Вологість ґрунту і способи її вираження
Вологість ґрунту. Форми води і ґрунтово-гідрологічні константи. Потенціал вологи в ґрунті
Лекція 5
5.1. Вологість ґрунту і способи її вираження.
5.2. Форми води в ґрунті та енергетичні константи ґрунтової вологи.
5.3. Ґрунтово-гідрологічні константи.
5.4. Поняття про капілярно-сорбційний тиск вологи в ґрунті. Повний тиск вологи в ґрунті.
5.5. Потенціал вологи в ґрунті та його складові.
Вологість у ґрунтознавстві визначається як кількість води, яка міститься в одиниці маси абсолютно сухого ґрунту. Важливо відмітити особливість традиційного ґрунтознавчого підходу, за яким розрахунок вологості проводиться саме на абсолютно суху наважку. Тому, якщо зустрічаються значення вологості більше 100 % (при відсотковому вираженні частки води до маси абсолютно сухого ґрунту), це означає, що мова йде про оторфовані ґрунти, торфи, лісові підстилки, степовий волок і т. п., коли маса абсолютно сухої речовини значно менша, ніж маса вологи, яка міститься у цій речовині. Звичайні мінеральні ґрунти мають, як правило, діапазон зміни вологості від часток до 50 % до маси.
Існують три способи представлення даних про вологу в ґрунті:
1. відношення маси води до маси абсолютно сухого ґрунту, тобто до маси твердої фази, – вагова (масова) вологість ([г/г] і, якщо помножити на 100, то у [%]):
[г/г або % до маси], 
, де
mw – маса води;
ms – маса твердої фази;
mвл – маса вологого ґрунту;
mсух – маса сухого ґрунту (дорівнює ms);
W – вагова (масова) вологість ґрунту (г/г або % до маси при множенні на 100).
2. відношення маси (чи об’єму) води до об’єму ґрунту (Vt) – об’ємна вологість (θ, см3/см3):
Об’ємна і вагова вологості взаємопов’язані через щільність будови ґрунту (
):
3. важлива форма вираження вологи – у вигляді запасів вологи (ЗВ) у конкретному шарі ґрунту:
[см водного шару], де
h – потужність шару, см;
– щільність будови ґрунту, г/см3;
W – вологість масова, %.
Це балансова форма представлення даних за вологістю. Використовується вона в основному для характеристики запасів вологи, балансових розрахунків, для вираження всіх складових водного балансу в одних одиницях.
За допомогою вказаних трьох способів вираження вологості ґрунту завжди можна розрахувати кількість води у ґрунті, прихідні та витратні частини водного балансу ґрунту. Але для оцінки стану вологи, її рухомості, доступності для рослин цього недостатньо. Існує образне висловлювання: “Вода у ґрунті – це зовсім не те саме, що вода у відрі”.
Вода у ґрунті представлена різними формами, які характеризуються перш за все різним ступенем зв’язку води з твердою фазою ґрунту. Це одна із спеціальних гіпотез у фізиці ґрунту – вчення про форми води у ґрунті, яке формувалось в основному в рамках російської фізики ґрунту. Такі відомі російські фізики ґрунту, як О. А. Роде, С. І. Долгов, Н. А. Качинський неодноразово у спеціальних експериментах доводили, що вода у ґрунті при різному її вмісті (вологості) далеко не рівнозначна за своїми властивостями. Більше того, одна і та ж вологість у різних ґрунтах може бути абсолютно різною за рухомістю, за доступністю для рослин.
Наприклад, відомо, що вологість ґрунту становить 15 % до маси ґрунту. З піщаного зразка з такою вологістю вода може вільно витікати і буде доступна рослинам, але на важкосуглинковому чи глинистому ґрунті при такій вологості рослини вже не зможуть рости – вони будуть засихати. Виходить, що абсолютна величина вологості без супровідних знань про інші фундаментальні властивості ґрунту дає обмежену інформацію. У зв’язку з цим було розвинуто вчення про форми води як про різні стани води в ґрунті, які відрізняються за швидкістю її переміщення у ґрунті, можливістю споживання рослинами і іншими функціональними характеристиками ґрунтової вологи.
Якщо розмістити всі значення вологи, які зустрічаються у будь-якому ґрунті, на деякій осі від абсолютно сухого ґрунту до максимально високої вологості, коли весь шпаровий простір ґрунту заповнений водою, то можна виділити такі форми води:
міцнозв’язану вологу;
нерухому вологу;
зв’язану (слаборухому, плівкову, неміцнозв’язану) вологу у вигляді тонких плівок на поверхні ґрунтових часток;
рухому вологу, що знаходиться в основному в капілярах;
вільну вологу, яка рухається під дією сили тяжіння.
Ці якісні визначення характеризують різні форми води у ґрунті за ступенем її зв’язку з твердою фазою (рис. 5.1).
абсолютно збільшення вологості всі шпари заповнені
сухий ґрунт водою (водомісткість)
зменшення ступеня зв’язку води з твердою фазою ґрунту
міцнозв’язана нерухома слаборухома рухома вільна
Рис 5.1. Схема розподілу води у ґрунті за ступенем зв’язку з твердою фазою
Такий розгляд форм води зумовило фізиків ґрунту розглядати межі (границі), де відбувається перетворення одної форми в іншу. Якщо така межа існує, значить ми маємо справу із специфічною вологістю, яка характеризує перехід з одної форми води в іншу. Цю вологість прийнято було називати вологоємністю, підкреслюючи тим самим, що ґрунтова ємність у вигляді частини шпарового простору заповнена водою з близькими властивостями. Саме такі граничні вологості або вологоємності було запропоновано називати енергетичними константами, вважаючи, що при кожній величині вологоємності волога утримується силами визначеної природи і енергії та характеризується визначеною формою свого існування. Тоді, знаючи такого роду енергетичні константи, можна визначати ступінь зв’язку вологи з ґрунтом, характеризувати її доступність для рослин, оцінювати багато процесів переносу води і речовин у ґрунті.
Згодом до цих теоретичних енергетичних констант були наближені і ґрунтово-гідрологічні константи – деякі вологості у ґрунті на осі вологості, які використовуються як реперні точки для різного роду розрахунків і якісних представлень.
Вологість масова, вагова – кількість води, яка припадає на одиницю маси сухого ґрунту.
Вологість об’ємна – кількість води, яка припадає на одиницю об’єму абсолютно сухого ґрунту.
Вологоємність – максимальна кількість води, яка утримується в ґрунті силами визначеної природи. Вологоємність – вологість, яка відповідає максимальній кількості тої чи іншої форми води в ґрунті. Ці енергетичні константи вказують на стан (рухомість, доступність, ступінь зв’язку з твердою фазою) вологи в ґрунті.
Ґрунтово-гідрологічна константа – характерна вологість ґрунту, яка визначається за її станом або за станом об’єктів, що контактують з ґрунтом, і використовується у практичних ґрунтово-фізичних, гідрологічних, меліоративних розрахунках. Вона може бути рівною або відрізнятись за значенням від вологоємності.