Свободная вода
СВОБОДНАЯ ВОДА (а. free water; н. freies Wasser; ф. eau libre; и. agua libre) — подземная вода, содержащаяся в горных породах и находящаяся под влиянием капиллярных и гравитационных сил. Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, а при уменьшении влажности — только углы пор в горных породах.
Капиллярная свободная вода, связанная с уровнем грунтовых вод, называется капиллярно-поднятой, в отрыве от него — капиллярно-подвешенной водой. Оба вида капиллярной свободной воды передают гидростатическое давление и перемещаются под действием сил поверхностного натяжения.
Капиллярно-поднятая вода образует т.н. капиллярную кайму, которая постоянно восстанавливается за счёт подтягивания воды по капиллярам с уровня грунтовых вод. Капиллярное поднятие зависит от гранулометрического и минералогического состава пород зоны аэрации, температуры воды и от других факторов. Максимальная высота поднятия в глинистых породах 8-10 м, в крупнозернистых песках несколько см, в галечниках и гравии отсутствует.
Капиллярно-подвешенная вода образуется чаще всего в супесчаных отложениях в основном за счёт атмосферных осадков. Наибольшее количество этой воды, удерживаемое породой, соответствует наименьшей влагоёмкости или водоудерживающей способности породы. Капиллярная вода в зависимости от состава горных пород по-разному влияет на изменение физико-механических свойств горных пород. Как правило, она приводит к уменьшению прочности пород в горных выработках.
Гравитационная вода перемещается в горные породы под действием силы тяжести и градиента напора, возникающего как за счёт разности гипсометрических отметок (для верхних водоносных горизонтов), так и за счёт различного геостатического давления (для глубокозалегающих горизонтов). Её содержание зависит от пористости и трещиноватости горных пород (максимальная насыщенность горных пород водой называется полной влагоёмкостью). Содержание гравитационной воды в породе определяется как разность между полной и капиллярной влагоёмкостью.
Гравитационная вода, легко отдаваемая горными породами, добывается для водоснабжения, она откачивается при осушении котлованов, карьеров и шахт. Интенсивный водоотбор сопровождается оседанием земной поверхности. В некоторых районах действие свободной воды приводит к развитию карста, суффозии, солифлюкции, образованию плывунов и др. В областях ведения горных работ это приводит к нарушению устойчивости бортов карьеров и откосов котлованов, повышенной обводнённости выработок, внезапным прорывам вод и плывунов в горной выработке.
Источник
Капиллярная вода. Поверхностное натяжение. Капиллярно-подвешенная, капиллярно-подпертая, капиллярно-посаженная вода
Свободная вода. Вода, которая содержится в почве сверх рыхлосвязанной, находится уже вне области действия сил притяжения со стороны почвенных частиц (сорбционных) и является свободной. Отличительным признаком этой категории воды является отсутствие ориентировки молекул воды около почвенных частиц. В почвах свободная вода присутствует в капиллярной и гравитационной формах.
Она удерживается в почве в порах малого диаметра — капиллярах, под действием капиллярных или, как их еще называют, менисковых сил. Возникновение этих сил обусловлено следующими явлениями.
Поверхностный слой жидкости по своим свойствам отличается от ее внутренних слоев. Если на каждую молекулу воды внутри жидкости равномерно действуют силы притяжения и отталкивания со стороны окружающих молекул, то молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, испытывают одностороннее, направленное вниз притяжение только со стороны молекул, лежащих ниже поверхности раздела вода — воздух.
Силы, действующие вне жидкости, относительно малы и ими можно пренебречь. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости находятся под действием сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости. По этой причине поверхность любой жидкости стремится к сокращению.
Наличие у поверхностных молекул жидкости, ненасыщенных, неиспользованных сил сцепления является источником избыточной поверхностной энергии, которая также стремится к уменьшению. Это влечет за собой образование на поверхности жидкости как бы пленки, которая обладает поверхностным натяжением, или поверхностным давлением (давлением Лапласа), которое представляет собой разницу между атмосферным давлением и давлением жидкости.
Значение поверхностного натяжения зависит от формы поверхности жидкости и радиуса капилляра. Поверхностное давление, развивающееся иод плоской поверхностью жидкости, называется нормальным. Для воды оно равно 1,07 • 10®Па. Давление уменьшается, если поверхность жидкости вогнутая, и увеличивается, в случае поверхности выпуклой.
Согласно уравнению Лапласа, когда давление жидкости меньше атмосферного и поверхность имеет вид вогнутого мениска, поверхностное давление (PJ будет меньше нормального
Как видно из приведенных формул, поверхностное давление жидкости зависит от радиуса искривленной поверхности жидкости. Чем он меньше, т. е. чем уже почвенные капилляры, тем давление больше. В капиллярах с вогнутым мениском как бы возникает вакуум, который и поднимает за пленкой столбик воды в капилляре.
