5.2. Віды вады ў порах грунтоў і механізм яе руху

Вада ў прыродзе – у глебе, грунтах, паветра знаходлзіцца ў розных агрэгатных станах і мае спецыфічныя асаблівасці механізма руху. Ад гэтага залежыць характар і інтенсіўнасць усіх прыродных працэсаў, у якіх прымае ўдзел вада. Даследаваннем розных відаў вады ў глебе і грунтах, механізма яго перамяшчэння займаліся мнногія вучоныя. Добра вядома, напрыклад, праца ў гэтай вобласці А.Ф.Лебедзева “Перамяшчэнне вады ў грунтах і глебе”, якая ўпершыню была выдадзена ў 1919 годзе. Дальнейшыя навуковыя працы былі працягам яе і развіваліяго ідэі.

Вада ў глебах і грунтах можа знаходзіцца ў некалькіх агрэгатных станах: хімічна звязаная, крышталізаваная, парападобная, гіграскапічная, пленачная, капілярная, свабодная (гравітацыйная).

Хімічна звязаная вада ўваходзіць у склад малекулы рэчыва ў выглядзе гідраксільнай групы, як гэта назіраецца, напрыклад, ў мінералах, Fe₂O₃ + 3H₂O → 2Fe(OH)₃. Пры выдзяленні хімічна звязанай вады шляхам пракальвання пры высокіх тэмпературах мнералы разбураюцца.

Крышталізаваная вада з’яўляецца састаўной часчткай шматлікіх мінералаў, напрыклад, гіпса (CaSO₄ * 2H₂O). Такая вада выдзяляецца з горнай пародышляхам награванняда 100-200^о С, ці хімічным шляхам.

Гэтыя два віды вады па Н.А.Качынскаму не прыймаюць удзел у прыродных працэсах, яна нездольна самастойна перамяшчацца у прыродзе. Найбольшае значэнне маюць віды воды, якія рухаюцца ў порах грунтоў пад уплывам той ці другой сілы, ці некалькіх сіл.

Парападобная вада знаходзіццаў паветры, запаўняе поры і другія пустоты паміж часцінкамі грунта. Парападобная вада перамяшчаецца ў грунтах галоўным чынам пад уздзеяннем розніцы пругкасці вадзяной пары, якая залежыць ад вільготнасці і тэмпературы глебы. Пры абмене вадзяной парай паміж паветрам атмасферы (Р_пав.) і паверхняй глебы (Р_гл.) пара рухаецца ўніз пры Р_пав. больш Р_гл., гэтым вільготнасць паветра ўнутры глебы павялічваецца, а пры Р_пав._з. менш Р_на._гл., вільготнасць памяншаецца. Такім чынам, глеба высыхае (Р_пав._з. – пругкасць вадзяной пары на паверхні зямлі, Р_на._гл., - пругкасць вадзяной пары на некаторай глыбіні глебы).

Гіграскапічная вада вада прадстаўляе сабой моцна звязаную ваду, якая ўтрымліваецца сіламі на паверхні часцінак глебы ў выглядзе ізаліраваных малекуальбо плёнкі вады таўшчынёй у адну-дзве малекулы. Гэтая вада адсарбіравана часцінкамі глебы з паветры. Пры адноснай вільготнасці паветра ў порах блізкай да насычэння вільготнасць парод дасягае максімальнай гіграскапічнасці. Здольнасць грунта паглынаць (сарбіраваць) і ўтрымліваць на паверхні часцінак і сценак пораў некаторую колькасць гіграскапічнай вады называецца гіграскапічнасцю. Гліністыя пароды валодаюць высокай гіграскапічнасцю, таму што агульная паверхня ўсіх часцінак надзвычайна вялікая. І наадварот, пяскі, жвір, у якіх паверхня значна меншая, валодаюць меншай гіграскапічнасцю.

Гіграскапічная вада рухаецца ад адных слаёў у другія шляхам пераходу яе ў парападобны стан. Яна можа быць аддзелена ад пароды толькі награваннем да тэмпературы 105-110^о С да пастаяннай велічыні вагі грунта.

