книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

В настоящее время в практике почвенно-мелиоративных исследований движения меченой воды используют два основ­ ных метода: координатный и метод наблюдательных скважин.

Сущность координатного метода состоит в том, что после введения меченой воды в почвогрунт производят радиометри­ ческие измерения распределения меченой воды в различных точках-координатах почвогрунта двумя способами: 1) взятием проб почвогрунта буром с последующим измерением их актив­ ности и 2) измерением активности в различных точках почво­ грунта с помощью полевого счетчика-зонда. Второй способ — более производительный. Однако не всегда им можно пользо­ ваться. Способ взятия проб приходится, например, применять в тех случаях, когда радиоактивный индикатор испускает мяг­ кое (5-излучение.

При изучении фронтального переноса меченой воды на по­ верхность почвогрунта подается меченая вода (полив почво­ грунта меченой водой). Меченую воду можно подавать на всю поверхность исследуемого участка, в борозду или в отдельные, локальные места поверхности почвогрунта. Применение тех или иных способов полива диктуется конкретными задачами иссле­ дования. С помощью радиометрической аппаратуры по коор­ динатной сетке исследуется распределение меченой воды в почвогрунте.

Одним из важных моментов радиометрического измерения при полевых исследованиях является определение радиацион­ ного фона. Почвогрунт, как и вся окружающая среда, обладает естественной радиоактивностью, поэтому предварительно до проведения работ по исследованию переноса воды в почвогруНтах необходимо измерять радиационный фон на этой местности.

Аналогично поступают и при использовании счетчиков-зон­ дов.

Проба почвы, почвенного раствора или место почвогрунта считается условно содержащими активность, если разница в скорости счета счетчика и фона в 3 раза превышает среднюю статистическую погрешность измерения:

графиков изолиний одинаковой активности координатным мето­ дом определяют: 1) зону максимального распространения ме­ ченой воды; контуры зоны распространения определяют соглас­ но условию (7.54); 2) зону насыщения почвогрунта меченой водой; контуры зоны насыщения определяют из условия, что в зоне насыщения концентрация меченой воды достигает мак­ симального уровня; 3) границу половинной концентрации мече­ ной воды — эквиконцентрационную поверхность, в точках

201

которой концентрация меченой воды равна половине концент­

рации в зоне насыщения.

Все это позволяет решать ряд важных практических задач,

Например, можно узнать направление распространения мече­ ной воды. Если проследить за движением максимума волны, то можно определить среднюю скорость переноса воды в раз­ личных направлениях.

В настоящее время в практике почвенно-мелиоративных ис­ следований движения воды нашли применение изотопы 35S (в

форме Na2S*04) и 1311 (в форме NaP).

При использовании изотопа 35S, испускающего мягкое p-излу­ чение, применяют способ радиометрического анализа проб поч­ вогрунта или почвенных растворов, выделенных из этих проб.

Использование 1311 значительно облегчает исследование. В этом случае можно применять счетчики-зонды, регистрирую­ щие у-излучение 1311. Схема счетчика-зонда показана на рис. 7.11. Счетчик-зонд, состоящий из металлического челнока диа­ метром 30—40 мм, внутри которого находится галогенный счет­

202

чик, окружен свинцовым экраном с узкой щелью для прохож­ дения излучения. Экран со щелями позволяет регистрировать излучение, исходящее из определенной узкой области почвогрунта.

Радиус действия зонда в почвогрунте зависит от его плот­ ности. Например, для торфяной залежи радиус действия зонда, рассчитанный исходя из десятикратного ослабления у-излуче- ния 1311, составляет примерно 25 см. Для тяжелых почвогрунтов он будет меньше. Счетчик находится внутри герметичного кожуха из плексигласа и соединяется кабелем с полевым ра­ диометром. Счетчик-зонд заглубляют в почвогрунт при помощи

Практически длительность опытов с этим изотопом ограничи­ вается двумя-тремя неделями. Однако с точки зрения радиа­ ционной безопасности 1311 как короткоживущий изотоп имеет преимущество по сравнению, например, с изотопом 35S, имею­ щим период полураспада 7V2 = 87,1 дня.

Другой недостаток радиометрического зондирования почвогрунта состоит в том, что при переходе от одной точки зондиро­

предполагаемой активностью к точкам с большей активностью. Однако это не всегда выполнимо, так как доступ к зонам с меньшей активностью может лежать через зоны с большей ак­ тивностью. Тем не менее радиометрическое зондирование дает, хотя и приближенные, но вполне пригодные для практики све­ дения о распределении меченого вещества в почвогрунте.

Следует отметить, что в почвенно-мелиоративных исследо­ ваниях переноса воды в почвогрунтах используются не только несорбирующиеся индикаторы (растворы несорбирующихся меченых соединений), но и сорбирующиеся.

