Бабиков Б. В. Гидротехнические мелиорации (2002)
.pdfГлава 4 почвЕнныIE И ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ
Вода в почвогрунтах может находиться в твердом, жидком и па
рообразном состоянии. Основы классификации видов воды в по чве были предложены А.Ф.Лебедевым [13}. Почвенная влага де тально изучена А.А.Роде [26}. Существенным качеством почвы и почвогрунта является пористость (порозность), характеризующая суммарный объем всех пор в единице объема грунта:
(73)
где (J - порозность; V\ - объем всех пор в единице грунта; V2 - об щий объем единицы грунта.
Размер пор колеблется от долей микрона до 2-5 см. Величина пористости выражается в процентах от общего объема почвы и может варьировать от 30-35 % в глинах до 90-98 % в крупнозернис тых песках и торфах. Почвенная вода заполняет поры почвы, нахо дясь в них в парообразном или жидком состоянии.
4.1. Виды воды в почве
Влага в почве подразделяется на парообразную, связную и сво бодную.
Пар о о б раз н а я в л а г а заполняет свободные пустоты
(поры) грунта в форме пара, передвигаясь из областей с повышенной упругостью в места с более низкой.
С в я з н а я влага подразделяется на гигроскопическую и пле
ночную. Гигроскопическая влага накапливается в почве за счет сор
бционных сил почвенных частиц и удерживается молекулярными
силами. Содержание гигроскопической влаги зависит от количества
парообразной влаги в воздухе. Высший предел гигроскопической влаги, сорбированной почвой, соответствует м а к с и м а л ь н о й
г и г р о с к оп .. ч н о с т и . Пленочная вода, удерживаемая мо
лекулярными с:илами почвенных частиц и воды, может увеличи
ваться до м а к'с и м а л ь н О й м о л е к у л я р н о й в л а г о - е м к о с т и . Передвижение такой воды возможно только путем
перетекания от частиц почвы с толстыми пленками влаги к части-
60
цам с тонкими пленками. Перемещение влаги идет очень медленно
без участия силы тяжести.
С в о б о д н а я влага удерживается в почве за счет сорбцион
ных сил и капиллярных свойств почв или грунтов. Она подразделяется
на стыковую, капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую.
Максимальное содержание капиллярно-подвешенной влаги в почве
соответствует п о л е в о й в л а г о е м к о с т и (наименьшей вла
гоемкости). Под полевой влагоемкостыо понимают способность по
чвы удерживать в капиллярах максимально возможное количество
воды без стекания вниз. Передвижение воды в таком состоянии воз
можно только при увеличении увлажнения, проявляясь путем увели
чения слоя промачивания. Свободной фильтрации воды нет. Макси
мально возможное содержание воды в почвогрунтах, когда про
исходит полное заполнение всех пор влагой, определяет понятие п о л н а я в л а г о е м к о с т ь . Вода, заполняющая поры почвы
и передвигающаяся под влиянием сил тяжести, называется гравита
ционной. При полном насыщении водой почвогрунтов, когда запол
нены все поры, движение воды происходит вследствие гидро
динамического давления. Гравитационную воду часто называют грун
товой водой. Движение грунтовой (или гравитационной) воды в по ристой среде называется Ф и л ь т р а Ц и ей, измеряемой
скоростью и количеством расхода воды, протекающей в единицу вре
мени через единицу площади, выделенную в пористой среде. За
кономерности движения жидкости в пористой среде установлены в
середине прошлого века французским инженером Дарси.
4.2. Закон Дарен
в пористой среде, каковой является почва, фильтрующаяся вода
вследствие вязкости испытывает большое сопротивление. Движе
ние воды может происходить только при наличии определенного
уклона, изменяющегося в зависимости от водно-физических свойств
почв и, прежде всего, пористости грунта.
