Содержание воды

Состав почвы с помощью V громкости и M осла, по фазе: в Ir, ш Атера, об OID (поры заполнены водой или воздухом), с маслом и т OTAL.

Содержание воды или влажность - это количество воды, содержащейся в материале, таком как почва (называемая влажностью почвы ), камень , керамика , сельскохозяйственные культуры или древесина . Содержание воды используется в широком диапазоне научных и технических областей и выражается в виде отношения, которое может находиться в диапазоне от 0 (полное высыхание) до значения пористости материалов при насыщении. Он может быть объемным или массовым (гравиметрическим).

Определения [ править ]

Объемное содержание воды θ математически определяется как:

{\ displaystyle \ theta = {\ frac {V_ {w}} {V _ {\ text {wet}}}}}

где - объем воды, равный общему объему влажного материала, т. е. сумме объема твердого материала-хозяина (например, частиц почвы, растительной ткани) , воды и воздуха . ${\ displaystyle V_ {w}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {wet}} = V_ {s} + V_ {w} + V_ {a}}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {w}}$ ${\ displaystyle V_ {a}}$

Гравиметрическое содержание воды ^[1] выражается массой (массой) следующим образом:

{\ displaystyle u = {\ frac {m_ {w}} {m_ {s}}}}

где - масса воды, - масса твердых тел. ${\ displaystyle m_ {w}}$ ${\ displaystyle m_ {s}}$

Для материалов, объем которых изменяется в зависимости от содержания воды, таких как уголь , весовое содержание воды u выражается через массу воды на единицу массы влажного образца (до сушки):

{\ displaystyle u '= {\ frac {m_ {w}} {m _ {\ text {wet}}}}}

Однако деревообработка , геотехника и почвоведение требуют, чтобы весовое содержание влаги выражалось по отношению к сухому весу образца: ^[2]

{\ displaystyle u '' = {\ гидроразрыва {m_ {w}} {m _ {\ text {dry}}}}}

Значения часто выражаются в процентах, т. Е. U × 100%.

Чтобы преобразовать весовое содержание воды в объемное содержание воды, умножьте весовое содержание воды на объемный удельный вес материала: ${\ displaystyle SG}$

{\ Displaystyle \ theta = и \ раз SG}

.

Производные количества [ править ]

В механике грунтов и технологии добычи нефти на насыщение водой или степенью насыщения , определяется как ${\ displaystyle S_ {w}}$

{\ displaystyle S_ {w} = {\ frac {V_ {w}} {V_ {v}}} = {\ frac {V_ {w}} {V \ phi}} = {\ frac {\ theta} {\ phi}}}

где - пористость в единицах объема пустот или порового пространства и общего объема вещества . ^[^{требуется пояснение}^] Значения S _w могут _{находиться в} диапазоне от 0 (сухой) до 1 (насыщенный). На самом деле S _w никогда не достигает 0 или 1 - это идеализация для инженерного использования. ${\ Displaystyle \ phi = V_ {v} / V}$ ${\ displaystyle V_ {v}}$ ${\ displaystyle V}$

Нормализованное содержание воды , (называемый также эффективное насыщение или ) представляет собой значение , безразмерная определяется ван Genuchten ^[3] , как: ${\ displaystyle \ Theta}$ ${\ displaystyle S_ {e}}$

{\ displaystyle \ Theta = {\ frac {\ theta - \ theta _ {r}} {\ theta _ {s} - \ theta _ {r}}}}

где - объемное содержание воды; - остаточное содержание воды, определяемое как содержание воды, для которого градиент становится равным нулю; и является насыщенным содержанием воды, что эквивалентно пористости, . ${\ displaystyle \ theta}$ ${\ displaystyle \ theta _ {r}}$ ${\ displaystyle d \ theta / dh}$ $\theta _{s}$ $\phi$

Измерение [ править ]

Прямые методы [ править ]

Содержание воды можно непосредственно измерить с помощью сушильного шкафа .

