Форми води у ґрунті і відповідні енергетичні константи

Форми води в ґрунті та енергетичні константи ґрунтової вологи

Таблиця 5.1

Всі вказані константи з’явились в результаті теоретичних розробок і роздумів про форми води у ґрунті. Основою поділу ґрунтової вологи на окремі форми стали функціональні особливості тої чи іншої вологи у ґрунті. Однак ці роздуми дозволили обґрунтувати і ряд інших констант, які знайшли досить широке застосування у практичному ґрунтознавстві, меліорації, гідрології і інших галузях. Ці константи одержали назву ґрунтово-гідрологічних.

Сорбована волога – це вода, сорбована поверхнею ґрунтових часток у вигляді плівки, вона може сорбуватись як із пароподібного, так і рідкого стану. Адсорбованою називається тому, що концентрація води відбувається на поверхні ґрунтових часток. Фізичне зв’язування води твердою фазою ґрунту відбувається внаслідок дії молекулярних сил. Фізична суть адсорбції полягає у наявності на поверхні розділу твердої і рідкої фаз некомпенсованих міжмолекулярних сил, які мають електричну природу. Оскільки вода має високу діалектичну сталу (76-80) і нейтральну реакцію, її молекули легко і міцно зв’язуються, сорбуються великою поверхнею ґрунтових шпар та дисперсних часток, утворюючи плівки орієнтованих диполів води. Місткість фіксації сорбованих молекул води найбільша поблизу ґрунтових часток і поступово зменшується в міру віддалення від них. Відповідно зростає і рухомість води. Фізично зв’язана вода за міцністю зв’язку з твердими частинками ґрунту поділяється на міцнозв’язану (гігроскопічну) і неміцнозв’язану (плівкову).

Міцнозв’язана вода утворюється внаслідок сорбції водяної пари на поверхні твердих частинок ґрунту, коли вона безпосередньо приєднується до них у вигляді плівки із 2-3-ох орієнтованих шарів молекул води. Властивість ґрунту сорбувати пароподібну воду називають гігроскопічністю ґрунтів, а воду, поглинену таким способом, – гігроскопічною.

Гігроскопічна вода перебуває у ґрунті в близькому до твердого тіла стані, щільність її досягає 1,5-1,8 г/см³, замерзає при низькій температурі (від –4 (10)⁰С до –78⁰С). За фізичними властивостями гігроскопічна вода наближається до твердих тіл. Вона утримується навколо поверхні ґрунтових частинок з силою 10-20 тис. атм. (дуже міцно), не розчиняє електролітів, пересувається лише при переході у пароподібну форму і недоступна рослинам. Визначають гігроскопічну вологу в ґрунті, висушуючи його при температури 105⁰С.

Кількість гігроскопічної води у ґрунті залежить від ступеня насиченості повітря вологою (відносної вологості повітря) і його температури, дисперсності ґрунту, наявності у ньому органічної речовини і розчинних солей. Вміст гігроскопічної води значно підвищується у високогумусних, торфових та глинистих ґрунтах і зменшується в супіщаних та піщаних.

Найбільшу кількість води, яку може увібрати ґрунт з повітря, насиченого водяної парою близько 100 %, називають максимальною гігроскопічністю (МГ). Кількість цієї води для даного ґрунту є величиною сталою.

Максимальна гігроскопічність – одна з найважливіших ґрунтово-гідрологічних констант: піщані ґрунти – 0,5-1,3 %, легкосуглинкові – 1,5-3 %, важкосуглинкові – 5-8 %, глинисті – 10-12 %, торф’яні – 18-22 %.

Неміцнозв’язана вода (плівкова) сорбується тільки при зіткненні ґрунтових частинок з рідкою вологою. Ця вода утримується силами молекулярного притягування (сорбційними силами тиском 1-10 атм.) понад величину максимальної гігроскопічності та утворює багатошарову плівку слабо орієнтованих молекул води. Найбільша кількість неміцнозв’язаної води може в 2-4 рази перевищувати величину максимальної гігроскопічності. На відміну від міцнозв’язаної, неміцнозв’язана волога здатна до перетікання від однієї ґрунтової частинки до іншої, тобто від частинок з товстішими плівками до частинок з тоншими. Цей рух відбувається з дуже малою швидкістю і залежить від градієнта вологості.