Согласно теории динамики сорбции (см\ § 3 гл. 3), при вве­ дении в почву раствора вещества, сорбирующегося по типу выпуклой изотермы, в слое образуется зона вещества со стационарным фронтом. При этом чем сильнее выражена вы­ пуклость изотермы или чем сильнее сорбция, тем меньше шири­ на фронта. Скорость движения стационарного фронта опреде­ ляется законом (3.65), откуда следует, что расстояние, на ко­ торое продвинется фронт при введении известного объема рас­

т. е. x= kV , где k = h/a(l +h) =const для данных условий. Иначе говоря, ширина зоны меченого вещества в почве может слу­

203

жить мерой прошедшей через почву воды (растворителя), а следовательно, и расхода поливной воды.

Метод сорбирующихся индикаторов расширяет возможности полевых радиометрических методов определения почвенно-ме­ лиоративных показателей, так как в этом случае расширяется ассортимент применяемых радиоактивных изотопов. В качестве

Метод наблюдательных скважин основан на регистрации хо­ да изменения удельной активности меченой воды в пробурен­ ных скважинах. Этот метод применяется для изучения движения грунтовых вод. Скважины (колодцы) бурят на такую глубину, чтобы в них устанавливался определенный уровень грунтовых вод. Этим методом, например, определяют расход грунтового потока, проходящего через колодец. Рассмотрим теорию этого метода.

Пусть в скважине установился стабильный уровень грунто- -вой воды. Обозначим объем воды в скважине V0- Если в этот объем воды введем несорбирующийся радиоактивный индика­ тор, то получим радиоактивный водный раствор с начальной удельной активностью а0.

Положим, что за промежуток времени dt в скважину посту­ пил некоторый объем dV чистой воды из грунтового потока, про­ ходящего через скважину. При этом вследствие условия нераз­ рывности потока и постоянства У0 такой же объем, но уже радиоактивной воды выйдет из скважины. При вхождении в скважину чистой воды за время dt удельная активность воды в скважине уменьшится на da, общая активность радиоактив­ ной воды в скважине снизится при этом на величину Voda. По условию баланса активности из скважины будет удалена ак­ тивность, равная adV, где а —-удельная активность воды в скважине в данный момент времени t. Итак, получаем следую­ щее уравнение баланса активности:

Как видно, изменение удельной активности воды в скважине происходит по экспоненциальному закону.

204

Из формулы (7.58) получаем формулу для расчета расхода грунтового потока через скважину:

Таким образом, по изменению удельной активности можно судить о расходе грунтового потока через сечение скважины. Вычисление расхода грунтового потока q удобно производить, пользуясь полулогарифмическим графиком In (a0ja) = f ( t ) .

Согласно формуле (7.59), при <7= const зависимость 1п(а0/а) от t линейна:

Удовлетворительные результаты при использовании метода наблюдательных скважин получаются при скорости движения грунтовых вод более 0,2 см/сутКи. При меньшей скорости изме­ рения могут быть не точными из-за влияния диффузии индика­ тора, скорость которой становится соизмеримой со скоростью движения грунтовых вод.

Объем воды в скважине К0 можно рассчитать по степени разбавления радиоактивного раствора, вводимого в скважину.

Если в скважину введен радиоактивный раствор объемом Vt< V 0 и удельной активностью ait то при разбавлении радио­ активного раствора в объеме К0 (объемом V\ по сравнению с Ко пренебрегаем) удельная активность воды в скважине будет рав­ на а0. Тогда в силу сохранения активности получим

Исходную удельную активность вносимого в скважину раст­ вора и начальную удельную активность воды в скважине опре­ деляют измерением проб в стандартных условиях. Измерение хода уменьшения удельной активности воды в скважине произ­ водят путем взятия и измерения активности проб на стандарт­ ном радиометре. Однако применение изотопа с жестким излуче­ нием и полевого радиометра с герметичным зондом в водонепро­ ницаемой оболочке значительно упрощает работу. В скважину погружают счетчик-зонд и устанавливают его в стандартном положении по оси скважины. Счетчиком-зондом измеряют начальный уровень активности скважины Л0 и в последующие моменты времени А. Тогда отношение а0/а.=Ао1А, и вместо (7.60) напишем

205

Для измерения линейной скорости грунтового потока в по­ левых условиях используется метод волны меченой воды. Для этого в почвогрунте надо иметь несколько скважин. В одну

ется, и в почве распространяется волна меченой воды. В дру­ гих скважинах, расположенных от первой скважины на неко­ тором расстоянии, отбором 'проб воды или с помощью погруженных в скважины счетчиков-зондов следят за появле­ нием и ходом изменения активности воды. Задача заключа­ ется в том, чтобы установить момент прохождения через ту или иную наблюдательную скважину максимума волны мече­ ной воды. Зная расстояние между исходной и контролируемой скважинами (время отсчитывается от момента внесения ра­ диоактивного раствора в исходную скважину), рассчитывают среднюю скорость грунтового потока в направлении от исход­ ной скважины до контролируемой:

где L — расстояние между скважинами, ^макс — время переноса максимума волны меченой воды.

