Файл: Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв.pdf

ГЛАВА 19

Методы измерения коэффициента влагопроводности

19.1. Общий обзор проблемы

Методы измерения коэффициента влагопроводности можно разде­ лить на лабораторные и полевые. Первые обычно поддаются усовер­ шенствованию и благодаря контролируемым условиям могут обес­ печить точность, не достижимую в поле, где провести сложный эксперимент очень трудно. Там приходится главным образом огра­ ничиваться бурением скважин и наблюдением за возмущенным уровнем грунтовых вод, а также исследованием влажности почвы после инфильтрации с поверхности.

Однако выбор между полевым и лабораторным методами состоит не только в выборе необходимого уровня точности, но и в нахожде­ нии метода, соответствующего объекту исследования. Если цель состоит в том, чтобы определить коэффициент влагопроводности для нужд мелиоративного проектирования или для выяснения сущности наблюдаемых природных явлений, измерения в общем случае необ­ ходимо производить с помощью подходящего полевого метода. Это нужно потому, что даже при специальных предосторожностях очень трудно извлечь образцы для лабораторного исследования, не нару­ шив в какой-то степени сложение почвы. Влагопроводность же так сильно зависит от сложения и структуры, что результаты лаборатор­ ных определений нельзя с уверенностью применять в натурных условиях. В этой связи необходимо подчеркнуть, что даже такой, на первый взгляд, бесструктурный материал, как грубый песок, при уплотнении под действием давления вышележащей толщи рас­ пределяется не так, как при плотной упаковке в отсутствие сжима­ ющих усилий.

Вторая причина состоит в том, что закон Дарси относится к стати­ стически осредненному материалу, тогда как мы измеряем влагопро­ водность образца. Если образец недостаточно велик для того, чтобы представлять почву, из которой он извлечен, результаты нельзя применять в поле. Если структурные единицы велики, необходимый размер образца должен быть также весьма большим.

Альтернативный способ исследования достаточно большого числа меньших образцов может обеспечить вполне приемлемую воспроиз­ водимость значений влагопроводности, но это среднее не обязательно

В этом приборе постоянство разности потенциалов между двумя концами вертикальной колонки материала обеспечивается за счет постоянства уровня воды, в которую опущен нижний конец колонки, и уровня воды, стоящей на верхнем конце. Постоянство последнего достигается либо с помощью мариоттова устройства, либо с помощью подачи воды со скоростью, превосходящей скорость фильтрации.

Образец должен находиться на подложке, удерживающей ча­ стицы материала, но обеспечивающей проход воды. Проницаемость подложки лишь случайно может совпадать с проницаемостью иссле­ дуемого образца. Иногда такой же

где QJt есть измеренная величина потока, А — площадь поперечного сечения образца в колонке, АФ — разность потенциалов, измеря­ емая манометрами, D — расстояние между манометрами.

Когда подлежащий исследованию материал обладает небольшой влагопроводностью, а скорость потока при незначительных градиен­ тах потенциала, которые обычно применяются, измерить почти невозможно, длительность опыта оказывается настолько большой, что ошибки, связанные с потерями на испарение, становятся срав­ нимы со скоростью поступления воды в приемник. В таких случаях применяют пермиметр с падающим напором, показанный на рис. 19.3.

В этом пермиметре не поддерживают постоянный напор на верх­ нем конце образца, а измеряют поток, следя за уменьшением объема

воды в верхнем резервуаре. Чувствительность увеличивают, умень­ шая сечение верхнего резервуара на некотором расстоянии от вход­ ного торца образца. При этом поверхность воды в форме мениска находится в трубке достаточно малого диаметра. В результате про­ текание небольшого объема воды через колонку довольно большого сечения воспринимается как относительно большое перемещение мениска. Путем калибровки капилляра можно оценить скорость фильтрации с достаточной точностью. Однако поскольку высота мениска является мерой разности потенциалов между концами ко­ лонки, то как скорость фильтра­

либо производить измерения мгно­

і=дф

венно, либо вывести формулу, позволяющую вычислить коэффи­ циент фильтрации по измерениям определенных объемов воды, про­ шедших через колонку за опреде­ ленное время.

Мгновенные значения градиен­ та потенциала и профильтровавше­ гося объема можно вычислить по графикам, изображающим высоту мениска над уровнем нижнего манометра и профильтровавшийся и объем как функции времени. На­ клон последней кривой равен

величине потока, а высота ме­ Рис. 19.3. ниска в тот же момент представ­ ляет разность потенциалов.

Зависимость между общим количеством профильтровавшейся воды и временем выводится следующим образом. Пусть Q есть рас­ ход в данный момент. Если а — площадь сечения верхней трубки, а I — высота мениска над постоянным уровнем воды в нижнем мано­

Но I есть также разность потенциалов между поверхностью ко­ лонки и точкой, находящейся на расстоянии D под поверхностью, в которой установлен нижний манометр. Иначе говоря, D есть эф­ фективная длина колонки. Таким образом, по закону Дарси

где А — площадь поперечного сечения колонки. Следовательно, из уравнений (19.1) и (19.2) имеем