Podpovrchové vody PŮDNÍ VODA

Transkript

1 Podpovrchové vody PŮDNÍ ODA

2 Podpovrchové vody = část hydrosféry, která se nachází pod zemským povrchem a to bez ohledu na formy výskytu a skupenství Půdní voda HYDROPEDOLOGIE část podpovrchové vody obsažené v půdě nevytváří souvislou vrstvu zabezpečuje vodu pro rostliny nenasycené prostředí Podzemní voda - HYDROGEOLOGIE část podpovrchové vody vyplňující dutiny hornin zpravidla vytváří souvislou vrstvu zásobárna pitné vody zdroj vodnosti řek a jezer nasycené prostředí

3 znik podpovrchových vod Podle původu vadózní (mělké) vody v mělkých vrstvách zemské kůry infiltrací povrchové vody součást koloběhu vody největší část celkových zásob podpovrchových vod juvenilní (mladé) vody nepatrná část celkových zásob kondenzací vodních par v dutinách a pórech hornin může vyvěrat ve vulkanických oblastech a tektonických zlomech nezúčastnila se koloběhu vody

4 Objemová vlhkost Θ Půdní voda vlhkost půdy w c mw mw 3 % g / 100 cm w c c w objem vody - objem vzorku celého prostředí c Stupeň nasycení Θ s s w p w objem vody p objem pórů 0 1, % (100% všechny póry jsou zaplněné stav nasycení) Hmotnostní vlhkost w [g/g] - nejběžnější vyjádření w m m w s m w hmotnost vody m s hmotnost suché půdy neuvažuje se pórovitost

5 Měření vlhkosti půdy přímá metoda Gravimetrická měří se přímo hmotnost vody ve vzorku (sušení vzorku o známém objemu) Hmotnostní vlhkost w - u porušeného vzorku w m m m s s m hmotnost měřeného vzorku co nejdříve po odebrání m s..hmotnost vysušeného vzorku - do laboratoře převážet ve svislé poloze - sušení při 105 C (60 C pro půdy s vysokým obsahem organické hmoty) cca 24 hodin Objemová vlhkost Θ u neporušeného vzorku vykrajujeme vzorek o známém objemu w c mw w m w c c c m m s Kopeckého válečky 100 cm 3

6 ýhody gravimetrického měření přesná metoda (kalibrace pro ostatní metody) není závislá na druhu půdy nenáročná na vybavení jednoduchý výpočet Nevýhody odběr malého vzorku, který nemusí odpovídat reprezentativnímu elementárnímu objemu nelze zautomatizovat časově náročné

7 Měření vlhkosti půdy nepřímé metody Měření potenciálu odporová metoda vztah závislosti vlhkosti půdy na elektrickém odporu Měření odvodu tepla měří se rychlost šíření tepla z topného článku do teplotního čidla Neutronová metoda měří se zpomalení rychlých neutronů při průchodu půdou vlivem jejich srážky s vodíkovými můstky Gamaskopická metoda měří se absorpce a rozptyl γ-záření při průchodu půdou změna s vlhkostí Metody dálkového průzkumu z letadel, družic snímkování ve viditelné a IR oblasti spektra : různá vlhkost různá odrazivost světlá a tmavá místa sádrové bločky

8 Měření objemové vlhkosti a teploty půdy

9 Měření vodivosti půdní vody

10 Pórovitost půdy = prostor, ve kterém se podpovrchová voda akumuluje nebo pohybuje elikost pórů rozhoduje : - o množství zadržené vody - čím je větší pórovitost, tím větší množství vody může půda přijmout (ale nemusí udržet) - velikost dutin podmiňuje druh pohybu vody - velké póry pohyb účinkem gravitace turbulentní proudění - malé póry pohyb vlivem kapilárních sil laminární proudění Pórovitost je u minerálních půd %, u rašelin až 90 %.

11 Pórovitost půdy (zeminy) Pórovitost P (menší než 100 %) Číslo pórovitosti e tam, kde není možno stanovit c nesoudržné půdy P objem pórů c celkový objem Z objem zeminy bez pórů c = p + z C Z C C P P Z P e P P e e e P 1 1 z P z P e e e e e e e e P z z z z z P z P c P 1 1

12 Zemina Číslo pórovitosti e [-] Stejnozrnný písek kyprý 0,8 Stejnozrnný písek ulehlý 0,45 Kyprý prachovitý písek s ostrohrannými zrny 0,65 Ulehlý prachovitý písek s ostrohrannými zrny 0,4 Tuhý jíl 0,6 Měkký jíl 0,90-1,40 Spraš 0,9 Měkký organický jíl 2,50-3,20 Ledovcový till 0,3

