Infiltration und Bodenwasser

Infiltration ist der Eintritt von Wasser in den Boden, und die Bodenwasserdynamik in der ungesättigten Zone teilt den Niederschlag auf in Abfluss, Speicherung, Evapotranspiration und Grundwasserneubildung.

Definition

Infiltration ist die Bewegung von Wasser von der Oberfläche in den Boden, und Bodenwasser ist das in der ungesättigten Zone gehaltene Wasser; ihre Dynamik, gesteuert durch Kapillar- und Gravitationskräfte, bestimmt, wie Niederschlag an und unter der Landoberfläche aufgeteilt wird.

Scope

Dieses Thema behandelt den Prozess und die Rate der Infiltration, die Physik der Wasserbewegung in der ungesättigten (Vadose-)Zone, die Bodenwasser-Charakteristikbeziehungen und die Rolle des Bodenwassers bei der Verknüpfung von Oberflächen- und Untergrundhydrologie. Es konzentriert sich auf die ungesättigte Bodensäule; gesättigter Grundwasserfluss wird im Bereich Grundwasser behandelt.

Core questions

• Was steuert die Geschwindigkeit, mit der Wasser in den Boden eindringt?
• Wie bewegt sich Wasser durch die ungesättigte Zone?
• Wie wird Bodenwasser gegen die Schwerkraft gehalten und wie wird es charakterisiert?
• Wie verbindet Bodenwasser Oberflächenabfluss, Evapotranspiration und Grundwasserneubildung?

Key concepts

• Infiltrationsrate und -kapazität
• Ungesättigte (Vadose-)Zone
• Matrixpotential und Kapillarität
• Bodenwasser-Charakteristikkurve
• Richards-Gleichung
• Feldkapazität und Welkepunkt

Key theories

Richards-Gleichung

Richards kombinierte das Darcy-Gesetz für ungesättigte Medien mit der Kontinuitätsgleichung, um eine partielle Differentialgleichung für den Wasserfluss in der Vadosezone zu erhalten, die die physikalische Grundlage für die Modellierung von Infiltration und Bodenwasserbewegung bildet.

Infiltrationstheorie

Analytische und konzeptionelle Infiltrationsmodelle, wie Philips Lösung und der Green-Ampt-Ansatz, beschreiben, wie die Infiltrationskapazität mit der Zeit abnimmt, wenn der Boden durchnässt wird, und sagen voraus, wann Niederschlag beginnt, Abfluss zu erzeugen.

Mechanisms

In den Boden eindringendes Wasser wird durch Kapillarkräfte in den Poren gehalten und durch die Schwerkraft nach unten getrieben; die Infiltrationsrate ist anfänglich hoch und nimmt mit zunehmender Bodendurchfeuchtung und abnehmendem Matrixgradienten in Richtung der gesättigten Leitfähigkeit ab. Die ungesättigte Leitfähigkeit und die Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential, erfasst durch die Bodenwasser-Charakteristikkurve, bestimmen, wie schnell und wie weit sich Wasser bewegt.

Clinical relevance

Infiltration und Bodenwasserverhalten steuern den Beginn und die Menge des Oberflächenabflusses und damit Überschwemmungen, das den Pflanzen zur Verfügung stehende Wasser und den Zeitpunkt der Bewässerung, die Neubildung von Grundwasserleitern und den Transport landwirtschaftlicher Chemikalien in Richtung Grundwasser.

History

Aufbauend auf Buckinghams Erweiterung des Darcy-Gesetzes auf ungesättigte Böden formulierte Richards 1931 die maßgebliche Gleichung für den Fluss in der Vadosezone. Arbeiten von Philip sowie von Green und Ampt Mitte des 20. Jahrhunderts führten zu praktischen Infiltrationstheorien, die die Bodenphysik mit der Erzeugung von Einzugsgebietsabfluss verbanden.

Key figures

• Lorenzo A. Richards
• John R. Philip
• S. Lawrence Dingman

Seminal works

• richards1931
• philip1957
• dingman2015

Frequently asked questions

Warum verlangsamt sich die Infiltration während eines Sturms?

Wenn der Boden durchnässt wird, füllen sich seine Poren und der kapillare Gradient, der Wasser anzieht, schwächt sich ab, sodass die Infiltrationsrate von einem hohen Anfangswert in Richtung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens fällt; sobald der Niederschlag diese Rate überschreitet, beginnt der Abfluss.

Was ist die Vadosezone?

Die Vadose- oder ungesättigte Zone ist der Boden und das Gestein zwischen der Landoberfläche und dem Grundwasserspiegel, wo Poren sowohl Luft als auch Wasser enthalten; Wasser bewegt sich durch sie unter kombinierten Kapillar- und Gravitationskräften, bevor es das darunterliegende gesättigte Grundwasser erreicht.