Рух води в грунті
Кожен з нас спостерігав, як вода всмоктується в грунт. Здавалося б, усе просто: опади випадають на поверхню, і вода заповнює наявні в грунті
порожнечі. Але у верхньому шарі грунт здатна утримати своїми капілярними силами лише деяку частину вологи. Ця кількість води називають найменшою
вологоємністю. Все, що понад, під дією гравітаційних сил стікає в нижележащий шар. Коли і він наповниться понад вологоємності, надлишок води
перетече в наступний шар. І так до тих пір, поки вода не вбереться в досить сухий шар грунту, вологість якого виявиться нижче його найменшою
вологоємності, або надлишок води надійде у грунтові води, які знаходяться в нижній частині грунтового профілю. Виходить, що кожен грунтовий шар подібний
деякої ємності, яка заповнюється водою, а кількість вологи, що перевищує цю ємність, перетікає в нижню. І так все нижче і нижче, майже як у
Бахчисарайський фонтан.
На підставі подання про послідовне насиченні верств вологою сформувався так званий балансовий метод розрахунку руху
води в грунті. Однак розрахунки, зроблені з його допомогою, незмінно занижували глибину, на яку проникали вода і розчинені в ній речовини, у порівнянні
з тим, що спостерігалося в дійсності [1, 2]. Так, поширений у Європі пестицид атразин не повинен був потрапляти навіть у
глиб коренезаселеному шару (20-25см), а насправді в 1989 р. у Баварії 250 колодязів було забруднено цим сильно токсичною речовиною [3]. Те ж саме нерідко відбувалося з нафтою і нафтопродуктами.
Оскільки практичні запити вимагали точного знання руху води в грунті, необхідно було сформулювати фізичну основу
процесу, описати його математично і побудувати прогнозну модель, за допомогою якої можна було б проводити розрахунки, необхідні для запобігання
природних ситуацій такого роду.
Особливості міграції води
При описі процесів руху води і розчинених речовин у грунті зазвичай вважають, що грунт - це капілярно-пористе тіло, подібне
керамічному виробу. Вода в грунті повинна переміщатися рівномірно і поступово, тобто при досягненні насичення буде рухатися від шару до шару з
всім капілярах. Чи так це насправді?
Проробимо такий експеримент. На поверхню попередньо насиченою вологою грунту встановимо квадратну металеву раму зі стороною в
50см, відкриту зверху і знизу. Стінки квадрата будуть охороняти речовина від розтікання по поверхні грунту. Заллємо в раму слабкий розчин
водорозчинного крохмалю, який рухається в грунті так само, як і чиста вода. Після того як розчин вбереться, послідовно викопаємо горизонтальні
грунтові зрізи-"майданчика" під рамою через кожні 5 см і будемо кропити ці майданчики розчином йоду. Там, де фільтрувала крохмаль, з'явиться синє
пляма, яку можна замалювати чи сфотографувати. Заглиблюючись таким чином, ми виявимо основні шляхи фільтрації розчину в грунті. Цей метод досліджень
був запропонований у 1970-х роках відомим грунтознавців Е. А. Дмитрієвим [3].
Плями фарбування по крохмальної мітці на різних глибинах,
показують дуже неоднорідна розподіл вологи в обсязі грунту.
Сіра лісова грунт Володимирського Опілля.
Результати польового експерименту з лізіметрамі. Стовпчики - обсяги профільтрована розчину (V, мл) і концентрації в ньому іонів калію
і хлору для глибин 30 і 60см. Концентрація представлена у вигляді відносної величини - відносини змісту іона в поровое розчині (С) до його
вмістом у вихідному розчині (C0), що подається на поверхню.
За допомогою такого експерименту була отримана картина міграції розчину крохмалю в сірій лісовий грунті у Володимирському Опілля, недалеко від
г.Суздаля. У цієї звичайної орної грунті немає яскраво виражених і що розрізняються за властивостями шарів (грунтово-генетичних горизонтів), що утворилися в процесі
формування, окрім власне орного, глибиною до 25см. Розчин помітно розтікався за кордону рами вже на глибині 15см, віддаляючись на
50см і більше від її кордонів на поверхні. Нерідко вже на глибині 30см все крохмальні плями виявлялися поза площі рами.