Вода обладает свойством хорошо смачивать твердые тела. Поэтому при соприкосновении воды с почвенными частицами в порах-капиллярах образуются мениски тем большей кривизны, чем меньше диаметр пор. Явление смачивания обусловливает образование в почвах только вогнутых менисков.
В почвах менисковые (капиллярные) силы начинают проявляться в порах с диаметром менее 8 мм, но особенно велика их сила в порах с диаметром от 100 до 3 мкм. В порах крупнее 8 мм капиллярные свойства не выражены, так как сплошной вогнутый мениск здесь не образуется; большая часть поверхности остается плоской, искривление ее наблюдается только у стенок. Поры же мельче 3 мкм заполнены в основном связанной водой, и мениски здесь также не образуются.
Система пор, имеющихся в почвах, представляет собой сложную мозаику капилляров самого разного сочетания и размеров, в которых образуются мениски различной кривизны. В результате этого в почвах существует разность давлений не только под мениском и плоской поверхностью пленки натяжения, но и между поверхностью менисков разной кривизны. Разность поверхностных давлений называют отрицательным капиллярным давлением.
С появлением этого давления связывают способность почв удерживать определенное количество влаги в почве и подъем воды в капиллярных порах ().
Капиллярная вода по физическому состоянию жидкая. Она высокоподвижна, способна обеспечить восполнение запасов воды в поверхностном горизонте почвы при интенсивном потреблении ее растениями или при испарении, свободно растворяет вещества и перемещает растворимые соли, коллоиды, тонкие суспензии. Все мероприятия, направленные на сохранение воды в почве или пополнение ее запасов (при орошении), связаны с созданием в почве запасов именно капиллярной воды с уменьшением ее расхода на физическое испарение.
Капиллярная вода подразделяется на несколько видов: капиллярно-подвешенную, капиллярно-подпертую, капиллярно-посаженную.
Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива). При этом под промоченным слоем всегда имеется сухой слой, т. е. гидростатическая связь увлажненного горизонта с постоянным или временным горизонтом подпочвенных вод отсутствует. Вода, находящаяся в промоченном слое, как бы «висит», не стекая, в почвенной толще над сухим слоем. Поэтому она и получила название подвешенной.
В природных условиях в распределении капиллярно-подве- шенной воды по профилю почв всегда наблюдается постепенное уменьшение влажности с глубиной ( 19).
Подвешенная вода удерживается в почвах достаточно прочно, но до определенного предела, обусловленного разностью давлений, создаваемой в менисках верхней и нижней поверхностей водного слоя. Если этот предел разницы давлений превышен, начинается стекание воды. Капиллярно-подвешенная вода может передвигаться как в нисходящем направлении, так и вверх, в направлении испаряющейся поверхности. При активном восходящем движении воды в почвах близ поверхности происходит накопление веществ, содержащихся в растворенном виде в почвенном растворе. Засоление почв в поверхностных горизонтах обязано во многом данному явлению. Происходит это в том случае, если в почвах в пределах промачиваемого с поверхности слоя имеется горизонт скопления легкорастворимых солей или если полив почв осуществляется минерализованными водами.
В суглинистых почвах количество капиллярно-подвешенной воды и глубина промачивания почвы за счет этой формы воды могут достигать значительных величин (). В песчаных почвах эти показатели значительно ниже.
Капиллярно-подвешенная вода в почвах сохраняется длительное время, являясь доступной для растений. Поэтому эта форма воды с экологической точки зрения представляет особую ценность. Скорость передвижения капиллярно-подвешенной воды к поверхности и, следовательно, скорость ее испарения, т. е. потери воды из почвы, определяются главным образом структурностью почв. В структурных почвах этот процесс идет медленнее и вода дольше сохраняется в почве.
Одной из разновидностей капиллярно-подвешенной воды, встречающейся главным образом в песчаных почвах, является вода стыковая капиллярно-подвешенная ( 20). Возникновение ее в почвах легкого механического состава обязано тому, что в этих почвах преобладают поры, размер которых превышает размер капилляров. В данном случае вода присутствует в почвах в виде разобщенных скоплений в местах соприкосновения — стыка — твердых частиц в форме двояковогнутых линз («манжеты»), удерживаемых капиллярными силами.
Капиллярно-подпертая вода образуется в почвах при подъеме воды снизу от горизонта грунтовых вод по капиллярам на некоторую высоту, т. е. это вода, которая содержится в слое почвы непосредственно над водоносным горизонтом и гидравлически с ним связана, подпираемая водами этого горизонта.
