Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Бабиков Б. В. Гидротехнические мелиорации (2002)

.pdf
Скачиваний:
426
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
6.31 Mб
Скачать

Глава 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 ) =y t '-h,y2'= y 2'-h, ...., Уп= Уп' - h. Величину

Уо' делят последовательно на вычисленные Уо ) ... , Уп Для полу­ ченных частных определяют логарифмы и величины этих логариф-

мов делят на время в секундах между измерениямиуо иуtоиу2... ....

У

о

и У,

вычисляя условные тангенсы:

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

':lg Уо

 

 

Уо

 

 

 

 

 

 

 

1g -

 

 

 

 

tgal =

У)

 

 

Уз

и т.Д., (77)

 

 

 

tga2=

tgаз

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tl

 

 

 

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