Выявление механизма термоградиентной миграции влаги в грунтах с применением химического маркера

Изучение водного режима сибирских степных почв, на которых возделываются преимущественно яровые зерновые культуры, по-прежнему остается актуальным. Одним из важных элементов водного режима почв является передвижение влаги по их профилю. Среди различных механизмов передвижения особая роль принадлежит миграции почвенной влаги под влиянием температурного градиента. Наиболее ярко такая миграция выражена при промерзании верхней части почвенно-грунтовой толщи, когда передвижение осуществляется из непромерзающих подпочвенных пород в сезонно-промерзающий слой. Попадая в слой с отрицательными температурами, мигрировавшая влага замерзает. Величина криогенной аккумуляции влаги может достигать 100 мм и более, что сопоставимо с запасами почвенной влаги для вегетации яровых зерновых культур. При больших объемах намерзшей влаги прогревание нижних горизонтов почв может задерживаться на 7–10 дней. Таким образом, термоградиентное передвижение влаги в сезонно-промерзающих степных почвах Сибири является важным элементом их водного режима.

Для прогноза термоградиентного движения влаги предпринимаются попытки математического моделирования этого явления. При большом количестве предложенных моделей

Целью статьи является проверка возможности выявления механизма термоградиентной миграции влаги в грунтах с применением химического маркера.

В качестве основного постулата использовалось положение о том, что движению влаги в жидком виде соответствует изменение распределения растворенного химического маркера, а при движении парообразной влаги профильное распределение маркера остается неизменным. В качестве маркера применялся хлорид-ион (хлорид).

При исследовании использовались насыпные колонки песчаного грунта, отобранного из свежего аллювиального наноса в низкой пойме долины реки Обь. Гранулометрический состав грунта определен методом Качинского и отражен в таблице. 

Размеры колонок составляют 7 х 7 х 20 см. Такие размеры представляются вполне достаточными, т.к. высота капиллярного поднятия влаги в песчаных отложениях составляет сантиметры. В колонках использовался как высушенный в сушильном шкафу в течение 8 часов при температуре 105°С песок, так и песчаный грунт с влажностью 5,5% массы.

На юге Сибири широко распространены длительно и глубоко сезонно-промерзающие почвенно-грунтовые толщи с близким к земной поверхности залеганием грунтовых вод. Поэтому на предварительном этапе устанавливались профили влажности, сходные с естественным распределением влаги в профиле почв и грунтов на юге Сибири. Для установления такого профиля насыпные колонки песка помещались в емкость с подготовленным водным раствором NaCl. Концентрация раствора составила 5 г/л. В нижней части колонок выполнены отверстия диаметром 2–3 мм для свободного контакта раствора с грунтом в колонках. Для предотвращения испарения емкость с раствором и колонки изолированы полиэтиленовой пленкой.

Колонки выдерживались в емкости с раствором при комнатной температуре (+25°С) в течение 9 суток. Этого промежутка достаточно для установления в них профиля влажности, характерного для почв и пород с близкими грунтовыми водами. Затем в каждом двухсантиметровом слое контрольных колонок устанавливались влажность (термостатно-весовым методом) и содержание химического маркера (путем анализа почвенных вытяжек методом Мора). Массовое содержание хлорида-иона (в миллиграммах) нормировали на массу песка (в граммах). Случайные отклонения результатов анализа хлорида не превышали 10%, в среднем составляя 3–5%.

Другие экспериментальные колонки после установления в них предварительного профиля влажности помещалась в холодильную установку еще на 14 суток. В течение всего этого срока грунт в колонке обеспечивался свободным контактом с раствором из той же емкости. Для обеспечения термоградиентной миграции температура в верхней части колонки поддерживалась на уровне - 6°С, у основания колонки — + 3°С. Спустя 14 суток в этих колонках описанными выше методами определены влажность и содержание химического маркера. На основании изменений в распределении влаги и хлорид-иона сделаны заключения об их передвижении по профилю колонки насыпного грунта под влиянием разницы температур.

После выдерживания колонок в емкости с раствором при комнатной температуре в течение 9 суток получены следующие профили влажности и распределения хлорида (рис. 1). При неограниченном поступлении воды снизу в обеих колонках сформировался профиль влажности, аналогичный капиллярной кайме грунтовых вод, характеризующийся снижением влажности снизу вверх. Профили влажности и вертикальное распределение хлорид-иона оказались практически идентичными в вариантах с высушенным и с увлажненным песком.

