Поднять воду по капиллярам почвы

Вопрос 12. Водоподъемная способность — это свойство почвы поднимать воду по капиллярам снизу вверх.

Водоподъемная способность зависит от тех же факторов, которые обуславливают передвижение капиллярной воды, но направление потока воды в данном случае только снизу вверх. Скорость и высота подъема воды (и почвенного раствора) зависят от гранулометрического состава, строения почвы, залегания грунтовых вод, от влажности и температуры почвы, а также от концентрации почвенного раствора, наличия растительности и состояния атмосферы. Чем мельче почвенные частицы (глинистые почвы), тем выше водоподъемная способность. Уплотнение почвы вызывает увеличение высоты поднятия влаги, рыхление и оструктуривание уменьшают, а часто и приостанавливают подъем капиллярной воды. Поэтому рыхление одного лишь поверхностного слоя почвы способствует снижению водоподъемной способности. В целях сбережения почвенной влаги очень важно своевременно провести рыхление почвы, особенно в засушливых районах, где промедление с ранневесенним боронованием на 1-2 дня может привести к потере воды, накопленной за осенне-зимне- весенний период.

Водоподъемная способность повышается также с увеличением влажности почвы, поэтому близкое к поверхности стояние грунтовых вод усиливает этот процесс. Повышение температуры почвы усиливает подъем воды, так как при этом вода становится менее вязкой и более подвижной. Увеличение в почве количества легкорастворимых солей, повышающих плотность воды и вызывающих снижение поверхностного натяжения, уменьшает водоподъемную способность почвы.

На подъем воды в почве оказывает влияние растительность: всасывая растворы, корни растений способствуют подъему воды из нижних горизонтов в верхние. Косвенно на водоподъемную способность почвы оказывает влияние состояние атмосферы (относительная влажность, температура и ветер). Снижение относительной влажности, повышение температуры и наличие ветра, вызывающие иссушение верхнего слоя почвы, способствуют подъему воды из нижних горизонтов.

Высота капиллярного подъема определяется по формуле Жюрена:

где Н – высота поднятия воды, мм;

2А – константа капиллярности воды,

( А – коэффициент поверхностного натяжения),

r – радиус капилляра, мм;

g – ускорение силы тяжести, м/сек;

d – плотность воды при данной температуре г/ см 3 .

Из формулы вытекает, что вода по капиллярам поднимается тем выше, чем меньше диаметр капилляра и ниже плотность воды.

Однако почва не представляет собой идеальную капиллярную систему, а скорее всего сложнейшую мозаику пор, различных по форме и размерам, часто замкнутых.

Поэтому формула Жюрена для определения величины капиллярного поднятия воды в почве может иметь лишь относительное значение.

Высота подъема воды зависит, прежде всего от гранулометрического состава почвы, возрастая с уменьшением размера почвенных частиц. Например, в капиллярах, сложенных из коллоидных частиц, вода может подняться на десятки метров. Однако практически сверх 10 метров вода в почвах подняться не может в связи с действием атмосферного давления.

В природе редко встречаются почвы, сложенные из одинаковых по величине гранулометрических элементов; наряду с илом, в них всегда содержится то или иное количество песка, пыли, а также органические вещества. Поэтому высота капиллярного подъема воды в природных почвах обусловливается количественным содержанием частиц разной крупности, т.е. гранулометрическим составом почвы в целом.

Большое влияние на высоту подъема воды в иловатых почвах оказывает трение воды о стенки капилляров. Дело в том, что вместе с уменьшением размеров частиц, и следовательно диаметра капилляра, возрастает отношение поверхности частиц к их объему, а вместе с тем растет и трение воды о стенки капилляра. При этом сила трения в известных случаях может преодолевать действие менисковых сил и поднятия воды может не происходить.

Так как высота подъема воды в почве зависит от величины капиллярных промежутков, то, очевидно, большее или меньшее уплотнение почвы должно отразиться и на капиллярности. С уплотнением почвы высота капиллярного подъема возрастает, но до известного предела. При очень сильном уплотнении подъем воды уменьшается за счет трения о стенки капилляров.

Следующим фактором, оказывающим большое влияние на капиллярность, является размер агрегатов. Влияние этого фактора настолько велико, что он может парализовать значение всех остальных.

В лабораторных опытах Вольни получены следующие данные высоты капиллярного поднятия в почвах различного структурного состава (таблица 5).

