Лабораторна робота №2

Визначення вологості ґрунтів

Мета роботи: ознайомитись з методиками визначення вологості ґрунту; вивчити принципи дії та конструкції приладів та обладнання, які використовуються для визначення вологості ґрунту; набути практичні навики визначення вологомісткості ґрунту та роботи з тензіометрами.

Теоретична частина. Водний режим ґрунту має дуже важливе значення в формуванні високих та стійких урожаїв сільськогосподарських культур. Основною характеристикою водного стану ґрунту є вологість. Вологістю ґрунту називають вміст води в будь-яких формах в одиниці маси або об’єму ґрунту в даний момент часу. Вологість має суттєвий вплив на фізичні та хімічні властивості ґрунту, накопичення поживних речовин та діяльність мікроорганізмів, а також має важливе значення для фізіологічних процесів, які відбуваються в рослинах. Для утворення 1 кг сухої речовини рослина витрачає від 200 до 1000 л і більше води (коефіцієнт транспірації). Випаровуючись через листки, вода охолоджує рослини, не допускаючи їх перегрівання і висихання (терморегуляція).

Вода і розчинені в ній різні речовини складають рідку фазу ґрунту або ґрунтовий розчин, з якого рослини через кореневу систему поглинають воду і поживні речовини. Залежно від умов, вода по-різному зв’язана з твердою фазою ґрунту, що впливає на її рухомість у ґрунті і ступінь доступності рослинам. За доступністю рослинам вологу поділяють на недоступну і доступну, а останню, в свою чергу, на важко-, середньо-, і легкодоступну.

Запас вологи в грунті доступний рослинам називають продуктивним, а недоступний – непродуктивним або мертвим запасом.

У ґрунті розрізняють такі форми (категорії) вологи:

- пароподібна волога - у вигляді водяних парів міститься в ґрунтовому повітрі і переміщується з місць більшого насичення (підвищеного парціального тиску) до місць з меншим насиченням ґрунтового повітря водяною парою;

- хімічно зв’язана вода - входить до складу багатьох вторинних мінералів. Розрізняють конституційну та кристалізаційну хімічно зв’язану вологу. Вона не бере участі у фізичних процесах і не випаровується. Недоступна для рослин;

- гігроскопічна вода – у вигляді мономолекулярного шару адсорбується частками ґрунту і утримується на їх поверхні молекулярними силами. Її кількість залежить від сумарної поверхні ґрунтових часточок і відносної вологості навколишнього повітря. Недоступна для рослин;

- плівкова вода – перебуває в рідкому стані і утримується на поверхні ґрунтових частинок молекулярними силами, внаслідок чого малорухома і важкодоступна для рослин. Рухається в ґрунті дуже повільно від більш вологих до сухіших місць;

- капілярна вода – знаходиться в краплиннорідкому стані в капілярах ґрунту. Рухається в ґрунті під дією капілярних сил і є основним джерелом води для рослин;

- гравітаційна вода - займає в ґрунті некапілярні проміжки між агрегатами і рухається під дією сили тяжіння. Важкодоступна для рослин внаслідок значної рухомості.

Розрізняють вагову й об’ємну вологість ґрунту.

Ваговою вологістю ґрунту називають відношення маси води, яка міститься в ґрунті, до маси абсолютно сухого ґрунту, висушеного при температурі 100-105С (до постійної маси).

Об’ємною вологістю ґрунту називають відношення об’єму води, яка міститься в ґрунті, до загального об’єму зразка ґрунту.

Відносна вологість ґрунту обчислюється як відношення маси води, що міститься в ґрунті, до маси сухого ґрунту в тому ж об’ємі і виражається у відсотках

V = (2.1),

де V – вологість, % від маси сухої наважки ;

М_В і М_С – маса відповідно вологого та сухого ґрунту.

Між абсолютним вмістом води W (мм) у шарі ґрунту і вологістю ґрунту, вираженою у відносних одиницях V (%), існує залежність

W = 0,1V  d  h (2.2),

де W – загальна висота шару води, мм;

d – об’ємна маса ґрунту, г/см³;

h – товщина шару ґрунту, см.