13 Prakticky se pórovitost stanovuje na základě stanovení měrné a objemové hmotnosti Měrná hmotnost zeminy u porušených vzorků Z m s Z minerální půdy 2,5 2,7 g/cm 3 písčité půdy 1,9 g/cm 3 rašelinné půdy 0,18 1,6 g/cm 3 Objemová hmotnost zeminy u neporušených vzorků d m s C protože celkový objem zeminy c (dá se stanovit snadno) je větší než z (problematické stanovení) z d

14 Stanovení měrné hmotnosti zeminy Z m s Z Stanovení m s vážením Stanovení z pyknometrem Pyknometr s destilovanou vodou m w Zeminu povaříme s vodou odstranění vzduchu Suspenzi nalijeme do stejného pyknometru a doplníme destilovanou vodou m wz Z = m s + m w m wz = objem vody vytlačené z pyknometru po přisypání zeminy

15 Pórovitost zeminy c z c c P P z s z z s z m m d s c c s d m m z d z P Početně Experimentálně m s hmotnost vysušeného vzorku m sw hmotnost vysušeného vzorku nasyceného vodou w s sw P m m měrná hmotnost zeminy objemová hmotnost zeminy

16 Na pórovitost má zásadní vliv uspořádání jednotlivých zrn. Stejnozrnný materiál Stejnozrnný písčitý materiál % (průměr 37 %) Kubické uspořádání teoreticky maximální P P c d 3 d 6 3 d 3 0,48 48% max Hexagonální uspořádání teoreticky minimální 26 % min

17 Nestejnozrnný materiál Ornice kyprá > 65 % Ornice ulehlá 45 % Spodina < 35 % Čisté písky % Pískovec % ápenec 5 % yvřeliny 0,2 6 % Propustnost hornin (zemin) schopnost propouštět vodu charakteristika půdy Závisí do jisté míry na pórovitosti, ale více na velikosti pórů hlína P 60 %, malé póry, malá propustnost písek P 25 %, větší póry, větší propustnost

18 Propustné horniny - kolektor štěrk, písek, úlomkovité sedimenty, rozrušené horniny, pórovité vyvřeliny Polopropustné horniny - kolektor hlinité písky, spraše, stmelené úlomky hornin pískovec, slepenec, rozrušené vápence Nepropustné horniny - izolátor Celistvé horniny žula, porfyr, znělec, čedič,diabas, vápenec Slepené horniny (jílová složka převažuje a póry jsou minimální) jíly, slíny, slínové břidlice

19 Rozdělení podpovrchové půdní vody podle vazebných sil 1 částice půdy s neúplnou hygroskopicitou 2 - částice půdy s úplnou hygroskopicitou 3,4 částice s kapilární vodou 5 - částice s gravitační vodou azba vody na půdní částice chemická (400 C) krystalicky vázaná fyzikálně chemicky vázaná fyzikálně vázaná vodní pára rovnováha v závislosti na teplotě a tlaku vypařování a kondenzace pohyb 1. adsorpční voda hygroskopická molekulární síly van der Waals polární vodíkové můstky elektrostatické síly 2. obalová voda kapilární 3. gravitační voda nepůsobí jiné než gravitační síly

20 adsorpční voda pevně vázána molekulárními silami do naplnění monomolekulární adsorpční kapacity obalová (kapilární) voda menší molekulární síly větší pohyblivost pouze k sousední částici kapilární vzlínání vyplňuje póry v půdách a pukliny v horninách gravitační voda pohyblivá vlivem gravitačních sil může dosáhnout hladiny podzemních vod voda v pevném skupenství

21 Závislost množství adsorpční vody na tenzi par monomolekulární vrstva P tenze par P 0 tenze nasycených par w hmotnostní vlhkost Hysteréze způsobena rozdílnou vlastností suchého a vlhkého povrchu, změna velikostí pórů vlivem vlhkosti-bobtnání

22 Obalová kapilární voda menší molekulární síly větší pohyblivost než adsorpční (pouze k sousední částici), působí kapilární síly dané povrchovým napětím, smáčecím úhlem Smáčecí úhel a úplné smáčení γ = 0 - hydrofilní materiály b neúplné smáčení 0 < γ < 90 c nesmáčení γ > 90 - hydrofóbní materiály 4. Gravitační voda působí gravitační síly

23 velikost pórů x propustnost nízká vlhkost větší povrch menší povrch vysoká vlhkost

