Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ПОДОБИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ И ИХ ОБОБЩЕННОЕ ОПИСАНИЕ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ПОДОБИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ И ИХ ОБОБЩЕННОЕ ОПИСАНИЕ"

Я-23004

ВСЕСОЮЗНАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК имени В. И. ЛЕНИНА

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ имени В. В. ДОКУЧАЕВА

ПОДОБИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК« ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ И ИХ ОБОБЩЕННОЕ ОПИСАНИЕ

Специальность 06.01.03— почвоведение

На правах рукописи УДК $31.438

ОНИЩЕНКО Владимир Григорьевич

АВТОРЕФЕРАТ

"Ч

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Агрофизическом научно-исследовательском институте ВАСХНИЛ^

Официальные оппоненты: член-корреспондент ВАСХНИЛ. доктор технических наук, профессор С. В. Нерпин; доктор сельскохозяйственных наук А. П. Бондарев; доктор технических наук Г. И. Афанасик.

Ведущее учреждение — Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, л

Защита состоится « - 1988 г. в /О ча-

сов на заседании Специализированного.совета Д.020.25.01 по присуждению ученой степени доктора сельскохозяйственных наук в Почвенном.институте имени В. В. Докучаева ВАСХНИЛ.

Адрес: 109017, г, Москва, Ж-17, Пыжевский пер,, д. 7, Почвенный институт им. В. В. Докучаева. •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Почвенного, института им. В. В, .Докучаева, 1—Г"' " \

Приглашаем Вас принять \участие в обсуждении диссертации на заседании Специализированного совета или прислать заверенные печатью отзывы на автореферат в двух экземплярах по указанному адресу.

Автореферат разослан « » 1д88 г>

- ' . ;

Ученый секретарь Специализированного совета,

доктор сельскохозяйственных наук М. С, Симакова

Общая характеристика работа

Актуальность работы. В материалах ХШ1 съезда КПСС подчеркивалось, что одной из < важнейших задач, стоялых перед агропромышленном комплексом страны« сельскохозяйственной наукой и связанной с ус« лешной реализацией Продовольственной программы СССР, является разработка основ и приемов рационального использования земель и водных ресурсов,сохранение и повышение плодородия почв, создание ус-' ловий устойчивого ведения сельского хозяйства.Значительная роль в шполшнии поставленной задачи принадлежит исследованиям,проводи-юма области почвоведения, в частности »в таком важном его разделе,, как физика почв* *

Успешное решение поставленных выше задач в большой степени связано с разработкой метадов,позволяющих аффективно и качественно управлять почвенными режимами на основе моделирования и прогнозирования .Важное место в атой проблеме занимают вопросы водных свойств почв, исследуемые методом термодинамического потенциала и, в первую очередь,-обобщенного описания состояния и поведения почвенной влаге при изменении многих факторов.

Тер-юдинамические характеристики почвенной .влаге (эависимостя меаду давлением влаги,коэффициентами влагопроводности и влажность»1) носят индивидуальный характер и определяются,.как' правило, экспериментально. Процесс этот длительный и трудоемкий,-требует;специальных приборов и оборудования, -.тогда как потребности в данных подобного рода постоянно возрастают - они необходимы при решении'мнотах вопросов теории и практики почвоведения,-земледелия, мелиорации, растениеводства. . '-■'•-■ * •

Учитывая,, что величины-давления влаги и/коэффициентов влагопроводности не являются ¿дноэначныяи функциями^влажности, возникает необходимость найти более рациональный путь, получения требуемой информации и метода обработки вксперименталышэс результатов.Т&кке воз можности открывает совместное применение методов термодинамического потенциала и теории подобия. . ,**..-■,-'' ' Теория подобия,.являясь основой моделирования, обладает важный свойством^ позволяющем закономерно переносить результаты единично-^ го опыта, характеризующего конкретное явление (процесс) на группы подобных ему явлений С процессов).Говора о необходимости постановки и решения проблемы обобщения полученных результатов,' В.А.Веников (JS64) отмечает, что единичный вксперчмент дает вполне определенный результат,:удовлетворяющий.исследователя при решении частной-

'[¡jviui» Млктка '■•a я <">д-вз г.еиг.м

сель в; я.

кя. К. А, 1кииря»аа

задачи, определяя поведение объекта в меда№ОДыхиусловиях.По »той причине "кажущийся'на первый взгляд достаточный результат.(который . нередко достигается в процессе длительной и кропотливой работы по организации и интерпретации полученных данных) фактически имеет небольшую практическую ценность".

Использование'относительных (приведенных) величин давлешавла-ги.влагопроводности вместо общепринятых их абсолютных значений, позволяет получать обобщенные термодинамические характеристики вла-ги.в почвахразной удельной поверхности, плотности и структуры, при изменении температура, количества и качества растворимых веществ и , т.д.Такое широкое обобщенное описание состояния, и поведения влаги в почвах, в отличие ОТ существуюирх моделей, в которых величина дав-' ления влаги И влагопроводности рассматриваются как однозначные функции влажности, стало возможным на основе установления общей закономерности, состояний в той, что изменение любого параметра, окаэи-* .веющего существенное влияние на величина давления влаги и коеффи-циентов влагопроводности^ ведет к образованию зависимостей,подобных меяду собой. , ■

Цель и основные задачи исследований. Цель исследований состояла в изучении.термодинамических характеристик почвенной влаги, иэ-.меняющихся под влиянием различных переменных (удельная поверхность, плотность, структура, количество и качество растворимых веществ, температура, гистерезис) и разработки методов их обобщенного описания, В связи с втим необходимо было' решить следующие задачи;'

. I,провести акспериыентальные исследования зависимостей давле- . ния влаги и коэффициентов влагопроводности от влажности на моде- -лыых системах и почвах разной удельной поверхности, плотности сложения, структуры, при изменении количественного и качественного ооставов растворимых веществ с использованием образцов, нарушенного и ненарушенного строения;

2.показать возможность использования принципов подобия для унификации термодинамических характеристик влага в почвах различной плотности сложения,структуры,генезиса!

3.преобразовать индивидуальные термодинамические характеристики ; состояния и поведения влаги в обобщенные (безразмерные ) комплексы

(симплексы) - критерии подобия,инвариантные относительно изменения перечисленных выше параметров;

4.представить обобщенные функции давления влаги и коэффициентов влагопроводности от влажности в виде иалопараме триче с ких выражений, поз воляахцих рассчитывать индивидуальные зависимости ыедду

указанными характеристиками почв на основании знания несколь га»* легкоопредеяяеыых или вычисляемых параметров.

Научная новизна та боты. На основе выполне1Шчх исследований дано обобщенное описание термодинамических характеристик влаги дня широкого ряда почв, расположенных в различных географических и климатических зонах, в широком диапазона изменения их удельной поверхности, плотности, структуры, .'количественного и качественного состава растворимых веществ, температуры! гестереэиса.

Проведенные автором, експериментальные и теоретические исследования позволили вперзые осуществить - 1 : ■ : ■ - *

-обобщенное описание зависимостей PCW) и KÍV) в модельных однородных средах и почвах разной удельной поверхности, плотности, структуры; -'..'' '

-преобразование индивидуальных зависимостей состоянии и поведения влага в безразмерные комплексы (критерии подобия), инвариантные относительно изменения температуры и явления гистерезиса;

-переход к обобщенным характеристикам полного давления влага и коэффициентов влагопроводности при изменении количественного и качественного состава растворимых веществ в почвах разной удельной поверхности, ' '

Совместное использование принципа подобия н метода термодинамического потенциала, открывших путь К преобразованию индивидуальных характеристик состояния и поведения влаги в почвах в безразмерные (приведенные) ¿эмадексы- критерии подобия, инвариантные . -относительно изменения многих переменных, позволило развить и уг-,лубить новое научное направление в физике почв - подобие термодинамических характеристик почвенной-влаги»

Практическое значение и использование результатов работу Выполненные исследования позволили осуществить'широкое обобщенное описа-, ние термодинамических характеристик почвенной влага,результаты ко- ■ торого могут быть использованы для"решения разнообразных вадач теории'« практики почвоведения, земледелия,; ^яиорадия, 'связанных, а первую'очередь, о прогнозированием и управлением рядом процессов, происхпдяацх ¿ системе почва-растение-приземныЯ 'слой воздуха, на-основе применения обобщённых количественных зависимостий.Устаноа-. ленные, закономерности были использованы для разработки расчетных методов нахождения зависимостей что позволяет в ря-

де.'случаев исключить трудоемкие 'эксперадентальние метода,

В отличие от. существующих моделей состояния и поведения влага, в которых не учитывается или пренебрегаете^ рядь многмх перемен-

них, а зависимости P(W) л кС^) расматриваюгся как однозначные функцни влажности, нами получены малопараметрические уравнение а учетом факторов, оказывающих существенное влияние на термодинамические характеристики'почвенной влаги.

Результаты выполненных исследований используются в лаборатории гидрологии Хабаровского комплексного научно-исследовательского . института ДВЩ АН СССР при моделировании процессов влагообмена в .зоне аэрации, в Украинской институте инженеров водного хозяйства для ускоренной'тарировки тензиометричаских датчиков,приме пае пых для определения hojm и сроков полива.С этой целью тарировка датчиков проводится на основе обобщенной зависимости иезду приведенный давлением влаги и количеством свободной влага,что значительно снижает трудоемкость и повивает производительности работ.В Среднеазиатском научно-исследовательском институте ирригации ин.В.Д. Курина (Узб.ССР) полученные 'нами данныа используются при решении ряда вопросов состояния и поведения влаги в вас еденных почвах, в институте Средаэгипроводхлопок СУэб.ССР) при разработке и эксплуатации имитационных моделей в одно- с елевого режима орошаемых массивов в условиях применения вод повышенной! минерализации на территории Карикнской степи.

В Почвенный институт им.В.В.Докучаева ÖAGMfflJE,&баровский комплексный ШШ ДШЦ All СССР, НИИ ирригации нм.В. Д.Журина, институт Средаэгипроводхлопок внедрены устройства для определения зависимостей ыеяду давлением влаги и влажность» 'почв. .

Апробатмя работы и публикации. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на 1У,У Делегатских съездах Всесоюзно' го общества почвоведов <Амла-Ата,1972;№шск,1977), на совещаниях по теоретическим вопросам обработки почь в 1969 и 1972 гг. (ЛенинГрад), на I комиссии Всесоюзного общества почвоведов,Всесоюзной' • научной конференции по современным методам исследования в почвоведении (ШУ, 1983), I Всесоюзном, совеацании "Гидрофизические функции 1 и ьлагоматрия почв"(Ленинград,1907), представлялись в трудах XII Международного съезда почвоведов С Дели,1982 ),

По матерюлаы диссертации опубликовано 53 работы. Основные положения диссертации отражены в 40 работах. , "

Структура и объем ^работы. Диссертация состоит из введения, се- ■ ыи'глай, основных выводов.Она включает 850 стр.текста, IIB рисунков, Í2 таблиц и библиографию из 200 наименований отечественных и . аарубехных авторов.. ' .

В работе использованы материалы, полученные автором: в л&борато-

б

риях почвенной гидромеханики, физики и биофизики почв Агрофизического научно-исследовательского института ШСЯШ, коллективу которых автор приносит благодарность за поддержку и помощь в работе. Особую признательность автор выражает своему учителю - доктору сельскохозяйственных наук Б,Н*Мичуршу, с которым его связывали долгие года совместной плодотворной работы.

Содержание работа

Во в веде нии кратко изложено обоснование рассматриваемое вопросов, показана их актуальность и важность при ре sie нии многих задач теории и практики почвоведения, земледелия,мелисрадаи.

В поре о'й главе рассмотрены некоторые термодинамические свойства влаги,основные понятия теории подобия и возможности ее Применения для обобщенного описания состояния и поведения влаги В почвах.

Впервые количественный подход к изучению состояния и поведения влага в дисперсных средах был осуществлен в работах американского исследователя Букингема С,1907), который ввел понятие о капилляр«?*» потенциале вл1ГК, подразумевая иод ник работу, необходимую для извлечения единицы массы воды,удерживаемой капиллярными силами.

