УДК 631.436.6
Содержание незамерзшей влаги в почвах речных водосборов при отрицательных температурах
И. JI. Калюжный*, С. А. Лавров*
Содержание незамерзшей влаги в сезонно промерзающих почвах речных водосборов существенно влияет на процессы формирования водопоглоти-тельной способности почв в весенний период. Неучет ее обусловливает ошибки в прогнозировании потерь талого стока. Установлено, что содержание незамерзшей влаги зависит не только от температуры, но и от типа почвы и ее механического состава. Экспериментальным путем показано и теоретически обосновано, что существует зависимость между содержанием незамерзшей влаги от общего влагосодержания почвы. Кривая этой зависимости имеет максимум. В суглинистых почвах разница между максимальными и минимальными значениями достигает 3% от объема. Получено соотношение дм определения зависимости содержания незамерзшей влаги от температуры почвы при фиксированном потенциале почвенной влаги, равном -1500 и -5000Дж/кг.
Содержание незамерзшей влаги в мерзлой почве речных водосборов является одним из факторов, определяющих потери талого стока в период весеннего половодья. Отсутствие сведений об этой характеристике обусловливает погрешности гидрологических прогнозов.
Зависимость содержания незамерзшей влаги Wm от температуры Г используется для описания процессов формирования профиля влажности почвы в зимних условиях и инфильтрации талых вод весной. В значительной степени она определяет водно- и теплофизические характеристики, динамику процессов промерзания, инфильтрации и оттаивания почв [6]. Эти процессы являются основными при формировании потерь талого стока в весенний период [6].
Основным методом определения содержания незамерзшей влаги является калориметрический. На рис. 1 изображены полученные этим методом зависимости Wm = ДТ) для некоторых типов почв. Установлено, что в суглинистых черноземных почвах интенсивные фазовые превращения происходят при температуре от 0 до -3°С, а при температуре ниже -5°С соотношение льда и незамерзшей воды изменяется незначительно. Содержание незамерзшей влаги при температуре от 0 до -10°С в средне- и легкосуглинистых черноземах меньше, чем в средне- и тяжелосуглинистых. При температуре -20°С различие ее содержания не наблюдается (оно составляет от 14 до 18% массы сухой почвы). В подзолистых и дерновоподзолиетых почвах зависимости Wm = /\Т) дифференцированы по генетическим гори-
* Государственный гидрологический институт.
зонтам, что связано с изменением их механического и агрегатного состава. Наибольшее количество неза-мерзшей влаги в лесных почвах содержится в горизонтах Ао и А] и определяется содержанием в них органического веществ. Наименьшее — в подзолистом горизонте А2, в горизонте В ее больше, чем в А2. В песчаных почвах фазовые превращения интенсивны при температуре от 0 до • 5°С, при температуре ниже -2°С содержание незамерзшей влаги в них не изменяется и составляет 2—3%. Зависимости J¥m = ДЛ близки к экспоненциальным и выражаются уравнениями вида Wm = пеаТ, где п и а — эмпирические параметры [6]. Однако универсального аналитического выражения для описания зависимости Wm = f{T) до сих пор не получено.
Основные результаты по количественному и качественному описанию фазового состава мерзлых почв получены на основе представлений равновесной термодинамики почвенной влаги. В ряде работ [1,4, 9] развивается подход, связанный с исследованием природы и сил взаимодействия между частицами почвы и водой на молекулярном уровне. Такой уровень исследований позволяет выяснить структурные особенности воды, находящейся в почвах, и связанное с ними свойство поровой влаги не замерзать при отрицательных температурах. Было установлено [1], что структура влаги, находящейся в почвах, формируется под воздействием разных по характеру сил. К таковым прежде всего относятся дальнодействующие силы взаимодействия между молекулами воды и активными центрами поверхности частиц почвы и короткодействующие силы взаимодействия между молекулами воды. Дальнодействующие силы ориентируют молекулы воды по отношению к активным центрам, искажая структуру воды, связывая ее. Короткодействующие силы стремятся сгруппировать молекулы в структуру, свойственную свободной воде. При положительной температуре доминируют дальнодействующие силы. С уменьшением температуры и соответственно кинетической энергии молекул начинает возрастать роль короткодействующих сил, которые при некоторой температуре ниже 0°С могут восстановить структуру, свойственную свободной влаге, что приводит к образованию кристаллов льда. Остальная часть воды, с более ориентированными молекулами, остается в жидком состоянии. При новом понижении температуры происходит дальнейшая кристаллизация влаги.
WH3,% массы
Рис. 1. Зависимость содержания незамерзшей влаги от температуры и типа почвы.
1) темно-каштановая супесчаная; 2) чернозем южный легкосуглинистый; 3) темно-каштановая тяжепосуглинистая; 4) типичный чернозем тяжелосуглинистый.
