Тема 9 ґрунтова вода, водяні властивості і водяний режим ґрунтів

 

 

Ґрунт як багатофазна, полідисперсна система спроможна поглинати й утримувати воду. У ній завжди знаходиться визначена кількість вологи. Утримання вологи у відсотках до маси сухого ґрунту (висушеної при 105°С) характеризує вологість ґрунту (її можна виражати у відсотках від обсягу ґрунту, у мм, у м³/га).

Вода надходить у ґрунт у виді атмосферних осадків, ґрунтових вод, при конденсації водяних парів з атмосфери, при зрошенні.

Ґрунтова вода - життєва основа рослин, ґрунтової фауни і мікрофлори.

Від складу води в ґрунті залежать інтенсивність біологічних, хімічних і фізико-хімічних процесів, які протікають у воді. Пересування речовин у ґрунті, водно-повітряний, живильний і тепловий режим, її фізико-механічні властивості, тобто найважливіші показники ґрунтової родючості.

 

Агрегатний стан води

 

Вода в ґрунті може знаходиться у всіх трьох станах: твердому (лід), рідкому і пароподібному.

Пароподібна вода. Утримується в ґрунтовому повітрі, у порах, вільних від води. Пари води надходять у ґрунт з атмосфери і постійно утворяться в ґрунті при випарі рідкої води і льоду. Вони переміщаються по профілі ґрунту й в атмосферу з током ґрунтового повітря і диффузіонно відповідно до градієнту тиску пару.

Ґрунтове повітря звичайно насичене парами води. Відносна вологість ґрунтового повітря близьке до 100%. На переміщення парів води в ґрунті великий вплив робить температура ґрунту. З підвищенням температури збільшується тиск водяного пари і він пересувається від теплих прошарків ґрунту до більш холодного. У зв'язку з цим у ґрунті спостерігаються висхідні і спадні сезонні і добові потоки водяного пари. Конденсуючись, пар переходить у рідку воду.

Тверда вода. Лід - потенційне джерело рідкої і пароподібної води. Ці воду безпосередньо не використовують рослини, хоча вона і може служити резервуар доступної вологи. Лід переходить у рідкий і пароподібний стан при температурі вище 0°С.

 

Категорії ґрунтової вологи

Рідка і пароподібна вода в ґрунті піддається впливу різноманітних природних сил: сорбційних, капілярних, осмотичних і гравітаційних. Під їхнім впливом змінюються властивості ґрунтової води, її рухливість і доступність рослинам.

На поверхні поділу твердої фази ґрунту з рідкої виявляються сорбційні і капілярні сили, природа яких обумовлена поверхневою енергією твердих часток і води.

Ґрунтові частки, володіючи поверхневою енергією, спроможні притягати дипольні молекули води. Поглинання твердими частками ґрунту молекул пароподібної і рідкої води називається процесом сорбції води.

Капілярні сили виникають на межі поділу тверда фаза ґрунту - вода і повітря в капілярних порах і обумовлені поверхневим натягом води і явищем змочування. Поверхневий натяг води - міра некомпенсованості молекулярних сил у поверхневому прошарку. Вода, змочуючи тверді частки, викликає утворення увігнутих менісків у капілярах, що призводить до створення негативного капілярного тиску за рахунок сил поверхневого натягу, що діють по дотичної до поверхні поділу тверда фаза ґрунту і вода. При негативному капілярному тиску вода піднімається й утримується в капілярних порах і може зробити стягуючу дію на стінки капілярів і викликати об'ємні деформації в ґрунті. Прямування води в капілярах обумовлюється різницею капілярних тисків, що виникають у результаті різноманітної кривизни менісків.

Сорбційні капілярні сили, що утримують воду, у ґрунті протистоять гравітаційним, під впливом яких створюється спадне пересування вологи.

Осмотичні сили. Осмотичні сили в ґрунті обумовлюються взаємодією іонів розчинених речовин (включаючи й обмінні катіони) із молекулами води. Конкретним вираженням осмотичних сил є осмотичний тиск ґрунтового розчину.

Потенціал ґрунтової вологи. При різноманітному вмісті води в ґрунті сили, що утримують воду, неоднакові. Тому, щоб оцінити рухливість і доступність рослинам вологи, необхідно мати уявлення про її енергетичний стан, або потенціалі ґрунтової вологи.

Потенціал ґрунтової вологи характеризує енергію утримання води. У ґрунті, насиченим водою, потенціал ґрунтової вологи практично дорівнює нулю. З зменшенням вологості потенціал падає, а негативне його значення зростає. Вода завжди рухається з зони з високим потенціалом у зону з більш низьким. Тому в міру випару ґрунту одночасно росте спроможність ґрунту поглинати, усмоктувати воду. Така спроможність одержала назву сисної сили або усмоктувального тиску, еквівалентного потенціалу ґрунтової вологи. Тиск ґрунтової вологи виражають у паскалях (Па).