Верхньою межею оптимальної вологості є найменша (НВ) вологомісткість – тобто найбільша кількість капілярнопідвішеної вологи, яка може утримуватись в ґрунті після поливу. Нижня межа оптимуму складає (0,6...0,7) НВ.

Для визначення строків поливу важливо точно визначити моменти переходу вологості ґрунту за вказаний діапазон.

Розрахунок кількості продуктивної вологи проводять за формулою

Для визначення величини поливної норми необхідно визначити запас води в розрахунковому шарі ґрунту. Запас води в ґрунті виражають в м³/га чи мм (шар води в 1мм на площі в 1 га дорівнює 10 м³):

W = 100 d h V, (2.3)

де W – запас вологи, м³/га;

h – розрахунковий шар грунту, м;

V – вологість ґрунту, % від маси чи об’єму ґрунту.

Розрахунок кількості продуктивної вологи в ґрунті проводять за такою формулою:

Wпр = 0,1 (V – K) d h, (2.4)

де Wпр – запас продуктивної вологи, мм;

h – товщина шару ґрунту, см;

d – об’ємна маса абсолютно сухого ґрунту, г/см³;

V – вологість ґрунту, %;

К – коефіцієнт в’янення, %.

Продуктивна волога кореневмісного шару грунту, товщиною в один і більше метрів визначається як сума запасів вологи 10 сантиметрових шарів ґрунту.

Для визначення об’ємної вологості існує багато методів. Найбільш поширеним і точним методом визначення вмісту вологи в ґрунті є термостатно-ваговий. Суть його полягає у визначенні маси зразка ґрунту, відібраного в алюмінієві бюкси, до і після висушування в сушильній шафі при температурі 100-105⁰С протягом 6-10 годин до постійної маси.

Зразок ґрунту непорушеної структури фіксованого об’єму відбирають методом ріжучого кільця або за допомогою бурів різних конструкцій. Відбір зразків для визначення вагової вологості можна проводити також за допомогою ножа чи лопати зі стінки ґрунтового розрізу (ями). Зразки відбирають з окремих горизонтів товщиною 10-20 см у 2-3-разовій повторності (в окремих свердловинах чи ямах).

Основним недоліком термостатно-вагового методу є його трудомісткість і довга тривалість. Ці недоліки можуть бути подолані при застосуванні тензіометричного методу, який є найсучаснішим методом визначення вологості ґрунтів. Нижче наведені принцип дії і порядок застосування тензіометрів для визначення вологості ґрунту.

Тензіометричний спосіб визначення вологості ґрунту базується на використанні тензіометрів – приладів, які визначають недостатність насичення вологою ґрунтового шару. Для дослідницьких цілей використовуються тензіометри, зібрані у блоки з ртутними диференціальними манометрами. Правила вимірювань такими тензіометрами регламентується Національним стандартом України ДСТУ ISO 11276-2001 “Якість ґрунту. Визначення тиску порової води.”(Метод з використанням тензіометра).

Тензіометр, зазвичай, складається з пористої чашки (керамічний стакан), з'єднувальної трубки та (або) імпульсної трубки, датчика тиску та механізму для видалення повітря, яке накопичується всередині тензіометра. Деталі конструкції залежать, насамперед, від призначення приладу (польові чи лабораторні вимірювання) та від типу датчика тиску, що використовується. Пориста чашка заповнюється водою, пори її стінки проникні для води, але достатньо вузькі, щоб крізь них не проходило повітря, коли стінка волога. При розміщенні тензіометра в ґрунті, вода зсередини чашки витікає крізь пористу стінку в ґрунт у випадку його не насиченості вологою. Або вода з ґрунту перетікає до тензіометра, поки тиск води з обох боків пористої стінки не вирівняється. При досягненні рівноваги, виміряний тиск води всередині тензіометра дорівнюватиме поровому тиску ґрунтової води в місці розташовування чашки.

