике почв. Его качественно описали Лайвес, Гилберт и Уорингтонв1882г. (Lawes, Gilbert, Warington,1882),которые вовре-

мя исследований дренажных вод в Ротамстеде отметили различие

вдвижении воды в хорошо структурированных почвах с ярко выраженной межагрегатной порозностью и в бесструктурных почвах.

Причиныформированияпремущественныхпутеймиграции,как ужеуказывалось, разнообразны.Одним изнеобходимых условийявляется существование некоторого, пусть небольшого, напора влаги. То есть преимущественные потоки влаги проявляются при малонапорнойфильтрации.

Оказывают влияние строение и свойства почвы. Нередко отмечается образование преимущественных путей миграции в почвах, в которыхрыхлыйповерхностныйслойподстилаетсяболееплотнымили тяжелым по гранулометрическому составу горизонтом (рис.XVIII.1а, поХиллелуиБэйкеру).Наблюдаютсяпреимущественныепутимиграции влаги в песчаных почвах, на отдельных частичках которой сформировалась гидрофобная пленка, при чередовании слоев различного гранулометрического состава (рис.XVIII.1, б, Рийтема с соавт.). В пахотных почвах, при формировании плужной подошвы, при заметном пространственномварьированиифизическихсвойствтакжеформируются преимущественные потоки влаги и веществ (рис. XVIII1, в).

Впрочем, преимущественные пути миграции явление не обяза- тельносвязанноесособенностямистроенияпесчано-глинистойпочвы илисуникальностьюгидрофобныхпленок,покрывающихповерхность частиц. Оно, по всей видимости, всеобщее, учитывая, что в любой структурированной суглинистой почве всегда имеются возможности для выявления преимущественных путей даже в процессе стационарной,ламинарнойплановойфильтрации.Этивозможностисвязанысналичием макропор, неоднородностью пространственного распределенияфильтрующейпорозностипочвы,наличием«тупиковых»пор.

Преимущественныепути миграции обобщенноепонятие раз-

нообразныхспецифическихпочвенныхявлений,характеризующееся заметным отличием движения воды и веществ от «идеального» и связанного с формированием отдельных водных «тяжей», каналовпомакропорамитрещинам,водных«пальцевидныхструктур»,нестабильностьюфронтаувлажнения,прикоторомдвижение веществ является более быстрым, чем в основной массе почвы, заметно изменяются сорбционные процессы от их полного отсутствияпридвижениипомакропорамитрещинамдопреимущественнойсорбциивтранспортныхзонахпрималонапорнойфильтрации растворов. Причинами этогоявления могут быть следующие:

1)формирование отдельных «водных каналов», линий преимущественного потока, «пальчатых структур» (англ. preferential flow, fingers), связанное с неравновесностью, турбулентностью водного потока (как правило, впесчаных почвах);

2)быстрыйпереноспо«проводящим»зонампоровогопространства (макропорам, трещинам) с последующим обменом с «застойными»зонами;

3)неравномерностьпереносавлаги,связаннаяспространственной вариабельностью почвенных свойств.

Необходимым условием возникновения преимущественных путеймиграциивлагиявляетсяналичиенапорной(малонапорной) фильтрации.

Какотмечено,однойизпричинвозникновенияпреимущественных путей является пространственная неоднородность почвенных свойств еще одно уникальное почвенное свойство, над изучением которогоработаютмногиефизикипочв,чтопослужилодажеформированию нового раздела науки – педометрика.

Дополнительная литература

Дмитриев Е.А.Теоретическиеиметодологическиепроблемыпочвоведе-

ния.М.:ГЕОС,2001.374с.

2. Пространственная неоднородность физических свойств и процессов

Почвы – это чрезвычайно неоднородный, разнообразный объект. Оказывается, если рассмотреть почвенный покров, то свойства почв в отдельных точках могут изменяться в весьма широких диапазонах, захватывая как благоприятные, так и крайние значения рассматриваемогопризнака.Например,насельскохозяйственномполе во Владимирском ополье, оказывается, в определенный момент времени можно найти участки как с повышенной влажностью, так и с достаточно сухой почвой (см. рис.X.8, б). Следовательно, водный режим на этих участках будет заметно различаться. Это уникальное свойство почвы, которое является источником и поддержкой биологического разнообразия в природе. Почва, вследствие своей неоднородной структуры, способна предоставлять условия для различных групп организмов, бактерий и других живых существ. Причем одновременно, распределяя эти условия по пространству. С этим явлением мы сталкивались, когда рассматривали формирование структуры почвы. На агрегатном уровне, внутри агрегата наиболее вероятны условиядляразвитияанаэробногоценоза,наибольшаянасыщенность основаниями, а в межагрегатном пространстве аэробный ценоз, поверхность агрегатов обогащена ионами Н иAl. Явление это чрезвычайно интересно, разнообразно, важно по своим последствиям и начинает активно изучаться повсеместно. Пожалуй, наиболее определенносформулировалэтипроблемыЕ.А.Дмитриев,которыйсвязывал режимы с почвенно-покровными телами, т.е. с почвенным покровом. Это важная проблема нашей науки в ближайшем будущем.