Категорії ґрунтової вологи. Виділяють такі основні категорії і форми ґрунтової води, що різняться між собою тривкістю зв'язку з твердою фазою ґрунту і ступенем рухливості.

Зв'язана вода утвориться шляхом сорбції пароподібної і рідкої води на поверхні твердих часток ґрунту. Розрізняють прочнозв’язану і рихлозв’язану воду.

Прочнозв’язана (гігроскопічна) вода утвориться в результаті адсорбції парів води на поверхні твердих часток ґрунту, безпосередньо примикає до них у виді плівки з 2-3 орієнтованих прошарків молекул води. Гігроскопічна вода утримується дуже міцно, цілком недоступна рослинам, відрізняється по властивостях від вільної води. Має підвищену щільність, низкою електропровідністю, не розчиняє речовини, розчинні у вільній воді, замерзає при низькій температурі (від –4°С до –7°С).

Сорбційні сили поверхні ґрунтових часток не насичуються цілком за рахунок пароподібної води. При зіткненні твердих часток ґрунту з рідкою водою утвориться додаткова плівка зі слабоориентированних молекул води. Товщина цієї плівки може досягати декількох десятків молекул води. Додатково сорбірованная вода називається рихлозв’язаною, утримується менше міцно, може пересуватися від ґрунтової частки з більшою плівкою до тих часткам, де плівка тоньше. Для рослин ця вода доступна лише частково, від властивостей вільної води відрізняється менше різко, чим прочнозв’язана.

Вільна вода не пов'язана силами тяжіння з ґрунтовими частками, доступна рослинам. Розрізняють дві форми вільної води в ґрунті - капілярну і гравітаційну.

Капілярна вода заповнює капілярні пори, пересувається в них під впливом капілярних сил. У залежності від характеру зволоження розрізняють капілярно-підвіщену і капілярно-підперту воду. При зволоженні ґрунти поверх (атмосферні осадки, зрошувальні води) формується капілярно-підвішена вода, серед якого виділяється декілька видів вологи: плівково-підвішена - частина капілярної води, роз'єднана «пробками» плівкової води. Характерна для ґрунтів суглинного і глинистого механічного складу; внутриагрегатная підвішена - вода, що заповнює капіляри комочків структурного ґрунту; стикова підвішена волога подана окремими роз'єднаними водяними скупченнями на стику між твердими частками ґрунту. Характерна для піщаних ґрунтів.

При зволоженні ґрунти знизу (від ґрунтових вод) у ґрунті утвориться капілярно-підперта вода. Зона капілярного насичення над ґрунтовою водою називається капілярною каймою.

Гравітаційна вода розміщається в значних некапілярних порах, легко пересувається по профілі ґрунту під дією гравітаційних сил. Розрізняють гравітаційну воду, що просочується і вологу водоносних обріїв. Волога водоносних обріїв утворить ґрунтово-ґрунтові води над водоупорним прошарком.

 

Водяні властивості ґрунтів

 

Основними водяними властивостями ґрунтів є водоутримуюча здатність, водопроникність і водопідйомна здатність.

Властивість ґрунту утримувати воду, обумовлена дією сорбційних і капілярних сил, називається водоутримуючою здатністю. Найбільша кількість води, що спроможна утримувати ґрунт тими або іншими силами, називається вологоємністю.

У повітряно-сухому стані в ґрунті утримується деяка кількість гігроскопічної (прочнозв’язаной) води, адсорбованої з водяних парів ґрунтового або атмосферного повітря.

Спроможність ґрунту сорбувати пароподібну воду називається гігроскопічністю. Утримання гігроскопічної води (Г) у ґрунті залежить від відносної вологості повітря і властивостей самого ґрунту. Ніж важче її механічний склад, чим більше в ній утримується органічних і мінеральних колоїдів, тим вище гігроскопічна вологість.

Для одної і тієї ж ґрунту утримання гігроскопічної води змінюється в залежності від насиченості повітря парами води. При відносній вологості менше 20% утвориться мономолекулярний прошарок адсорбованої води. Подальше насичення повітря парами води збільшує кількість сорбирує води.

Коли відносна вологість повітря наближається до 100%, ґрунтів насичується водою до максимальної гігроскопічності (МГ). Адсорбція парів води при високій відносній вологості повітря супроводжується капілярною конденсацією, утворенням краплинно-рідкої води, на стиках ґрунтових часток, у їхніх поглибленнях (рис. 9.1).

