Поиск

Гравитационное движение воды в почве
26.06.2015

1. Если мы возьмем длинную капиллярную трубочку, поставим ее вертикально и внесем в верхний конец ее каплю воды, то заметим, что эта капля, распределившись первоначально в виде столбика на некоторой длине верхней части капилляра, затем под влиянием силы тяжести начнет опускаться вниз и, только дойдя до нижней части капилляра, остановится.
В общем виде, того же порядка явление будет осуществляться, если мы возьмем высокую колонну почвы и прильем на нее сверху некоторое (достаточное) количество воды. Эта вода впитается в почву, далее начнет опускаться вниз и остановится только достигнув нижнего конца колонны. В природных условиях этим нижним концом колонны будет уровень грунтовой воды.
Описанный здесь вид передвижения воды в почве вниз под влиянием силы тяжести и носит название гравитационного движения.
2. Если мы в вышеприведенном опыте с капилляром измерим точно количество воды, данное сверху, и затем количество ее, пришедшее в нижний конец капилляра, то легко установим, что это последнее меньше исходного: часть воды оказывается израсходованной на смачивание стенок капилляра выше нашего столбика воды.
Совершенно то же явление мы констатируем и в почвенной колонне; в процессе гравитационного движения значительное количество воды теряется на смачивание громадной поверхности почвенных частиц, на образование около них пленки воды, отвечающей максимальной молекулярной влажности почвы. Отсюда мы легко делаем очень важный практический вывод о том, что гравитационное движение воды в почве может осуществляться только тогда, когда влажность этой почвы выше ее максимальной молекулярной влажности. Эта последняя величина является тем пределом, ниже которого гравитационное движение воды невозможно. Отсюда однако еще не следует, что во всех случаях, когда влажность того или иного слоя почвы превышает величину максимальной молекулярной влажности, ему свойственной, непременно будет осуществляться гравитационное движение. В большом числе случаев почва в состоянии прочно, статически, удерживать в себе количество воды большее, чем максимальная молекулярная влагоемкость. Поэтому общим пределом, выше которого гравитационное движение осуществляется во всех случаях, является так называемая «предельная влагоемкость» почвы, определение которой мы дадим несколько ниже, в параграфе о «влагоемкости» почв, здесь же мы лишь устанавливаем, что максимальная молекулярная влагоемкость есть низшее выражение общей величины предельной влагоемкости почвы.
3. Из того факта, что при движении воды но почвенной колонне сверху вниз часть этой воды задерживается в верхних слоях ее, легко сделать вывод о том, что не при всяком количестве воды, данном на поверхность почвы, эта вода просочится до уровня грунтовой воды. Наоборот очевидно, что при некоторой ограниченной норме подачи воды на поверхность она может оказаться израсходованной вся на смачивание лишь некоторой ограниченной толщи почвы, или, как мы говорим, глубина промачивания почвы будет ограничена.
При этом очевидно, что эта глубина промачивания будет определяться в каждом частном случае двумя факторами, а именно величиной нормы воды и степенью исходной влажности почвы. При одной и той же влажности глубина промачивания будет тем больше, чем больше дана норма воды; при одной и той же норме воды она промочит почву тем на большую глубину, чем выше была исходная влажность почвы.
В этом явлении и заключается почвенно-физическая предпосылка расчета рациональных норм полива в поле, состоящая в том, чтобы в каждом частном случае дать только такое количество воды, которое необходимо для увлажнения заранее заданной по тем или иным соображениям толщи почвы.
4. Теперь мы рассмотрим самую схему явления гравитационного движения воды в почве при разных степенях ее исходной влажности. Для этого мы обратимся к той искусственной почвенной колонне, которая показана на чертеже 12. В ней имеют место все степени влажности, начиная от максимальной молекулярной влажности в верхней части и кончая почти полным заполнением пор в самой нижней части. В таком состоянии влажности колонны в целом стока воды из нее, как мы знаем, нет. Если мы теперь дадим на поверхность нашей высокой колонны некоторое добавочное количество воды, то заметим, что сток из нижнего конца колонны появится не сразу, а лишь спустя то или иное количество времени, измеряющееся, в зависимости от высоты нашей колонны и механического состава слагающего ее грунта, часами или даже сутками. Этот наблюдаемый факт дает основание сделать вывод о том, что при данной исходной влажности верхней части нашей колонны (отвечающей, как было установлено выше, максимальной молекулярной