Процесс может происходить до тех пор, пока не останется часть воды, настолько прочно связанная с частицами почвы, что короткодействующие силы не в состоянии восстановить структуру воды. Как показывают экспериментальные исследования, эта часть почвенной влаги не замерзает вплоть до температуры порядка -100°С. Толщина прочносвязанной влаги обычно оценивается в один-два молекулярных слоя. При этом такие физические свойства ее, как плотность и вязкость, имеют аномально большие значения.
Поверхностные явления, наблюдаемые в почвах, не только изменяют состояние воды в условиях термодинамического равновесия, но и влияют на кинетику фазовых превращений. Так, в результате экспериментальных исследований было обнаружено, что равновесное содержание незамерз-шей влаги достигается только по прошествии нескольких суток [9]. В работе [12] было также показано, что в результате циклов промерзание — оттаивание количество влаги заметно уменьшается. Экспериментально установлено, что чем ниже температура в конце промерзания, тем меньше незамерзшей влаги получается в цикле оттаивания. В опытах наблюдался гистерезис, характеризующийся разным содержанием незамерзшей влаги в циклах промерзания и оттаивания.
Исследования структурных особенностей и свойств почвенной влаги имеют большое значение для понимания физической сути фазовых превращений в мерзлых почвах. Однако все эти представления не имеют даже приближенной количественной основы, необходимой для получения зависимости содержания незамерзшей влаги от температуры. Получение таких зависимостей было выполнено на основе термодинамики почвенной влаги [3, 5], центральным понятием которой является химический потенциал описываемый суммой
= -"ж + -«ос. (!)
где ftw — составляющая полного химического потенциала, зависящая от влажности и обычно называемая основной гидрофизической характеристикой или капиллярно-сорбционным потенциалом гр; — осмотическая составляющая химического потенциала. В условиях термодинамического равновесия мерзлой почвы
Р. = Н-ш = («л = const. (2)
Здесь (ля и цп — соответственно химические потенциалы льда и пара. Используя условие (2), получим одно из основных уравнений термодинамики мерзлых незаселенных почв
= (3)
Jo
где dPa и dP„ — изменение давлений воды и льда при изменении температуры замерзания поровой влаги на величину dT; Va и V„ — удельные объемы воды и льда; Т0 — температура (К) замерзания свободной воды; L — удельная теплота фазового перехода вода — лед. Соотношение (3) является одной из форм уравнения Клаузиуса — Клапейрона. В условиях, когда лед 60
метеорология и гидрология 2002 n 10
выделяется при нормальном давлении, т. е, при <1Р„ = 0, выражение (3) принимает вид
* £ (4)
¿Т Гшт0
После интегрирования получаем
Р = —1А (5)
"г -"о
(7"акс — температура (К) замерзания влаги в незасоленной почве).
Экспериментальные исследования показали, что допущение, сделанное при переходе от (3) к (5), вполне приемлемо [8, 10, 12]. Исходя из того, что для незаселенных почв [5]
= (6)
можно получить соотношение для определения зависимости содержания незамерзшей влаги Ж1П от температуры
Ч> =Ч> 2
ГщУ т ч\
(Гаьс " Т0) То
(7)
Здесь у = \п(гр ъ!гр гу\п{Ш2^ъу, Ш2 — влажность, соответствующая потенциалу грг = -1500 Дж/кг; Щ — влажность, соответствующая потенциалу хр з = -5000 Дж/кг. Уравнение (7) получено на основе использования показательной функции для расчета потенциала почвенной влаги и устанавливает термодинамическую связь между талой и мерзлой зонами почвы. Рассмотрим процесс промерзания эквивалентным процессу иссушения, а оттаивания — увлажнению. В [10] на основе уравнения (6) получены зависимости содержания незамерзшей влаги от температуры для двух экстремальных по структуре типов почв. Первые из них представляют грубо-дисперсные почвы, между частицами которых существует непосредственный контакт. Для них получено выражение, отражающее связь основной гидрофизической характеристики и температуры
гр = Ь {Тмх ~Т°\ (8)
ужа» Г0
где ош и аш — соответственно коэффициенты поверхностного натяжения на границах вода — атмосфера и вода — лед. Соотношение от1аш = 2,2. Другой тип почвы — это почва, частицы которой всегда отделены друг от друга слоем воды. В этом случае выражение связи гр и ГАБс выглядит следующим образом:
у = ¿И^авс - Т0) ^ 9)
V Т
'л -"о
Есть основания предполагать, что структура большинства почв занимает как бы "промежуточное положение" между этими двумя экстремальны-
ми типами и для них множитель, эквивалентный ош/овя, равен 1—2,2 и зависит от влажности. Для определения этого множителя необходимо для каждого типа почв экспериментально получать десорбционную ветвь зависимости потенциала от влажности и содержания незамерзающей влаги от температуры, что является трудоемкой задачей. Поэтому в практических расчетах можно использовать выражение (7). Нами была выполнена проверка этого выражения на основе сопоставления информации о содержании (V,,, в мерзлых почвах с данными об основной гидрофизической характеристике талых почв. Исходя из (7), влажность Щ при хр2 = -1500 Дж/кг должна быть равна при Т — -1,25°
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.