Структура на почвата
Под структура на почвата се разбира разположението на твърдата фаза в земната маса. Както е известно, почвата се състои от твърди частици и пори, изпълнени с вода, въздух или водна пара, най-често частично с въздух, частично с вода. Според разположението на твърдите частици в почвата се определя нейната структура. Структурите на несвързаната и свързаната почва съществено се различават една от друга.
Структура на несвързаната почва
Структурата на несвързаната почва се формира под действието на гравитацията. Твърдите частици на тази почва са по-едри и падат надолу, утаяват се под действието на гравитацията, докато междумолекулните привличащи сили между такива частици липсват или са незначителни и са преодолени от гравитацията. Поради това при несвързаната почва твърдите частици се подреждат една до друга, заемайки свободното пространство между наредените частици (фиг. 1_a_). Ако частиците на несвързаната почва са приблизително кръгли и с еднакъв размер, както може да е при еднородно песъчлива почва, тогава структурата може да бъде най-плътна (фиг. 1_b_) или най-рядка (фиг. 1_c_), в зависимост от разпределението на твърдите частици в почвата. Най-плътната структура съответства на най-голямата възможна уплътненост на несвързаната почва и нейната порьозност е nmin=26%. Най-рядката структура съответства на най-малката възможна уплътненост на несвързаната почва и нейната порьозност е nmax=48%. Така например рехавият дюнен пясък има n=47%.
Сл. 1 Структура на несвързана почва
Ако несвързаната почва е с различна едрина на зърната, така че по-фините частици запълват кухините между по-едрите (фиг. 2), порьозността на почвата е значително по-малка (n=20% и по-малко).
Фиг. 2. Структура на несвързана почва с различна едрина на зърната
Структура на свързаната почва
При свързаната почва структурата е различна от тази при несвързаната. При свързаната почва се появяват сили на кохезия, които са по-силни от силата на тежестта на дребните частици и ги слепват по допирните повърхности. Поради това тези частици не падат последователно надолу, а остават слепени една върху друга и една до друга (сл. 3_a_), като по този начин образуват верижно-мрежеста структура (сл. 3_b_), люспеста (сл. 3_c_) и т.н., които се наричат структури от по-висок ред. Такива структури имат голяма порьозност, която може да достигне 60-80% от общата маса, което не може да бъде при несвързана почва.
Фиг. 3. Структура на свързаната почва
Порьозност и коефициент на порьозност
Порьозността на почвата се определя като отношение на обема на порите към общия обем на почвата (фиг. 4).
Фиг. 4. Порьозност и коефициент на порьозност на почвата
Ако означим с
- Vp = обема на порите в почвата
- Vm = обем на твърдите частици
- V = общия обем на почвата,
порьозността на почвата n по определение е
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
т.е. в % от общия обем на почвата
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Коефициентът на порьозност на почвата се определя като отношението на обема на порите към обема на твърдите частици:
e = VP / Vm.
От образеца за порьозност n имаме:
nVP + nVm = VP, откъдето Vm = VP(1-n) / n.
Замествайки тази стойност във формулата за e получаваме
e = n / (1-n).
От това уравнение получаваме
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Коефициентът на порьозност показва плътността на почвата. Колкото по-голям е коефициентът e, толкова по-малка е плътността на почвата и обратно. Ако някаква свиваема почва се сляга под натоварване, чрез коефициента на порьозност преди и след слягането може да се определи големината на слягането Δ_h_.
Да разгледаме слой свиваема почва с дебелина h (фиг. 5_a_). Ако натоварим този слой, той ще се сляга с височина Δ_h_, така че дебелината му вследствие на натоварването ще се намали до h1. Следователно
Δ_h_ = h – h1.
Тъй като слягането на свиваемата почва се извършва за сметка на порите, защото твърдите частици са практически несвиваеми, а също и водата, ако порите на почвата са запълнени с нея частично или напълно, това слягане може да се представи схематично на фиг. 5_b_.