Отже, результати дослідів показують, що волога в грунті, навіть у процесі всмоктування, рухається дуже нерівномірно. Грунтові пори виявляються
далеко не простими циліндричними капілярами, а утвореннями складної форми. Через одні вода фільтрується швидко, в інші проникає поступово, розсмоктуючи
з великих капілярів, а в деякі, тупикові, взагалі не потрапляє. Значить, щоб описати таку складну міграцію вологи, необхідно ввести поняття про великі
макропор і тріщинах, за якими швидко і нерівномірно рухається волога і розчинені в ній речовини, і тонких порах, в яких вода рухається повільно,
довго зберігаючись.
Крім того, необхідно зрозуміти, що ж відбувається при русі в грунті розчинених речовин, які можуть сорбувати або не
сорбувати її твердою фазою? Чи достатньо адекватні наші традиційні уявлення про сорбції та десорбції іонів природним процесам збереження і
пересування розчинених речовин у грунті?
Лізіметріческій експеримент
Проробимо експеримент, в цілому схожий на попередній. На поверхню грунту помістимо раму, тільки заллємо в неї не розчин крохмалю, а
слабкий розчин хлористого калію і спробуємо "зловити" іони калію і хлору на глибинах 30 і 60см за допомогою спеціальних піддонів, в дні яких є
окремі осередки для збору води, - так званих лізіметров. Після цього піддони витягнемо з грунту і визначимо кількість у них розчину і концентрації К +
і Сl-у кожній з клітинок. Цей досвід ми проводили у Підмосков'ї на дерново-підзолистих грунтах.
Що саме спостерігалося в осередках лізіметра? Перш за все деякі виявилися порожні, в них розчин взагалі не надійшла, а його кількість в
інших дуже сильно варіювало. Це не було несподіванкою, тому що з попереднього досвіду ми з'ясували, що грунтова волога проникає по провідним
каналах. Іон хлору виявлявся в розчинах в тій же концентрації, що в розчині, що вводиться в грунт, що теж цілком зрозуміло: грунтові мінеральні
частки несуть, як правило, негативний заряд на поверхні, і аніони НЕ сорбуються (або сорбуються слабо) їх поверхнею. Однак і концентрація
катіона К + у розчинах на глибинах 30 і 60см виявилася дорівнює його вмісту в розчині на поверхні грунту, тобто ніякої сорбції цього іона
не відбувалося, хоча вона повинна бути досить інтенсивним.
Тут ми зіткнулися зі специфічними грунтовим явищем: швидким пересуванням іонів по великих грунтових каналах - макропор і
тріщин. У цьому процесі грунтові частки не захоплювали іони калію, і їх концентрація залишалася незмінною. При такого роду перенесення грунт не проявляє
своїх сорбційних властивостей, закономірно приписуються їй як дисперсному тіла, і тому традиційні фізико-хімічні підходи дають помилки, нерідко
значні.
Вони можуть мати вкрай неприємні наслідки, якщо, наприклад, справа стосується прогнозу розповсюдження токсичних забруднюючих
речовин. Саме з-за швидкого перенесення радіонукліди, пестициди та інші сполуки потрапляють на значно більші глибини, ніж за розрахунками балансовим
способом.
Так виникла необхідність навчитися оцінювати величину проводить порового простору грунту (макропор і тріщин), по якому вода
рухається швидко, а речовини практично не сорбуються поверхнею грунтових частинок.
Підходи до оцінки порового простору грунтів
макропор - стабільні утворення, через які волога рухається, як по великих капілярах, тріщини ж - освіти динамічні --
з'являються в той момент, коли грунт висушуються, а простір між завжди існуючими в грунті агрегатами (грудочками) збільшується за рахунок усадки.
Грунтовий розріз з окремою тріщиною.
Масштаб грунтового бура - 10см.
Тут і далі фото А.К. Губера
Велика тріщина, на поверхні якої
видно темні патьоки органічної речовини.
Велика грунтова пора, заповнена карбонатом кальцію.
Грунтові тріщини не зміряєш мікрометрів або штангенциркулем, вони непомітні, звивисті, то з'являються, то зникають. Чи не
зробиш і зліпок тріщин: вони так тонкі, що залити в них гіпсовий розчин не вдається. Але оскільки тріщини виникають між грунтовими грудочками --
агрегатами, можна спробувати виокремити останні, а з різниці між загальним обсягом грунту та обсягом цих окремих стабільних грунтових утворень
визначити обсяг тріщин.
