Физически обоснованная термодинамическая модель основной гидрофизической характеристики почв для всего диапазона влажности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Количественное описание основной гидрофизической характеристики (ОГХ) почв остается одной из наиболее актуальных задач гидрофизики в связи с ее значением для компьютерного моделирования транспорта почвенной влаги и растворенных веществ, а также для развития термодинамической концепции физического качества почвы. Представлена новая модель ОГХ как функциональная зависимость термодинамического потенциала (давления) влаги и ее содержания в почве во всем возможном диапазоне от условно нулевой влажности до полной влагоемкости. В отличие от известных эмпирических аналогов, модель базируется на фундаментальных физических механизмах водоудерживания, комбинирующих капиллярный эффект и расклинивающее давление воды (по Дерягину). Ограничения пористостью (полной влагоемкостью), высотой предельного капиллярного подъема и стандартным термодинамическим потенциалом условно нулевого содержания воды при температуре 105°С используются для обоснования области определения ОГХ, ее точки перегиба и скейлинга. Аналитическое выражение новой модели в форме комбинации экспоненциальной и гиперболической функций с аргументом влажности почвы легко дифференцируется и позволяет рассчитывать по ОГХ дифференциальную влагоемкость, переменную поверхность раздела фаз и распределение пор по размерам с максимумом в точке наименьшей (полевой) влагоемкости, оценивать удельную поверхность твердой фазы. Валидация модели с использованием среднестатистических ОГХ основных генетических типов и текстурных классов некоторых почв Евразии подтверждает ее хорошее соответствие экспериментальным данным при более адекватном описании ОГХ в окрестности условно нулевой влажности почв по сравнению со стандартной эмпирической моделью ван-Генухтена при таком же числе параметров. Фундаментальный характер новой модели и хорошая аппроксимирующая способность для всего диапазона ОГХ создают перспективу ее разнообразного использования для оценки физического качества почвы и процессного моделирования влагопереноса, особенно в тонкодисперсных и сильноиссушаемых аридных почвах, где аппроксимирующие возможности модели превышают известные эмпирические аналоги.

Об авторах

А. В. Смагин

МГУ им. М.В. Ломоносова; Институт лесоведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: smagin@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-3483-3372
Россия, Москва, 119991; Успенское, 143030

