книги из ГПНТБ / Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв

Действительно, картина такого рода, показанная на рис. 8.14, и наблюдалась Скофилдом [138]. Можно сослаться также на препа­ раты, исследовавшиеся Варкентином, Болтом и Миллером [167].

8 .8 . Различные механизмы потери влаги одним и тем же материалом

При определенных условиях вода может уходить из материала, вызывая эквивалентное замещение воздухом в одной части интервала

воздуха в поры, а частично — одновременной усадкой. Рассмотрим структурную глинистую почву, состоящую из агрегатов, внутри­ агрегатная пористость которых и количество удерживаемой ими воды J; определяются равновесием двойных слоев, тогда как меж­ агрегатная пористость определяется геометрией укладки агрегатов. Увеличение сосущей силы от нулевого значения (полное насыще­ ние) вызовет некоторую усадку агрегатов, а также втягивание по­ верхности раздела вода — воздух в межагрегатное пористое про­ странство. При обычных размерах агрегатов и комков порядка мил­ лиметра — сантиметра и случайной укладке их, возникающей при обработке пахотного слоя, межагрегатные поры велики и опусто­ шаются при малых сосущих силах — порядка сантиметров водяного столба [уравнение (8.3а)]. При таких сосущих силах агрегаты и комки теряют сравнительно мало воды за счет усадки. Поэтому на ранних

стадиях сушки потеря воды сопровождается эквивалентным заме­ щением воздухом, а влажностную характеристику, в соответствии с изложенным в параграфе 8.4, можно рассматривать как свидетель­ ство распределения структурных пор по размерам. В качестве ил­ люстрации на рис. 8.15 начальные участки влажностной характери­ стики глинистых агрегатов фракции 1 — 2 мм сопоставлены с влажно­ стной характеристикой зерен песка тех же размеров. Единственная существенная разница между обеими кривыми состоит в том, что первая смещена по отношению ко второй в направлении большей влажности, причем различие влажностей связано, конечно, с водой, удерживаемой внутри агрегатов; эта вода будет потеряна при усадке, вызванной более высокими сосущими силами.

Рис. 8.17. Дифференци­ альные влажностные ха­ рактеристики до и после разрушения непрочной структуры почвы.

Цифры обозначают стадии разрушения.

На рис. 8.16 сопоставлены влажностные характеристики почвы различных горизонтов одного и того же профиля с нарушенным при­ родным сложением. Это глинистая луговая почва. Отчетливо про­ слеживаются различия в межагрегатной пористости. На рис. 8.17 показаны дифференциальные влажностные характеристики (т. е. рас­ пределение пор по размерам) агрегатов до и после разрушения,. вызванного сушкой и быстрым увлажнением. Очевидно, что межагре­ гатная пористость у одного из образцов изменилась в большей сте­ пени, чем у другого. Таким образом, влажностные характеристики» являются эффективным средством исследования структуры и ее прочности.

Полной противоположностью является глина, начисто лишенная межагрегатной пористости. В маловероятном случае равной тол­ щины и параллельности всех ее пластинок увеличение сосущей силы, вызовет сближение пластинок до минимального расстояния между: ними, так что потеря воды будет сопровождаться усадкой вплоть: до ничтожных влажностей. В более вероятном случае пластинок различной толщины, расположенных более или менее произвольно,: контакт между некоторыми из них возникнет, когда другие будут еще отделены друг от друга заметным расстоянием. Усадка закон-, чится, когда в пористом пространстве будет содержаться значитель­ ное количество воды, а дальнейшее увеличение сосущей силы вызовет искривление поверхности раздела вода — воздух и потерю влаги, сопровождающуюся вступлением эквивалентного объема воздуха в пористое пространство. Указание на конкретный механизм удаления влаги содержится в кривых усадки.

