Файл: Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 184

Скачиваний: 5

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Если в моменты £0 и £ наблюдаемые уровни мениска равны соот­ ветственно 10 и I, то, интегрируя уравнение (19.3) от t 0 до t, полу­ чаем

1Q (WO — (А/а) (K/D) (t —10).

(19.4)

19.3. КачающиЗся пермиметр

При использовании пермиметров с постоянным или переменным напором вода из внешнего источника должна непрерывно протекать по порам образца. Поскольку необходимо, чтобы этот поток влаги не нарушил природу образца, приходится подбирать фильтрующиеся растворы определенного состава. Например, для обеспечения стабильности структуры почвы требует­ ся фильтрующийся рас­ твор, находящийся в ион­ ном равновесии с твердой фазой. Избежать всех этих осложнений можно путем использования раствора такого минимального по­ стоянного объема, который необходим для того, чтобы насытить образец и со­ здать в нем измеримый напор. Направление по­ тока периодически изме­ няют на противоположное.

2 Такой раствор приходит

Рис. 19.4.

Качающийся пермиметр.

в равновесие

с

почвой,

1 — нейтральное

положение, 2 — уровень отсчета.

ПО ЧТИ НѲ М ѲН ЯЯ

Ѳв

И ОННЫ Й

состав, и остается в равновесии столько, сколько необходимо для определения влагопроводности. Пермиметр, удовлетворяющий этим требованиям, был разработан Чайлдсом и Пуловассилисом [40]. Одна из его конструкций показана на рис. 19.4. Исследуемый образец помещают в U-образную трубку, так что обе поверхности его остаются свободными. Фильтров или мембран не требуется. Насыщающий раствор образует небольшие столбики жидкости над поверхностями образца. Благодаря этим столбикам существует составляющая потенциала, связанная с гидро­ статическим напором. Свободная жидкость стоит в капиллярах меньшего диаметра, чем трубка с образцом, что повышает точность измерения, как в пермиметре с падающим напором. Прибор устана­ вливается на раме, которая с помощью мотора и эксцентрика может качаться вокруг горизонтальной оси, участвуя в простом гармониче­ ском колебании с любым желаемым периодом Т.

Рассмотрим момент, когда прибор находится в нейтральном поло­ жении, и сделаем на одном из колен, например на правом, отметку


О, соответствующую равновесному положению мениска. Эта отметка

находится на некоторой высоте z над произвольным уровнем, кото­ рый выбирается за нуль при измерении гидравлического потенциала. Поскольку прибор находится в статическом равновесии, мениск в левом плече должен находиться на том же уровне, что и в правом. После начала колебательного движения высота ZR отметки О зави­ сит от времени по уравнению

zR = z-\-z0sin(2nt/T).

(19.5)

Рис. 19.5. Типичные кривые, получаемые при работе с кача­ ющимся пермиметром.

Через достаточный промежуток времени в пористой колонке установится движение жидкости, которое по частоте будет соответ­ ствовать колебательным движениям с периодом Т ; мениск в каждом колене будет подниматься и опускаться относительно отметки О

сэтой же частотой. Однако такое согласованное движение мениска

вобщем случае не совпадает по фазе с возбуждающей частотой; амплитуда его также неизвестна.

Если высота мениска в правом колене относительно О равна ZR, то, как показано в Дополнении 44, колебание жидкости описывается уравнением

ZB= Z osin(2jt*/7, + j t - 0 ) ,

(19.6)

где Z0 — амплитуда колебаний, (я — Ѳ) — разность фаз по отноше­ нию к возбуждающему колебанию. Ѳ определяется формулой

tg Ѳ=

anl

(19.7)

 

T A T

 

где I и А — соответственно длина и площадь сечения образца пори­ стого материала в колонке, а — площадь поперечного сечения капилляров, в которых движутся мениски. Амплитуда Z 0 опреде­ ляется соотношением

------ ZS~- T ‘

(19.8)

(1 + tg2 Ѳ) 2

 

На рис. 19.5 изображены результаты опыта

в форме графика,

на который нанесены колебания колена прибора zR и колебания ме­ ниска в колене ZR. На этом графике можно непосредственно измерить разность фаз (л — Ѳ) и таким образом найти Ѳ. Можно также изме­ рить амплитуду Z 0 и возбуждающую амплитуду z0, найдя затем Ѳ косвенно, по уравнению (19.8). В любом случае из уравнения (19.7) можно вычислить К, поскольку все остальные входящие в него вели­ чины известны из опыта.

