Поиск

Движение капиллярной воды
29.10.2015

Движение капиллярной воды в почвах происходит при воздействии отрицательного давления под вогнутыми менисками воды и сосущей силы, возникающих в результате смачивания стенок пор и капилляров. Поскольку сосущая сила вогнутых менисков возрастает с увеличением их кривизны, движение капиллярной воды всегда направлено в сторону менисков меньших пор и капилляров, т. е. к участкам меньшей влажности.
Объем капиллярно-проводимой воды, а следовательно, и скорость капиллярного движения пропорциональны четвертой степени радиуса капилляров и обратно пропорциональны вязкости жидкости, как это следует из формулы Пуазеля:

Движение капиллярной воды

Приведенная формула Пуазеля применима лишь к правильным цилиндрическим трубкам. Ho схема трубок даже капиллярного диаметра мало приложима к почвам и грунтам, которые имеют крайне сложные размерность и тип строения пор, вариации размеров частиц и их консистенции. Однако общие выводы из этой формулы очень существенны для почвоведения. С уменьшением радиуса капилляров пор значительно уменьшаются объем и скорость капиллярного передвижения воды в почвах. Чем выше дисперсность почв и грунтов, т. е. чем менее они структурны и чем больше их глинистость и коллоидность, тем потенциальная высота подъема капиллярной воды больше, а скорость подъема ее меньше. С уменьшением степени дисперсности, т. е. с возрастанием песчанистости почв и грунтов, высота капиллярного поднятия снижается, однако скорость капиллярного движения воды и объем передвигаемой влаги возрастают (табл. 9 и рис. 6).
Движение капиллярной воды
Движение капиллярной воды

Обращает на себя внимание исключительно медленное, почти полное отсутствие движения капиллярной воды у частиц диаметром <0,002 мм (табл. 10). Вследствие этого нередки случаи, когда в непосредственном соседстве залегают совершенно сухие и влажные горизонты тяжелых глин, несмотря на их высокую потенциальную способность к капиллярному передвижению воды. Скорость движения капиллярной воды в глинах настолько мала, что нужны годы для достижения потенциальной высоты капиллярного поднятия.
Если в геохимии даже малая скорость капиллярного движения растворов в глинах имеет большое значение в миграции солей, то в практике мелиорации приходится считать тяжелые глины капиллярно малоактивными. Для практических целей водного хозяйства или дорожного строительства, когда необходимо учитывать опасность заболачивания, засоления почв или уменьшения несущей способности грунтов вследствие капиллярного переувлажнения на дорогах, приходится пользоваться эмпирическими данными, характеризующими фактически наблюдаемое и относительно быстрое движение капиллярной воды, которая может вызвать эти явления.
Движение капиллярной воды

Ниже приводятся величины водоподъемной способности грунтов в почв в зависимости от механического состава.
Движение капиллярной воды

В.Р. Вильямс подчеркивал, что высота капиллярного движения воды, весьма зависит также от структурности почв и грунтов. Структурные и микроагрегатные отдельности ведут себя сходно с крупными элементарными механическими частицами, в значительной степени снижая высоту и скорость капиллярного поднятия.
Как видно из данных табл. 11, в бесструктурном пылеватом суглинке за 1 месяц 10 дней капиллярная вода поднялась на высоту 120 см.
Движение капиллярной воды