Неміцнозв’язана вода видаляється з ґрунту центрифугуванням або пресуванням. Для рослин така вода доступна лише частково. Вміст її у ґрунті залежить від тих же факторів, що і вміст гігроскопічної. У середньому, для більшості ґрунтів її кількість складає 7-15 %, деколи в глинистих ґрунтах досягає 30-35 % і знижується у піщаних до 3-5 %.

Стан вологості ґрунту, за якого кількість плівкової води досягає найбільшого значення, називають максимальною молекулярною вологоємністю (ММВ). Вміст у ґрунті цієї води у два-чотири рази перевищує максимальну гігроскопічність.

Плівкова вода перебуває у в’язко-рідкому стані. Вона може рухатися в різних напрямках, від ділянок більшої вологості до меншої, але швидкість руху надто мала. Плівкова вода слабо розчиняє та пересуває солі і дуже обмежено доступна рослинам.

Вільна вода у ґрунті знаходиться у рідкому стані, не зв’язана сорбційними силами з ґрунтовими частками і рухається під дією капілярних та гравітаційних сил. У ґрунтах така вода знаходиться у капілярній і гравітаційній формах.

До капілярної відносять воду, яка заповнює ґрунтові капіляри різної величини і форми. У останніх сили капілярної взаємодії між водою і твердою фазою ґрунту більші за гравітаційні.

Капілярна вода заповнює лише найтонші капіляри між гранулометричними елементами та мікроагрегатами і рухається під впливом меніскових сил у різних напрямах. Висота (h) капілярного руху води визначається поверхневим натягом і радіусом капілярів. При збільшенні поверхневого натягу та зменшенні радіуса капілярів висота підняття води підвищується. Дана залежність описується формулою Жюрена:

h = 0,15 : R, де

h – висота капілярного руху; R – радіус капілярів.

Меніскові сили проявляються лише в шпарах з діаметром менше 8 мм, найактивніші шпари мають діаметр від 100 до 3 мкм. Шпари більше 8 мм заповнюються гравітаційною водою або повітрям, а менше 3 мкм – зв’язаною водою.

У ґрунтах капілярна вода може бути у трьох формах – підвішеній, підпертій та посадженій. Капілярно-підвішена вода заповнює шпари при зволоженні ґрунту зверху (після дощу, поливу). Вона може рухатись у всіх напрямках.

Капілярно-підперта вода утворюється у ґрунтах при піднятті води знизу від горизонту ґрунтових вод по капілярах на деяку висоту. Може підніматись від 0,5 до 6 м. Висота й швидкість капілярного підняття води залежать від діаметра шпар, а значить – від гранулометричного складу, структурності, будови профілю ґрунту. Так, висота для різних ґрунтів коливається в таких межах: піщані – 18-22 см, супіщані – 100-150 см, суглинкові – 150-300 см, глинисті – 600-1000 см, лес – 250-350 см, торф – 50-80 см.

Капілярно-посаджена вода утворюється у шаруватій ґрунтовій товщі дрібнозернистого шару при підстиланні його шаром грубозернистим, над границею зміни цих шарів.

Гравітаційна вода переміщується у ґрунті під дією гравітаційних сил, тобто під дією власної ваги, знаходиться поза впливом сорбційних і капілярних сил, рідка, має високу розчинну здатність, рухома, доступна рослинам. Ділиться на просочувану й підґрунтову (підземну).

Просочувана вода – це вільна гравітаційна вода, яка рухається крізь товщу ґрунту під впливом сил гравітації. Таке явище відбувається після рясних дощів, танення снігу або після поливу. Ця вода знаходиться у рідкому стані, доступна рослинам, рухається по грубих шпарах і тріщинах, має високу рухомість, розчиняє і переміщує солі, колоїдні органічні та мінеральні частини, тонкі суспензії.

Коли гравітаційна вода досягає водотривкого шару ґрунту, вона перетворюється на підґрунтову воду. У даному стані всі шпари і проміжки у ґрунті заповнені водою (крім шпар, що містять защемлене повітря). Підґрунтові води можуть бути застійними, або стікаючими в напрямку похилу водотривкого шару. Вони доступні рослинам, але якщо коріння довий час перебуває у їх товщі, то рослини терплять від нестачі оксигену та поживних речовин, частково або повністю відмирають.

Присутність значної кількості вільної гравітаційної води у ґрунті – небажане явище, що викликає тимчасове або постійне перезволоження ґрунту, створюючи в ньому анаеробні умови і сприяючи розвитку процесів оглеєння.