5.5. Потенціал вологи в ґрунті та його складові

Потенціал вологи в ґрунті – корисна робота на одиницю кількості води, яку потрібно затратити, щоб перемістити зворотньо та ізотермічно безкінечно малу кількість води з резервуару з чистою водою, який знаходиться на стандартній висоті над рівнем моря, у ґрунтову вологу в конкретному місці при незмінному зовнішньому тиску.

Відмітимо кілька характерних моментів, які містяться в цьому визначенні:

1) “…корисна робота на одиницю кількості води”. З цього слідує, що потенціал має розмірність [робота/маса] або в системі СІ [дж/кг]. У фізиці ґрунтів найчастіше використовують одиниці вимірювання тиску вологи в ґрунті в “см водного стовпа” – тиск стовпа чистої води висотою 1 см. З цього стає зрозумілим ідентичність використання термінів “потенціал вологи”, “тиск вологи”, “висота водного стовпа”, а також зрозумілим існування трьох взаємоперевідних одиниць (потенціал, тиск, висота водного стовпа) при вимірюванні потенціалу і/або тиску ґрунтової вологи. Таким чином, слід пам’ятати, що якщо кількість роботи віднесено до одиниці об’єму, то потенціал вимірюється в одиницях тиску [Па, атм, бар та ін.], якщо до одиниці маси – в одиницях довжини, висоти водного стовпа [см водного стовпа, м водного стовпа та ін], якщо до маси води – в Дж/кг та ін.

2) “… безкінечно мала кількість води” – це вказує на те, що при переміщенні води не відбувається втрата енергії на тертя. Лише корисна робота по переміщенню.

3) “… зворотньо та ізотермічно” – вказує, що потенціал ізотермічний, і його можна використовувати лише при близьких до постійних температурах.

4) “… з резервуару з чистою водою”. Підкреслюється, що нульовий рівень порівняння – чиста вода. Якщо у ґрунтовій волозі будуть розчинені солі, то з’явиться додаткова складова, пов’язана з осмотичною дією солей, – осмотичний потенціал, або, з врахуванням розмінностей, осмотичний тиск.

5) “…з резервуару…, який знаходиться на стандартній висоті над рівнем моря, у ґрунтову вологу в конкретному місці”. Це підкреслює, що потенціал може змінюватись при переміщенні води по вертикалі, тобто залежить від висоти над рівнем моря. Виражається це у виникненні складової потенціалу – гравітаційної. Ця складова виражається у вигляді відстані по вертикалі (висоти) між точкою розгляду (яка розглядається) в ґрунті і стандартним рівнем порівняння. Як правило, за цей рівень приймають денну поверхню ґрунту в місці розгляду. Зрозуміло, що ця складова має розмірність висоти водного стовпа, наприклад [см водного стовпа].

6) “…при незмінному зовнішньому тиску” – також вказує, що якщо зовнішній тиск (газовий або механічний тиск) зміниться, то це призведе до виникнення додаткових складових потенціалу вологи – зовнішнього газового і механічного потенціалів (або тисків).

Таким чином, потенціал вологи у ґрунті має кілька складових і називається повним потенціалом вологи ψ_t. Його величина, аналогічно величині повного тиску, визначається складовими: капілярно-сорбційним (матричним) потенціалом – ψ_к-с, осмотичним – ψ_осм, гравітаційним – ψ_гр, зовнішнього механічного – ψ_зов і газового (атмосферного) тисків – ψ_атм:

ψ_t = ψ_к-с + ψ_осм + ψ_гр + ψ_зов + ψ_атм

Це рівняння для повного потенціалу вологи повністю ідентичне наведеному вище рівнянню для повного тиску вологи у ґрунті, що ще раз показує їхню ідентичність, з врахуванням використовуваних розмінностей.

Аналогічно розгляду складових повного тиску, можна розглянути значення окремих складових повного потенціалу вологи в ґрунті. Переважно, якщо не має помітної механічної дії на ґрунт, газовий тиск суттєво не змінюється, то основне значення набувають три складові: капілярно-сорбційна, осмотична і гравітаційна. У природних незасолених ґрунтах на процес переміщення вологи в ґрунті мають вплив лише капілярно-сорбційна і гравітаційна складові, оскільки осмотична не має в ґрунті помітних перепадів, великих градієнтів концентрацій розчинних солей. Проте, якщо оцінювати рух води з ґрунту в рослину, слід враховувати і осмотичну складову.

Якщо можна виміряти або задати строго постійну величину відносного тиску водяної пари, то можна визначити потенціал вологи в ґрунті і повний тиск вологи в ґрунті. На цьому базуються багато методів визначення потенціалу (тиску) вологи в ґрунті. Основними є такі:

• психрометричний метод. Психрометр – прилад, за допомогою якого визначають відносний тиск водяної пари в атмосфері. Цей метод може бути як польовим, так і лабораторним.

• гігроскопічний метод або метод сорбційної рівноваги над розчинами солей. Використовується в основному в лабораторії.

• тензіометричний метод визначення капілярно-сорбційного тиску. Використовується спеціальний ґрунтово-фізичний прилад – тензіометр.

Знаючи значення тиску вологи в двох точках ґрунту, можна абсолютно точно сказати, куди буде рухатись волога: з точки з більшим тиском в точку з меншим тиском. А рушійною силою буде виступати перепад тисків вологи. У ґрунтових дослідженнях при розрахунках руху води враховують лише дві складові повного потенціалу – капілярно-сорбційну і гравітаційну. Осмотична складова в переважній більшості випадків не впливає на переніс вологи, так як концентрації солей намагаються вирівнятись в ґрунтах, та й самі різниці концентрацій в звичайних випадках невеликі. Тому і розглядають суми величин капілярно-сорбційного і гравітаційного тисків в двох точках ґрунту (їх вказує тензіометр).

Виникає запитання: чи завжди вода буде рухатись з більш вологого ґрунту в більш сухий? Ні, не завжди. Це може бути справедливо лише для абсолютно гомогенної, абсолютно однакової ґрунтової товщі. Такого ґрунту не буває. І якщо в точці 1 ґрунт більш глинистий, ніж в точці 2, то цілком може бути так, що вологість в точці 1 буде вищою, ніж в точці 2. А вода буде переміщуватись з точки 2 в точку 1. Тому тільки величина тиску вологи може бути використана для оцінки напрямку перенесення вологи, лише суми гравітаційного і капілярно-сорбційного тисків вологи. Ми в більшості випадків маємо справу з величинами вологості ґрунту. Тому для характеристики і стану вологи, і наявності переносу потрібно перевести їх у величини тиску вологи. А для цього потрібно знати залежність вологості від матричного тиску вологи в ґрунті. Ця залежність – центральна, одна з найбільш важливих у фізиці ґрунту.