ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 223
Скачиваний: 5
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.
лями, тепловые нейтроны распространяются на большие расстояния, и вблизи зонда их концентрация ниже.
Присутствие медленных нейтронов можно обнаружить, а их кон центрации измерить с помощью специального детектора, например ионизационного счетчика, заполненного трехфтористым бором. За хват медленных нейтронов сопровождается ионизирующим излуче нием, которое вызывает импульсы тока в счетчике, поэтому, считая импульсы, можно определить концентрацию нейтронов. Если область высокой концентрации нейтронов лежит вблизи зонда, как во влаж ных почвах, скорость счета высока, если же они распределены в боль шем объеме, как в сухих почвах, скорость мала. С помощью прямой калибровки можно количественно измерять содержание воды в почве.
Следует иметь в виду особенности метода, когда его применяют на почвах, содержащих много водорода не водной природы, напри мер на торфяных органических почвах. Необходимо также помнить, что радиоактивное излучение опасно для здоровья человека и требует крайне внимательного отношения.
Д О П О Л Н Е Н И Я
Дополнение 11.• Перепад давлений между двумя сторонами поверхности раздела вода — воздух.
На рис. ДИ.1 показана небольшая часть ABCD искривленной поверхности
раздела. Для большей общности выбрана достаточно сложная седловидная по верхность. Остальная поверхность раздела, элемент которой изображен на ри сунке, осуществляет натяжение по краям этого элемента, причем направления натяжения лежат на поверхности раздела (т. е. натяжение действует танген циально) и перпендикулярно краям участка. Стрелки показывают направление этих сил поверхностного натяжения, величина которых равна Т на единицу
длины края. Элемент поверхности находится в равновесии с этими растягива- ю щими силами.
Границы A B и CD приблизительно равны средней линии J K , а ВС и AD приблизительно равны средней линии LM. J K принимается за часть окруж ности радиуса В х с центром в Ох, а L M имеет радиус В 2 и центр в точке 0 2. J K стягивает в точке Ох угол 2Ѳ, а L M стягивает в точке 0 2 угол 2Ф. В целях
большей наглядности на рисунке эти углы имеют значительную величину, но в действительности анализ справедлив только для очень небольших элементов поверхности, когда углы Ѳ и Ф малы, поскольку радиус кривизны сложной поверхности меняется от точки к точке. Ввиду малости указанных углов в триго нометрических уравнениях можно заменить их значениями величины sin Ѳ и sin Ф.
Рассмотрим силы поверхностного натяжения, действующие на противополож ные стороны A B и CD нашего элемента поверхности раздела. Длина каждого
из этих краев приблизительно равна длине 2ЛХѲ средней линии |
JK. Общая |
сила F 2, действующая на каждый край, равна, таким образом, |
|
Е 2 = 2і ?Гі Ѳ . |
( Д 1 1 . 1 ) |
Благодаря кривизне поверхности эти две силы не находятся на прямой. Треугольник сил, показанный на рис. Д11.1, свидетельствует, что равнодейству ющая N 2 этой пары сил, действующих на элемент, проходит через центр криви зны 0 2, т. е. по нормали к поверхности, причем
N 2 = 2F2sin Ф = 2Е2Ф.
N 2 = ART1Q0. |
(Д11.2) |
Точно так же сила F x, действующая на края ВС и AD, каждый из которых имеет длину 2Я2Ф, равна
F I ~ 2 T R 20 , |
(ДИ.З) |
а равнодействующая Лг1, направленная в центр кривизны Ог и потому по нор
мали к поверхности, равна
Лг1 = 47’Л2ѲФ. (ДИ .4)
Поскольку центры кри визны находятся с противопо ложных сторон поверхности, равнодействующие N 1 и N 2
направлены противоположно друг другу и, согласно урав нениям (Д И .2) и (Д11.4), ре зультирующая сила, направ ленная к центру кривизны Ои равна
N T = Ni — N 2 = 4TQ<i>(Rs - R 1).
|
|
|
|
|
(Д И .5) |
|
|
Эта результирующая сила |
|
||||||
может |
быть |
компенсирована |
|
||||
избытком давления с |
той |
сто |
|
||||
роны |
поверхности |
|
раздела, |
|
|||
с которой находится центр Оѵ |
|
||||||
Если давление на этой стороне |
|
||||||
есть А, |
а на |
другой стороне |
|
||||
Р, то |
компенсирующая |
сила |
|
||||
равна (А —Р), умноженному на |
|
||||||
площадь |
элемента, |
|
которая |
|
|||
равна произведению |
|
длин |
его |
|
|||
краев, |
а |
именно |
4Я1Я 2ѲФ. |
|
|||
Таким образом, сила, действу |
|
||||||
ющая |
на элемент |
благодаря |
|
||||
разности |
давлений, |
направ |
|
||||
лена из Ог и равна |
|
|
Рис. Д11.1. Силы, удерживающие |
в равнове |
|||
N P = .'I R1R2№ { A - P ) . |
сии седловидный элемент поверхности раздела |
||||||
|
|
|
|
|
|
вода — воздух. |
|
|
|
|
|
|
(Д И .6 ) |
|
|
В состоянии равновесия N T и N p равны по величине, поэтому из уравнений |
|||||||
(Д11.5) |
и |
(Д И .6 ) |
|
4ГѲФ (Д2- Яі) = 4/?і Я2ѲФ {А — P), |
|
||
или |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р = А — т (і/і? !—і / д 2). |
{ |
|
Если бы центр 0 2 находился с той же стороны поверхности раздела, что и Ох, результирующая сила, вызванная поверхностным натяжением, равнялась бы Nx + N 2, и уравнение (Д И .5) приняло бы вид
NT= ATm(Rx + R2)
с окончательным результатом
P = A ^ T ( i / R 1+ l / R 2). |
{ (Д (8.2) |
ГЛАВА 9
Законы движения почвенной влаги
9.1. Причина движения воды; разность потенциалов
Два фактора определяют скорость потока воды в почве. Первый из них — это сила, действующая на каждый элемент объема почвен ной воды, второй — сопротивление потоку, оказываемое пористым пространством почвы1. Эти факторы будут рассмотрены по отдель ности.