влажности) гидростатическое давление добавочного столба воды, данного сверху, к низу колонны де передается, эта добавочная вода должна пройти по колонне некоторый путь, прежде чем сток появляется. Прямые экспериментальные наблюдения показывают, что действительно водяной столб передвигается по колонне на протяжении всей зоны максимальной молекулярной влажности, т. е. в нашем случае от поверхности до глубины 80 см. Ho как только вода достигает этой плоскости колонны, отвечающей верхнему пределу капиллярного поднятия воды в ней, так немедленно начинается сток. Отсюда следует, что в зоне капиллярного увлажнения давление воды передается гидростатически и что следовательно в первые моменты времени из колонны стекает не та вода, которая была прилита сверху, а происходит вытеснение воды, ранее находившейся в грунте. И только при том условии, если количество прилитой воды более того, которое необходимо для замещения всей бывшей капиллярной воды в колонне, будет стекать и эта вновь прилитая вода.
Что в зоне капиллярного насыщения грунта водой действительно происходит передача гидростатического давления, легко проверить следующим простым опытом. Возьмем вместо длинной короткую колонну того же песка, длиной менее высоты капиллярного поднятия свойственного данному песку (например в 10 см), насытим ее водой и дадим всему избытку воды стечь. Если мы теперь прильем на эту колонну сверху хотя бы одну каплю воды, то в тот же момент получим внизу одинаковую каплю стока. Следовательно сток здесь осуществляется мгновенно, капля за каплей, что как раз и соответствует характеру передачи гидростатического давления в непрерывном столбе воды.
5. Рассмотренные здесь два типа явления вытекания воды из грунта, именно при условии влажности ниже капиллярного насыщения и при капиллярном насыщении, имеют существенное значение для правильного понимания ряда процессов, осуществляющихся в почвогрунтах при их мелиорировании.
Так например динамика работы дрены, заложенной в грунт, определяется именно тем, какая влажность имеет место в почве на протяжении от дрены до поверхности поля. Если в этой зоне влажность. менее капиллярной, то вода, выпавшая на поле в виде осадков, должна пройти некоторый путь, прежде чем она попадет в дрену. Таким образом расход дрены будет изменяться с некоторым опозданием по отношению к моментам выпадения осадков. Наоборот, если выше дрены почва насыщена водой капиллярно, то всякое выпадение осадков будет изменять расход дрены немедленно, оба процесса будут протекать синхронно. Однако состав воды, вытекающей при этом из. дрены, не будет отвечать тому составу, который поступает на поверхность почвы или образуется в верхнем ее слое, так как в первый период времени в дрену будет вытесняться лишь почвенный раствор, который уже находился ранее в толще почвы. Поэтому, когда нас интересует не только динамика стока как такового, но и динамика химического состава стекающей воды как показатель протекающих в почве процессов выщелачивания, этот момент несоответствия состава дренажной воды составу притекающей воды сверху должен быть учтен в том именно смысле, что по составу дренажной воды не всегда можно судить о процессах выщелачивания, осуществляющихся в отдельных почвенных горизонтах, лежащих выше уровня дрены.
Чтобы лучше уяснить это важное обстоятельство, рассмотрим ближе ту общую схему явления, которая осуществляется в процессе выщелачивания (промывания) засоленных земель (так называемых солончаков) в ирригационных районах.
Допустим, что мы имеем толщу почвы, содержащую по всей своей глубине некоторое одинаковое количество соли, равное единице. Дадим на поверхность этой почвы некоторый объем воды, который, впитавшись в поверхностный слой почвы, даст, допустим, концентрацию раствора, равную 0,1. Теперь этот раствор начнет опускаться вниз, и, пройдя путь, равный толщине слоя первоначального впитывания, очевидно растворит на этом пути новую единицу соли, и следовательно концентрация его станет равной 0,2. Пройдя следующий такой же этан пути, раствор приобретает концентрацию, равную 0,3, затем 0,4 и т. д., последовательно возрастая. Очевидно на десятом этапе пути концентрация раствора станет равной единице, и следовательно растворяющее и выщелачивающее действие нашей промывной воды прекратится, как бы долго она в дальнейшем ни двигалась в толще грунта. Иначе говоря, при данном виде движения воды в почве выщелачивающее действие ее на почву последовательно затухает по мере движения вниз, а количество остающейся в почве соли будет последовательно возрастать пропорционально возрастающим концентрациям раствора. Практически эта закономерность хода явления выщелачивания и находит свое выражение в том, что при, промывке почвенной колонны верхние ее слои обессоливаются значительно быстрее, чем нижние, а при неравномерном исходном распределении соли возможны случаи, когда на некотором этапе выщелачивания в нижних горизонтах будет наблюдаться не уменьшение количества солей, а увеличение их. Подробнее и конкретнее случаи этих процессов мы будем рассматривать ниже при изучении солончаков, сейчас же мы устанавливаем тип явления в связи с характером движения воды в почве.
