Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

дические возможности стимулируют развитие теории динамики переноса солей в почвогрунтах.

Динамика вымывания солей из почвогрунта во многом сход­ на с динамикой процесса десорбции. Как при изучении дина­ мики сорбционных процессов, так и при исследовании динамики вымывания солей из почвы, мы имеем дело с процессами динамического распределения вещества между двумя фазами

фракциями, необходимо ввести две концентрации соли: линей­ ную концентрацию солевого раствора п и линейную концентра­ цию твердой соли N в тех же единицах.

Равновесие между твердой солью и солевым'раствором опи­

ра. Физический смысл изотермы (7.67) заключается в том, что какова бы ни была концентрация соли в твердой фракции N > О,

почвогрунта, необходимо рассмотреть два варианта теории ди­ намики вымывания.

1. Предположим такой идеальный случай: дисперсная среда состоит из пор одинакового сечения и равновесие между раствором и твердой солью устанавливается мгновенно. Теоре­ тически при таких предположениях и при введении чистой, про­ мывной воды в засоленной дисперсной среде должен образо­

207

нию линейной концентрации соли в растворе к линейной кон­ центрации соли в твердой фазе; и — линейная скорость потока раствора и воды.

Рис. 7.13. Равновесная динамика вымывания соли из колонки пористой среды:

I — промытая чистая зона; I I — насыщенный солевой ра­

створ; I I I — твердая соль.

Рис. 7.14. Динамические кривые вымывания соли из ко­ лонки пористой засоленной среды. Ширина фронта вы­ мывания бх=Х2 — Xi = const.

2. В реальных условиях в процессе вымывания соли из дис­ персной среды действуют гидродинамические, диффузионные и кинетические факторы размытия, из-за которых фронт вымыва­ ния будет всегда иметь ту или иную степень размытия (рис. 7.14). Факторы размытия действуют в процессе движения соле­

208

вого раствора непрерывно, и если бы действовали только они, то фронт вымывания соли прогрессивно размывался бы. Одна­ ко в процессе динамики переноса соли наряду с факторами размытия действует фактор влияния вида изотермы распределе­ ния соли между жидкой и твердой фракциями. Согласно теории динамики сорбции, к аналогии которой мы прибегаем, при де­ сорбции в случае вогнутости изотермы должен образовываться стационарный фронт десорбции. Это значит, что фактор вогну­ тости изотермы действует в направлении сжатия фронта десорб­ ции. В нашем случае динамики вымывания соли изотерма сорбции является предельно вогнутой. Поэтому следует теоре­ тически ожидать, что на некоторой стадии вымывания соли фактор размытия и фактор вогнутости изотермы как фактор сжатия фронта взаимно уравновесят друг друга и в результа­ те образуется стационарный фронт, который будет переме­ щаться вдоль слоя среды с постоянной скоростью, определяе­ мой формулой (7.68).

ния соли, остальные обозначения уже известны из предыдущих формул.

Уравнение (7.69) позволяет решать важные почвенно-мелио­ ративные задачи, в частности определять:

1) глубину, на которую промывается засоленный почвогрунт

Для изучения динамики вымывания солей с помощью ра­ диоактивных индикаторов применяют, например, следующие способы. Приготовляют твердую соль, в состав которой вводят радиоактивный индикатор и таким образом получают меченую соль. При этом метится или катион, или анион. Например, вве­ дя в состав соли в качестве метки или изотоп 24Na (метка в

209

ионе натрия), или 35S (метка в сульфат-ионе), приготовляют меченый сульфат натрия. Иногда используют неизотопные инди­ каторы. Так, для получения меченого хлористого натрия в со­ став соли вводят 1311. При этом имеется в виду, что иод явля­ ется близким химическим аналогом хлора. Равномерно перемешивая, приготовленную соль вводят в исследуемый почвогрунт.

При лабораторных, модельных исследованиях почву с мече­ ной солью переносят в стеклянную трубку или лоток, затем засоленный почвогрунт промывают чистой водой и при помощи счетчиков прослеживают динамику вымывания из него меченой соли.

