Bodenwasserbewegung und Infiltration

Wasser bewegt sich im Boden durch Infiltration an der Oberfläche sowie durch gesättigten und ungesättigten Fluss innerhalb des Profils, wodurch Feuchtigkeit umverteilt, tiefere Schichten wieder aufgefüllt und Wurzeln versorgt werden.

Definition

Bodenwasserbewegung ist der Fluss von Wasser durch das Porennetzwerk des Bodens, angetrieben durch Gradienten des hydraulischen Potentials; Infiltration ist das Eindringen von Wasser durch die Bodenoberfläche, die erste Phase dieser Bewegung.

Scope

Dieses Thema behandelt die Infiltration von Wasser in den Boden, den gesättigten Fluss, der durch das Darcy-Gesetz beschrieben wird, den ungesättigten Fluss, der durch die Richards-Gleichung beschrieben wird, und die Umverteilung von Wasser nach der Befeuchtung. Es wird erklärt, wie Wasser in das Porennetzwerk des Bodens eindringt und sich darin bewegt und wie dieser Fluss den Niederschlag zwischen Infiltration und Abfluss aufteilt.

Core questions

• Was steuert, wie schnell Wasser in den Boden infiltriert?
• Wie beschreibt Darcys Gesetz den gesättigten Fluss im Boden?
• Wie erweitert die Richards-Gleichung Darcys Gesetz auf den ungesättigten Fluss?
• Wie verteilt sich Wasser nach Regen oder Bewässerung innerhalb des Profils um?

Key concepts

• Infiltrationsrate und -kapazität
• Gesättigte und ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit
• Darcys Gesetz
• Richards-Gleichung
• Befeuchtungsfront und Umverteilung
• Bevorzugter Fluss

Key theories

Darcys Gesetz im Boden

Für gesättigten Boden ist der Fluss proportional zum hydraulischen Gradienten und zur gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit, dem gleichen konstitutiven Gesetz, das den Grundwasserfluss regelt.

Richards-Gleichung für ungesättigten Fluss

Richards kombinierte Darcys Gesetz mit der Massenerhaltung für teilweise gesättigten Boden, wobei die hydraulische Leitfähigkeit mit abnehmendem Wassergehalt stark abfällt, was die maßgebliche Gleichung für Infiltration und Umverteilung ergibt.

Infiltrationsdynamik

Die Infiltrationsrate ist anfänglich hoch und nimmt mit zunehmender Befeuchtung des Bodens und Abschwächung des Matrixgradienten zur gesättigten Leitfähigkeit hin ab, ein Verhalten, das von Infiltrationsmodellen erfasst wird und zentral für die Aufteilung des Niederschlags in Infiltration und Abfluss ist.

Mechanisms

Wenn Wasser die Bodenoberfläche erreicht, wird es durch die Schwerkraft und den steilen Matrixgradienten an der Befeuchtungsfront angezogen, sodass die Infiltrationsrate zunächst hoch ist und mit zunehmender Befeuchtung des Profils zur gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit hin abnimmt. Im ungesättigten Boden hängt die Leitfähigkeit stark vom Wassergehalt ab, da nur gefüllte Poren leiten, sodass der Fluss bei Austrocknung des Bodens stark verlangsamt wird. Strukturelle Risse und Makroporen können einen bevorzugten Fluss erzeugen, der die Bodenmatrix umgeht.

Clinical relevance

Infiltration und Bodenwasserfluss bestimmen, wie viel Niederschlag in den Boden eindringt, anstatt abzufließen und Erosion und Überschwemmungen zu verursachen, wie tief Bewässerungswasser eindringt und wie effizient Wasser die Pflanzenwurzeln erreicht; deren Management ist zentral für Bewässerung, Entwässerung und Bodenschutz.

History

Darcys Gesetz von 1856 für den gesättigten Fluss wurde von Buckingham auf ungesättigten Boden erweitert und erhielt 1931 von Richards seine moderne partielle Differentialform. Die Infiltrationstheorie des 20. Jahrhunderts und die numerische Lösung der Richards-Gleichung ermöglichten die quantitative Vorhersage des Bodenwasserflusses.

Key figures

• Lorenzo A. Richards
• Daniel Hillel
• Henry Darcy

Seminal works

• richards1931
• hillel1998

Frequently asked questions

Warum fließt Wasser auf manchen Böden ab, anstatt einzusickern?

Wenn Niederschlag schneller fällt, als der Boden ihn aufnehmen kann, oder wenn die Oberfläche verdichtet, verkrustet oder bereits gesättigt ist, wird die Infiltrationskapazität überschritten und das überschüssige Wasser fließt ab, was ein Hauptgrund für Erosion und Überschwemmungen ist.

Warum bewegt sich Wasser so langsam durch trockenen Boden?

Im ungesättigten Boden leiten nur die wassergefüllten Poren den Fluss, sodass mit dem Austrocknen des Bodens die leitenden Wege schrumpfen und die hydraulische Leitfähigkeit um Größenordnungen abnimmt, was die Bewegung durch trockenen Boden sehr langsam macht.