На рис. 8.18 показана гипотетическая кривая такого типа. Взят некоторый объем насыщенной почвы, и для последовательных значе­ ний сосущей силы измерен объем вытекшей воды и объем усажива­ ющейся почвы. При этом получена кривая ABD. Часть кривой, соот­ ветствующая идеальной эквивалентности между потерей влаги и усад­ кой почвы, представляет собой прямолинейный отрезок A B с наклоном 45° при равенстве масштаба обеих осей; каждый кубический санти­ метр влагопотерь сопровождается усадкой почвы на один кубик. Если бы эквивалентность усадки и влагопотерь сохранялась до конца, график был бы прямолинейным (линия АВС), а конечный объем

ОС был бы равен объему твердой фазы, поскольку почва в этот мо­ мент уже сухая. Если, однако, усадка заканчивается на проме­ жуточном этапе в точке В, то участок BD параллелен OG, по­ скольку далее объем почвы по­ стоянен. В любой промежуточ­ ной фазе Н при влагосодержании OL при эквивалентной усадке объем был бы равен LJ, а фактически он равен LH. Следовательно, отрезок JH, ха­ рактеризующий отсутствие усадки после стадии В, пред­ ставляет объем воздуха, всту­ пившего в почву после этой стадии процесса. Поэтому, экс­ траполируя участок А В к точке С, можно интерпретировать кривую следующим образом.

Ордината EG любой точки Е линии А В состоит из величины GF (равной ОС), представляющей собой объем твердой фазы, и FE, пред­ ставляющей объем удерживаемой воды. Ордината LH любой точки Н линии BD состоит из величины LK (равной ОС), являющейся объе­ мом твердой фазы, участка K J (где J есть точка пересечения с АС), представляющего объем удерживаемой влаги, и остатка J H — объема почвенного воздуха. Влажностную характеристику, рассматривае­ мую одновременно с кривой усадки, можно интерпретировать либо в терминах сжатия двойных слоев, либо в терминах распределения пор по размерам, в зависимости от указаний на механизм обезвожи­ вания, содержащихся в кривой усадки при данном значении сосущей силы. Так, по рис. 8.13, где показана не только влажностная харак­ теристика каолина, но и его кривая усадки, можно заключить, что вся влажностная характеристика, полученная в этом опыте, соот­ ветствует режиму эквивалентной усадки и должна быть интерпрети­ рована в свете теории Гуи. Если бы влажностная характеристика была продолжена до больших сосущих сил, ее можно было бы истол­ ковать в терминах распределения пор усевшей глины по разме-

рам и проникновения поверхности раздела вода — воздух в пористое пространство.

В этом примере наблюдался резкий переход от усадки к проникно­ вению воздуха в поры, но в опытах с глинистыми почвами переход от одной стадии к другой часто бывает плавным. В области частичной усадки (т. е. усадки, объем которой меньше, чем объем удаленной

ставляет зависимость влажности почвы от сосущей силы. В условиях,

с давлением в окружающей почве на том же уровне. Следовательно, давление на глубине d под уровнем грунтовых вод и в воде, и в почве, если они находятся в равновесии, соответствует напору d водяного столба; в единицах CGS давление равно gpd, где р — плотность воды. Точно так же на высоте h над уровнем грунтовых вод давление мень­ ше, чем на уровне грунтовых вод, на величину напора h, т. е. имеет место сосущая сила, величина которой измеряется высотой h.

Если в почву на высоте h ввести тензиометр, описанный в пара­ графах 7.2 и 7.3, а манометрическую трубку опустить в скважину, как показано на рис. 8.19, то вода в зоне тензиометра будет находиться

в равновесии с водой в прилегающей почве, поскольку в про­ тивном случае происходила бы вечная циркуляция воды в системе. Сосущая сила в тензиометре, очевидно, равна h, и такова же поэтому сосущая сила в почве на той же высоте. Мера высоты над уровнем грунтовых вод есть также мера сосущей силы, а поскольку сосущая сила связана с влажностью почвы, график зависимости влажности от высоты над уровнем грунтовых вод есть в то же время график за­ висимости влажности от сосущей силы. Первый из них называется влажностным профилем почвы. Таким образом, равновесный влаж­ ностный профиль почвы изображается той же кривой, что и харак­ теристика почвенной влаги. Для движения влаги необходимо изме­ нение градиентов давления по сравнению с равновесными, поэтому сказанное выше не имеет отношения к профилям, в которых наблю­ дается передвижение влаги.