Рассмотрим такой опыт. Соединим два цилиндра трубкой. Труб ку длиной, (рис. 22) заполним песком, удерживая его от размыва
на концах трубки сеткой. Затем заполним водой левое колено. При
поступлении фильтрующейся воды из левого в правое колено она
образует напор h], меньший напора hI В левом колене.
61
-- r=-- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
---1 |
|
|
~. |
|
|
> - - L |
|||
f--- |
|
|
|
|
|||||
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
~ |
..,. |
|
t-- |
. '... .~ .. |
·, .., |
.. - |
||||||
|
|
- |
|
||||||
|
1: |
. ..,.,...,, |
.., ... |
-<::: |
|||||
r--- |
|
|
|
. |
|
. |
|
- |
|
|
|
. . ... |
. |
· |
|
|
1- |
||
|
|
|
· |
'1 |
|||||
|
|
|
1 |
|
" |
|
|
I
Рис, 22. Схема опыта по проверке заКОIIa Дарен
Гидравлический уклон i принимается равным отношению раз
ности напоров /11 - h 1 = Н К длине пути фильтрации /. |
Скорость |
фильтрации можно определить по формуле |
|
v = к hl - h2 = К Н . |
(74) |
1 1
Для многих грунтов (песка, глины, торфяных почв и т.д.), где
происходит ламинарное движение воды, скорость фильтрации очень
мала и гидравлический уклон равен пьезометрическому. На
блюдается линейная зависимость скорости фильтрации от пьезомет
рического уклона:
V=Ki , |
(75) |
где К - коэффициент пропорциональности, называемый коэффици ентом фильтрации; он равен скорости фильтрации при уклоне, рав
ном единице.
Равенство (75), установленное в 1856 г. французским гидротех
ником Дарси, называется законом Дарси.
В гидравлике величину i, определяющую уменьшение полной
энергии потока на единицу длины, называют г и Д р а в л и ч е с -
к и м у к л о н о м , или г р а Д и е н т о м |
н а пор а , оп |
ределяя ее как о_ношение потерь напора .1 h = 111 |
- h] к пути .1/. В |
грунтах и поч~х, где вода содержится в молекулярно связаннOI'Л
состоянии, явление фильтрации возникает лишь тогда, когда вели
чина градиента напора превышает некоторое значение i(J' называ
емое начальным градиентом. В этом случае
V = R (i - iJ |
(76) |
А2
Для очень плотных глин i() = 20-30.
В порах крупнозернистых грунтов (гравий, галька, щебень и др.)
скорость фильтрации может быть очень большой и не зависеть от
пористости; в таком случае вода движется как в открытом потоке и
ее движение не подчиняется закону Дарси, что является верхней границей применения уравнения Дарси.
К грунтовой следует относить гравитационную воду, движение
которой в почве подчиняется закону Дарси независимо от глубины
залегания в почве или грунте. Существующие в почвоведении по
нятия «верховодка», «почвенная вода», «грунтовая вода» - суть
разновидности грунтовой воды.
4.3. Методы определения коэффициента фильтрации
Для определения скорости фильтрации грунтовых вод, как видно из
уравнения (75), необходимо знать коэффициент фильтрации и пьезо
метрический или гидравлический уклон грунтового потока. Существуют
лабораторные и полевые методы определения коэффициента фильтра ции. В лабораторных условиях коэффициент фильтрации для песков можно определять по механическому составу грунта, дnя торфов ис
пользуют монолиты, взятые с ненарушенным строением грунта [10].
В практике гидромелиоративных исследований и изысканий для определения коэффициентов фильтрации воды применяют полевые методы. Наибольшее распространение получили метод восстанов
ления воды в скважине после откачки, применяемый в условиях
высокого стояния грунтовых вод, и метод инфильтрации при низ
ких уровнях грунтовых вод (способ Болдырева).