Дальнейшее свое развитие учение о потенциале влаги получает в работах С.Н.Долгова (1948),А.А. Роде (1965),С ,С, Коршунова <1962), С.В.Нерпина и А.Ф.Чудновсяого (.1967,1975) , А. И.Будаговского <1964, 1961) ,И.И.Судницыва <1964,1979;,А.Ы. Глобуса <1969),Н.®.Бончарен-ко (1673,1975),Б.Н.Ми^рика <1975),Г.И.ЛфлнаС1ша <1973,1960), 'А.Д.Воронина <1984),РКчардса (.^cbas** ,1931, i960),Пщгц игра

>1Мв),^лефсена и Андерсона (£<«<{"*■ A^dtrso*. f 1ЗДЗ),Еэбкока И Оверстрита CiustftiA . Д965) .Болта

и Фртссеяя <в»М %ritttf. ,1950) и др.Усдовия равновесия и передвижения влаги в дисперсных средах рассматриваются втими авторани с энергетических позиций.на основе понятия свободной удельной -анергии, введенного В.Д. П)ббсом.или термодинамического потенциала. Использование в почвенной гидрологии данного понятия, которое определяется как термодинамический потенциал влага и характеризует энергии взаимодейстяяя воды с тверцой фаэойпочвы^ позволяет дать количественную оценку сил различной яри роды, действупцнх на почвенную влагу. В связи с втнк потенциал почв энной влаги включает -в себя несколько составляющих. •

В настоящейработе используется понятие "давление почвенной вла-

ги", величина которого численно равна потенциалу, имеет размерность давления и выражается обычно в отрицательных единицах.Однако в целях удобства термины "больше" или "меньше" мы будем относить к абсолютный значениям давления влаги.

Система почва-вода является в большинстве случаев ненасыщенной системой и решение вопроса о передвижении'в ней влаги сводится к -определению величины потока в ненасыщенных почвах, количественный выражением которого являются коэффициенты влагопроводностк.

■ Рассыатриваядвнжение влаш в ненасыщенных дисперсных средах, Букингем теоретически показал,что в этом случае потек пропорционален движущей силе-градиенту капиллярного потенциала.Коэффициентом пропорциональности является .капиллярная проводимость,Л.А.Ричарда * (1928) уравнение потока влаги вненасьщенкых почвах записал в форШ : -ч V «- К*4*» • , <1.1)

где ^-скорость потока влаги! ^-коэффициент влагопроводности} <р ш ф -полный потенциал почвенной влаги { ^-капиллярный потенциал} ¿-гравитационный потенциал; 7 -символ градиента.

Впоследствие новые идеи для решения задач ненасыщенного потока влаги ыдаимии ■ СоСС: 0960), А'ЙЛ (1662), г &сис1н<Г С 1956,1958 СлЫч-С-ел-^г, используя в качестве движуще йсилы градиент влажности,после некоторых преобразований уравнения (1.1) получили выражение аналогичное по форм уравнении диффузии -ц,

. • С 1.2) .

где 5 -коэффициент диффузивности (диффузивность ) почвенной влаги,~

Уравнения (1*1) и (1,2) используются для нахождения коэффициентов влагопереноса и диффуэивности на основе »кспернментального определения величин потока влаги и градиентов потенциала Удавления) или влажности. . '

На состояние и поведение почвенной влаги, характеристиками которых являются зависимости К^) и К(^), значительное влияние оказывают удельная поверхность, плотность, структура почв; количество и качество растворимых.веществ, температура и др., т.е. величины давления влаги и влагопроводноети пе есть однозначные функций влажности.В атом состоит одна иэ сложностей разработки расчетных методов определения этих характеристик.Вторая.заключается в недостаточной изученности влияния различных факторов на термодинамические .характеристики почвенной влаги.Тем не менее, успешное репю-

нив задачи моделирования'и прогнозирования состояния И поведения * . влаги в системе почва-растение-приземный воздух возможно в том случае, если будет решен один из основных вопросов почвенной гадроло-гии-получение обобщенных функций давления влаги н влагопроводиости от влажности почв разной удельной поверхности при изменении ряда переменных. Наиболее перспективным путем решения данной проблемы, по нашему мнению, является сочетание принципа подобия и метода терто-динамического потенциала.

В наибольшей степени теория подобия развита в тех областях науки, в которых явления и процессы уже описываются математически«! моделямигв термодинамике (включая-гидромеханику) (Гухман,19бЗ;Се-дов, 1977;%тателадзе,I9S2), в химической термоданамике дня описания свойств различных веществ (Дьяконов,1956), в электротехнике (Веников',1976).Смысл и задача разработок теории подобия в каждой из областей науки состоит в нахождении количественных характеристик, численно одинаковых у сравниваемых объектов ( процессов, явле -ний), которые находятся в состоянии подобия между собой, а также границ применимости полученных комплексов И симплексов,т.е.критериев подобия.Безразмерные ч.1сла (критерии подобия ) отражают взаимодействие сил и процессов, оставляющих, согласно выражению Седова (IS77), существо или базу-явления.

Впервые возможность обобщенного описания зависимостей давления влаги и влагопроводности от влажности (давления) в однородных средах на основе принципа подобия была показана Е.Е.Миллером я Р.Д. Миллером (PUtttf В.е. Mttr X. ¡I , 1966) .Исходя из условий подобия (дисперсных сред, классическое уравнение капиллярности,, характеризующее связь давления с радиусом кривизны поверхности раздела.вода-воздух, Миллер и Миллер представили в виде приведенного капиллярного давления влаги Р% т.е.

: , (1.3)

"где Р-давление влаги,н*м~2 (Па)! ^ -характеристическая длина(ра- ; диус, диаметр частица ; (Г -поверхностное натяжение жидкости,н*м~^,.

Величина влагопроводности для рада подобных'сред также может быть представлена в виде приведенного комплекса, учитывая ее зависимость от масштабного фактора Я и вязкости ^ „Согласно авторам, приведенная влагопроаодность.имеет взд .:

: к'" 'fe V iVti

где К-коэф$ициент влагмтроведаоси^м'о | ^-вязкость,кг^м'^с"1!

1 L ■ Р- плотность жидкости,кг*ы ; д-ускорение силы тяжести, м»с .

Переходя от обычно принятых зависимостей К^О и К (^Ок безразмерным функциям р*( W )и К*(Р*)» Миллер и Миллер получили обобщенные зависимости давления и влагопроводности в подобных однородных дисперсных средах.

Однако использовать в качестве масштабного фактора размер час*? тиц при обобщенном описании зависимостей Kw)h KfW) в почвах практически невозможно,Кроме того в изложенном выше исследовании, рёчь идет о капиллярной модели состояния и поведения влаги, т.к. уравнение <1,3 ) представляет собой, преобразованное уравнение Лапласа,не учитывающее действия поверхностных (сорбционных) сил на содержащуюся в средах влагу .Эта модель не учитывает также изменение зависимостей РСУ) и KCw ) при изменении различных переменных, окаэыващих на ети зависимости существенное влияние.

По свидетельству М.В.Кирпичева С1953) "трудами главным образом советских ученых теоремы подобия выведены для самого общего случая природы",Явления, К которым в основном применялась до недавнего вре мени теория подобия, характер!эуются неизменностью физической природы вещества.В основу изучения етих явлений положены три классические принципы физики:законы сохранения материи, энергии и импульса.Почвы относятся к динамическим эволюционным системам, с происходящими в них процессами непрерывного изменения и превращения веществ, которое также моямо охарактеризовать на основе принципов сохранения материи и энерган. .

Принцип изменчивости, вволющад почв во взаимосвязи о изменчивость» факторов почвообразования, развитый выдающимися представителями отечественного .почвоведения, к в первую очередь В,В,Докучаевым, лежит в основе втой науки,являясь сднгсм из важнейших ее положений. Однако столь же фундаментальной, как и изменчивость,хотя и менее очевидной особенность» почв,.является их глубокое сходство. Почва представляет собой многокомпонентную систему* включающую в себя твердую, жидкую и газообразную фазы.Твердая фаза' составлена первичными (элементарными) частицами, образующими в результате взаимодействия между собой в процессе почвообразования частицы более высокого порядка - микро-и макроагрегаты,Наиболее отличительной чертой почвы,как трехфазной системы,. от других природных, тел, является,как отмечал A.A.Роде (1971) ,их высокая дисперсность,и в связи с этим,. развитая удельная поверхность твердой фазы, что обуславливает активное взаимодействие между Фазами, а тапке почва в целом с другами элементами биогеоценоза.

О возможности распространения принципов подобия на новую область - почвоведение свидетельствует ряд работ, выполненных Б.Н.Мичуриным (1962) и И.Н.СтепановымС 1963).

Согласно модели почвенной структуры, разработанной Мичурины», от- -ношение плотности системы к плотности слагающих ее частиц, инвариантно относительно степени уплотнения и структурного состава почв. На основании полученных результатов, автор делает вывод о том, что "при всем разнообразии почв,мы обнаруживаем большое сходство в их строении, которое проявляется в том,что различные типы почвенной структуры возникают один из другого посредство« многократной упаковки почвенных частиц а одной и , той же гексагональной системе".

На основании анализа ряда параметров почвенных профилей Степановым показано, что лежащий в основе почвенного пространства геометрический субстрат,обладает свойствами симметрии, которая проявляется в периодичности пространственного распределения одинаковых форм,их инвариантов.Различные отношения - симплексы (между почвой . и подпочвой; моцност ью генетических горизонтов А, В,С {мощностью горизонтов А смежных почв¡энергии почвообразования к моорости гене- , тического гор.А;ширины одного почвенного пояса, к соседнему) инвариантны (неизменны) относительно типа почв, их генезиса, географического положения."Между геометрическими и физическими (гумификация, энергия почвообразования,водный рештм и др. ) свойствами почв,-от--, мечает автор,-существует глубокий изоморфизм".

Под подобием термодинамических свойств почвенной влаги мы пони- ' маем подобие функциональных связей между давлением влато* коэффициентами влагопроводности и влажность» ( давлением влаги), характеризующих состояние и поведение влаги в подобии между собой почвах при изменении рвда однонменных перемснных^казивдодох на эти свойства существенное влияние.Возможность обобщенного описания зависимостей и КО) в почвах и грунтах разной удельной поверхности, плотности и структуры определяется степень» их геометрического и физического подобия. . *

При условии подобия термодинамических характеристик влаш безразмерные яощглексы, включающие в себя наиболее существенные параметры, должны носить универсальный характер.В втом случае можно утверждать, что если т врмодшшыячеокиэ характеристики влаги описываются оданаковнмц безразмерными комплексами - критериями подобия,то тагам тмчвы (объекта) , согласно третьей теорема подобия, подобны между собой. ' *

Принципы подобия ^сходства ) почв и процессов, протекающих в них.

па первый взгляд находятся.в какущеысл противоречии с принципом еволюцни, изменчивости почв.Согласно первому тгрнщфшу, существует независимость свойств почв относительно сдвига и поворота осей пространственных координат .Второе положение,наоборот,указывает на изменчивость почв относительно координат¿поскольку факторы почвообразования также изменяются относительно пространственных координат. Данное противоречие исчезает, если учесть, что изменчивость свойств Почв, как отмечено выше, ограничена законами сохранения материи и' внергии. Принцип географической зональности и принцип инвариантности (неизменности) диалектически дополняют, а не исключают друг друга.

Во второй' главе изложены методы экспериментального исследования термодинамических характеристик почвенной влаги.

Определение зависимостей между капиллярно-сорбционным (матричным) давлением и влажностью' проводилось методами пластинчатого и мембранного прессовС^"1»'4^ ,1948,1949; Глобус ,1969), полиэтилен-гликоля - метод ЮГ (*"/*г1966; МиЬлш , высо-

ких колонн аъЛ , 1979),Зависимость между полным дав-

лением влага и влажностью определялась с помощью гигроскопического (Долгов, 1948) и криоскопичесжого С Воронин .Скал абак, 1973; ймщвико, ..1961 ) методов.