В тех случаях, когда на влажностной характеристике четко вы­ является сосущая сила, при которой прекращается насыщение почвы, профиль влажности обладает таким же свойством, а именно сохра­ няет практически полное насыщение до вполне определенной высоты над уровнем грунтовых вод; а выше почва резко переходит в ненасы­ щенное состояние. Насыщенную зону над уровнем грунтовых вод, в которой наблюдается сосущая сила, называют капиллярной каймой. Хотя верхний предел капиллярной каймы представляет не вполне определенную поверхность и в некоторых почвах не может быть ука­ зан даже приблизительно, за верхнюю границу капиллярной каймы часто для удобства принимают зону, в пределах которой наблюдается резкий переход к ненасыщенному состоянию.

8.10. Равновесный профиль влажности в центрифуге

Объект, вращаемый в центрифуге, испытывает центростремитель­ ное ускорение, которое может во много тысяч раз превышать ускоре­ ние силы тяжести g (параграф 5.7 и Дополнение 6). Представим, что таким объектом является образец почвы, находящийся в контейнере с перфорированным дном, позволяющим проходить воде, а дно упи­ рается во внутреннюю поверхность ротора центрифуги, как пока­ зано на рис. 8.20. Если образец сначала насыщен, вращение центри­ фуги заставляет центробежную силу вытеснять воду наружу, благодаря чему она вытекает через дно контейнера. Отсутствие кри­ визны поверхности вытекающей воды указывает на то, что гидроста­ тическое давление в основании образца исчезающе мало. Ситуация аналогична вытеканию воды под действием силы тяжести из верти­ кальной колонки к уровню нулевого давления — уровню воды.

Когда в центрифуге достигается равновесие, в образце возникает профиль влажности, который имел бы место при дренировании воды из почвы в грунтовые воды в таком мире, где сила тяготения во много раз превосходит земную. Пусть центростремительное ускорение равно Ng, где N — число, определяемое скоростью вращения и ра­ диусом ротора центрифуги. Тогда на расстоянии h от основания

образца, или от уровня воды, сосущая сила будет равна (Ng) /гр, т. е. имеется напор слоя h в гравитационном поле напряженностью Ng. Очевидно, что эту сосущую силу можно выразить также как (Nh) gp, т. е. она равна сосущей силе, существующей на высоте N h

вземном гравитационном поле g. Фактически профиль влажности

вобразце толщиной Н есть сжатый профиль толщиной NH, образу­ ющийся при стекании в грунтовые воды под действием земной силы тяжести. Следует особо подчеркнуть, что центрифугирование не соз­

меняется в соответствии с влажностной характеристикой. Ничего

средняя влажность должна быть приблизительно равна влажности

положения, нашли, что эквивалент влажности более близок к влаж­ ности при меньшей сосущей силе, а именно от половины до трети атмосферы (500—350 см вод. ст.), в зависимости от механического состава почвы. Этот вывод согласуется с хорошо известным фактом, согласно которому у большинства влажностных характеристик основ­ ная часть влагосодержания приходится на малые сосущие силы. Поэтому средняя влажность образца в центрифуге должна быть больше, чем влажность на полувысоте, в соответствии с меньшей