Список литературы

  1. Березин П.Н., Воронин А.Д., Шеин Е.В. Структура почвы: энергетический подход к количественной оценке. // Почвоведение. 1983. № 10. С. 63–69.
  2. Глобус А.М. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 428 с.
  3. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 398 с.
  4. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Избр. тр. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. Т. 3. 664 с.
  5. Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление растений. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1979. 253 с.
  6. Финн Р. Равновесные капиллярные поверхности. Математическая теория. М.: Мир, 1989. 312 с.
  7. Campbell G.S., Shiozawa S. Prediction of hydraulic properties of soils using particle-size distribution and bulk density data // Proceedings of the international workshop on indirect methods for estimating the hydraulic properties of unsaturated soils / Eds. van Genuchten M.Th., et al. Riverside: University of California, 1994. P. 317–328.
  8. Chi Ch. Two models to describe the entire soil water retention curve // Eur. Soil Sci. 2023. V. 56. P. 447–452. https://doi.org/10.1134/S1064229322602360
  9. de Jong van Lier Q. Física do solo – baseada em processos. Piracicaba: Edição do autor, 2020. 413 p.
  10. Dexter A.R. Soil physical quality: part I. Theory, effects of soil texture, density, and organic matter, and effects on root growth // Geoderma. 2004. V. 120. P. 201–214.
  11. Du Ch. Comparison of the performance of 22 models describing soil water retention curves from saturation to oven dryness // Vadose Zone J. 2020. V. 19. P. e20072. https://doi.org/10.1002/vzj2.20072
  12. Dullien F.A.L. Porous media: fluid transport and pore structure. San Diego: Academic Press Inc., 1992. 574 p.
  13. Gregg S.J., Sing, K.S.W. Adsorption, surface area and porosity. San Diego: Academic Press Inc., 1982. 303 p.
  14. Groenevelt P.H., Grant C.D. A new model for the soil water retention curve that solves the problem of residual water contents // Eur. J. Soil Sci. 2004. V. 55. P. 479–485.
  15. Keen B.A. The physical properties of the soil. Longmans, Green and Co, 1931.
  16. Khramchenkov M.G., Khramchenkov E.M., Usmanov R.M. Non-linear equations of mechanics of swelling and metamorphic processes // Lobachevskii J. Math. 2019. V. 40(12). P. 2077–2083. https://doi.org/10.1134/S1995080219120072
  17. Kosugi K. Three-parameter lognormal distribution model for soil water retention. // Water Resour. Res. 1994. V. 30. P. 891–901.
  18. Li Y., Zhang Ch., Chen Ch., Chen H. Calculation of capillary rise height of soils by SWCC model. // Geomat. in Geotech. Eng. 2018. V. 2018. P. 5190354, https://doi.org/10.1155/2018/5190354
  19. Lu S., Ren T., Lu Y., Meng P., Sun S. Extrapolative capability of two models that estimating soil water retention curve between saturation and oven dryness // PLoS ONE. 2014. V. 9(12). P. e113518. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0113518
  20. Omuto C.T. Biexponential model for water retention characteristics. // Geoderma. 2009. V. 149. P. 235–242. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2008.12.001
  21. Pachepsky Ya.A., Timlin D., and Varallyay G. Artificial neural networks to estimate soil water retention from easily measurable data // Soil Sci. Soc. Am. J. 1996. V. 60. P. 727–733.
  22. Peters A. Simple consistent models for water retention and hydraulic conductivity in the complete moisture range // Water Resour. Res. 2013. V. 49. P. 6765–6780. https://doi.org/10.1002/wrcr.20548
  23. Resurreccion A.C., Moldrup P., Tuller M., Ferre T.P.A., Kawamoto K., Komatsu T., de Jonge W.L. Relationship between specific surface area and the dry end of the water retention curve for soils with varying clay and organic carbon contents // Water Resour. Res. 2011. V. 47. P. W06522. https://doi.org/10.1029/2010WR010229
  24. Richards L.A., Weaver L.R. Moisture retention by some irrigated soils as related to soil-moisture retention // J. Agr. Researh. 1944. V. 69. P. 215235.
  25. Rudiyanto Sakai M., van Genuchten M.Th., Alazba A.A., Setiawan B.I., Minasny B. A complete soil hydraulic model accounting for capillary and adsorptive water retention, capillary and film conductivity, and hysteresis // Water Resour. Res. 2015. V. 51. P. 17703. https://doi.org/10.1002/2015WR017703
  26. Rudiyanto, Minasny B., Shah R.S., Setiawan B.I., van Genuchten M.Th. Simple functions for describing soil water retention and the unsaturated hydraulic conductivity from saturation to complete dryness // J. Hydrol. 2020. V. 588. P. 125041. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125041
  27. Schneider M., Goss K.U. Prediction of water retention curves for dry soils from an established pedotransfer function: Evaluation of the Webb model // Water Resour. Res. 2012. V. 48. P. W06603. https://doi.org/10.1029/2011WR011049
  28. Shein E.V., Arkhangel’skaya T.A. Pedotransfer functions: state of the art, problems, and outlooks // Eur. Soil Sci. 2006. V. 39. № 10. P. 1089–1099.
  29. Simunek J., van Genuchten M.Th., Sejna M. The HYDRUS software package for simulating two- and three-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Technical Manual. Version 1.0. PC Progress. Prague. 2006.
  30. Smagin A.V. Physically Based Mathematical Models of the Water Vapor Sorption by Soils // Eur. Soil Sci. 2011. V. 44. P. 659–669. https://doi.org/10.1134/S1064229318070098
  31. Smagin A.V. Theory and methods of evaluating the physical status of soils // Eur. Soil Sci. 2003. V. 36. P. 301312.
  32. Smagin A.V. Thermodynamic concept of the physical quality of soils // Eur. Soil Sci. 2021. V. 54(9). P. 1312–1327. https://doi.org/10.1134/S106422932109009X
  33. Smagin A.V. Thermodynamic concept of water retention and physical quality of the soil // Agronomy. 2021. V. 11. P. 1686. P. 91686. https://doi.org/10.3390/agronomy11091686
  34. Smagin A.V. Thermogravimetric determination of specific surface area for soil colloids. // Colloid J. 2016. V. 78. P. 391396. doi: 10.1134/S1061933X16030170
  35. Sudnitsyn I.I., Smagin A.V., Shvarov A.P. The theory of Maxwell-Boltzmann-Helmholtz-Gouy about the double electric layer in disperse systems and its application to soil science (on the 100th anniversary of the paper published by Gouy) // Eur. Soil Sci. 2012. V. 45. P. 452–457. https://doi.org/10.1134/S106422931204014X
  36. Terleev V.V., Ginevsky R.S., Lazarev V.A., Topaj A.G., Dunaieva E.A. Functional description of water-retention capacity and relative hydraulic conductivity of the soil taking into account hysteresis // Eur. Soil Sci. 2021. V. 54. P. 715–724. https://doi.org/10.1134/S106422931204014X
  37. Too V.K., Omuto C.T., Biamah E.K.Б Obiero J.P. Review of soil water retention characteristic (SWRC) models between saturation and oven dryness // Open J. Modern Hydrology. 2014. V. 4. P. 173–182. http://dx.doi.org/10.4236/ojmh.2014.44017
  38. van Genuchten M.T. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1980. V. 44. P. 892898.
  39. Voronin A.D. Energy Concept of the Physical State of Soils // Eur. Soil Sci. 1990. V. 23. P. 7–19.
  40. Webb S.W.D. A simple extension of two-phase characteristic curves to include the dry region. // Water Resour. Res. 2000. V. 36(6). P. 1425–1430, https://doi.org/10.1029/2000WR900057
  41. Xu C.Y., Zhou T.T., Wang C.L., Liu H.Y., Zhang C.T., Hu F.N., Zhao S.W., Geng Z.C. Aggregation of polydisperse soil colloidal particles: Dependence of Hamaker constant on particle size. // Geoderma. 2019. V. 21. P. 113999. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.113999

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024