Гравиметрическое содержание воды u рассчитывается ^[4] через массу воды : $m_{w}$

m_{w}=m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}

где и - массы образца до и после сушки в печи. Это дает числитель u ; знаменатель - либо или (в результате получается u ' или u " , соответственно), в зависимости от дисциплины. $m_{\text{wet}}$ $m_{\text{dry}}$ $m_{\text{wet}}$ $m_{\text{dry}}$

С другой стороны, объемное содержание воды θ рассчитывается ^[5] через объем воды : $V_{w}$

V_{w}={\frac {m_{w}}{\rho _{w}}}

где - плотность воды . Это дает числитель θ ; знаменатель, представляет собой общий объем влажного материала, который фиксируется простым заполнением контейнера известного объема (например, консервной банки ) при отборе пробы. $\rho _{w}$ $V_{\text{wet}}$

Для древесины принято указывать содержание влаги на основе высушивания в печи (т. Е. Обычно сушка образца в печи при температуре 105 градусов Цельсия в течение 24 часов). При сушке древесины это важное понятие.

Лабораторные методы [ править ]

Другие методы определения содержания воды в образце включают химическое титрование (например, титрование по Карлу Фишеру ), определение потери массы при нагревании (возможно, в присутствии инертного газа) или после сублимационной сушки . В пищевой промышленности также широко используется метод Дина-Старка .

Из Ежегодной книги стандартов ASTM (Американского общества испытаний и материалов) общее содержание испаряемой влаги в агрегате (C 566) можно рассчитать по формуле:

p={\frac {W-D}{W}}

где - доля от общего содержания испаряемой влаги в образце, - масса исходного образца, - масса высушенного образца. $p$ $W$ $D$

Измерение влажности почвы[ редактировать ]

В дополнение к прямым и лабораторным методам, указанным выше, доступны следующие варианты.

Геофизические методы [ править ]

Существует несколько доступных геофизических методов, которые могут приблизительно определить содержание влаги в почве на месте . Эти методы включают в себя: рефлектометрию во временной области (TDR), нейтронный зонд , датчик в частотной области , емкостной зонд , рефлектометрию в амплитудной области , томографию электрического сопротивления , георадар (GPR) и другие, которые чувствительны к физическим свойствам воды . ^[6] Геофизические датчики часто используются для непрерывного мониторинга влажности почвы в сельскохозяйственных и научных целях.

Метод спутникового дистанционного зондирования [ править ]

Спутниковое микроволновое дистанционное зондирование используется для оценки влажности почвы на основе большого контраста между диэлектрическими свойствами влажной и сухой почвы. Микроволновое излучение нечувствительно к атмосферным переменным и может проникать сквозь облака. Кроме того, микроволновый сигнал может в определенной степени проникать через растительный покров и извлекать информацию с поверхности земли. ^[7] Данные спутников микроволнового дистанционного зондирования, таких как WindSat, AMSR-E, RADARSAT, ERS-1-2, Metop / ASCAT и SMAP, используются для оценки влажности почвы. ^[8]

Классификация и использование [ править ]

Влага может присутствовать в виде адсорбированной влаги на внутренних поверхностях и в виде капиллярно-конденсированной воды в небольших порах. При низкой относительной влажности влага состоит в основном из адсорбированной воды. При более высокой относительной влажности жидкая вода становится все более и более важной, в зависимости или нет, в зависимости от размера пор, это также может влиять на объем. Однако в древесных материалах почти вся вода адсорбируется при относительной влажности ниже 98%.

В биологических применениях также может быть различие между физадсорбированной водой и «свободной» водой - физадсорбированная вода тесно связана с биологическим материалом и относительно трудно удаляется из него. Метод, используемый для определения содержания воды, может повлиять на учет воды, присутствующей в этой форме. Для лучшего определения «свободной» и «связанной» воды следует учитывать водную активность материала.

Молекулы воды могут также присутствовать в материалах, тесно связанных с отдельными молекулами, в виде «кристаллизационной воды» или в виде молекул воды, которые являются статическими компонентами структуры белка.

Науки о Земле и сельском хозяйстве [ править ]

В почвоведении , гидрологии и сельскохозяйственных науках содержание воды играет важную роль в пополнении запасов подземных вод , сельском хозяйстве и химии почв . Многие недавние научные исследования были направлены на прогнозирование содержания воды в пространстве и времени. Наблюдения показали, что пространственная дисперсия содержания воды имеет тенденцию увеличиваться по мере увеличения общей влажности в полузасушливых регионах, уменьшаться по мере увеличения общей влажности во влажных регионах и достигать пика в условиях промежуточной влажности в регионах с умеренным климатом. ^[9]

Обычно измеряются и используются четыре стандартных содержания воды, которые описаны в следующей таблице:

