Файл: Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв.pdf

ГЛАВА 8

Гидростатическое равновесие почвенной влаги

8.1. Механизмы удаления влаги из почвы

Сосущая сила, необходимая для удаления воды из почвы, должна

влажностях контактируют друг с другом, удаление воды повлияет на общий объем незначительно. Небольшая усадка, которая может произойти при этом, вызывается только некоторым перемещением частиц, приводящим к более плотной упаковке. В этих случаях при уходе влаги из первоначально насыщенной почвы в поры должен поступать воздух, замещающий воду в пористом пространстве. Поскольку ненасыщенная почва проницаема как для воды, так и для воздуха, она проницаема также и для поверхности раздела этих фаз, а на этой поверхности раздела будут действовать силы поверхност­ ного натяжения.

Как показано на рис. 8.1, поверхности твердых частиц, соприка­ сающиеся с разделом фаз, в общем случае непараллельны. Поскольку вода смачивает частицы почвы и потому соприкасается с твердой поверхностью тангенциально, различные участки непрерывной по­ верхности раздела должны иметь наклоны, направленные в разные стороны. Следовательно, поверхность раздела должна иметь слож­ ную искривленную форму. Натяжение, действующее на поверхность жидкости, стремится поддерживать эту поверхность плоскорастяну­ той, поэтому кривизна ее может сохраняться только в том случае, если по обе стороны поверхности раздела существует разность да­ влений. Очевидно, что с той стороны, с которой поверхность раздела выглядит вогнутой, давление выше. Поверхность должна быть как бы «выдута» со стороны вогнутости, или «всосана» со стороны выпукло­ сти. На рис. 8.1 видно, что вода находится с той стороны поверхности раздела, с которой эта поверхность выглядит выпуклой, а поскольку воздух в порах связан с наружной атмосферой и потому находится под атмосферным давлением, которое обычно принимают за нуль, указанное состояние может представлять статическое равновесие только в том случае, если вода находится под действием всасывания. Функция сосущей силы, действующей на воду во влажной ненабуха­ ющей почве, состоит, таким образом, в поддержании кривизны

поверхности раздела вода — воздух. Параграф 8.2 посвящен рассмот­ рению зависимости между величиной сосущей силы и кривизной поверхности раздела. В параграфах 8.3 и 8.4 будут выведены зависи­ мости между сосущей силой и влажностью почвы.

Если почва тяжелая и состоит в основном из электрически заря­ женных мелких частиц типа глинистых минералов, то, как отмеча­ лось в параграфе 4.10, такие частицы взаимоотталкиваются и, если жидкости достаточно, стремятся отдалиться друг от друга. Когда влажность почвы понижается, эти частицы вынуждены сближаться теснее, чем если бы они находились при большей влажности. Удале­ ние воды сопровождается эквивалентным уменьшением общего объема,

Рис. 8.1. Криволи­ нейные мениски воды между почвенными частицами.

т. е. усадкой без входа воздуха во внутреннее пористое простран­ ство, а при стремлении частиц взаимоотталкиваться для сохранения уменьшившегося объема необходима сосущая сила. Следовательно, в набухающих и усаживающихся влажных почвах (так называемых коллоидальных почвах) функция сосущей силы состоит в преодоле­ нии взаимоотталкивания частиц. В параграфе 8 .6 будет рассмотрена зависимость между сосущей силой и влажностью почвы для таких условий.

Когда в почве остается так мало воды, что даже в случае коллои­ дальных почв большая часть пор заполнена воздухом, остаточная влага удерживается на поверхности частиц путем электрического притяжения отдельных молекул воды к этой поверхности или к тем водным диполям, которые уже закрепились на ней, как это описано

впараграфах 3.2 и 3.5. Сосущая сила, необходимая для дальнейшего обезвоживания, должна быть способна преодолеть это молекулярное притяжение и потому весьма велика.

Вода может удерживаться также и в других формах, например

ввиде гидроксильных ионов в структуре почвенных минералов. При вынужденном изменении структуры два таких иона, взаимодействуя, могут образовать молекулу воды, кислород же занимает место в оста­ точной структуре. Подобные коренные превращения требуют такой высокой сосущей силы для удаления воды, что они обычно осуще­

ствляются только при высоких температурах, порядка нескольких сот градусов. Поскольку происходящие при этом явления проливают свет в основном на химические свойства компонентов почвы, а не на физические свойства самой почвы, подобные явления и соответству­ ющий им диапазон сосущей силы здесь не рассматриваются.

8.2. Формы поверхности раздела вода — воздух в почве

Даже когда пористый материал состоит из частиц правильной формы и определенных размеров,например представляет собой укладку одинаковых шаров, форма поверхности раздела вода — воздух в таком материале далеко не простая. В песке, состоящем из различ­ ных зерен, а тем более в реальной почве форму поверхности раздела

Рис. 8.2. Форма по­ верхности воды во­ круг контакта между двумя частицами.

трудно и вообразить. Тем не менее поверхность раздела даже самой сложной формы образуется из некоторых типичных элементов, кото­ рые поддаются количественному анализу.

