Движение почвенной влаги и инфильтрация

Вода движется через почву путем инфильтрации на поверхности и насыщенного и ненасыщенного потока внутри профиля, перераспределяя влагу, пополняя более глубокие слои и снабжая корни.

Definition

Движение почвенной влаги — это поток воды через поровую сеть почвы, обусловленный градиентами гидравлического потенциала; инфильтрация — это проникновение воды через поверхность почвы, первая стадия этого движения.

Scope

Эта тема охватывает инфильтрацию воды в почву, насыщенный поток, описываемый законом Дарси, ненасыщенный поток, описываемый уравнением Ричардса, и перераспределение воды после увлажнения. Она объясняет, как вода проникает и движется через поровую сеть почвы и как этот поток разделяет дождевую воду между инфильтрацией и поверхностным стоком.

Core questions

• Что контролирует скорость инфильтрации воды в почву?
• Как закон Дарси описывает насыщенный поток в почве?
• Как уравнение Ричардса расширяет закон Дарси на ненасыщенный поток?
• Как вода перераспределяется в профиле после дождя или орошения?

Key concepts

• Скорость и емкость инфильтрации
• Насыщенная и ненасыщенная гидравлическая проводимость
• Закон Дарси
• Уравнение Ричардса
• Фронт увлажнения и перераспределение
• Преференциальный поток

Key theories

Закон Дарси в почве

Для насыщенной почвы поток пропорционален гидравлическому градиенту и насыщенной гидравлической проводимости, тому же конститутивному закону, который регулирует движение грунтовых вод.

Уравнение Ричардса для ненасыщенного потока

Ричардс объединил закон Дарси с законом сохранения массы для частично насыщенной почвы, где гидравлическая проводимость резко падает по мере уменьшения содержания воды, что привело к получению управляющего уравнения для инфильтрации и перераспределения.

Динамика инфильтрации

Скорость инфильтрации изначально высока и снижается до насыщенной проводимости по мере увлажнения почвы и ослабления матричного градиента, что является поведением, описываемым моделями инфильтрации и центральным для разделения осадков на инфильтрацию и поверхностный сток.

Mechanisms

Когда вода достигает поверхности почвы, она втягивается гравитацией и крутым матричным градиентом на фронте увлажнения, поэтому скорость инфильтрации начинается с высокого значения и снижается до насыщенной гидравлической проводимости по мере увлажнения профиля. В ненасыщенной почве проводимость сильно зависит от содержания воды, потому что только заполненные поры проводят воду, поэтому поток резко замедляется по мере высыхания почвы. Структурные трещины и макропоры могут создавать преференциальный поток, который обходит почвенную матрицу.

Clinical relevance

Инфильтрация и движение почвенной влаги определяют, сколько осадков проникает в почву по сравнению с поверхностным стоком, вызывающим эрозию и наводнения, насколько глубоко проникает оросительная вода и насколько эффективно вода достигает корней растений; управление ими является центральным для ирригации, дренажа и сохранения почвы.

History

Закон Дарси 1856 года для насыщенного потока был расширен на ненасыщенную почву Бакингемом и получил свою современную форму частных производных от Ричардса в 1931 году. Теория инфильтрации XX века и численное решение уравнения Ричардса сделали возможным количественное прогнозирование движения почвенной влаги.

Key figures

• Lorenzo A. Richards
• Daniel Hillel
• Henry Darcy

Seminal works

• richards1931
• hillel1998

Frequently asked questions

Почему вода стекает с некоторых почв вместо того, чтобы впитываться?

Когда дождевая вода поступает быстрее, чем почва может ее поглотить, или когда поверхность уплотнена, покрыта коркой или уже насыщена, емкость инфильтрации превышается, и избыток воды стекает, что является основной причиной эрозии и наводнений.

Почему вода так медленно движется через сухую почву?

В ненасыщенной почве только заполненные водой поры проводят поток, поэтому по мере высыхания почвы проводящие пути сужаются, а гидравлическая проводимость падает на порядки, что делает движение через сухую почву очень медленным.