Имя	Обозначение	Давление всасывания (Дж / кг или кПа)	Типичное содержание воды (об. / Об.)	Условия
Содержание насыщенной воды	θ _с	0	0,2–0,5	Полностью насыщенный грунт, эквивалентный эффективной пористости
Емкость поля	θ _fc	−33	0,1–0,35	Влажность почвы через 2–3 дня после дождя или полива.
Постоянная точка увядания	θ _pwp или θ _wp	−1500	0,01–0,25	Минимальная влажность почвы, при которой растение увядает
Остаточное содержание воды	θ _r	−∞	0,001–0,1	Оставшаяся вода при высоком напряжении

И, наконец, доступное содержание воды θ _a , которое эквивалентно:

θ _a ≡ θ _fc - θ _pwp

который может варьироваться от 0,1 в гравии до 0,3 в торфе .

Сельское хозяйство [ править ]

Когда почва становится слишком сухой, транспирация растений снижается, потому что вода все больше связывается с частицами почвы за счет всасывания. Ниже точки увядания растения больше не могут извлекать воду. В этот момент они вянут и полностью перестают проявляться. Условия, при которых почва слишком сухая, чтобы поддерживать надежный рост растений, называются сельскохозяйственной засухой и являются предметом особого внимания управления орошением . Такие условия обычны в засушливых и полузасушливых средах.

Некоторые специалисты в области сельского хозяйства начинают использовать экологические измерения, такие как влажность почвы, для планирования полива . Этот метод называется умным орошением или обработкой почвы . ^{[ необходима цитата ]}

Подземные воды [ править ]

В насыщенных подземных водоносных горизонтах все доступные поровые пространства заполнены водой (объемное содержание воды = пористость ). Над капиллярной каймой в поровых пространствах тоже есть воздух.

Большинство почв имеют содержание воды меньше, чем пористость, что является определением ненасыщенных условий, и они составляют предмет гидрогеологии вадозной зоны . Капиллярная кайма из грунтового вод является разделительной линией между насыщенными и ненасыщенными условиями. Содержание воды в капиллярной кайме уменьшается с увеличением расстояния над фреатической поверхностью. Поток воды через ненасыщенную зону в почвах часто связан с процессом аппликатуры, возникающим в результате нестабильности Саффмана-Тейлора . Это происходит в основном из-за процессов дренажа и создает нестабильную поверхность раздела между насыщенными и ненасыщенными областями.

Одна из основных сложностей, возникающих при изучении вадозной зоны, заключается в том, что ненасыщенная гидравлическая проводимость является функцией содержания воды в материале. По мере высыхания материала связанные влажные пути через среду становятся меньше, а гидравлическая проводимость уменьшается с понижением содержания воды очень нелинейным образом.

Кривая удержания воды является связью между объемным содержанием воды и водным потенциалом пористой среды. Это характерно для разных типов пористой среды. Из-за гистерезиса можно различить разные кривые смачивания и сушки.

В совокупности [ править ]

Как правило, заполнитель имеет четыре различных состояния влажности. Они бывают сушки в печи (OD), сушки на воздухе (AD), сушки с насыщенной поверхностью (SSD) и влажной (или влажной). ^[10] Сушка в печи и сушка на насыщенной поверхности могут быть достигнуты путем экспериментов в лабораториях, в то время как сушка на воздухе и влажная (или влажная) являются обычными условиями агрегатов в природе.

Четыре условия [ править ]

Сушка в печи (OD) определяется как состояние заполнителя, при котором нет влаги ни в одной его части. Это условие может быть достигнуто в лаборатории путем нагревания заполнителя до 220 ° F (105 ° C) в течение определенного периода времени. ^[10]
Воздушная сушка (AD) определяется как состояние заполнителя, при котором в порах заполнителя присутствует вода или влага, а его внешние поверхности являются сухими. Это естественное состояние агрегатов летом или в засушливых регионах. В этом состоянии заполнитель будет поглощать воду из других материалов, добавленных к его поверхности, что, возможно, окажет некоторое влияние на некоторые характеристики заполнителя. ^[10]
Насыщенная сухая поверхность (SSD) определяется как состояние агрегата, в котором поверхности частиц являются «сухими» ( т.е. они не будут абсорбировать какую-либо добавленную воду для смешивания; и они не будут вносить какую-либо содержащуюся в них воду в mix ^[10] ), но межчастичные пустоты насыщены водой. В этом состоянии заполнители не будут влиять на содержание свободной воды в композитном материале . ^[11]^[12]