Целесообразно объединить две рассмотренные методики: по изменению активности радиоактивного индикатора в централь­ ной скважине определять расход грунтового потока через эту скважину q, а по изменению активности в соседних скважинах и по времени появления максимума волны меченой воды — ли­ нейную скорость переноса воды между скважинами.

Тогда, зная q и и, можно рассчитать среднее сечение пере­ носа меченой воды:

Методы изучения динамики вымывания меченых солей из почвогрунтов. Нет необходимости подробно пояснять важность проблемы изучения вымывания солей из почвогрунтов. Это од­ на из трудных проблем агрохимии и агромелиорации. Процессы вымывания из почв легкорастворимых удобрений, вымывания солей из засоленных почв для их рассоления подчиняются об­ щим закономерностям динамики переноса солей в пористых средах. Применение метода радиоактивных индикаторов поз­ воляет исследовать движение и распределение солей в почвогрунтах как на моделях, так и в полевых условиях. Эти мето­

206

дические возможности стимулируют развитие теории динамики переноса солей в почвогрунтах.

Динамика вымывания солей из почвогрунта во многом сход­ на с динамикой процесса десорбции. Как при изучении дина­ мики сорбционных процессов, так и при исследовании динамики вымывания солей из почвы, мы имеем дело с процессами динамического распределения вещества между двумя фазами

фракциями, необходимо ввести две концентрации соли: линей­ ную концентрацию солевого раствора п и линейную концентра­ цию твердой соли N в тех же единицах.

Равновесие между твердой солью и солевым'раствором опи­

ра. Физический смысл изотермы (7.67) заключается в том, что какова бы ни была концентрация соли в твердой фракции N > О,

почвогрунта, необходимо рассмотреть два варианта теории ди­ намики вымывания.

1. Предположим такой идеальный случай: дисперсная среда состоит из пор одинакового сечения и равновесие между раствором и твердой солью устанавливается мгновенно. Теоре­ тически при таких предположениях и при введении чистой, про­ мывной воды в засоленной дисперсной среде должен образо­

207

нию линейной концентрации соли в растворе к линейной кон­ центрации соли в твердой фазе; и — линейная скорость потока раствора и воды.

Рис. 7.13. Равновесная динамика вымывания соли из колонки пористой среды:

I — промытая чистая зона; I I — насыщенный солевой ра­

створ; I I I — твердая соль.

Рис. 7.14. Динамические кривые вымывания соли из ко­ лонки пористой засоленной среды. Ширина фронта вы­ мывания бх=Х2 — Xi = const.

2. В реальных условиях в процессе вымывания соли из дис­ персной среды действуют гидродинамические, диффузионные и кинетические факторы размытия, из-за которых фронт вымыва­ ния будет всегда иметь ту или иную степень размытия (рис. 7.14). Факторы размытия действуют в процессе движения соле­

208

вого раствора непрерывно, и если бы действовали только они, то фронт вымывания соли прогрессивно размывался бы. Одна­ ко в процессе динамики переноса соли наряду с факторами размытия действует фактор влияния вида изотермы распределе­ ния соли между жидкой и твердой фракциями. Согласно теории динамики сорбции, к аналогии которой мы прибегаем, при де­ сорбции в случае вогнутости изотермы должен образовываться стационарный фронт десорбции. Это значит, что фактор вогну­ тости изотермы действует в направлении сжатия фронта десорб­ ции. В нашем случае динамики вымывания соли изотерма сорбции является предельно вогнутой. Поэтому следует теоре­ тически ожидать, что на некоторой стадии вымывания соли фактор размытия и фактор вогнутости изотермы как фактор сжатия фронта взаимно уравновесят друг друга и в результа­ те образуется стационарный фронт, который будет переме­ щаться вдоль слоя среды с постоянной скоростью, определяе­ мой формулой (7.68).

ния соли, остальные обозначения уже известны из предыдущих формул.

Уравнение (7.69) позволяет решать важные почвенно-мелио­ ративные задачи, в частности определять:

1) глубину, на которую промывается засоленный почвогрунт

Для изучения динамики вымывания солей с помощью ра­ диоактивных индикаторов применяют, например, следующие способы. Приготовляют твердую соль, в состав которой вводят радиоактивный индикатор и таким образом получают меченую соль. При этом метится или катион, или анион. Например, вве­ дя в состав соли в качестве метки или изотоп 24Na (метка в

209