Теперь рассмотрим также схематически случай, когда движение будет осуществляться в зоне почвы, капиллярно-насыщенной водой. Тогда солевой раствор поверхностного горизонта почвы, дойдя до зоны капиллярного увлажнения, начнет вытеснять в дрену воду в той исходной ее концентрации, которая была до начала промывки, а именно в концентрации 0,1. Эта исходная концентрация очевидно не стоит ни в какой связи с концентрацией нашей промывной воды, которая приобрела к этому времени концентрацию в 10 раз большую, следовательно в этот момент времени судить по составу дренажной воды о выщелачивающем действии промывной воды никак нельзя. Только после того как вся капиллярная вода будет вытеснена, в дрену пойдет действительно промывная вода с той концентрацией солей, которую она успела за это время приобрести, и следовательно только с этого момента мы получаем возможность некоторого суждения о выщелачивающем действии нашей воды на основании состава воды дренажной. He учитывая этого типа явления, можно впасть в очень грубую ошибку при оценке эффекта выщелачивания почв, когда этот эффект оценивается, как это обычно и делается в практике, на основании анализа состава дренажных вод. В самом деле, представим себе случай, часто наблюдающийся в практике, когда распределение солей в толще почвы неравномерно и именно в поверхностном слое этих солей очень много, а в нижних слоях и в грунтовой воде их очень мало. Дрена лежит следовательно в этой относительно пресной воде, и она же заполняет капилляры почвы выше уровня дрены. Давая на поверхность почвы промывную воду, мы сразу растворяем громадное количество солей, и этот солевой рассол, ложась на капилляры, вытесняет в дрены пресную воду. Анализируя систематически дренажную воду и не находя в ней солей, мы легко можем сделать заключение, что наша почва от солей промыта и промывки нужно прекратить. На самом же деле явление будет заключаться в том, что наш солевой раствор еще не дошел до дрены, и следовательно почва практически не изменила еще своих солевых запасов и не стала пригодной для использования. В такую грубую ошибку при заключении тем более легко впасть, что объемы воды, которые должны пройти через дрену, прежде чем в нее поступит наш солевой раствор, вообще весьма значительны. Ориентироваться в порядке величин, с которыми здесь приходится иметь дело, можно следующим примерным расчетом. Допустим, что капиллярно насыщена вся метровая толща почвы над дреной. При порозности почвы в 50% объем воды в этой толще и на гектар площади будет равен 5 000 м3. Следовательно при промывке такой почвы через дрену должно пройти 5 000 м3 воды по расчету на 1 га, прежде чем в эту дрену начнет поступать наш промывной солевой раствор. Мы видим следовательно, что объемы воды и соответственно потребное время для их прохождения действительно значительны, и избежать ошибочных заключений об эффекте выщелачивания можно только при условии, когда достаточно известен тип явления, который здесь осуществляется.
Тот случай гравитационного движения, когда фронт движущейся воды поступает в поры почвы еще не вполне заполненным водой и стока из нижней части колонны еще нет, мы называем впитыванием; движение воды по колонне почвы, уже заполненной водой, когда сток осуществляется непрерывно, мы обозначаем как фильтрацию.
Скорость фильтрации определяется, как известно, по Дарси, выражением:

V = K h/l = KI,

где свойства почвы представлены коэффициентом фильтрации «К». Выше мы рассмотрели зависимость этой величины от порозности почвы, механического состава и динамики дисперсного состояния ее. На основании опытов с монолитами в лаборатории ВНИИГиМ проф. А. Костяков установил следующую ориентировочную связь между коэффициентом впитывания и коэффициентом фильтрации:
Kt = KTα/+tα,

где Kt — коэффициент впитывания, отвечающий моменту времени t от начала впитывания, T — время от начала впитывания до установления постоянной фильтрации (К — по Дарси), α — показатель степени, зависящий от свойства почвы и для ряда почв изменяющийся от 0,3 до 0,6. Этот затухающий характер изменения кривой коэффициента впитывания подтверждается в общем и полевыми опытами.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Введите два слова, показанных на изображении: *