POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA

INSTYTUT INZYNIERII ŚRODOWISKA I ROLNICTWA

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Przepuszczalność wodna gleb. Oznaczenie współczynnika filtracji gleb

Numer ćwiczenia: 8

Laboratorium z przedmiotu:

Gleboznawstwo

KOD:                

Opracował:

dr Henryk Jaros

dr inż. Robert Czubaszek

1999

1. Wprowadzenie

Przepuszczalnością gleb w stosunku do wody nazywamy ich zdolność do pochłaniania wody lub do przesączania w głąb profilu.

W fazie początkowej nasycania gleby wodą mamy do czynienia ze zjawiskiem wsiąkania wody. Jest to ruch wody w strefie nienasyconej gleby przy częściowym wypełnieniu porów glebowych wodą.

Przy wysyceniu porowatości wodą lub gdy warstwa badana posiada kontakt hydrauliczny z poziomem wody gruntowej, ruch wody odbywa się zgodnie z prawem Darcy'ego i mamy do czynienia z filtracją. Prawo to opisuje wzór:

Q = kωIt

gdzie:

Q - wydatek wody

k - współczynnik filtracji

ω - powierzchnia przekroju przepływu

I - spadek hydrauliczny zwierciadła wody gruntowej wyrażający stosunek różnicy naporów ΔH do długości drogi filtracji L

t - czas przepływu

Przepuszczalność gleby zależy od następujących czynników: struktury gleby, porowatości różniczkowej, zawartości próchnicy, temperatury gleby, zawartości substancji koloidalnych, biosfery, zawartości elektrolitów i innych. W glebach strukturalnych występują znaczne różnice pomiędzy przepuszczalnością pionową i poziomą gleby. Współczynnik filtracji i przewodność podłoża są podstawowymi parametrami do obliczeń ruchu wody w gruncie. Dokładność wyznaczania współczynnika filtracji ma ogromne znaczenie przy obliczeniach objętości przepływu wód gruntowych, krzywej depresji i innych. Współczynnik filtracji (k) przyjmuje się jako parametr stały, niezmienny w czasie, charakteryzujący dany rodzaj gruntu i niezależny od spadku hydraulicznego. Wyrażony jest on najczęściej w cm/s lub m/d. Przykłady wielkości współczynnika filtracji różnych utworów glebowych przedstawia poniższa tabela.

Utwór	Współczynnik filtracji k cm/s
wg S.Zawadzkiego i W.Olszty
piasek luźny	2·10^-2 - 10^-3
piasek słabogliniasty	10^-3- 4·10^-4
piasek gliniasty	2·10^-3 - 7·10^-5
glina lekka	5·10^-4 - 10^-5
pył zwykły i pył ilasty	3·10^-4 - 2·10^-5
glina średnia	4·10^-4 - 5·10^-6
glina ciężka i ił	7·10^-5 - 3·10^-7
torf słabo i średnio rozłożony	10^-2 - 10^-4
torf silnie rozłożony	10^-4 - 7·10^-6

Im gleby są mniej przepuszczalne tym więcej wody spływa po powierzchni lub dłużej na niej stagnuje. Zwiększony spływ powierzchniowy oznacza gorsze wykorzystanie wody opadowej przez gleby, a ponadto powoduje wzmożoną ich erozję.

Dłuższe stagnowanie wody na powierzchni gleb może powodować wymakanie roślin uprawnych, zmniejszanie natlenienia gleby, nasilanie się procesów redukcyjnych itp. Gleby zbyt przepuszczalne są równocześnie za suche. Zachodzą w nich duże straty składników nawozowych usuwanych wraz z infiltrującą wodą opadową.

Współczynnik filtracji można wyznaczyć na podstawie wzorów empirycznych uwzględniających skład granulometryczny oraz badań laboratoryjnych i terenowych.