3. Многокомпонентный перенос в зоне аэрации

ив грунтовых водах

Внастоящей книге мы подробно разбирали движение влагивнасыщенныхиненасыщенныхпочвах.Однакодвигалисьтолько растворы. Нередко же может двигаться наряду с водой и газами и еще одна жидкость, не смешивающаяся с водой. Например, нефть. Общие принципы описания такого рода системы «твердая фаза почвы газообразная вода несмешивающаяся жидкость» таковы:

1. Объемные величины содержания воды и несмешивающейся жидкости лучше всего выражать в виде относительной величины насыщенностикак долиобъема поровогопространства, занятоговодой и несмешивающейся жидкостью.

2. Вода и несмешивающаяся жидкость передвигаются в направлениии поддействиемсобственногоградиентадавления:вода давления влаги, жидкость поддействием градиента давления этой жидкости.Дляжидкости иводынеобходимо иметь различныеОГХ.

3.Соответствующиеотносительныеемкостипоровогопространства для газа, воды и жидкости взаимосвязаны и определяются по правилутреугольника(рис.XVIII.2,а):чембольшевпочвеводы,тем меньше в ней заполненного газом и несмешивающейся жидкостью пространства; чем больше жидкости, тем меньше заполненного газом и водой и т.д. На треугольнике такого рода характерным признаком является наличие зоны с остаточной (неподвижной, адсорбированнойвлагой)влажностью,котораяпрактическивсегдаприсутствует в естественных почвах.

4. Проводимость для каждого из компонентов в поровом пространстве будет определяться и проводимостью других компонен-

тов (рис.XVIII.2, б).

Знаясоотношениедолейводы,газовойфазыинесмешивающейся жидкости, их проводимости, можно рассчитать потоки для соответствующих составляющих жидких фаз почвы. Для обеих жидкостей, как известно, будет справедливо уравнение Дарси, однако с учетом плотностиивязкостижидкости

где соответствующие индексы w и l относятся к воде и несмешивающейсяжидкости.

Таковыосновныепринципырасчетадвижениявмногокомпонентной системе «твердая фаза почвы вода несмешивающаяся жидкость газоваяфаза».Однаконапутиколичественногоописаниястатики и динамики этой системы чрезвычайно много проблем. В частности, проблемы расчета состава газовой фазы, двух- и трехмерные задачи и многие другие задачи, решение которых связано с проблемами загрязненияпочв иприродных водразличными органическими токсикантами и нефтью (см. Дополнительную литературу).

Дополнительная литература

Шестаков В.М.Прикладнаягидрогеология.М.: Изд-воМоск.ун-та, 2001. F e t t e r C. W. Contaminant hydrogeology. Second Edition. 1999. Prentice-Hall, Inc.,Simon&Shuster, New Jersey.

L u c k n e r L., W. M. S c h e s t a k o w Migration Processes in the Soil and Grounwater Zone. 1991. Lewis Publisher Inc., Leipzig.

Рис. XVIII.2. Треугольник соотношения долей воды, газа и несмешивающейся жидкости в поровом пространстве почвы (а) и соотношение относительных проводимостей воды и несмешивающейся жидкости (б)

4. Конструирование почв

Впоследнее время все больше возникает потребность

вопределенных почвенных конструкциях, имеющих конкретное целевое назначение. Это различного рода газоны (спортивные, декоративныеипр.),почвенныесмесидлявыращиваниядеревьевикустарников, конструкции для временных водоемов и пр. В различных почвенно-экологическихусловияхэтиконструкциидолжныучитывать и отдаленные экологические последствия в виде, например, засоления, осолонцевания,уплотнения, просадочностии пр.Возникает оптимизационная задача высокой сложности: создаваемая почвенная среда должна выполнять основные функции (служить оптимальной средой для развития растений, например), но с учетом возможных отдаленных последствий, которые могут возникнуть в связи с особенностямимикроклимата,литологии,гидрологииихимическогосостава вод и пр. На данный момент такого рода задачи решаются экспертным путем. Причем следует отметить многообразие и оригинальностьмногихрешений,атакжерешений,учитывающихместные особенности. Примерами могут служить и развитие капельного орошения, и использование различного рода мульчи для сохранения почвеннойвлаги,ииспользованиеконденсированнойвлаги(такиепримеры можно найти в данном «Курсе»). Однако возникает необходимость создания прогнозных моделей, в полной мере учитывающих целевое назначение почвенной конструкции и особенности конкретных условий. Таким образом, в будущем мы должны уметь рассчитатьвпочвеннойконструкциинеобходимоеоптимальноеколичество слоев, чередованиеэтих слоев,их гранулометрическийсостав, плотность и проч. Рассчитать так, как рассчитывают инженерные сооружения (мосты, здания и т.д.). Есть ли сейчас подходы к такого рода расчетам?

