Появление в почвенных горизонтах воды в количестве, превышающем их водоудерживающую способность, сопровождается образованием свободной гравитационной воды, которая передвигается под влиянием силы тяжести в нисходящем или боковом направлении. При интенсивном притоке свободной воды на поверхность почвы наблюдаются два явления: впитывание влаги и поверхностный сток воды. Поверхностный сток выражен тем сильнее, чем меньше водопроницаемость почв, чем они влажнее, слабее растительный покров и больше уклон местности. Смыв почвы и вынос растворимых веществ — прямое следствие поверхностного стока гравитационной воды. Если почва при поступлении на нее с поверхности воды была относительно сухой, то первоначально превалирует впитывание гравитационной воды в почву. Впитывание вызывается совокупным воздействием силы тяжести, капиллярного и пленочного рассасывания воды. Поэтому впитывание направлено не только в нисходящем направлении, но частично и в стороны от места появления свободной воды.
Если почва имеет большую трещиноватость и крупную некапиллярную скважность, то, кроме впитывания, происходит «провал» свободной гравитационной воды вниз (турбулентная водопроницаемость). В тех случаях, когда свободная вода заполняет полностью скважность почвы и гравитационная вода движется сплошным равномерным потоком через толщу почвенных горизонтов, наступает фильтрация. В реальной природе впитывание, «провал» и фильтрация воды в почве протекают параллельно. В практике земледелия чаще всего сталкиваются с явлением впитывания, а в практике мелиорации, кроме того, и с фильтрацией.
Движение гравитационной воды в нисходящем направлении зависит от разнообразных факторов и обстоятельств.
В случае сухости почв и грунтов с поверхности начало фильтрации задерживается, поскольку значительная часть воды расходуется на смачивание почвы, набухание коллоидов и создание между частицами почвы оболочки пленочной и капиллярной воды. Лишь после того, как влажность почвы достигнет величины капиллярной (наименьшей) влагоемкости, появляется свободная гравитационная вода и процесс нисходящего движения воды ускоряется. Во влажной почве нисходящее движение новых порций гравитационной воды, естественно, протекает полнее, поскольку исключается расход влаги на смачивание, на пленочное и капиллярное рассасывание. В сухих почвах задержка фильтрации в момент увлажнения с поверхности (при дождях, поливах и промывках) может быть вызвана воздухом, заполняющим свободную скважность в нижних горизонтах. Известны случаи применения специальных отдушин для облегчения доступа ливневых вод в дрены. При проведении промывок солончаков с целью удаления солей необходимо перемежать промываемые и непромываемые полосы для того, чтобы почвенный воздух свободно вытеснился промывной водой. В противном случае эффективность промывной воды сильно снижается.
Чем тяжелее механический состав почв, тем более медленное движение гравитационной воды они обусловливают в бесструктурном состоянии. Тяжелые бесструктурные монтмориллонитовые глины, скважность которых представлена тонкокапиллярными порами, занятыми в основном пленкой физически связанной воды, практически совершенно водонепроницаемы, они задерживают нисходящий ток и накапливают «верховодку». В суглинках и песках, естественно, движение гравитационной воды протекает быстрее. Водоустойчивая структурность почв способствует более быстрому движению гравитационной воды. Даже тяжелые глины, но обладающие более или менее выраженной структурностью, имеют удовлетворительную водопроницаемость. О значении структуры в водопроницаемости почв можно судить по данным табл. 12.

Значение структуры в водопроницаемости необходимо учитывать при орошении почв. Нарезка борозд на полях перед поливом пропашных разрыхляет пахотный горизонт почвы, оструктуривает его и обеспечивает увеличение водопроницаемости в момент полива. Без этих предварительных мероприятий водопроницаемость может оказаться настолько низкой, что полив чрезмерно растягивается, а вода теряется на испарение.
