uchebnik13

капиллярный осмос на моделях, условия которых очень мало

механизм передвижения воды впервые был установлен и экспе­

риментально обоснован Лебедевым. В дальнейшем теория пленоч­

ного передвижения разработана Дерягиным, Мельниковой и Нер­

пимым. В пленках, имеющих неодинаковую толщину, возникает градиент расклинивающего давления, причем его наблюдают только

в пленках толщиною меньше 10-5 СМ.

Скорость передвижения fIденочной воды в лабораториях

наблюдают в трубках, составленных из коротких отрезков

в 5-10 СМ. Различную влажность задают в пределе максималь­ ной гигроскопической и молекулярной влагоемкости. Методика измерения скорости передвижения пленочной воды не раз­

щеСТВ:lЯется в основном ПОД влиянием градиента упругости паров

иподчиняется закону Фика.

Впочве упругость паров уведичивается с увеличением влаго­

содержания от нуля до максимальной гигроскопической влаж­

ности. При более высоких влажностях, по данным Лебедева, от­

носительная влажность почвенного воздуха равна 100% ЮIИ

близка к этой величине. Упругость паров возрастает с увеличе­

нием температуры почвы. При неоднократной температуре в тол­

ще почвы температурный градиент создает градиент упруго­ сти паров, что обуслов.ТIИвает явление термодиффузии. Процессы

Бнутрипочвенного потока парообразной влаги, а также выхода

в атмосферу и поступление паров атмосферы в почву рассматри­ вают с точки зрения влияния их на влажность почвы. По Лебе­ деву, почва закрепляет парообразную воду молекулярной сорб­ цией и термической конденсацией. Молекулярной сорбцией на­

зывают процесс поглощения паров ВОДЫ поверхностными силами почвенных частиц; термическая конденсация - укрупнение ча­

стиц паров воды при понижении температуры, выпадение их

в виде росы с последующим поглощением ПОЧВОЙ.

В работе А. А. Роде (1952) показано, что при относительной

РО - абсолютная упругость водяного пара, насыщающего простран­

Ство при данной температуре, сорбция подчиняется уравнению

Кулона - Фрейндлиха:

где а -- количество п~ров воды, адсорбированное на единицу массы

231

где ао и К - постоянные, остальные обозначения те же, что и в

предыдущей формуле.

В лаборатории передвижение парообразной влаги и ее сорб-

_ цию Лебедев изучал в пробирках или трубках. Нужно брать

образцы различно увлажненной почвы, но не выше максималь­ ной гигроскопической. В пределах этого увлажнения более влаж­

ную почву помещают в пробирку или трубку, закрытую внизу пробкой. Поверх слоя почвы толщиной 5 СМ кладут в 2-3 слоя

парафинированную сетку, через которую свободно проходят

пары. Сетку засыпают слоеы более сухой почвы (5 C.I\t). Про­

бирку закрывают корковой пробкой и заливают парафином.

Пробку прокалывают иглой для выравнивания давлений. Смон­

тированные пробирки ставят в термостат с постоянной темпера­ турой и через 10 дней определяют влажность в нижнем и верх­

нем слое почвы. Увеличение влажности в верхнем слое обуслов­ лено диффузионным перемещением паров воды из нижележащего слоя и поглощением их почвой на изучаемой глубине.

Перёдвижение паров под влиянием термического градиента

можно проследить в трубке длиною 10-20 C.I\t при разных влаж­ ностях почвы. Один конец трубки охлаждают, другой нагревают,

при этом между прослойками в 5-10 C.I\t необходимы парафи­

нированные сетки, чтобы исключить перемещение жидкой воды

вдоль колонн.

Колясев (1953) производил наб.1юдения над перемещениеl\l парообразной влаги на монолитах. В монолит вмонтировали

электроды для измерения влажности почвы и термопары для из­

мерения температуры; приспособление для обогревания почвы снизу и охлаждения сверху давало возможность вести наблюде­

ния при заданном градиенте температуры.

