Лекція 6 Рух води у ґрунті. Водний режим і водний баланс ґрунту
6.1. Рух води в ґрунті.
6.1.1. Рух води у насиченому вологою ґрунті (фільтрація).
6.1.2. Водопроникність ґрунту. Вбирання (інфільтрація) води в ґрунт.
6.1.3. Рух води у ненасиченому вологою ґрунті.
6.1.4. Рух води в системі “ґрунт – рослина – атмосфера”. Транспірація.
6.2. Водний режим ґрунту.
6.3. Водний баланс ґрунту.
6.1. Рух води в ґрунті
6.1.1. Рух води у насиченому вологою ґрунті (фільтрація).
Якщо весь шпаровий простір заповнений водою, то процес руху вологи у такій двохфазній (лише тверда і рідка фази) системі називається фільтрацією. При описанні цього процесу вважають, що по всім шпарам вода рухається з однаковою швидкістю, формуючи фільтраційний фронт у насиченому водою ґрунті. Такі умови у ґрунті бувають нечасто і в основному характерні для руху ґрунтових вод, верховодки, для умов весняного сніготанення. Саме фільтрація води у ґрунті є основою для розуміння процесів руху води у ньому. Описує цей рух води у насиченому ґрунті закон Дарсі.
Французький інженер Анрі Філіп Гаспар Дарсі (1856 р.), вивчаючи рух води у наповнених піском, суглинком та іншими матеріалами колонках, обґрунтував закон, який носить його ім’я. Він проводив досліди за наступною схемою (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Схема устаткування для вивчення фільтрації води у ґрунті
З цієї схеми видно, що ґрунтова колонка, яка має довжину l і площу поперечного перерізу S, проводить воду з деякою швидкістю, яка характеризується потоком вологи qw. Цей потік дорівнює кількості води Q, яка пройшла через переріз S за одиницю часу t:
qw = Q/St
Він буде мати одиниці вимірювання [см/доб або м/доб], тобто [довжина/час], оскільки величина Q має розмірність об’єму, S – площі, їх відношення – розмірність довжини. Ця розмірність потоку вологи фізично представляє стовп води, який виражений у см (або в мм, або в м) водного шару, який проходить через ґрунт за одиницю часу. Тому всі потоки води у ґрунті мають цю розмірність, яка представляє величину шару води за одиницю часу.
Анрі Дарсі, вимірюючи витрати води, параметри ґрунтових зразків, а також висоту перепаду води у падаючій і приймаючій колонках (h1 – h2 = ∆h), вперше помітив, що при фільтрації води зберігається наступне співвідношення:
,
де
Кф – коефіцієнт фільтрації, а відношення ∆h/l називається гідравлічним градієнтом, тобто відношенням гідравлічного тиску ∆h до довжини колонки. Фактично гідравлічний градієнт – це втрата тиску води на одиницю довжини фільтруючої колонки.
Коефіцієнт фільтрації має ту саму розмірність, що і потік вологи, тобто см/доб, м/доб і т. д., але лише у тому випадку, якщо гідравлічний градієнт є величиною безрозмірною, тобто коли і перепад, і довжина колонки виражені в одних і тих же розмінностях довжини. Важливо також, що Кф дорівнює потоку вологи при одиничному градієнті. Тому нерідко Кф називають швидкістю фільтрації на одиницю градієнта. Крім того (і це дуже важливо) Кф є постійною і характерною для даного ґрунтового об’єкта величиною. Він відноситься до фундаментальних, базових ґрунтових властивостей. Класифікують переважно цю величину наступним чином (табл. 6.1):
Таблиця 6.1