Под водопроницаемостью почвы и грунтов понимают их свойства впитывать и фильтровать сквозь толщу горизонтов и слоёв воду, поступающую с поверхности. В первый момент поступления воды в ненасыщенную водой почву происходит впитывание и передвижение её в вертикальном и горизонтальном направлениях под влиянием градиентов сорбционных и менисковых сил, а также градиента гидростатического напора. Чем тяжелее почва по гранулометрическому составу, чем больше в ней тонко капиллярных пор, чем она суше, тем больше воды расходуется на впитывание. Процесс впитывания выражается «коэффициентом впитывания».
Прохождение воды через водонасыщенные (до полевой влагоемкости) слои почвы или грунта называется фильтрацией и характеризуется коэффициентом фильтрации. Движение воды при этом происходит под влиянием сил гравитации и градиента напора.
В природных условиях разделить водопроницаемость на отдельные процессы невозможно: когда поверхностные горизонты, получившие воду в первую очередь, насытились и начинают фильтровать, нижележащие горизонты только начинают впитывать воду. Фильтрацию в чистом виде можно наблюдать там, где вода поступает на глубоко промоченную водой почву (дно водоемов, рек и каналов) или при подаче её в больших количествах, когда промачиваются все слои до грунтовой воды. При решении мелиоративных задач, требуется знание величины коэффициента водоотдачи, как для отдельных горизонтов, так и для всей изучаемой толщи. В полевых условиях раздельное определение этих процессов также невозможно. Изучение водопроницаемости по отдельным процессам – впитывания, фильтрация, водоотдача – проводят в лабораторных условиях – на монолитах.
Водопроницаемость зависит от плотности, пористости почвы и грунта – от величины и формы пор, что в свою очередь, связано с гранулометрическим и агрегатным составом почвы. Наличие в почве трещин, крупных червороин, ходов землероек обусловливает водопроницаемость провального характера. Уплотнение, даже слабое, уменьшает водопроницаемость в десятки и сотни раз. Поэтому участок, где будут установлены приборы для определения водопроницаемости, должен охраняться от затаптывания.
Водопроницаемость со временем уменьшается, что связано с разрушением макроагрегатов и постепенным уплотнением за счёт заиливания порового пространства при насыщении почвы водой. С началом процесса фильтрации устанавливается равновесный расход воды.
Водопроницаемость одно из важнейших водно-физических свойств почвы. С ней связано использование атмосферных осадков и поливной воды. Плохая водопроницаемость поверхностных горизонтов приводит к развитию эрозионных процессов. На водопроницаемых и слабопроницаемых нижних горизонтах образуется временная верховодка.
В связи с неоднородностью строения отдельных генетических горизонтов, их водопоглощающая и водопропускная способность различны, что необходимо учитывать при мелиоративных исследованиях. Поэтому водопроницаемость должна определяться для каждого генетического горизонта или слоя.
Для полевых определений водопроницаемости наиболее распространёнными являются методы заливаемых площадей, метод трубок и лизиметрический. Коэффициент фильтрации определяется методом откачки, методом заполнения скважин, с помощью индикаторов. В последние годы для изучения фильтрации привлекается геофизические методы, позволяющие определять как скорость, так и направление движения воды.
Для определения водопроницаемости почвы нами были применены методы заливаемых площадей, а именно метод рам, и метод трубок.
Метод рам даёт как качественную, так и количественную характеристику, но достаточно трудоёмок и водоёмок.
В нашем случае используются рамы квадратной формы, изготовленные из полосового железа толщиной примерно 2.5 мм. Высота стенок каждой рамы 20см, нижний край заточен на клин, чтобы они легче врезались в почву. Углы рам в верхней части скреплены угольниками из того же материала.
Для одного определения нужен комплект из двух рам: внутренняя рама площадью 25,3*25,3 см - учётная и наружная рама площадью 50,3*50,3 см – защитная, ограничивающая боковой отток воды из внутренней рамы. Рамы устанавливаются на площадке недалеко от почвенного разреза.
С площадки для установки рамы срезается растительность. Сначала устанавливается внешняя большая рама, по наружным стенкам которой ножом намечается граница и рама убирается. По намеченной границе прорезается узкая щель глубиной 8-10 см и расширением в сторону наружной стороны. В заготовленную щель вставляется рама заострённой стороной и сначала вручную, а затем деревянным молотком (кувалдой) плотно забивается в щель на глубину 10-12 см. После того, как большая рама забита, в центр её устанавливается таким же способом внутренняя рама. По внутренней и внешней стенкам малой и большой рам почва уплотняется узкой полосой около 1 см.