В полевых условиях делают разрез с нишами в стенках на определенных глубинах. В ниши ставят открытые стаканчики

с почвой, разрез закрывают периодически, его открывают и ста­

канчики взвешивают. Привес относят за счет конденсационной или адсорбированной влаги. В лаборатории физики почв Л1ГУ конденсацию парообразной влаги изуча.1И в буровых скважинах, в которые вставлялась металлическая трубка из дюралюминия, с большим количеством окон для свободного прохождения воз­

духа. Внутри трубы были выступы, на которые устанав.1ивали алюминиевые стаканчики с почвой, диаметр которых 3-4 СМ,

232

\

ГЛАВА VII

ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОЧВ И ГРУНТОВ

Под водопроницаемостью почв и грунтов понимают способ­

ность их впитывать и пропускать через себя воду, поступающую

с поверхности. Процесс этот складывается из 1) поглощения во­ ды почвой, 2) прохождения ее от слоя к слою вненасыщенной почве и 3) фильтрации воды сквозь толщу почвы. Впитывание

воды почвой, еще не насыщенной до состояния влагоемкости,

впервой и второй фазах происходит под ВЛllянием сорбционных

именисковых сил, а также градиента напора. Под фильтрацией

понимают прохождение воды сквозь водонасыщенные слои

почвы, под влиянием градиента напора. Впитывание выражают

коэффициентом впитывания, фильтрацию почв - коэффициен­

том фильтрации.

В природных условиях разделить процесс водопроницаемости на отдельные фазы почти невозможно; когда поверхностные го­

ризонты, получившие воду в перву ю очередь, уже насытились

и начинают ее фильтровать, нижележащие горизонты начинают

только впитывать воду. Фильтрацию в чистом виде в природе

можно наблюдать в дне водоемов, рек, каналов, а также в слу­

чаях подачи воды на почву в больших количествах, когда про­ мачивают все слои почвы до грунтовой воды.

В агрономическоii практике чаще имеют дело с процеССО~1

впитывания, так как воду подают в небольшом количесТве.

Раздельное изучение процессов впитывания и Фильтрации

вполевых условиях можно проводить лизиметрическим методом,

влаборатории - на монолитах и образцах нарушенного сложе­

ния. Концом впитывания и началом фильтрации считают момент

появления первой капли фильтрата в нижней части фильтрующей

колонны.

Различные свойства отдельных горизонтов сильно изменяют

234

водопроницаемость почвы. Величина и характер ее в сильной

степени зависят от порозности почвы И грунта - от величины

и формы пор, что, в свою очередь, связано с механическим соста­

вом и структурой. В почвах и грунтах легкого механического

состава, песчаных и супесчаных, а также бесструктурных - она

зависит лишь от сложения механических элементов; в почвах

структурных водопроницаемость обусловлена размером агрега­

тов, их положением друг относительно друга н, главным обра­

зом, их водопрочностью.

Водопроницаемость зависит от влажности почвы, содержания обменного Na - СИ.1ЬНОГО диспергатора. Существенное значение

имеет наличие в почве трещин, крупных червоточин u: ходов зем­

лероев, что вызывает ВО1I.опронипаемость провального характера.

Наличие в почве капиллярных и некапиллярных пор обуслов­

ливает неоднородное движение воды ламинарного и турбулент­ ного характера. При ламинарном движении вода проходит через

почву равномерно, промачивая ее на одинаковую глубину. Лами­

нарное передвижение воды характерно для почв и грунтов го­

могенного сложения.

Турбулентная водопроницаемость объясняется неоднородным

сложением почв и грунтов, наличием некапиллярных промежут­

ков: трещин. ходов землероев и т. п. При турбулентной водопро­

ницаемости промачивание почвы происходит неоднородно, на

разную глубину, поливная вода в таких случаях расходуется не­

рационально.