Точность измерений максимальна, когда Ѳблизко к я/4 или к 45°, что можно обеспечить, подбирая режим и размеры установки. При таком Ѳ

tg0 = —(anl)/(KAT) = —1.

Период Т и отношение плошадей сечения а]А произвольны, по­ этому, сделав грубые предварительные измерения К, можно подо­ брать параметры, необходимые для точных измерений.

19.4. Измерение коэффициента влагопроводности ненасыщенных почв

Вода в ненасыщенных пористых материалах всегда находится при отрицательном гидростатическом давлении, поэтому методы, в которых вода на входе и выходе из образца поддерживается при положительных давлениях, к таким материалам неприменимых. В принципе можно подводить и отбирать воду из образца с помощью тензиометров, в которых поддерживается известная сосущая сила, разность же потенциалов между двумя другими точками в ненасы­ щенном материале измерять другими тензиометрами. Это похоже на пермиметр с постоянным напором, в котором почва находится под действием сосущей силы. С помощью подобного прибора Ричардсом [130] были выполнены первые измерения влагопроводности ненасы­ щенных почв. Метод этот, однако, несовершенен, поскольку для поддержания градиента потенциала требуется создать градиент сосу-

1 Это утверждение автора неверно. В ненасыщенном пористом материале вода находится под отрицательным давлением по отношению к давлению в сво­ бодной воде только в том случае, когда и образец, и свободная вода находятся под одним и тем же газовым давлением, обычно атмосферным. Если же создать в образце повышенное газовое давление, то при определенных условиях можно привести поровую влагу в равновесие, как истинное, так и динамическое, со свободной водой, находящейся также под неотрицательным давлением. Сущест­ вуют методы определения влагопроводности ненасыщенных пористых сред,

основанные на этой закономерности (см. Г л о б у с А.

М. Экспериментальная

гидрофизика почв. Гидрометеоиздат, 1969, Л.) — П р и м ,

перев.


щей силы, а потому и градиенты влажности и влагопроводности. При постоянной скорости потока градиент потенциала не постоянен по длине колонки, поскольку падение потенциала концентрируется в слоях с меньшей влагопроводностью. Поэтому измеренный гра­ диент потенциала является лишь мерой средней влагопроводности колонки с переменной влажностью; такой колонке можно приписать некоторую среднюю влажность. Однако вследствие весьма сильной зависимости влажности от сосущей силы, а влагопроводности — от влажности нельзя сказать, что эта средняя влагопроводность равна влагопроводности при средней влажности. Например, тонкий слой с небольшой влажностью очень мало влияет на среднюю влажность колонки, однако сильно влияет на общую влагопроводность системы. Средняя влажность будет близка к влажности наиболее увлажнен­ ной зоны, над общей же проводимостью будет доминировать влаго­ проводность наименее влажной зоны.

Эти затруднения можно преодолеть, либо обеспечив постоянную влажность во всем образце, либо измеряя в одной и той же точке и влажность, и градиент потенциала. Последний способ был выбран Муром [109], который с помощью группы тензиометров нашел распределение сосущей силы вдоль образца, а при разборке колонки после опыта установил распределение влажности. В другом экспери­ менте такого типа Викоф и Ботсет [173] использовали воду, в кото­ рой под давлением был растворен газ. При уменьшении давления газ выходил из раствора в поры, вытесняя жидкость и понижая степень насыщения образца влагой. Градиент влажности определялся по электропроводности, а градиент потенциала с помощью манометров.