Сила, действующая на элемент объема воды в почве, состоит из двух компонент, а именно гравитационной силы, стремящейся заставить элемент опуститься на более низкий уровень, и силы, связанной с различием гидростатических давлений в разных точках системы и стремящейся вызвать движение элемента из зоны более высокого в зону более низкого давления. Если в разных точках системы различны также температура и/или концентрация солей, то это влияет на давление паров воды, благодаря чему возникает диффузия пара. В последующем изложении необходимо будет пре небречь этими потоками, поскольку, хотя законы их движения хорошо известны, они развиты недостаточно для включения в форму лировку общих законов движения почвенной влаги12. Различия
вдавлении пара, связанные с разностью гидростатических давлений (см. параграф 7.5), вызывают движение пара, которое может быть включено в общую формулировку закона движения почвенной влаги.
Компоненты общей силы, действующей на воду в почве, только
вотдельных случаях действуют в одном и том же направлении, поэтому их равнодействующую в общем случае следует рассчиты вать геометрически с помощью параллелограмма или треугольника сил. Чтобы избежать этих осложнений, принято использовать пред ставление о разности потенциалов, составляющие которой суммиру
ются согласно обычным законам алгебры, как показано в Допол нении 12. Потенциал, обозначенный Ф, определяется как работа, которую затрачивают, чтобы медленно перевести единичное коли-
1 Может действовать и третий фактор — свойства почвенной влаги. — Прим,
перев.
2 Существуют общие формулировки закона движения почвенной влаги,
включающие указанные потоки. См., например, Н е р п и н С. В. и Ч у д - н о в с к н й А. Ф. Физика почвы. М., 1967, с. 200. — Прим, перев.
чество воды от некоторого условного нулевого уровня в системе в ту точку, потенциал которой рассматривается. Эту величину легко измерить. Сначала в системе выбирают удобную точку для услов ного нуля, от которого измеряются все вертикальные высоты, затем выбирают удобный условный нуль гидростатического давления, в качестве которого обычно принимается атмосферное давление. Если за единичное количество принять единицу объема, а р есть плотность воды и g — ускорение силы тяжести, то потенциал в точке с высотой z, где гидростатическое давление равно Р, будет, как показано в Дополнении 14,
Фѵоі = Р + gpz. |
(9.1а) |
Если Р измеряется манометром, находящимся в рассматриваемой точке, а высота столба в манометре есть Н, то Р имеет величину рgH, а уравнение (9.1а) принимает удобную форму
|
Фѵоі = £Р(Я + 2). |
|
(9-16) |
Поскольку |
z есть высота точки, в которой измеряется потенциал, |
||
а Н — высота |
мениска в манометре над |
этой точкой, |
то сумма |
z Н есть высота мениска над условным |
нулем, и ее |
называют |
|
гидравлическим напором. Само Н называется гидростатическим напором (pressure head). Абсолютная величина потенциала или гидравлического напора зависит от выбора условного нуля, однако она не имеет значения, поскольку мы всегда интересуемся разностью потенциалов между избранными точками, а не их абсолютными вели чинами.
Если при определении потенциала за единичное количество при нята единица массы воды, а не единица объема, то проявляется
другая мера потенциала, Фт , так что |
|
Фт = Фѵоі/р = ІѴр + £2 = £ ( # + *)• |
(9.2) |
Если же взять за единичное количество единицу веса воды, по
лучим еще одно выражение потенциала Owt: |
|
®„i = 4>Vo\/g(> = P/gP + z = H + z. |
(9.3) |
Эти простые коэффициенты позволяют переводить одни выражения потенциала в другие.
Если потенциал измерен в достаточном количестве точек данной системы, то в остальных точцах его можно найти интерполяцией и построить своего рода карту изопотенциальных линий. В таком случае говорят, что известно распределение потенциалов в системе. В Дополнении 13 показано, что, когда распределение потенциалов известно, для каждой точки можно найти направление, в котором потенциал с расстоянием возрастает наиболее резко, и это направле ние строго противоположно тому, в котором действует на воду сила в данной точке. Величину силы, приходящуюся на единицу количе ства воды, получают, деля разность потенциалов между двумя точ ками на расстояние между ними (точки лежат на линии, о направлении