Напор воды на поверхности почвы в каждой раме должен быть 5 см и поддерживаться постоянным в продолжение всего срока наблюдений. Для этого в каждой раме устанавливается водомерная линейка (хорошо отструганная палочка) высотой 5 см.
В одну из рам кладётся термометр и отмечается температура воды в каждый интервал наблюдений и не менее 3 раз в час.
Наполнение водой контрольных рам производится поочерёдно. Учётная и защитная рамы заливаются одновременно. Сначала вода наливается вёдрами, пока уровень её не достигнет 5 см в обеих рамах. В дневнике записывается время начала. С этого момента начинается учёт воды, которая подливается всё время уже мерным цилиндром (для большой рамы 1л, а для малой 0.5л), для поддержания постоянного уровня и в той, и в другой раме, а в конце интервала подсчитывается объём воды, долитой в малую раму. Запись о количестве залитой воды производится в контрольном дневнике.
Учёт расхода воды ведётся в следующие интервалы времени: в первый час – за каждые 10 минут (6 отсчётов), за второй и третьи часы – за каждые 30 минут (4 отсчёта) и далее - за каждый последующий час. Все данные занесены в таблицу.
При определении водопроницаемости, особенно в жаркое время, следует учитывать потери воды через испарение. Для этого в начале определения рядом с рамами ставится сосуд, наполненный водой. Каждый час и в конце работы измеряется количество испарившейся воды и рассчитывается испарение. По нашим наблюдениям испарение составило за 6 часов 0.3 см водного столба. За сутки испаряемость составляет 1.2 см водного столба.
Водопроницаемость выражается коэффициентом водопроницаемости и рассчитывается для каждого интервала времени по формуле Дарси:
,
где Kt – коэффициент водопроницаемости в мм/мин при данной температуре; Q – количество просочившейся воды (мл); 10 – пересчёт см3 в мм водн. ст.; S – площадь рамы (см2); T – интервал времени (мин).
Коэффициент водопроницаемости при данной температуре привести к температуре 10 градусов Цельсия по формуле Хазена:
К10 = Кt/0.7 + 0.03*t
Таблица 5.1 расчетные данные
| Количество воды в литрах | |||||
| Кол-во воды за интервал времени | Суммарное кол-во воды | ||||
| название рамы | учетная (малая) | защитная (большая) | учетная (малая) | защитная (большая) | |
| площадь рамы, см2 | 640,1 | 2540,2 | 640,1 | 2540,2 | |
| 1-й час (10 мин) | 24,0 | 7,0 | 16,5 | 7,0 | 16,5 |
| 10 мин | 24,0 | 6,0 | 27,0 | 13,0 | 43,5 |
| 10 мин | 24,0 | 5,5 | 17,0 | 18,5 | 60,5 |
| 10 мин | 24,0 | 0,5 | 7,0 | 19,0 | 67,5 |
| 10 мин | 24,0 | 1,0 | 8,0 | 20,0 | 75,5 |
| 10 мин | 24,0 | 0,5 | 7,0 | 20,5 | 82,5 |
| 2-й час (30 мин) | 18,5 | 3,5 | 27,0 | 24,0 | 109,5 |
| 2-й час (30 мин) | 18,5 | 10,0 | 21,0 | 34,0 | 130,5 |
| 3-й час (30мин) | 18,5 | 9,0 | 19,0 | 43,0 | 149,5 |
| 3-й час (30 мин) | 18,5 | 7,5 | 22,0 | 50,5 | 171,5 |
| 4-й час | 18,0 | 25,0 | 44,0 | 75,5 | 215,5 |
| 5-й час | 18,0 | 23,0 | 48,0 | 98,5 | 263,5 |
| 6-й час | 18,0 | 23,5 | 50,0 | 122,0 | 313,5 |
Таблица 5.2. Расчетные данные по водопроницаемости почвы методом рам.
| Время, часы | Учетная рама К10, см/сут |
| 5370,7 | |
| 4001,8 | |
| 4891,1 | |
| 7500,4 | |
| 6900,0 | |
| 7050,0 | |
| Коэффициент фильтрации 5370,7см/сут |
Рис.5.1
По результатам опыта и последующим расчетам мы видим, что наша почва имеет очень высокий коэффициент фильтрации > 1000 и имеет провальную водопроницаемость. Что связано с составом почвенного профиля, который находится на древнем аллювии и имеет легкий гранулометрический состав.
Метод трубок. Так же мы использовали метод трубок для определения водопроницаемости почвы. Мы выкопали площадки 50 на 50 см, для того чтобы на разных глубинах определить физические свойства исследуемой нами почвы. Наши площадки находились на разной глубине залегания: от 0 до 50 см, через каждые 10 см. На них нам предстояло определить: плотность почвы, потенциал влаги и водопроницаемость. Для определения водопроницаемости, мы на каждую глубину вбили по пять трубок. В полевых исследованиях используются металлические трубки диаметром 5-6 см. иногда попадались трубки с диаметром 4-4.5 см. Высота трубок соответствовала 13 см, а после вбивания в землю 10 см. Каждую трубку мы наполняли водой, при этом, засекая точное время наполнения. Как только вода в трубке профильтровывалась, мы записывали конечное время.
