Динамика поглощения воды почвой

При поверхностных самотечных поливах вода движется по поверхности и впитывается. Это сложное физическое явление, представляющее собой неустановившееся движение воды в почву под действием капиллярных и гравитационных сил. Скорость движения воды , м/с, определяется по формуле Шези для установившегося движения:

, (1)

где - скоростной коэффициент, зависящий от степени шероховатости;

- гидравлический радиус, м;

- гидравлический (продольный) уклон.

Скорость поглощения воды почвой, насыщенной водой ,м/с, подчиняется закону Дарси:

(2)

где - коэффициент фильтрации, м/с;

- градиент напора, м/м.

Градиент напора , м/м, определяется как:

где - слой воды на поверхности, м;

- глубина просачивания, м.

С увеличением глубины просачивания скорость поглощения уменьшается, поскольку вода встречает сопротивление защемленного воздуха. В настоящее время имеется много формул для определения скорости впитывания во времени , м/ч или м/с, но наиболее широкое распространение получила формула А.Н. Костякова:

, (3)

где - скорость поглощения воды почвой в конце 1-й единицы времени, м/ч или м/с;

- время от начала впитывания, час или с;

-показатель степени, характеризующий динамику поглощения воды почвой.

Кривая, построенная по этой зависимости, изображена на рисунке 1. Весь процесс можно разделить на 2 основных этапа:

1 этап - впитывание - это быстрое поглощение воды почвой, когда скважность (поры) не заполнены водой, но по мере заполнения пор водой скорость впитывания уменьшается и наступает состояние фильтрации.

2 этап - фильтрация, происходит равномерное движение воды в почве сверху вниз под действием сил тяжести.

От показателя степени зависит форма кривой, а зависит от свойств почвы, ее начальной влажности. Для легких по гранулометрическому составу почв (легководопроницаемых) кривая впитывания более пологая, чем для слабоводопроницаемых (тяжелых почв) (рисунок 2).

При повышенной влажности почвы скорость впитывания вначале меньше, соответственно и меньше, а при пониженной влажности наоборот.

Для расчета элементов техники полива обычно пользуются средней скоростью впитывания.

Чтобы определить среднюю скорость впитывания , необходимо вычислить площадь фигуры (рисунок 3) и разделить на t (время), т.е. взять определенный интеграл.

Обозначим и назовем средней скоростью за 1-ю единицу времени, тогда:

. (4)

Но и a величины неизвестные. Прологарифмируем уравнение (4):

, (5)

Получается уравнение прямой в отрезках с постоянным коэффициентом. Прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный , а a - это тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс (рисунок 4).

Координаты этих точек находятся опытным путем. Для этого выбирается обвалованная площадка не менее 1 квадратного метра, создается и поддерживается на ней слой воды и ведется учет впитавшегося объема воды за определенный интервал времени и вычисляется средняя скорость впитывания.

За 1-й интервал времени впитался объем :