Т а б л и ц а 5. Высота капиллярного поднятия воды в почвах различного

По данным таблицы 8 можно сделать вывод о том, что по мере укрупнения комочков водоподъемная способность почвы падает, наоборот, максимальная высота подъема воды наблюдается в распыленных почвах. Примешивание распыленной почвы к комковатой (9-6мм), что часто наблюдается при обработке сухой почвы, резко повышает водоподъемную способность, а следовательно, и потерю воды из почвы.

На высоту капиллярного подъема в почвах оказывает также влияние, хотя и менее значительное, концентрация почвенного раствора. Известно, что с внесением удобрений концентрация почвенного раствора повышается, в силу этого движение воды в почве замедляется. Это объясняется тем, что с увеличением содержания солей, увеличивается плотность почвенной воды и возрастают в связи с этим силы, противодействующие давлению менисковых сил.

До сих пор мы рассматривали только высоту поднятия капиллярной воды, но кроме высоты не меньше практическое значение имеет и скорость поднятия воды в почве.

Скорость и высота поднятия капиллярной воды взаимосвязаны. В песчаных почвах высота поднятия небольшая, а скорость движения наибольшая. Из этого можно сделать вывод о том, что чем больше высота поднятия воды, тем меньше скорость движения.

На высоту подъема и скорость движения капиллярной воды оказывает влияние наличие в почвах прослоек разного гранулометрического состава, например, в суглинках часто встречаются песчаные прослойки, а в песчаных – глинистые.

Известно, что вода может свободно передвигаться только из крупных капилляров в тонкие. Если в суглинистой почве на некоторой глубине имеется прослойка песка, то при поступлении снизу грунтовой воды последняя, дойдя до прослойки песка, выше не поднимается, и увлажнения горизонтов, лежащих над песчаной прослойкой, происходить не будет. Аналогичное явление наблюдается в песчаной почве с глинистыми прослойками. Капиллярная вода, находящаяся в таких прослойках, в верхние горизонты песчаной почвы поступать не будет. Как в первом, так и во втором случаях прослойки песка и глины изолируют верхние горизонты почвы от влаги нижних горизонтов.

Капиллярное движение воды зависит от влажности почвы. Передвижение капиллярной воды из влажной почвы в сухую происходит лишь в том случае, если во влажной почве количество воды превышает 60% ее наименьшей влагоемкости.

Этот факт имеет не только научное, но и практическое значение. Из него можно заключить, что поступление воды по капиллярам в верхние иссушающиеся слои почвы. Это значит, что как бы благоприятны условия для передвижения воды по капиллярам вверх и как бы сильно не происходило испарение с поверхности почвы, если влажность почвы, снизится до 60% ее наименьшей влагоемкости, капиллярное поднятие воды прекращается. Следовательно, скорость движения воды по капиллярам тем больше, чем выше влажность почвы. Такие условия создаются весной или после дождя, а также после полива. В это время особенно важно предотвратить потерю капиллярной воды обработкой почвы.

Повышение температуры также способствует ускорению движения воды, хотя высота поднятия при этом уменьшается. Капиллярная вода передвигается в почве не только снизу вверх, но и в любом другом направлении в зависимости от градиента влажности: от влажных участков почвы к более сухим.

Вопрос 14. Испарение – потеря воды почвой. Суммарная величина испарения состоит из:

1. Физического испарения (из почвы)
2. Транспирации (испарение растениями)

Испарение зависит от температуры воздуха, влажности, атмосферного давления, гран. состава, химического состава ,рельефа, наличия растительности.

Коэффициент транспирации – количество воды, затраченное на образование одного грамма сухого вещества.

Физическое испарение на почве, занятой растительностью, составляет 1/3 часть, а 2-3 приходится на транспирацию, но транспирация изменяется за вегетацию. Начиная со всхода, по мере нарастания листовой поверхности она возрастает а потом, достигнув максимума, ослабевает.

Водоотдача – способность почвы отдавать гравитационную воду путем стекания. Максимальная величина водоотдачи равна разности между полной влагоемкостью и предельно-полевой:

Водоотдача зависит от уровня грунтовых вод и возрастает по мере их понижения. Это используется при проектировании оросительных и осушительных мероприятий.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные водные свойства почвы.

2. Что понимают под влагоемкостью? Назовите ее виды.

3. Когда в природных условиях почва может содержать количество влаги, соответствующее капиллярной и полной влагоемкости?

4. Какие почвы имеют большую капиллярную и полную влагоемкость: песчаные или глинистые, малогумусные или многогумусные, структурные или бесструктурные? Почему?

5. В каких почвах высота подъема влаги выше: песчаных или глинистых.

6. От чего зависит водопроницаемость почвы?

7. В каких единицах измеряется влагоемкость почвы?

