نفوذ و آب خاک

نفوذ به معنای ورود آب به خاک است و دینامیک آب-خاک در منطقه غیر اشباع، بارش را بین رواناب، ذخیره، تبخیر و تعرق، و تغذیه آب‌های زیرزمینی تقسیم می‌کند.

Definition

نفوذ حرکت آب از سطح به داخل خاک است و آب خاک، آبی است که در منطقه غیر اشباع نگهداری می‌شود؛ دینامیک آن‌ها، که توسط نیروهای مویینگی و گرانشی کنترل می‌شود، تعیین می‌کند که بارش چگونه در سطح و زیر سطح زمین تقسیم می‌شود.

Scope

این موضوع فرآیند و نرخ نفوذ، فیزیک حرکت آب در منطقه غیر اشباع (وادوز)، روابط مشخصه آب-خاک، و نقش آب خاک در پیوند هیدرولوژی سطحی و زیرسطحی را پوشش می‌دهد. تمرکز آن بر ستون خاک غیر اشباع است؛ جریان آب زیرزمینی اشباع در حوزه آب‌های زیرزمینی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

Core questions

• چه عواملی نرخ نفوذ آب به خاک را کنترل می‌کنند؟
• آب چگونه در منطقه غیر اشباع حرکت می‌کند؟
• آب خاک چگونه در برابر گرانش نگهداری می‌شود و چگونه مشخصه یابی می‌شود؟
• آب خاک چگونه رواناب سطحی، تبخیر و تعرق، و تغذیه را به هم متصل می‌کند؟

Key concepts

• نرخ و ظرفیت نفوذ
• منطقه غیر اشباع (وادوز)
• پتانسیل ماتریک و مویینگی
• منحنی مشخصه آب-خاک
• معادله ریچاردز
• ظرفیت مزرعه و نقطه پژمردگی

Key theories

معادله ریچاردز

ریچاردز قانون دارسی برای محیط‌های غیر اشباع را با پیوستگی ترکیب کرد تا یک معادله دیفرانسیل جزئی حاکم بر جریان آب در منطقه وادوز را ارائه دهد، که اساس فیزیکی برای مدل‌سازی نفوذ و حرکت آب-خاک است.

نظریه نفوذ

مدل‌های تحلیلی و مفهومی نفوذ، مانند راه‌حل فیلیپ و رویکرد گرین-آمپت، چگونگی کاهش ظرفیت نفوذ با گذشت زمان با مرطوب شدن خاک را توصیف می‌کنند و پیش‌بینی می‌کنند که چه زمانی بارش شروع به تولید رواناب می‌کند.

Mechanisms

آبی که وارد خاک می‌شود توسط نیروهای مویینگی در منافذ نگهداری شده و توسط گرانش به سمت پایین رانده می‌شود؛ نرخ نفوذ در ابتدا بالا است و با مرطوب شدن خاک و تضعیف گرادیان ماتریک، به سمت هدایت اشباع کاهش می‌یابد. هدایت غیر اشباع و رابطه بین محتوای آب و پتانسیل ماتریک، که توسط منحنی مشخصه آب-خاک نشان داده می‌شود، سرعت و مسافت حرکت آب را کنترل می‌کنند.

Clinical relevance

نفوذ و رفتار آب-خاک، شروع و میزان رواناب سطحی و در نتیجه سیلاب، آب در دسترس گیاهان و زمان‌بندی آبیاری، تغذیه آبخوان‌ها، و انتقال مواد شیمیایی کشاورزی به سمت آب‌های زیرزمینی را کنترل می‌کنند.

History

بر اساس بسط قانون دارسی توسط باکینگهام به خاک‌های غیر اشباع، ریچاردز در سال ۱۹۳۱ معادله حاکم بر جریان منطقه وادوز را فرموله کرد. کارهای اواسط قرن بیستم توسط فیلیپ و توسط گرین و آمپت، نظریه‌های نفوذ عملی را ارائه دادند که فیزیک خاک را به تولید رواناب حوضه آبریز مرتبط می‌ساخت.

Key figures

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

Seminal works

• richards1931
• philip1957
• dingman2015

Frequently asked questions

چرا نفوذ در طول یک طوفان کند می‌شود؟

با مرطوب شدن خاک، منافذ آن پر شده و گرادیان مویینگی که آب را به داخل می‌کشد، تضعیف می‌شود، بنابراین نرخ نفوذ از یک مقدار اولیه بالا به سمت هدایت هیدرولیکی اشباع خاک کاهش می‌یابد؛ هنگامی که بارش از این نرخ فراتر رود، رواناب آغاز می‌شود.

منطقه وادوز چیست؟

منطقه وادوز یا غیر اشباع، خاک و سنگی است که بین سطح زمین و سطح آب زیرزمینی قرار دارد، جایی که منافذ هم هوا و هم آب را در خود جای می‌دهند؛ آب تحت نیروهای ترکیبی مویینگی و گرانشی از آن عبور می‌کند تا به آب زیرزمینی اشباع در زیر برسد.