Гранулометрический состав почвы

2 вопрос Структурный (макроагрегатный) состав почв 

 В физике почв, структуру почвы оценивают количественно на основании распределения содержания агрегатов (воздушно-сухих и в воде) по их размерам. Аналогично тому, как это делается в гранулометрическом и микроагрегатном анализах, структура выражается в содержании фракций агрегатов определенного размера (диаметра). Первым количественным показателем структуры является содержание воздушно-сухих агрегатов различного размера. Получается этот показатель благодаря рассеву воздушно-сухого почвенного образца в лаборатории на ситах с различным диаметром отверстий. Как правило, используют сита с диаметрами отверстий 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0.5 и 0.25 мм, соединяя их в последовательный набор – от большего диаметра к меньшему. На верхнее сито с диаметром 10 мм высыпается предварительно взвешенный средний образец почвы, сита встряхивают, и агрегаты располагаются в ситах соответственно их размерам: на верхнем – >10 мм (фракция > 10 мм), на следующем с диаметром 7 мм – фракция 7–10 мм, с диаметром 5 мм – фракция 5–7 мм и т.д., а в остатке будут микроагрегаты и элементарные почвенные частицы диаметром <0.25 мм – пылеватая часть почвы. Содержание каждой фракции легко можно рассчитать как соотношение этой фракции к взятой навеске. Естественно, что самые крупные агрегаты – глыбы и самые мелкие – пылеватая часть почвы указывают на неблагоприятное агрофизическое состояние почвенной структуры. А агрегаты размерами 10–0.25 мм – придают почвенной структуре ее уникальный вид в виде почвенных комочков и определяют почвенное плодородие. Поэтому их и называют агрономически ценными. Содержание агрономически ценных агрегатов – важнейший показатель ее состояния: чем выше их содержание, тем лучше почва. Недаром говорят: «Культурная почва – структурная почва». Итак, содержание агрономически ценных агрегатов – один из важнейших показателей структурного состояния почвы. Другим показателем структуры является ее устойчивость к внешним воздействиям, среди которых наиболее существенным является воздействие воды. Почва должна сохранять свою уникальную комковатую зернистую структуру после обильных осадков и последующего легкого подсушивания, когда образуется не плотная непроницаемая для газов и воды корка, а вновь хорошо различимые почвенные комочки, агрегаты. Это качество структуры называют водоустойчивостью. Как может вода воздействовать на структурные отдельности, за счет чего их разрушать? Прежде всего, почвенные частицы смачиваются водой, вокруг них образуются пленки воды, которые их «раздвигают», или, как иногда говорят, «расклинивают» – это расклинивающее давление водных пленок. Кроме того, при увлажнении агрегата в него быстро входит вода, закупоривает в порах воздух, «защемляет» его. Так как вода всасывается почвой с огромной силой, с очень большим «всасывающим» давлением, то и в «защемленном» воздухе это давление весьма высоко. Он просто разрывает, «взрывает» почвенный агрегат. Такое взрывное воздействие защемленного воздуха наиболее часто встречается в природе при увлажнении сухой почвы. Противостоять этому воздействию могут лишь агрегаты, обладающие соответствующими связями между слагающими агрегат частицами, – т.е. быть водоустойчивыми.  Характеризуют это качество структуры также с помощью рассева на ситах, но не на воздухе, а в стоячей воде. Для этого предварительно (капиллярно) увлажненный почвенный образец переносят на верхнее сито (в данном случае – это сито с диаметром отверстий 5 мм, сита 10 и 7 мм не используются: такого размера водоустойчивых агрегатов в естественных почвах практически не наблюдается). После легкого покачивания набора сит в воде с каждого из них смывают водоустойчивые агрегаты и определяют их содержание. Как и в случае с ситовым анализом воздушно-сухих агрегатов – «сухого» просеивания, – получают распределение содержания водоустойчивых агрегатов по их размерам (диаметрам).  

 По содержанию агрономически ценных агрегатов, а также по содержанию водоустойчивых агрегатов с диаметрами >0.25 мм характеризуют агрегированность и водоустойчивость структуры почвы.  По содержанию агрономически ценных агрегатов, размером 10–0.25 мм выделяют: >60% – отличное агрегатное состояние 60–40 – хорошее <40% – неудовлетворительное .Оценку водоустойчивости структуры почвы проводят по агрегатному составу после «мокрого» просеивания. Например, по количеству агрегатов >0.25 мм. Чем больше таких агрегатов получено в результате просеивания почвы в воде, тем лучше водоустойчивость структуры. Приводим классификационные диапазоны для качественной характеристики водоустойчивости структуры по сумме агрегатов размерами >0.25 мм <30 % – неудовлетворительная 30–40  – удовлетворительная 40–75  – хорошая >75 % – избыточно высокая. Нередко требуется использовать данные ситового анализа в виде одного единственного показателя, а не в виде распределения агрегатов по фракциям. Так как распределение агрегатов по фракциям – это распределение, которое трудно описать единой математической зависимостью, используют следующие показатели в виде средневзвешенного диаметра агрегатов (СВД) и среднегеометрического диаметра (СГД) :

 Рассматривая структуру  почвы, ее поровое пространство безусловно необходимо отметить и такую почвенную характеристику, как способность почвенных частиц двигаться друг относительно друга, сопротивляться силам сдавливания, проникновению различных предметов внутрь почвы. Эту область традиционно называют почвенной механикой, - наукой, которая изучает физико-механические свойства почв.