Коэффициенты вдагопроводности и даффузивности ненасыщенных влагой почв исследовались в основном методами нестационарного потока ,1364) О-ыЛъи- ,1966;Глобус, 1969), основанные на получении последовательных профилей влажности (давления влага), по глубине почвенных колонок, либо на измерении количества влаги,-вытекшей из образца,находящегося в пластинчатом или мембранном прессе. - 1 . " -: , . ■ ■

Применение различных методов определения термодинамических характеристик почвенной влаги объясняется разными задачами, которые решались в работе, а'также тем, что, например, для снятия зависимости мезду капиллярно-сорбционнш давлением влаги и влажностью в мироном диапазоне их изменения, необходимо использовать несколько методов.. ■

Величина общей удельной поверхности твердой фазы почв определялась методом Кутклека ( ,1962), внутренней и внешней-по методу. Фаррера СТлггьг , 1963; Воронин,Витязев, 1971).

В качестве объектов исследования служили как модельные системы,, так и образца почв, отобранные по генетическим горизонтам, либо взятые из верхних пахотных слоев в различных географических зонах,

характеризующиеся широким диапазоном значений удельной поверхнос-' тя,плотности сложения и структуры С черноземные,дерново-подзолистые, сероземные,темносерые и бурые лесные,ферралитнью'и сиалитные почвы). Исследовались почвы нарушенного к ненарушенного строения, а также обрабатывались опубликованные материалы отечественных и зарубежных авторов.

Третья глава посвящена исследованию термодинамических свойств влага в однородных дисперсных средах к их обобщенному описанию на основе теории подобия С анализа размерностей), :. Как отмечалось выше,' использовать в качестве масштабного фактора (характеристикской длины) размер частиц (радиус,диаметр) для унификации зависимостей 1<>0 и К0"0 в почвах и грунтах не представляется возможным.В связи с етим нами совместно с Б.Н.Мичуриным (1976) в качестве масштабного фактора предложено использовать величину удельной поверхности.Практическая ценность втой характеристик! состоит в том,что в тесной функциональной связи о ней на- . ходятся многие физические и химические свойства почв.Удельная поверхность присуща любой пористой среде, выражается в виде числа, что позволяет еффективно использовать.ее при построении математических и физических моделей различных процессов (явлений), происходящих в почвах.

Величина давления влаГО есть функция нескольких переменных

КР.У.*,?.«" )-0. , , <3.1)

где V -влажность, К от объема; Э -уделъшя поверхность, м^г .

Поскольку число переменных, входящих в уравнение (3-Х), равно пяти и выражены они через три основные единицы измерения, то согласно Т-теореме^ получим два безразмерных критерия подобия.Вследствие того, что величина влажности является безразмерной характеристикой, ее можно принять в качестве одного из критериев подобия, т.е. ' _ „

П£ - V : , С 3.2)

а другой найдем на основе анализа размерностей величин, входящих в зависимость , <3.3)

^ ' Р' " ^тг • (3-4)

где Р*-приведенное капиллярное-давлегае влаги (критерий подобия). .

Благопроводность однородных: порютых сред есть фунюрм нескольких переменных

ККЛ.р.^.р- 0 • - (3.5)

Применяя анализ размерностей» получим безразмерное отношение (комплекс), который назван нами (0нищенко,1(ичурин,197б) приведенной влагопроводностью К

'к*, (3.6)

где 5 - удельная поверхность,м .

Возможность обобщенного описания термодинамических характеристик влаги в дисперсных средах с использованием выражений (3.4) и (3.6) проверялось «а однородных механических фракциях и их смесях, выделенных из гор.А^ обыкновенного тяжелосуглинистого целинного' -чернозема (Воронеж.обл. У.Удельная поверхность фракций изменялась в ' диапазоне (1,6-18,4>10г, а их смесей -( 7,5-16,3>Ю3 м2кг"1.

Из представленных данных (рис,1) видно, что зависимости капил-лярно-сорбционнсго давления от влажности однородных сред разной удельной поверхности характеризуются одинаковой формой кривых, которые отличаются друг от друга лишь величиной смещения относительно осей координат пропорционально £ .Параллельное смещение кривых Р(^) представляет собой один из видов преобразования, при котором осуществляется перенос всех точек кривых на заданное' расстояние и .при котором совокупности точея,например,А,В,С,,,. поставлено в^ соответствие совокупность'точек АрВ^.Ср,,.

Зависимости К(Р) в однородных средах различной удельной поверх' ности также подобна между собой и различаются, аналогично кривым

величиной сдвига (смещения) относительно осей координат пропорционально й .

Полученные выше приведенные величины давления влагм и влагопро-юсдности позволяют осуществить переход' от индивидуальных зависимостей Р(У) , К(У) или К(Р) к обобщении« функциям на основе зависимостей, выраженных в виде критериев подобия

р'-^з- - К*) ,.

, . .•■>*>/

что подтверждается.данными рис.2 и 3.

Таким образом для ряда однородных пористых сред выражения (3.4) и (3.6) можно представить в виде критериальных уравнений,инвариантных относительно изменения величин удельной поверхности сред,

р'—«у- > (зло

- Нами совместно с Б,Н.Мичуриным (1975 ) проведено преобразование абсолютных значений высоты капиллярного поднятия1 влага песчаными фракциями различного размера С Роде, 1965 ) в относительные - Н .Учитывая, • что Р-Н/'З, поведенная высота; капиллярного поднятия представлена в виде безразмерного комплекса

. . -н'—Ш- ,(зло), где Н-высота капиллярного поднятия, ».Согласно полученным -данным, приведенная высота капиллярного поднятия не зависит

Рис Л. Зависимость давления влал( от влажности механических фрак-щй.

' Рис.2. Зависимость приведенного давления влага от влажности механических фракций,. *

... ■ • ; ) Рис. 3. - Зависимость приведен- -ной влагопроводности механических Фракций от приведенного давления влаги

Условные обозначения к рис. 1,2; 31 I- £ -1,6'103{ 2-5-4,2'Ю3} 3-4«10*10?( 4- 3 -18,4'Ю3 ^кг"1.

от размера зерен, их удельной поверхности н близка к.постоянной, равной в среднем 0,42,.

Уравнения (3.4),(3,6) н(3,10) позволяют рассчитывать величины давления влаги,коэффициентов влагопроводкости и высоты капиллярного поднятия я подобных однородных средах, если известны значения безразмерных комплексов - критериев подобия( р',к! Н')и масштабно- * го фактора - удельной поверхности, либо если известны зависимости )К(У )ияи К(Р) для любой из дисперсных сред,подобной другим,

Таким образом на основе преобразования абсолютных значений давлений влаги и влагопроводности в безразмерные комплексы, получены .новые понятия, названные приведенными величинами давления влаги и влагопроводности-крйтерияш подобия, инвариантные относительно изменения размеров частиц и удельной поверхности однородных дисперсных сред.

В'четвертой главе представлены индивидуальные и обобщенные зависимости давления влаги, влагопроводности и диффузивнос-ти от влажности почв разной удельной поверхности, плотности и структуры ( агрегатного состава).

Подробно рассмотрены експерименталыше зависимости между давлением влаги и влажностью,характеризукщие состояние влаги в генетических горизонтах различных по генезису и происхождению почв. Показано, что каждая почва обладает определенными, присущими только ей зависимостями РС*1), различия между которыми обусловлены физическими и физико-химическими свойствами,, условиями почвообразования.Однако для большинства почв кривые КЮ по форме и характеру аналогичны между собой и подчинены ряду обо^х закономерностей.В почвах ■ с развитой удельной поверхность» величина давления является монотонно убывающей функцией влагосодеракания* а ьривые Р(\у) , представленные в логарифмических координатах,в большинстве своем носят линейный характер.

Как и в случае функций РС*0, каждая конкретная почва обладает индивидуальными зависимостями между коэффициентами, влагопроводности щ влажностью ( давлением ).Форма и характер кривых ) обуславливается величиной удельной поверхности, плотностью, структурой почв, содержанием в них гумуса и т.д. Характернойособенностью коэффициентов влагопроводности является их быстрое снижение с уменьшением'влажности, что вызвано многими причинами (уменьшение площади водного тела, нарушение сплошности и/увеличение извилистости влаго-проводяиртх путей и др.)«

Большое число факторов, влияющих на зависимости и К(^),

не позволяют с достаточной степенью точности предсказать их фор* ■ •<■ ыу и характер, что требует вкспериментального определения эти* зависимостей.Поэтоцу для перехода к расчетным методам их нахождения, необходимо исследовать влияние различных параметров на термодинамические характер»!отики почвенной влага, вццелить существенные из них и найти общие закономерности» проявляющиеся в результате втого влияния. ■ ■ ' "

Поскольку анергия взаимодействиявлат о поверхностью твердой фазы в значительной степени определяется величиной поверхности; в работе подробно рассмотрена ее роль в удержании и передвижении почвенной влаги.Представлены зависимости между влажностью и удельной поверхностью, полученные ра.основеэксперименталыых данных, характеризующих водоудерживаюгцую способность почв при различных, но постоянных для данных значений 5 , величинах давлений влаги.'Зги эави-1 сииоотя (иэобарн) описаны уравнениями« связываящими величины влажности и удельной поверхности при Р-сош1.

Влага, содержащаяся в почве, находится под влиянием сия различной природы, величина и направление которых определяется гранулометрическим и агрегатный составом« размерами пор и геометрией перового'пространства» наличием в почве растворимых* веществ « другими факторами;'

. Разделить силы различной Природы, действующие на почвенную влагу« а отсюда выделить ее категории С поверхностную,калиллярно-поввр-хностиую,капиллярную) можно; по утверждению А.А.РодеС1965) ,лиш> ¡качественно; Однако рядо>1 исследований (РьстоВ, 1937;Федакин, 1956;Мичурин ,1966 ;Ворошш, 1964) показами возможности, разграничения сил в : модельных дисперсных средах и почвах.Так; согласно данньм Н.Н.ведя-кина пары воды образуют на поверхности стекла адеорбировакнув пленку толщиной около 25 Работами В,Н.Мичурина показано; что максимальная толщина поверхностного (оорбциоиного)слоя в почвах с развитой удельной поверхностью' соответствует примерно 35 X.Важный вывод делает ,С;Н.Рыжов о той; что "в .непосредственной близости от поверхности'частиц вне зависимости от их размера действуют одинаковые по гелкчине силы, обуславливающие; очевидно; й одинаковую степень притяжения первого сорбцпонноро слоя"; '

■ ' Рассмотрим возможность науоаденйя различных .категорий влаги на основе использования зависимостей 1|езду давлением почвенной 'влаги и толщиной водной пленки К ; ■'"- , ''■.'.

, Характерной особенностью кршас .Р 0#)или Ц Ь ) » представлен-'

ных в полулогарифмических координатах, является наличие в области' вш:оких значений Р линейного участка,. что говорит о содержании в почве влаги одной природы- поверхностной.Ее максимальное количество, считает А.Д.Воронин (1964),соответствует области начала перехода кривой К^О в прямую.

Экстраполируя линейный участок кривой Р(I*) (рис.4)до пересечения прямой с осью абсцисс, получим зависимость Р(К0 )(кривая 2), где У^-тодщина водной пленки,соответствующая поверхностной (сорб-щмнной) влаге,содержащейся при определенном значении Р.. . Согласно'данным рисунка,' на котором представлена зависимость к) бурой лесной почвы с £ -39*10 м^кг"1 (Хабаровск.край), видно, что начало перехода поверхностной влаги в капиллярно-сорбцяон-ную происходит- при давлении, равном около 7,5"10^ Па, которому соответствует толщина' пленки 7 А.Зависимость между давлением почвенной влага й толщиной сорбционного слоя описывается уравнением,вида.

V . •• Р - 1,9.^(Ю)-0»331^ . (4.1)

Обработка и анализ экспериментальных зависимостей Р(Н ) для почв разной удельной поверхности,стдокту^ы показали, Что толщина Пленки поверхностной влага, а следовательно, и угол наклона кривой Р(Кй) к оси абсцисс практически одинаковы при изменении удельной поверхности почв в пределах (20-150)-103 »гкг~1.

Рис. 4, Зависимости мевду давленом почвенной влаги и , толщинами водных пленок бурой лесной почвы.: ,

1-КЮ ! 2-КЬс) ;

3-Р С ИкО .