Адсорбция воды по массе (A _m ) определяется как масса образца с насыщенной поверхностью, высушенного (M _ssd ) и массы высушенного в печи испытуемого образца (M _dry ) по формуле:

A={\frac {M_{ssd}-M_{dry}}{M_{dry}}}

Влажность (или влажность) определяется как состояние заполнителя, при котором вода полностью проникает в заполнитель через поры в нем, и на его поверхностях имеется свободная вода, превышающая состояние SSD, которая станет частью воды для смешивания. ^[10]

Заявление [ править ]

Среди этих четырех состояний влажности заполнителей, насыщенная сухая поверхность - это состояние, которое имеет наибольшее применение в лабораторных экспериментах, исследованиях и исследованиях, особенно связанных с водопоглощением, соотношением состава или испытанием на усадку в таких материалах, как бетон. Для многих связанных экспериментов состояние насыщенной сухой поверхности является предпосылкой, которую необходимо реализовать перед экспериментом. В сухом состоянии с насыщенной поверхностью содержание воды в заполнителе находится в относительно стабильной и статической ситуации, когда на него не влияет окружающая среда. Следовательно, в экспериментах и тестах, где агрегаты находятся в сухом состоянии с насыщенной поверхностью, будет меньше разрушающих факторов, чем в других трех условиях. ^[13]^[14]

См. Также [ править ]

Влажность , « влажность » воздуха
Влага
Вязкая аппликатура
Анализ влажности
Датчики влажности почвы
Водная активность
Кривая удержания воды

Ссылки [ править ]

^ Т. Уильям Ламбе и Роберт В. Уитмен (1969). «Глава 3: Описание сборки частиц» . Механика грунтов (Первое изд.). John Wiley & Sons, Inc. стр. 553 . ISBN 978-0-471-51192-2.
^ «Содержание влаги» . www.timberaid.com . Проверено 25 октября 2020 .
^ ван Генухтен, M.Th. (1980). «Уравнение в замкнутой форме для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных грунтов». Журнал Американского общества почвоведов . 44 (5): 892–898. Bibcode : 1980SSASJ..44..892V . DOI : 10,2136 / sssaj1980.03615995004400050002x . hdl : 10338.dmlcz / 141699 .
^ [1]
^ Dingman, SL (2002). «Глава 6, Вода в почвах: инфильтрация и перераспределение». Физическая гидрология (второе изд.). Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc., стр. 646. ISBN. 978-0-13-099695-4.
^ Ф. Озцеп; М. Аски; О. Тезель; Т. Яс; Н. Алпаслан; Д. Гундогду (2005). «Взаимосвязь между электрическими свойствами (in situ) и содержанием воды (в лабораторных условиях) некоторых почв в Турции» (PDF) . Аннотации геофизических исследований . 7 .
^ Лакханкар, Тарендра; Гедира, Хосни; Темими, Маруан; Сенгупта, Манаджит; Ханбилварди, Реза; Блейк, Реджинальд (2009). «Непараметрические методы определения влажности почвы по данным спутникового дистанционного зондирования» . Дистанционное зондирование . 1 (1): 3–21. Bibcode : 2009RemS .... 1 .... 3L . DOI : 10,3390 / rs1010003 .
^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2007-09-29 . Проверено 22 августа 2007 .CS1 maint: archived copy as title (link)
Перейти ↑ Lawrence, JE & GM Hornberger (2007). «Изменчивость влажности почвы по климатическим зонам» . Geophys. Res. Lett . 34 (L20402): L20402. Bibcode : 2007GeoRL..3420402L . DOI : 10.1029 / 2007GL031382 .
^ a b c d e «Соотношение воды и цемента и поправки на совокупную влажность» . Precast.org . Проверено 18 ноября 2018 .
^ «Совокупная влажность в бетоне» . Бетонное строительство . Проверено 8 ноября 2018 .
^ ftp://ftp.dot.state.tx.us/pub/txdot-info/cst/TMS/400-A_series/pdfs/cnn403.pdf
^ Zaccardi, YA Вильягран; Zega, CJ; Carrizo, LE; Соса, Мэн (2018-10-01). «Водопоглощение мелких переработанных заполнителей: эффективное определение методом, основанным на электропроводности». Материалы и конструкции . 51 (5): 127. DOI : 10,1617 / s11527-018-1248-2 . ISSN 1871-6873 . S2CID 139201161 .
↑ Кавамура, Масаси; Касаи, Йошио (2009-05-29). «Определение насыщенного поверхностно-сухого состояния глинисто-песчаных грунтов для грунтово-цементобетонного строительства». Материалы и конструкции . 43 (4): 571–582. DOI : 10,1617 / s11527-009-9512-0 . ISSN 1359-5997 . S2CID 137282443 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Робинсон, Дэвид А. (2008), «Полевая оценка содержания воды в почве: Практическое руководство по методам, приборам и сенсорным технологиям» (PDF) , журнал Американского общества почвоведения , Вена, Австрия: Международное агентство по атомной энергии, 73 ( 4): 131, Bibcode : 2009SSASJ..73.1437R , DOI : 10,2136 / sssaj2008.0016br , ISSN 1018-5518 , МАГАТЭ-ТКС-30
Wessel-Bothe, Weihermüller (2020): Методы полевых измерений в почвоведении. В новом практическом руководстве по измерениям почвы объясняются принципы работы различных типов датчиков влажности (независимо от производителя), их точность, области применения и способ установки таких датчиков, а также тонкости получаемых таким образом данных. Также касается других параметров почвы, связанных с урожаем.

