Стан і форми води в грунтах

Стан води в грунті, закони її переміщення та доступності для рослин, водоспоживання рослинами, водно-фізичні властивості та водний режим грунтів вивчали Г.М.Висоцький (1899), О.А.Роде (1965), Н.А. Качинський (1970) та інші. Вода в грунті розміщується в порах і обволікає тверді його частинки.

Порції грунтової води, які мають однакові властивості, називаютьсяформами води.

Загальна кількість води в грунті в даний момент, виражена в% по відношенню до абсолютно сухої наважки, називається його вологістю. Вологість грунту вираховується за формулою:

Вологість грунту – дуже динамічна величина, що залежить від кількості опадів і температури; при цих рівних умовах – від гранскладу й гумусованості грунту. Головним джерелом вологи в грунті є опади.

Вода в грунті зазнає впливу різноманітних сил, з допомогою яких вона пересувається або затримується. Головними силами, які діють на грунтову воду, є сорбційні, меніскові та гравітаційні. Сорбційні сили виникають завдяки специфічній будові молекули води. Вона складається з диполів, які являють собою тіла з полюсами. Вони несуть заряди протилежного знака, які мають властивість асоціюватись один з одним, притягуватись іонами та колоїдними частинками: явище притягування диполів води іонами та грунтовими частинками називається гідратацією. Вона виявляється в утворенні гідратної оболонки навколо іонів і колоїдних частинок.

Меніскові (капілярні) сили зумовлюються поверхневим натягом води. На її поверхні утворюється вільна енергія через односторонній напрямок дії на молекули поверхневого шару. Наявність вільної енергії викликає прагнення до максимального зменшення поверхні рідини. Так як вода добре змочує більшість тіл, біля стінок посудини (особливо малого діаметру) виникає викривлення поверхні води і утворюється меніск. Викривлення поверхні веде до зменшення поверхневого тиску, з чим і пов'язане явище капілярного підняття води. Висота капілярного підняття описується формулою Жюрена:

Гравітаційні сили впливають в основному на вільну вологу в грунті.

З фізичної точки зору вода може знаходитись у трьох станах – твердому, пароподібному, рідкому (рис. 18). Тверда вода – лід, який утворюється при від'ємній температурі сезонно або постійно, малоактивний кристалічний стан води. Це потенційне джерело води рідкої й пароподібної, в яку лід переходить при таненні й випаровуванні.

Рис. 18. Стан і форми води в грунті

Пароподібна вода – міститься в грунті при будь-якій вологості в порах, вільних від рідкої води. її у грунті мало, не більше 0,001%, вона знаходиться у вигляді водяного пару. Ця вода рухається від ділянок з високою пружністю водяного пару до ділянок із нижчою пружністю, із верхніх шарів грунту – в атмосферу, а при певних умовах конденсується в рідкий стан. Тобто цей стан води відіграє помітну роль у формуванні водного режиму грунту (вміст її може складати до 150 м куб/га).

Рідка вода – знаходиться в порах, найдоступніша рослинам, найрухоміша, відіграє винятково важливу роль у грунтах. Виділяють хімічно зв'язану, фізично зв'язану та вільну форми рідкої грунтової води залежно від характеру її зв'язку з твердою фазою грунту.

Хімічно зв'язана.Входить до складу твердої фази грунту, не пересувається, не бере участі у фізичних процесах, не випаровується при температурі 100°С, в формуванні водного режиму участі не бере. Ділиться на конституційну – група ОН^- у хімічних сполуках типу Fe(OH)₃, кристалізаційну – молекули води в речовинах типу CaSO₄·2H₂О.

Фізично зв'язана(сорбована). Це вода, сорбована поверхнею грунтових часток у вигляді плівки, вона може сорбуватись як із пароподібного, так і рідкого стану. Фізично зв'язана вода за міцністю зв'язку зтвердими частинками грунту поділяється на:

а) щільнозв'язану (гігроскопічну). Це вода, поглинена грунтом із пароподібного стану. Властивість грунту сорбувати пароподібну воду називають гігроскопічністю. Ця вода утримується частинками грунту під дуже великим тиском, тому нерухома, дуже ущільнена, густина її досягає 1,5-1,8 г/см куб, замерзає при температурі -78°С, не розчиняє речовини, не доступна рослинам (рис. 19).

Рис. 19. Форми грунтової води таїх відношення до рослин

За фізичними властивостями гігроскопічна вода наближається до твердих тіл.

Кількість води, яка може сорбуватись грунтом, залежить від відносної вологості повітря. Наприклад, при відносній вологості повітря 20-40% має місце сорбція води безпосередньо грунтовими частинками з утворенням моно-, бімолекулярного шару. Подальше збільшення відносної вологості повітря зумовлює зростання товщини водяної плівки.

Максимальна кількість води, яку може поглинути грунт з пароподібного стану при відносній вологості повітря приблизно 95-100%, називаєтьсямаксимальною гігроскопічністю (МГ).

При вологості грунту, що дорівнює МГ, товщина плівки змолекул води досягає 3-4 шарів. На величину МГ суттєво впливає величина питомої поверхні грунтових частинок (мінералогічний, гранулометричний склад, гумусованість). Чим більше в грунті мулистих та, особливо, колоїдних частинок, тим більше буде гігроскопічної води (рис. 20).

