Поиск

Свободная вода
28.03.2015

Вся вода в почве, не находящаяся под влиянием сорбционных сил, т. е. не связанная, называется свободной водой.
Поведение свободной воды в почве определяется почти исключительно сочетанием силы тяжести и капиллярных сил. Под влиянием первой из них свободная вода стремится стечь вниз. Капиллярные силы могут действовать в различных направлениях, в Tofo числе и вверх, и часто поэтому противодействуют силе тяжести, хотя в других случаях могут иметь и одинаковое с нею направление.
При поступлении жидкой воды на поверхность почвы в виде дождя, талых, полых или оросительных вод она начинает впитываться в почвенную толщу и просачиваться вниз преимущественно под влиянием силы тяжести. Такую воду, находящуюся в состоянии нисходящего передвижения, называют просачивающейся гравитационной водой. Вода в зависимости от интенсивности поступления на поверхность почвы и от фильтрационных свойств почвы может заполнять собой или все поры почвы, или только часть их.
Достигнув водонепроницаемого (или водоупорного) слоя, просачивающаяся гравитационная вода начинает накапливаться над ним, заполняя все поры почвы, за исключением отдельных изолированных пор, в которых может остаться так называемый защемленный воздух в виде отдельных изолированных пузырьков. Водоупорный слой как бы подпирает собою эту скапливающуюся воду, поэтому ее можно назвать подпертой гравитационной влагой. Содержащий ее слой называется водоносным горизонтом. Такая вода обладает способностью вытекать из стенок естественного или искусственного разреза почвенно-грунтовой толщи. Если заложить скважину, врезающуюся в толщу почвы или грунта, в которой находится подпертая гравитационная вода, то она, вытекая из стенки скважины (или колодца), заполняет ее до определенного уровня. Воду, содержащуюся в грунте глубже этого уровня, принято называть грунтовой водой или грунтовыми водами. Если этот уровень находится в почвенной толще, такие воды мы называем почвенно-грунтовыми. Закладывая несколько скважин или колодцев близко друг от друга и мысленно соединяя уровни воды в них, мы получим воображаемую поверхность, которая будет называться зеркалом грунтовых вод. Когда зеркало грунтовых или почвенно-грунтовых вод наклонно (его наклон часто, хотя и не всегда, совпадает с наклоном водоупорного слоя), то воды будут стекать в направлении наклона; в этом случае мы будем иметь стекающую подпертую гравитационную воду. Если зеркало вполне горизонтально, что бывает редко, то говорят о застойной подпертой гравитационной воде.
Вся ли вода, поступающая в почву, достигает после стекания водоупорного слоя и превращается в подпертую гравитационную воду?
Хорошо известно, что вниз, в глубокие слои, стекает далеко не вся вода. Часть ее задерживается в почвенной и грунтовой толще, не достигая водоупорного слоя. При этом в зависимости от некоторых свойств почвы и грунта распределение задержавшейся в почвенно-грунтовой толще воды может быть различно.
Для того чтобы выявить свойства этой задержавшейся воды, необходимо проследить ее распределение над уровнем грунтовых или почвенно-грунтовых вод. Допустим, что на поверхность почвы поступило такое количество воды (дождя), которое обеспечило сквозное промачивание всей почвенно-грунтовой толщи до уровня почвенно-грунтовых или грунтовых вод. Через некоторое время, после того как закончится просачивание всей свободной гравитационной воды, определим количественно содержание воды во всей почвенно-грунтовой толще над уровнем грунтовых или почвенногрунтовых вод. Такие определения принято делать в каждом 10-сантиметровом слое толщи для того, чтобы выявить распределение влаги во всех подробностях.
Сделаем два допущения: во-первых, что уровень грунтовых вод находится более или менее глубоко — на глубине не менее 6—8 м, и во-вторых, что почвенно-грунтовая толща является вполне однородной по механическому составу и сложению, т. е. не слоистой.
Распределение влаги в почвенно-грунтовой толще по окончании просачивания всей свободной гравитационной влаги схематически изображено на рис. 24. Рисунок этот построен следующим образом. На оси ординат нанесена глубина в метрах, а на оси абсцисс — влажность почвы в процентах of полной влагоемкости и в процентах от веса почвы (нижняя шкала). Напомним, что полной влагоемкостью называется предельное количество влаги, которое может содержаться в почве при условии полного заполнения водой всех пор. Полная влагоемкость выражается в процентах от веса сухой (высушенной при 105°) почвы. Выражая влажность в % от полной влагоемкости, мы характеризуем степень заполнения почвенных пор влагой.
Руководствуясь формой кривой, иначе говоря, распределением влаги в почвенно-грунтовой толще, разделим последнюю на три зоны.
В нижней части почвенно-грунтовой толщи выделится зона 1, в которой влажность равна полной влагоемкости. Эта зона содержит грунтовую воду. Она называется водоносным горизонтом. В этой зоне грунт полностью насыщен влагой, которая способна изливаться из искусственных или естественных разрезов. Зеркало грунтовой воды залегает на уровне ГВ (рис. 24).