Метод восстановления воды в скважине после откачки сводится
к следующему. На выбраНl-lOt\.'l участке тарелочным буром диаметром
10-20 см делают скважины на глубину слоя грунта, для которого необ
ходимо определить коэффициент фильтрации. Количество скважин
зависит от целей и степени точности исследований. Скважины следv... - ет устраивать при высоком стоянии грунтовых вод. Если есть необхоДимость раздельного определения коэффициентов фильтрации на раз
ных глубинах и изучения их изменения в зависимости от глубины, то
следует определять коэффициенты весной при высоком положении
грунтовых вод и леТОI\I, когда грунтовые воды несколько понизятся.
63
После устройства скважины и прекращения подъема уровня воды в ней (т.е. когда уровень займет положение, характеризующее уро вень грунтовых вод) начинают измерения. Измеряют следующие
величины (рис. 23): глубину стояния воды от поверхности h, глу бину скважины Т, глубину воды в скважине Н, диаметр скважины d. Затем воду из скважины вычерпывают металлической банкой на длинной ручке. Диаметр банки должен быть на 3-4 см меньше диа
метра скважины.
|
|
|
|
-с:::: |
|
|
.... t-) |
|
|
|
|
'.... ~ r-- |
|
|
|
'.... |
~ |
|
|
|
|
-- |
|
|
|
~ |
1 |
- |
|
с;) |
- |
|
~ |
|
|
|
|
f -- - ~ - f---
::::...-=
~ -
~-
tf
Рис. 23. Изменение подъема ВОДЫ в скважине
После откачки воды тотчас же измеряют расстояние у.? и отме
чают время замера. Измеренные уровни и время записывают в спе
циальную ведомость. Пока уровень не займет первоначальное (до откачки) положение, производят не менее шести-семи замеров. За писи ведут в специальных бланках (прил. 4).
Из полученных величин Yo',y t', •••• Уп' вычитают глубину грун-
товых вод h:yo=Yo'-h ,У) =y t '-h,y2'= y 2'-h, ...., Уп= Уп' - h. Величину
Уо' делят последовательно на вычисленные Уо ,У) ... , Уп • Для полу ченных частных определяют логарифмы и величины этих логариф-
мов делят на время в секундах между измерениямиуо иуt;уоиу2... ....
У |
о |
и У, |
вычисляя условные тангенсы: |
|
|
|
|
|
|
n |
|
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
':lg Уо |
|
|
Уо |
|
|
|
|
|
|
|
1g - |
|
|
|
|
|
tgal = |
У) |
|
|
Уз |
и т.Д., (77) |
|
|
|
tga2= |
tgаз |
= |
|||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
tl |
|
|
tз |
|
затем находят средний тангенс.
64
Среднее значение тангенса можно определить графически (рис. 24), если точки на графике располагаются примерно по пря моЙ линии. Для построения графика по оси ординат откладывают значения логарифмов, вычисленные по отношению, приведенному
в числителе формулы (77), по оси абсцисс - время в секундах для
каждого измерения величины у, прошедшее с момента откачки.
l;v{jOл
о.JГ-~--~--~--~-I~
о.~~~~=t~~~~~Л~
f) -----J.._-.L._-L._--'-'-~_J
J/J/J 0Il/J 91J1J /11J1J /5/l/l
8peMR. с
Рис. 24. Определение тангенса при paC<leTe коэффициентов фильтрации
Для вычисления коэффициента фильтрации имеется несколько
формул. Чаще пользуются формулой Доната-Писарькова:
".2 |
|
|
К = 32,6 - tgag , |
(78) |
|
Н |
|
|
где К - коэффициент фильтрации, см/с; |
r - радиус скважин, C]\'t; Н |
|
- глубина воды в скважине (Н = Т - /1); |
tga. - условный тангенс |
|
(средний). |
|
|
Откачку и измерения по каждой скважине повторяют дважды.
По полученным данным вычисляют средний коэффициент фильт
рации.
М е т о Д и н Ф и л ь Т р а Ц и и (способ Болдырева) применя
Ют в условиях глубокого залегания грунтовых вод.