ИМИ Ч*ПТ 1

Аналогичным образом на кривой Р ( Ь ) ввделим участок, на котором -преобладающая роль, в удержании влаги принажлежит капиллярным силам. Для »того проведем касательную в кривой в ее нижней части.Точка М, в которой кривая Р (к)и касательная сходятся,характеризуют то сос-

тояше влаги, когда.капилляриш силы практически исчерпали свое влияние на содержащуюся в почве влагу и дальнейший рост Р ведет х возрастающей роли капиллярмо-сор^иронныхсил.Цроведя из точки М, линию параллельную СД, выделим область толщин водных пленок, лежащих справа от прямой Ш и соответствующие содержанию капиллярной влаги.Толщины водных пленок,, лежалых между прямыми АВ и Ш, характеризуют содержание в почве капиллярно-сорбционной влаги и изменяются в пределах 30-95 £ для исследованной почвы*, что соответствует изменению давления влаги от б*!©3 до 8,5-10® Па. ■

Проведем из точки // , в которой пересекаются кривые Р( Ьс ) и рС прямую,.параллельную оси абсцисс, до ее пересечения о кривой РС п ) и обозначим точку пересечения через А.Из нее проведем прямую, параллельную СД, которая пересечет.ось абсцисс в точке В. Толщины йодных пленок, заключенные мезду Д и В и изменяющиеся в диапазоне 20-35 по своим свойствам близки к поверхностной влаге, а область, заключенная ыеядо СД и АВ, представляет собой влагу переходного слоя, в пределах которого происходит постепенный переход поверхностной влаги в капиллярно-поверхностную.

Дня определения зависимости ыеаду давлением почвенной влаги и числом молекулярных слоев (толщиной водной пленки),.нами совместно с Б. Н. Мичуриным (1973) предложена теоретическая формула, полученная на основе предположения о тем, что давление влаги изменяется.-от одного молекулярного слоя к другому в соответствии с' формулой геометрической прогрессий.Она ииеет вид

где Р и Р^-давлекия влаги в Л -моле кулярном и моноыолекулярном слоях, соответственно, Па;' л*-число молекулярных-слоев .Формула (4,2) позволяет вычислить давления влаги, соответствующее определенным толщинам водных пленок, или,' задав рад значоний Р, определить толщины водного слоя.Сравнение теоретически вычисленных толщин водных пленок о экспериментально полученными,показывает, что формула ' (4.2) позволяет рассчитывать толдшу пленки, соответствующу» поверхностной влаге, а также влаге переходного слоя в почвах о

100* 10® м^кг .Зависимость меяду Ри / или А (4.2) в полулогарифмических- координатах носит .линейшй характер и описывается уравнением вида ' ' '* ■ ■ ,

- Р - 3,2.103 (10 (4;Э)

В работе рассмотрены зависимости' коэффициентов влагопроводнос- , ти и даМузииности от толщины водного слоя в почвах разной удель- '

иой поверхности .Показано, что по ыерв роста £ кривые КСt ) и

) постепенно сближаются и при коэффи-

циент влагопроводкостй и диффуэивноети практически не зависят от удельной поверхности. На основе полученных результатов моамо сделать вывод о том, что условие постоянства Функций K(h ) и! (h ) в почвах разной удельной поверхности выполняется в тем случае,если ■ величина h стремится к своему предельному - значению-толщше сорб-ционного слоя.

В настоящей главе обсуждается влияние плотности,структур» (агрегатного состава) на удержание и передвижение влага в почвах разного гранулометрического состава (песчаные,легкосуглинистые,суглинистые, тяжелосуглинистые ) и генезиса.

Плотность почвы считают общим показателем ее физических свойств, ■ непосредственно связанной с'пороэностью,удельной поверхностью,содержанием доступной растению влаги,гумуса н т.д.Согласно данным А.Г.Бондарева и др.(1986),плотность сложения,структурное состояние почв и их водно-$нзичес1ше,физико-химические,технологические свойства находятся между собой в тесной взаимосвязи, . '- Вопрос о роли плотности в удержании и передвижении влаги в почвах на основе метода термодинамического потенциала исследовался в -работах Б.С.Маслова (1907),В.Г.0нищенко и Б,НЛ1ичурина 0971),^/^ 6,JLehön«(l954),ß»XondTe.y6«- (1962), and 5илА«*аЭ67) и др.

- Величина плотности почвы зависит от изменения внутренних и внешних факторов,Внутренние факторы (влажность,давление влаги,структура, иссушение почвы корневыми системами ) ве,дут к естественному -изменению плотности, достигающей при определенных величинах р или W* своего равновесного значения. Однако под воздействием внешних факторов-тяхелые сельскохозяйствен«»^ малины.к почвообрабатываицие орудия, поливная веда, степень уплотнения почвы может значительно • превышать величину равновесной плотности и изменяться в широких пределах, особенно в пахотных и подпахотных слоях, оказывая существенное влияние на состояние и поведение в них влаги,' ...

Согласно полученным нами экспериментальным результатам,уплотнение песчаных и легкосуглинистых почв оказывает существенное влия-|ше на связь между F и V в основном при низких значениях давления рлага и лить увеличение плотности до определенного критического ее (ша^енЯя вызывает некоторое увеличение влагоемкости в области высоких величин давления влаги.Несколько иначе ведут себя при уплотнении суглинистые и.тяжелосуглинистые почвы,Наибольшее влияние на зависимости Р (W) плотность оказывает при значениях р<3,3*1(Г -

Ю5 Па к ее рост влечет за собой снижение влажности, тогда как прт Р> 10® влагосодержание почв несколько возрастает с увеличение плотности .Существенной особенностью кривых Р0*0 . соответствующих различным значениям плотности, является их пересечение в некоторой критической точке или области, в которой термодинамическое состояние почвенной влаги не зависит от степени уплотнения. Ниже критической области при одинаковых значениях давления влаги влажность почвы тем меньше, чем болью ее плотность, тогда как вы-, ив етой области содержание влаги тем больше, чем сильнее уплотнена почва.

Экспериментальными исследованиями, проведенными>ка микро- и макроагрегатах различного размера Сот 0,1 до V мм ) , установлено, что размер агрегата не влияет на зависимости РС^О л ¡си значениях давления'влаги больших, чем Па.Это говорит о том, что ■

капиллярной влаги, содержащейся в мешгтегаткых порах, образованных микро- и макроагрегатами, при Р»1СГ-£*К^ Па практически нет и основная часть влаги содержится внутри агрегатов, а также в вн. де пленки на поверхности частиц.В области давлений меньших 10^ Па, наибольшее количество влаги содержат агрегата размером 0,25-0,5 й 0,1-0,25 мм.Таким образом увеличение влагое«кости агрегатов в пределах изменения Р от .О до 2*10^.Па происходит только за счет изменения их размеров,вследствие.росте, капиллярной влаги, содержащейся .в межагрегатных порах. .

' Коэффициенты влагопроводности почв возрастают с увеличением плотности до определенного ео значения, после чего движение влаги 1вамедяяется в области высоких влажностей к несколько возрастает в области низких. Так, влагопроводность суглинистой почвы увеличивается с ростом плотности.до-значений <1 » 1,4*1сР. кг'М-®, а за- ' тем с дальнейшим ее увеличением 1,5*10^ кг*м~3) влагопроводность в облает» влажкостей больших 20.5< уменьшается, & при более низких влажностях-возрастает.В тяжелосуглинистой черноземной почве критическая плотность, равна примерно \ (1,3-1,4>103 кг«м~3.В ин- ■ тервале изменения объемной масс» оГ;1,0-1Ср до.1,3*1Ср кг-м"3 влагспровсдность почвы возрастает,тогда как дальнейший рост плотности влечет за собой снижение-значений К>в области высоких.».средних влажностей и некоторое их увеличение.в области низких.

На основам« анализа экспериментальных.данных установлено,- что . ' изменение удельной поьерхжюти,'плотности и структуры. ведет .'к получении -кривых Р^) и КС* ),по форме,« характеру,сходных между собой, но смеарнных друг относительно друга или осей координат-.

лроя орци о нал ьно указанный переменный. В связи о втим можно предположить; что определенные группы почв, характеризующиеся сходными зависимостями P(W) и К (W) ,. находятся между собой в состоянии подобия .Оче ввдно, что преобразование абсолютных значений давлений ! влага и коэффициентов влагопроводности в приведенные (безразмерные) комплексы, которые остаются инвариантный (неизменными), т.е.неза-висимыми от системы косрдшат, ведет к унификации зависимостей давление-влажюсть, влагопроводность-влажность.. '

Как отмечено вше, понятие приведенного капиллярного давления влаги выведено в качестве следствия из уравнения Лапласа,связывающего давление с радиусом капилляра, и применимо к-дисперсным средам, содержании свободную ( объемную) BBaiy.Почвы С развитой удельной ■ поверхностью содержат различные категории влаш, однако преобладающей является влага капиллярно-поверхностной и поверхностной природу.' '. ' * ' . * Относительное -значение объемных и поверхностных сия можно охарактеризовать отношением объемной энергии влаги (р^)к поверхностной s ) , ne. отношением PW/fS , которое нами совместно с Б.Н.Ми-, чуриным 0975)названо приведенным калиллярно-сорбционным давлением почвенной влаги ' ft .

(4.4)

где ^ -влажность почвы,S от массы,Безразмерный комплекс (4.4) можно получить на ос ново ' анализа размерностей с учетом полученных выше'приведенных переменных ( выражения 3.2и3.4).Произведение безразмерных параметров.IJj'IIg приводи® к соотношению (4.4). . Представление експериментальных данных в виде зависимости ■ ' Р(Р*)показало, что приведенное калиллярно-сорйционное давление влаги Р* неизменно в почвах, удельная.поверхность которых изменяется в пределах^ ?5-I50)-ICr »гкг"1 и находящихся мевду собой в состоянии подобия, при постоянных значениях абсолютного давления влаги( рис,Б).Тогда выражение (4.4 ) можно представить, в виде критериального уравнения

Физический смысл критериального уравнения и, следовательно, приведенного давления влаги Р* состоит в тон,' что отношение объемной внерти х поверхностной численно неизменно, инвариантно,: несмотря на изменение влажности и удельной поверхности при постоянных значениях абсолютного давления влаги,С учетом приведенного ко-' мплевса-(4,4) и денных рис.5, зависимость между влажность» и дав-

лением почвенной влага запишется в

W» 2,6»10"3. $

вида

• .(4.6)

Индивидуаль(ше зависимости P(V) почв белее низкой удельной поверхшсти (30-75) ы^кг тааосе обобщаются на основе функцииР(Р*) , однако величины приведенного давления влаги отличаются от аналогичных значений F* для почв о удельной, поверхность» >75*10^ ь^кг^.В этом случае зависимости между влажностью почв и давлением влаги описываются выражение» . вида

W-1,1.10"2. S -P"0'29, <4.6 а) * Выражения (4.6) и <4.6 а) характеризуй зависимость но аду влажностью и давлением влаги в почвах нарушенного строения » связи с чей возникает вопрос о применимости функций Р(Р*) и зависимостей (4.6) и <4.6 а) для обобщенного описания и оп-.ределения ичциввдуальшх кривы* P(W) почв ненарушенного строения, С етой целью зависимости Р0*0 , полученные на образцах восьми гене-, тических горизонтов целинного и пяти горизонтов окультуренного участков темносерой лесной почвы ( Красноярск, край удельная поверхность которых изменялась в пределах (60-110)'10^ ы^кг-1, преобразовывались в зависимости Р(Р^) .При этом величина приведенного давления влаги представлена в виде комплекса (Онищенко.Яшихин, ■ 1962) .

v > : (4.7) .

. где V -влажность почвы, И от объема.Полученные зависимости Г^Р*^) ■

также линейны и однозначны в логарифмических координатах Для бо-' ■ льиииства генетических горизонтов почвы ненарушенного строения* _ что позволило связь между объемной влажностью и'давлением влаги ■ с учетом^ выражения < 4*7)' представить в виде \ ■

Вю.5, Зависимость между абсолютными и относительными значениями давления влаги в

V- 2,6.1<Г3. $.р"0'16 . . (4.6)

Сравнение выражений (4.6) и (4.8) , имеипртх смысл при изменении. Р от 5.Ю3 до 8,3'Ю^ Па, показало, что зависимости меэеду влажность» и давлением влаги в почвах нарушенного и ненарушенного строения довольно близки между собой, отличаясь лишь степенью при Р, а также значением определяемой влажности.