 

Рис. 9.1. Сорбція води ґрунтом (по Н.А.Качинскому):

1 - ґрунтова частка; 2 - прошарок прочносвязанной, строго орієнтованої води; 3 - прошарок рихлозв’язаної, слабко орієнтованої води; 4 - вода капілярної конденсації.

Найбільша кількість прочнозв’язаної, строго орієнтованої води, утримуваної адсорбційними силами, характеризує максимальну адсорбційну вологоємність (МАВ). Вона складає біля 60-70% МГ.

Максимальна гігроскопічна вологість досить стабільний розмір. Її використовують для обчислення вологості зав’ядання, крім того, вона подає інформацію про ступінь дисперсності ґрунту. Значення МГ у піщаних ґрунтах коливаються в межах 0,1-1%, у глинистих, гумусированих ґрунтах досягають 10-15%, а в органогенних ґрунтах - 20-40%. Найбільше можливе утримання рихлозв’язанної води, утримуваної сорбційними силами або силами молекулярного тяжіння, характеризує максимальна молекулярна вологоємність (ММВ).

Рихлозв’язана вода, поступово збільшуя товщину плівок із притокою вологи, переходить у вільну, що згодом цілком заповнює капілярні і некапілярні пори. Коли всі пори в ґрунті заповнюються водою, наступає стан зволоження, називаний повною вологоємністю або водомісткістю.

Повна вологоємність (ПВ) - найбільша кількість води, що може вмістити ґрунт при повному заповненні всіх пір водою. Якщо гравітаційна вода не підпирається ґрунтовими водами, то вона стікає в більш глибокі обрії. Найбільша кількість води, що залишається в ґрунті після багатого зволоження і стікання всієї гравітаційної води при відсутності шаруватості ґрунту і дії ґрунтових вод, що підпирає, називається найменшою або граничною-польовою вологоємністю (НВ або ППВ).

В міру випару і споживання води рослинами губиться сплошность заповнення водою капілярів, зменшується рухливість води і доступність її рослинам. Вологість, що відповідає розірванню суцільності капілярів, називається вологістю розірвання капілярів (ВРК). Для суглинних і глинистих ґрунтів ВРК складає 65-70% НВ.

Найменша вологоємність залежить від механічного і мінералогічного складу, утримання гумусу, структурного стана, шпаристості і щільності ґрунту. Для піщаних і супіщаних ґрунтів вона складає від 5 до 20%, для суглинних і глинистих - від 20 до 45%.

Максимальна кількість капілярно-підпертої вологи, що може утримуватися в ґрунті над рівнем ґрунтових вод, називається капілярною вологоємністю (КВ). Ніж ближче до дзеркала ґрунтових вод, тим вище капілярна вологоємність для даного ґрунту.

Водопроникність - спроможність ґрунту убирати і пропускати воду. Першу стадію водопроникності характеризує усмоктування, коли вільні пори послідовно заповнюються водою. Пересування води в ґрунті під впливом сили ваги і градієнту напору при повному насиченні ґрунти водою називають фільтрацією. Водопроникність вимірюється обсягом води, що протікає через одиницю площі поверхні ґрунту в одиницю часу, виражається в мм водяного стовпа в одиницю часу.

Водопроникність залежить від загального обсягу пір у ґрунті, їхнього розміру. У легких по механічному складі ґрунтах водопроникність завжди висока. Суглинні і глинисті ґрунти, що володіють водопрочною грудкувато-зернистою структурою, також відрізняються високою водопроникністю. У ґрунтах важкого механічного складу з глибисто-пиловатою структурою водопроникність низька.

Градація ґрунтів по водопроникності виглядає в такий спосіб. Якщо ґрунт пропускає за 1ч більш 1000мм води при напорі 5см і температурі 10°С, водопроникність рахується провальной, від 1000 до 500мм - зайво високої, від 500 до 100мм - найкращої, від 100 до 70 - гарної, від 70 до 30 - задовільної, менше 30 мм - незадовільної.

При низкою водопроникності може відбуватися затаювання води на поверхні, стекание її по ухилі і розвиток ерозії.

При дуже високій водопроникності не створюється гарний запас води в корнеобитает прошарку ґрунти.

Водопідйомна здатність. Властивість ґрунту викликати висхідне пересування вологи, що утримується в ній, за рахунок капілярних сил називається водопідйомною здатністю. Капілярні сили починають виявлятися в порах діаметром 8мм, але особливо яскраво виражені в порах діаметром 0,1-0,003 мм. Більш тонкі пори заповнені пов'язаною водою. Тому водопідйомна спроможність росте від піщаних ґрунтів до суглинного і знижується в глинистих. Максимальна висота підйому води над рівнем ґрунтових вод для піщаних ґрунтів 0,5-0,7м, для суглинних - 3-6 м.