Поиск

Водоотдача и порозность аэрации
28.03.2015

Говоря о свободной гравитационной влаге, мы отмечали ее способность стекать под действием гидравлического напора, образующегося при уклоне зеркала грунтовых или почвенно-грунтовых вод.
В связи с этим необходимо остановиться еще на одном водном свойстве почв и грунтов, называемом водоотдачей. Если уровень почвенных или грунтовых вод понижается, то из той части водоносного слоя, которая в результате этого окажется расположенной выше уровня этих вод, вытекает некоторое количество воды. Способность почвы или грунта отдавать гравитационную влагу путем стекания называется водоотдачей. Водоотдача может быть охарактеризована количественно. Ее исчисляют для какого-либо определенного слоя почвы или грунта. Количество стекающей воды является переменной величиной. Величина эта возрастает до известного предела по мере понижения уровня почвенных или грунтовых вод. Максимальная величина водоотдачи данного слоя равна разности между полной влагоемкостью (ПВ) и наименьшей влагоемкостью почвы (HB), так как первая из них характеризует собой наибольшее количество воды, которое может содержаться в данном слое при его полном насыщении, а вторая — количество влаги, которое остается в этом слое после стекания всей свободной гравитационной воды и может длительно в нем удерживаться.
Таким образом, максимальная величина водоотдачи (MBO) будет равна:

MBO = ПВ — HB.

Однако фактическая величина максимальной водоотдачи обычно несколько меньше расчетной, так как полное насыщение почвы или грунта до полной влагоемкости в природе наблюдается не часто, ибо в почвенной или грунтовой толще практически всегда остается то или иное количество защемленного воздуха.
Своей максимальной величины водоотдача данного слоя почвы или грунта достигает тогда, когда грунтовые или почвенные воды полностью уходят из этого слоя и он оказывается расположенным над верхней границей капиллярной каймы. Если же уровень вод остановится где-то в промежуточном положении, т. е. когда данный слой почвы окажется в пределах капиллярной каймы, водоотдача в этом случае будет меньше и окажется равной:
ВО = ПВ — КВ,

где KB — величина капиллярной влагоемкости слоя при данном его положении над зеркалом грунтовых или почвенно-грунтовых вод. Чем ниже опускается зеркало вод, тем меньше капиллярная влагоемкость почвы и тем ближе будет подходить водоотдача слоя к своему максимальному значению.
Сказанное можно иллюстрировать следующей схемой (рис. 31).
Водоотдача и порозность аэрации

На рисунке изображено обычное распределение влажности в почвенно-грунтовой толще, расположенной над уровнем почвенных или грунтовых вод. Количественные показатели взяты для песчаной толщи. По оси абсцисс отложена влажность в процентах от объема почвы или грунта, а по оси ординат — глубина залегания слоя. 0, I, II, III, IV...VIII — элементарные почвенные слои; они предполагаются настолько тонкими, что в пределах каждого слоя капиллярную влагоемкость можно считать постоянной. Возьмем один из таких слоев, находящийся в начальный момент непосредственно под уровнем грунтовых вод в положении 0. Этот слой полностью насыщен влагой, и его объемная влажность в данном примере равна 40%. Допустим, что уровень почвенных вод постепенно понижается и наш элементарный слой почвы оказывается по отношению к этому уровню поочередно в положениях I, II, III, IV...VIII. Влажность этого слоя, по мере опускания капиллярной каймы, будет постепенно уменьшаться, так как будет уменьшаться его капиллярная влагоемкость, переменная величина которой изображена в нижней части рисунка пунктирной стрелкой. Количество воды, которое будет вытекать из данного элементарного слоя — его водоотдача, — изображено на рисунке зачерненной частью элементарного слоя; заштрихованная часть слоя соответствует его капиллярной влагоемкости при данном его положении. Водоотдача постепенно возрастает до тех пор, пока элементарный слой окажется в положении VIII, когда капиллярная кайма будет находиться под ним. Влажность слоя в этот момент упадет до наименьшей влагоемкости, а водоотдача достигнет своего максимального значения: ПВ — HB.
В соответствии с полной и наименьшей влагоемкостями, присущими различным почвам и грунтам, величины максимальной водоотдачи варьируют от 25—30% объема почвы в песках до 3—6% в лёссовидных породах и едва достигают десятых долей процента в тяжелых глинистых породах.
В почвенных толщах, особенно в верхних почвенных горизонтах, вследствие высокой их общей порозности, а следовательно, и высокой полной влагоемкости, максимальная водоотдача может быть довольно значительной. На приводимых ниже рисунках 37—41 в графической форме изображены водные свойства нескольких почв. Максимальная водоотдача на этих рисунках соответствует порозности аэрации.
До сих пор рассматривалась водоотдача отдельного элементарного слоя почвы или грунта. Представляет интерес другой вопрос: какова будет общая, суммарная водоотдача грунтовой или почвенной толщи при том или ином понижении уровня почвенно-грунтовых или грунтовых вод? Для упрощения допустим, что почвенно-грунтовая толща в отношении водных свойств однородна по профилю. При этом условии, отвечая на только что поставленный вопрос, мы можем различать два главных случая. Первый будет иметь место, если верхняя граница капиллярной каймы в первоначальном своем положении находится ниже дневной поверхности почвенно-грунтовой толщи. В этом случае, при понижении зеркала вод, капиллярная кайма будет перемещаться вниз параллельно самой себе, без изменения своей мощности и без изменения распределения влаги в пределах самой каймы независимо от ее положения. Водоотдача (MBO) будет максимальной и выразится величиной:
MBO = Г(ПВ-НВ)/100 см водного слоя,

где полная влагоемкость (ПВ) и наименьшая влагоемкость (HB) выражены в процентах от объема почвы, а глубина понижения зеркала вод (Г) — в сантиметрах.
Второй случай будет наблюдаться, если зеркало вод в своем исходном положении находится на меньшей глубине, чем наибольшая мощность капиллярной каймы. Водоотдача будет меньше своей максимальной величины вследствие того, что часть влаги будет задерживаться и расходоваться на создание капиллярной каймы. Только после того как капиллярная кайма оторвется от дневной поверхности, величина водоотдачи достигнет своего наибольшего значения.
Выше упоминалось еще об одном важном свойстве почвы — порозности аэрации. Это свойство не является, строго говоря, водным свойством, но оно тесно связано с содержанием в почве влаги и поэтому целесообразно с ним познакомиться. Порозностью аэрации называют ту часть почвенного порового пространства, которая заполнена воздухом. Эта величина является переменной, так как она находится в обратной зависимости от влажности почвы, которая обладает значительной изменчивостью. Поры, освобождающиеся от влаги, заполняются воздухом, и наоборот.
Обозначим для данного слоя почвы порозность аэрации А, влажность почвы В; выразив обе эти величины в процентах от объема почвы, можно написать:
А + В = П, откуда А = П — B,

где П — общая порозность почвы.
Максимальной величины порозность аэрации достигает в совершенно сухой почве, когда влажность почвы равна нулю и порозность аэрации равна общей порозности почвы. Однако порозность аэрации этой максимальной величины достигает в природе весьма редко, хотя в песчаных почвах и грунтах она может к ней приближаться.
При глубоком залегании грунтовых вод, когда влажность почвы не может сколько-нибудь значительно превысить величину наименьшей влагоемкости, минимальная порозность аэрации равна П — HB (обе величины выражаются в процентах от объема почвы). При близком залегании уровня почвенно-грунтовых вод минимальное значение А равно П — КВ, где KB — капиллярная влагоемкость данного слоя при данной глубине почвенно-грунтовых вод.