с водой в центрифужной пробирке. При этом сохраняется непре­ рывность водных связей в системе пробирка — поры диска — об­ разец. Если вращение центрифуги создает центростремительное ускорение Ng, а высота образца над свободной поверхностью воды в пробирке равна h, то сосущая сила на этой высоте есть Ngh. Поскольку величину N можно регулировать, сосущую силу можно менять по желанию, определяя влажностную характеристику путем взвешивания образцов. Профиль влажности фактически устанавли­ вается в образце и в опорном пористом диске, хотя материал послед­ него подбирают так, чтобы фильтр по возможности оставался пол­ ностью насыщенным и обеспечивал легкий отток влаги при центри­ фугировании. Отметим, что длинной пористой колонкой можно было бы в принципе заменить трубку тензиометра и тем самым расширить пределы его применимости за 1 атмосферу. Однако это настолько удлинит время достижения равновесия, что использование такого прибора станет непрактичным. Усиление гравитационного поля в центрифуге позволило бы сократить длину керамической колонки. 1

8.11. Пластинный и мембранный прессы

Ранее мы характеризовали гидростатическое равновесие почвен­ ной влаги с помощью той разности давлений между почвенной водой и окружающей атмосферой, которая необходима, чтобы поддерживать данную влажность почвы. В инертной почве, например в песке, для поддержания кривизны раздела вода — воздух, выпуклой по от­ ношению к воде, давление в последней должно быть меньше, чем в воздухе. В коллоидальном материале давление в воде должно быть меньше, чем в воздухе, для того, чтобы обеспечить силу сбли­ жения частиц, противодействующую силам их взаимного отталкива­ ния.

Абсолютные значения давления внутри и снаружи почвенной вла­ ги не имеют значения. Поскольку часто давление воздуха, контакти­ рующего с почвой, равно атмосферному, а внешний объем воды, применяемый для измерения давления почвенной влаги, находится при давлении меньшем, чем атмосферное, говорят о сосущей силе поч­ венной влаги. Однако гораздо проще закрыть камеру с почвой в при­ боре, показанном на рис. 7.2, и увеличить в ней давление воздуха,

1 Один из не отмечавшихся ранее недостатков метода определения влажност­

ной характеристики на центрифуге состоит в том, что центробежная сила, дей­ ствующая не только на воду, но и на массу самой почвы, вызывает уплотнение последней тем большее, чем больше центробежная сила. Поэтому при различ­ ных ускорениях меняется система пор в почве, и полученные данные нельзя отнести к исходной почве. Сказанное почти не касается песчаных почв. — Прим, перев.

за изменениями влажности в этой точке, так что в данном отношении установка тензиометра имеет определенные преимущества. Исполь­ зуя тензиометр, обычно калибруют его непосредственно по влажности.

Принцип тензиометра можно применить и косвенно, помещая в почву пористое тело, влажностная характеристика которого из­ вестна. В качестве таких сорбционных тел обычно используют гип­ совые блоки, но в последние годы применяют также датчики из стек­ ловолокна и нейлона. Почва, в которую помещен блок, имеет сосу­ щую силу, соответствующую ее влажности, и она сообщает эту сосу­ щую силу сорбционному блоку. Последний приобретает влажность, эквивалентную этой сообщенной сосущей силе в соответствии со своей влажностной характеристикой. Затем можно различными спо­ собами измерить влажность блока, а по ней найти влажность почвы— обычно с помощью прямой предварительной калибровки.

В варианте, предложенном Дэвисом и Слейтром [54], погружае­ мый в почву блок состоит из конуса, плотно входящего в коническое отверстие приемной части, постоянно находящейся в почве. Конус легко извлекается на поверхность по смотровой трубе и затем взве­ шивается. В другом методе измеряется электрическое сопротивление или емкость между электродами, вмонтированными в сорбционный блок [4, 15—17, 46, 70]. Как сопротивление, так и эффективная емкость зависят от влажности сорбционного блока и в конечном счете могут служить показателями влажности почвы.

Слейтр и Брайант [143] сравнили эти методы с методом термостат­ ной сушки и указали, что каждый из них имеет свои пределы приме­ нимости. Тензиометры особенно удобны при высоких влажностях, взвешиваемые датчики работоспособны в весьма широком интервале, а блоки сопротивления полезны при обширных ігсследованиях, когда не обязательна высокая точность. Следует отметить, что эффективная (кажущаяся) емкость между электродами, которую обычно и измеряют, есть не что иное, как косвенный показатель сопротивления, которое поэтому лучше измерять непосредственно [23].

