Водно-фізичні властивості грунту: вологоємність і водопроникність

Водно-фізичними властивостями грунту називають сукупність властивостей, які визначають поведінку грунтової води в його товщі. Найбільш важливими водними властивостями є:

• водоутримуюча здатність грунту,
• його вологоємність,
• водопідйомна здатність,
• потенціал грунтової води,
• водопроникність.

Водоутримуюча здатність і вологоємність грунту

Водоутримуюча здатність – це здатність грунту утримувати воду, яка міститься в ньому, від стікання під дією сили тяжіння; кількісною характеристикою водоутримуючої здатності є вологоємність.

Вологоємність грунту – здатність поглинати й утримувати певну кількість води.

Залежно від сил, що утримують воду в грунті, виділяють наступні види вологоємності :

• максимальну адсорбційну (МАВ),
• максимальну молекулярну (ММВ),
• капілярну (KB),
• найменшу (НВ),
• повну (ПВ).

Максимальна адсорбційна вологоємність – найбільша кількість води, яка може бути утримана сорбційними силами на поверхні грунтових часток, відповідає кількості щільно зв'язаної води, що міститься в грунті, приблизно дорівнює МГ.

Максимальна молекулярна вологоємність – характеризує верхню межу вмісту в грунті плівкової води. Залежить, в основному, від гранскладу грунту (глина – 25-30%, пісок – 5-7%). Це важлива гідрологічна константа, бо є нижньою межею доступної для рослин води.

Капілярна вологоємність – найбільша кількість капілярно-підпертої води, яка може утримуватись грунтом, що знаходиться в межах капілярної кайми. Залежить від пористості грунтів і від висоти шару насиченого грунту над дзеркалом грунтових вод, тому KB не є константою.

Найменша вологоємність – максимальна кількість капілярно-підвішеної води, яку може утримати грунт після стікання надлишку води при глибокому заляганні грунтових вод. Залежить від гранскладу, структурності грунту (піщані – 5-10%, супіщані – 10-20%, суглинкові – 20-30%, глинисті – 30-45%). Це одна з найважливіших гідрологічних характеристик грунту, константа, верхня межа оптимального зволоження.

Повна вологоємність – найбільша кількість вологи, яку може вмістити грунт при повному заповненні всіх пор, за винятком защемлених, тому ПВ приблизно дорівнює пористості грунту (в об'ємних процентах).

До грунтово-гідрологічних констант відносяться також

• максимальна гігроскопічність (описана вище);
• вологість в'янення (ВВ) – це вологість, при якій рослини проявляють ознаки стійкого в'янення. ВВ ~ 1,5МГ, це нижня межа доступної для рослин вологи. ВВ приблизно дорівнює ММВ, але залежить не тільки від властивостей грунту, а й від типу рослин;
• вологість розриву капілярного зв'язку (ВРК) – це кількість води, при якій розривається суцільний потік капілярної води в грунті, ~65-70% від НВ, відповідає нижній межі оптимальної зволоженості грунту.

Усі грунтово-гідрологічні константи виражаються у % від маси або об'єму абсолютно сухого грунту.

Водопроникність грунту

Водопроникність – це здатність грунтів всмоктувати й пропускати через себе воду, яка поступає з поверхні.

Це одна з важливих грунтово-гідрологічних характеристик, що впливає на особливості формування стоку, водний режим грунту. Процес руху води має два етапи:

• всмоктування (інфільтрація) та
• просочування (фільтрація).

Інфільтрація – заповнення водою вільних пор грунту під впливом сорбційних, меніскових, гравітаційних сил і градієнта напору.

Фільтрація – безперервний рух води в насиченому грунті під впливом градієнта.

Межею між всмоктуванням і фільтрацією вважають установлення постійної швидкості фільтрації.

