Барьерные свойства компонентов природы

Учебное пособие для магистров техники и технологии по направлению 280400 «Природообустройство»

Компоненты природы имеют разнообразные свойства, которыми занимаются частные науки, такие, как почвоведение, геохимия, геология и гидрогеология, гидравлика, гидрология, метеорология и климатология. Каждая из этих наук разрабатывает собственные методы познания свойств компонентов природы, но результаты этого познания имеют нечто схожее. На уровне системного анализа полезно рассмотреть обобщенные свойства в таких категориях, как проводимость, барьерность и емкость компонентов природы. Это помогает исследователю рассматривать природные и техно-природные процессы не «изнутри» отдельной науки, а с использованием геосистемного подхода, рассматривая функционирование геосистем и ПТК с междисциплинарных позиций как единый многогранный процесс передвижения, накопления, превращения вещества, энергии и информации. Кроме того, такой путь упрощает формализацию научного знания о свойствах компонентов природы и способствует широкому развитию методов моделирования процессов в геосистемах и ПТК.

Проводимость – способность природного тела пропускать сквозь себя потоки вещества и энергии. Потоки можно разделить на вещественные и энергетические, при этом вещественные делятся на виды по состоянию движущегося вещества. Проводимость зависит от свойств самого природного тела, свойств потока вещества или энергии и от действующих сил, вызывающих этот поток.

В общем виде поток вещества или энергии можно записать в виде:

– масса вещества или количество энергии, проходящие через поперечное сечение природного тела F за единицу времени, при этом средняя по площади (виртуальная) скорость равна .

Нужно различать истинную и виртуальную скорости потока. Например, при движении воды в пористом пространстве вода течет не через все поперечное сечение природного тела, а только через пустоты – поры, заполненные влагой, т.е.

В этом выражении w — объемная влажность, т.е. отношение объема влаги к объему пористого тела, — действительная (истинная) скорость движения воды в порах, занятых водой.

Можно записать закон движения потока (переноса энергии) – т.е. математическую связь определяющей скорости миграции растворенных веществ или передачи энергии, действующих силы и свойств самого тела:

k – характеристика проводимости, т.е. поток при единичном градиенте действующей силы через единицу площади природного тела, зависит от свойств природного тела и свойств вещества, образующего поток;

— градиент потенциала действующей силы;

n – показатель степени, характеризующий зависимость скорости потока от градиента действующей силы, он зависит от абсолютного значения Р, свойств среды и характеристик движения вещества (переноса энергии); минус в выражении показывает, что поток направлен в сторону падения потенциала действующей силы.

Водные потоки – наиболее часто встречающиеся в природе. Вода движется в руслах (реках и каналах), трубах, пористом пространстве (почве, грунтах, трещиноватой скале). При движении воды в руслах и трубах говорят о пропускной способности последних, чем характеризуют их проводимость с помощью коэффициента Шези. При движении воды в почве и грунтах проводимость характеризуется величиной коэффициента влагопроводности, который обращается в коэффициент фильтрации при полном насыщении пористой среды. Все они зависят как от свойств жидкости и характера её движения, так и от свойств природного тела. Проводимость почвы зависит и от состава жидкости; так, смесь воды с нефтепродуктом движется в почве по-другому, не как вода, коэффициент фильтрации зависит как от проницаемости пористой среды, так и от вязкости и плотности жидкости. Очевидно, что при описании движения нефтепродуктов в той же пористой среде он примет иное значение.

В гидрогеологии при изучении движения подземных вод вводят величину k_фT – проводимость пласта. Здесь появляется мощность пласта T, т.к. она влияет на величину потока воды через данное природное тело.

В природе вода часто содержит различные растворенные вещества (соли, биогены, загрязнители), поэтому водные потоки участвуют в их переносе. К экзотичному потоку вещества в жидком состоянии относится лавовый поток.