За это же время в структурном суглинке капиллярная вода поднялась всего лишь на высоту 37,5 см. Однако надо иметь в виду, что образование структурности и микроагрегированности в тяжелых глинистых почвах, наоборот, может увеличить скорость капиллярного движения растворов.
Подвижность капиллярной воды в почвах находится в большой зависимости и от влажности почв. Чем суше почва, тем относительно менее подвижна в ней вода. Наоборот, чем влажнее почва, тем подвижнее в ней капиллярная вода и тем легче она передается соседним более сухим горизонтам.
Характер движения капиллярной воды зависит также от взаимоотношения капиллярной воды с зеркалом грунтовых вод.
Движение капиллярно-подпертой воды тесно связано с колебаниями уровня грунтовых вод. Скорость восходящего движения капиллярно-подпертой воды зависит от глубины залегания грунтовых вод. При очень близком к поверхности положении уровня грунтовых вод капиллярная вода в почве перемещается силами менисков как тонких пор и капилляров, так и крупных пор и капилляров. Скорость капиллярного передвижения воды с растворами солей значительно возрастает с приближением их к поверхности. Снижение уровня грунтовых вод выключает из работы мениски крупных капилляров и пор, способных быстро транспортировать капиллярную воду. Соответственно даже небольшое, на 10—30 см, опускание уровня грунтовых вод чрезвычайно сильно снижает объем и скорость капиллярного передвижения воды, поскольку после этого капиллярная вода транспортируется лишь сосущей силой менисков наиболее тонких капилляров и пор. Последние же способны передвигать капиллярную воду лишь медленно и в малых объемах.
Движение капиллярно-подвешенной воды в почвах происходит под действием силы тяжести и рассасывающей способности вогнутых менисков тонких капилляров и пор. Капиллярно-подвешенная вода постепенно рассасывается в стороны и главным образом в нисходящем направлении йз крупных камер, пор и капилляров в тонкие. Сложная сетка вогнутых менисков на верхних и нижних концах почвенных капилляров удерживает подвешенную воду в висячем состоянии в толще почвы. Поскольку мениски меньших пор и капилляров обладают большей всасывающей силой, происходит медленное рассасывание капиллярно-подвешенной воды во все стороны. Однако основным направлением распространения капиллярно-подвешенной воды будет нисходящее.
Если поступление воды (атмосферной, поливной и т. д.) с поверхности превосходит несущую силу всех менисков почвы, то происходит сброс избыточной свободной гравитационной воды вниз. Испарение воды с поверхности или потребление ее корнями растений сопровождается передвижением части капиллярно-подвешенной воды из крупных пор и капилляров в более тонкие, с постепенным общим иссушением почвы.
Поскольку сосущая сила вогнутых менисков тонких пор и капилляров больше, чем крупных, при испарении капиллярно-подвешенной воды постепенно происходит отсасывание влаги из крупных камер, пор и капилляров и перемещение ее в поверхностные горизонты почвы.
По исследованиям А.А. Роде и его сотрудников в лаборатории и в полевых условиях, в случае отсутствия растительного покрова при испарении возвращается к поверхности почв примерно 2/3 объема капиллярно-подвешенной воды, поступившей в почву. Поскольку капиллярно-подвешенная вода способна возвращаться в пахотный слой из глубины 70—100—150 см, ее восходящее движение при испарении может явиться причиной перераспределения легкорастворимых солей, находящихся в подпочвенных горизонтах. Такие явления наблюдались при орошении почв в пустынях Сахары и Центральной Азии.
Опасность засоления орошаемых почв капиллярно-подвешенной водой, вследствие переувлажнения почв и распространения при поливах капиллярно-подвешенной воды до глубины соленосных горизонтов, систематически подчеркивалась в работах В. Р. Вильямса и Л. П. Розова. Засоления пахотных горизонтов орошаемых почв в этих случаях можно вполне избежать, если при установлении поливных норм учитывать эту опасность. Рыхление почв, поддержание их структурного состояния значительно ослабляют скорость передвижения капиллярно-подвешенной воды при испарении к поверхности. Незатененность, бесструктурность и распыленность почв, наоборот, способствуют увеличению движения капиллярно-подвешенной воды к поверхности.
Способы воздействия на движение капиллярной воды. В практике земледелия возникают различные проблемы регулирования режима капиллярной воды в почвах. В целях борьбы с потерей воды из почвы на испарение, а также для предупреждения засоления орошаемых почв необходимо систематически применять комплекс мероприятий, направленных на уменьшение восходящего движения почвенно-грунтовых вод но капиллярам к поверхности.
Агротехническими приемами уменьшения высоты и скорости капиллярного движения воды к поверхности почвы при орошении являются мероприятия, предложенные В.Р. Вильямсом для улучшения структуры почвы (многолетние травы в правильном севообороте, рациональная обработка почвы). В этом же направлении действуют мульчирование почв, структурообразующие полимерные препараты и гидрофобные вещества, вносимые в почвы.
Всемерное снижение уровня соленых грунтовых вод и предупреждение его подъема до критической глубины (уменьшение фильтрации воды в ирригационной сети, жесткая водная дисциплина) также являются важнейшим способом уменьшения скорости и количества воды, капиллярно передвигающейся к поверхности почвы. В некоторых случаях в практике орошаемого земледелия, наоборот, целесообразно сохранить поступление капиллярной воды в пахотный горизонт почвы и учесть это дополнительное грунтовое питание растений при разработке поливных режимов. Это необходимо в тех случаях, когда близко расположенная от поверхности грунтовая вода (1—2,5 м) не засолена, а является сравнительно маломиперализованной (1—3 г/л). Поступление капиллярной воды в поверхностные горизонты почвы позволяет при этом значительно уменьшить число поливов за вегетационный период, а в некоторых случаях и полностью отказаться от них (каирное неполивное земледелие на террасах Сырдарьи и Амударьи при пресных грунтовых водах, земледелие в Хорезме на опресненных грунтовых водах).
Необходимость сохранения достаточно быстрого поступления капиллярной воды в поверхностные горизонты почвы должна учитываться также и при осушительных мелиорациях, чтобы не допустить пересушивания ранее заболоченных почв. Осушительные мелиорации должны быть направлены на то, чтобы отвести только избыточные воды. Осушительные каналы и дрены не должны закладываться глубоко в грунтовые воды. Это необходимо для сохранения систематического быстрого поступления пресной капиллярной воды грунтового происхождения в поверхностный корнеобитаемый слой почвы, благодаря чему на осушенных землях поддерживается как бы подпочвенное орошение. Нидерланды, Бельгия, Швеция и Финляндия широко пользуются этим приемом. В Нидерландах установлены и нормы осушения с учетом этого явления (рис. 7).
Движение капиллярной воды

Наоборот, при коренных мелиорациях и освоении солончаков возникает задача отрыва пахотных горизонтов почв от капиллярной каймы и снижения уровня соленых грунтовых вод на такую глубину, с которой минерализованные растворы капиллярно-подпертой воды не смогут быстро доходить до корнеобитаемых слоев почвы. В этих случаях приходится закладывать дренирующие каналы с таким расчетом, чтобы удерживать грунтовые воды несколько ниже (на 20—30 см) их критического уровня.
Наконец, в отдельных случаях возможны мероприятия, направленные на усиление и увеличение капиллярного передвижения воды в почвах. Так, после посевов рекомендуется укатка поверхности поля специальными катками для улучшения контакта семян с почвой, для подачи капиллярной воды к семенам, что необходимо для их набухания и дружных всходов. После укатки поле должно быть пробороновано для ослабления испарения влаги с поверхности.
Тщательные поливы по бороздам, подпочвенное орошение из пластмассовых трубок также основаны на стремлении подавать капиллярную воду к корням растений с минимальным образованием гравитационной воды.