8 месяцев назад
Нету коментариев

Выше капиллярной каймы (рис. 24) располагается зо­на III почвенно-грунтовой толщи, содержащая в себе влагу, которую принято называть подвешенной, по­тому что она как бы висит в почве. Ее содержание в ука­занном слое не изменяется при повышении или понижении уровня грунтовых или почвенно-грунтовых вод. Это ука­зывает на то, что она гидравлически с капиллярной вла­гой не связана. Если поверхность почвы сверху будет за­щищена от испарения, то такая подвешенная влага мо­жет сохраняться в почве, по-видимому, неограниченно долгое время.

Каким же образом эта влага удерживается в почве и не стекает вниз?

Отвечая на этот вопрос, мы должны прежде всего под­черкнуть тот факт, что в зависимости от механического и агрегатного состава почвы или грунта и их сложения механизм удержания подвешенной влаги может быть различным.

 

1. Подвешенная влага в однородных почвенно-грунтовых толщах

Рассмотрим сначала тот случай, когда почвенно-грунтовая толща является однородной по механическому составу, т. е. не слоистой.

В почвах и грунтах песчаного, а также более грубого механического состава и поэтому обычно бесструктурных подвешенная вода удерживается в форме стыковой вла­ги (рис. 13) — скоплений воды, имеющих форму пример­но двояковогнутых линз, образующихся в точках стыка почвенных частиц друг с другом (рис. 25). Характерной чертой та­кого способа удержания подвешенной влаги яв­ляется тот факт, что эти стыковые скопления воды одно с другим гидравлически не свя­заны и, следовательно, друг с другом не сопри­касаются. Если бы они соприкасались, то вся эта влага легко стек­ла бы вниз. Отсутствие соприкосновения между стыковыми скоплениями влаги не исключает того, что остальная часть поверхности поч­венных частиц покрыта пленкой связанной во­ды, которая, однако, не может передавать гидравлическое давление. Стыковые скопления представляют собой скопления свободной вла­ги, удерживаемые капиллярными силами.

Стыковая влага

Стыковая влага

Совершенно иным является удержание подвешенной влаги в почвах и грунтах тяжелого глинистого механиче­ского состава. В этом случае просвет почвенных пор на­столько мал, что они целиком заполняются связанной во­дой. При этом связанной является вся или почти вся под­вешенная вода и вся она удерживается сорбционными силами.

Схематически этот случай изображен на рис. 26. С третьим случаем мы сталкиваемся в почвах и грун­тах суглинистого механического состава, обладающих хорошо развитой микроструктурой. В таких почвах и грун­тах внутренний просвет расширенных участков пор на­столько велик, что они не могут быть целиком заполнены связанной водой. Но зато узкие проходы между порами заполняются ею нацело.

Подвешенная влага в тяжелых по механическому составу почвах и грунтах

Подвешенная влага в тяжелых по механическому составу почвах и грунтах

Внутри поры создается микроскопление свободной влаги, со всех сторон окруженное пленками связанной воды (рис. 27). Часть воды хотя и является свободной, но вся подвешенная вода в целом все же удерживается сорбционными силами. Всю эту воду мы называем пленочно подвешенной.

Подвешенная влага в средних по механическому составу почвах и грунтах

Подвешенная влага в средних по механическому составу почвах и грунтах

Четвертый случай характерен для почв с хорошо вы­раженной более или менее крупной комковатой структу­рой. Промежутки между структурными комочками —

межагрегатные поры — бывают настолько вели­ки, что в них вода не удерживается и просачи­вается вниз или удержи­вается лишь в небольших количествах в форме сты­ковых скоплений в точках контакта комочков. Что же касается самих комоч­ков, то они бывают обыч­но пронизаны тонкими капиллярами, системами капиллярных пор. Вода, проникая в эти капилля­ры, принимает форму из­вилистых ветвящихся ни­тей, каждая из которых увенчана на концах вог­нутыми менисками (рис. 28). Благодаря малому диаметру комочков и, следовательно, малой длине нитей гидравличес­кое давление, создаваемое влагой, содержащейся в этих нитях, не может преодолеть разности поверхностных дав­лений, создаваемых менисками различной кривизны, вен­чающими эти нити на их концах (на поверхностях комоч­ков). Поэтому вода из таких капилляров не вытекает. С другой стороны, площадь поверхностей стыка комочков между собой очень мала, вследствие чего системы капил­ляров, присущие отдельным комочкам, оказываются почти изолированными друг от друга.