Водопроницаемость серозема на поле хлопчатника значительно ниже, чем на поле люцерны. Чтобы вместить 1000 м3/га поливной воды в толщу орошаемого серозема на хлопковом поле, не хватает даже 16 час., в то время как на поле люцерны для этого достаточно 3 час.
Движение гравитационной воды в значительной степени зависит также от состава поглощенных почвой обменных катионов. Катионы, коагулирующие почвенные коллоиды, например кальций, способствуют увеличению водопроницаемости и скорости движения гравитационной воды. Обменные щелочи, особенно натрий, способствуя интенсивному набуханию почвенных коллоидов и их гидратации, снижают водопроницаемость и движение гравитационной воды. В солонцовых почвах уменьшение водопроницаемости под влиянием поглощенного натрия связано с уменьшением свободного объема пор за счет гидратации коллоидов. Присутствие большого количества легкорастворимых солей вызывает коагуляцию глинистых и коллоидальных частиц и их дегидратацию. Вследствие этого соленосные почвы и грунты обычно имеют повышенную водопроницаемость.
Однако по мере выщелачивания легкорастворимых солей на соленосного грунта и почвы коагулированность глинисто-коллоидальной фракции сменяется процессами ее пептизации, и водопроницаемость промытых соленосных безгипсовых грунтов начинает резко снижаться. Это явление было установлено для заволжских шоколадных глин, засоленных большими количествами хлористого натрия.
Присутствие в почвах бикарбонатов и карбонатов щелочей предопределяет их низкую водопроницаемость. Почвы даже слабого содового засоления слабо пропускают гравитационную воду и иногда водонепроницаемы. Однако при отмывании солей из почв и грунтов, содержащих гипс (что типично для почв хлоридно-сульфатного засоления), водопроницаемость не снижается, так как кальций гипса полностью насыщает почвенные коллоиды, что поддерживает их коагулированность.
На водопроницаемости может сказываться также и деятельность микроорганизмов. Агрегирование глинисто-коллоидальной фракции почв под влиянием деятельности микроорганизмов может способствовать увеличению водопроницаемости и скорости движения гравитационной воды. Анаэробные процессы, сопровождающиеся минерализацией органических веществ, распадом агрегатов и восстановлением ряда соединений, способствуют уменьшению водопроницаемости.
Лабораторными и полевыми экспериментами Грузинского научно-исследовательского института установлено, что искусственное оглеение почвенной массы резко уменьшает фильтрацию воды в земляных каналах.
Коэффициент впитывания характеризует скорость поступления воды в сухую почву с поверхности в единицу времени на единицу площади. Коэффициент впитывания необходим при оценке роли дождей, при разработке режимов орошения, расчете поливной нормы, продолжительности поливов, для расчета величины поливной струи.
Коэффициент впитывания находится в большой зависимости от свойств почв, агротехнического состояния, мощности пахотного горизонта и влажности почв, и в зависимости от механического состава грунтов колеблется в следующих пределах:

Коэффициент впитывания изменяется в процессе самого впитывания. Наибольшая величина его наблюдается в начале поступления воды на сухую почву. По мере насыщения почвы водой, по мере ее набухания и разрушения структурных отдельностей, эта величина снижается. Если продолжается поступление гравитационной воды, то процесс впитывания постепенно переходит в процесс фильтрации (рис. 8). Обычно коэффициент фильтрации в десятки раз меньше, чем коэффициент впитывания.
Коэффициент фильтрации представляет собой скорость движения гравитационной воды в водонасыщенном почвогрунте в единицу времени через единицу поверхности, выраженную в см/сек или в м/сутки. Данные о коэффициенте фильтрации необходимы при расчете вероятных потерь воды на фильтрацию в водоемах, ирригационной сети, при расчете промывок почвы, дренажных устройств и т. д.
