土壌水の移動と浸潤

水は、地表での浸潤、および土壌断面内での飽和流と不飽和流によって土壌中を移動し、水分を再分配し、深層を涵養し、根に供給されます。

Definition

土壌水の移動とは、水理ポテンシャルの勾配によって駆動される、土壌の孔隙ネットワークを通る水の流れであり、浸潤とは、その移動の最初の段階である、土壌表面を通る水の侵入を指します。

Scope

このトピックでは、土壌への水の浸潤、ダルシーの法則によって記述される飽和流、リチャーズ方程式によって記述される不飽和流、および湿潤後の水の再分配について扱います。水が土壌の孔隙ネットワークにどのように侵入し、移動するか、またその流れが降雨を浸潤と流出にどのように分配するかを説明します。

Core questions

• 水が土壌に浸潤する速度を制御する要因は何ですか？
• ダルシーの法則は土壌中の飽和流をどのように記述しますか？
• リチャーズ方程式はダルシーの法則を不飽和流にどのように拡張しますか？
• 雨や灌漑の後、土壌断面内で水はどのように再分配されますか？

Key concepts

• 浸潤速度と浸潤能
• 飽和および不飽和透水係数
• ダルシーの法則
• リチャーズ方程式
• 湿潤前線と再分配
• 優先流

Key theories

土壌におけるダルシーの法則

飽和土壌の場合、流れは水理勾配と飽和透水係数に比例し、地下水流を支配するのと同じ構成法則に従います。

不飽和流に関するリチャーズ方程式

リチャーズは、ダルシーの法則と部分飽和土壌における質量保存則を組み合わせました。この場合、含水率が減少すると透水係数が急激に低下し、浸潤と再分配を支配する方程式が導き出されます。

浸潤の動態

浸潤速度は初期には高く、土壌が湿潤し、マトリック勾配が弱まるにつれて飽和透水係数に向かって低下します。この挙動は浸潤モデルによって捉えられ、降雨を浸潤と流出に分配する上で中心的な役割を果たします。

Mechanisms

水が土壌表面に到達すると、重力と湿潤前線での急峻なマトリック勾配によって引き込まれるため、浸潤速度は高く始まり、土壌断面が湿潤するにつれて飽和透水係数に向かって低下します。不飽和土壌内では、水が充満した孔隙のみが水を伝導するため、透水性は含水率に強く依存し、土壌が乾燥するにつれて流れは急激に遅くなります。構造的な亀裂やマクロポアは、土壌マトリックスを迂回する優先流を生成する可能性があります。

Clinical relevance

浸潤と土壌水流は、降雨が土壌にどれだけ浸透し、どれだけ流出して侵食や洪水を引き起こすか、灌漑水がどれだけ深く浸透するか、水が植物の根にどれだけ効率的に到達するかを決定します。これらを管理することは、灌漑、排水、土壌保全の中心となります。

History

飽和流に関するダルシーの1856年の法則は、バッキンガムによって不飽和土壌に拡張され、1931年にリチャーズによって現代の偏微分形式が与えられました。20世紀の浸潤理論とリチャーズ方程式の数値解法により、土壌水流の定量的予測が可能になりました。

Key figures

• Lorenzo A. Richards
• Daniel Hillel
• Henry Darcy

Seminal works

• richards1931
• hillel1998

Frequently asked questions

なぜ一部の土壌では水が浸透せずに流出するのですか？

降雨が土壌が吸収できる速度よりも速く到達する場合、または地表が締固められている、硬化している、あるいはすでに飽和している場合、浸潤能が超過され、余分な水が流出します。これは侵食や洪水の主要な原因となります。

乾燥した土壌ではなぜ水の移動が非常に遅いのですか？

不飽和土壌では、水が充満した孔隙のみが流れを伝導するため、土壌が乾燥するにつれて伝導経路が収縮し、透水係数が桁違いに低下するため、乾燥した土壌を通る水の移動は非常に遅くなります。