Файл: Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв.pdf

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.