Капиллярно-подпертая вода встречается в почвенно-грунтовой толще любого гранулометрического состава. Слой почвы или грунта, содержащий капиллярно-подпертую воду непосредственно над водоносным горизонтом, называют капиллярной каймой. В почвах тяжелого механического состава она обычно больше (от 2 до 6 м), чем в почвах песчаных (40—60 см). Содержание воды в кайме уменьшается снизу вверх. Изменение влажности в песчаных почвах при этом происходит более резко. Мощность капиллярной каймы при равновесном состоянии воды в ней характеризует водоподъемную способность почвы.
Капиллярно-посаженная вода (подперто-подвешенная) образуется в слоистой почвенно-грунтовой толще, в мелкозернистом слое при подстилании его слоем более крупнозернистым, над границей смены этих слоев. В слоистой толще из-за изменения размеров капилляров на поверхности раздела тонко- и грубодис- персных горизонтов возникают дополнительные нижние мениски, что способствует удержанию некоторого количества капиллярной воды, которая как бы «посажена» на эти мениски.
Поэтому в слоистой толще распределение капиллярной воды имеет свои особенности. Так, на контакте слоев различного гранулометрического состава наблюдается повышение влажности, в то время как в однородных почвогрунтах влажность равномерно убывает либо вниз по профилю (при капиллярно-подве- шенной воде), либо вверх по профилю (при капиллярно-подпер- той воде). Влажность слоистой почвенно-грунтовой толщи при прочих равных условиях всегда выше влажности толщи однородной.
Источник
Свободная вода
P. Г. Джамалов.
Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . Под редакцией Е. А. Козловского . 1984—1991 .
Полезное
Смотреть что такое «Свободная вода» в других словарях:
свободная вода — Вода, увлекаемая в гидравлическую или пневматическую систему и образующая с технологической средой две фазы, имеющие тенденцию к разделению в зависимости от плотностей воды и технологической среды. [ГОСТ Р 51109 97] Тематики промышленная чистота … Справочник технического переводчика
свободная вода — 3.3.5 свободная вода (free water): Вода, присутствующая как отдельная фаза. Источник: ГОСТ Р 52659 2006: Нефть и нефтепродукты. Методы ручного отбора проб оригинал документа 5.17 свободная … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
свободная вода — laisvasis vanduo statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. free water vok. freies Wasser, n rus. несвязанная вода, f; свободная вода, f pranc. eau libre, f … Fizikos terminų žodynas
свободная вода — laisvasis vanduo statusas T sritis chemija apibrėžtis Nepastovus vandens kiekis, esantis medžiagos kapiliaruose bei tarpsluoksniuose ir išgaruojantis iki 105 °C. atitikmenys: angl. free water rus. свободная вода … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
свободная вода — laisvasis vanduo statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Nepastovus vandens kiekis, esantis medžiagos kapiliaruose bei tarpsluoksniuose ir išgaruojantis iki 105 °C. atitikmenys: angl. free water; interstitial water vok. freies… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas
свободная вода древесины — Вода, содержащаяся в полостях клеток и межклеточных пространствах древесины. [ГОСТ 23431 79] Тематики древесина (строение и свойства) Обобщающие термины физико механические свойства древесины и их показатели EN free moisture FR i humidite libre … Справочник технического переводчика
Свободная вода древесины — 33. Свободная вода древесины E. Free moisture F. I Humidite libre Вода, содержащаяся в полостях клеток и межклеточных пространствах древесины Источник: ГОСТ 23431 79: Древесина. Строение и физико механические свойства. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
КАПЕЛЬНОЖИДКАЯ СВОБОДНАЯ ВОДА — см. Гравитационная вода … Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии
Вода гравитационная свободная — – вода, содержащаяся в порах грунта, не подверженная действию молекулярных сил, связывающих воду с поверхностью грунтовых частиц, передвигающаяся в капельно жидком состоянии под действием сил тяжести, а также сил поверхностного натяжения.… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
ВОДА БЕЗНАПОРНАЯ (СВОБОДНАЯ) — вода в порах и трещинах г. п., испытывающая давление, равное атмосферному; в основном это грунтовые воды, но встречаются и межпластовые. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
Источник
СВОБОДНАЯ ВОДА
Вода, которая содержится в почве сверх рыхлосвязанной, уже находится вне действия сорбционных сил. Такую воду называют свободной. Ее отличительная особенность —отсутствие ориентировки молекул воды по отношению к почвенным частицам. Впочвах свободная вода присутствует в двух формах: капиллярной и гравитационной.
Капиллярная вода. Удерживается и передвигается в почве под действием капиллярных (менисковых) сил, которые начинают проявляться в капиллярных порах диаметром менее 8 мм. Снаибольшей эффективностью капиллярные силы действуют в порах с диаметром от 100 до 3мкм. В капиллярах крупнее 8 мм они не проявляются, так как сплошной вогнутый мениск здесь не образуется. Поверхность воды остается преимущественно плоской, а ее искривления наблюдаются только у стенок капилляров. Капилляры с диаметром менее Змкм в основном заполнены физически связанной водой, поэтому передвижение в них капиллярной воды очень сильно замедляется или полностью исключено.