Источник

Капиллярное поднятие

Капиллярное поднятие Капиллярное поднятие – поднятие воды, содержащейся в грунте, по пустотам капиллярного размера под действием сил её поверхностного натяжения. Поднятие воды в капиллярах происходит за счёт энергии взаимодействия молекул воды с молекулами поверхности, разделяющей воду и частицы грунта, в результате поверхностного натяжения воды. В капиллярах между частицами поверхность воды приобретает вид вогнутых менисков, а сила поверхностного натяжения направлена по касательным к вогнутым поверхностям менисков. Под влиянием суммы вертикальных составляющих этих сил вода по капиллярам поднимается на высоту капиллярного поднятия. Его высота увеличивается с ростом поверхностного натяжения, уменьшением радиуса пор, плотности поровой жидкости и с увеличением угла смачивания и капиллярного давления.

Высота капиллярного поднятия

Величина высоты капиллярного поднятия определяется зависимостью h_c=2 σcosθ /rρ_wg= P_кап/ρ_wg, где σ – поверхностное натяжение жидкости; θ – угол смачивания; r – радиус капилляра; ρ_w – плотность воды; g – ускорение свободного падения.

В грунтах высота капиллярного поднятия зависит от их минерального и химического составов, структурно-текстурных особенностей, состава и свойств поровой жидкости. Влияние химико-минерального состава проявляется через угол смачивания, который зависит от смачиваемости минерала жидкостью. У гидрофильных минералов θ→0, у гидрофобных θ→90 0 . Гидрофильные плёнки на поверхности частиц увеличивают величину капиллярного поднятия, гидрофобные снижают её. Влияние структурно-текстурных особенностей грунтов проявляется через их дисперсность, увеличиваясь с её ростом.

Высота капиллярного поднятия в однородных несвязных грунтах (по А. Аттенбергу)

Источник

Просачивание и капиллярный подъем воды в песках

А. Газен делал опыты над скоростью вертикального просачивания воды через различные пески. Он экспериментировал как с песка­ми природными, представляющими естественные смесп разнородных зерен, так и с фракциями определенного диаметра, полученными отсеиванием и отмучиванием из естественных смесей. Газен пришел к заключению, что всякую естественную песчаную породу, состоящую из разно­образных зерен, можно заменить породой искусственной, состоящей из зерен одного определенного диаметра, причем скорость просачивания в этой последней будет такая же, как к в естественной породе. Если мы естественную породу разобьем на фракции при помощи сит и отметим диаметр того сита, которое задержало на себе 90% песчинок и про­пустило 10 %. то через песок из зерен такого диаметра вода будет просачиваться так, как через всю природную смесь. Диаметр зерен, соответствующий диаметру сит, пропускающих только 10 % породы, Газен назвал действую­щим (эффективным — d_ef ) диаметром. Оказалось, что для расчетов значение действующего диаметра имеет огромное значение. Если пропускать воду через два сорта песка, из которых у одного действующий диаметр равен 0,1 мм, а у другого 0,2 мм, то скорость движения воды во втором случае будет в 4 раза большей, чем в первом; другими словами, скорости просачивапия относятся как квадраты действующих величин.

• Капиллярность. Многочисленные наблюдения показывают, что скорость и высота капиллярного поднятия находятся в зависимости от состава грунта -ц почвы, ее структуры, петрографического состава, содержания солей и, наконец, от влажности и температуры, причем выясне­ны в общем следующие закономерные соотношения. Скорость капиллярного поднятия воды в грубозерни­стых породах больше, чем в мелкозернистых, но высота поднятия тем значительнее, чем мельче частица породы; поднятие воды идет тем медленнее, чем выше она подня­лась, и такое замедление в поднятии происходит тем ско­рее, чем грубее зерно породы.
• При диаметре зерен 2—2,5 мм капиллярное поднятие воды почти незаметно и даже совершенно отсутствует.
• При комковатой структуре почвы, в особенности рыхлой, скорость и высота поднятия понижаются по срав­нению с порошковатой почвой, и тем сильнее, чем крупнее комки; при плотном залегании комочков не происходит существенной разницы в окончательной высоте поднятия воды.
• Высота подъема воды увеличивается по мере уплотне­ния почвы. Высота капиллярного поднятия определяется по формуле:

где R — радиус капилляра; А — капиллярная постоян­ная жидкости, равная высоте подъема ее в смачивающейся трубке радиусом в 1 мм; р — плотность жидкости; g — ускорение силы тяжести.

Для воды А = 15,4 при 0° С. Поры определенной величины (вероятно, 0,005—0,1 мм) проводят воду скорее всего; при более узких капиллярных порах вследствие усиления трения и прилипания, а также при более широких порах вследствие уменьшения поверхност­ного натяжения капиллярное поднятие воды замедляется.