Почвенный агрегат с капиллярно подвешенной внутриагрегатной влагой

Почвенный агрегат с капиллярно подвешенной внутриагрегатной влагой

Поэтому вода из внутриагрегатных капилляров не вытекает.

Следовательно, вода, как и в первом случае, удержи­вается здесь капиллярными силами и может быть названа капиллярно подвешенной. В отличие от воды капилляр­но подвешенной, которая образуется в слоистых грунтах и почвах (о чем ниже), в данном случае можно говорить о влаге внутриагрегатной капиллярно под­вешенной. Несомненно, что одновременно часть влаги в этих агрегатах может быть и пленочно подвешенной.

Очень существенной является количественная характеристика способности почв и грунтов удер­живать подвешенную влагу. Важ­ность этой характеристики опре­деляется тем, что при глубоком залегании почвенно-грунтовых вод именно подвешенная влага яв­ляется единственным источником влаги для растений, что имеет широкое распространение в юж­ных засушливых областях.

Наибольшее количество влаги, которое данный слой почвы или грунта может удержать в подве­шенном состоянии, независимо от механизма удержания влаги, на­зывается, по предложению П. С.

Коссовича, наименьшей влагоемкостью это­го слоя. Синонимом этого термина является полевая влагоемкость.

Величина наименьшей влагоемкости зависит главным образом от механического состава и от сложения почвы. В песках величина ее равна 3—5%, в супесях она дости­гает 10—12%, а в суглинках и глинах — 12—18—22%. Она значительно возрастает в собственно почвенном слое, особенно в гумусовом горизонте. Так, например, наименьшая влагоемкостьлёссовидного суглинка, служа­щего материнской породой для чернозема, равна 22%, а в гумусовом горизонте последнего она достигает 40—45% в верхней части, снижаясь до 26—30% У нижней его границы.

Такое увеличение наименьшей влагоемкости в верх­ней части почвенного профиля объясняется главным об­разом тем, что здесь почва имеет более рыхлое сложение и хорошую структуру. Если в лёссовидном суглинке под­вешенная влага удерживается главным образом в форме пленочно подвешенной воды, то в гумусовом горизон­те чернозема с его хорошо выраженной комковатой или зернистой структурой влага удерживается главным образом в форме внутриагрегатной капиллярно подве­шенной.

Повышение наименьшей влагоемкости в результате разрыхления почвы можно иллюстрировать следующим примером.

Наименьшая влагоемкость была определена в темно-каштановой почве в ее естественном сложении, в поле и в насыпных столбах (в трубках) в лаборатории.

Результаты получились следующие (по данным С. И. Долгова):

T_003

Механический состав почвы во всех горизонтах был один и тот же.

Из этих данных мы видим, что наименьшая влагоем­кость в гумусовом горизонте оказалась одной и той же как в поле, так и в насыпном столбе и равнялась 30%. В остальных же горизонтах она в насыпных столбах вследствие разрыхления оказалась гораздо выше, чем при естественном залегании, но при этом равной то­же 30%; цифра эта и характерна, очевидно, для данного механического состава при условии рыхлого сложения. В естественном залегании препятствием для разрыхления и набухания является давление вышележащих слоев. Гу­мусовый же горизонт, во-первых, будучи верхним, не испытывает такого давления, а во-вторых, разрыхляется корнями растений и мелкими почвенными животными. Такая зависимость величины наименьшей влагоемкости от рыхлости почвы открывает возможность активного воз­действия на это свойство почвы.