В качестве примеров потоков вещества в газообразном состоянии можно привести движение почвенного воздуха, ветер. Потоки вещества в твердом состоянии: уплотнение и разуплотнение почвы, оползень. При расчете таких потоков иногда не действует общий закон движения, приведенный выше.

Смешанные потоки вещества возникают при транспорте наносов, суффозии, движении селя (происходит совместное передвижение воды и твердого вещества), переносе пыли ветром (совместное движение газа и твердого вещества), аэрации потока на водосбросных сооружениях и т.п. (совместное передвижение газа и жидкости).

Следовательно вещество и энергия в природе передвигаются не только из-за наличия действующих сил, но и за счет такой способности природных тел, как проводимость. Можно сказать, что проводимость – одна из причин того, что вещество и энергия стремятся равномерно распределиться в пространстве, выровнять концентрации веществ и количество тепла в пространстве, увеличить степень неупорядоченности системы, её энтропию.

Барьерные свойства компонентов природы. Наряду с «размазыванием» идут и процессы концентрации веществ, исключения их из круговорота, сосредоточения в некоторых областях. В качестве примера можно привести месторождения различных полезных ископаемых – от известняка до металлических руд. Значит, наряду с проводимостью природные тела обладают свойствами задерживать некоторые вещества, что можно назвать барьерностью. В самом общем смысле барьер можно понимать как локальное нарушение проводимости, что приводит к ускорению или замедлению потоков веществ и круговоротов в целом.

Можно делить барьеры на природные и техногенные (созданные человеком); каждый из них, в свою очередь, делится на следующие виды:

1) механические – когда природное тело работает как фильтр;

2) физические – испарительный, гидрофизический;

3) физико-химические – когда химические процессы идут на границе раздела фаз – в основном это процессы сорбции – десорбции;

4) химические – за счет растворения и кристаллизации, связывания, химического разложения;

5) биологические (с удержанием большого ряда макро- и микроэлементов) — биологическая деструкция, избирательное накопление веществ в биоте.

Все эти процессы очень часто происходят одновременно в одном барьере, поэтому их называют биогеохимическими. Теория геохимических барьеров разработана А.И. Перельманом.

Биогеохимические барьеры – это компоненты или части компонентов геосистем, в которых на относительно коротком расстоянии в результате специфического сочетания механических, физико-химических, биологических процессов происходит избирательное накопление одних химических элементов и удаление других.

В этих барьерах резко изменяются условия миграции веществ, что часто приводит к накоплению химических элементов. Важнейшими из них являются растительный покров, почва, толщи водоненасыщенных горных пород, в основном мелкоземов, и застойные скопления подземных вод.

Естественный или искусственно созданный растительный покров работает, прежде всего, за счет перехвата воздушных потоков, содержащих пыль, аэрозоли, капельножидкие вещества. Токсичные вещества не только накапливаются на листовых пластинах, но и проникают в устьица, аккумулируясь в тканях листьев; к тому же растения как биогеохимический барьер утилизируют ряд веществ в процессе метаболизма (обмена веществ); например, хорошо развитый и интенсивно продуцирующий биомассу травянистый покров ежегодно потребляет азота 300 – 500 кг/га, фосфора (в форме P₂O₅) 60 – 120, калия (в форме K₂O) 300 – 600 кг/га, в меньших количествах – металлы, в том числе и тяжелые. Это свойство растений используется при утилизации сточных вод путем орошения. Известны растения, выносящие из почвы тяжелые металлы в повышенных количествах, их используют для очистки почвы.

Мощным биогеохимическим барьером является почва – активно функционирующее органоминеральное тело, в котором идут разнообразнейшие физико-химические и биологические процессы, в том числе присутствует широкая гамма микроорганизмов. Почвоведы, называя одним из основных свойств, отличающих почву от инертной горной породы, поглотительную способность, умеют количественно оценивать емкость поглощения.

Почва способна задерживать или поглощать газы, растворенные вещества, минеральные или органические частицы и суспензии. Во многом поглотительная способность связана с высокодисперсной, главным образом, коллоидной частью почвы, имеющей большую удельную поверхность, т.е. суммарную поверхность всех частиц, составляющих единицу массы почвы.

