Фундаментальная модель водоудерживания на основе теории расклинивающего давления почвенной влаги

Аннотация

Предложен новый методологический подход к моделированию основной гидрофизической характеристики почвы (ОГХ), полностью основанный на феномене расклинивающего давления водных пленок по Дерягину применительно к почвенной физической системе. Он оперирует переменной массовой долей водной фазы (почвенного раствора) с параметрами концентрации и заряда ионов электролита, удельной поверхностью твердой фазы, а также ограничениями пористостью и стандартным потенциалом условно нулевого содержания воды в почве. Новая модель, валидированная по авторским и независимым литературным данным для почв различного генезиса и гранулометрического состава от песков до глин, показала хорошее соответствие с экспериментальными данными и более адекватное описание водоудерживания с нормализованными среднеквадратическими ошибками в 5–10 раз меньше, чем у наиболее распространенной для описания ОГХ эмпирической модели ван Генухтена. Наряду с адекватным описанием ОГХ во всем диапазоне от состояния водонасыщения до условно нулевого содержания воды новая модель позволяет рассчитать аналитически распределения пор по размерам, оценить обобщенную константу Гамакера для межфазных молекулярных взаимодействий жидкой и твердой фаз почвы, дебаевскую толщину двойного электрического слоя и удельную поверхность твердой фазы почвы альтернативно стандартному БЭТ-методу.

