МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА «

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА
«РОЛЬ МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА В РЕАЛИЗАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЕКТОВ»
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ
КОНФЕРЕНЦИИ)
Москва 2008
УДК 631.436
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСУШАЕМОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ
ПОЙМЕННОЙ ПОЧВЫ Р. ДУБНЫ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Е.С. Кожанов – к. т. н.
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
This a result of generalization of theoretical and experimental materials dependencies of
thermophysical parameters on density and moisture of flood plain lands of different mechanical
content are determined.
В результате обобщения теоретических и экспериментальных материалов
определены зависимости теплофизических параметров от плотности и влажности
пойменных почв разного механического состава.
Тепловые характеристики почвы определялись в полевых условиях методом
«шарового зонда» [1]. Измерение величины коэффициента теплопроводности
λ
сопровождалось определением плотности естественного сложения почвы γ ,
её
влажности W и механического состава почвы в верхнем 100 см слое. Влажность и
плотность почвы определялись буром АМ -7 термостатно – весовым способом в
трёхкратной повторности. Механический состав определялся визуально растиранием,
скатыванием и сдавливанием образцов [2].
Объёмная теплоёмкость С об вычислялась по формуле [3]
С об = С ск ⋅ γ + 0,01 ⋅ С в ⋅ W ⋅ γ в ,
где
С ск – удельная теплоёмкость скелета почвы, кДж/(кг 0С); γ – объёмная масса,
кг/м 3 ; С в – теплоёмкость воды, кДж / (кг 0С); W – объёмная влажность, см 3 /см 3 .
Температуропроводность почвы (а) находилась из соотношения [4]
а=
λ
.
c
На основе экспериментального определения коэффициентов теплопроводности
(всего проводилось 200 измерений), влажности почвы, плотности почвы, механического
состава и полученных расчётным способом коэффициентов объёмной теплоёмкости и
температуропроводности были построены зависимости λ (W , γ ) , а(W, γ ) , с (W, γ ).
Термические характеристики определялись для основных по механическим
свойствам разновидностей, слагающих опытный участок почв: в основном для
среднесуглинистой почвы и встречающихся горизонтов с тяжелосуглинистым
механическим составом.
По полученным в результате непосредственных измерений значениям коэффициента
теплопроводности λ , влажности W, плотности сложения γ и определённых расчётом
коэффициентам объёмной теплоёмкости (С) и температуропроводности (а) были
построены графики зависимости
( λ ), (а), (С) для среднесуглинистых и
тяжелосуглинистых почв от влажности при различных значениях плотности.
Рис.1. Зависимость коэффициентов теплопроводности ( λ ), температуропроводности (а),
теплоёмкости (с) от влажности (W) и плотности ( γ ) (показана цифрами на кривых)
среднесуглинистой аллювиально-луговой почвы поймы р. Дубны
Рис. 2. Зависимость коэффициентов теплопроводности ( λ ), температуропроводности (а),
теплоёмкости (с) от влажности (W) и плотности ( γ ) (показана цифрами на кривых)
тяжелосуглинистых прослоек аллювиально-луговой почвы поймы р. Дубны
Отметим, что зависимость теплопроводности от влажности для среднесуглинистой
почвы, характеризуется выпуклой кверху кривой, а для тяжелосуглинистой – выпуклой
книзу (рис. 1, 2).
Из графиков видно возрастание значения коэффициента теплопроводности почв при
увеличении её влажности. Для среднесуглинистых почв в интервале значений объёмной
влажности 0,30-0,40 теплопроводность возрастает. Дальнейшее увеличение влажности
почвы замедляет рост теплопроводности по закону насыщения.
Для тяжелосуглинистых почв зависимость коэффициента теплопроводности от
влажности носит другой характер (рис. 2). С увеличением влажности почвы темп
прироста теплопроводности возрастает тем больше, чем выше плотность почвы. Разный
вид кривых зависимости теплопроводности от влажности для среднесуглинистых и
тяжелосуглинистых почв объясняется разным соотношением воды и воздуха в порах и
характером связи почвенных частиц с водой по мере увеличения влажности. Чем больше
почва имеет глинистых частиц и меньше песка, тем теплопроводность твёрдой фазы и
эффективная теплопроводность меньше.
