Hydrologia

Hydrologia

I rok

Inżynieria Środowiska

Wykład nr 11

Marcin Widomski

dr inż.

p. 309

tel. wew. 4183

tel. [phone]

[e-mail]

SIŁY WIĄŻĄCE WODĘ W
GRUNCIE

Siły wiążące wodę w gruncie

Wyróżniamy TRZY grupy sił wiążących wodę

w gruncie:

• siły adsorpcyjne,
• siły dyfuzyjne,
• siły kapilarne.

Siły wiążące wodę w gruncie

Siły adsorpcyjne stanowią siły pochodzenia

molekularnego o małym zasięgu jako siły adhezyjne:

• siły London – van der Wallsa (oddzialywania dyspersyjne

pomiędzy dipolami),

• siły wiązań wodorowych ,
• siły wiązania molekuł wodnych przez pole

elektrostatyczne naładowanej elektrycznie powierzchni
cząstek gruntu.

Siły adsorpcyjne małego zasięgu przyczyniają się do bardzo

silnego wiązania cienkiej błonki wodnej na powierzchni
fazy stałej. Woda ta jest z trudem wykorzystywana przez
rośliny gdyż siły wiązania przez macierz glebową są zbyt
duże.

Siły wiążące wodę w gruncie

• Adhezja (łac. przyleganie) - łączenie się ze sobą

powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz
(stałych lub ciekłych).

Adhezji nie należy mylić z kohezją, która jest zjawiskiem związanym

z oddziaływaniami międzycząsteczkowymi występującymi "w
głębi" a nie na powierzchni danego ciała.

Miarą adhezji jest praca przypadająca na jednostkę powierzchni

którą należy wykonać aby rozłączyć stykające się ciała

Siły wiążące wodę w gruncie

Siły dyfuzyjne powstają pod wpływem wysokiej

koncentracji zaadsorbowanych jonów na
naładowanej elektrycznie powierzchni fazy stałej.

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania

się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np.
w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją
chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między
sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka.

Osmoza – dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę

półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu.
Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu
substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi
do wyrównania stężeń obu roztworów.

Siły wiążące wodę w gruncie

Siły dyfuzyjne działają w błonce wodnej otaczającej

cząstki gruntu w wyniku dyfuzji stężeniowej.

Działanie:
1. Odpychanie jonów w kierunku od powierzchni

fazy stałej, ponieważ przy jej powierzchni
stężenie jonów jest dużo wyższe niż w błonce
wodnej.

2. Różnica stężeń powoduje przyciąganie ku

powierzchni cząstki gruntu molekuł wodnych.

3. Siła osmotyczna wywiera na molekuły wodne

efekt podobny jak inne siły wiążące wodę z fazą
stałą np. siły adhezyjne i elektrostatyczne.

Siły wiążące wodę w gruncie

Siły kapilarne pojawiają się w związku z formowaniem się

wklęsłych menisków w wodzie kapilarnej jako rezultat
współdziałania sił adhezyjnych z siłami kohezji
występującymi pomiędzy molekułami wodnymi.

Kohezja - ogólna nazwa zjawiska stawiania oporu przez ciała

fizyczne, poddawane rozdzielaniu na części. Jej miarą
jest praca potrzebna do rozdzielenia określonego ciała na
części, podzielona przez powierzchnię powstałą na skutek
tego rozdzielenia.

Kohezja - wzajemne przyciąganie się cząsteczek danej

substancji.

Siły wiążące wodę w gruncie

Działanie sił kohezji w wodzie:

Siły spójności działające na
dowolną molekułę A znajdującą
się wewnątrz cieczy znoszą się
wzajemnie, natomiast na
molekuły znajdujące się na
powierzchni swobodnej, np. na
molekułę B, działają
jednostronnie, stąd powstaje
stan napięcia w warstwie
powierzchniowej zwany
napięciem
powierzchniowym.

Siły wiążące wodę w gruncie

Napięcie powierzchniowe – występujące na styku

powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną
cieczą zjawisko fizyczne polegające na powstawaniu
dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób
kurczący ją (dla powierzchni wypukłej przyciągający do
wnętrza cieczy, dla wklęsłej odwrotnie).

Napięcie powierzchniowe - siłę przypadająca na

jednostkę długości granicy faz.

gdzie:
•



- napięcie powierzchniowe [N·m

-1

],

• F

k

– siła [N],

• L – długość granicy faz [m].

L

F

k





Siły wiążące wodę w gruncie

Menisk wklęsły oraz menisk wypukły
1- ciecz, 2 – powietrze, 3 – ciało stałe.

a) Menisk wklęsły –

ciecz zwilżająca

b) Menisk wypukły

– ciecz
niezwilżająca

W porach kapilarnych o dużej zwilżalności
występuje wzniesienie włoskowate cieczy
tworzącej menisk wklęsły – podsiąk
kapilarny.

CIŚNIENIE SSANIA (CIŚNIENIE
SSĄCE)

Ssanie gruntu

Grunty w strefie nienasyconej wykazują

ujemne ciśnienie porowe (podciśnienie).

Wielkość tego ciśnienia określa

intensywność przyciągania cząstek
wody, które jednocześnie może być
parametrem określającym stan gruntu.

Zachowanie się gruntów poddanych

zmianom zawilgocenia można opisać
przez tzw. ssanie gruntu.

Ciśnienie ssące

Ciśnienie ssące (ssanie gruntu,

ciśnienie ssania) jest miarą siły
utrzymującą określoną ilość wody w
gruncie.

Wg AMTM D 5298-94 ciśnienie ssące to

„ujemne ciśnienie (wyrażone jako
wartość dodatnia) w stosunku do
zewnętrznego ciśnienia powietrza
działającego na wodę w gruncie”.

Ciśnienie ssące

Pomiar ciśnienia ssącego (lub wilgotności) –

tensjometr glebowy.

Ciśnienie ssące

Tensjometr wodny

1.Sączek ceramiczny;
2.Rurka polimerowa;
3.Manometr (wakuometr);
4.Uszczelnienie.

KRZYWA RETENCYJNA

Krzywa retencyjna

Wzajemna relacja pomiędzy

uwilgotnieniem a ciśnieniem ssącym
nazywana jest wilgotnościową i
retencyjną charakterystyką
gleby.

Krzywa retencyjna (krzywa pF) –

graficzne przedstawienie retencyjnej
charakterystyki gleby (gruntu).

Krzywa retencyjna

Krzywa retencyjna (krzywa pF):

gdzie:
• h – ciśnienie ssące gruntu [cm H

2

O].

)

log(h

pF 

Krzywa retencyjna

Przykładowe krzywe

pF dla 10 gruntów.

Krzywa retencyjna

Krzywa pF dla
przykładowych
gruntów wraz z
wartościami
charakterystyczny
mi:
1 – piasek
słabogliniasty,
2 – glina lekka,
3 – ił,
4 – piaski
słabogliniaste/glin
y lekkie

Krzywa retencyjna

Wartości charakterystyczne krzywej pF:

Polowa pojemność wodna – pF=2,0
Punkt zahamowania wzrostu roślin – pF=2,7
Punkt trwałego więdnięcia – pF=4,2
Zawartość wody higroskopijnej, niedostępnej dla roślin

– pF = 4,7

Pojemność polowa (ang. field capacity) - ilość wody, jaka może

być przechowywana pomimo grawitacji przez naturalną glebę
przez 2 dni po dłuższym okresie opadów lub po odpowiedniej
irygacji (Definicja wg Dyrektywy Komisji Europejskiej
2004/73/WE z dnia 29 kwietnia 2004 r).