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.
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
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:
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 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.
- Доступность почвенной влаги для растений
- Водоотдача и порозность аэрации
- Водоудерживающая способность почв и грунтов
- Подвешенная влага в слоистых почвенно-грунтовых толщах
- Подвешенная влага в однородных почвенно-грунтовых толщах
- Свободная вода
- Связывание жидкой воды почвой
- Гигроскопичность почвы
- Связывание воды почвой
- Капиллярные явления в зернистых пористых средах