Рисунок 1 - Профили влажности и распределение хлорида в песчаных колонках после выдерживания при температуре 25°С

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.98.2

Наиболее высокая влажность отмечена на глубинах 18–20 см. На этих отметках сохранялось зеркало водного раствора, поэтому влажность в указанном слое достигала полной влагоемкости и составляла 14–15% массы. В концентрации хлорид-иона на этих глубинах также фиксировались максимальные значения (0,8–1,5 мг/г). В промежутке глубин 4–18 см в обоих случаях отмечено снижение и влажности, и содержания хлорида. Постепенное уменьшение влагосодержания с 14–15 до 8–9% связано с исчезновением из профиля свободной гравитационной воды и со снижением содержания капиллярно-подпертой воды, т.к. вода не по всем имеющимся капиллярам может подняться до отметок 4–6 см. В связи со снижением влагосодержания уменьшается и содержание хлорида от 0,9 до 0,1–0,2 мг/г. В промежутке 0–6 см наблюдается относительно низкое содержание влаги и хлорида. Пониженная влажность связана с невозможностью подъема влаги до этих отметок по капиллярам. Здесь доминирует сорбированная, пленочная влага. Этот приповерхностный слой соответствует горизонту с влажностью на уровне наименьшей влагоемкости, наблюдающемуся выше капиллярной каймы грунтовых вод. В связи со снижением влажности в нем отмечено параллельное уменьшение содержания хлорида.

В полученных результатах обнаружено соответствие между содержанием влаги на конкретных глубинах и концентрацией хлорид-ионов в колонках и с высушенным, и с исходно влажным песком: аппроксимация между влажностью грунта и содержанием в нем хлорида оказалась высокой — R2 составляет 0,93 и 0,83. Этим подтверждается, что движения воды в парообразном состоянии в колонке при свободном поступлении снизу воды либо вообще нет, либо его трудно отследить используемыми методами. При этом температура окружающей среды и сроки экспозиции были вполне достаточными для внутригрунтового испарения. Значит, передвижение влаги в парообразном состоянии оказалось ограниченным высокой влажностью песка и его бесструктурностью и, соответственно, низкой пористостью.

В колонках насыпного песка, дополнительно выдерживавшихся в течение 14 суток в холодильной установке, обнаружено следующее распределение влагосодержания и хлорид-иона (рис. 2).

Рисунок 2 - Изменение профиля влажности (А) и содержания хлорида (Б) насыпной колонки песка в результате промерзания сверху в течение 14 суток

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.98.3

В профиле влажности отразились типичные для промерзающих почвенно-грунтовых толщ особенности. В верхней части колонки (в промежутке глубин 0–11 см) влажность грунта увеличилась, в нижней части (в непромерзшем слое на отметках 11–20 см) — уменьшилась. Подобное перераспределение влаги трактуется как следствие миграции влаги в промерзающий слой под влиянием разницы температур. Этот процесс типичен для влажных горизонтов сезонно-промерзающих почвенно-грунтовых толщ Сибири.

Наибольшая прибавка влаги (5,4% массы или 9,5 мм) наблюдается в слое 0–2 см. С глубиной величина криогенной аккумуляции влаги постепенно уменьшается, и к нижнему краю слоя промерзания сходит на нет. Суммарная величина прибавки составила 25,7 мм. В непромерзшей нижней части колонки содержание влаги уменьшилось на 9,0 мм. Дисбаланс объясняется тем, что остальная влага в зону намерзания поступила из емкости с водным раствором. Аналогичное сохранение влажности в непромерзающей толще и поступление влаги в слой сезонного промерзания из грунтовых вод неоднократно отмечено в степных почвах Западной Сибири с близким залеганием грунтовых вод

Влияние промерзания верхнего слоя грунта на распределение хлорид-ионов оказалось сопоставимым с перераспределением влаги (рис. 2). Наибольшая прибавка содержания хлорида также зафиксирована в слое 0–2 см (на 0,65 мг/г). При движении вглубь промерзшего слоя вслед за снижением увеличения намерзшей влаги уменьшается и прибавка содержания хлорида. С учетом параллельного снижения прибавки влаги и хлорид-иона полагаем, что в описываемом эксперименте при криогенной миграции практически вся влага передвигалась в жидком состоянии.

Полученные данные показывают, что метод маркировки передвижения воды в грунте под влиянием температурного градиента является вполне применимым в условиях лабораторных экспериментов.

Высокая пропорциональность между влажностью грунта и содержанием в нем хлорида в предварительных профилях, удовлетворительная пропорциональность между влагосодержанием и массой хлорида при промерзании почв дают основание предполагать, что в задаваемых условиях исходно высоко увлажненных экспериментальных грунтов доминирует передвижение влаги в жидкой форме.

Полученные результаты позволяют надеяться, что раствор хлорида натрия как маркер переноса жидкой влаги можно использовать и в других модельных грунтах для выявления доминирующего механизма миграции влаги.