3.3. Основы гидрологии подземных вод

3.3.1. Виды воды в порах грунта

Основные силы, действующие на воду в порах грунта, это:

• силы молекулярного взаимодействия (между разными молекулами воды, между молекулами воды и частицами грунта);

• капиллярные силы, обусловленные поверхностным натяжением воды;

• силы тяжести и гидростатического давления;

• сосущая сила корневой системы рас­тений (десукция), обусловленная осмотическим процессом.

В зависимости от физического состояния, подвижности и ха­рактера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная или гравитационная, вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса CaSO₄*2H₂O, мирабилита Na₂SO₄* 10H₂O, медного купороса CuSO4*5H₂O. Вода из таких минералов может быть уда­лена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300–400 °С.

Физически связанная вода удерживается на поверхности минера­лов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90–120 °С. Этот вид воды подразделяют на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную).

Гигроскопическая вода (рис. 1, а) образуется вслед­ствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и элек­трическими силами. Свойство грунта удерживать гигроскопиче­скую воду называют гигроскопичностью. Различают неполную гигро­скопичность, когда влага не образует вокруг частиц грунта сплош­ного слоя, и максимальную гигроскопичность. В первом случае толщина слоя составляет 1–3 молекулы, во втором – 10–20 мо­лекул.

Пленочная вода (рис. 1,б) образует пленку поверх гигроскопиче­ской воды, когда влажность грунта ста­новится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передви­гаться от одной частицы грунта к дру­гой: от мест, где толщина пленки больше, к местам, где ее толщина меньше. Физически связанная вода (за исклю­чением некоторого количества пленоч­ной воды), как и химически связанная, в круговороте воды в природе практи­чески участия не принимает, и поэтому в состав подземных вод, которые изучает гидрология, не включается.

Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещи­ны и перемещается в них под действием капиллярных сил. Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части поч­венного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связан­ную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны («капил­лярной каймы») над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной тол­ще грунта.

Капиллярная вода играет важную роль в насыщении почв во­дами, режиме грунтовых вод и питании растений. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, поэтому она участвует в круговороте воды в природе и ее следует включать в состав подземных вод, изучаемых гидрологией.

Свободная, или гравитационная, вода (рис. 1, в) – наиболее под­вижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления. Объем свободной (гравитационной) воды в насыщенном водой грунте зависит от его скважности, гранулометрического состава, количе­ства и размера пор.

В грунтах с крупными порами (галька, гравий, песок) свобод­ная (гравитационная) вода – главный вид подземных вод (разуме­ется, при наличии источника их поступления и при условии насы­щения грунта).

Рис. 1. Различные виды воды на частицах грунта (по А. Ф. Ле­бедеву): а – гигроскопическая вода при не­полной (1) и максимальной (2) ги­гроскопичности; б– пленочная вода, движущаяся от частицы с более тол­стой (3) к частице с более тонкой (4) пленкой; в–свободная (гравитаци­онная) вода

Вода в твердом состоянии (лед) находится в грунте в виде кри­сталлов, прослоек и линз льда. В районах сезонного промерзания грунта эта вода периодически участвует в круговороте воды.

Вода в парообразном состоянии (водяной пар) заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах. Водяной пар в грун­тах обладает большой подвижностью и перемещается от мест с боль­шей к местам с меньшей упругостью (меньшим давлением). Паро­образная вода в грунтах активно участвует в круговороте воды в природе.

Водные свойства грунтов определяются их физическими свой­ствами и содержанием в них воды. К основным водным свойствам грунтов относятся влажность, влагоемкость, водоотдача, водопро­ницаемость, капиллярность.

Фактическое содержание воды в грунтах называют их влажно­стью W_m. Влажность – это отношение массы воды к массе сухого грунта, выраженное в %:

W_m = {m_в/m_c)100 % = [(m_гp-m_c)/m_c]l00 %, (3.3)

где m_в – масса воды в образце грунта, кг; т_гр – масса исследуемого грунта с естественной влажностью, кг; т_с – масса того же образца, кг, высушенного при температуре 105–106 °С. Часто вместо массо­вой влажности используют понятие объемная влажность W_об , кото­рую можно определить по формуле

W_об = (V_B/V_c)100%, (3.3)

где V_B – объем воды в образце грунта, м³; V_c – объем образца грунта в абсолютно сухом состоянии, м³.

