Твердая фаза и поровое пространство почв. Плотность почвы

1. Твердая фаза и поровое пространство почв

Профильный курс для студентов
IV курса
Итоговая аттестация – экзамен

2. Разделы курса

• Плотность почв и агрегатов
• Гранулометричекий состав: методы лазерной
дифрактометрии, ареометра и пипетки
• Томографические исследования порового
пространства почв
• Микроморфологические исследования
порового пространства
• Реология почв.
• Гидрология почв

3. Тема: Плотность

4. Плотность почвы

• Плотность почвы - масса абсолютно-сухой
единицы объема почвы со всеми свойственными
этому объему пустотами [г/см3]
ms
b
Vt

5. Порозность почв

• Порозность (пористость) - это отношение
объема пор почвы к объему почвы [см3/см3, %]
Vw + V0
Vt - Vs
e
Vt
Vt
ms
1-
ms
s
b
b
1 s

6. Другие выражения пор почвы

• Коэффициент пористости [см3/см3, %]
Vпор
Vt - Vs s - b
е
Vs
Vs
b

7. Порозность агрегатная

e агр
Vпор
Va
Но просто вычитать нельзя,
- разные знаменатели
Надо найти межагрегатную,
поэтому надо определить
суммарную агрегатную порозность
Vпор .
eS агр
Vt

8. Порозность агрегатов, суммарная агрегатная и межагрегатная

Vпор
• Порозность агрегатная
e агр
• Порозность суммарная агрегатная
Va
e a (1 - e )
e Sагр
1- ea
Vt
Vпор
Порозность межагрегатная
e
межагр
e - eSагр

9. Порозность. Коэффициент порозности.

Vпор
e
(
1
e
)
a
e Sагр
Vt
1- ea
Коэффициент пористости
s - b
e
e
Vs
s
1- e
Vпор

10. Вопрос 5 темы 1 «Фазы почвы» Дифференциальная порозность почв.

11. Дифференциальная порозность

• I-е понятие: объемы пор, занятые водой,
воздухом, агрегатная и межагрегатная
порозность [см3/см3]
• порозность общая
• порозность агрегата
b
e 1 s
a
ea 1 s
• порозность суммарная агрегатная
e
e Sагр
e a (1 - e )
1- ea
e - eS агр
межагр
• порозность межагрегатная
• порозность, занятая воздухом (воздухоносная
порозность или порозность аэрации)
e air e - q

12. Зависимость порозности аэрации от плотности почв и влажности

Порозность аэрации, %
60
Wмасс=10%
30
20%
30%
Критическая
порозность
40%
50%
1.0
1.4
Плотность почвы
1.8
2.0

13. Дифференциальная порозность

• II-е понятие: распределение объемов пор
по их диаметрам – определение на
ртутном порозиметре
V ï î ð,
ñì 3/ ñì
2s
P@
r
V, см3/см3
3
r4
r3
r2
r1
r, ñì
см

14. Классификация пор почвы

Можно пересчитать
в давление влаги

15. Томография порового пространства почв

16. Рентгеновские лучи

• Рентгеновские лучи возникают при сильном
ускорении заряженных частиц (
тормозное излучение), либо при
высокоэнергетичных переходах в
электронных оболочках атомов или молекул. Оба
эффекта используются в рентгеновских трубках, в
которых электроны, испущенные катодом,
ускоряются под действием разности электрических
потенциалов между анодом и катодом (при этом
рентгеновские лучи не испускаются, т. к. ускорение
слишком мало) и ударяются об анод, где они резко
тормозятся (при этом испускаются рентгеновские
лучи: т. е. тормозное излучение) и в то же время
выбивают электроны из внутренних
электронных оболочек атомов анода.

17. Не забыть про обратные задачи!

18. Принцип ротационной томографии

19.

20. Дерново-подзолистая, гор.A1El

21. Дерново-подзолистая, гор.C

22. Итог этого опыта

У почвенных пор есть другие качества, кроме
их диаметра и объема. А именно:
извилистость, сложность формы, которые
определяют многие другие свойства порового
пространства (проводимость воды, газов и
пр.).

23.

AY
0-4 см
AEL
6-11 см
EL
17-22 см
BT
55-60 см
С
150 см
Шлифы
Агрегаты
mCT пор

24.

Строение порового пространства
дерново-подзолистой почвы
Гор. AY
1 см
Гор. AEL

25.

Строение порового пространства
дерново-подзолистой почвы
Гор. EL
1 см
Гор. BEL

26.

Строение порового пространства
дерново-подзолистой почвы
Гор. BT
1 см
Гор. C

27.

Macropore flow and soil matrix flow properties
Macropore flow with low interaction (saturated soil matrix)
Macropore flow with mixed (high and low) interaction (heterogeneous soil
matrix)
Macropore flow with high interaction (permeable soil matrix)
Heterogeneous soil matrix flow and fingering
Homogeneous soil matrix flow (permeable soils)
Soil preferential flow degree

28.

