5.2. Виды воды в порах грунтов и механизм ее движения

Вода в природе - в почве, грунтах, воздух знаходлзіцца в разных агрегатных состояниях и мои специфичные особенности механизмо движения. От этого зависит характер и інтенсіўнасць всех природных процессов, в которых принимает участие вода. Исследованием разных видов воды в почве и грунтах, механизмо его перемещения занимались мнногія ученые. Хорошо конечно, например, работа в этой области А.Ф.Лебедзева "Перемещение воды в грунтах и почве", которая впервые была издана в 1919 хватит. Дальнейшыя ученые работы были продолжениям ее и развіваліяго идеи.

Вода в почвах и грунтах может находиться в нескольких агрегатных состояниях: химическо связанная, кристаллизованная, парообразная, гигроскопическая, пленачная, капиллярная, свободная (гравитационная).

Химическо связанная вода входить в состав молекулы вещества в виде гідраксільнай группы, как это наблюдается, например, в минералах, Fe2O3 + 3H2O ? 2Fe(OH)3. При выделении химическо связанной воды путям пракальвання при высоких температурах мнералы разрушаются.

Кристаллизованная вода является састаўной часчткай многочисленных минералов, например, гипсо (CaSO4 * 2H2O). Такая вода выделяется из горной пародышляхам награванняда 100-200о С, химическим путям ли.

Эти два виды воды по Н.А.Качынскаму не прыймаюць участие в природных процессах, она нездольна самостоятельно перемещаться в природе. Наибольшая значимость имеют виды воды, которые двигаются в порах грунтов под влиянием той или второй силы, нескольких сил ли.

Парообразная вода знаходзіццаў воздухе, заполняет поры и вторые пустоты между частичками грунта. Парообразная вода перемещается в грунтах главным образом под воздействием разницы упругости водяной пары, которая зависит от влажности и температуры почвы. При обмене водяной парой между воздухом атмосферы (Рпав.) и поверхностью почвы (Ргл.) пара двигается вниз при Рпав. более Ргл., этим влажность воздуха внутри почвы увеличивается, а при Рпав.из. меньше Рна.см., влажность уменьшается. Таким образом, почва высыхает (Рпав.из. - упругость водяной пары на поверхности земли, Рна.см., - упругость водяной пары на некоторой глубине почвы).

Гигроскопическая вода вода представляет собой сильно связанную воду, которая удерживается силами на поверхности частичек почвы в виде ізаліраваных малекуальбо пленки воды толщиной в одну-две молекулы. Эта вода адсарбіравана частичками почвы из воздухе. При относительной влажности воздуха в порах близкой к насыщению влажность пород достигает максимальной гигроскопичности. Способность грунта поглощать (сарбіраваць) и удерживать на поверхности частичек и стенок пор некоторое количество гигроскопической воды называется гигроскопичностью. Глинистые породы обладают высокой гигроскопичностью, потому что общая поверхность всех частичек чрезвычайно большая. И напротив, пески, гравий, в каких поверхность значительно меньшая, обладают меньшей гигроскопичностью.

Гигроскопическая вода двигается от одних слоев во вторые путям перехода ее в парообразное состояние. Она может быть отделена от породы только нагреванием к температуре 105-110о С к постоянной величине веса грунта.

Плёначная вода абвалоквае частички пород свыше максимальной гигроскопической воды и она меньше связана из минеральными частичками и относиться к категории рыхла связанной. Она двигается под влиянием сил тяжести и молекулярного прыцяжэння. При малых запасах влаги в грунтах проявляются и сарбцыонныя силы.

Под влиянием сил тяжести плёначная вода стекает вертикально вниз. Под влиянием сил малеклярнага прыцяжэння она двигается от места из большей толщиной пленки к месц из меньшей и необязательно совпадает из направлением деятельности сил тяжести. В зависимости от толщины пленки степень влияния сил тяжести и сил молекулярного прыцяжэння на движение плёначнай влаги изменяется. При памяньшэнні толщины пленки в границах близких к гигроскопической влаге, перемещение воды осуществляется в целом под деятельностью молекулярного сцаплення. При возрастании толщины пленки увеличивается роль сил тяжести и на границе перехода плёначнай воды в капиллярную силы тяжести перавагаюць.

Капиллярная вода относиться к категории свободной влаги, которая заполняет сравнительно мелкие поры и капилляры. Капиллярная вода штрымліваецца в грунтах под влиянием капиллярных или меніскавых сил от мест большего увлажнения к месц меньшего увлажнения. Силы тяжести воды в виде гидростатического давления мало влияют на движение капиллярной воды. Частично силы тяжести супрацідзейнічаюць капиллярной подъемке воды вверх, однако способствуют перемещению вниз и по уклона.