Передвижение воды в почвах и грунтах сверху вниз обуслов­

лено разностью напоров, поэтому вода увеличивает скорость

движения с увеличением разности напоров и уменьшением длины

фильтрационного пути, так как с последним связано сопротив­

ление, испытываемое водой при движении. Зависимость скорости фильтрации от величины напора была выявлена Дарси в 1856 г., он же выразил ее математически формулой, получившей назва­

ние «закона» Дарси.

Дарси установил, что расход воды на фильтрацию в единицу

времени прямо пропорционален разности напоров на определяемой

длине колонны и площади поперечного сечения потока и обратно

пропорционален дпине пути фильтрации:

Н

Q -KS-

- L'

где Q- расход воды в единицу времени;

К - коэффициент фильтрации;

S - площадь поперечного сечения потока;

Н - разность гидростатических напоров верхнего и нижнего

концов колонны - потеря напора;

L - длина пути фильтрации.

Отношение потери напора Н к длине пути фильтрации L носит

название гидравлического градиента или пьезометрического уклона

11 выражается буквой 1.

235

н

/=т'

что показывает падение напора на единицу пути фильтрующего

слоя. С этой величиной формула принимает вид:

Из формулы (88) выводят коэффициент фильтрации или расход

воды на единицу площади в единицу времени на единицу уклона

при данной температуре:

При градиенте напора, равном единице, коэффициент филь­

трации имеет размерность скорости фильтрации.

Формула Дарси выведена на основании .'lабораторных иссле­

дований фильтрации воды в трубках с Однородным песком, по­

этому приложима к условиям ламинарного .J,вижения воды в од­

нородных песках при диаметре чаСТИIl от 0,5 до 2 .М.М, а также

кусловиям установившейся фильтрации (дно водоемов, каналов

ит. п.). Однако и в почвенной практике ее широко применяют Д.iJlI

вычисления коэффициентов впитывания и фильтрации.

Водопроницаемость почв в сильной степени зависит от темпе­

ратуры воды, так как с ее изменением изменяется вязкость воды,

с чем связана и подвижность. Принято водопроницаемость при­ водить к одной температуре, а в величину коэффициента фильтра­

ции вносят поправку на температуру, приводя ее к 10°С по фор­

муле Хазена:

где K10 - коэффициент фильтрации при температуре 10°С;

Kt - коэффициент фильтрации при данной температуре; 0,7 и 0,03 - эмпирические коэффициенты;

t - температура воды, используемой для определения

водопроницаемости.

Водопроницаемость чаще всего выражают в миллиметрах

водного столба за единицу времени. Это удобно потому, что

осадки и испарение выражают в миллиметрах. Водопроницае­ мость выражают также в сантиметрах, литрах или кубометрах

в единицу времени: секунды, минуты, часы, сутки.

Водопроницаемость - одно из важнейших водно-физических

свойств почвы. С нею связано использование атмосферных осад­ ков и поливной воды; при хорошей водопроницаемости осадки,

атакже поливная вода почти полностью проникают в почву,

создавая запасы влаги и, наоборот, при плохой водопроницае­

мости вода стекает по поверхности, вызывая эрозию. O.:LHaKo·

хорошая водопроницаемость может быть вредным явлением при

гидротехнических работах, например, при сооружении плотин,

дамб, каналов, тогда ее снижают до минимума.

236

Вот почему изучению водопроницаемости, ее величины, ха-

ктера и способов изменения уделяют большое внимание при

и следованиях почв и грунтов. Вследствие КОМП.lексного харак­

те а водопроницаемости, изучение ее в почвах естественного

ело ения, особенно в целях ирригации, нужно проводить с тща­

телы,lЫМ КОНТРО.lем.

В<J,д.опроницаемоС'(ь изменяется по ПРОфИJ1Ю почвы, поэтому

ее c.1J~yeT изучать для отдельных генетических горизонтов.

Особо I\ЭЖНО знать водопроницаемость тех горизонтов, KOTOPЫ€:

выходят , на поверхность на дне и стенках ирригационной сети

(KaHaJloB, дрен).

