Протягом експерименту
6.1.3. Рух води у ненасиченому вологою ґрунті.
Закон Дарсі використовується для процесу фільтрації, коли рух здійснювався по повністю заповненому водою шпаровому просторі. Якщо ж частина шпарового простору проводить воду, а частина “стала пустою” і містить газоподібну фазу, користуватись коефіцієнтом фільтрації вже не можна. Слід використовувати інше поняття водопроникності ґрунту – коефіцієнт вологопровідності (або ненасичену гідравлічну провідність). Коефіцієнт вологопровідності хоч і має ті самі розмірності, що і коефіцієнт фільтрації [см/доб, м/доб, мм/хв і ін.], і також характеризує здатність ґрунту проводити потік вологи, не є величиною постійною для даного ґрунту, а змінюється зі зміною тиску ґрунтової вологи. Перш за все зі зміною її капілярно-сорбційної складової (Рк-с). Пояснити це можна на наступній схемі (рис. 6.4). Використаємо капілярну модель ґрунту.
Ґрунт складається з капілярів різного діаметру. У випадку фільтрації вологи всі капіляри заповнені і проводять воду (рис. 6.4, а). Однак при деякому висушуванні ґрунту у найбільші капіляри вже входить повітря, і вони не приймають участі у процесі руху води (рис. 6.4, б). Як говорять, знижується площа шляхів, що проводять воду, зменшується здатність ґрунту проводити потік вологи: провідність стає значно нижчою, ніж при фільтрації води.
Рис. 6.4. Вологопровідність ґрунту у насиченому стані (фільтрація – а) і при знижені вологості (капілярно-сорбційної вологи) та відповідним “висушуванням” капілярів (б, в)
Якщо ґрунт продовжує висушуватись і тиск вологи ще більше знижується, то “стають пустими” і інші капіляри, вода залишається лише в найтонших капілярах (рис. 6.4, в). Тільки вони здатні проводити воду, і провідність відповідно ще більше зменшується.
Оскільки вологопровідність ґрунту зменшується у міру зниження матричного тиску вологи, то слід говорити вже про функції вологопровідності.
Функція вологопровідності – це залежність коефіцієнта вологопровідності (ненасиченої гідравлічної провідності, Квл) від капілярно-сорбційного (Рк-с) тиску ґрунтової вологи або від вологості ґрунту (θ):
Квл = f(Рк-с, θ). Часто позначають Квл(Рк-с) або Квл(θ).
Вигляд функції вологопровідності досить характерний (рис. 6.5): здатність ґрунту проводити потік вологи при зменшенні тиску зменшується на порядки. Так, при зменшенні тиску від 0 до -1000 см водного стовпу у суглинкових ґрунтах коефіцієнт волого провідності зменшується на 2-3 порядки, від 50-100 до 0,05-0,1 см/доб. Це абсолютно визначено вказує про те, що сухий ґрунт буде проводити воду значно гірше, ніж вологий.
Рис. 6.5. Функція вологопровідності – залежність коефіцієнта волого провідності (Квл) від капілярно-сорбційного тиску вологи (рF)
Такі явища часто можна спостерігати в ґрунті: при поливах дуже висохлої поверхні ґрунту він деякий час слабо вбирає воду, до тих пір, поки не зволожиться його поверхневий шар і вологопровідність зросте. Тоді збільшиться і вбирання води. При локальних поливах також виникає ряд ефектів, пов’язаних з відмінностями тисків вологи у просторі. Якщо є вологі і сухі зони (зони з високим і низьким тиском), то волога переважно буде рухатись по вологим ділянкам, а от сухі (як це не дивно) будуть зволожуватись повільно, ще деякий час залишаючись сухими, оскільки у них значно нижча вологопровідність, ніж у вологих.
Важлива також точка перетину кривої функції вологопровідності з віссю ординат – це величина коефіцієнта фільтрації. Дійсно, тиск вологи у цьому випадку дорівнює нулю, ґрунт насичений водою і характеризується коефіцієнтом фільтрації. Виходить, що Кф – лише одна точка на кривій функції вологопровідності, однак одна із найважливіших, початкова.
Характерний і ще один момент при аналізі вигляду функцій вологопровідності. Строго кажучи, поняття “вологопровідність” застосовується лише до перенесення води у вигляді рідини. Пароподібне перенесення вологи у цьому випадку переважно не розглядають. Однак слід все-таки враховувати, що при дуже низьких величинах тиску вологи, при тиску нижче -100000…-200000 см водного стовпу (pF вище 5-5,3) саме цей вид перенесення води починає домінувати, і коефіцієнт вологопровідності починає збільшуватись. При настільки низьких тисках рідка волога представлена у вигляді тонких плівок, рухомість у яких незначна. А ось вільного простору для збільшення частки руху води у вигляді пари достатньо. І якщо є умови для її пересування (перш за все градієнт, який визначає пароперенесення), то у цих умовах пароподібне перенесення води є домінуючим.
Основне значення вологопровідності – її використання при розрахунках перенесення води у ненасичених вологою ґрунтах.