. Для ряда почв с-развитой удельной поверхностью нами было найде-•но (Мичурин,Онищенко,1975) , что приведенное давление влаги, представленное в виде выражения Р -Р//>55 , однозначно связано ^содержанием в почвах свободной влаги ¿V. , которое соответствует разности V/- М^ ^-шгадность почвы при определенном значении Р; . Уд-влажность почвы, соответствующая содержанию влага в двухмеде-кулярном слое и давлению, равному 8,3*10' Па,

Анализ полученных результатов показал, что белее тесная корреляционная связь между приведенным капиллярным давлением и количеством свободной влага наблюдается, если учесть плотность воздушно-сухой почвы- У читывал вышесказанное, рассмотрим функцию

р'—К^-Ч,). <*вс-К^) ; С4.9)

которая имеет смысл при изменении Р от 5*10^ до В-З-КУ* Па и удельной поверхности от (30-40). 103 до.150*Ю3 ьгкг (рис.6).

Полученные обобщенные зависимости могут быть использованы для расчета кривых давление-влажность при ограниченном числе известных параметров (3 , ¿вс).

Влагопроводность, как и давление.влаги,находится в функциональной зависимости от ыногох свойств почв, наиболее существенными из которых являются первичная и структурная дисперсность, пи отность. ■ Следовательно,строгуи количественнуи характеристику влагопереноса в почвах с помощью одной функции влагопроводность-влажность без учета величин удельной поверхности и плотности дать нельзя.На ос- . новании данных опыта,'и учитывая вышесказанное, запишем

• (4Л0)

Введем в выражение (4.10) коэффициент пропорциональности и назовем его приведенной или относительной влагопроводностью»Выражая К в м«с-1,' вместо'(4.Ю) получим.

.: ' : :' ^ - • • C4.II)

Анализ зависимости между абсолютными и относительными значениями влагопроводности (рис,7) позволяет сделать следуицие выво-

ды.Замена функ^м двух переменных КС^/ ) на функции нескольких переменных ^ ) ведет к обобщению индивидуальных кривых влагопроводности в единую зависимость при изменении удельной ловер хности, плотности. ■ , -

v * 1Г>.

1<Г»

иг*

«г*.

/ и

• г ш

г*

Рис.6.Зависимость нему при- Рис.?.Зависимость ыевду абсо

веденным давлением РЧл ко-' лютныыи и относительными

личеством.свободной влаги $ (приведенными) значениями

почвах разной удельной по- . влагопроводности. . . .

• Бсрхности. 150.10? .

В связи с этим выражение(4.II) для ряда, подобных почв разной удельной поверхности представим в виде критериального уравнения

Зависимость мо«ду К и К* описывается выражением .

К - 6,6.Ю*^*1»1 . (4.13)

После подстановки в соотношение (4.Ц) выражения (4.13) и значений постоянных величин,связь между К и V аппроксимируется выражением

К -а."*" , ' _ (4,14)

в котором а-численный коэффициент,равный 2,3*1Сг*5 с-1ы"

Таким образом, зная величину удельной поверхности, можно вычислить влагопроводность ненасыщенных почв при различных значениях влажноетей,соответствующих изменению давления от 104 до Па и

удельной поверхности почв от 50-103 до 1501С3 М2нр~1. "

Возможность использования полученных закономерностей дяя.обоб- ' щенного описания зависимостей К (V) в образцах ненарушенного строе ния проверялась на небольших монолитах, вэятнх по генетическим горизонтам Темносерой лесной почвы (Онипрнко, Яшихин, 1962) ,В этом случае зависимость между относительными и абсолютными значениями

влпгопроводности в логарифмических координатах изображается прямой и описывается уравнением

К - 6,9-10-6К* V® • • (4.15)

Кая видно из формул (4.13) и (4.15) зависимости К (К*) дяя почв нарушенного и ненарутеннрно строения практически одинаковы, незначительно отличаясь лишь степенью при К*. <.

Рассмотри* возможность обобщенного описания зависимостей коэффициентов диффузивности от влажности почв.Так как уравнение диф$у-зивности записывается в виде(Силл^ ^ 1950)

то согласно соотношениям.Р~ и К*" 1/^5 , величину % представим

.Я-^г« - . $4Л6)

Введем в уравнение (4.16) коэффициент пропорциональности В ¿тоща.

««■«Уда А

г*-1) , (4.17)

где Л -приведенная диффузивность почвенной влаги.Преобразуя абсолютные значения в приведенные (безразмерные)комплексы , а величину влажности-в Число молекулярных слоев V и рассматривая зависимость ЯКУ) , получим однозначную и линейную (в лог-коощиштах) зависимость для почв разной удельной повермюсти (V - к /Т> .где ^-диаметр молекулы веды( Й,78* 10~10 м).

В настояпрй'главе также обсуждаются вопросы унификации кривых ' Р( V/) и К(V/ соответствующие широкоцу диапазону изменения плот-нооти почв разной удельной поверхности. ' Введем относительцую влажность

' . ( 4.16)

где ^"/^-вдажность почвы при полном насыщении;Выражение (4.18) определяется согласно Л.С.Яейбензону (1947), гене насьвценность,. пока- ' зывая какая часть*влаги от полной влагоемкости содержится в почве при изменении влажности или давления влаги.

Анализ экспериментальных данных показал, что если в выражение -Г4.16) ввести величину плотности,представив его в виде

;■"■'... -.■..■:. с««,

и рассмотреть функцию. • , то для калдой конкретной почвы получим линейные и одкозна'Шые зависимости относительно степени ее

уплотнения при изменении давления влаги в диапазоне 5*1сР-1,5*1сР ■ Па и удельной поверхности от 36*10® до 15СК103 и^кг"1 (рио.8).

" 10« 1

I, ■1 ■

! 0

0.2

0,1 о,в

Рис.8,Зависимость межда давлением влаги и величиной Уг при различены* значениях плотности почв , (гор.Ап).

1-дерково-среднеподзолистая легкосуглинистая;

2-дерново-слабоподзодистая суглинистая;

3-чернозем обыкновенный тяже-лосуглинистый{.

4-серрзем среднесуглинистый}

5-обработанные наш данные Колевой,1974.Почва-выщелеченная коричневая лесная сугли-

. нистая,БНР.

Плотность почв изменялась в пределах <1,0-1,7 КО3 кг.м*3.

Функцию Р в общем виде можно описать выражением

- Р -АСЮ)"-* , (4.20)

где А-численный коэффициент дая конкретной почвы; И -угол наклона . кривой РО"*) я оси абсцисс.Угол наклона Я кривых К^ ) зависит от удельной поверхности и в диапазоне изменения 5 от 35-10® до 70-1СГ м^кг"1 быстро возрастает, а затем при 5>70-1С? (,гкг"* остается практически постоянным и равным около 6,8.

Представим: величину приведенной плотности в ваде Сгноцгения

: ' '4—за ■■ • • <4.21).

Используя соотношение <4.21), .выразим величину свободной влага в виде произведения 4 . 4. 77

Ы' С • - . (4.22)

а зависимость К<4) представим б виде функции К< Ус).

Преобразование ивдйшдуальных зависимостей К( V ), соответст-вущих различным значениям гоготности, в зависимости К( V,, ) позволило получать единые об обменные характерно г и тт поведениявлато, неизменные относительно степени уплотнения почв, т.е. шгагоцро- -водность при различных значениях плотности. неизь:енна, если У0 одинаково. . . ~

Замена общепринятых зависимостей Б (V) на В (У<)гакже ведет к

обобв(оиному описания коэффициентов диффуэнвностй от влажности дая конкретной почви при различных значениях плотности,

.)&1кро-и макроанрвгатЫ представляют собой-сложные системы,вклю-чавдциев себя механические ( элементарные) Фракции, наиболее крупные, из которых по своим геометрическим да^ствам и термодинамический характеристикам влаги находятся мевду собой ь состоянии подобия (глава 3) .Согяаошодному из следствий теоремы подобия (Веников, 1976) сложные системы подобны, если они состоят из соответствующих простых подобны* систем и при этом соблюдается подобие заданных условий на их общих грани идх.У читывав вышесказанное и принимая во внимание одинаковую форму и характер кривых Р(^); К( V) , можно предположить, что микро-й макроагрегаты, стабильные к разрушению в воде, обладают признакам; подобия относительно водных свойств.Так как удельная поверхность не зависит от размера агрегатов, то в качестве масштабного фактора используем размер (радку о, диаметр) агрегата. ...

Преобразуя индивидуальные зависимости иК( V/ Согласно <1.3) и (1.4) в безразмерные копти» кем, и рассматривая функции )и К*(Р> , получим един» характеристики состояния И поведения влаги в ьшкро-и макроагрегатах, ; инвариантные относительно "их размера. ■

Таким образом при измене!ии плотности сложения и структуры почв их геометрические характеристики и физические свойства неодинаковы, если они выражаются в аб90люгнах величинах.Преобразование абсолютных значений давлений влаги, коэффициентов влагопроводиости в прт-веденша (.безразмерные) кампйексы-КЕ«т«рии подобия ведет к обобщенному описанию термодинамических свойств почвенной влага при различных значениях удельной,поверхности; плотности.и структуры.

Китая глава посвящена исследованию влияния гистерезис них явлений на термодинамические характеристики почвенной влаги и их обобщенному описанию. :'

В большинства случаев зависимости Р(У)и К(V) определяются в Процессе обезвоживания почв,т.к..считается, что именно данный процесс наиболее распространен в природе.В связи с отим,„как правило, использование величин давления и влагопроводности, определенных в режиме иссушения, может являться причиной ошибок при расчете те^иоданвмичвсимх характеристик влаги.

Вопросу гкстерезисннх "явлений "в почвах посвятили ряд работ - С.И.Долгов (191В, 1964), А.А,Роде< 1965) , (196Ф , £л^(1дбг>

(аэбг>, (аобг.ютФД^л ^^(геее). ■

Если »опрос о влиянии калиллярно-йорбци онного гистерезиса на ' зависимости давления влато от влажности.изучен.сравнительно полно,' то данных о влиянии гистерезиса на величины коэффициентов влаголе- ; реноса пока значительно меньше.Кроме того однозначного ответа, о '■'• том, как влияет.предыстория смен процессов сутки и увлажнения на зависимости К(\^)цать нельзя.Так, согласно данннм , РомЛо-

при одном и том же значении объемной влажности влагопро- -водность почв выше. при их увлажнении, - чем при иссушении. ,.

(1961) Л®/^ не нашли достоверного влияния гис-

терезиса на влагопроводность модельных сред.

В настоящем исследовании рассматривается влияние предыстории смен процессов сушки и увлажнения на зависимости 10*0 и К(V/ ) применительно к. главным ветвям гистереэиснсй' петли.Исследования проводились на образцах нарушен:.ого строения бурой лесной и луго-. во-болотной почв различного гранулометрического состава ( йи5аровск. край), отобранных по генетическим горизонтам до глубины 60-70 см, удельная поверхность которых изменялась в диапазоне ( 30-150)* 10^

Согласно подученным экспериментальным данным, калиядярно-сорб-циошшй гистерезис проявляется'в том, . что равновесная влажность, соответствующая одному и тому же значению давления влаги, всегда! выше равновесной влажности предварительно высушенных, а затем ув-, лажняющихяв процессе опыта образцах п проявляется во всемдиапа-' зоне заданных, величин давления влаги. Разница между равновесными .. . значениями влажности-образцов при адсорбции и десорбции '-лаги достигает ншбольвих величин в области давлений, лежащих в диапазоне б-Ю3-!^ Па, что в значительной степени зависит от удельной поверхности, структур» почв, соде ржания в ни х гумуса.' Влияние гистерезиса на зависимости К(№) в исследованных почвах с качественной точки зрения проявляется одинаково:влагопроводность почвы при одном и том же значении влажности вига в процессе увлажнения, чем при иссушении.В наибольшей степени гистерезио выражен в области действия капиллярно-сорбционных сил и его влияние на зависимости К (У)тем больше, чем выше удельная поверхность почвы.