Из графиков видно, что при одинаковых значениях влажности почвы
теплопроводность больше у среднесуглинистой почвы.
Поскольку теплопроводность дисперсной системы представляет собой эффективную
величину, промежуточную между теплопроводностью основного материала системы
(почвенных частиц) и теплопроводностью воды и воздуха, то с увеличением пористости
эффективная теплопроводность должна убывать, так как теплопроводность твёрдых
частиц почвы во много раз больше теплопроводности почвенного воздуха. Сближение
почвенных агрегатов при уплотнении вызывает увеличение площади контакта между
частицами, улучшая теплопередачу. При этом значительная часть теплового потока идёт
по самому материалу почвы, что вызывает повышение значений теплопроводности.
Опытные данные показывают, что при объёмной влажности почв 0,40 с увеличением
плотности сложения от 1,1 до 1,3 г/см 3 значение коэффициента теплопроводности
возрастает на 10-15 %, для среднесуглинистых почв с 1,5 до 1,72 Вт/(м 0С), а для
тяжелосуглинистых – с 1,1 до 1,2 Вт/(м 0С).
На величину коэффициента теплопроводности при влажности почвы менее 0,30 в
основном оказывает влияние механический состав и плотность сложения почвы. При
более высокой влажности почвы наибольшее влияние на величину коэффициента
теплопроводности уже оказывает почвенная влага и в меньшей степени механический
состав и плотность почвы.
Объёмная теплоёмкость увеличивается линейно с ростом влажности, а коэффициент
температуропроводности для среднесуглинистых почв изменяется по закону максимума,
то есть достигает максимума при влажности равной примерно 0,39 или 0,75 от полной
влагоёмкости и соответствующей оптимальным значениям влажности, для большинства
растений. При более высокой влажности почвы коэффициент температуропроводности
уменьшается, так как рост объёмной теплоёмкости происходит быстрее, чем рост
коэффициента теплопроводности. Для тяжелосуглинистых почв температуропроводность
с ростом влажности монотонно возрастает.
Эмпирическая формула, связывающая теплопроводность, влажность и плотность
почвы имеет вид [3].
λ = (C п ⋅ γ п + С в ⋅ 0,01 ⋅ γ в ⋅ W ) [m 1 (W - m 4 ) 2 + 10 −3 ⋅ m2 ⋅ γ + m3 ] ⋅ 10 −7 ,
где λ – теплопроводность почвы, кДж/(кг 0С); С в – удельная теплоёмкость воды, равная
4,19 кДж/(кг 0С); γ п – плотность почвы, кг/м 3 ; γ в – плотность воды, кг/м 3 ; W – объёмная
влажно сть по чвы, %; m 1 , m 2 , m 3 , m 4 – соответственно, эмпирические коэффициенты.
Для среднесуглинистых почв, с плотностью 1,3 г/см 3 m 1 , m 2 , m 3 , m 4 определялись по
экспериментальным данным, приведённым на (рис. 1), методом наименьших квадратов.
Их значения: m 1 = - 0,0375; m 2 = 2,0; m 3 = 3,32; m 4 = 29,26.
Библиографический список
Каганов М.А., Куртенер Д.А., Семёнов М.Б. Применение шарового зонда для
определения теплофизических характеристик торфяников [Текст]. //Вестник
сельскохозяйственной науки, 1973. №4. С. 31-33.
2.
Добровольский В.В. Практикум по географии почв с основами почвоведения [Текст].
– М.: Просвещение, 1982. С. 8-9.
3.
Куртенер Д.А., Чудновский А.Ф. Агрометеорологические основы тепловой
мелиорации почв [Текст]. – Л., 1979. C. 45.
4.
Чудновский А.Ф., Вершинин П.В. и др. Основы агрофизики [Текст]. /Под ред. А.Ф.
Иоффе. – М.: Физматгиз, 1959. С. 456.
1.