Коэффициент фильтрации зависит от типа и водно-физических свойств почвенных горизонтов, их механического состава и агрегированности. Коэффициент фильтрации слоистой почвы зависит от фильтрационных свойств наименее водопроницаемого горизонта. Данный коэффициент, как и коэффициент впитывания, является динамическим признаком. Для основных гранулометрических групп грунтов можно привести следующие средние величины коэффициентов фильтрации:

Оптимальной водопроницаемостью почв, с точки зрения орошения, следует считать величину 1000—1500 м3/га/час. При меньших величинах поливы затруднены. Величины порядка 2000—3000 м3/га/час поведут к потерям поливной воды, подъему грунтовых вод и заболачиванию (табл. 13). В этих случаях ирригационные каналы должны быть покрыты гидроизоляционными экранами.
Значение гравитационной воды в почвообразовании. Движение гравитационной воды, особенно в фазе фильтрации, имеет громадное значение в почвообразовании. Ввиду нисходящей направленности движения гравитационной воды она является мощным фактором выщелачивания, транспорта и переотложения растворенных и взвешенных продуктов почвообразования и выветривания. Господство в водном режиме почв процессов фильтрации и бокового внутрипочвенного оттока гравитационной воды создает так называемый элювиальный, промывной тип водного и вещественного баланса в почвах.
Если поступление свободной воды в почву опережает явления фильтрации и если сток свободной воды по условиям рельефа (уклоны) начинает приобретать существенные размеры, то происходит смыв и перенос поверхностными водами продуктов выветривания и почвообразования, складывается эрозионно-элювиальный тип баланса воды и веществ.

Роль фильтрации воды в водном хозяйстве. Фильтрация гравитационной воды, поступление ее в почвенно-грунтовые воды с подъемом уровня последних к поверхности, широко распространена в орошаемом земледелии и является одной из главных причин процесса вторичного заболачивания и засоления орошаемых почв. Недостаточное внимание к тщательности бороздковых поливов, поливы затоплением без нормирования воды приводят к тому, что на орошаемых полях допускаются поливные нормы, на 100—200% превышающие полевую влагоемкость почвы. Подача воды дождевальными машинами в больших количествах (3— 4 мм/мин) приводит к тому, что поле практически затопляется водой (2,4 тыс. м3/га/час), которая бесполезно стекает в понижения и фильтруется в глубину.
Другим источником гравитационных вод является фильтрация воды в сети ирригационных каналов, которые в большинстве не имеют облицовки. Вследствие колоссальной протяженности ирригационной сети в орошаемых районах и большой продолжительности ее работы в течение вегетационного периода в конечном счете теряется до 50—60% воды, поступающей через головное сооружение. Эти 50—60% всей получаемой системой ирригационной воды, фильтруясь в нисходящем направлении, наслаиваются на грунтовые воды, питая и поднимая уровень последних.
Большие количества свободной гравитационной воды образуются в ирригационных системах вследствие различного рода аварий на ирригационных каналах и сооружениях вследствие сброса избыточной воды на дороги и в различные понижения.
Рис обычно возделывается при постоянном затоплении и потребляет в течение вегетации 15 000—20 000, а иногда 30 000—40 000 м3 воды на 1 га. Естественно, что при этом также образуются громадные количества сбросной и фильтрующейся гравитационной воды, поднимающей грунтовые воды.
Появление в ирригационной системе большого количества гравитационной воды, питающей грунтовые воды, совершенно недопустимо вследствие прямой опасности подъема уровня грунтовых вод, развития заболачивания и засоления почв.
Способы снижения фильтрации гравитационной воды. Отрицательное влияние фильтрующейся воды в орошаемом хозяйстве требует осуществления систематических мероприятий по уменьшению фильтрации и поступлений свободной воды в грунтовые воды. Наибольшее значение при этом должно иметь плановое нормированное водораспределение и водопользование в ирригационных системах. Это возможно лишь тогда, когда оросительная система оснащена водомерными устройствами и автоматическими приборами, исключающими возможность избыточного водозабора с последующей фильтрацией излишних вод в почву. Высококачественные тщательные поливы, рассчитанные для незасоленных почв по дефициту влажности до полевой влагоемкости, являются другим условием уменьшения потерь воды на фильтрацию. Для этого необходимы систематические наблюдения за влажностью почв и состоянием растений.