Фиг. 5. Слягане Δh на свиваем почвен слой с дебелина h под натоварване
Ако означим с h0 мислената височина на слоя от твърди частици без пори, наречена редуцирана височина, тогава можем да изразим слягането Δ_h_ спрямо редуцираната височина h0 с отношението:
Ако разглеждаме слой почва с ширина и дължина, равни на единица, тогава височините h, h1 и h0 представляват обеми, следователно е
където e е коефициентът на порьозност преди, e1 след слягането. От горното се получава слягането
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Слягането може да се изрази по отношение на височината на слоя h преди слягането, ако заместим стойността на редуцираната височина h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
тъй като n = VP / V = VP / h_, от което VP = nh.
От това се получава
Отделните видове почви имат следните средни стойности на порьозност n и коефициент на порьозност e:
Влажност на почвата
Видове вода в почвата
Водата в почвата се появява под формата на вода в порите между твърдите частици, т.нар. порова вода, след това като адсорбирана вода върху твърдите частици и като конституционна вода.
Порната вода се състои от свободна вода между твърдите частици, чието движение се извършва по закона на Дарси, след това от гравитационна вода, която се движи под действието на гравитацията отгоре надолу във всички посоки, но нейното движение не се извършва по закона на Дарси, от капилярна вода, която се движи под действието на капилярните сили, и от вода на повърхностното напрежение, която се задържа от повърхностното напрежение в ъглите между твърдите частици на почвата и се нарича още ъглова порна вода. Цялата тази вода може напълно да се отстрани чрез сушене на почвата при температура от 110oC.
Адсорбираната вода е онази, която обгръща твърдите частици, за които е свързана с молекулни сили. Това е т.нар. воден филм, чиято дебелина е 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, милимикрон). Влиянието на адсорбираната вода при по-едрите частици е незначително, но колкото по-фини са частиците, толкова по-голямо е нейното влияние, тъй като се увеличава общата повърхност на частиците, а с това и отношението на адсорбираната вода към твърдите частици в единица обем на почвата. Тази вода може да бъде отстранена само частично чрез сушене при 110oC.
Конституционната вода е химически свързана в кристалите на минералите на твърдите частици на почвата. От тази вода има много малко и тя не може да бъде отстранена чрез изсушаване на почвата. Следователно тази вода може да се счита за съставна част на твърдата частица.
Количество вода в почвата
По определение количеството вода в почвата или влажността на почвата е отношението между тежестта на водата, съдържаща се в почвата, и тежестта на нейните твърди съставки. Според количеството вода в почвата се различават три случая: почва напълно наситена с вода, почва частично наситена с вода и напълно суха почва.
Почва, напълно наситена с вода
Ако означим с n порьозността на почвата, γs обемната тежина на всички частици, γw обемната тежина на водата, тогава влагосъдържанието на наситената почва wZ може да се изрази със следното уравнение
Почвата частично наситена с вода
Ако означим с Ww теглото на водата, съдържаща се в почвата, а с Wd теглото на твърдите частици, тоест сухото тегло на почвата, тогава влажността на почвата w
w = Ww / Wd , т.е. в проценти от сухото тегло на почвата: w = 100 Ww / Wd.
В този случай влажността на почвата може да се изрази чрез степен на влажност Sr, която представлява отношението между действителната тежест на водата в почвата и онази тежест на водата в същата почва, която би била налице, ако всички пори бяха изпълнени с вода, респ. спрямо тежестта на водата в наситена почва:
респ. за _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Граничните стойности за степента на влажност са:
- за напълно суха почва w = 0; Sr = 0
- за напълно наситена почва w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Фиг. 6. Почвен образец, частично наситен с вода
Степента на насищане (която понякога се нарича още наситеност или степен на влажност) се изразява също и чрез отношението на обема на порите, изпълнени с вода, към общия обем на порите (фиг. 6):
Sr = V2 / V1
където V2 е обемът на порите, запълнени с вода, V1 е общият обем на порите, запълнени с вода, въздух и газове. Ако w е влажността на почвата в % от сухото тегло на почвата Wd, тогава имаме
V2 * γW = w Wd, откъдето V2 = w Wd / γw.
От друга страна, имаме, че V1 = V – Vd, а понеже Vd * γs = Wd, то е
Vd = Wd / γs и V1 = V – Wd / γs.
Следователно степента на насищане на почвата Sr ще бъде
тоест в проценти от сухото тегло на почвата
Почвата напълно суха
В този случай w = 0. Цялата порова вода е отстранена, докато адсорбираната вода е само частично отстранена, т.е. водният филм все още съществува, но неговата дебелина е намалена.