Основная гидрофизическая характеристика

Основна́я гидрофизи́ческая характери́стика (ОГХ, кривая водоудерживания) — в физике почв изотермическая равновесная зависимость между капиллярно-сорбционным (матричным) давлением почвенной влаги и влажностью (обычно объёмной). Форма ОГХ специфична для каждого почвенного образца и характеризует структуру порового пространства почвы, гранулометрический и минералогический состав. Характеризуется гистерезисом, то есть несовпадением форм кривой при увлажнении и иссушении образца. В виду доминирования во времени в естественных условиях процессов иссушения, а также их равновесности, чаще используют ОГХ, найденную именно для иссушаемого образца.

Форма кривой ОГХ

Обычно ОГХ представляется в графической форме (реже в виде таблицы), как зависимость капиллярно-сорбционного давления от влажности. При этом для давления используется логарифмическая шкала, берётся десятичный логарифм от абсолютной величины давления — pF. Полученная кривая имеет S-образную форму, на которой выделают несколько характерных областей:

• насыщения (при pF от 0 до в среднем 1,7)
• капиллярная (1,7 — 3,0)
• плёночная (3 — 4,5)
• сорбционная (более 4,5)
• недоступной для растений влаги (pF более 4,18)

а также несколько характерных точек. Первая точка соответствует pF близкому к 0, то есть почти полностью заполненному водой поровому пространству почвы (достичь абсолютно полного заполнения редко удаётся). Место первого изгиба кривой называют «давлением выхода воздуха (барботирования)». Между первой и второй точками изменение давления почвенной влаги приводит лишь к изменению кривизны капиллярных менисков, но не к изменению влажности. От второй точки и далее изменение давления означает изменение доли почвенных пор заполненных водой (и пор, заполненных воздухом). Третья точка отражает влажность, соответствующую переходу области плёночно-капиллярной влаги к сорбционной.

Зависимость ОГХ от свойств почвы

Гранулометрический состав. Облегчение грансостава приводит к сдвигу верхней части ОГХ влево, нижняя остаётся относительно неизменной.

Плотность почвы. Рыхление приводит к сдвигу верхней части ОГХ влево, в нижней вправо, в область высокой влажности.

Минералогический состав. При одном и том же давлении почвенной влаги водоудерживающая способность, к примеру, монтмориллонита, будет выше каолинита, поэтму его ОГХ будет сдвинута вправо, в область высоких влажностей.

Распределение пор по размеру. Капиллярно-сорбционное давление почвенной влаги, выраженное в сантиметрах водного столба — это высота капиллярного поднятия, по формуле Жюрена связанная с радиусом капилляра:

h = 0,15/r

Разбив ось ординат на доли и посчитав для них радиусы (или диаметры) пор, по оси абсцисс (при использовании объёмной влажности) получим долю пор данного радиуса в общем поровом пространстве.

Почвенно-гидрологичские константы. А. Д. Воронин получил уравнения зависимости прямых, пересечение которых с ОГХ дают значения той или иной константы. Так, для максимальной адсорбционной влагоёмкости (МАВ) имеет место следующее уравнение: pF = 5,2 + 3W

Для максимальной молекулярной (ММВ): pF = 2,17 + 3W

Для максимальной капиллярно-сорбционной (МКСВ): pF = 2,17 + W

Для капиллярной (КВ): pF = 2,17

Константа 2,17 соответствует pF при радиусе капилляра 10 мкм — расстоянии, на которое распространяется влияние поверхностных сил твёрдой фазы почвы.

Методы определения

Не существует метода, позволяющего определить ОГХ во всём диапазоне pF. Примерно до pF 2,9 возможно использование тензиометра в сочетании с отбором проб на влажность (полевой метод) или его варианта – капилляриметра: тензиометра, опущенного в насыщенную водой почву и соединённого другим концом с насосом (лабораторный метод). Задание воздуху в капилляриметре известного давления приводит к выходу в него из почвы некторого количества воды, которое следует измерить после достижения равновесия. Капиллярно-сорбционное давление будет равно давлению воздуха с поправкой на давление столба воды в приборе, влажность находят методом обратного пересчёта. На сходных принципах основывается устройство тензиостата.

В области pF до 5, а иногда и выше, может быть использован мембранный пресс. Его принцип действия: на тонкопористую мембрану кладётся насыщенный образец почвы и над ним создаётся повышенное давление газа. Под мембраной сохраняется атмосферное давление и вода будет выходить из почвы, а её давление снижаться, до тех пор пока по абсолютной величине не сравняется с избыточным давлением газа над образцом.

При еще больших значениях pF используют гигроскопический метод (или метод равновесия над растворами солей). Над раствором устанавливается строго определённое относительное давление пара воды, после достижения равновесия в почве создастся соответствующее давление (потенциал) влаги. Остаётся только определить влажность.

Литература

• Шеин Е. В. Курс физики почв.: учебник. — М.: Изд-во МГУ, 2005. — 432 с. ISBN 5-211-05021-5