Используют и другой способ приготовления почвогрунта, засоленного меченой солью. Если почвогрунт содержит много солей, то его перемешивают с раствором радиоактивного инди­ катора (с минимальным количеством носителя или без носи­ теля), высушивают и загружают в колонку или лоток. После этого промывают. При промывании вследствие растворения и вымывания меченой соли вдоль колонки распространяется вол­ на вымывания меченой соли и постепенно формируется стацио­ нарный фронт вымывания.

В полевых условиях методика изучения вымывания меченых солей будет такой же, как и методика изучения движения ме­ ченой воды. После введения в почву меченой соли и промывки при помощи взятия проб почвогрунта или радиометрическим зондированием определяют распределение меченой соли по координатному методу.

Так как промывку засоленных почв производят на мелио­ рируемых землях, которые имеют дренажную систему, ход рассоление засоленного почвогрунта контролируют, регистрируя активность меченой соли в составе воды, выходящей через дре­ нажи. Такая методика напоминает методику получения выход­ ных кривых распределения вещества на выходе сорбционной колонки.

§3. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ИПЛОТНОСТИ ПОЧВОГРУНТОВ

Определение влажности и плотности почвогрунтов — одна из основных задач почвенно-мелиоративных исследований и изыс­ каний. Знание этих величин необходимо при оценке водно-физи­ ческих свойств почвогрунтов, расчетах технологических режимов

орошения, проектирования гидротехнических устройств и соору­ жений.

Существующие методы определения влажности и плотности почв (термостатно-весовые, электрические и др.) или очень тру­ доемки и мало производительны, или область применения их весьма ограничена.

210

Радиационные методы, которые основаны на использовании явлений взаимодействия излучений с веществом, имеют ряд важных преимуществ. Не уступая по точности обычным мето­ дам, они характеризуются высокой производительностью, про­ стотой и допускают в случае необходимости автоматизацию измерений.

В практике почвенно-мелиоративных исследований в послед­ ние годы получили распространение методы, основанные на использовании нейтронного и у-излучений.

Определение влажности почвогрунтов нейтронным методом.

В гл. 3 были изложены необходимые сведения о взаимодействии нейтронов с веществом. При прохождении потока нейтронов через среду происходит рассеяние (главным образом упругое) нейтронов на ядрах атомов, в результате чего нейтроны, теряя энергию, замедляются и захватываются ядрами. Чем меньше масса ядер (соответственно меньше массовые числа), тем эф­ фективнее замедление нейтронов. Наибольшим замедляющим действием обладают ядра атомов водорода.

В сухих почвогрунтах, не содержащих водорода, длина за­ медления нейтронов имеет порядок 25—35 см, тогда как длина замедления в воде составляет около 8 см. Увлажнение почвогрунта резко уменьшает длину замедления. Чем больше влаж­ ность почвогрунта, тем меньше радиус сферы замедления нейтронов и тем соответственно больше концентрация медлен­ ных нейтронов в этой сфере (число нейтронов в единице объе­ ма). Распределение концентрации медленных нейтронов вокруг нейтронного источника, помещенного в водородсодержащую среду, неравномерно: на некотором расстоянии от источника она достигает максимума, а затем постепенно убывает приближен­ но по экспоненциальному закону.

Ядра химических элементов, входящих в состав большин­ ства почвогрунтов (Al, Si, Са и др.) имеют примерно один и тот же порядок эффективных сечений захвата медленных нейтро­ нов. Большие сечения захвата медленных нейтронов имеют элементы В, Li, Cl, Мп и другие, сравнительно редко входящие в состав почвогрунтов. Если такие элементы в состав исследуе­ мых почвогрунтов не входят, то вариация химического состава почвогрунтов не оказывает существенного влияния на концент­ рацию медленных нейтронов. Согласно теоретическим расчетам, вокруг точечного источника быстрых нейтронов мощностью с [нейтрон/сек], помещенного во влажный почвогрунт, создается следующее распределение медленных нейтронов:

Ч

211