По-видимому,восноветакогородарасчетовдолжналежатьпро- гнозная модель движения влаги и веществ ведь конструкция должна выполнять конкретную цель: задерживать влагу, пропускать ее с определенной скоростью, удерживать необходимое количество веществ на заданной глубине и пр.

Аначать следует с того, что необходимо задать оптимальное содержание воды и воздуха в корневой зоне растений. Этот оптимум достаточно хорошо известен: воды не должно быть слишком много, чтобы растения не страдали от недостатка воздуха (ведь и корням растений нужен воздух), но и не испытывали засухи. Верхние слои должныобладатьповышеннымводоудерживанием, анижние отводить избыток воды после дождей (т.е. дренировать корнеобитаемый

слой). Это свойство, т.е. свойство высокой фильтрационной способности почвы, почти целиком определяется дисперсностью составляющих почву частиц или ее гранулометрическим составом. Если мы будем знать зависимость фильтрационных и водоудерживающих свойств от гранулометрического состава, то, исходя из известного оптимума, можем решить и обратную задачу: рассчитать состав смеси для корнеобитаемого и подстилающих слоев. Иначе говоря, подобрать определенное соотношение крупного и мелкого песка, тонкой пыли и совсем мелких илистых частиц, чтобы обеспечить оптимум удерживания и проведения воды и веществ в корнеобитаемом и подстилающих слоях. Основа такого рода расчетов функции зависимостиводоудерживаемостииводопроводимостипочвотгранулометрического состава, плотности, содержания и состава органического вещества т.е. известные нам педотрансферные функции.

Например,какможнорассчитатьоптимальноестроениепочвенного покрова для спортивного газона. Рассмотрим принципы этой почвеннойконструкции,приведенные нарис.XVIII.3.Водапопадает на поверхность поля в виде атмосферных осадков или искусственных поливов. Часть этой воды возвращается в атмосферу в виде испарения с поверхности почвы и транспирации с травяного покрова (слой I). Как уже говорилось, одна из задач конструкции корнеобитаемый слой (до 7–10 см) должен содержать оптимальное для растений количество воды. А воду сверх этого количества почвенная конструкциядолжнабыстро«сбрасывать»внижележащиеслои(слои IV и V), а затем в дрены (на рис. XVIII.3 изображены в виде светлых кружков).Вотпервоепротиворечие,котороенужноразрешить:должно быть необходимое для растений количество воды в слое II, и в то же время этот слой должен быстро пропускать через себя воду при интенсивных осадках. Увеличить влагозапасы можно добавлением мелких, пылеватых и илистых частиц, а условие высокой проницаемости для воды, напротив, достигается за счет крупных частиц песка.Второепротиворечие прочностноесостояниеверхнегослоякак механической подложки, с одной стороны, и наличие в нем воды ивоздухадляжизнирастений– сдругой.Оптимизацияэтихсвойств, включая и механическую прочность слоя I, и долговременную обеспеченность растений водой и воздухом, также может быть достигнута благодаря регулированию соотношения крупных и мелких минеральных иорганических частиц.

Для решения этой задачи надо знать среднемноголетнее количество осадков, педотрансферные функции и математическую модель переноса влаги из слоя в слой. Задав начальное оптимальное количе-

Рис. XVIII.3. Пример почвенной конструкции для спортивных площадок

ство воды во всем этом слоистом «почвенном пироге», рассчитывают динамикувлагивразличныхпочвенных слояхвтечениевсего вегетационного сезона.Если этадинамика влаги вуказанных слояхне удовлетворяетоптимальномудиапазону,необходимоизменитьсодержание составляющихкомпонентовпочвеннойсмесиврассматриваемомслое; соответственноизменятсяипедотрансферныефункции.Апослеэтого снова произвести расчеты движения воды и воздуха в почвенной конструкцииспомощьюпрогнознойматематическоймодели.Так,производя многочисленные поливариантные расчеты по варьированию состава почвенных слоев (гранулометрический состав, плотность, содержание органических компонентов и пр.), их мощности, находят оптимальное решение для планируемой конструкции, удовлетворяющеецелевомуназначениюэтойконструкции.

Таким образом, с помощью физически обоснованной модели переноса влаги, педотрансферных функций можно сконструировать