[1] Т. Уильям Ламбе и Роберт В. Уитмен (1969). «Глава 3: Описание сборки частиц» . Механика грунтов (Первое изд.). John Wiley & Sons, Inc. стр. 553 . ISBN 978-0-471-51192-2.

[2] «Содержание влаги» . www.timberaid.com . Проверено 25 октября 2020 .

[3] ван Генухтен, M.Th. (1980). «Уравнение в замкнутой форме для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных грунтов». Журнал Американского общества почвоведов . 44 (5): 892–898. Bibcode : 1980SSASJ..44..892V . DOI : 10,2136 / sssaj1980.03615995004400050002x . hdl : 10338.dmlcz / 141699 .

[4] [1]

[5] Dingman, SL (2002). «Глава 6, Вода в почвах: инфильтрация и перераспределение». Физическая гидрология (второе изд.). Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc., стр. 646. ISBN. 978-0-13-099695-4.

[6] Ф. Озцеп; М. Аски; О. Тезель; Т. Яс; Н. Алпаслан; Д. Гундогду (2005). «Взаимосвязь между электрическими свойствами (in situ) и содержанием воды (в лабораторных условиях) некоторых почв в Турции» (PDF) . Аннотации геофизических исследований . 7 .

[7] Лакханкар, Тарендра; Гедира, Хосни; Темими, Маруан; Сенгупта, Манаджит; Ханбилварди, Реза; Блейк, Реджинальд (2009). «Непараметрические методы определения влажности почвы по данным спутникового дистанционного зондирования» . Дистанционное зондирование . 1 (1): 3–21. Bibcode : 2009RemS .... 1 .... 3L . DOI : 10,3390 / rs1010003 .

[8] "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2007-09-29 . Проверено 22 августа 2007 .CS1 maint: archived copy as title (link)

[9] Перейти ↑ Lawrence, JE & GM Hornberger (2007). «Изменчивость влажности почвы по климатическим зонам» . Geophys. Res. Lett . 34 (L20402): L20402. Bibcode : 2007GeoRL..3420402L . DOI : 10.1029 / 2007GL031382 .

[:0-10] «Соотношение воды и цемента и поправки на совокупную влажность» . Precast.org . Проверено 18 ноября 2018 .

[11] «Совокупная влажность в бетоне» . Бетонное строительство . Проверено 8 ноября 2018 .

[12] tp://ftp.dot.state.tx.us/pub/txdot-info/cst/TMS/400-A_series/pdfs/cnn403.pdf

[13] Zaccardi, YA Вильягран; Zega, CJ; Carrizo, LE; Соса, Мэн (2018-10-01). «Водопоглощение мелких переработанных заполнителей: эффективное определение методом, основанным на электропроводности». Материалы и конструкции . 51 (5): 127. DOI : 10,1617 / s11527-018-1248-2 . ISSN 1871-6873 . S2CID 139201161 .

[14] Кавамура, Масаси; Касаи, Йошио (2009-05-29). «Определение насыщенного поверхностно-сухого состояния глинисто-песчаных грунтов для грунтово-цементобетонного строительства». Материалы и конструкции . 43 (4): 571–582. DOI : 10,1617 / s11527-009-9512-0 . ISSN 1359-5997 . S2CID 137282443 .

[1]