Кроме этих повсеместно полезных мероприятий, фильтрация гравитационной воды должна быть исключена или по возможности уменьшена также в самой ирригационной сети. Это может быть достигнуто применением различных антифильтрационных экранов на крупных каналах и переводом распределительных каналов на лотки и трубопроводы.
Возделывание культуры риса с подтоплением земли при современных методах полива должно постепенно переводиться на прерывистые поливы, когда оросительные нормы можно будет уменьшить в 1,5—2 раза.
Повышение фильтрационных свойств пахотного и подпахотного горизонта. В практике земледелия и водного хозяйства бывают случаи, когда необходимо повысить водопроницаемость почв. В одних случаях это необходимо для улучшения качества поливов тяжелых бесструктурных почв. В других случаях повышение водопроницаемости почв необходимо временно для проведения успешных промывок засоленных почв при их освоении.
Повышение водопроницаемости почв и увеличение скорости движения свободной гравитационной воды могут достигаться как агротехническими, так и коренными мелиоративными приемами. Агротехнические методы повышения водопроницаемости почв заключаются в глубокой вспашке почв с применением почвоуглубителя, культуры многолетних трав в севообороте, специальных орудий, рыхлящих подпахотный горизонт (чизель, панбрекер и др.).
В бесструктурных почвах Средней Азии и Закавказья, а также и в черноземах юга Русской равнины через 10—20 лет поливной культуры образуется плотный малопроницаемый для воды, воздуха и корней подпахотный горизонт. Объемный вес уплотненного подпахотного горизонта значительно выше, чем пахотного, его скважность на 5—15% снижена, фильтрационная способность в 2—3 раза меньше, чем в пахотном горизонте. Подпахотный горизонт также бывает обогащен коллоидальными веществами и подвижным кремнеземом (табл. 14).

Образование подобного подпахотного горизонта резко снижает плодородие орошаемых почв и ухудшает их общий режим. Поливная вода не в состоянии проникнуть в подпочвенные горизонты, корневая система хлопчатника и свеклы деформируется и остается только в пределах верхней части пахотного горизонта. Урожай сельскохозяйственных растений на почвах с уплотненным подпахотным горизонтом сильно снижается.
Разрушение уплотненного подпахотного горизонта достигается применением почвоуглубителя при вспашке и особенно чизелеванием на глубину 30—40 см. Культура люцерны в течение 3—4 лет в севообороте является также хорошим средством разрушения плотного подпахотного горизонта.
A.Ф. Большаков и В.А. Ковда для аналогичных целей предложили и разработали плантажный метод мелиорации гипсоносных хлоридно-сульфатных солонцов, а затем и такыров. Плантаж солонцов и такыров приводит к уничтожению плотного непроницаемого и обычно щелочного горизонта.
В подзолистых почвах влажных субтропиков Черноморского побережья Кавказа часто возникают водонепроницаемые железистые так называемые ортштейновые горизонты на глубине 40—50, а иногда 70—100 см. Эти горизонты задерживают нисходящий ток гравитационных вод от атмосферных осадков, способствуют развитию заболачивания и ухудшению плодородия почв, что отзывается на культуре чая и других ценных растениях.
Для увеличения водопроницаемости ортштейновых горизонтов и улучшения заболоченных тяжелых глинистых почв северо-западных областей с успехом применяется кротовый дренаж.
B.П. Бушинский предложил для повышения плодородия подзолистых почв северных лесных областей России так называемую коренную переделку почвы, основанную на глубоком (до 50—70 см) плантаже с разрушением иллювиально-ортштейнового горизонта и перемешиванием его с поверхностными горизонтами. Это приводит к улучшению воднофизических свойств и, в частности, к повышению водопроницаемости почвы.