Ранее ( глава'4 ) была показана возможность обобщенного описания зависимостей Иру) ,'подученных в.процессе иссушения, путем преобразования величин давления в безразмерные ( приведенные) комплексы, инвариантные относительно изменения удельной поверхности, плотности при условии постоянства величины свободной влага ¿V .величину

приведенного давления Р для процесса иссушения представим в ь*иде инвариантного уравнения ' .

Аналогично для процесса увлажнения уравнение (3,В) запишем, в виде

где индексы "и", "у" соответствуют циклам иссушения и увлажнения. Преобразуя индивидуальные зависимости Р(У)в Р(йУ ) , подучим две обобщенные зависимости, соответствуйте главным гистере-эис1шм ветвям при изменении удельной'поверхности от ЗОЮ"3 до 150. Ю3 м^кг-1, Связь между приведенными величинами давления влаги и количеством свободной влаги в почвах для соответствующих циклов описывается выражением вида -

р* - ю,гао)"°*блП^ ,

Р* - 22,4 V"3'83 , С 5.3)

- ' * .1 * Полученные зависимости Р ( ду) являются обобщенными характеристиками давления влаги от влажности, не зависящими от удельной поверхности и плотности почв, однако неоднозначными относительно предыстории образцов, т.е. эффекта гистерезиса. ■

В связи с етим рассмотрим выражение Рч;/С!>( 4.4), которое яв- . ляется безразмерным комплексом или Приведенным капиллярно-сорб-ционным давлением почвенной влаги С Р*).Так как зависимости Р от« имеют вид гипербол, то соотношение (4.4) представим в виде

' ру/4,,.« • , (5.4)

где -тангенс угла наклона кривой Р(У) к оси абсцисс.В почвах с развитой удельной поверхностью зависимости между давлением влаги н злажностьи, представленные в лог-координатах,линейны, а угол. . наклона пропорционален произведению удельной, поверхности на плотность воэдатиносухой почвы; Результаты проверяй выражения (5.4) показали, что обобщенное' описание гистереэисных кривых РОу ) можно осуществить, если.использовать функцию Р Р**),где .

... ' '..''.'- ' С5.5)

И Щ-——

Из представленных данных <рис,9) видно,что замена общепринятых функции РО^ ) на Р(Р**) позволяет получить единые обобщенные 'зависимости состояния влаги в почвах, подверченных действию гистерезиса. Таким образом для почв с удельной.поверхность» ^ (30-40)* 10^

Аг"1

р** ,

выражение (5.5) представим в

виде уравнения

(5.6)

инвариантного относительно изменения удельной поверхности, плотности и предыстории смен процессов увлажнения и сушки.Мезду величинами приведенных (относительных) и абсолютных значений давлений влаги - существует тесная корреляционная связь, аналитическое выражение которой имеет вид ■

Р - 3,3'Ю7 Р** 1'07 . ' (5.7)

Уравнение (5.7) имеет смысл при изменении Р от б*10~ до 8,3* 10* Па и удельной поверхности почв от (30-40) • юР м^кг"^ и в мое.

________:_____________^ Так как зависимости К(^) также подвержены аффекту гистерезиса, в основе'которого лежат одинаковые причины, вызывающие гистерезис функций РС^) ,есте-. ственно предположить, что и приведенные характеристики коэффициентов вл&гопереноса также будут инвариантны относительно явления гистерезиса.Кроме: того кривые .соответствующие. циклам иссушения или увлажнения, идентичны по форме и характеру, отличаясь лишь положением относительно осей, координат.Сле- . довательно, принципы, положенные в основу обобщенного описания зависимостей КС V 5, определенных в цикле иссушения, могут быть применимы для унификации аналогичных зависимостей, соответствующих процессу увлажнения. ■

Подробный анализ экспериментальных данных, подтвердивших это ' предположение, показал, что обобщенное описание гистереэисных зависимостей К (V/ )мсдаго получить, представив величину влагопроводности в форме безразмерного комплекса

К - . - (6.0)

и-'

Риа.9, Зависимость межцу аб-

. солютными и относительными значениями давления влаги, при иссушении и увлажнении почв разной удельной поверхности,

1-иссушние(, 2-увлажнение.

л

■ & количество свободной влаги выразить в виде

¿V« и^-улЛ-Л««.]"1* (5.9)

и рассмотреть фуцкцию

К -К*^) . . (5.10 )

Как показали результаты обработки экспериментальных данных,функция ф.Ю) обобщает гистереэисные кривые К(Ч/)в почвах с удельной поверхностью (30-150)»103 м^кг-1 » две зависимости, каядая из которые соответствует одному из циклов гистерезиса.Найденные зависимости, единые для каждого отдельного цикла при различных значениях удельной поверхности и плотности, неоднозначш относительно предыстории смей процессов иссушения и увлажнения, что вызвало поиск более универсальной функции, характеризующей оба процесса одноэпач-ной зависимостью.

. Введем в уравнение ( б. 8 Значение свободной влаги Л/ ,записав его в виде ^ • ы$к '

'-.г- . • к '^¡¡Г • <бл1)

.к рассмотрим функцию *

. К* -К К) , . ( 5.12) ,

• Представление результатов исследований в виде зависимости(5.12) . ведет к обобщению кривых К (У/)в почвах.разной уделыюй поверхности, плотности лгри смене процессов сушки и увлажнения (рис; 10) . ; функциональную связь между абсолютными и относительными величинами ■ ' влагопроводности,соответстцугщгес циклам иссушения и увлажнения, ■ можно описать выражением

■ ■ * ' К* - 3,4'ЮР.К0,9 , (5.13)

которое имеет смысл при изменении удельной поверхности почв в пределах^ 50-150>103 Назначений К>1О"13 м*с~г.

мг»

!иг»

—1 /

У

у Г

"А /

/ /

/

/

1.й1с .10. Зависимость между абсопют-. ными (К ) и относительными (К ) значениями влагопроводности при иссушении и увлажнении почв с -удельной от 50-103 .

■ . . 1-иссушеше! 2-увлаждапие.

| -Тпт.лиУ

В заключении отметим,, что большинство параметров,входящих в представленные выше выражения, легко определяются экспериментально, либо рассчитываются на основе величины удельной поверхности.

В шестой главе рассматриваются вопросы обобщенного описания температурных зависимостей давления влаги и коэффициентов влаго-проводности от влажности в широком диапазоне изменения температур о использованием опубликованных експериментальных данных.

Теоретические и экспериментальные исследования влияния температуры на состояние и поведение почвенной влаги представлены в работах А.И. Глобуса С1969), Н. А, Муромцева (1981),ЫЛ/и1» oW Jlnltrítr, ( 1943), <J-Aroí«ír < I955),T¡>yür а>«1 Ktuíe (1962) , -А»«* (1Э75)и др. Для обоснования возможности обобщения функций Р-V-Т и К-V-T в диссертации подробно обсуждены экспериментальные результаты ряда авторов н представлены ичцивидугльные зависимости P{V)H K(V ) при изменении Т.

В глайе 3 показано, что обобщенное описание зависимостей КУ ) в однородных пористых средах можно осуществить, представив величину давления в виде приведенного комплекса (3.6), инвариантного относительно изменения удельной поверхности при V» cerní.,Как показывают экспериментальные данные (Ktt(*¿*ro- ,1973; , изменение ' температура ведет к смещению кривых P(V ) друг относительно друга, пропорционально Т, т.е. наблюдается аффект аналогичный изменению удельной поверхности однородных сред.В связи с этим выразим величину приведенного давления влаги в виде критерия подобия (3.6)

♦ С 6.1)

. Представим температуру, в виде отношения ( симплексО ..

Т--. " • • • (6.2)

где Т -t+ 273,15*4;{ Tgjj-абсалютная температура почвы при £«6(ЙЗ»

Анализ экспериментальных данных показал, что если величину влажности выразить в виде ее произведения на квадрат t, т.е.

V'« V T2 (6.3)

и преобразовать зависимости F(V) ,1975) в функцию Ц'- (Y) ,

то получим обобщенные характеристики состояния Благи в однородной среде при изменении ее температуры от 20 до БО°С.Данной закономерности подчиняются также индивидуальные зависимости Р(У) песчаной почвы при изменении-Т.от 10 до 60 ( KtÁtiofcC ,1973) .Полученные результаты позволяют величину приведенного давления влаги Pt*, представляющего обобщенную характеристику состояния влаги в одно-

родных недельных средах и песчаных почвах (5(20* 10^ ы^кг"*), представить в вида Критертального уравнения, инвариантного относительно изменения температуры • ; р; . * ' V • ...., * .-. .Ы^ ^ (е.4)

В почвах о развитой удельной поверхностью (суглинки,.тяжелые суглинки,' глины), содержал?!х различные категории : влага, изменение температуры ведет не только к сыеирнию кривых относительно осей . координат, но и их повороту на определенный угол.Отметим, что с ; , качественной точхи зрения влияние температуры на зависимости Р(У), в почвах аналогично ее влиянию на денную зависимость однородных. • сред: при одном и том же значении влажности величины давления возрастают с понижением температуры.Влияние Т на зависимости Р (V) * сказывается в основном через поверхностное натяжение воды и, следовательно, наибольшие изменения в удержании почвенной влага происходят в области капиллярной - (объемной ) влаги......

Дяя 'обобщенного, описания зависимостей Р-V -Т в почвах с развитой .-удельной поверхностью, используем безразмерный комплекс-критерий

подобия, представляющй отношение объемной энергии к поверхностной ' выражение 4.4).Учитывая влияние температуры на зависимости Р (V)',

■ выражение (4.4) представим в фор»«- . ■

■ . ~

■Вгс.II.Зависимость междуабсо-люхныик ( Р) и относительны;« (Р^) значениями давления влага в суглинистой почве.»

1-10°; 2-20°) 3-30°1

4-40?; 6-50°; б-60°С.

Согласно пожученным данным (рис.П), преобразование вкспорпмен-тальннх зависимостей Р(У)(А><Ль#гь-,Г57д1, в зависимости ме*ду абсолютными г относительными зна-генщпл! давления элаги позволяет по-

. лучить однозначные характеристики состояния влага при изменении . температур! в пределах 10-60РС. Следует отметить» что разброс точек на графике не превышает погрешности экспериментальных данных. Так как функция р.) в'логарифмических координатах линейна,то ее можно описать аналитический выражением вида

Р - 1,3-IÜ6^ 1>б8 .+ I.38.I04'■ ' ..(6.6); На основании полученных обобщенных зависимостей P(V), иввари-: антных относительно изменения температуры и относящихся к однородным средам и.почвам, можно предположить, что однозначные связи могут быть подучены н для зависимостей К ( V) , т.к;вффект, вызванный влиянием температуры на влагопроводноеть дисперсных сред, аналогичен ее влиянию на зависимости Р (V ) {изменение температур! ведет к образованно ряда кривых K(V) • подобных между собой .Учитывая подобие температурных зависимостей г^эффициентов.вдагопроводности от влажности, представим влагопроводиос®ь однородных сред В виде безразмерного комплекса (3.6 ) и преобразуем индивидуальные кривые K(V) (JfatoC, 1975) в функцию

К|-КУ) . (6.7)

Приведенная величина влагопроводности однородных дисперсных сред есть однозначная функция 'V* ,инвариантная относительно изменения температуры fe пределах 10-60%, в связи о чем ее можно представить в виде критериального уравнения

к)- *¿S} - -hJ^Jl - ... = -U^L&Vft/ш V'-caxii. (e.Q) 1 , г% rj Pj

Согласно уравнению (6.S) неизвестное значение влаго прово,-ности, например, Kg, соответствующее температуре ¿g» при условии, что известно одно из значений К,. напршер, Kj при ¿j, определяется из выражения . 2

^лкппг . Сб*9> ■■

Значения Kj и К^ соответствуют одному и тому же значению влажности V* .

"' Для обобщения зависимостей КСУ) в почвах с развитой величиной 5 в качестве одного из критериев подобия был использован безраз-мерой комплекс вида (аналогичный числу Фру да)

niж Kí * (ело). Анализ вкс'периментальных данных, представленных в работе С»п$-te ni (1982), показал; что другой безразмерный комплекс может быть ■ выражен в виде* соотношения . п

П2 -c-jy-) . C6.II)

в которой п.» 1/З.Комплекс К/ц$ можно получить; исходи из анализа размерностей величин, ..входяп^х в уравнение (3,7).Данное соотношение представляет собой число Рейнольдса,' отличаясь от него тем, что содержит вместо скорости, величину влагопроводности, а вместо диаметра частиц-удельную поверхность..