Рассмотрим, например, как подвешена поверхность воды между парой частиц, изображенных на рис. 8.2. Сечение через обе частицы, находящееся в плоскости рисунка, выявляет поверхность, искри­ вленную так, что выпуклая сторона обращена к воде, сечение же, перпендикулярное первому и проходящее между частицами, обна­ руживает кривизну, вогнутую со стороны воды. Поверхность воды седловидна. Поверхность, подвешенная между группой из трех ча­ стиц, показанная на рис. 8.3, имеет три таких «седла», которые сли­ ваются в центре группы, образуя чашевидную поверхность раздела, вогнутую, если смотреть на нее со стороны воздуха.

Чтобы найти связь между разностью давлений по обе стороны поверхности раздела и кривизной этой поверхности, нужно знать, как определить кривизну. Представление об этом можно получить с помощью рисунков, помещенных в этом параграфе. Через точку по­ верхности, в которой хотят определить кривизну, проводят две плоскости, перпендикулярные друг к другу и к самой поверхности. Пересечение каждой плоскости с поверхностью образует кривую. Лишь в исключительном случае эти кривые являются окружностями, однако достаточно малый участок любой кривой можно без особой

погрешности представить как часть окружности. Радиус этой окруж­ ности характеризует радиус кривизны данного участка кривой. Найдя радиусы кривизны двух указанных кривых и заметив, с ка­ кой стороны поверхности раздела находятся соответствующие центры кривизны, мы полностью определим кривизну поверхности в данной точке.

Например, на рис. 8.2 кривизна в точке А состоит из двух компо­

поненты кривизны находятся в противодействии (т. е. их центры расположены по разные стороны поверхности раздела), как на рис. 8 .2 , результирующая разность давлений есть следствие преоб­ ладания одной компоненты над другой. Пусть две компоненты кри­ визны имеют соответственно радиусы кривизны R x и і?2, а поверхност­ ное натяжение, действующее на поверхности, равно Т. Если центры кривизны находятся с противоположных сторон поверхности раз­ дела (рис. 8.3 для седловидной поверхности), то, как показано в До­ полнении 11, давление Р на той стороне поверхности раздела, кото­ рая не вмещает центр кривизны радиуса Rlf меньше, чем давление А со стороны, вмещающей этот центр, на величину, определяемую формулой

Если же радиусы кривизны, например R 3 и і?4, исходят из цент­ ров кривизны, находящихся с одной и той же стороны поверхности

Если поверхность сферична, как в случаях маленькой капли воды или пузырька воздуха в воде, оба радиуса имеют одну величину R, а давление Р вне сферы связано с давлением А внутри нее другим соотношением:

В случае почвенной влаги одна сторона поверхности раздела почти всегда сообщается с атмосферой и потому находится под по­ стоянным давлением, которое принимается за нуль при измерениях Р. Если на этом основании приписать постоянной А значение нуля, получим для соответствующих соотношений упрощенные формулы:

где Р — давление в воде. В уравнениях (8.2а) и (8.3а) это давление, очевидно, отрицательное и потому представляет собой сосущую силу, тогда как в уравнении (8.1а) знак Р определяется соотношением величин и і?2. Фактически геометрия систем из гранулированных пористых материалов такова, что і ?2 всегда больше Rlt поэтому здесь Р также представляет собой сосущую силу.

При последующем обсуждении следует иметь в виду, что ссылки на абсолютные величины сосущей силы всегда условны; на самом деле подразумевается величина, на которую давление с воздушной стороны поверхности раздела превосходит давление с водной стороны. Абсолютные величины давления с обеих сторон не влияют на рав­ новесие, которое, как показано в Дополнении 11, зависит только от разности этих величин. Иногда в экспериментальных целях удобно изменить давление воздуха, и равновесие при этом не нару­ шится, если изменить давление в воде на ту нее величину.

Как можно заметить из уравнений (8.1а) и (8.2а), поверхности раздела весьма различных форм и степеней кривизны могут нахо­ диться в равновесии друг с другом при одной и той же сосущей силе. Например, если К, и R 2 малы и не слишком отличаются друг от друга, члены в скобках уравнения (8 .1а) будут велики, но не слиш­ ком различны, так что сосущая сила, определяемая их разностью, может быть мала. Если R 3 и і ?4 велики, члены в скобках уравнения (8 .2а) будут малы, и сосущая сила, определяемая суммой этих членов, тоже будет мала. Поэтому можно подобрать малые значения и і?2 и большие значения R 3 и і?4, такие, которые обеспечат одинаковую сосущую силу. Иными словами, седловидные поверхности раздела большой кривизны могут существовать в равновесии при той же сосущей силе, что и чашевидные поверхности меньшей кривизны.

Именно это является единственной причиной равновесия такой фигуры, какая представлена на рис. 8.3, поскольку здесь одна и та же поверхность раздела, по необходимости имеющая всюду одинако­ вое значение сосущей силы (нет движения воды из одной части вод­ ного тела в другую), имеет в то же время и седловидные, и чашевидные