Точность измерения влажности почвы по сосущей силе с по­ мощью сорбционного блока зависит частично от формы влажностной характеристики почвы, а частично — от формы влажностной харак­ теристики датчика. На тех участках влажностной характеристики почвы, где значительные изменения сосущей силы слабо влияют на влажность, т. е. на самом влажном и самом сухом участках, чувствительность может быть излишне велика, тогда как в средней части очень крутой характеристики, когда при небольшом измене­ нии сосущей силы влажность меняется сильно, точность может быть недостаточна. Метод наиболее удобен для почв с умеренно крутыми влажностными характеристиками, у которых заметное плавное и не слишком быстрое изменение влажности происходит в весьма широком интервале сосущей силы.

При использовании сорбционных блоков их влажностные харак­ теристики должны соответствовать влажностной характеристике почвы, чтобы и блок, и почва теряли основную часть содержащейся в них влаги в одном и том же интервале изменений сосущей силы.

Когда дело обстоит иначе, то в то время, когда почва теряет основную часть своей влаги, состояние блока изменяется незначительно, и его чувствительность мала именно тогда, когда она больше всего необ­ ходима. И нет никакой выгоды от того, что блок теряет свою влагу, когда состояние почвы изменяется слабо, ибо здесь его чувствитель­ ность велика, но бесполезна.1

Здесь уместно упомянуть, хоть это и не имеет прямого отношения к статическому равновесию почвенной влаги, о разработке двух других способов измерения влажности почвы, которые совершенно не связаны с сосущей силой. Шоу и Бэвер [141] предложили в этих целях использовать зависимость теплопроводности почвы от ее влаж­ ности, а де Фрис [166] разработал соответствующую теорию и прин­ ципы конструкции прибора. Сущность метода состоит в том, что при работе электронагревателя в почве его температура поднимается быстрее в том случае, когда тепло сохраняется в нем, чем тогда, когда оно отводится средой. Влажные почвы лучше проводят тепло, чем сухие, поэтому скорость увеличения температуры нагревателя по­ стоянной мощности можно путем прямой калибровки использовать в качестве меры влажности почвы.

Другой метод основан на замедлении быстрых нейтронов ядрами водорода [75]. Если частица упруго соударяется с другой частицей гораздо большей массы, то, в соответствии с законами сохранения энергии и количества движения, она отскакивает почти без потери скорости. Но если происходит соударение частиц, массы которых сравнимы, энергия делится между ними и налетающая частица за­ медляется. Нейтрон имеет приблизительно ту же массу, что и атом водорода, но он легче, чем атом большинства других элементов, встречающихся в почвах. Поэтому способность почвы замедлять быст­ рые нейтроны есть мера содержания в ней водорода, а так как основ­ ная часть присутствующих в почве атомов водорода приходится на воду (если не считать высокогумусных или торфяных почв), то эта способность есть также мера содержания воды в почве.

Прибор для измерения эффективности замедления нейтронов в почве состоит из источника быстрых нейтронов (например, смеси полония и бериллия или радия и бериллия), установленного в ци­ линдрическом зонде рядом с хорошо экранированным детектором медленных нейтронов. Зонд погружают в скважину, и поток испу­ скаемых быстрых нейтронов замедляется, образуя облако нейтронов, диффундирующих в тепловом равновесии с почвой, т. е. с тепловыми скоростями, вплоть до их поглощения путем захвата. Таким образом быстро устанавливается равновесное распределение медленных ней­ тронов, при котором их концентрация уменьшается с увеличением расстояния от зонда. Во влажных почвах, обладающих большей замедляющей способностью, тепловые нейтроны более сконцентри­ рованы у зонда, а в сухих почвах, являющихся худшими замедлите­

1 Блоки, состояние которых резко изменяется в узком интервале сосущей

силы, могут служить датчиками в автоматических системах управления водным режимом поля. — Прим, перев.