Плёначная вада абвалоквае часцінкі парод звыш максімальнай гіграскапічнай вады і яна менш звязана з мінеральнымі часцінкамі і адносіцца да катэгорыі рыхла звязанай. Яна рухаецца пад уплывам сіл цяжару і малекулярнага прыцяжэння. Пры малых запасах вільгаці ў грунтах праяўляюцца і сарбцыонныя сілы.

Пад уплывам сіл цяжару плёначная вада сцякае вертыкальна ўніз. Пад уплывам сіл малеклярнага прыцяжэння яна рухаецца ад месца з большай таўшчынёй плёнкі да месц з меншай і неабавязкова супадае з напрамкам дзейнасці сіл цяжару. У залежнасці ад таўшчыні плёнкі ступень уплыву сіл цяжару і сіл малекулярнага прыцяжэння на рух плёначнай вільгаці змяняецца. Пры памяньшэнні таўшчыні плёнкі ў межах блізкіх да гіграскапічнай вільгаці, перамяшчэнне вады ажыццяўляецца ў цэлым пад дзейнасцю малекулярнага сцаплення. Пры ўзрастанні таўшчыні плёнкі павялічваецца роля сіл цяжару і на мяжы пераходу плёначнай вады ў капілярную сілы цяжару перавагаюць.

Капілярная вада адносіцца да катэгорыі свабоднай вільгаці, якая запаўняе параўнальна дробныя поры і капіляры. Капілярная вада штрымліваецца ў грунтах пад уплывам капілярных або меніскавых сіл ад месцаў большага ўвільгатнення да месц меншага ўвільгатнення. Сілы цяжару вады ў выглядзе гідрастатычнага ціску мала ўплываюць на рух капілярнай вады. Часткова сілы цяжару супрацідзейнічаюць капілярнаму падняццю вады ўверх, аднак спрыяюць перамяшчэнню ўніз і па ухілу.

Адрозніваюць падпёртую і падвешаную капілярную ваду. У першым выпадку капіляры ў ніжняй сваёй частцы сутыкаюцца з падземнай вадой. У другім – капілчрная вада знаходзіцц ў падвешаным стане і аддзелена ад ваданоснагагарызонту. Вада падтрымліваецца ў капілярах сіламі меніскаў. Гэты працэс адбываецца на даволі працяглым адрэзку часу, пры гэтым значнага руху вады ўніз не назіраецца. Ніжнія слаі грунтоў маюць мала вільгаці, чым тыя, у якіх знахолзіцца падвешаная вада. Такія з’вы часта назіраюцца на поўдні СНД.

Свабодная гравітацыйная вада запаўняе прамежкі ў грунтах. Яна можа ўтрымлівацца сіламі прыцяжэння да сценак, а пад уздзеяннем сілы цяжару лёгка і свабодна сцякае па напрмку ўхіла. Яе рух адбываецца ў капельна-струменевым выглядзе. У насычаных вадой пародах свабодная вада фільтруецца ў напрамку падзення ўзроўня падземных вод. Гравітацыйная вада перадае гідрастатычны напор і пад яго ўздзеяннем вода можа падымацца ўверх, як гэта мы назіраем ва ўзаемназлучаных сасудах.

Рух падземных вод у залежнасці ад памераў пустотаў, па якім яны перамяшчаюцца, можа быць ламінарным і турбулентным. Ламінарны рух назіраецца пры фільтрацыі падземных вод у дробназярністых грунтах, турбулентны – пры руху вады ў больш буйных шчылінах і пустотах.

Пры ламінарным руху часцінкі вады перамяшчаюцца па паралельным траекторыям у адным і тым жа напрамку. Пры такім руху яе хуткасць (v) прапарцыянальна падзенню напора на адзінку адлегласці, ці гідраўлічнаму ўхілу (i):

V = k, i

дзе k – каэфіцыент фільтрацыі грунтоў, які прадстаўляе хуткасць руху вады ў грунце пры гідраўлічным ухіле роўным адзінцы. Залежнасць хуткасці руху вады грунтовых вод ад ўхілу называецца законам Дарсі. Колькасць вады (Q) яна фільтруецца праз некаторае папярочнае сячэнне грунта (F), раўняецца здабытку плошчы гэтага сячэння на хуткасць:

Q = v F, ці v = k i F,

дзе k – каэфіціент фільтрацыі; i = h₁ – h₂ /l = h/l – гідраўлічны ухіл; h- велічыня напору; l – адрэзак, на якім адбываецца фільтрацыя вады; F – папярочнае сячэнне, праз якое адбываецца фільтацыя вады ў грунце.