• Из составных частей почв и пород скорее всего подни­мает воду кварцевая пыль, затем гумус и, наконец, глина; зато присутствие гумуса и особенно тонких глинистых частиц значительно повышает высоту капиллярного подня­тия.
• Присутствие растворимых солей в почве замедляет поднятие воды; оно сильнее в том случае, если соли не поглощаются почвой (например, поваренная соль).
• Камни, находящиеся в породе или почве, замедляют капиллярное поднятие.
• При чередовании различных по механическому соста­ву горизонтов капиллярное поднятие идет гораздо быстрее из слоя крупнозернистого в мелкозернистый, чем в обрат­ном направлении. При расположении крупнозернистых слоев на мелкозернистых вода по капиллярам в первых будет подниматься только в том случае, если в мелкозерни­стой породе капиллярная вода поднимается выше контакта мелкозернистых слоев с крупнозернистыми; если же эти слои будут находиться выше, то вода в них не пойдет.
• На капиллярное поднятие воды в породе влияют также влажность и температура последней; так, поднятие воды по капиллярам из влажной породы в сухую может иметь место лишь в том случае, если влажность первой породы выше 50% ее полного насыщения. По мере увеличе­ния степени влажности породы вода поднимается быстрее. Даже небольшие дожди, смачивая сухую почву, повышают, по-видимому, быстроту поднятия воды, способствуя таким образом усиленному притоку ее снизу вверх. Верно ли последнее предположение, пока еще не проверено, но дей­ствительно нередко приходится наблюдать как бы оживле­ние растительности после незначительных дождей.

Из изложенного выше видно, что величины, найден­ные для капиллярного поднятия влаги в воздушно-сухой породе (как это обыкновенно практикуется в лаборатории), не применимы к полевым условиям, так как в последнем случае вода движется в более или менее увлажненной среде.

При повышении температуры породы скорость капил­лярного поднятия воды несколько возрастает, но оконча­тельная высота поднятия уменьшается. Это явление нахо­дится в зависимости от уменьшения удельной вязкости воды при повышении ее температуры.

Набор трубок для изучения капил­лярного поднятия воды

Глубина, с которой может подниматься вода, различна для разных грунтов, но в общем не превышает, по Ротми­строву, 1 м глубины. Атмосферные осадки, просочившиеся глубже этого предела, называемого Ротмистровым «крити­ческим горизонтом», уже не могут подняться вверх капил­лярным путем.

Найденная Ротмистровым величина, очевидно, относит­ся только к условиям одесского опытного поля, где работал этот исследователь. По данным других исследователей, капиллярная вода может подняться, хотя и очень медлен­но, до 2—3 м (в лессах) или не достигнуть высоты 1 м (например, в песке). Предел поднятия воды в наиболее мелкозернистых грунтах, по лабораторным исследованиям, лежит на высоте около 2 м. В естественных условиях, по наблюдениям Измаильского и Высоцкого, можно допустить, что в плотных мелкозернистых грунтах вода капиллярно может подняться (хотя и очень медленно) до высоты около б м.

В начале поднятия вода движется в почве (черноземе) со скоростью около 1—2 см/мин; высоты в 50 см вода достигает за 2—3 дня и движется па этой высоте со скоро­стью около 1 мм/ч; чтобы подняться воде до высоты 1 м, требуется уже 2—3 месяца при скорости движения в пос­леднее время менее 0,5 см/сут; наконец, для достижения высоты 2 м необходимо около года, причем скорость движе­ния воды на этой высоте менее 1 мм/сут. По скорости поднятия воды на различные высоты можно приблизитель­но определить количества воды, доставляемые почвами на ту или иную высоту, считая при этом, что для смачива­ния известного объема почвы (чем выше, тем меньше) требуется, по данным некоторых авторов, от 25 до 15% воды по объему.

Водные свойства глин и глинистых пород существенно отличаются от свойств песков. Уже при рассмотрении капиллярных свойств грунтов мы видели, насколько они разнятся в песках и глинах. Также отличны и другие свойства этих двух групп пород. Гидрогеологи и теорети­чески и практически занимаются преимущественно порода­ми группы песков. Гидродинамические явления в послед­них изучены уже довольно хорошо. Что же касается глини­стых грунтов, то гидрогеологическая практика в отноше­нии их крайне ограничена. В настоящее время водные свойства этих грунтов изучаются почти исключительно грунтоведами и почвоведами, у которых гидрогеологи и черпают свои сведения

Источник