Формирование и состояние влаги в капиллярной кайме дерново-подзолистой почвы при восходящем потоке из грунтовых вод

При соприкосновении ненасыщенного водой профиля дерновоподзолистой супесчаной почвы колонны (20х20х200 см) с грунтовыми водами (ГВ) последние под действием градиента потенциала, направленного сверху вниз, начинают перемещаться в почву, насыщая ее профиль до предельно возможного состояния. Испарение воды с поверхности открытой части колонны обусловливает постоянный приток влаги из ГВ в зону аэрации и в атмосферу. Однако степень заполнения порового пространства почвы водой все время разная, она зависит от испаряемости атмосферы, интенсивности потока влаги через почву, температуры воздуха и атмосферного давления (Шишов, Муромцев, Большаков и др., 2000). Для изучения интенсивности потока влаги через колонну, максимальной высоты ее капиллярного подъема, объемов влаги, аккумулированной почвой и ее испарения с поверхности и некоторых других параметров, характеризующих состояние влаги в капиллярной кайме (КК) на различных глубинах почвенной колонны были установлены тензиометры. Полученная с их помощью информация представлена в таблицах 1 и 2.

Максимальный капиллярный подъем влаги в первой колонне (почва ненарушенного сложения) составил 100 см, а во второй (почва нарушенного сложения) – 83 см. Водный баланс почвы в обоих случаях положительный, конечные запасы влаги составили: в надкапиллярной зоне – несколько меньше наименьшей влагоемкости (НВ), в верхней части капиллярной каймы (КК) – от НВ до 0,8 НВ, а в остальной части колонн больше НВ. В первой колонне за 6-месячный срок наблюдений расход ГВ составил 75,2 мм, из них только 12,4 мм аккумулировались в зоне аэрации, а остальные – 62,8 мм пошли на физическое испарение с поверхности (в среднем 0,99 мм/сут). Максимальная скорость капиллярного подъема в самой нижней части колонны составила 0,83 мм/мин, а минимальная в верхней части КК – 0,07 мм/мин. В средней ее части скорость подъема влаги характеризуется значениями 0,13-0,12 мм/мин. Интенсивность потока влаги уменьшается снизу вверх. Гидростатическое давление передается до глубины 66-67 см от уровня грунтовых вод.

Таблица 1 .Некоторые характеристики капиллярных явлений при восходящем потоке влаги в дерново-подзолистой супесчаной почве

Примечание: h –высота установки тензиометров над УГВ; T 1 –время подъема ГВ до тензиометра; T 2 – время максимального насыщения слоя почвы; Q 1 и Q 2 – расход воды за время Т 1 и Т 2 , мм; V к - средняя скорость капиллярного подъема за время Т 1 ; I – средняя интенсивность капиллярного потока влаги.

Аналогичные закономерности изменения параметров капиллярных явлений наблюдаются и во второй колонне с почвой нарушенного сложения. Однако абсолютные значения многих из них иные. Сравнение их между собой свидетельствует о том, что максимальная высота и средняя скорость капиллярного подъема, интенсивность потока влаги, объем расхода грунтовых вод, количество аккумулированной влаги и физическое испарение с поверхности почвы выше в колонне с ненарушенным сложением по сравнению с почвой нарушенного сложения. Следовательно, нарушение естественного сложения дерново-подзолистой супесчаной почвы приводит к уменьшению высоты и скорости капиллярного подъема и интенсивности потока влаги из грунтовых вод. Капиллярная кайма в супесчаной почве в отличие от суглинистой, например, аллювиальной луговой (Муромцев, 1984) подразделяется на две зоны.

В первой из них (66-67 см от УГВ) вода насыщает поровое пространство почвы до 59-52% от ПВ, а во второй зоне– от 34 (6 см) до 38-40%. Первая зона характеризуется сплошностью (неразрывностью) водного тела, благодаря чему гидростатическое давление передается на всем ее протяжении.

