Инфильтрация и почвенная влага

Инфильтрация — это проникновение воды в почву, а динамика почвенной влаги в ненасыщенной зоне распределяет осадки между стоком, накоплением, эвапотранспирацией и пополнением грунтовых вод.

Definition

Инфильтрация — это движение воды с поверхности в почву, а почвенная влага — это вода, удерживаемая в ненасыщенной зоне; их динамика, регулируемая капиллярными и гравитационными силами, определяет, как осадки распределяются на поверхности и под поверхностью земли.

Scope

Эта тема охватывает процесс и скорость инфильтрации, физику движения воды в ненасыщенной (вадозной) зоне, характеристики почвенно-водных отношений и роль почвенной влаги в связывании поверхностной и подповерхностной гидрологии. Она сосредоточена на ненасыщенной почвенной толще; насыщенный поток грунтовых вод рассматривается в разделе, посвященном грунтовым водам.

Core questions

• Что контролирует скорость инфильтрации воды в почву?
• Как вода движется через ненасыщенную зону?
• Как почвенная влага удерживается от гравитации и как она характеризуется?
• Как почвенная влага связывает поверхностный сток, эвапотранспирацию и пополнение?

Key concepts

• Скорость и емкость инфильтрации
• Ненасыщенная (вадозная) зона
• Матричный потенциал и капиллярность
• Почвенно-водная характеристическая кривая
• Уравнение Ричардса
• Полевая влагоемкость и точка завядания

Key theories

Уравнение Ричардса

Ричардс объединил закон Дарси для ненасыщенных сред с уравнением неразрывности, чтобы получить дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее поток воды в вадозной зоне, что является физической основой для моделирования инфильтрации и движения почвенной влаги.

Теория инфильтрации

Аналитические и концептуальные модели инфильтрации, такие как решение Филипа и подход Грина-Ампта, описывают, как инфильтрационная способность снижается со временем по мере увлажнения почвы, предсказывая, когда осадки начинают генерировать сток.

Mechanisms

Вода, проникающая в почву, удерживается капиллярными силами в порах и движется вниз под действием гравитации; скорость инфильтрации изначально высока и снижается до насыщенной проводимости по мере увлажнения почвы и ослабления матричного градиента. Ненасыщенная проводимость и взаимосвязь между влажностью и матричным потенциалом, описываемая почвенно-водной характеристической кривой, определяют скорость и дальность движения воды.

Clinical relevance

Инфильтрация и поведение почвенной влаги контролируют начало и объем поверхностного стока и, следовательно, наводнения, количество воды, доступной растениям, и сроки орошения, пополнение водоносных горизонтов и транспорт агрохимикатов к грунтовым водам.

History

Опираясь на расширение закона Дарси Бэкингемом для ненасыщенных почв, Ричардс в 1931 году сформулировал определяющее уравнение для потока в вадозной зоне. Работы Филипа, а также Грина и Ампта в середине 20-го века привели к созданию практических теорий инфильтрации, которые связали физику почв с формированием стока в водосборах.

Key figures

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

Seminal works

• richards1931
• philip1957
• dingman2015

Frequently asked questions

Почему инфильтрация замедляется во время шторма?

По мере увлажнения почвы ее поры заполняются, и капиллярный градиент, втягивающий воду, ослабевает, поэтому скорость инфильтрации падает с высокого начального значения до насыщенной гидравлической проводимости почвы; как только количество осадков превышает эту скорость, начинается сток.

Что такое вадозная зона?

Вадозная, или ненасыщенная, зона — это почва и горные породы между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод, где поры содержат как воздух, так и воду; вода движется через нее под действием комбинированных капиллярных и гравитационных сил, прежде чем достичь насыщенных грунтовых вод ниже.