Очень важным является вопрос о способности подве­шенной влаги к передвижению. Из сказанного выше — из факта отсутствия гидравлической связи между подве­шенной влагой и капиллярной — можно, казалось бы, сделать вывод, что эта влага вообще неспособна к пере­движению, по крайней мере к передвижению сплошной массой. Однако это не так. Исследованиями Абрамовой и Большакова, выполненными в последние годы, было показано, что пленочно подвешенная влага способна к передвижению всей массой к поверхности испарения. Если почвенная толща сверху насыщена влагой до величины наименьшей влагоемкости, то при испарении с этой по­верхности подвешенная влага начинает передвигаться к ней всей массой. Однако передвижение ее прекраща­ется, как только влажность почвы упадет до известного предела.

Этот предел, имеющий очень важное значение, был назван Абрамовой влажностью разрыва капил­лярной связи. Влажность, соответствующая данному пределу в разных почвах и грунтах, варьирует довольно сильно, составляя в среднем около 60—70% от величины наименьшей влагоемкости.

Другие формы подвешенной влаги — стыковая и вну­триагрегатная капиллярно подвешенная — не обладают способностью передвигаться к испаряющей поверх­ности.

 

2. Подвешенная влага в слоистых почвенно-грунтовых толщах

Все сказанное выше о подвешенной влаге относилось по условию к почвам и грунтам однородного механиче­ского состава, т. е. не слоистым образованиям.

Удержание подвешенной влаги в слоистых почвах и грунтах имеет некоторые отличительные особенности.

Здесь встречаются два главных случая: 1) когда на­нос крупнопористый (обычно более легкий по механи­ческому составу) подстилается наносом мелкопори­стым (обычно более тяжелым по механическому соста­ву) и 2) когда имеет место обратное положение — нанос мелкопористый подстилается наносом крупнопористым. Различное распределение влаги в обоих этих случаях впервые было подмечено и изучено А. Ф. Лебедевым.

Более простым из этих двух случаев является первый. Если мы имеем толщу, сложенную из двух наносов (рис. 29, А), причем крупнопористый нанос К подсти­лается мелкопористым наносом М (граница наносов от­мечена линией Г), то при сквозном промачивании водой всей этой толщи установится распределение влаги, ука­занное на рисунке. В верхнем наносе влажность будет одинаковой во всей толще этого наноса и равной его наи­меньшей влагоемкости (НВк). В нижнем наносе в верх­ней его части влажность будет выше, чем в первом, бла­годаря тому, что его наименьшая влагоемкость (НВм) больше. Если нижний нанос подстилается на какой-то глубине водоупорным слоем, то в его нижней части воз­никнет горизонт грунтовых вод с капиллярной каймой над ним, верхняя граница которой обозначена ли­нией КК.

Распределение влаги в слоистых толщах

Распределение влаги в слоистых толщах

Таким образом, в этом случае слоистость грунтовой толщи не вызывает каких-либо отклонений от распреде­ления подвешенной и подпертой влаги, характерного для однородных толщ.

Перейдем теперь ко второму случаю — нанос мелко­пористый подстилается наносом более крупнопористым. На рис. 29, Б изображены те же два наноса, что и на рис. 29, Л, но в обратном положении. В этом случае рас­пределение влаги окажется иным.

В нижней части наноса К изображен уровень грунто­вых вод, мощность капиллярной каймы над которым до­стигает 2 м. Верхняя граница капиллярной каймы отме­чена линиейКК. Еще выше, в пределах глубин 5—7м, влажность равна НВк, т. е. соответствует наименьшей влагоемкости нижнего наноса К. В верхнем наносе М распределение влаги окажетсяпримерно таким же. Сверху, до глубины около 2,5 м, влажность равна НВм — наименьшей влагоемкости, присущей данному наносу. Ни­же влажность начинает нарастать вплоть до нижней гра­ницы наноса М, где она приближается к полному насыще­нию, хотя его и не достигает. Ниже указанной границы влажность скачкообразно уменьшается до величины НВк, характерной для наноса К. Таким образом, в слое от 2,5 до 5 м распределение влажности и в наносе М принимает форму, характерную для капиллярной кривой, хотя никакого подпора влага в этом слое, казалось бы, испытывать не должна. Чем же объясняется такое рас­пределение влаги в верхнем наносе?