Литература

1.    Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М., 1984.
2.    Глобус А.М. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей. Л., 1987.
3.    Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М., 1985.
4.    Роде А.А. Избранные труды. Т. 3. Основы учения о почвенной влаге. М., 2008.
5.    Судницын И.И. Новые методы оценки водно-физических свойств почв и влагообеспеченности леса. М., 1966.
6.    Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление растений. М., 1979.
7.    Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М., 1982.
8.    Arthur E., Tuller M., Moldrup P. et al. Soil specific surface area and non-singularity of soil-water retention at low saturations // Soil Sci. Soc. of Am. J. 2013. Vol. 77. https://doi.org/10.2136/sssaj2012.0262
9.    Arthur E., Tuller M., Moldrup P., de Jonge L.W. Evaluation of theoretical and empirical water vapor sorption isotherm models for soils // Water Resour. Res. 2016. Vol. 52. https://doi.org/10.1002/2015WR017681
10.    Blunt M.J. Multiphase flow in permeable media: a pore-scale perspective // Cambridge: Cambridge University Press, 2017.
11.    Campbell G.S., Shiozawa S. Prediction of hydraulic properties of soils using particle-size distribution and bulk density data. In: van Genuchten, M.Th., et al. (Eds.) // Proceedings of the International Workshop on Indirect Methods for Estimating the Hydraulic Properties of Unsaturated Soils. 1994. University of California, Riverside, CA.
12.    Chi C. Two Models to Describe the Entire Soil Water Retention Curve // Eur. Soil Sci. 2023. Vol. 56. https://doi.org/10.1134/S1064229322602360
13.    Chi C., Zhao C. Zhi J. A Novel Three-Segment Model to Describe the Entire Soil-Water Characteristic Curve // Agronomy. 2024. 14, 707. https://doi.org/10.3390/agronomy14040707
14.    Dullien F.A.L. Porous media: fluid transport and pore structure. 2nd ed., Academic Press Inc., San Diego, USA, 1992.
15.    Churaev N.V. Derjagin disjoining pressure in the colloid science and surface phenomena // Adv. Colloid Interface Sci. 2003. Vol. 104. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(03)00032-0
16.    Dexter A.R. Soil physical quality: part I. Theory, effects of soil texture, density, and organic matter, and effects on root growth // Geoderma. 2004. Vol. 120.
17.    Du Ch. Comparison of the performance of 22 models describing soil water retention curves from saturation to oven dryness // Vadose Zone J. 2020. Vol. 19. https://doi.org/10.1002/vzj2.20072
18.    Fredlund D.G., Xing A. Equations for the soil-water characteristic curve // Can. Geotech. J. 1994. Vol. 31.
19.    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. Vol. 55.
20.    ISO 9277:2022. Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption — BET method. Available online: https://www.iso.org/standard/71014.html (accessed on 13 Sept. 2023).
21.    Jain S.K., Singh V.P., Van Genuchten M.Th. Analysis of soil water retention data using artificial neural networks // J. Hydrol. Eng. 2004. 9(5)
22.    Khramchenkov M.G., Khramchenkov E.M., Usmanov R.M. Non-linear Equations of Mechanics of Swelling and Metamorphic Processes // Lobachevskii J. of Math. 2019. Vol. 40(12). https://doi.org/10.1134/S1995080219120072
23.    Khlosi M., Cornelis W.M., Douaik A. et al. Performance evaluation of models that describe the soil water retention curve between saturation and oven dryness // Vadose Zone J. 2008. Vol. 7(1). https://doi.org/10.2136/vzj2007.0099
24.    Kosugi K. Three-parameter lognormal distribution model for soil water retention. // Water Resour. Res. 1994. Vol. 30.
25.    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. Vol. 9(12). IDe113518. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0113518
26.    Omuto C.T. Biexponential Model for Water Retention Characteristics // Geoderma. 2009. Vol. 149. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2008.12.001
27.    Peters A. Simple consistent models for water retention and hydraulic conductivity in the complete moisture range // Water Resour. Res. 2013. Vol. 49. https://doi.org/10.1002/wrcr.20548
28.    Resurreccion A.C., Moldrup P., Tuller M. et al. 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. Vol. 47. https://doi.org/10.1029/2010WR010229
29.    Rudiyanto Sakai M., van Genuchten M.Th., Alazba A.A et al. A complete soil hydraulic model accounting for capillary and adsorptive water retention, capillary and film conductivity, and hysteresis.// Water Resour. Res. 2015. Vol. 51. https://doi.org/10.1002/2015WR017703
30.    Rudiyanto Minasny B., Shah R.S., Setiawan B.I. et al. Simple functions for describing soil water retention and the unsaturated hydraulic conductivity from saturation to complete dryness // J. of Hydrol. 2020. Vol. 588. ID 125041. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125041
31.    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. Vol. 48. IDW06603. https://doi.org/10.1029/2011WR011049
32.    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. 2006. Technical Manual, Version 1.0. PC Progress, Prague, Czech Republic.
33.    Smagin A.V. Theory and methods of evaluating the physical status of soils // Eur. Soil Sci. 2003. Vol. 36.
34.    Smagin A.V. Thermogravimetric determination of specific surface area for soil colloids // Colloid J. 2016. Vol. 78. https://doi.org/10.1134/S1061933X16030170
35.    Smagin A.V. About thermodynamic theory of water retention capacity and dispersity of soils // Eur. Soil Sci. 2018. Vol. 51(7). https://doi.org/10.1134/S1064229318070098
36.    Smagin A.V. Thermodynamic Concept of Water Retention and Physical Quality of the Soil // Agronomy. 2021. Vol. 11. https://doi.org/10.3390/agronomy11091686  
37.    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. Vol. 45. https://doi.org/10.1134/S106422931204014X
38.    Too V.K., Omuto C.T., Biamah E.K.Б. et al. Review of Soil Water Retention Characteristic (SWRC) Models between Saturation and Oven Dryness // Open J. of Modern Hydrology. 2014. Vol. 4. http://dx.doi.org/10.4236/ojmh.2014.44017
39.    Tuller M., Or D. Water films and scaling of soil characteristic curves at low water contents // Water Resour. Res. 2005. Vol. 41. W09403. https://doi.org/10.1029/2005WR004142
40.    van Genuchten M.Th. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1980. Vol. 44.
41.    Voronin A.D. Energy Concept of the Physical State of Soils // Eur. Soil Sci. 1990. Vol. 23.
42.    Webb S.W.D. A simple extension of two-phase characteristic curves to include the dry region // Water Resour. Res. 2000. Vol. 36(6). https://doi.org/10.1029/2000WR900057