Нельзя утверждать с определенностью, что в подобных опытах распределение воды и воздуха носит такой же характер, какой рас­ сматривается в остальных разделах этой книги, где предполагается, что обе эти фазы по отдельности непрерывны и движутся независимо. Вполне может быть, что воздух существует в форме пузырьков, пере­ носимых водою; действительно, авторы так и рассматривают этот процесс. Однако в таком случае результаты опыта не имеют отноше­ ния к движению почвенной влаги, при котором поровый воздух находится в постоянном равновесии с внешней атмосферой, хотя кривые зависимости влагопроводности от степени насыщенности для обоих типов переноса могут быть близки между собой.

Равномерно увлажненные колонки с образцом можно получить посредством инфильтрации. В параграфе 12.2 было показано, что если происходит инфильтрация с постоянной скоростью в достаточно длинную колонку, заканчивающуюся уровнем грунтовых вод, то. верхняя часть колонки имеет постоянную влажность, и влагопровод-, ность этой части равна скорости инфильтрации. Таким образом, для нахождения влагопроводности достаточно только поддерживать постоянной и измерять скорость инфильтрации, а также измерять влажность почвы после установления стационарного состояния. Применяя этот метод, Чайлдс и Коллис-Джордж [38] устанавливали колонку под разными углами к вертикали, за счет чего можно было получать различные градиенты потенциала. Таким способом им



удалось доказать справедливость закона Дарси для ненасыщенных пористых сред и показать, что влагопроводность зависит от влаж­ ности.

В параграфе 12.7 (б) указывалось, что при стационарной скорости инфильтрации с поверхности в достаточно глубокий почвенный про­ филь при отсутствии грунтовых вод достигается состояние, при кото­ ром профиль постоянной формы опускается с постоянной скоростью, причем верхняя часть такого профиля имеет постоянную влажность. В этом случае скорость инфильтрации также равна влагопровод­ ности, которая соответствует влажности поверхностного слоя почвы, поэтому с помощью подобного опыта тоже можно найти зависимость влагопроводности от влажности.

В параграфе 12.7 (б) было также показано, что если верхняя по­ верхность почвы поддерживается при некоторой постоянной влаж­ ности С или при соответствующей постоянной сосущей силе, то после того, как пройдет достаточное время и вблизи поверхности разовьется профиль с постоянной влажностью, скорость инфильтра­ ции снизится до постоянной величины, которая равна влагопровод­ ности при влажности С. Следовательно, опять-таки с помощью пары простых измерений можно найти влагопроводность и влажность, которой она соответствует. Конечно, трудно добиться поддержания на поверхности почвы влажности меньшей, чем насыщение. Если же избрать второй прием, т. е. поддерживать постоянной сосущую силу на поверхности, то осуществить это можно только с помощью фильтра тензиометра, который, пропуская воду, сам поглотит часть градиента потенциала, поэтому сосущая сила в камере тензиометра может отличаться от той, которая существует на поверхности почвы. Тем не менее поверхностные слои почвы в конце концов достигнут состояния равномерной увлажненности при некоторой постоянной сосущей силе, хотя последняя и будет отличаться от давления в ка­ мере тензиометра; влагопроводность, соответствующая этой устано­ вившейся влажности, будет равна стационарной скорости инфиль­ трации. Такой способ также можно применить для измерения зависи • мости влагопроводности от влажности. Вариант этого способа, при котором не дожидаются установления стационарной скорости ин­ фильтрации, а вычисляют ее экстраполяцией, был разработан Янгсом [179].

Существуют также способы измерения влагопроводности, осно­ ванные на теории нестационарного потока влаги из образца, находя­ щегося на пластине капилляриметра или мембранного пресса, для случая, когда равновесие нарушается за счет внезапного изменения сосущей силы. Гарднер [73] упростил теорию путем введения ряда допущений. Влиянием силы тяжести пренебрегают, что вполне оправ­ дано для более высокой сосущей силы и небольших влажностей. Поэтому даже для вертикального потока основное уравнение имеет

вид

(19.9)

dc/dt — d{D (dc/dz)}/dz,

который принимает уравнение (11.12), когда его применяют к вер-

398