Несколько схематизируя это явление, Лебедев указал на то, что на границе смены наносов имеет место расши­рение тех капиллярных ходов, которые пронизывают оба наноса, ибо капиллярные ходы в нижнем наносе крупнее, чем в верхнем. Следовательно, можно представить, что на этой границе бо­лее узкий капилляр (рис. 30) перехо­дит в более широкий. Если в более узком капилляре имеется столбик во­ды, то он ограничивается, как всегда, сверху и снизу двумя менисками, но верхний мениск в силу меньшего диа­метра капилляра имеет большую кри­визну, а нижний — меньшую. Направ­ленное вверх поверхностное давление нижнего мениска больше, чем давле­ние верхнего мениска, направленное вниз. Равнодействующая этих двух дав­лений направлена вверх и является своеобразным подпором, который и удержиаает в верхнем наносе некото­рое дополнительное количество влаги сверх НВм. Влага эта распределяется по капиллярной кривой. Чем больше различие в диаметрах пор между ниж­ним и верхним наносами, тем величина подпора больше и тем больше избыток влаги, удерживаемой над границей смены наносов. Лат­вийский исследователь Стапренс доказал, что кривая, по которой распределяется влага в верхнем наносе, пред­ставляет собой верхнюю часть нормальной капиллярной кривой, свойственной данному наносу, и что мощность зоны с избыточным количеством влаги равна разности нормальных высот капиллярного подъема, свойственных верхнему и нижнему наносам.

Удержание капиллярно подвешенной влаги над местом перехода узкого капилляра в более широкий

Удержание капиллярно подвешенной влаги над местом перехода узкого капилляра в более широкий

Из сказанного видно, что подвешенная влага (сверх наименьшей влагоемкости) удерживается капиллярными силами и поэтому относится к категории капиллярно подвешенной.

При испарении, если оно происходит в пределах слоя с подвешенной влагой, последняя капиллярно подтяги­вается к поверхности испарения.

Если слоистая толща залегает наклонно, то в слое с подвешенной влагой может возникнуть боковое стекание, которое будет продолжаться до тех пор, пока влажность этого слоя не снизится до величины наименьшей влагоемкости.

 

3. Водоудерживающая способность почв и грунтов

Выше уже было сказано, что почвы и грунты обла­дают способностью удерживать в себе то или иное коли­чество воды, причем природа (категория, форма) этой; воды и механизм удержания могут быть различными в. зависимости от механического и агрегатного состава, сложения, наличия или отсутствия слоистости в почвен­но-грунтовой толще, а также от глубины залегания поч­венно-грунтовых или грунтовых вод. Свойство удержи­вать в себе то или иное количество влаги, независимо от ее природы и механизма удержания, называется водо­удерживающей способностью почвы или грунта. Максимальное количество влаги, которое может быть удержано почвой или грунтом, опять-таки незави­симо от природы влаги и механизма ее удержания, назы­вается общей влагоемкостью почвы или грун­та (по Н. А. Качинскому), или предельной поле­вой влагоемкостью (по Л. П. Розову и С. И. Долгову).

Из вышеизложенного нетрудно видеть, что в тех слу­чаях, когда нам известна форма или категория воды,, содержащейся в почве или грунте, и механизм ее удер­жания, общаявлагоемкость или предельная полевая влагоемкость могут быть заменены более определенными ха­рактеристиками, как, например, капиллярная влагоем­кость или наименьшаявлагоемкость. И только в тех слу­чаях, когда мы имеем дело со слоистой почвенно-грунто­вой толщей (в особенности — с многократно слоистой), в которой влага в разных слоях может быть и подвешен­ной, и капиллярно подпертой, а механизм ее удержания может быть различным, целесообразнее характеризовать водоудерживающую способность почвенно-грунтовой тол­щи величиной общей влагоемкости (или предельной поле­вой влагоемкости).

comments powered by HyperComments