Отличают подпертую и подвешенную капиллярную воду. В первом случае капилляры в нижней своей части сталкиваются из подземной водой. Во втором - капілчрная вода знаходзіцц в подвешенном состоянии и отделена от ваданоснагагарызонту. Вода поддерживается в капиллярах силами менисков. Этот процесс происходит на довольно длительном отрезке времени, при этом значительного движения воды вниз не наблюдается. Нижние слои грунтов имеют мало влаги, чем те, в которых знахолзіцца подвешенная вода. Такие з'вы часто наблюдаются на юга СНГ.

Свободная гравитационная вода заполняет промежутки в грунтах. Она может удерживаться силами прыцяжэння к стенкам, а под воздействием силы тяжести легко и свободно стекает па напрмку уклоно. Ее движение происходит в капельна-струйном виде. В насыщенных водой породах свободная вода фильтруется в направления падения уровня подземных вод. Гравитационная вода сообщает гидростатический напор и под его воздействием водо может подыматься вверх, как эти мы наблюдаем в узаемназлучаных сосудах.

Движение подземных вод в зависимости от размеров пустотаў, по какому они перемещаются, может быть ламінарным и турбулентным. Ламінарны движение наблюдается при фильтрации подземных вод в мелкозернистых грунтах, турбулентный - при движении воды в более крупных щелях и пустотах.

При ламінарным движения частички воды перемещаются по параллельному траекториям в одном и том же направления. При таком движении ее скорость (v) пропорционально падению напорет на единицу расстояния, гидравлическому уклону ли (i):

V = k, i

где k - коэффициент фильтрации грунтов, который представляет скорость движения воды в грунте при гидравлическом уклоне равным единице. Зависимость скорости движения воды грунтовых вод от уклона называется законом Дарсі. Количество воды (Q) она фильтруется через некоторое поперечное сечение грунта (F), равняется достояния площади этого сечения на скорость:

Q = v F, ли v = k i F,

где k - каэфіціент фильтрации; i = h1 - h2 /l = h/l - гидравлический уклон; h- величина напора; l - отрезок, на котором происходит фильтрация воды; F - поперечное сечение, через которой происходит фільтацыя воды в грунте.

При соответствующих условиях гидравлический уклон (i) и поперечное сечение можно принять равным единице, то получим:

v = k,

а то есть коэффициент фільтацыі представляет собой расход патоку воды через толщу грунта, сечение и уклон какого равный 1. Этот показатель является одной из основных характарыстык вадапранікальнасці грунтов, который не зависит величины гидростатического напора и измеряется в м/с.

Условия прымянення закона прямолинейной фильтрации впервые были исследованный М.М.Паўлоўскім. Он вывёў уравнение, которое устанаўляе "критичную" скорость фильтрации, повыше какой закон Дарсі нарушается, а движение воды прыймае характер завихрений. Ламінарны движение воды становится турбулентным. Критичная скорость фильтрации обратно пропорционально диаметру частичек, которые складывают грунт.

При турбулентном движении частички воды двигаются хаотично, вдоль и поперак общего направления цячэння. В этом случае скорость (v) можно выразить в виде формулы Шэзі:

V= С ?RI,

где R - гидравлический радиус, отношения площади ли поперечного сечения к смоченному периметру; I - гидравлический уклон; С - коэффициент, который зависит от шероховатости и няроўнасцей стенок ловкости (русло), по которому двигается вода. В свою очередь смоченный периметр ест длина линии, по какой площадь сечения смачивается водным течением.

Каэфіцент С не является постоянной величиной. Она зависит от глубины и шероховатости русла. Для речных водотоков существует несколько формул для его расчета. Наиболее часто употребляется формула Маніна:

C = 1/n R1/6

И формула Н.Н.Паўлоўскага

C = 1/n Ry,

где n - коэффициент шероховатости, который определяется по специальным таблицам М.Ф.Срыбнага. Показатель в формуле НН.Паўлоўскага определяется зависимостью:

y = 2,5?n + 0,13 - 0,75?R (?n - 0,1).

Из формулы Шэзі можно заключить, что скорость течения возрастает из павялічэннем гидравлического радиусо или средней глубины. Это происходит тому, что из павялічэннем глубины снижается влияние шероховатости дна на скорость. Павялічэнне гидравлического радиусо приводить к павялічэнню показателе С. Из формулы Шэзі вытекает также, что скорость течения увеличивается из павялічэннем уклона. Но это павялічэнне при турбулентном движении значительно меньшей, чем при ламінарным.

Вода в почве в твердом состоянии и горрных породах присутствует в составе мерзлых почв, либо в виде ископаемого, пещерного льда.

Внутриклеточная вода удерживается в клетках растений, которые понасцю не разложились.

Вода в почве и горных породах прсутнічае в разных формах и станет и зависит от степени увлажнения слоев земной коры. Значительная часть воды находиться в связанном состоянии и не участвует в кругавароце и не прыймае участие в питании рек, озер и болот, в природных процессах. Некоторые ее виды частичный используются растениями.