Определение
краевого угла
смачивания

29. Тез

30. Новые количественные измерения краевого угла смачивания

31. Процесс измерения КУ методом сидячей капли

32. Контактный угол (КУ, градусы) в различных почвах

33. Вывод:

Огромное значение имеют
межфазные взаимодействия, а
именно поверхность раздела
«вода-твердая фаза», которая
покрыта пленкой органического
вещества
Из доклада Е.Ю.Милановского: «Органическое
вещество гидрофобизирует поверхность
минералов, уменьшает и нивелирует различия

34. Метод ареометра

35. Метод ареометра

• Рассмотрим следующие
Метод компоненты
ареометра
суспензии:
• Мs- масса осажденных частиц почвы; ρw –
плотность воды, ρs –плотноcть твердой фазы,
Мw - масса воды, V - объем суспензии
( обычно 1 л)
• Тогда плотность суспензии, ρс, составит:
é
ù
Ms
ê M S + (V - ( )) × w ú
Ms + Mw ë
s
û
c
V
V

36. Метод ареометра

Ms + Mw
c
V
cV M s + M w
æ
Ms ö
M w çV ÷ × w
s ø
è
Нам
Нам надо
надо найти
найти массу
массу
твердой
твердой фазы
фазы почвы
почвы для
для
соответствующего
соответствующего диаметра
диаметра
(например,
(например, <0.05мм)
<0.05мм)
æ
Ms ö
cV M s + ç V ÷ × w
s ø
è
Ms
V ( c - w )
w
1 s
Ну, а далее формула Стокса. Рассчитываем
время и диаметр частиц. По этой формуле
рассчитываем массу частиц
соответствующего диаметра. Нам надо
найти массу твердой фазы почвы для
соответствующего диаметра (например,
<0.05мм)

37. Уравнение Стокса

2 r × g × ( s - w ) l
v ×
9
t
2

38.

заметим, что
æ
Ms ö
) ÷ × w
çV - (
s ø
è
- это масса воды
(Мw) .
Тогда масса суспензии ( × V ) составит:
c
æ
Ms ö
cV M s + çV ÷ × w
s ø
è
V ( c - w )
M
s
откуда выражаем M
w
1 s
s

39. Пример

• Например, если плотность твердой фазы почвы
s(
равна 2.6, плотность воды =1 г/см3, то конечная
формула для расчета (округленно):
)
( c - 1) × V ( c - 1) × V
Ms
1
0.6
12.6
Таким образом, измеряя плотность суспензии, мы
можем по указанной формуле рассчитать массу частиц в
суспензии на определенной глубине в определенный
момент времени. Далее, используя формулу Стокса и
задав определенный размер частиц (например, >0.05
мм), рассчитать время взятия отсчета по ареометру,
определить в это время плотность суспензии и
рассчитать массу частиц (см предыдущую формулу),
соответствующую эту размеру. Можно задать
следующий размер частиц (например, 0.01 мм) и опять
посчитать, какую массу составят частицы выбранного

40. Метод лазерной дифрактометрии

па
да
ющ
ий
с
ве
т
ный свет
н
е
ж
а
р
т
О

41. Дифференциальная и интегральные кривые гранулометрического состава, получаемые на лазерном дифрактометре

Дифференциальная и интегральные кривые
гранулометрического состава, получаемые на лазерном
Вопросы:
дифрактометре
1. Откуда максимумы на дифференциальной кривой?
2. С чем связана «узость» пика?

42. Гранулометрический анализ почв Диспергация образца

микроагрегат
• Химическая обработка:
▫ Н2 О 2 ;
▫ Пирофосфат Nа.
0,25 мм
органическое
вещество
элемент
частицы
песок
кварц
пыль
крупная
• Физическая обработка
▫ Ультразвуковая обработка
▫ Механическое растирание
ил
(глинистые
минералы)
пыль
мелкая
и средняя
Цель – разрушить микроагрегаты
до элементарных частиц

43.

Диспергация образца. Ферральсоль (А11, Сорг 9,11%)
«Analysette 22
Comfort »
Н2О УЗ
УЗ -- FRITCH
FRITCH
Н2О УЗ - FRITCH
Н2О
Н2ОУЗ
УЗ- -FRITCH
FRITCH
Н2О
Na4P2O7 УЗ - FRITCH
Na4P2O7
- FRITCH
Н2О УЗУЗ
- FRITCH
Na4P2O7 УЗ - BRANSO
Н2О УЗ -УЗ
BRANSO
Na4P2O7
- FRITCH
Na4P2O7
- BRANSO
Н2О УЗ - УЗ
BRANSO
29
29
2,7
2,7
1,5
1,5
0,42
0,42
0.1
0.1
0.1
0.1
Диспергация
Н2О УЗ - FRITCH
Na4P2O7 УЗ - FRITCH
Na4P2O7 УЗ - BRANSON
Н2О УЗ - BRANSON
111
10
10
10
10
100
100
100
100
мкм
Содержание фракций (%), диаметром
(мкм)
250- 50
50 - 10
10 - 5
5-1
>1
10.97
1.17
57.67
44.87
10.14
17.15
18.15
32.45
3.07
4.36
0.8
16.13
17.07
44.3
21.67
0
5.75
13.73
56.18
24.34
Суглинок средний
Глина легкая
Глина средняя
Глина
Глинатяжелая
тяжелая

44.