Для оценки водопроницаемости почвы в агрономических и ме­

лиоративных пе.1ЯХ употребляют шка.1У Н. А. Качинского:

{)ценка водопроницаемости почвы (по Н. д. l(ачиискому)

напор воды (Н) = 5 С-М при температуре IOсе

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ

Методы определения водопроницаемости почв и грунтов

можно подразделять на полевые и лабораторные. Водопроницае­ мость, в основном, следует изучать в природных условиях. Ла­ бораторные же исследования должны дополнять и углублять

полевые, но не заменять их.

Полевые методы

При выборе метода необходимо исходить из поставленной

пели, а также характера исследования (экспедиционный или

стационарный). Д.'lЯ полевых определений водопроницаемости

почв наиболее известны: 1) метод заливаемых площадей, 2) ме­

тод трубок, 3) лизиметрическиЙ.

Метод заливаемых площадей. К категории этих методов от­ носят: а) метод рам и б) метод полива опытных делянок.

М е т о Д рам. Рамы, имеющие различную величину и фор­ му (круглую, квадратную, прямоугольную), врезают в почву,

в них заливают воду и производят учет интенсивности впитыва-

237

/

ния ее в почву при постоянном или переменном напоре за опреде-/

ленные интервалы времени. Подача воды и поддержание опрl/­

деленного уровня ее осуществляют вручную (мерным сосудо,;)

или автоматически с использованием водорегулирующих приctrо­

соблений, основанных на принципе сосудов ~ариотта (прибор ТСХА, Князюка, Клычникова, Качинске>го и др.) ИаИ типа поп-

треб.'IЯЮТ металлические или деревянные квадратные рамы.

В каждом варианте определения необходимы две рамы: боль­

шая - внешняя, площадью 50 Х 50 СМ, и малая - внутренняя площадью 25Х25 СМ. Внутренняя рама-учетная; наружная -

защптная, ограничивающая растекание воды в почве из внутрен­

ней рамы.

Высота стенок каждой рамы - 20 СМ, в нижней части их за­ тачивают клином, чтобы легче можно было врезать квадрат

в почву. для металлических рам исполЬзуют ПО.10совое железо толщиной 2,5-3 М.М. Углы квадратов в верхней части скрепляют угольниками из того же материала, с наружной и внутренней стороны квадраты окрашивают масляной краской. У деревянных

квадратов нижнюю клинообразную часть их и верхний борт оби­

вают нержавеющей жестью Или оцинкованным жеJ1езом. Углы

деревянных квадратов снаружи тоже скрепляют угольниками из

полосового железа, а внутри промазывают замазкой. Чтобы

квадрат не впитывал воду, его нr.сколько раз окрашивают

масляной краской.

~ис. 74. Опреде:[ение водопроницаемости почвы методом квадратов

Установка квадратов (рис. 74). Определение водопроницае­

мости проводят с двойным или тройным контролем. Расстояние

между контрольными квадратами - 50 СМ. Квадраты устанав­

ливают на типичной площадке почвы, неда.'Iеко от основного

почвенного разреза. Необходимо, однш\О, учитывать, что разрез может играть роль дрены и близкое расположение к нему отри­

цате.'1ЬНО повлияет на результаты водопроницаемости.

П.'Iощадь, где должна быть определена водопроницаемость,

. нужно предохранять От утаптьшания и засорения.

Сначала устанавливают внешний, большой квадрат, затем

внутренний. Установку квадратов производят следующим обра-

238

ом. Квадрат ставят на определенную для него шющадку почвы, внутренней стороны ножом намечают его границы. По намечен­

н й границе прорезают узкую щель глубиной 8-10 С.М с расши­ ре ием ее кнаружи. В заготовленную щель вставляют квадрат кли ообразной его стороной и сначала вручную, а затем дере­

вян 1М МОЛОТКОМ плотно вгоняют его в щель на всю ее глубину. Уста~ВЮlВая металлические квадраты, кладут по диагонали

доску \1. по ней ударяют молотком, чтобы не деформировать

углов ~1;Iадрата и не разбить деревянного молотка о металл.

