Файл: Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв.pdf

овы

ШШШ

Э. Ч А Й Л А С

ФИЗИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ

ГИДРО­

ЛОГИИ

почв

Г И Д Р О М Е Т Е О И З Д А Т ЛЕНИНГРАД • 1973

От редакторов перевода

Предлагаемая читателю книга принадлежит перу известного английского специалиста по гидрофизике почв Э. Чайлдса. В ори­ гинале она имеет название, звучащее по-русски не совсем обычно: «Введение в физические основы явлений почвенной влаги». Некото­ рая неопределенность этого названия вызвана, по-видимому, той неизбежной необходимостью, перед которой оказывается автор любой сколько-нибудь обширной монографии по гидрофизике почв: необхо­ димостью освещать весьма далекие друг от друга разделы физики, минералогии, физической и коллоидной химии, которые, однаро, все в той или иной мере оказывают влияние на почвенно-гидрофизй- ческие процессы.

Книга эта, по нашему мнению, ни в коей мере не заменяет, а лишь дополняет целый ряд монографий по данной проблеме, опубликован­ ных в последние годы советскими исследователями. В ней бодее подробно рассмотрено строение основных почвообразующих мине­ ралов, физические основы механического анализа почв, а главное — законы, управляющие движением и равновесием влаги в зоне между грунтовыми водами и дневной поверхностью применительно к про­ блемам мелиорации. Отличительной особенностью построения книги является наличие Дополнений, в которые вынесен более детальный вывод математических формул для читателей, желающих подробнее ознакомиться с количественной интерпретацией законов гидрофи­ зики почв.

Данное предисловие не может и не должно претендовать на роль рецензии, однако даже здесь нельзя не упомянуть о некоторых существенных изъянах в содержании книги. Один из них, особенно ощущающийся в разделах, посвященных методам измерения сосущей силы, состоит в том, что автор по сути игнорирует широко исполь­ зуемый современной гидрофизикой термодинамический подход к осве­ щаемым процессам и явлениям, ограничиваясь методами механики. Другой заключается в отсутствии анализа влияния растительности

в почти полном отсутствии ссылок на работы, выполненные в СССР.

Впрочем, ущерб, испытываемый от этого советскими читателями, невелик, поскольку им эти работы хорошо известны.

Наконец, стремление автора сделать книгу полезной как для читателей, не обладающих достаточной математической подготов-

кой, так и для лиц, знакомых со строгой формулировкой поставлен­ ных задач, привело, естественно, к тому, что некоторые излагаемые в книге выводы недостаточно корректны. В русском переводе эти неточности по возможности устранены или отмечены в примечаниях.

Автор дает «классическое» изложение рассматриваемых им про­ блем, как это обычно и бывает в трудах, основанных на лекционном курсе, и не касается тех «горячих» точек на карте гидрофизики почв, которые в ряде ситуаций ставят под угрозу добытые немалыми тру­ дами достижения этой науки. Примерами могут служить неньюто­ новское поведение почвенной влаги, приводящее к нарушению закона Дарси, а также «отклонение» закономерностей движения почвенной влаги от теории потенциала, наблюдающееся при сильно нестационарных процессах переноса.

Вцелом же монография Э. Чайлдса содержит достаточно строгое

исистематическое изложение затрагиваемых в ней вопросов. Можно надеяться, что она будет полезна широкому кругу читателей, интере­ сующихся проблемами гидрофизики почв, особенно ее мелиоратив­ ными аспектами, которые так актуальны в свете задач, стоящих сейчас перед народным хозяйством нашей страны.

А. Глобус, В. Янгарбер

Предисловие автора

В лекционных курсах, читаемых на различных факультетах университетов, затрагиваются обычно отдельные аспекты почво­ ведения. Систематически почвоведение излагается на сельскохозяй­ ственных факультетах. Однако некоторые разделы этой науки пред­ ставляют интерес также для инженеров, географов, ботаников и микробиологов. В этих разделах рассматриваются наиболее важ­ ные почвенные процессы, физические по своей природе, во многом определяющиеся физическими свойствами почв, которые зависят от взаимодействия твердых частиц и жидкости в почвенных порах. Таким образом, определенный раздел почвоведения относится к об­ ласти физики, притом физики весьма развитой и сложной.