24 Půdní hydrolimity - charakterizují určitou půdní vlhkost za určitých daných podmínek Základní Θ a (AK) adsorpční vodní kapacita Θ rk (RK) retenční vodní kapacita po odtečení gravitační vody Θ pk polní kapacita stanoveno v polních podmínkách Θ mkk max. kapilární vodní kapacita stanoveno v laboratoři Θ s (PK) plná (saturační) vodní kapacita při plném nasycení Podmíněné Θ MAK monomolekulární adsorpční kapacita Θ h - číslo hygroskopicity (při 96 % nasycených par) = vlhkost, která je v systému, když máme 96% nasycení prostoru vodní parou Θ v bod vadnutí rostliny trvale vadnou Θ sd bod snížení dostupnosti dolní hranice pohyblivosti půdní vody pro využití rostlinami Θ vvk využitelná vodní kapacita (Θ pk Θ v ) max. množství vody využitelné rostlinami Θ - Θ v - aktuální zásoba vody Θ aktuální vlhkost

25 Profil podpovrchové vody Provzdušněné pásmo (zóny aerace) nenasycené prostředí (v pórech je i vzduch) půdní voda (vlhkost zeminy) Zóna nasycení podzemní voda Izolátor kolektor zvodeň zvodeň

26 Energetické kategorie půdní vody adsorpční obalová kapilární voda gravitační voda Potenciál půdní vody Potenciál půdní vody - energetický stav půdní vody = soubor komplexně působících sil, které vodu udrží v nějakém bodě vztaženo k referenční úrovni Referenční úroveň půdní potenciál je nulový = hladina podzemní vody Potenciál půdní vody je energie na jednotkovou hmotnost vody [J/kg] základní způsob definice potenciálu energie na jednotkový objem vody [J/m 3 ] sací tlak [N/m 2 ] (Pa) (sací) tlaková výška h [cm] - v praxi nejčastěji používané převodem tlakových jednotek p na hydraulické výšky h p w g h

27 Potenciál půdní vody Celkový potenciál Φ množství práce vykonané při převedení jednotkového objemu vody z roviny volné hladiny čisté vody k danému bodu systému voda zemina součet potenciálů gravitační φ g rozdíl úrovní hydraulický spád, účinky tíhového pole osmotický φ o osmotický tlak půdního roztoku - zanedbáváme pneumatický φ a rozdíl atmosférického tlaku a tlaku plynů v půdě - zanedbáváme kapilární vlhkostní φ w kapilární síly na fázovém rozhraní v kapilárách mezi plynnou, kapalnou a pevnou fází zátěžový φ e zatížení vody stlačenou půdou - zanedbáváme g w o a e

28 Potenciál půdní vody Nejdůležitější složky půdního potenciálu gravitační φ g kapilární (vlhkostní) φ w gravitační potenciál φ g g m g m h g h h výška nad HP

29 Potenciál půdní vody kapilární potenciál φ w h k 2 R g L g R r cos h k max. výška kapilárního vzlínání σ povrchové napětí R poloměr menisku r poloměr kapiláry Se zvětšujícím se úhlem smáčení se zmenšuje cos γ, což znamená, že se zvětšuje poloměr menisku pro dokonalé smáčení : γ 0, cos γ = 1, σ = 7, N/m, ρ L = kg/m 3 h ki 2 cos r g i L 0,15 r cm w i Závislost výšky kapilárního vzlínání a kapilárního potenciálu na vlhkosti Čím je větší poloměr kapiláry, tím je menší výška kapilárního vzlínání, tzn., že se zvyšující se vlhkostí se snižuje kapilární potenciál Při r = 10-5 cm (makropóry) se již kapilární síly neuplatňují.

30 F Aplikujeme sílu F opačnou než je kapilární síla o velikosti odpovídající tlakové výšce h Odvodní se všechny kapiláry o poloměru větším než je odpovídající poloměr r

31 Tenzometr Měření potenciálu půdní vody terénní měření Měří sací výšku způsobený tlak uvnitř tenzometru

32

33 Retenční čára půdní vlhkosti hystereze schopnost půdy zadržovat vodu v závislosti na vlhkosti φ w (sací tlak), pf Důvody hystereze - proměnlivost průřezu kapilár - různá hodnota smáčecího úhlu při vstupu do suchého prostředí a ústupu z vlhkého prostředí

34 Stanovení retenční čáry vlhkosti Podtlaková metoda Kopeckého válečky 100 cm 3 Pro tlaky Pa

35 Stanovení retenční čáry půdní vlhkosti Přetlaková metoda

36 Příprava půdních vzorků