Во второй зоне, судя по показанию тензиометров, влага разобщена и представляет собой отдельные, разъединенные друг от друга, разной протяженности водные участки. Нарушение естественного сложения приводит к тому, что на некоторых уровнях первой зоны КК наблюдается существенное расхождение показаний приборов и глубин их установки над УГВ. Это расхождение обусловлено несвойственным для данных высот КК излишне высоким содержанием влаги.

Сравним некоторые характеристики капиллярных явлений в КК аллювиальной (Муромцев,1984) и дерново-подзолистой почвах между собой. Максимальная высота капиллярного подъема в суглинистой почве значительно выше, а мощность первой зоны КК (от ГВ), где наблюдается полная гидравлическая связь влаги, наоборот, несколько ниже по сравнению с супесчаной. Кажущиеся противоречие вполне объяснимо. Почвенный профиль аллювиальной почвы в большей степени неоднороден и резко дифференцирован на генетические горизонты и слои, значительно различающиеся между собой по гидрофизическим свойствам, особенно в нижней части, по сравнению с дерново-подзолистой почвой. Тяжелый гранулометрический состав и высокий процент микропор от суммарной порозности обеспечивают здесь наибольшую высоту поднятия влаги из ГВ (табл. 3). Но в то же время, резкие границы перехода генетических горизонтов и отдельных слоев (прослоек) обусловливают и возможность разрыва капиллярных связей при относительно высоком содержании влаги.

В супесчаной почве поровое пространство более однородно, соотношение пор разного размера более постоянно по высоте профиля по сравнению с суглинистой. Поэтому различие между высотой подъема и первой зоной КК здесь меньше. Средние значения скорости подъема и интенсивности потока соответственно в 1,5 и 30 раз выше в монолите суглинистой почвы, чем в монолите супесчаной. Время подхода фронта смачивания к верхним зонам КК суглинистой почвы заметно меньше чем в супесчаной. Расход ГВ на физическое испарение и аккумуляция ее выше в суглинистой почве.

Одно из положений, вытекающих из анализа материала, заключается в установлении нарушения сплошности водного тела в средней и верхней частях КК суглинистой и в верхней (второй) зоне КК супесчаной почв, т.е. в условиях содержания влаги, превышающего НВ. Однако это положение не противоречит известным представлениям, выдвинутыми А.А. Роде (1965), в соответствии с которыми разрыв капиллярных связей в суглинистых почвах характеризуется влажностью, меньшей или равной НВ. Дело заключается в том, что в соответствии с принятой методикой, НВ определяют в условиях, близких к равновесным. Когда отсутствует заметное движение влаги (теоретически оно должно отсутствовать), тогда содержание ее при НВ действительно может характеризоваться наличием гидравлической связи во всем объеме промоченной толщи или в значительной ее части, обеспечивающей передачу гидростатического давления.

Иная картина распределения влаги, даже при значительно большем ее содержании, чем НВ, в условиях восходящего потока и испарения с поверхности. В этих условиях, характеризуемых нестационарностью потока, имеет место значительное по объему защемление воздуха, особенно в крупных порах (Романов, 1979; Реек, 1969; Aggarwal, Sharma, 1977). С другой стороны, испарение влаги с поверхности почвы, особенно при высокой общей испаряемости, может приводить к разрыву капиллярных транзитных путей. Физическая сущность этого явления заключается в несоответствии интенсивности потока почвенной влаги (расхода влаги из ГВ) и интенсивности испарения с поверхности. Ликвидации разрывов поступающей из ГВ влаги препятствуют пузырьки воздуха, которые при определенных условиях могут соединяться в значительные по размерам воздушные полости.