Различают несколько видов поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую.

Поглотительную способность почвы несложно регулировать доступными агротехническими и мелиоративными приемами:

а) внесением в почву органических удобрений для повышения количества гумуса — особого вещества, состоящего из органических остатков разной степени разложения и модификации; изменением химических свойств: уменьшением кислотности или щелочности; уменьшением степени засоления; регулированием количества влаги в почве (орошение или осушение);

б) в настоящее время довольно широко применяются специальные сорбенты естественного или искусственного происхождения, вносимые в почву для очистки ее от тяжелых металлов, радионуклидов;

в) эффективным является обогащение микрофлоры почвы специальными бактериями, способными разлагать нефтепродукты и другие вредные вещества.

Барьерными свойствами обладает толща водоенасыщенных горных пород, в основном мелкоземов, и области застойного скопления подземных вод.

В соответствии с принципом природных аналогий необходимо использовать совместно несколько барьеров, что находит реализацию в способах очистки загрязненных земель, когда применяются биологический барьер растительного покрова, сорбционный барьер подстилающих грунтов, искусственно усиливается сорбционный барьер почвы, создается гидрофизический барьер на пути движущейся области загрязнения.

Борьба с загрязнением земель, по сути, заключается в управлении барьерами, создании одних и разрушении других барьеров.

Природным процессам свойственна изменчивость во времени. Динамика определяется действующими силами, проводимостью природных тел, а кроме того – способностью вмещать в себя вещество и энергию. Вмещающая способность природных тел не всегда сводится к исчислению геометрических объемов, свободных для вмещения. В природных телах существует равновесное насыщение, когда количество вмещаемого вещества (энергии) является результатом действия суммы удерживающих и вытесняющих сил. В качестве примера можно назвать запас влаги в капиллярной кайме, который определяется балансом между капиллярно-каркасным потенциалом и гравитационным потенциалом.

Можно сказать, что емкость это способность природного тела вмещать и удерживать определенное количество вещества и энергии при равновесии всех действующих сил. Так, почву можно характеризовать коэффициентом влагоемкости, который показывает, как меняется влажность, содержание влаги в единице объема почвы, в зависимости от полного напора.

Емкостные свойства изменчивы и зависят от состава свойств природного тела. Возможность управления емкостными свойствами можно проиллюстрировать на примере теплоемкости почвы. Теплоемкость единицы объема почвы как системы, состоящей из твердых частиц, воздуха и воды запишем в следующем виде:

, а теплоемкости отдельных составляющих — твердой фазы, воздуха и воды соответственно равны

Дж/см 3 К, Дж/см 3 К, Дж/см 3 К.

Меняя соотношение влаги и воздуха в почве увлажнением или дренированием, можно многократно менять её теплоемкость за счет резко различных удельных теплоемкостей воды и воздуха.

В гидрогеологии при рассмотрении неустановившегося движения грунтовых вод используются емкостные показатели – коэффициент водоотдачи d, который при опускании уровня грунтовых водхарактеризуется отношением объема вытекшей воды к объему осушенного грунта и недостаток водонасыщения при подъеме УГВ. Емкостные свойства определяют инертность потоков. Мерой инертности потока грунтовых вод является коэффициент уровнепроводности a и характерное время стабилизации τ, в течение которого на расстоянии L от границы потока происходит примерно 90% возможного изменения уровня, вызванного изменением напора на указанной границе.

При стабильных внешних воздействиях, местном климате и базисе эрозии, наступает стабильное засоление. Это дает основания говорить о галогеохимической емкости почв, которая характеризуется стабилизировавшимися среднемноголетними запасами солей. Они подвержены годовым изменениям, зависят от влагоемкости и емкости поглощения почв. Учет галоемкости почв позволяет более адекватно описывать многолетние процессы засоления и рассоления почв. Мелиорация засоленных почв по существу сводится к управлению галоемкостью почв.

Источник