е внутр~ней стороны квадрата узкой полосой (1-2 с.М) почву

придавлиtшют к его стенке деревянной доской или РУКОЯТКО!I

ножа. е наружной стороны вокруг этого квадрата хорошо уТраМ­ бовывают почву. Внутренний квадрат при установке центри­ руют по внешнему. Так же сначала прорезается щель, в которую его плотно вгоняют, по внутренней и внешней стенкам квадрата

почву придавливают полосой в 1-2 с,м.

Jlчет водоnронuцае!.10сти. В каждом квадрате устанавливают

водомерную .1инеИку, по которой отмечают уровень воды для

поддержания постоянного напора ее на поверхности почвы.

В этом методе напор воды должен быть равен 5 С,м. Внутрь

квадратов помещают термометры для учета температуры воды.

Наполнение водой KOHTpOJIbHbIX квадратов производят пооче­

редно. Учетный и защитный квадраты заЛИвают однопременно.

Сначала воду подают ведрами, предварительно вымеренными,

и льют на фанерные вкладыши или травяные подушечки, пока

уровень ее не достигнет высоты пяти сантиметров в обоих квад­

ратах. С этого момента начинают учет воды, которую все время

подливают в квадраты уже мерными цилиндрами для поддержа­

ния постоянного уровня. Учет воды ведут по внутреннему квад­

рату, но и во внешнем квадрате воду поддерживают на постоян­

ном уровне (5 с.м). I Учет расхода воды ведут для следующих интервалов времени:

6 отсчетов для каждых 1О ,Мин; 4 отсчета для каждых пос.1едую­

щих 30 ,мин и далее для каждого последующего часа. Водопро­

ницаемость прослеживается на неорошаемых участках в продол­

жение 3-6 час, на орошаемых> 6. В каждый срок учета расхода

воды записывают ее температуру. При определении ВО,'1.0ПРОНИ­

наполненный водой. Каждый час и Б конце работы измеря'ют ко­

личество испарившейся воды в стакане и рассчитывают испаре­

ние в АМ! водного столба на единицу поверхности, что потом учи­

тывают при расчете водопроницаемости.

Перед началом определения водопроницаемости, рядом с пло­

щадкой, где устанавливают квадраты, нужно определить влаж­

ность почвы до глубины одного метра. Образцы на влажность

берут в сушильные стаканчики (алюминиевые) с тройным конт-

239

Образцы берут с помощью бура или из стенки открытого почвен­

ного разреза, причем в последнем случае стенку разреза зачи­

щают на глубину 1О CJ.t.

Результаты наблюдения водопроницаемости записывают в по­

левой журнал по следующей форме: дата работы, пункт, назва­

ние почвы и угодье, начало наблюдения, отдельными графами

дают интервалы времени, а в них вписывают КОJIИчество воды,

прошедшей через почву в срок наблюдения, температуру воды.

Водопроницаемость вычисляют для каждого интервала времени

наблюдений и выражают в мм водного столба в единицу времени

по формуле:

к _ Q.IO. t - S.T

Поправку на пьезометрический уклон в формулу не вводят, так н:ак для полевых условий, при промачивании почвы на боль­

шую глубину и при напоре водЫ на поверхности почвы 5 cJ.t, он

близок к единице и величину водопроницаемости практически не

изменит.

Полученный коэффициент водопроницаемости при данной температуре приводят к температуре 10°С по формуле Хазе­

на (90).

Из средних значений водопроницаемости в отдельный срок

наблюдений (минутных) рассчитывают среднюю водопроницае­

мость в мм/лtИН для часового срока наблюдения (определяют

среднюю водопроницаемость в минуту первого, второго и т. д.

часа) .

Водопроницаемость за час наблюдения пол} чают путем yNlHO-

жения средней водопроницаемости в .мм/лtИН на 60.

240