На выбранном месте устраивают скважину диаметром не менее
0,2 м. Вместо скважины можно устроить шурф размером 0,2 х 0,2 М.
При определении фильтрации в глубоких горизонтах сначала нуж
но выполнить почвенный разрез на необходимую глубину, а на дне
65
устроить шурф или скважину для измерения коэффициента филь
трации. На дно скважины насыпают слой мелкого гравия (около 2 см) и устанавливают колышек высотой 5-1 О см. В скважину на
ливают воду, слой которой должен несколько превышать размер
колышка. Вода фильтруется через дно скважины и стенки до вы
соты колышка. Как только уровень воды снизится до верха ко
лышка, в скважину доливают 0,5 или 1,0 л воды. Время долива
воды записывают в специальные ведомости. Поскольку исследо
вания ведутся на участках с низким уровнем грунтовых вод, где
обычно почва сухая, то одновременно с фильтрацией идет впиты
вание воды почвой. В этот период уровень воды в скважине пони
жается быстро. При насыщении почвы водой расход ее снижает
ся. Исследования продолжаются до тех пор, пока фильтрацион ный расход не стабилизируется. Коэффициент фильтрации вычис ляют по формуле
K=Q/F, |
(79) |
где К - коэффициент фильтрации, см/с; Q- установившийся рас
ход воды, см3/с; F - площадь поверхности скважины, через кото
рую идет фильтрация воды, см2 • Средний коэффициент фильтрации для значительного участка
осушенных земель можно определить на основе формулы Роте по
модулям стока:
L=2Н~1 ' (80)
где L - расстояние между каналами, м; Н- величина напора, м (гл. 5); q - модуль стока л/с с 1 га.
• |
[см/с] |
(81 ) |
Некоторое представление о коэффициентах фильтрации грун тов (см/с) дают следующие данные:
66
песок чистый .................................. ....... ..... |
...................... ... 1'0-0'01 |
супесь .................... ......................................................... |
0,005-0,003 |
глина .............................. .. ....................................... |
0'0005-0'000005 |
торф осоковый слаборазложившийся ......................... |
0'006-0'002 |
торф среднеразложившийся ..... ............................... |
0'0008-0'0002 |
торф сфагновый слабо разложившийся ................... |
0'008-0'0002 |
торф сфагновый хорошо разложившийся .. .............. |
0'002-0'0001 |
Коэффициент фильтрации не является постоянным. На мине ральных грунтах он уменьшается с глубиной в несколько десятков
раз, оказываясь высоким в верхних органогенных горизонтах. На
торфяных почвах фильтрация зависит от степени увлажнения. На осушенных землях при одинаковой степени разложения торфа с глубиной коэффициент фильтрации изменяется I\ШЛО. Осушение, вызывая осадку, уплотнение и разложение торфа, уменьшает коэф фициент фильтрации. При использовании осушенных земель под сельскохозяйственные культуры увеличивается коэффициент филь трации в пахотном горизонте. Отмечается увеличение коэффици ентов фильтрации в корнеобитаемой зоне и при выращивании
высокопродуктивных древостоев на осушенных землях, поскольку
здесь формируется слой лесной подстилки из опада растений и
вследствие рыхлящей деятельности корней растений.
Контрольные вопросы. 1. Что такое гравитационная вода в почве? Ее влия
ние на почву и растение. 2. Что такое фильтрация, что ее опре/lеляет? 3. В че1\1
сущносТl> закона Дарси? 4. Что такое коэффициент фильтрации? 5. Как опреде
лить коэффициент фильтрации при ВЫСОКО1\I и НИЗКО1\1 (глуБОКО~I) стоянии грун
товых вод? 6. Изменяется ли ВО..10ПРОНИllаемость грунта IIOCJle осушения и осво
ения болот?