Водопроникність грунтів знаходиться в тісній залежності від їх гранулометричного складу і хімічних властивостей, структурного стану, щільності, вологості й тривалості зволоженості. Дуже знижує водопроникність грунтів наявність набряклих колоїдів, особливо насичених натрієм або магнієм. При зволоженні таких грунтів вони швидко набрякають і робляться практично водонепроникними. Грунти структурні, пухкі, характеризуються великим коефіцієнтом всмоктування й фільтрації.

Водопроникність грунтів вимірюється об'ємом води, який переходить через одиницю площі поперечного перерізу за одиницю часу (коефіцієнтом фільтрації). Величина ця дуже динамічна й змінюється як за профілем грунтів, так і просторово. Оцінити водопроникність грунтів важкого механічного складу можна за шкалою, яку запропонував Н.А. Качинський (1970): водопроникність (у см) за 1 годину при тиску 5 кПа і температурі води 10°С

• більше 1000 – провальна;
• 1000-500 – надлишково висока;
• 500-100 – найкраща;
• 100-70 – добра;
• 70-30 – задовільна;
• <30  – незадовільна. 

Водопроникність грає як позитивну, так і негативну роль. При низькій водопроникності можуть спостерігатися такі негативні явища, як вимокання культур, застій води на поверхні грунту, заболочення, стік води по поверхні схилу і розвиток ерозії. При дуже високій водопроникності не створюється достатній запас води в кореневмісному шарі грунту, а при зрошенні спостерігаються великі втрати води, що призводить до екологічних проблем. Для підвищення водопроникності використовується глибоке розпушування, щілювання, піскування, збагачення органічною речовиною, штучне структуроутворення.

Водопідіймальна здатність грунту

Водопідіймальна здатність грунту – це його властивість викликати висхідне пересування в ньому води за рахунок капілярних сил.

Висота і швидкість капілярного підняття води в основному визначаються гранулометричним і структурним станом грунту, його пористістю. Чим важчі грунти і менш структурні, тим більша потенційна висота підняття води по капілярах, а швидкість підйому – менша. Капілярні сили починають проявлятись в порах діаметром 8 мм, але особливо яскраво – у порах діаметром 0,1-0,003 мм.

Доступність грунтової води для рослин

Доступність грунтової води для рослин є винятково важливою характеристикою, яка визначає значною мірою родючість грунтів. Рослини в процесі життя поглинають дуже велику кількість води. Вони витрачають її на транспірацію та утворення біомаси.

Витрати води з грунту рослинами характеризується транспіраційним коефіцієнтом (ТК) – кількістю води, яка необхідна для утворення одиниці сухої маси рослини. Для більшості культурних рослин транспіраційний коефіцієнт коливається в межах 400-600, досягаючи деколи 1000, тобто для утворення 1 т сухої органічної речовини біомаси витрачається 400-600 т і більше води з грунту.

За доступністю для рослин грунтова вода може бути поділена на форми:

1. Недоступна для рослин – це вся міцно зв'язана вода, так званий її мертвий запас. Недоступність пояснюється тим, що утримуюча сила поверхні грунтових частинок набагато більша, ніж всмоктувальна сила коренів. Мертвий запас води в грунтах відповідає приблизно максимальній адсорбційній вологоємності.
2. Дуже важкодоступна для рослин – в основному пухкозв'язана (плівчаста) вода. Важка доступність зумовлена її низькою рухомістю. Вода не встигає підтікати до точок її споживання, тобто до кореневих волосків. Вміст води в грунті, який відповідає вологості в'янення, є нижньою границею продуктивної доступної вологи.
3. Важкодоступна вода лежить у межах між вологістю в'янення й вологістю розриву капілярного зв'язку.
4. Середньодоступна вода відповідає діапазону від вологості розриву капілярів до найменшої вологоємності. Ця вода рухома й рослини можуть поглинати її. Різниця між найменшою вологоємністю та вологістю в'янення – це діапазон фізіологічно активної води в грунті.
5. Легкодоступна, яка переходить у надлишкову воду, відповідає діапазону вологості від найменшої до повної вологоємності.