По физическому состоянию капиллярная вода жидкая. При положительных температурах она свободно испаряется с поверхности менисков, насыщая почвенный воздух парами воды, а при отрицательных температурах превращается в лед.
Капиллярная вода характеризуется высокой подвижностью и передвигается из зоны большего увлажнения в зону с меньшей влажностью как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Поэтому она способна восполнять запасы влаги в верхних горизонтах почвы при интенсивном потреблении ее растениями или испарении. Капиллярная вода способна растворять различные химические соединения, а также перемещать растворенные вещества и коллоиды. Передвижение и испарение капиллярной воды играет огромную роль в образовании засоленных почв и аккумуляции в некоторых почвах полуторных оксидов.
Капиллярная вода подразделяется на капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую.
Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почвы с поверхности, атмосферными осадками или в результате полива. При этом под увлажненным слоем всегда имеется более сухой слой почвы. Вода увлажненного слоя как будто «висит» над менее влажной толщей почвы, от стекания она удерживается капиллярными силами. При распределении капиллярно-подвешенной воды по профилю почв в естественных условиях наблюдается постепенное уменьшение влажности с глубиной. В почвах легкого гранулометрического состава влажность всегда меньше, а уменьшение количества капиллярно-подвешенной влаги выражено сильнее по сравнению с суглинками и глинами.
Капиллярно-подвешенная вода может передвигаться как в нисходящем направлении, так и в направлении испаряющей поверхности. Скорость ее передвижения к поверхности и, следовательно, скорость испарения будут тем меньшими, чем лучше оструктурены почвы и чем сильнее они затенены.
В автоморфных почвах капиллярно-подвешенная вода служит важнейшим источником влаги, доступной для растений, и с экологической точки зрения представляет собой особую ценность. Поэтому все мероприятия, направленные на сохранение и пополнение запасов влаги в почве, уменьшение ее расхода на физическое испарение, прежде всего преследуют цель оптимизировать содержание именно капиллярно-подвешенной влаги.
Одна из разновидностей капиллярно-подвешенной воды —капиллярно-подвешенная стыковая вода. Она встречается преимущественно в песчаных почвах, где преобладают крупные поры. Здесь влага присутствует в виде разобщенных скоплений в местах соприкосновений или стыков песчаных частиц в форме двояковыпуклых линз («манжет»), удерживаемых капиллярными силами.
Капиллярно-подпертая вода образуется в почвах при поступлении из грунтовых вод по капиллярам на определенную высоту. Слой почвы, содержащий капиллярно-подпертую влагу непосредственно над зеркалом грунтовых вод, называют капилляр ной каймой. В песках и супесях капиллярная кайма составляет 40-60 см, в Суглинистых и глинистых почвах — 2-5 м. Содержание воды в кайме уменьшается снизу вверх. По мере расхода капиллярно-подпертой воды на транспирацию растениями или испарение ее запас пополняется новыми поступлениями из грунтовых вод.
Гравитационная вода. Передвигается в нисходящем (или боковом по уклону местности) Направлении под влиянием силы тяжести. На неё не действуют сорбционные и капиллярные силы почвы, для такой воды характерны жидкое состояние и высокая растворяющая способность. С гравитационной водой в миграционные процессы активно вовлекаются не только разнообразные водорастворимые химические соединения, но и тонкодисперсные частицы, перемещающиеся в почвенном профиле в виде коллоидных растворов и тонких суспензий. Различают гравитационную воду, просачивающуюся и воду водоносных горизонтов.
Просачивающаяся гравитационная вода передвигается по порам и трещинам почвы сверху вниз или в боковом направлении. Ее появление связано с поступлением в почву такого количества воды, которое превышает удерживающую силу менисков в капиллярах. Просачивающаяся гравитационная вода может достигать зеркала грунтовых вод и, пополняя их запасы способствовать повышению уровня. При глубоком залегании грунтовых вод просачивающаяся гравитационная вода в процессе нисходящего движения постепенно рассасывается, трансформируясь в капиллярно-подвешенная или пленочную воду.
Вода водоносных горизонтов представлена грунтовыми, почвенно-грунтовыми и почвенными водами, насыщающими почвенно-грунтовую толщу до состояния, при котором все поры и пустоты заполнены водой. Водоносные горизонты формируются при наличии в толще почвы или грунта водоупорного горизонта.
Большое количество гравитационной влаги в почве свидетельствует о временном или постоянном избыточном увлажнении, при котором в почве создаются анаэробные условия и начинает развиваться глеевый процесс. Все осушительные мелиорации, направлены в первую очередь на удаление из почвы гравитационной влаги.
Источник