Тензіометри можуть бути різних конструкцій і мати різні чутливі елементи Різновидом тензіометрів є іррометри, які виготовляються сьогодні багатьма закордонними виробниками в різних країнах, зокрема, в США і Ізраїлі.

На рис.1 зображено схему будови тензіометра, на рис.2 – наведено загальний вигляд тензіометра та принцип розміщення його в грунті

Рис. 1. Будова тензіометра Рис. 2. Робочий вигляд тензіометра

Тензіометр (рис.1) складається з таких елементів: 1- пориста чашка; 2 – імпульсна трубка; 3 – робоча камера; 4 – мембрана; 5 – пробка заливної горловини; 6 – шкала показань; 7 – шток приводу показуючого механізму.

Тензіометр, зображений на рис. 1 працює таким чином:

Керамічна чашка 1 та імпульсна трубка 2 повністю заповнюються водою і герметично закриваються пробкою 5. Після розміщення тензіометра, стінки його пористої чашки разом з ґрунтом утворюють спільну капілярну структуру. У випадку, якщо тиск порової води ґрунтового розчину вищий за тиск в пористій чашці, вода з ґрунту надходить до тензіометра. Тиск в робочій камері 3 підвищується і мембрана 4 переміщується праворуч, штовхаючи шток 7 та відображаючи на шкалі 6 показники тиску порової води.

При зменшені тиску порової води у ґрунті, тиск в камері 3 зменшується і мембрана 4 зі штоком 7 відхиляються ліворуч.

Тензіометр, наведений на рис.2 показує значення вакууму, що створюється в грунті в місці розташування пористого елементу. Такі тензіометри прості та зручні в користуванні. Вони широко використовуються на вітчизняних зрошувальних системах. Для визначення вологості грунту за показами таких тензіометрів необхідно користуватись таблицями або формулами для перерахунку показів вакууму в значення вологості грунту.

Завдання для виконання в лабораторії

Завдання 1: Визначити найменшу вологомісткість (НВ) піщано - глиняної суміші, яка міститься в лабораторному лотку.

Прилади та устаткування: Лоток з піщано-глиняною сумішшю, шпатель, крейда, цупкий папір, алюмінієві бюкси, лінійка, технохімічні ваги (ВЛТК – 500), мірний стакан ємністю 50 – 100 мл .

Порядок виконання

1. Відібрати 5 бюксів. Відібрані бюкси повинні бути чистими і сухими. Крейдою пронумерувати їх.

2. За допомогою лінійки з точністю до 0,1 см заміряти діаметр і глибину бюкса. Результати вимірів занести у таблицю 1.

3. Зважити бюкси на технохімічних вагах з точністю до 0.1 г. Результати зважування занести у таблицю 1.

4. Засипати в бюкси сухий грунт на 2/3 їх об’єму. Ґрунт відбирати з різних частин лотка.

5. Ущільнити грунт у бюксах легко постукуючи дном об стіл.

6. Виміряти лінійкою відстань від краю бюкса до поверхні сухого ґрунту. Результати вимірів занести у таблицю 1.

7. Зважити бюкси з сухим ґрунтом на технохімічних вагах з точністю до 0.1 г. Результати зважування занести у таблицю 1.

8. За допомогою мірної склянки налити до кожного бюксу 15 – 20 мл. води Поставити їх на стіл і дати можливість ґрунту всмоктати воду, зачекавши 2-3 хвилини.

9. Розглянути уважно стан ґрунту у кожному бюксі. При наявності води на поверхні ґрунту, її слід злити або ліквідувати за допомогою цупкого паперу.

10. У випадку відсутності води на поверхні ґрунту після його змочування, слід долити ще декілька мілілітрів води, поки на поверхні ґрунту не з’явиться видимий шар води, після чого виконати регламент робіт у відповідності з п. 8 і 9.

11. Зважити бюкси з мокрим ґрунтом на технохімічних вагах з точністю до 0.1г. Результати зважування занести до табл. 1.