Здесь становятся очевидны основные трудности, возникающие при рассмотрении явлений и процессов, связанных с почвенной влагой.

Запас знаний у интересующихся гидрологией почв весьма раз­ личен. Физики и инженеры хорошо знакомы с методами количествен­ ной логики и желают углубить знания, биологи же, как по природной сезо н н о сти , так и вследствие особенностей своей подготовки при­ выкли к совершенно иному изложению, поэтому среди них гидро­ логия почв заслужила репутацию науки сложной и непонятной.

Задача, возлагаемая на эту книгу, весьма ответственна. Она состоит в том, чтобы удовлетворить обе категории читателей, не наскучив одним и не утомив других.

Изложение начинается с наиболее элементарных представлений, не требующих специальной подготовки, и разворачивается далее в логической последовательности, охватывающей основную сумму современных знаний. Это изложение основано на курсе лекций, читаемых в течение ряда лет аспирантам сельскохозяйственного факультета Кембриджского университета. Такие аспиранты обычно принадлежат к числу лиц с биологическим уклоном, успешно вы­ державших специальный экзамен для получения академических наград в области естественных наук.

Хотя очевидно, что для достижения целей, стоящих перед этой книгой, необходима математическая трактовка, ясно и то, что она может серьезно нарушить непрерывность восприятия у читателя, который не в состоянии легко усваивать математические разделы. Поэтому там, где это возможно и допустимо, особенно в начальных

главах книги, подробные математические выводы выделены в отдель­ ные перенумерованные Дополнения, а в основной текст включены лишь главные результаты. Таким образом, при первом чтении, в случае необходимости, эти Дополнения могут быть полностью опущены. С другой стороны, читатель, уже имеющий общее пред­ ставление о рассматриваемой области, может уделить основное вни­ мание именно Дополнениям.

Создать подобную книгу невозможно без длительной, много­ образной и существенной помощи коллег. Данный труд не является исключением. Немалая доля излагаемого материала была получена сотрудниками автора — аспирантами, научными работниками, а также известными учеными, приглашавшимися для совместных исследований. Дискуссии, возникавшие при этом, были не всегда гармоничными, но неизменно приносили пользу. Этих коллег не­ трудно узнать по списку литературы, относящейся к последним годам, однако хотелось бы и здесь выразить им признательность.

Особое место нужно отвести д-ру Э. Янгсу и профессору Н. Кол- лис-Джорджу, поскольку им принадлежит наиболее существенный

были дискуссии с известными исследователями, посещавшими Кемб­ ридж. Среди них следует особо упомянуть д-ра Дж. Филипа, проф. Дж. Бодмэна, д-ра У. Гарднера, проф. Пола Рэя, д-ра П. Брюйна и покойного профессора В. Ван Вийка.

Э. Чайлдс

ГЛАВА 1

Строение веществ

1.1. Укладка частиц

Упоминание о повсеместном распространении природных кри­ сталлических веществ в начале книги о почвенной влаге может показаться отрывочным и неуместным. Однако наиболее прямо­ линейный подход к любой теме далеко не всегда является наиболее ясным и лаконичным.

Темой этой книги являются взаимодействие и связи между твер­ дой и жидкой составляющими почвы, а потому вряд ли будет лиш­ ним раздельное рассмотрение строения этих составляющих. Это рассмотрение проливает свет на упорядоченность расположения атомов и ионов, образующих кристаллическую структуру, успехи же рентгеноструктурного анализа и методов расшифровки дифрак­ ционных картин с каждым днем сужают число веществ, у которых нельзя обнаружить признаков кристаллической структуры.

Характер упаковки частиц можно иллюстрировать каким-нибудь общеизвестным примером. Если насыпать крупный песок в граду­ ированную мензурку, он займет некоторый кажущийся объем ѵѵ Если постучать дном мензурки о стол, песок уплотнится до меньшего объема. Дальнейшее встряхивание доведет в конце концов кажу­ щийся объем до минимальной величины ѵ2. Причина изменений очевидна, однако имеет смысл описать данный процесс в точных физических терминах. Это поможет выяснить уже не столь самооче­ видные причины существования различных типов упаковок, наиболее часто встречающихся в реальных условиях.