Свободная вода

Выше расположена зона II, в которой влажность снизу вверх постепенно убывает от полной влагоемкости на уровне зеркала грунтовых вод до 60% от полной влагоемкости на верхней границе этого слоя. Еще выше идет зона III, в которой влажность до самой поверхности остается постоянной и равной (в данном примере) 60% от полной влагоемкости.
Чем же отличается поведение воды в этих трех зонах и чем объясняются эти отличия?
О свойствах воды в зоне I (в водоносном горизонте) мы уже говорили выше. Обратимся теперь к зоне II.
Рассматривая кривую распределения влажности на рис. 24, мы замечаем, что она подобна кривой 2 на рис. 14, относящейся к модели — песчаному столбику, на котором мы изучали поведение влаги под влиянием капиллярных сил и установили существование капиллярной каймы. Зона II с убывающей вверх влажностью и является не чем иным, как капиллярной каймой, располагающейся над зеркалом грунтовых вод. Верхняя граница капиллярной каймы находится на уровне KK. Ее мощность в данном примере равна 2 м. Как мы знаем, содержащаяся в ней влага является капиллярно подпертой и гидравлически связана с грунтовыми водами. При понижении уровня грунтовых вод капиллярная кайма под влиянием силы тяжести смещается вниз. Следовательно, эта влага является гравитационной. Ее можно назвать свободной гравитационной подпертой капиллярной влагой. Для краткости мы будем называть ее просто подпертой капиллярной влагой.
Способность почвы удерживать в себе капиллярную подпертую влагу может быть охарактеризована количественно, путем определения так называемой капиллярной влагоемкости почвы. Ее часто определяют следующим образом. Столб почвы (насыпанной или взятой без нарушения естественного сложения) помещают в металлическую трубку с сетчатым дном, нижний конец трубки погружают на 1—2 мм в воду. Вода начинает капиллярно подниматься по столбу почвы, о чем можно судить по увеличению веса трубки. После того как это увеличение прекратится, столб почвы будет капиллярно насыщенным. Определив в нем содержание влаги обычными методами, мы тем самым, казалось бы, определим капиллярную влагоемкость почвы, которая выражается в процентах от веса сухой почвы.
Нетрудно, однако, понять, что такой способ определения капиллярной влагоемкости является принципиально неверным. Беря столб высотой 5 или 10 см, мы, как это видно из рис. 24, можем определить капиллярную влагоемкость лишь для самой нижней части капиллярной каймы, находящейся непосредственно над уровнем грунтовой воды. Между тем мощность капиллярной каймы варьирует от 2—3 дм у песков до нескольких метров у суглинков и глин. Рассматривая кривую на рис. 24, мы видим, что содержание влаги в том или ином слое капиллярной каймы зависит от мощности и высоты слоя над уровнем грунтовых вод. Поэтому единственно правильным методом определения капиллярной влагоемкости будет нахождение кривой распределения влаги во всей капиллярной кайме. Имея такую кривую, мы можем по ней без труда найти капиллярную влагоемкость для любого слоя капиллярной каймы.
Делается это следующим образом. На рис. 24 изображена капиллярная кривая для какой-то почвенно-грунтовой толщи. Влажности на оси абсцисс выражены в процентах от веса сухой почвы. Допустим, что нас интересует величина капиллярной влагоемкости для слоя аабб. Эта величина будет, конечно, различной на верхней и нижней границах интересующего нас слоя. Для верхней границы (аа), как это видно из рисунка, капиллярная влагоемкость равна 17%, а для нижней (бб) — 19,5%. Находим среднюю из этих величин, равную 18,25%.
Как велика бывает мощность капиллярной каймы и от чего она зависит?
Мы знаем, что высота капиллярного поднятия в цилиндрическом капилляре тем больше, чем тоньше капилляр. Ее зависимость от диаметра капилляра определяется формулой Жюрена. Применяя закон Жюрена и зная, что, чем тяжелее механический состав почвы, тем в общем мельче ее поры, мы можем сделать вывод, что высота капиллярного подъема должна быть тем выше, чем тяжелее механический состав почвы.
Этот вывод подтверждается следующими данными, в которых дается мощность капиллярной каймы в насыпных столбах, состоящих из частиц различного размера:
Свободная вода

Наблюдения в природе показывают, что в песках мощность капиллярной каймы достигает 3—6 дм, в супесях 1 м, в суглинках и глинах 2—3 м и более. По некоторым данным, мощность может достигать 6 м, но в большинстве случаев она не превышает 3 м.
Чем вызвано существование такого предела? Казалось бы, в глинах и глинистых почвах, где диаметр пор измеряется величинами порядка одного микрона и менее, мощность капиллярной каймы, если ее вычислять по формуле Жюрена, должна достигать 10—15 м и более. В природе таких величин никогда не наблюдается. Это кажущееся противоречие объясняется тем, что при таком малом размере пор весь их внутренний просвет оказывается заполненным связанной влагой. Менисков в таких порах или не образуется совсем, или они образуются в отдельных более крупных порах, и разности поверхностных давлений оказывается недостаточно для передвижения связанной воды, обладающей повышенной вязкостью.
Мощностью капиллярной каймы, т. е. высотой капиллярного подъема, принято характеризовать свойство почвы, называемое водоподъемной способностью.
Влага капиллярной каймы, так же как и свободная влага в водоносном горизонте, способна к боковому отеканию при наличии уклона уровня грунтовых вод.