Тут, очевидно, доречно сказати кілька слів про грунтових агрегатах, дивовижному створення природи. Саме завдяки їм грунт володіє
здатність зберігати поживні речовини і воду для рослин, створює "оселі" для грунтової біоти. Більш того, структурна (за визначенням
Н. А. Качинського), а значить, Агрегована грунт - основне джерело біорізноманіття. Самі грунтові агрегати влаштовані досить складно і в свою чергу складаються з
більш дрібних часток і мікроагрегатов, скріплених різноманітними грунтовими "клеями", головну роль серед яких відіграє грунтовий гумус.
поровое простір грунту і структура агрегату. Пори, каверни і тріщини, ледве помітні (на малюнку ліворуч) у кубику вологого грунту, за
рахунок усадки при висиханні збільшуються, а при зволоженні сухого грунту (праворуч) за рахунок набухання зменшуються. Агрегати, хоча і стабільні освіти, також
схильні до усадки і набухання.
Обсяг агрегату змінюється залежно від вологості. Щоб встановити цю залежність, ми отримували ці грудочки з грунтового кубика
об'ємом 125см3, покривали їх влагопроніцаемой плівкою і вимірювали об'єм агрегатів, опускаючи їх у воду і користуючись законом Архімеда. Потім
агрегати підсушували, зважували і знову визначали об'єм. Проробивши досвід кілька разів, вдавалося знайти залежність об'єму агрегату від вологості.
Віднімаючи з обсягу вихідного кубика сумарний обсяг агрегатів, знаходили обсяг межагрегатних тріщин.
Отже, в поровое просторі грунту існує агрегатний зберігає простір (його функція - запас речовин), а також межагрегатное --
проводить, - за яким переносяться речовини. У той же час йде обмін між "зберігають" і "проточними" зонами порового простору грунту.
Процес же руху вологи і інших речовин виглядає наступним чином. Якщо на поверхню засушений грунту, в незаповнені водою
межагрегатное простір (найбільш великі тріщини і макропор) надійшла вода (розчин), вона практично миттєво заповнює тріщини, проникаючи в глиб
грунту. Далі волога перерозподіляється між заповненими тріщинами і внутріагрегатним простором. Агрегати починають збільшуватися в обсязі за
рахунок набухання, а тріщини поступово зменшуються. Так триває до встановлення рівноваги між агрегатної і межагрегатной рідиною, тобто
розчин розподіляється між "проводить" і "зберігає" частинами порового простору. Таким чином, грунт - не застиглий пористе тіло, як, наприклад,
керамічний виріб. Її поровое простір - динамічне освіта, провідність якого залежить від вмісту вологи, а пористість постійно
змінюється за рахунок набухання та усадки грунтових агрегатів.
Треба сказати, що ненабухающіх грунтів у природі практично не існує. Навіть піщані грунти з погано розвиненою агрегатної структурою
проявляють властивості набухання та усадки. У більшості суглинистих і глинистих грунтів це явище виражено досить помітно, тому для них характерні швидкі
потоки за межагрегатному простору з подальшим перерозподілом вологи і речовин по агрегатному простору. Це і було доведено при вивченні
важкосуглинистих грунтів Володимирській області та опесчаненних грунтів Підмосков'я в наведених вище прикладах.
* * *
Отже, рух вологи - далеко не простий процес поступового заповнення грунтових шарів і перетікання вологи з шару в шар. У
грунті практично завжди представлені швидкі, "наскрізні" потоки по макропор і тріщин. Саме по цих шляхах переносяться, практично не сорбіруясь,
різні (у тому числі і забруднюючі) речовини, потрапляючи в грунтові води. Розуміння цього процесу можливе, якщо розглядати поровое простір як
систему агрегатного і межагрегатного просторів, систему "транспортних" і "зберігають" пор.
Разом з тим при використанні і цього підходу виникає чимало питань. Наприклад, як розвиваються і ростуть тріщини? Чи завжди вони
виникають в одному й тому ж місці? За рахунок чого утворюються стійкі агрегати? Чому вони властиві тільки грунті? І багато, багато інших, на які ще
належить відповісти.
Література
1. Дмитрієв О.О.// Біол. науки. 1971. № 5. С.125-127.
2. Навколишнє середовище: Енциклопедичний словник-довідник. М., 1993.
3. Шеїн Е.В.// Грунтознавство. 1996. № 3. С.320-323.
4. Шеїн Е.В.// Грунтознавство. 1999. № 1. С.49-53.