Раздел 11
ОСУШЕНИЕ ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ
Глава 5
ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ФОНД
5.1. Требования растений к водно-воздушному режиму почв
Известно, что растения на 70-85 % состоят из воды. Степень насы
щенности водой тканей растений имеет важное значение ДJlЯ их жизне
деятельности. Почти все физиологические процессы в растениях проте кают при наличии воды, поэтому обеспеченность растений водой явля ется обязareльным условием ДJlЯ нормального обмена веществ. Вода вхо дигвсостав протоплазмы,участвуетв фотосинтезе, служитрастворителем
для минеральных солей газов, ПОС1Упающих в растения и перемещаю
щихся в них. Проникающая через корни путем десукции вода в основ
ном испаряется в процессе тр'анспирации, небольшое ее количество ис пользуется при обмене веществ, обеспечивая развитие и рост растений. Важность воды очевидна, однако нормальная жизнедеятельность расте ний возможна только при соблюдении правильного соотношения между
подачей воды корнями в процессе десукции и расходованием ее надзем
ными частями в процессе транспирации. это условие выполнимо при оптимальной увлажненности почвы. Исследования показывают, что нор
мальная увлажненность наблюдается тогда, когда примерно 2/3 почвен ных пор занято водой, а 1/3 заполнена воздухом. Такое состояние воз
никает при увлажненности на уровне полевой влаroемкости.
Содержание воздуха в почве можно определить по формуле:
(82)
•
где V - количество воздуха, % от объема почвы; Р - порозность по-
чвы, % от ее объема; а. - объемная масса почвы; r - весовая влаж
ность, % к массе сухой почвы.
При малом содержании воздуха ухудшается аэрация, в почве
возрастает концентрация С02 и уменьшается содержание 02' что
68
приводит К нарушению аэробного дыхания и появлению гликоли
за. Продукты гликолиза ингибируют рост корней.
Аэрация почвы оценивается диффузией газов, являющейся основным фактором аэрации. Иногда ошибочно аэрацией называют содержание
воздуха в почве. Диффузия зависит от объема пор, свободных от воды.
Поэтому содержание воздуха в почве является показШ'елем аэрации, но
не ее синонимом. для обеспечения нормальной аэрации необходимо
устранить избыток влаги в целях освобождения необходимого количе
ства пор отводы. По исследованиям Н.П.Поясова[22}, диффузия в тем
но-каштановых почвах по мере уменьшения порозности почвы умень
шалась и практически прекращалась, когда содержание воздуха в по
чве снижалось до 12% общей порозности. В условиях переувлажнения
почв значительную часть времени летом и постоянно весной и осенью
почва почти полностью лишена воздуха. Высоким концентрациям СО2
способствует и интенсивная минерализация органического вещества в
верхних слоях почвы выше уровней грунтовых вод.
Отрицательное влияние избытка влаги на растения проявляется
не только в уменьшении содержания воздуха в почве и ухудшении
аэрации, но и непосредственно в виде подтопления корневых сис
тем. Наши исследования показали, что грунтовые воды торфяных
почв почти постоянно полностью лишены кислорода.
Содержание кислорода в грунтовых водах болот, мг/л
На глубине. см: |
Май |
ИЮНЬ |
ИЮЛЬ |
10 |
07 |
06 |
О |
25 |
О 1 |
02 |
О |
50 |
О |
О |
О |
Роль кислорода, растворенного в воде, показана в работах А.Я. Ор
лова [19}, которыми доказано, что при подтоплении водами с содержа нием кислорода менее 1-2 мг/л на протяже~ии более 4-5 дней происхо
дит отмирание корней. В переувлажненных почвах ухудшается режим
питания. По данным А.В. Хотяновича{34}, ассимиляция азота корнями при недостаточной аэрации резко снижается. В условиях избытка влаги
и плохой аэрации отмечалось замеДТlенное ПОСl)'пление фосфора. При недостаточной аэрации происходят изменения и в самой почве - накап
ливаются соединения закисного железа и сульфидов, токсичных ДI1я
растений, акгивизируются процессы глееобразования. При больших
69