Wyznaczanie współczynnika filtracji na podstawie składu granulometrycznego

Dla celów praktycznych przybliżoną wartość otrzymuje się ze wzoru Hazena:

k = 1000 ∗ d₁₀² [m∗doba^-1]

gdzie:

d₁₀ - średnica ziaren, których masa wraz z masą ziaren mniejszych stanowi 10% masy próbki

Wzór ten ma zastosowanie gdy średnica miarodajna mieści się w przedziale 0,1 - 0,3 i wskaźnik różnoziarnistości U = ≤5

Powszechne zastosowanie ma wzór USBSC:

k = 311∗d₂₀^2,3 [m∗doba^-1]

gdzie:

d₂₀ - średnica ziaren, których masa wraz z masą ziaren mniejszych stanowi 20 % masy próbki

Wzór ma zastosowanie dla d₂₀ zawierających się w przedziale 0,08 - 3,0 mm. Opracowany jest też nomogram do bezpośredniego odczytywania współczynnika filtracji.

Badania polowe

Najbardziej dokładnymi i szeroko rozpowszechnionymi metodami oznaczania współczynnika filtracji są pomiary w studniach, piezometrach itp. Wykonywać je można w studniach wywierconych z pozostawieniem rury osłonowej, gdzie dopływ wody odbywa się przez dno studni lub bez rur osłonowych w samych otworach wiertniczych.

Wyróżnia się dwie metody pomiaru w otworach wiertniczych bez rur osłonowych:

1. przy wysokim zaleganiu zwierciadła wody gruntowej. Woda gruntowa znajduje się na określonej głębokości w otworze wiertniczym, a pomiaru dokonuje się przez czerpanie wody ze studni

2. przy niskim zaleganiu poziomu wody gruntowej. Pomiaru dokonuje się przez wlanie określonej ilości wody do studni i mierzona jest jej szybkość opadania

W otworach wiertniczych z rurami osłonowymi wyróżnia się metody:

1. z wysokim zaleganiem zwierciadła wody gruntowej

2. głębokie zaleganie zwierciadła wody gruntowej

3. dla strefy nienasyconej przez zalewanie otworu

Przy dokonywaniu pomiarów współczynnika filtracji w piezometrach wyróżnia się trzy warunki wykonywania pomiarów:

1. czerpanie wody z otworu gdy filtr znajduje się w warstwie o napiętym zwierciadle wody

2. zalewanie otworu gdy filtr jest poniżej zwierciadła wody gruntowej

3. zalewanie otworu gdy filtr jest powyżej zwierciadła wody gruntowej

Badania laboratoryjne

Współczynnik filtracji może być również oznaczany w laboratorium. Służy do tego laboratoryjny przepuszczalnościomierz. Poprzez wytworzenie różnicy ciśnienia wody po obu stronach dobrze nasyconej próbki glebowej, wody przepływa przez próbkę. Wypływ wody jest mierzony i następnie łączony z różnicą ciśnień oraz wielkością próbki w celu obliczenia przepuszczalności.

Zasada działania:

Przepuszczalnościomierz stanowi system zamknięty. Pompa 1 podnosi wodę ze zbiornika 2, przez filtr 3, do regulatora poziomu wody 4. Do regulatora podłączone są dwa gumowe przewody. Jeden łączy regulator ze zbiornikiem 5, natomiast drugi odprowadza nadmiar wody w regulatorze do zbiornika 2. Regulator utrzymuje wymagany poziom wody w zbiorniku 5, gdyż stanowią one system naczyń połączonych.

Próbkę gleby, pobraną do cylinderka 6, umieszcza się wraz z cylinderkiem w specjalnym uchwycie, który umieszcza się w zbiorniku 5. Syfon 7 przewodzi wodę sączącą się z próbki, przez biuretę 8 i odbiornik wycieku 9 z powrotem do zbiornika 5. Wszystko to zachodzi w wyniku różnicy h pomiędzy poziomem wody wewnątrz i na zewnątrz uchwytu. W ten sposób stały strumień wody płynie przez próbkę. Ilość wypływającej wody jest mierzona poprzez gromadzenie jej w biurecie i pomiarze czasu, w którym jest ona wypełniana.

2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest omówienie głównych metod oznaczania współczynnika filtracji gleby oraz oznaczenie tego współczynnika za pomocą przepuszczalnościomierza laboratoryjnego.

3. Metodyka badań

1. opis stanowiska badawczego

Sprzęt

Przepuszczalnościomierz laboratoryjny, cylinderki pomiarowe 100 cm³

2. przebieg realizacji eksperymentu

W zależności od składu mechanicznego gleby, współczynnik filtracji możemy oznaczyć dwiema metodami

Określanie współczynnika filtracji gleby metodą stałego przepływu.