Вода в трубках фильтровалась неодинаково, что зависело, как от самой почвы и ее горизонтов, так и от диаметра трубок.
Водопроницаемость почвы, определённая методом трубок, выражается так же, как и при методе заливаемых рам и рассчитывается по формуле:
Kt=Q/S*T=h/T
где Kt – коэффициент водопроницаемости при данной температуре (мм/мин); h – высота просочившейся воды (мм); T – время просачивания (мин, ч, сут).
К10=Kt/0.7+0.03*t
Таблица 5.3 Водопроницаемость трубок
| горизонт | Глубина (верхняя граница) | T,0C | № повтор-ности | высота столба, мм | время (час:мин:сек) | интервал | |
| начало | конец | часы: минуты | |||||
| Ad | 17.5 | 12:27:03 | 13:09:37 | 0:42 | |||
| 12:27:27 | 13:27:32 | 1:00 | |||||
| 12:27:49 | 13:00:08 | 0:33 | |||||
| 12:28:49 | 13:27:41 | 0:59 | |||||
| 12:28:41 | 13:26:48 | 0:58 | |||||
| Aпах | 17.5 | 11:13:43 | 11:50:32 | 0:37 | |||
| 11:14:12 | 11:33:27 | 0:19 | |||||
| 11:14:45 | 11:26:26 | 0:12 | |||||
| 11:15:09 | 12:16:14 | 1:01 | |||||
| 11:15:34 | 11:17:20 | 0:02 | |||||
| 15,0 | 11:48:08 | 11:55:17 | 0:07 | ||||
| 11:48:30 | 12:44:35 | 0:56 | |||||
| 11:48:47 | 12:29:12 | 0:39 | |||||
| 11:49:52 | 11:52:12 | 0:03 | |||||
| 11:50:22 | 11:55:37 | 0:05 | |||||
| 14.5 | 11:41:28 | 11:49:39 | 0:08 | ||||
| 11:42:59 | 11:51:16 | 0:09 | |||||
| 11:42:31 | 12:11:47 | 0:29 | |||||
| EB | 11:43:02 | 11:44:57 | 1:01 | ||||
| 11:53:26 | 12:44:28 | 0:49 | |||||
| 14.5 | 11:09:15 | 12:14:36 | 1:05 | ||||
| 11:09:35 | 11:59:43 | 0:50 | |||||
| 11:10:15 | 12:03:35 | 0:57 | |||||
| 11:12:10 | 12:15:03 | 1:03 | |||||
| 11:12:35 | 12:15:29 | 1:03 | |||||
| 15,0 | 11:04:00 | 11:17:38 | 0:13 | ||||
| 11:05:28 | 11:14:25 | 0:09 | |||||
| 11:05:40 | 11:10:15 | 0:05 | |||||
| 11:06:38 | 11:16:27 | 0:10 | |||||
| 11:06:40 | 11:10:15 | 0:04 | |||||
| 14,0 | 17:17:49 | 17:39:34 | 0:18 | ||||
| C1/C2 | 17:18:00 | 17:46:25 | 0:28 | ||||
| 17:18:11 | 17:27:11 | 0:09 | |||||
| 14,0 | 12:11:48 | 12:13:15 | 0:02 | ||||
| 12:13:56 | 12:14:58 | 0:01 | |||||
| 12:15:54 | 12:16:50 | 0:01 |
После расчетов Кt для каждой глубины, можно получить среднее значение К10 для разных глубин и их медиану.
Табл. 5.4 Расчетные данные по водопроницаемости почвы методом трубок
| Горизонт | Глубина см. | Медиана см/сут | К10 см/сут, (средн) |
| Аd | 226,2 | 275,9 | |
| Апах | 596,5 | 520,3 | |
| 1902,2 | 1865,6 | ||
| 483,6 | 868,1 | ||
| ЕВ | 211,6 | 194,9 | |
| 1321,7 | 1834,9 | ||
| С1/С1 | 785,7 | 915,2 | |
| 6423,0 | 10767,0 |
Выводы:
Исследуемая почва имеет высокий коэффициент фильтрации в целом по профилю, причем в нижних горизонтах водопроницаемость увеличивается, что связано с наличием слоистых песчаных линз, сложенных флювиогляциалом.
Наибольшая водопроницаемость характерна для нижних опесчаненных слоев.