3 вопрос Фильтрация

Остановимся, прежде всего, на движении воды в насыщенной почве - на процессе фильтрации. 

Фильтрация: движение воды в насыщенной влагой почве. Если все поровое пространство заполнено водой, то процесс движения влаги в такой двухфазной (только твердая и жидкая фазы) системе называют фильтрацией. При описании этого процесса считают, что по всем порам вода движется с одинаковой скоростью, формируя фильтрационный фронт в насыщенной водой почве. Такие условия в почве бывают нечасто и в основном характерны для движения грунтовых вод, верховодки, при весеннем снеготаянии. Именно фильтрация воды в почве является основой для понимания процессов движения воды в почве. Законом, описывающим движение в насыщенной почве, является закон Дарси.

Из этой схемы видно, что почвенная колонка, имеющая длину l и площадь поперечного сечения S, проводит воду с некоторой скоростью, характеризуемой потоком влаги qw. Этот поток равен количеству воды Q, прошедшему через сечение почвы S в единицу времени t: w Q q St = ⋅ . Он будет иметь размерность [см/сут, или м/сут], т.е. [длина/время], так как величина Q имеет размерность объема, S – площади, их отношение – размерность длины. Эта размерность потока влаги физически представляет столб воды, выраженный в см (или в мм, или в м) водного слоя, который проходит через почву за единицу времени. Поэтому все потоки воды в почве представляются величиной слоя воды в единицу времени. Анри Дарси, измеряя расходы воды, параметры почвенных образцов, а также высоту перепада воды в подающем и приемном сосудах (h1 – h2=∆h), впервые заметил, что при фильтрации воды соблюдается следующее соотношение:

w ф

h qK l ∆ = ,

где Кф – коэффициент фильтрации, а отношение h l ∆ называется гидравлическим градиентом, т.е. отношением гидравлического напора ∆h к длине колонки. Фактически гидравлический градиент – это потеря напора воды на единицу длины фильтрующей колонки.  Очень важно отметить, что Кф имеет ту же размерность, что и поток влаги, т.е. см/сут, м/сут и т.д., но лишь в том случае, если гидравлический градиент является величиной безразмерной, т.е. когда и перепад, и длина колонки выражены в одних и тех размерностях длины. Важно также, что коэффициент фильтрации равен потоку влаги при единичном градиенте. Поэтому нередко Кф называют скоростью фильтрации на единицу градиента. Кроме того  Кф является постоянной и характеристичной для данного почвенного объекта величиной. Он относится к фундаментальным, базовым почвенным свойствам.

 Следует считать, что если почвенный горизонт имеет коэффициент фильтрации ≤ 6 см/сут, то этот почвенный горизонт можно рассматривать как водоупорный, практически непроницаемый для воды вне зависимости от его гранулометрического состава и других свойств. Важно также отметить, коэффициент фильтрации – это свойство не только почвы, но и протекающей в почве жидкости, так как закон Дарси применим не только к воде, но и к другим жидкостям. И в этом случае поток этой жидкости будет определяться коэффициентом фильтрации жидкости, плотностью и вязкостью этой жидкости

Фильтрация – движение жидкости в насыщенной этой жидкостью почве (двухфазной системе: твердая и жидкая фазы). В отсутствие специальных указаний фильтрация - это движение воды в насыщенной влагой почве Закон Дарси это -поток влаги в насыщенной почве пропорционален коэффициенту фильтрации) и градиенту гидравлического напора.

Коэффициент фильтрации) – это способность почвы проводить насыщенный поток влаги под действием градиента гидравлического давления. Обычно, при градиенте давления, близком к единице. Приведенная запись уравнения Дарси свойственна для фильтрации влаги, когда линии тока направлены параллельно друг другу от поверхности почвы к её глубинным слоям. Однако могут быть случаи, когда влага течет по некоторому водосборнику по радиусу из окружающего почвенного пространства. Например, если в почве сделана вертикальная скважина, эта скважина углублена в грунтовые воды на величину Н. Из окружающей почвы в скважину фильтруется влага. Вода в скважине, фильтруясь через почву в монолите, постепенно будет заполнять дрену. В каждый момент времени можно регистрировать уровень воды в расположенной по оси монолита скважине

 Следует подчеркнуть, что закон Дарси как в радиальной, так и в линейной записи  выполняется лишь для установившейся, ламинарной, безнапорной (или малонапорной) фильтрации.  В большинстве случаев вода попадает на поверхность почвы, которая достаточно иссушена. В этом случае, вода сначала впитывается в не насыщенную влагой почву, насыщает ее, и лишь после насыщения будет наблюдаться процесс фильтрации. Процесс же начального впитывания влаги в почву называют водопроницаемостью.