Запас воды, выраженный в виде слоя воды (мм), в слое грунта (почвы) толщиной Н (см), равен

, (3.4)

где – объемная плотность грунта (среднее значение 1.6 г/см³).

Влагоемкостью грунта называют его способность вмещать и удер­живать определенное количество воды. Под полной влагоемкостью W_пв (или _пв) понимают суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор. Полная влагоемкость – это макси­мально возможная влажность для данного грунта.

Кроме полной влагоемкости выделяют наименьшую влагоемкость W_нв (или _нв) характеризующую количество гигроскопической, пленочной и ка­пиллярной влаги, остающейся в грунте после окончания свободного стекания воды (она составляет для песков 3–5 %, супесей 10–12 %, суглинков и глин 12–22 %). Например, для тяжелосуглинистой почвы при W_нв=20% и Н= 100 см

320 мм.

По аналогии с дефицитом влажности воздуха используют и по­нятие дефицита влажности грунта (или недостатка насыщения) d. Он равен разности между полной влагоемкостью и фактической влажностью грунта. Например, оперируя объемной влажностью, можно получить:

d=W_пв-W_o6. (3.5)

Дефицит влажности обычно выражают в процентах.

Водоотдачей называется способность водонасыщенных грунтов отдавать воду путем свободного стекания. Коэффициент водоотда­чи представляет собой отношение объема стекающей из грунта свободной (гравитационной) воды к объему всего грунта, выражен­ное в долях единицы или в процентах. Наиболь­шей водоотдачей обладают крупнообломочные породы. Водоотдача глин и хорошо разложившегося торфа ничтожна, что объясняется очень малым диаметром пор и, следовательно, прочными связями воды со скелетом этих грунтов.

Водопроницаемостью грунтов называют их способность про­пускать через себя воду под действием силы тяжести или градиен­тов гидростатического давления. Водопроницаемость зависит от раз­мера и формы частиц грунта, от размера и количества пор и тре­щин в грунте, его гранулометрического состава. Чем больше размер частиц грунта и однороднее его состав, тем больше его водопрони­цаемость. Если промежутки между крупными частицами грунта за­полнены более мелкими частицами, водопроницаемость грунта сни­жается. Объяс­няется это тем, что мелкие поры этих грунтов заполнены пленочной и капиллярной водой, препятствующей движению свободной (гравитационной) воды.

Водопроницаемость грунтов – очень важная характеристика при исследовании движения подземных вод. Важно обратить внимание на то, что глины, несмотря на боль­шую пористость благодаря очень малым размерам пор, обладают ничтожной водоотдачей и соответственно являются в целом водо­непроницаемыми. Однако глинистые слои могут, хотя и медленно, все же фильтровать воду. Это необходимо учитывать при оценке питания подземных вод через толщи глины.

Водопроницаемость грунтов характеризует коэффициент фильтрации. Он зависит от количества и размера пор и от свойств филь­трующейся жидкости. Коэффициент фильтрации выражают в единицах скорости: м/сут, м/ч, м/с, см/с, мм/мин и т. д. Это – очень важная характеристика, используемая при изучении движения подземных вод. Ориентировочные значения коэффициента фильтрации для некоторых грунтов приведены в табл. 3.5. При сравнении коэффициентов фильтрации и пористости грунтов обращает на себя внимание факт резкого уменьшения коэффициентов фильтрации у суглинков и глин, несмотря на их повышенную пористость. Коэффициент фильтрации обычно опреде­ляют экспериментальным путем.

Капиллярностью грунта называют его способность содержать и пропускать капиллярную воду. Высота капиллярного поднятия зависит от размера капиллярных пор, гранулометрического состава грунта, температуры воды и других характеристик. Чем мельче крупность частиц грунта и мельче поры, тем больше высота капиллярного поднятия. Понижение температуры и увеличение минерализации воды ведут к увеличению вязкости воды и увеличению сил поверхностного натяжения, что повышает высоту капиллярного поднятия. Высота капиллярного под­нятия Н в некоторых грунтах приведена ниже:

Грунт Н, см	Грунт Н, см
Песок крупнозернистый 2,0–3,5	Супесь 120-350
» среднезернистый 3,5–12,0	Суглинки 350–650
» мелкозернистый 35–120	Глины 650–1200