Силами, действующими на каждую частицу песка, являются: сила тяжести, направленная вниз; отталкивание соседних частиц, препятствующее сближению большему, чем касание; наложенная извне сила встряхивания. Не будем здесь рассматривать детально взаимное отталкивание. Практический опыт подсказывает, что силы отталкивания между твердыми телами ничтожны до тех пор, пока эти тела не соприкасаются, после чего отталкивание резко возра­ стает, так что требуется очень большое усилие, чтобы вызвать замет­ ное сжатие. Каждая частица песка стремится опуститься на дно мензурки. Сила тяжести, вес, есть выражение и мера этого стремле­ ния, являющегося примером общего закона, который состоит в том, что потенциальная энергия системы стремится к минимуму.

В нашем случае потенциальная энергия — гравитационная, ее мерой является высота слоя песка. Не каждая частица песка может достигнуть дна мензурки, так как сила тяжести, действующая на данную частицу, уравновешивается отталкиванием нижних частиц, двигающихся вниз первыми. Потенциальная энергия массы частиц

станет минимальной, когда центр тяжести окажется в наинизшем из возможных по­ ложений. Стенки мензурки препятствуют растеканию песка, обеспечивающему опу­ скание центра тяжести. Центр же тяжести цилиндри­ ческой массы находится на половине высоты ее оси, по­ этому понижение центра тя­ жести сопровождается пони­ жением «потолка» массы

песка, т. е. сокращением объема до возможного минимума. По­ скольку при уменьшении объема деформации частиц не происходит, оно осуществляется только за счет уменьшения пространства между частицами; в этом случае говорят, что масса плотно упакована.

Если повторить опыт, за­ менив песок большим коли­ чеством шариков одного раз­ мера, например калиброван­ ной дробью, окажется, что состояние наиплотнейшей упаковки соответствует неко­ торой определенной регуляр­ ной укладке сфер. Это пока­ зано на рис. 1.1. Дробь ле­ жит слоями, в каждом слое центры шариков лежат в вер­ шинах равносторонних тре­ угольников. Каждый шарик окружен шестью другими, которых он касается. Распо­ ложение шариков одного из слоев показано на рис. 1.2. На этом рисунке обнаружи­

вается также, что регулярность укладки является совершенной только, в пределах зон ограниченного размера. Любые три сферы, чьи центры лежат на вершинах одного из равносторонних треуголь­ ников, образуют гнездо, могущее содержать сферу второго слоя того же типа укладки. Поскольку из рис. 1.2 следует, что гнезд вдвое больше, чем сфер, оказывается, что только половина гнезд нижнего слоя содержит сферы верхнего слоя. Образующаяся укладка показана на рис. 1.3, где занятые гнезда обозначены

гнезд вызывает существование пор двух типов. В точках о простран­ ство между тремя сферами нижнего слоя блокировано сверху сферой вышележащего слоя, а в порах е пространство между тремя нижними сферами располагается под аналогичной порой между тремя сферами верхнего слоя, так что в этом месте можно беспрепятственно ввести

Рис. 1.3. Один слой плотно упакованных одинаковых шаров наложен на другой.

о — шар верхнего слоя, находящийся между тремя шарами нижнего слоя; е — участок между

тремя шарами нижнего слоя, не занятый каким-либо шаром верхнего слоя. В таких участках существует беспрепятственный проход сквозь оба слоя.

жесткий стержень сквозь оба слоя. Геометрия этих пор детально рассматривается в параграфе 2.2, а ее значение — в параграфе 2.3. Кроме того, имеются области, отмеченные символом о', в каждой из которых сфера нижнего слоя входит в гнездо между тремя сферами верхнего слоя. Эти области подобны областям о, но ориентированы в противоположную сторону. Изучение рис. 1.3 показывает, что на каждую область е приходится две области о или о'.

Далее можно рассмотреть третий слой и обнаружить, что в этом слое возможны два альтернативных размещения шариков. Они могут входить в гнезда либо над областями е, либо над областями о'. В первом случае сквозной проход сквозь нижнюю пару слоев блоки­ руется сферой третьего слоя, в последнем сквозной проход сохра­ няется. Очевидно, что оба типа укладки не различаются по плот­ ности, поскольку оба они —наиплотнейшие. По причинам, которые