Поиск

Водопроницаемость почв
28.03.2015

Очень важным свойством почвы является ее водопроницаемость. Водопроницаемостью почвы мы называем способность последней впитывать и затем фильтровать влагу. От водопроницаемости зависит та доля дождевых или талых вод, которая поступит в почву и может быть в дальнейшем использована растениями.
Просачивающаяся гравитационная влага появляется в почве после того, как на поверхность почвы начинает поступать жидкая влага в форме дождевых, талых, паводковых или оросительных вод. Судьба этих вод может быть различной. Часть их испаряется, в атмосферу, часть стекает по поверхности почвы под уклон, некоторое количество влаги просачивается в почвенную толщу.
Возможность и интенсивность поступления жидкой влаги в почву определяется водопроницаемостью последней, а сам процесс ее поступления в почву называется впитыванием воды в почву или поглощением воды почвой.
Водопроницаемость почвы зависит непосредственно от величины порозности почвы и, самое главное, от размера пор. Чем выше порозность и чем крупнее поры, тем водопроницаемость будет больше. Для грунтов и почв песчаных и гравелистых, бесструктурных, водопроницаемость зависит почти исключительно от их механического состава и сложения, поскольку размер пор определяется размером частиц и плотностью их укладки. Для грунтов и почв, обладающих структурой, последняя (имея в виду водопрочные агрегаты) будет оказывать решающее влияние на водопроницаемость. Поскольку межагрегатные поры всегда крупнее внутриагрегатных, водопроницаемость будет определяться преимущественно числом и размером межагрегатных пор. Поэтому естественно, что водопроницаемость почвы, помимо ее природных свойств, в широких пределах зависит также от культурного состояния и от агротехники.
Из других факторов, оказывающих влияние на водопроницаемость, следует указать на присутствие в почве защемленного воздуха, изолированные пузырьки которого занимают отдельные поры или системы пор, через которые вода просачиваться не может.
Существенное влияние на водопроницаемость оказывает наличие в почве крупных промежутков (трещин, ходов червей, корневых ходов, кротовин), а также характер растительности.
Водопроницаемость почвы уменьшается при замерзании почвы или, точнее, при замерзании содержащейся в почве влаги. Чем выше влажность почвы, тем ниже ее водопроницаемость при замерзании. Сильно увлажненная замерзшая вода теряет свою водопроницаемость полностью.
Если влага поступает в более или менее сухую почву, то водопроницаемость вначале бывает довольно высокой, а затем быстро уменьшается. Особенно резко это бывает выражено в почвах и грунтах суглинистого и глинистого механического состава. Уменьшение водопроницаемости в процессе просачивания зависит от того, что почва насыщается влагой, от набухания почвенных коллоидов, которое ведет к сужению пор, от разрушения в некоторых случаях структурных отдельностей и т. д.

Водопроницаемость почв

Такое уменьшение водопроницаемости по мере насыщения почвы влагой показано на рис. 32. На оси ординат нанесены величины водопроницаемости в мм/час, а на оси абсцисс — часы от начала опыта. Через три часа водопроницаемость снизилась в 10 раз (с 50 мм/час до 5 мм/час), после чего она меняется уже мало. Этот момент обычно совпадает с полным насыщением почвы водой — окончанием впитывания воды — первым этапом процесса поступления влаги в почву, и началом второго этапа — чисто фильтрационного процесса сквозь почву, насыщенную влагой. Начиная с этого момента, водопроницаемость почвы может характеризоваться постоянной величиной — коэффициентом фильтрации (К). Необходимо указать, что только что изложенное разграничение процесса поступления влаги в почву на два этапа является несколько условным. С одной стороны, фильтрация влаги в нижние слои почвы может начаться и тогда, когда верхние слои еще не вполне насыщены влагой. С другой — фильтрация может происходить и вообще через почву, не насыщенную влагой, в особенности при ее легком механическом составе.
Поясним, что представляет собой величина К.
Водопроницаемость почвы при впитывании, когда процесс насыщения почвы водой еще не закончился, принято выражать в мм водного слоя в единицу времени, например, в мм/мин или мм/час. Когда мы говорим, что водопроницаемость почвы за тот или иной промежуток времени равна, скажем, 10 мм/час, то это значит, что за часовой промежуток времени в почву впитался слой воды толщиной 10 мм. Нетрудно видеть, что водопроницаемость, выраженная таким образом, имеет размерность скорости (длина, деленная на время). И действительно, это есть та скорость, с которой понижается уровень воды, находящейся над поверхностью почвы и впитывающейся в почву.
По окончании впитывания и после начала фильтрации движение воды в почве начинает подчиняться закону Дарси о движении жидкости через пористые среды. Этот закон математически выражается формулой
Q = K*h/l*ω,