Пры адпаведных умовах гідраўлічны ухіл (i) і папярочнае сячэнне можна прыняць роўным адзінцы, то атрымаем:

v = k,

а гэта значыць каэфіцыент фільтацыі прадстаўляе сабой расход патоку вады праз тоўшчу грунта, сячэнне і ухіл якога роўны 1. Гэты паказчык з’яўляецца адной з асноўных характарыстык вадапранікальнасці грунтоў, які не залежыць велічыні гідрастатычнага напору і вымяраецца у м/с.

Умовы прымянення закона прамалінейнай фільтрацыі ўпершыню былі даследаваны М.М.Паўлоўскім. Ён вывёў ураўненне, якое ўстанаўляе “крытычную” хуткасць фільтрацыі, вышэй якой закон Дарсі парушаецца, а рух вады прыймае характар завіхрэнняў. Ламінарны рух вады становіцца турбулентным. Крытычная хуткасць фільтрацыі адваротна прапарцыянальна дыяметру часцінак, якія складаюць грунт.

Пры турбулентным руху часцінкі вады рухаюцца хаатычна, уздоўж і поперак агульнага напрамку цячэння. У гэтым выпадку хуткасць (v) можна выразіць у выглядзе формулы Шэзі:

V= С √RI,

дзе R – гідраўлічны радыус, ці адносіны плошчы папярочнага сячэння да змочанага перыметру; I – гідраўлічны ўхіл; С – каэфіцыент, які залежыць ад шурпатасці і няроўнасцей сценак ёмкасці (рэчышча), па якім рухаецца вада. У сваю чаргу змочаны перыметр есць даўжыня лініі, па якой плошча сячэння змочваецца воднай плынню.

Каэфіцент С не з’яўляецца пастаяннай велічынёй. Яна залежыць ад глыбіні і шурпатасці рэчышча. Для рачных вадацёкаў існуе некалькі формул для яго разліку. Найбольш часта ўжываецца формула Маніна:

C = 1/n R^1/6

І формула Н.Н.Паўлоўскага

C = 1/n R^y,

дзе n – каэфіцыент шурпатасці, які вызначаецца па спецыяльных табліцах М.Ф.Срыбнага. Паказчык у формуле НН.Паўлоўскага вызначаецца залежнасцю:

y = 2,5√n + 0,13 – 0,75√R (√n – 0,1).

З формулы Шэзі можна заключыць, што хуткасць плыні ўзрастае з павялічэннем гідраўлічнага радыуса ці сярэдняй глыбіні. Гэта адбываецца таму, што з павялічэннем глыбіні зніжаецца ўплыў шурпатасці дна на хуткасць. Павялічэнне гідраўлічнага радыуса прыводзіць к павялічэнню паказчыка С. З формулы Шэзі выцякае таксама, што хуткасць плыні павялічваецца з павялічэннем ухілу. Але гэтае павялічэнне пры турбулентным руху значна меншае, чым пры ламінарным.

Вада ў глебе ў цвёрдым стане і горрных пародах прысутнічае ў складзе мерзлых глебаў, альбо ў выглядзе выкапнёвага, пячорнага лёду.

Унутрыклеткавая вада ўтрымліваецца ў клетках раслін, якія понасцю не разлажыліся.

Вада ў глебе і горных пародах прсутнічае ў розных формах і стане і залежыць ад ступені ўвільгатнення слаёў зямной кары. Значная частка вады знаходзіцца ў звязаным стане і не ўдзельнічае ў кругавароце і не прыймае ўдзел у жыўленні рэк, азёр і балотаў, у прыродных працэсах. Некаторыя яе віды частковы выкарыстоўваюцца раслінамі.