Вместе с тем, мы полагаем, что сработка КК при испарении влаги с поверхности может достигать значительных размеров по мощности и затрагивать вторую зону КК. В связи с этим, можно предположить, что в условиях, когда УГВ находятся близко к поверхности почвы, например, на глубине 40-50 см, сработка КК будет осуществляться вплоть до зеркала ГВ. С целью проверки этого положения проведены исследования с использованием специального лизиметрического устройства при УГВ, расположенных (последовательно и одновременно) на глубинах 60, 50, 35 и 25 см от поверхности (рисунок). Тензиометры, установленные на этих глубинах, при изменении УГВ оказывались на разном расстоянии от ГВ, в том числе и под их уровнем.

Анализ полученных материалов свидетельствует о том, что при УГВ 60 см показания только первого тензиометра, установленного в пределах ГВ, соответствуют отметке УГВ; показания остальных приборов указывают на наличие водного дефицита в КК даже в самой ее нижней части (на расстоянии 10 см от УГВ). С увеличением расстояния от УГВ в пределах от 10 до 35 см расхождения между показаниями приборов и отметками УГВ возрастают с –8 до –36 мм водн.ст. Это свидетельствует о том, что вся КК, представляющая собой в данном случае зону аэрации, является толщей активного влагооборота и потеря влаги происходит одновременно из всей 60 см толщи. Вполне естественно, что с повышением УГВ (соответственно на 10, 25 и 35 см) расхождение показаний тензиометров, расположенных над УГВ, и расстояний до УГВ увеличивается в связи с уменьшением обводненности порового пространства. Интенсивность расхода ГВ при их уровне 55 см составляет 0,7-1,1 мм/сутки, а при УГВ 25 см – 1,5-1,7 мм/сутки.

Схема устройства для изучения капиллярных явлений почвенной влаги: 1 – металлическая емкость высотой 670 мм и диаметром 600 мм, 2 – почва, 3 – дренажная засыпка, 4 – фильтр, 5 – тензиметр, 6 – пьезио-метр, 7 – кран пьезиометра, 8 – тарированная бутыль с водой, 9 – шланг, 10 – тройник, 11 – пробка, 12 – подставка.

Следовательно, при приближении УГВ к поверхности почвы мощность КК и запасы влаги в ней уменьшаются, а интенсивность расхода ГВ – увеличивается. Максимальная интенсивность наблюдается в процессе заполнения порового пространства (компенсации недостатка во-донасыщения) при поднятии УГВ, т.е. при установке ГВ на новом, более высоком уровне. Так, например, при увеличении УГВ с 60 до 50 см, интенсивность потока возрастает в течение одних суток до 3 мм, а затем падает до 1,1-1,5 мм/сутки. Максимальная величина интенсивности потока имеет место при повышении УГВ с 50 до 50 и с 35 до 25 см: в течение первых суток она составляет значение порядка 11-15 мм/сутки.

Таким образом, в основу подразделения КК на гидрологические зоны положены: степень обводненности порового пространства, содержание влаги в категориях, наличие или отсутствие равновесного состояния, гидравлической связи и гидростатического давления и некоторые дру- гие свойства, характеризующие качественное и количественное состояние влаги в почве.

Капиллярная кайма в дерново-подзолистой супесчаной почве подразделяется на две зоны. В первой мощностью 66-67 см от УГВ насыщение порового пространства ГВ составляет 60-52% от ПВ, а во второй мощностью 34-16 см (в зависимости от сложения) – до 40-38%. В первой зоне КК влага характеризуется сплошностью водного тела, во второй она разобщена и представляет собой отдельные, различной протяженности участки, разъединенные скоплениями защемленного и свободного воздуха.

В условиях близкого залегания от поверхности ГВ интенсивность их расхода на испарение может достигать значительных величин, а КК представляет собой зону активного влагооборота – расход влаги осуществляется одновременно из всей ее части. При понижении УГВ в условиях высокой испаряемости наблюдается разрыв транзитных влагопроводящих путей, заполняемых воздухом. Это приводит к потере сплошности водного тела и ликвидации гравитационного давления в отдельных участках КК.