где Q — объем воды, просочившейся в единицу времени,
h — падение напора, или разность уровней воды в двух точках потока,
l — расстояние между этими двумя точками (длина пути просачивания воды),
ω — площадь поперечного сечения потока,
К — коэффициент фильтрации, постоянная величина, зависящая от свойств фильтрующей среды.
К выражается обычно в см/сек, т. е., как и водопроницаемость, имеет размерность скорости. Однако это не истинная скорость просачивания воды через почву или грунт, а фиктивная, относящаяся ко всему поперечному сечению почвы или грунта, через которое происходит фильтрация, или просачивание. А так как свободная порозность составляет лишь часть этого сечения, то истинная скорость движения воды V будет, очевидно, больше. Эту скорость иногда вычисляют как частное от деления К на порозность:
V = К/П.

Однако такой способ расчета применим для почв и грунтов лишь крупнозернистых — гравелистых и песчаных. Что же касается почв и грунтов суглинистых и глинистых, то для них знаменатель дроби должен представлять не общую порозность П, а лишь активную, действующую, т. е. ту часть порозности, которая не занята связанной водой. Точных методов определения действующей части порозности мы пока не имеем.
При впитывании и в дальнейшем водопроницаемость можно выражать временем, которое необходимо для того, чтобы в почву впиталась определенная норма воды, например. 100 мм. Такая характеристика тоже удобна, но она не дает представления об изменении водопроницаемости почвы во времени, которое дается кривой на рис. 31.
Водопроницаемость почв

Водопроницаемость в сильной степени зависит от механического и агрегатного состава почвы, а так как и тот и другой могут значительно изменяться в пределах почвенного профиля, то так же сильно по профилю может изменяться и водопроницаемость. На рис. 33 изображено изменение по профилю водопроницаемости дерновосреднеподзолистой почвы (слева) и мощного тучного чернозема (справа). В дерновосреднеподзолистой почве при переходе от верхних почвенных слоев к подстилающей породе водопроницаемость уменьшается почти в 100 раз (с 71 мм/сутки до 0,8 мм/сутки). Врдопроницаемость почвенной толщи в целом, состоящей из нескольких горизонтов с разной водопроницаемостью, определяется водопроницаемостью горизонта с наименьшим значением.
Водопроницаемость обладает значительной изменчивостью и в пространстве. На рис. 34 изображены результаты исследований Н. А. Качинского над проникновением влаги длительного дождя в сухую тяжелосуглинистую подзолистую почву. В верхней части рисунка дан вертикальный разрез почвенной толщи, а в нижней — три горизонтальных разреза на глубине 1 см, 10 см и 18 см. Промоченные участки почвы заштрихованы двойной штриховкой. Этот рисунок отчетливо показывает, что просачивание влаги в почву идет очень неравномерно. В первую очередь она просачивается по трещинам (ходам червей, кротов, ходам корней и т. д.) и лишь позднее, рассасываясь в стороны, вода более равномерно смачивает почвенную толщу.
Водопроницаемость почв