, Преобразование температурных функций К 0/^ в '- (Кд ) позволяет перейти от индивидуальных зависимостей к обобщенным, инвариантным относительно изменения температуры от 2 до,45°С (рис.12) .В'лога- , ритмических координатах функции (К? ) носят линейный характер ' и описываются выражением общего вида

' / К? - А«к£м , (6.12)

где А-коэффициент пропорци ональиости. ' 1 ;

Гис.12,Зависимость между приведенными аначениями влагопровод-ности для песка Оак'еу и рпес-чаненного суглинка HanJW« npi различных значениях температуры,

1~пе«»к Оак£еу; ГВсуглинок l~Z°t 2-253-45^0.

В предыдущих главах рассматривался вопрос о влиянии различных факторов на зависимости капиллярно-сорбционного ( матричного) деления, коэффициентов влагопроводности от влажности и их обобщен-' ном описании.Однако для решения,ряда задач теоретического и прикладного характера необходимо знать зависимости мезду полным давлением влаги, вЛагопроводностью и влажность» при различных «одер- ' жвниях в почве растворимых веществ, обуславливающих величин/ осмотической составляющей полного давления влаги,

. Исследованию вопросов состояния и поведения влаги, в засоленных почвах и их обобщенному описанию посвящена седьмая, глава, "

Засоление является одной из важных причин, вызывающих не только снижение плодородия поче, но и зачастую невозможность их даль-

нейшего использования в сельскохозяйственном производстве. В эначи-» тельной степени ато связано о факторами; ограничивающими снабжение растений водой на засоленных почвах, к воторш следует отнести: I)высокие значения полного давления влаги за счет реогого увеличен ния осмотического давления, даже при сравнительно низком содержа- . нии растворимых веществ;2) уменьшение количества доступной'растениям влаги, ввиду повышения осмотического давления почвенного растворе и.как следствие »того, увеличение водоудержкВающеЙ способности почв;3 ^снижение коэффициентов влагопереноса.Эти и другие причины отрицательного влияния растворимых веществ на свойства почв,рост и развитие растений рассмотрены в ряде отечественных и зарубежных работ ( Ковда, 1946,1947;Рыжов, 1961,1969,1974{Легостаев, 1Ьб9;Шнаши-■ на, 1978;Варалляи я Мироненко,1980;Крафтси др. , 1951;Торн и.Петер-сон, 1962; .ЛЛгф4 гекоторых из работ отмечается, что

влияние повышения полного давления почвенной влаги на рост и развитие растений аналогично изменению влажности почв, т.е.эффект увеличения засоленности и снижения влажности почв по свош действиям на рост растений идентичны.

Величина полного давления влаги при изотермических условиях ' находится в зависимости от капиллярно-сорбционных свойств твердой фазы почвы, концентрации растворимых веществ в почвенном растворе и действия на почвенную влагу, гравитационных сил;Перечисленные факторы обуславливают, соответственно^ капиллярно-сорбционную, осмотическую и гравитационную составляющие полного давления (потен-. циала.) влаги в почвах. Так как величиной гравитационного , явления в области ненасыщенных влагой почв можно пренебречь,, то полное -давление влаги равно суше-давлений капиллярно-сорбДонного и ос-• мотического^ ' • * • ; ,,

Влияние концентрации растворимых солей на зависимости Р(У) и КС*)изучалось на модельной системе-химически чистом кварцевом-песке (размер частиц 0,5-0,25 мм),легкосуглинистом сероземе (Го-: лодная степь ,Узб .ССР), выщелоченном тяжелосуглинистом черноземе (Челлб.обл.) .Содержание составляло 0;0,2; 0,4} 0,8 и I К, и лЦсОз-0,4; 0,8; Г,5 И 2,5 % от массы абсолютно сухой

почвы.

Полученные экспериментальные данные (рис, 13) показывает существенный вклад осмотической составляющей в величину полного давления влаги при изменении концентрации серояе(.гной почвы. При одном и том же значении влаг©содержания давление влаги.тем больше,чем выше степень засоленности, т.е,повышение.абсолютной величины пол-

ного давления влаги пропорционально увеличению концентрации рас-г-воримых селей.Качество засоления практически не. влияет на характер зависимости Р(У Изменяется только величина влажностишрт одинаковых значениях давления влаги и концентрации солей более высокая влажность грчвы наблюдаете.^ при содержании по сравнению с почвой, содержащей что объясняется большей степенью иони-зированности раствора ¡¿¡¡СЬ и более сильным Еэаимкым притяжением ионов етой соли в растворе., ,

Рис.13.Зависимости между полным давлением влага и влажностью легкосуглинистого серозема при различном содержании ¿Мл.

Содержание соли (*( от абсолютно сухой почвц);

Общим и наиболее существенным'в полученных результатах является то, что, кривые Р(У ) заселенной почвы в интервале изменения полного давления влаги смещаются друг относительно друга пропорционально содержанию солей. ,! . .

Результаты определения влагепроводноети серозема, показывают, что по мере увеличения концентрации растворимых солей и уменьшения влагосодержания наблюдается быстрое снижение влагопроводности почвы.Так, при одинаковых значениях V в почве, содержащей 2,5 % ее влагопроводность в 20 раз меньше,, чем в незаселенной почве.Как и на зависимость Р(\/ ), качество засоления не алияет на форцу и характер кривых*К0«О,однако численно коэффициенты влагопроводности почвы, засоленной ¿¿¿ОД И лёдСС^, особенно в области высоких влажностей, выше, чем влагопроводность этой же почвы, но содержащей ЛаС£. ''

Поскольку характер зависимостей РС^) й К(>0 для исследованных почв не зависит от количества и-качества раезвдриках солей, а Наблюдается лишь смещение и поворот кривых! т.е. кривые Р0*0 и КС^ )скодны между собой по форме и характеру, .50 для их обобщенно-

го описания можнокспольэов&ть методы подобия. *

В неявной форме уравнение состояния почвенноя влаги в засаленной почве при изотермических условиях запишем в виде.

С ). о\ с ?.Л>

где с-концентрация растворимых солей, % от марсы абсолютно сухой почвы; Sc-удельная поверхность соли,м®кг"^; Мс h Hj - молекулярные массы соли и вода, соответственной

. В предложенной модели состояние почвенной влаги описывается семью размерными и двумя безразмерными параметрами.Так как входящие в уравнение (7.1) размерим параметры выражаются через три основные единицы размерности, то получим четыре безразмерных крита-

Назовем первый комплекс приведенным полным'давлением почвенной, влаги Р и преобразуем обычно принятую зависимость Р(У)В зависи- -мость между Р и V .Применение функции ?(W) ведет к обобщению полного давления от влажности при изменении концентрации р>аствориыых. солей в почве. : '

Согласно полученным результатам, изменение качественного состава содержащихся в почве солей,'сопровоздается переносом графика Функции P(W) вдаль оси приведенного давления, что обуславливается свойствами растворимых солей и, в первую очередь,их.молекулярной ■ ' массой.Детальный.анализ экспериментальных данных показал, что величину влажности почвы следует представить в виде произведения • второго симплекса на третий .(выражение 7,2) и рассмотреть функцию

• ■ (7.3)

■ Найденная функция практически не зависит не -юлько от.количественного содержания растворимых солей, но и от их качественного coo-тава.Для обобщенного описания кривых Р( W ) почв-разной удельной поверхности, с оде ржал ¡их растворимые соли в пределах 0,05-2,3 %, введем в выражение, стоящее справа в уравнении (7.3) .отношение (симплекс) П4,представив его в. виде комплекса

W . (7.4)

где -приведенная влажность, ■ - , •

Преобразование экспериментальных данных, характеризующих соо- . тояние влаги в почвах разной степени засоленности, удельной поверхности и плотности, в зависимость между приведенными значениями полного давления влаги и влажности позволило установить единую за-

, кономерюсть для почв с развитой удельной поверхностью S»35-I03 ■ м^кг-1 гри содержашси в них растворимых солей от 0,06 до 2,5 Jí ( рис.14),Таким образом величина полного давления влага есть инвариант относительно изменения количественного и качественного состава ■ растворвшх солей, удельной поверхности И плотности почв, S связи с чем его можно представить в виде критериального уравнения

Ríe.14.Зависимость между Р и w в почвах различной степени засоленности и удельной . поверхнооти.

1-чернозем обыкновен.тя-- желосуглинистый i лйСс;

2-сероэем легкосуглинист.t

лёсс, jfttgSO^,

3-суглинистая почва(обса-ботангаю нами данные То|<^ и Пирсона,1952);

Нами приведена обработка экспершентальных результатов, характеризующих функцию Р0*0 при различных концентрациях смеси солей /йС1+ СаСС2, с одержан?) хся в суглинистой почве в одинаковых соот-. ношениях ( Торн н Петере он., 1962). Как следует изданных ряс. 14, пре-обраэование индивидуальных зависимостей РС^ ), полученных для почвы, отличной от исследуемых, как по водно-физическим,харакмрксти- . кам.так и.по качеству содероапртхея, растворимых солей,в функцию; - также привело к их унификации..

Зависимость РО*/) » представленная, в лог-координатах, носит линейный характер, вследствие чего ее можно описать аналитический выражением в^ V ; р _ ^ ^ „:2(03 . # (7.6)

Как отмечено вше, изменение концектрйщии солей в почве ведет к ■ образованию семейства кривых К(\^),подобнах между собой в определенных интервалах изменения влажности « концентрации растворимых ' солей,Так как изменение влагопроводности происходи? обратно пропор>-191 окалько с, что сладует из экспериментальных дедаых, то велишиу приведенной влагопроводностй;. аналогично полученной вшга ( глава 4), при ; запиши . .

к*

П.

С 7.7)

I 4 „

Приведенная влагопроведкость К" в зависимости от влажности однозначна относительно изменения концентрации растворимой соли, содержащейся в почве. -

Для обобщенного описания зависимостей ), изменяющихся с-изменением качественного состава растворимых солей, использовалась величина приведенного полного давления влаги, представленного в виде безразмерного комплекса

Р* -

Р*

л

(7.8)

где »1« Мс/Н8.Анализ функции К* » 1(Р^>показал (рис.15), что величина приведенной влагопроводности однозначно связана .с приве-дешшм давлением влага при варьировании количественного и качественного состава растворимых солей в почве.

¡кг'

|и »« «лМ'

Рис.15.Зависимость между приве-' денными значениями влагопроводности и полного давления, почт венной влага при различном, содержании в сероземной почве растворимых солей.

I, - >ЙСС (0,2-1 Я) I

2 - Уа-^ (0,4-2,5

3 - У^СОд (0,4-2,5 Я)".

Таким образом применение принципов подобия для обобщенного описания термодинамических' характеристик влаги засоленных почв позволило вместо функции многих переменных, какими являются абсолютные значения Р и К, перейти к единым функциям между приведенными величинами давлений влага, коэффициентов влагопроводности и влажности Р - К*) , К* - |(Р^) . (7.9) Основные выводы'

^Экспериментальными исследованиями, проведенными на почвах *■ различных типов и генезиса, установлено существенное влияние ряда важных параметров (удельная поверхность, структура, плотность . сложения, гистерезис, количество и качество растворимых веществ и др.) на термодинамическю характеристики почвенной влаги - эависи-

мостя между давлением (потещиалом} влаги, коэффициентами влаго-проводности и влажность», используемых при разработке и построении математических и физических моделей состояния и поведения влаги в почвах,при решении ряда практических задач почвоведения, земледелия, мелиорации.Полученные результаты представлены в виде количественных соотношении. '

■ 2.Установлена теоретическая зависимость между давлением почвек* ной влаги и числом молекулярных слоев Столичной водной пленки), подтвержденная вксперинентальныма данными.Полученная закономерность может быть использована для расчета зависимости давления почвенной влаги от влажности в почвах с удельной поверхностью выше 100-103 >£рг~1, т.е. содержащих s основном поверхностную (сорбцион-Чую ) влагу, при изменении давления от 10^ до 8,3-l67 Па.

