5.2.2. Виды воды в порах грунта

Вода в порах грунта подвержена влиянию различных физических сил и находится в различном состоянии.

Основные силы, действующие на воду в порах грунта,— это силы молекулярного взаимодействия (между разными молекулами воды, между молекулами воды и частицами грунта); капиллярные силы, обусловленные поверхностным натяжением воды; силы тяжести и гидростатического давления; сосущая сила корневой системы растений (десукция), обусловленная осмотическим процессом.

В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная (гравитационная), вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса CaS0₄  2Н₂0, мирабилита Na₂S0₄  10H₂O, медного купороса CuS0₄  5H₂0. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300—400 °С.

Физически связанная вода удерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90—120 °С. Этот вид воды подразделяют на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную).

Рис. 5.1. Различные виды воды на частицах грунта (по А.Ф. Лебедеву):

а — гигроскопическая вода при неполной (1) и максимальной (2) гигроскопичности; б— пленочная вода, движущаяся от частицы с более толстой (3) к частице с более тонкой (4) пленкой; в — свободная (гравитационная) вода

Гигроскопическая вода (рис. 5.1, а) образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами. Свойство грунта удерживать гигроскопическую воду называют гигроскопичностью. Различают неполную гигроскопичность, когда влага не образует вокруг частиц грунта сплошного слоя, и максимальную гигроскопичность. В первом случае толщина слоя составляет 1—3 молекулы, во втором — 10—20 молекул.

Пленочная вода (рис. 5.1, б) образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой: от мест, где толщина пленки больше, к местам, где ее толщина меньше.

Физически связанная вода (за исключением некоторого количества пленочной воды), как и химически связанная, в круговороте воды в природе практически участия не принимает, и поэтому в состав подземных вод, которые изучает гидрология, не включается.

Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил. Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части почвенного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связанную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны («капиллярной каймы») над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной толще грунта.

Капиллярная вода играет важную роль в насыщении почв водами, режиме грунтовых вод и питании растений. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, поэтому она участвует в круговороте воды в природе и ее следует включать в состав подземных вод, изучаемых гидрологией.

Свободная, или гравитационная, вода (рис. 5.1, в) — наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления. Объем свободной (гравитационной) воды в насыщенном водой грунте зависит от его скважности, гранулометрического состава, количества и размера пор.

В грунтах с крупными порами (галька, гравий, песок) свободная (гравитационная) вода — главный вид подземных вод (разумеется, при наличии источника их поступления и при условии насыщения грунта). В глинах, несмотря на большую пористость вследствие малого размера пор, свободной (гравитационной) воды мало, здесь преобладает капиллярная и связанная вода.

Вода в твердом состоянии (лед) находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда. В районах сезонного промерзания грунта эта вода периодически участвует в круговороте воды.

Вода в парообразном состоянии (водяной пар) заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах. Водяной пар в грунтах обладает большой подвижностью и перемещается от мест с большей к местам с меньшей упругостью (меньшим давлением). Парообразная вода в грунтах активно участвует в круговороте воды в природе.