12. Виміряти лінійкою відстань від краю бюкси до поверхні сухого ґрунту з точністю до 0,1 см. Результати вимірів занести до табл. 1.

Таблиця 1. Результати вимірювань вологості ґрунту

№ бюкси	Розмір бюкси, см		Вага бюкси, г.			Відстань від краю бюкси до ґрунту, см
	Діаметр	Глибина	Пустої	З сухим ґрунтом	З мокрим ґрунтом	З сухим ґрунтом	З мокрим ґрунтом
1	2	3	4	5	6	7	8
1
2
3
4
5

13. За результатами вимірювань проведіть розрахунки наступних характеристик ґрунту:

• щільності сухого;

• щільності мокрого;

• найменшої вологомісткості (НВ).

14. Накресліть розрахункову таблицю 2, до якої занесіть результати розрахунків характеристик ґрунту.

Таблиця 2. Результати розрахунків характеристик грунту

№ бюкси	Об’єм ґрунту, см3		Вага ґрунту, г		Щільність ґрунту, г/см3		Кількість вологи в грунті, г	(НВ) Найменша волого-місткість
	Сухого	Мокрого	Сухого	Мокрого	Сухого	Мокрого
1
2
3
4
5

15. Розрахунок об’єму ґрунту у бюксах проводиться за формулою:

V = *d²/4*( H ₁ – H ₂) (2.5),

де V - об’єму ґрунту у бюксах, см³;

*d²/4 – площа бюкси, см²;

H₁ – глибина бюкси,

H₂ – відстань від краю бюкси до поверхні ґрунту, см..

16. Щільність ґрунту (d) визначається за формулою (2.6):

d= m/V (2.6),

де m – маса ґрунту, г.; V – об’єм ґрунту, см³.

17. Визначити кількість вологи в ґрунті як різницю між вагою мокрого і сухого ґрунту.

18. Найменшу вологоємкість визначити як відношення ваги вологи, що міститься у ґрунті до ваги сухого ґрунту.

Завдання 2: Моделювання процесу висушування ґрунту та визначення залежності показників вакуумметра тензіометра від дефіциту вологи “ґрунту”

Прилади та устаткування: тензіометри (3 шт.), годинник, крейда, лінійка, олівець.

Порядок виконання

1. Ознайомитись з будовою тензіометра, особливостями його роботи та призначенням.

2. Дістати три тензіометри з ємності з водою. Крейдою пронумерувати їх.

3. Розмістити тензіометри горизонтально на робочому столі.

4. З інтервалом в 5 хвилин до таблиці 3 заносяться показники пронумерованих тензіометрів.

Таблиця 3. Результати вимірювання дефіциту вологи ґрунту за допомогою тензіометрів

Час, хв.	Показники тензіометрів, мПа
	№1	№2	№3	Середнє значення
5
10
...
40

5. За осередненими значеннями будують графік залежності показників тензіометрів від дефіциту капілярної (порової) вологи висушуваного “ґрунту”

6. Висновки за результатами досліду записують до робочого зошиту.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ВИКОНАННЯ

Задачі

1. Обчислити вологість ґрунту (у відсотках) за такими даними:

Умова	Остання цифра шифру залікової книжки
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Маса сухого ґрунту, г	85	74	120	95	108	78	65	92	80	96
Маса вологого ґрунту, г	95	87	145	105	127	99	80	110	104	112

2. Обчислити вміст води в ґрунті в мм і запаси продуктивної вологи за такими умовами:

Умова	Остання цифра шифру залікової книжки
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Mс, г	39,0	31,0	34,0	25,0	19,0	34,0	44,0	37,0	24,0	17,5
mводи, г	8,0	6,0	10,0	9,0	13,0	7,0	15,0	11,0	12,0	7,5
d, г/см3	1,2	0,9	1,4	1,1	1,3	1,0	1,3	1,2	1,1	1,4
К,%	10	6	5	11	7	9	3	12	5	8
h, см	10	15	20	100	40	50	19	20	40	25