Гранулометрический состав гумусово-аккумулятивных
горизонтов почв
Глина тяжелая
Глина средняя
Глина легкая
Тяжелый суглинок
седиментация
дифракция

45.

• Основные расхождения методов
седиментометрии и лазерной
дифракции наблюдаются в
области тонких частиц (ила,
мелкой пыли).
• Метод лазерной дифракции
«занижает» (в 2-10 раз!)
содержание тонких фракций

46. Деформации сжатия - уплотнение, консолидация, компрессия

Деформации сжатия уплотнение, консолидация,
• Процесс уменьшения порозности не насыщенных
компрессия
водой почв под влиянием эффективного давления за
счет уменьшения воздухоносной порозности
называется уплотнением.
• Консолидация – процесс уплотнения
первоначально насыщенной почвы путем отбора
(медленного «выжимания») воды при свободном ее
оттоке. Определяется скоростью оттока воды.
• Компрессия – процесс уплотнения не насыщенной
влагой воды, при котором происходит изменение
порового пространства почв как за счет уменьшения
объема воздухоносных пор, так и за счет оттока влаги
из порового пространства. Компрессия почвы
включает процессы уплотнения и консолидации

47. Зависимость коэффициента пористости почвы от нормальной нагрузки – «компрессионная кривая» (получается на специальных приборах – одоме

Зависимость коэффициента пористости
почвы от нормальной нагрузки –
«компрессионная кривая» (получается
à
á
на специальных
приборах
–
одометрах)
e
e
0.8
M1
0.4
M1
P1
P2
Ps, êã/ ñì
Pñòð
log P

48. Важнейшие формулы

De -m0 × DPn
Заменяем
De
m0
mv
1+ e
на
g
-Закон уплотнения
и получаем запись
- относительная сжимаемость
Е – модуль деформации или модуль Юнга
Pn
g
E

49. Зависимость компрессионных кривых от свойств почв

e
e
à)
e
Ps e
á)
ã)
Ps
â)
ïðèçìàòè÷åñêàÿ
Ps
Ps

50. Компрессионные кривые характеризуются:

• Нелинейностью
• Структурной прочностью
• Гистерезисом
• Остаточной деформацией

51. Просадки – уменьшение порозности почвы под действием нормальных напряжений и ряда сопровождающих причин

• ПРОСАДКА (ГРУНТА) – постепенное опускание
поверхности земли на некотором участке
территории вследствие уменьшения объема
находящегося в напряженном состоянии грунта при
оттаивании мерзлого грунта, вымывания
воднорастворимых солей (химическая суффозная
просадка в засоленных глинах, послепросадочная
деформация в лессовых грунтах), сейсмических
колебаниях и воздействии вибрации (сейсмическая
вибрационная просадка). Может быть результатом
откачки подземных вод для технических и бытовых
нужд или добычи нефти и газа. Просадки возможны
также при добыче твердых полезных ископаемых
шахтным способом. П.г. нередки в пределах

52.

53. Следующая тема

Основная
гидрофизическая
характеристика
(ОГХ)

54. ОСНОВНАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (ОГХ)

• ОГХ. Основные области и характерные точки.
Зависимость от свойств почв.
• Использование ОГХ для расчетов:
▫ Распределения пор по размерам
▫ почвенно-гидрологических констант
▫ Движения влаги в почве (хроноизобары)
• Гистерезис ОГХ
• Методы определения ОГХ
• Педотрансферные функции

55. Характерные области ОГХ

pF
q
êðèâàÿ
ñî ðáöèè
6
ñî ðáöèî í í àÿ
î áëàñòü
P/ P 0
5
1
ï ëåí î ÷í î êàï èëëÿðí àÿ
4
3
2
1
êàï èëëÿðí àÿ
î áëàñòü
äàâëåí èå
âõî äà âî çäóõà, Ðá
qmin
î áëàñòü
í àñû ù åí èÿ
q0
q, %

56. Изменение ОГХ для почв различного гранулометрического состава

Изменение ОГХ для почв
различного
pF
гранулометрического состава
ñóãëèíîê
òîíêèå
ñðåäíèå
òîëñòûå
ãëèíà
а
ин
гл
ок
ин
гл
к
су
со
пе
ïåñîê
W