Изложен метод нахождения границ суиротвования различных категорий почвенной влаги (капиллярная, качиллярно-поверхностная, поверхностная) и дано количественное описание зависимостей между давлением и толщинами водных пленок, соответствующих определенным категориям влапг.

Э;На основе анализа, большого собственного экспериментального материала И литературных данных обнаружено качественно новое явление, заключающееся в том, что варьирование физичездих :гфизико-хи-мнчесшх свойств почв в пространстве и во времени ограничено законами сохранения, согласно которым совокупности определенных характеристик почв остаются неизменными относительно пространственных координат.Это позволяет 'заключить, что состояние и поведение влаги в больших группах подобных между собой почв подчиняются одним и тем же физическим законам независимо ' от генезиса, удельной поверхности, плотности сложения, структуры и других свойств почв.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования методов теории подобия для обобщенного описания состояния.и поведения влаги в почвах. '

5. Приведенные величины давления влаги и коэффициентов влагопро-водности - критерии подобия, представленные, соответственно, в виде отношения абсолютного давления к произведению поверхностного натяжения на удельную поверхность и произведения абсолютных ■ значений ко&ф-ициентов влагогроводности на квадрат удельной поверхности, инвариантны С неизменны ) при постоянных величинах влажности и приведенного давления влаги в подобных однородных дисперсзих средах разной .. удельноЛпоэер.хности,

6.Совместное, использогаше Методов термодинамического потенциала

И теории.подобия позволило преобразовать абсолютные значения давления влаги и коэффициентов влагопроводиости в относительные ( безразмерные ) комплексы и обобсртть термодинамические характеристики почвенной влаги в едшие функции, инвариантные относительно изменения удельной поверхности, плотности сложения,- структуры, темпера jy-рн, явления гистерезиса;На основе выполненных преобразований впервые показано, что зависимости между абсолютными и относительными значениями давления влага, коэффициента»! влагопроводноети почв с удельной поверхностью от 30*10 м^кг-* и выше в диапазоне изменения Р от 5-ICr до 0,3-Ю7 Па при различных значениях указанных параметров в логарифмических координатах носят линейный характер,

7.Преобразование абсолютных величин полного давления почвенной влаги и коэффициентов влагопроводности в безразмерные комплексы (критерии подобия ) ведет*к обобщенному описанию зависимостей меж. ду полным давлением влаги, влагопроводностью и влажностью'почв, содержащих растворимые соли ( /аСС, 04, .WágCOg, jíaCl + CaCto ) в . количестве 0,05-2,5 # (от массы абсолютно сухой почвы),'

На основе обобщенных зависимостей разработаны методы расчетного определения термодинамических характеристик влаги засоленных почв и применения тенэиометрических влагомеров ^ другах приборов и устройств, с помощь» которых определяются зависимости меаду капилляр-, но-сорбционным (матричным) давлением и влажность», для, прогноза величины полного давления почвенной влаги, s

8.С целью более полного познания количественных закономерностей состояния и поведения почвенной влаги, характеризуемых v»рмодинами-ческими функциями, развития И усовершенствования математических и физических моде дай, описывающих эти закономерности и приближения .

• их к реальным объектам (почвам) ,распространения информации о водных свойствах, полученных для определенной грутшы почв, на большее их многобразие,развито и углублено новое научное направление в фи-, зике почв - подобие.термодинамических характеристик почвенной влаги, методической основой которого является совместное использование методов термодинамического потенциала, и теории подобия.

9. Представление экспериментальных данных в виде обобщенных переменных позволяет, более аффективно решать проблемы прогнозирования, управления состоянием и поведением влаги в системе почва-растение-приземный слой воздуха, а также ряд важных вопросов теории и практики сельского хозяйства, охрани окружающей среды.Полученная таким образом информация о терл0динамичесю1ххарактернстиках почвен-

ной влаги, обладает высокой степенью общности и конкретности.Кто, в свою очередь, позволяет в большинстве случаев заменить длительные и трудоемкие экспериментальные методы определения зависимостей РСУ) и К (V) простыми и доступными расчетными методами их нахождения с использованием ограниченного числа легкоопределяемых.параметров. \

Список работ, в которых изложено основноо содержание • диссертации. .

1.Водоудерживающая способность дерново-подзолистых почв.- Сб. трудов АФИ "Физика и биофизика почв",1969, вып.19( в соавтор.) ¿

2.Влияние.механического состава и структуры почвы на равнове-- сие и.передвижение влаги. - Сб."Теоретические вопросы обработки

почв", 1569, вып.2 (в соавтор. ) . ' " ?

3. Оггимизация запаса доступной растениям влаги - в почве.-Д-да ,отдел.и комиссий Географическ.о-ва СССР,Л.1970,вьщ. 13 (в соавтор.),

4. Зависимости между всасывало (им давлением И влажностью в поч- . вах о разной удельной поверхностью.-Сб.тр.АФИ "Физические проблемы мелиорация и'обработки почв",1970,вып.22 (в Соавтор.) ,

,', (¡.Влияние уплотнения, на водные'свойства почв.-Почвоведение, 1970, 1С 5 С в соавтор.).' . '

6.Влияние плотиости и удельной поверхности на ьсли-шну влаго-проводности ненасыщенный почв.- Сб.тр.АФИ "Вопросы е:!ерго-н мао-сосбмена в системе почва-растение-атмосфера",1571,вна.32 С в соав,).

7.Изменение давления. почвенной влаги с'толщиной адсорбционного слоя,- Сб.тр.АВД "Вопросы еНерго-и'масс¿обмена в системе поч-ва-растенив-атмосфера*,1Р?1;"Вып.Э2 (в соавтор,).

вХоотношение. между давлением' почвенной влаги к толщиной плен-.ки.-Д-ды 1У. Всесоюзного съезда почвоведов.Алла-Ата, 1972 (в еоав.).

. 9.Изобарное изменение водоудерскивакцей способности почв в зависимости от их удельной поверхности.- Сб.тр.АФИ ^Теоретические, вопросы обработки почв", 1972,вал.3(в соавтор.).

■ 10.0 доступной растению влаге в почве,- Сб."Исследование процессов обмена энергией и векрством в системе почва-растение - в о э-. дух.Л.¡Наука,1972 (в соавтор.). ' ■'

И.Зависимость коэффициентов влагопереноса от приведенной толщины водной пленки.- Сб.тр.АФИ "Агрофизические основы мелиораций"* 1973,' игл.31 С в соавтор.,).

12. Общая теория капиллярно-сорбционного потеш7.1ала давления почвенной влаги.-Сб.тр.АФИ "Агрофизические основа мелиораций",

1973, вып.13 ( в соавтор.).

13.Зависимость приведенного давления от содержания свободной влаги в почве. - Почвоведение, 1975, № 6 (в соавтор.).

14.Обобще над зависимостей давления.влаги и влагопроводаости от, влажности в однородных механических:Чракцгях. - Почвоведение, 1976, Р 4 (в соавтор.).'

15.Расчет зависимости к&гашшрно-с опционного давления и коэффициентов влагопроводности от влажности почв. - Научн.тех.бюл. по агроном.физике АФИ,197!>,,вып.23(в соавтор,).

16.Зависимость между приведенным капиллярно-сорбционным давле- • кием влаги, влажностью и толщиной пленки. Научн.тех.бюл., по агроном.физике АФИ, 1975, № 23 (в соавтор.).

17.Зависимостьприведенных величин гидравлической проводимости и диффузивности от толщинц воднсТшгенки. - Научн.тех.бюл,по агро-ном.физике А1И,' 1975, Р 23 (в соавтор.). '

18,Обобщение зависимости давления( потенциала) влаги от влажности в почвах разной удельной поверхности. - Сб.тр.АФИ'"Знерго-'а массообмен в среде обитания растений", 197?,вып.43(в соавтор.).

. 19.Влияние внутренней.и внешней удельных поверхностей на водоу-держиваюцую способность почв. - Сб.тр.АЗИ "Энерго- ti массообмен в среде обитания'-растений", 1977, вып.43(в соавтор,),'.

. . 20. Зависимости мевду абсолютными и относительными величинами, влагопроводности. Тезисы д-ов У Делегатского съезда Всесоюзного о-ва почвоведов.Минск, 1977, выпД ¡ .■

21.Метод обобщения и расчета- зависимости между капиял рно-сорб-ционным давлением почвенной влаги й влажностью,. - Почвоведение, 1978, Р 9(в соавтор.). " '.

• ' 22Хпо'соб определения зависимости между давлением-почвенной влаги и влажностью почвогрунтов, - Авторское свидот.' Р 623154, 1978 Св соавтор. ). ■ ; ■

. , 23. Обобщения характеристика коэффициентов влагопереноса в почвах ненагушенного строения. - Известия Сибирек, отделения АН ОССР.Биологические науки, -i960, № I (в соавтор.),.

24.Влияние засоленности песка на зависимость потенциала (дав--ления) влаги ti влагопроводности от влажности. - Научн.тех.бюл. по вхтоном^физике АФИ, 1980, Р.44 .

25.Подобие термодинамических свойств влаш в засоленной почве. Почвоведение, 1981, №4

- 26.3&шсимость коэффициентов влагопроводности от влажности при изменении количественного и качественного состава, растворимых со-

лей в почве.- Науч.тех.бюл.по агроном, ([чэнке АФИ, 1081, Ю 47

27. Зависимость «¿аду давлением почвенной влаги и влагосодержа-ннем некоторых почв сиаллитного и ферралитного состава.- Научн. тех.биллю агроном.физике АФИ, 1981, Р 46 (в соавтор.).

28. Осмотический метод определения потенциала С давления) почвенной влаги.- Сб."Совершенствование конструкций оросительных систем

и методов исследовании при их проектировании".Ташкент,1981 (в соав.)

29. Обобщенные термодинамические характеристики влага в почвах* ненарушенного строения.- Сб;"Особенности формирования и использования почв Сибири и Дальнего Востока"' я XII Меядународ. Конгрессу почвоведов .Новосибирск, IS82 (в соавтор.).' *

5q< ЙмймЛ'л o¡ rt€&ti0nsh¡j>$efMe*n i ota С So((- tva i ef prisjure and io¿(- /nv¿r{ure conient. - JSslfacis 424h ,ünier-Kaiíotat Gftjfexs «f toi( tde*t* "^ncUti, . . 31. Зависимость между давлением почвенной влаги и влажность» некоторых почв Кубы. - Почвоведение, 1962, I5 II (в соавтор.). > 32 .Применение теории подобия - к задачам обобщенного описания термодинамических свойств почвенной . влага.-,.Тезисы д-ов Всесоюзн. неуч, конфер, "Современные метода исследований почв*.МГУ, 1993.

_ 33. Использование тензиоыетреш дая . прогноза полного давления почвенной влаге.-Науч. тех, бюл. по атрон.физике АВД, 1SC3, * 54

3Í.Индивидуальные и обобщенные.; тостере эисные хара-п-еристики коэф^мциентоэ влагошреноса почв.- Почвоведение, 1964,. С 9 .

35.Способ определения механических свойств почв и грунтов. - . Авторское свидетельство.^ I24T748,. I984

30.Гистерезисные зависимости давления почвенной влаги от властности н их обобщенное-описание.- Почвоведение, 1986, Р I

37,0 критериях лодобия термодинамических характеристик почвенной влага.- В кн. "Управление почвенным плодородием™.Сб .научн. тру- . дов по агроном.физике А4И.Л.» 1986

38.Применение пршципов подобия для, обобщенного описания термодинамических характеристик почвенной влаги.- Тезисы д-ов 1У зональной научно-тежической ковф. "Повышение эффективности мелиорации и водного хозяйства.на Дальней Востоке.Итоги и перспективы исследований "»Владивосток, 1987 , v

39.Применение методов подобия для прогнозирования термоданами-ческих характертетяк почвенной'влаги.- Тезисы д-ов I Всесоюзн.оо-вещания "Гидрофизические функции и влагометрия пот1в".Л, ,1967

■' 40.К прптенению-методов подобия в почвоведении.- Почвоведение, . ■ 1963, С? 4 >' ' , .*. ' ; ■'.

РТП. Тип, ВИР. Зак. 684. Тнр. 100. M-25616. 07.06,88.

Бесплатно