Ta metoda jest używana dla większości gleb z wyjątkiem gleb o małej przepuszczalności (glina, torf).

Wykonanie oznaczenia:

1. Syfon, uprzednio napełniony wodą, umieszczamy w uchwycie kiedy poziom wody wewnątrz i na zewnątrz uchwytu cylinderka będzie na mniej więcej tej samej wysokości. Utrzymuje to wodę powyżej próbki na określonym poziomie, który może być regulowany za pomocą zbiornika wyrównującego. Różnica poziomów (h) wewnątrz i na zewnątrz uchwytu powinna się zawierać pomiędzy 2 mm (silnie przepuszczalne gleby) i 20 mm (słabo przepuszczalne gleby). Najlepiej jest określać współczynnik przepuszczalności przy jak najmniejszej różnicy poziomów.

2. Woda przepływa przez próbkę i kiedy ilość wody wypływającej w jednostce czasu (cm³/min) osiągnie stałą wartość należy zmierzyć różnicę poziomów wody na zewnątrz i wewnątrz uchwytu.

Uwaga!

Pomiar filtracji w przypadku słabo przepuszczalnych gleb może być skrócony poprzez napełnienie wodą rury łączącej cylinder z biuretą.

Określanie współczynnika filtracji gleby metodą malejącego przepływu.

Ta metoda jest przeznaczona dla gleb o małej przepuszczalności. Główna różnica w stosunku do poprzedniej metody polega na tym, że nie mierzymy ilości wody wypływającej z próbki, ale podnoszenie się poziomu wody ponad próbką (h_{1­ -} h₂) w określonym przedziale czasu (t₂ - t₁). Wykonujemy to przy pomocy próbnika zamocowanego na ruchomym pomoście przymocowanym do krawędzi zbiornika 5.

3. prezentacja i analiza wyników badań

Współczynnik przepuszczalności oznaczony metodą stałego przepływu obliczamy ze wzoru:

k = 144

gdzie:

k - współczynnik filtracji [m/d]

Q - ilość wody wypływającej w jednostce czasu [cm³/min]

L - wysokość próbki (cylinderka) [cm]

h - różnica poziomów wody wewnątrz i na zewnątrz uchwytu [mm]

A - powierzchnia przekroju próbki [cm²]

Współczynnik filtracji oznaczony metodą malejącego przepływu obliczamy ze wzoru:

k = 0,24 ln [m/d]

gdzie:

0,24 - przeliczenie z m/h na m/d

(t₁ - t₂) - przedział czasu [godz.]

h₁ - początkowa wysokość wody [m]

h₂ - wysokość wody po czasie (t₁ - t₂) [m]

F₁ - powierzchnia przekroju próbki [m²]

F₂ - powierzchnia uchwytu [m²]

Po uwzględnieniu ewaporacji wzór przyjmuje postać:

k = 0,24 ln + 0,00864 [m/d]

gdzie:

F jest w cm²

t jest w godz.

h jest w mm.

l jest w cm.

W laboratorium temperatura wynosi 18 - 22 °C, podczas gdy temperatura wody gruntowej wynosi mniej więcej 10 °C. Równanie wyrażające współczynnik przepuszczalności dla temperatury 10 °C wygląda następująco:

k₁₀ = k_T

gdzie:

k₁₀ - współczynnik przepuszczalności dla 10 °C

N­₁₀ - lepkość wody w temperaturze 10 °C [Pa·s]

N_T - lepkość wody w temperaturze T °C [Pa·s]

K_T - współczynnik przepuszczalności w temperaturze T °C

4. Wymagania BHP

• odzież ochronna typu fartuch

• ćwiczenie należy wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia

5. Literatura

Dobrzański B., Zawadzki S. (red.). Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. 1995.

Instrukcja Obsługi: ICW laboratory permeameters for determination of water permeability of soil samples. Eijkelkapm 1995.

Kozerski B.,Pazdro Z. Hydrogeologia ogólna. Wydawnictwa Geologiczne. Warszawa. 1990.

---