57. Изменение ОГХ при уплотнении

pF
óï ëî òí åí èå
W

58. Изменение ОГХ при изменении минералогического состава

pF
ì èí åðàëî ãè÷åñêèé
ñî ñòàâ
W

59. Изменение ОГХ при осолонцевании почв

pF
W

60. АППРКСММАЦИЯ ОГХ. Уравнения ван Генухтена, Брукса и Кори

61. Аппроксимация ОГХ и функции влагопроводности

1-1/n
æ
ö
q - qr
1
Se ç
n ÷
qs - qr
è 1 + (a × P) ø
- уравнение ван Генухтена для описания ОГХ (1980)
- но есть много других уравнений: Брукс и Кори
Рассчитывают педотрансферные функции,
как эмпирические зависимости параметров
аппроксимации (n, α) от фундаментальных свойств почв

62. Уравнение Брукса и Кори (1964)

1
-n
ì
a × Pдля
KР L к - с £ к -c
ï
q - qr ï
a
Se
í
1
qs - qr ï
1K для O Рк -с ³ ïî
a

63. Коэффициент влагопроводности или ненасыщенная гидравлическая проводимость

64. Уравнение Генухтена-Муалема

• В этом уравнении участвуют параметры
уравнения ван Генухтена для ОГХ и
коэффициент фильтрации
1
é æ
ö
l
m
K ( Pк -с ) K s × Se ê1 - ç 1 - Se ÷
êë è
ø
m 2
ù
ú , 0<m<1
úû

65. Для описании гидрологии почв в настоящее время достаточно экспериментально определить:

• Основную гидрофизическую
характеристику
• Ненасыщенную
гидравлическую проводимость

66. Использование ОГХ для определения гидрологических констант

Какие константы мы знаем?

67.

W
WМАВ
(Wm )e
Wa
pF
Wm
7
(Wm)e
Wi
капиллярная
конденсация
полимолекулярный слой
мономолекулярный
слой
0.35
0.05
0.8
1
P/P0
6
5
МГ
4
ВЗ
НВ
капиллярная
3
2
КВ
1
гравитационная
W

68.

pF
7
6
5
ВЗ
4
НВ
3
2
1
песчаная
суглинистая
W

69.

70. 5. Педотрансферные функции

71. Педотрансферные функции

Педотрансферными
функциями
в
современном
почвоведении
называют
зависимости,
позволяющие
рассчитывать
основную гидрофизическую характеристику
(ОГХ) по традиционным, базовым свойствам
почв ( по гранулометрическому составу,
плотности почвы. содержанию органического
углерода и пр.).

72. Пример педотрансферной функции

Пример педотрансферной
• Влажность при pF=4.12 (влажность
функции
завядания)
Q pF 4.12 1.23 + 0.369(физглина
.
) + 0.947(содуглерода
.
)
• Влажность при pF=2.5 (влажность при НВ)
QpF 2.52 7.21 + 0.771(физглина
.
) + 13.45(содуглерода
.
)

73. Для получения педотрансферных функций необходимо:

• Большой банк
данных по ОГХ и физическим
свойствам, чтобы получить эмпирические
зависимости;
• Выбрать способ построения (математический
аппарат) ПТФ для расчета ОГХ по свойствам
почвы

74. ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В НАСЫЩЕННОЙ ПОЧВЕ (ФИЛЬТРАЦИЯ)

ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В
НАСЫЩЕННОЙ ПОЧВЕ
• Закон Дарси
(ФИЛЬТРАЦИЯ)
Виды фильтрации
Отклонения от закона Дарси
Водороницаемость: впитывание+фильтрация
Коэффициент впитывания и фильтрации

75. ПАоследний тест

76.

1. Какие почвы относят к
тяжелым суглинкам
(укажите содержание
физической глины)?
2. Какие тяжелые почвы
относят к
переуплотненным
(укажите величину
плотности почвы).
3. Как определить по
ОГХ НВ?
4. Что такое
компрессионные
кривые, чем они
характеризуются?
1. Какие почвы относят
по коэффициенту
фильтрации к
водоупорам (укажите
величину Кф в см/сут)
2. Какие песчаные почвы
относят к
переуплотненным
(укажите величину
плотности почвы).
3. Как определить по
ОГХ ВЗ?
4. Чем отлдичатся
просадки от усадки
почв?

77.

1. При одинаковой
влажности какаяпочва
имеет более высокой
давление влаги,
засоленная или
незасоленная?
2. Какие параметры
экспериментально
можно определить в
уравнении ван
Генухтена
1. При одинаковой
влажности, какая
почва имеет большее
давление влаги
осолонцованная или
несолонцовая?
2. Какие параметры
экспериментально
можно определить в
уравнении Муалема?