Рис. 20. Сорбція води грунтом (за Н.А.Качинським):

1 – грунтова частинка; 2 – шар щільно зв'язаної води; 3 – шар пухко зв'язаної води; 4 – вода капілярної конденсації

МГ – одна з найважливіших грунтово-гідрологічних констант:

- піщані грунти – 0,5-1,3%;

- легкосуглинкові – 1,5-3%;

- важкосуглинкові – 5-8%;

- глинисті – 10-12%.

- торф'яні – 18-22%.

б) пухкозв'язану (плівчасту). Грунт не може сорбувати пароподібну форму більше від МГ, але рідку воду може сорбувати і в більших кількостях. Вода, яка утримується в грунті сорбційними силами зверху МГ – це вода плівкова, або пухкозв'язана. Утворює полі молекулярну плівку навколо грунтових частинок. Товщина її досягає декількох десятків і навіть сотень діаметрів молекул води. Плівкова вода може переміщуватися в рідкому стані від грунтових частинок з більш товстими водяними плівками до частинок, у яких вони тонші. Швидкість її руху декілька сантиметрів на рік.

Вміст її у фунті залежить від тих же факторів, що і вміст гігроскопічної. У середньому, для більшості грунтів її кількість складає 7-15%, деколи в глинистих грунтах досягає 30-35% і знижується у піщаних до 3-5%.

Максимальна кількість плівкової води в грунті називаєтьсямаксимальною молекулярною вологоємністю (ММВ).

Вільна вода.Це вода, яка міститься в грунті зверх ММВ, знаходиться поза дією сорбційних сил. У грунтах вона присутня у двох формах:

а) капілярна вода – утримується в грунті в порах малого діаметра (< 8 мм) капілярними (менісковими) силами. Ці сили виникають внаслідок наявності в поверхні рідини ненасичених молекул, які є джерелом надлишкової поверхневої енергії. Це веде до утворення на поверхні рідини нібито плівки, що має поверхневий натяг, або поверхневий тиск. Він являє собою різницю між атмосферним тиском і тиском рідини. Капілярна вода рідка, рухома, розчиняє й переміщує речовини, доступна рослинам. Ділиться на капілярно-підвішену, капілярно-підперту й капілярно-посаджену залежно від джерела зволоження грунту.

Капілярно-підвішена вода заповнює капілярні пори при зволоженні зверху (після дощу, поливу). Вона може рухатись у всіх напрямках.

Капілярно-підперта вода утворюється в грунтах при піднятті води знизу від горизонту грунтових вод по капілярах на деяку висоту. Може підніматись від 0,5 до 6 м. Висота й швидкість капілярного підняття води залежать від діаметра пор, а значить – від гранскладу, структурності, будови профілю грунту. Так, висота для різних грунтів коливається в межах:

- піщані – 18-22 см

- супіщані – 100-150 см

- суглинкові – 150-300 см

- глинисті – 600-1000 см

- лес – 250-350см

- торф – 50-80 см.

Капілярно-посаджена вода утворюється у шаруватій грунтовій товщі дрібнозернистого шару при підстиланні його шаром крупнозернистом, над границею зміни цих шарів.

б) гравітаційна вода – переміщується в грунті під дією гравітаційних сил, тобто під дією власної ваги, знаходиться поза впливом сорбційних і капілярних сил, рідка, має високу розчинну здатність, рухома, доступна рослинам.

Рух гравітаційної води через грунт називаєтьсяфільтрацією.

Гравітаційна вода ділиться на просочувану й підперту (підземну). Просочувана – це вода, яка пересувається по порах і тріщинах зверху вниз, коли її кількість перевищує стримувальну здатність меніскових сил. Підземна (вода водоносних горизонтів) – насичує грунтово-підгрунтову товщу до повної вологоємності й утримується в грунті за рахунок малої водопроникності порід, що підстилають грунт. Вона міститься у водоносному шарі – породі, яка легко пропускає вільну воду і насичена нею (галечник, піщаники, піски, вапняки тощо).

Водоупор – порода, яка не пропускає або слабо пропускає воду (глина, тяжкі суглинки, сланці).

Розрізняють такі основні типи підземних вод (рис. 21):

Рис. 21. Схема залягання підземних вод:

1 – опади; 2,8 – зона живлення й розвантаження артезіанських вод; 3 – верховодка; 4 – грунтові води; 5 – п'єзометрична лінія; 6 – низхідне джерело; 7 – ріка; 9,10 – міжпластові напірні й безнапірні води; 11 – водоносні породи; 12 – водотривкі породи (водоупор); А, Б – артезіанські свердловини

Верховодка – приурочена до горизонтів грунтового профілю, залягає на лінзах водотривких горизонтів (І, G1, вічна мерзлота, глинисті прошарки). Не має значного водозбору, формується локально після опадів, сніготанення.

Грунтова вода – розташована в першому від поверхні постійному водоносному горизонті. Формується за рахунок атмосферних опадів у межах великого водозбору, не перекривається водотривкою покрівлею, не напірна.

Міжпластова вода – знаходиться у водоносних горизонтах, що залягають між водотривкими пластами. Виділяється: напірна вода (артезіанська), що знаходиться у водоносних горизонтах, перекритих і підстелених водотривкими пластами, приурочена до пластів, що синклінально залягають, має напір, може мати зв'язок із грунтовими водами; безнапірна – не приурочена до синклінальних пластів, а тому не має гідравлічного напору.

Наявність значної кількості гравітаційної води – явище несприятливе, свідчить про надлишкове зволоження, приводить до утворення гідроморфних грунтів.