การแทรกซึมและน้ำในดิน

การแทรกซึมคือน้ำที่ซึมเข้าสู่ดิน และพลวัตของน้ำในดินในเขตไม่อิ่มตัวจะแบ่งปริมาณน้ำฝนระหว่างน้ำไหลบ่า การกักเก็บ การคายระเหย และการเติมน้ำใต้ดิน

Definition

การแทรกซึมคือการเคลื่อนที่ของน้ำจากพื้นผิวเข้าสู่ดิน และน้ำในดินคือน้ำที่กักเก็บอยู่ในเขตไม่อิ่มตัว พลวัตของทั้งสองอย่างนี้ ซึ่งถูกควบคุมโดยแรงคาปิลลารีและแรงโน้มถ่วง จะเป็นตัวกำหนดว่าปริมาณน้ำฝนจะถูกแบ่งอย่างไรที่และใต้ผิวดิน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกระบวนการและอัตราการแทรกซึม ฟิสิกส์ของการเคลื่อนที่ของน้ำในเขตไม่อิ่มตัว (vadose zone) ความสัมพันธ์ลักษณะเฉพาะของน้ำในดิน และบทบาทของน้ำในดินในการเชื่อมโยงอุทกวิทยาบนพื้นผิวและใต้ผิวดิน โดยเน้นที่ชั้นดินไม่อิ่มตัว ส่วนการไหลของน้ำใต้ดินอิ่มตัวจะกล่าวถึงในส่วนของน้ำใต้ดิน

Core questions

• อะไรเป็นตัวควบคุมอัตราที่น้ำแทรกซึมเข้าสู่ดิน?
• น้ำเคลื่อนที่ผ่านเขตไม่อิ่มตัวได้อย่างไร?
• น้ำในดินถูกกักเก็บไว้ต้านแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร และมีลักษณะอย่างไร?
• น้ำในดินเชื่อมโยงน้ำไหลบ่าบนพื้นผิว การคายระเหย และการเติมน้ำได้อย่างไร?

Key concepts

• อัตราและความสามารถในการแทรกซึม
• เขตไม่อิ่มตัว (vadose zone)
• ศักย์เมตริกและแรงคาปิลลารี
• เส้นโค้งลักษณะเฉพาะของน้ำในดิน
• สมการของริชาร์ดส์
• ความจุสนามและจุดเหี่ยวถาวร

Key theories

สมการของริชาร์ดส์

ริชาร์ดส์รวมกฎของ Darcy สำหรับตัวกลางไม่อิ่มตัวเข้ากับความต่อเนื่อง เพื่อให้ได้สมการเชิงอนุพันธ์ย่อยที่ควบคุมการไหลของน้ำในเขต vadose ซึ่งเป็นพื้นฐานทางกายภาพสำหรับการสร้างแบบจำลองการแทรกซึมและการเคลื่อนที่ของน้ำในดิน

ทฤษฎีการแทรกซึม

แบบจำลองการแทรกซึมเชิงวิเคราะห์และเชิงแนวคิด เช่น วิธีแก้ปัญหาของ Philip และแนวทางของ Green-Ampt อธิบายว่าความสามารถในการแทรกซึมลดลงตามเวลาอย่างไรเมื่อดินเปียกขึ้น โดยทำนายว่าเมื่อใดที่น้ำฝนจะเริ่มก่อให้เกิดน้ำไหลบ่า

Mechanisms

น้ำที่เข้าสู่ดินจะถูกกักเก็บไว้ด้วยแรงคาปิลลารีในรูพรุนและถูกดึงลงสู่ด้านล่างด้วยแรงโน้มถ่วง อัตราการแทรกซึมจะสูงในช่วงแรกและลดลงไปสู่ค่าการนำไฟฟ้าเมื่อดินเปียกและเกรเดียนต์เมตริกอ่อนลง ค่าการนำไฟฟ้าไม่อิ่มตัวและความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณน้ำกับศักย์เมตริก ซึ่งแสดงโดยเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของน้ำในดิน จะเป็นตัวกำหนดว่าน้ำเคลื่อนที่เร็วและไกลแค่ไหน

Clinical relevance

พฤติกรรมการแทรกซึมและน้ำในดินควบคุมการเริ่มต้นและปริมาณของน้ำไหลบ่าบนพื้นผิว ซึ่งส่งผลต่ออุทกภัย ปริมาณน้ำที่พืชใช้ได้และช่วงเวลาของการให้น้ำ การเติมน้ำในชั้นหินอุ้มน้ำ และการขนส่งสารเคมีทางการเกษตรไปสู่น้ำใต้ดิน

History

จากแนวคิดของ Buckingham ที่ขยายกฎของ Darcy ไปยังดินไม่อิ่มตัว Richards ได้กำหนดสมการควบคุมสำหรับการไหลในเขต vadose ในปี 1931 ผลงานในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 โดย Philip และ Green and Ampt ได้สร้างทฤษฎีการแทรกซึมที่เป็นประโยชน์ซึ่งเชื่อมโยงฟิสิกส์ของดินกับการเกิดน้ำไหลบ่าในพื้นที่รับน้ำ

Key figures

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

Seminal works

• richards1931
• philip1957
• dingman2015

Frequently asked questions

ทำไมการแทรกซึมจึงช้าลงในช่วงพายุฝน?

เมื่อดินเปียก รูพรุนจะเต็มและเกรเดียนต์คาปิลลารีที่ดึงน้ำเข้ามาจะอ่อนลง ดังนั้นอัตราการแทรกซึมจึงลดลงจากค่าเริ่มต้นที่สูงไปสู่ค่าการนำไฟฟ้าไฮดรอลิกอิ่มตัวของดิน เมื่อปริมาณน้ำฝนเกินอัตรานี้ น้ำไหลบ่าก็จะเริ่มต้นขึ้น

เขต vadose คืออะไร?

เขต vadose หรือเขตไม่อิ่มตัว คือดินและหินระหว่างพื้นผิวดินกับระดับน้ำใต้ดิน ซึ่งรูพรุนมีทั้งอากาศและน้ำ น้ำจะเคลื่อนที่ผ่านเขตนี้ภายใต้แรงคาปิลลารีและแรงโน้มถ่วงรวมกัน ก่อนที่จะไปถึงน้ำใต้ดินที่อิ่มตัวด้านล่าง