การเคลื่อนที่ของน้ำในดินและการซึมผ่าน
น้ำเคลื่อนที่ผ่านดินโดยการซึมผ่านที่ผิวดิน และโดยการไหลแบบอิ่มตัวและไม่อิ่มตัวภายในชั้นดิน ซึ่งเป็นการกระจายความชื้น เติมเต็มชั้นดินที่ลึกกว่า และส่งน้ำไปยังรากพืช
Definition
การเคลื่อนที่ของน้ำในดินคือการไหลของน้ำผ่านเครือข่ายรูพรุนของดินที่ขับเคลื่อนด้วยความชันของศักย์ไฮดรอลิก; การซึมผ่านคือการที่น้ำเข้าสู่ผิวดิน ซึ่งเป็นขั้นตอนแรกของการเคลื่อนที่นั้น
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมการซึมผ่านของน้ำลงสู่ดิน การไหลแบบอิ่มตัวที่อธิบายโดยกฎของ Darcy การไหลแบบไม่อิ่มตัวที่อธิบายโดยสมการของ Richards และการกระจายตัวของน้ำหลังจากการเปียกชื้น โดยจะอธิบายว่าน้ำเข้าและเคลื่อนที่ผ่านเครือข่ายรูพรุนของดินได้อย่างไร และการไหลนั้นแบ่งปริมาณน้ำฝนระหว่างการซึมผ่านและการไหลบ่าได้อย่างไร
Core questions
- อะไรเป็นตัวควบคุมความเร็วที่น้ำซึมผ่านลงสู่ดิน?
- กฎของ Darcy อธิบายการไหลแบบอิ่มตัวในดินอย่างไร?
- สมการของ Richards ขยายกฎของ Darcy ไปสู่การไหลแบบไม่อิ่มตัวได้อย่างไร?
- น้ำกระจายตัวภายในชั้นดินอย่างไรหลังจากฝนตกหรือการชลประทาน?
Key concepts
- อัตราและความสามารถในการซึมผ่าน
- ค่าการนำไฟฟ้าไฮดรอลิกแบบอิ่มตัวและไม่อิ่มตัว
- กฎของ Darcy
- สมการของ Richards
- แนวหน้าการเปียกชื้นและการกระจายตัว
- การไหลแบบพิเศษ
Key theories
- กฎของ Darcy ในดิน
- สำหรับดินอิ่มตัว การไหลเป็นสัดส่วนกับความชันของไฮดรอลิกและค่าการนำไฟฟ้าไฮดรอลิกอิ่มตัว ซึ่งเป็นกฎเชิงประกอบเดียวกันที่ควบคุมการไหลของน้ำใต้ดิน
- สมการของ Richards สำหรับการไหลแบบไม่อิ่มตัว
- Richards รวมกฎของ Darcy เข้ากับการอนุรักษ์มวลสำหรับดินที่อิ่มตัวบางส่วน โดยที่ค่าการนำไฟฟ้าไฮดรอลิกลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อปริมาณน้ำลดลง ทำให้เกิดสมการควบคุมสำหรับการซึมผ่านและการกระจายตัว
- พลวัตของการซึมผ่าน
- อัตราการซึมผ่านจะสูงในช่วงแรกและลดลงสู่ค่าการนำไฟฟ้าอิ่มตัวเมื่อดินเปียกชื้นและความชันของเมทริกซ์อ่อนลง ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่ถูกบันทึกโดยแบบจำลองการซึมผ่านและเป็นหัวใจสำคัญในการแบ่งน้ำฝนออกเป็นการซึมผ่านและการไหลบ่า
Mechanisms
เมื่อน้ำมาถึงผิวดิน น้ำจะถูกดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วงและด้วยความชันของแรงดึงดูดของเมทริกซ์ที่สูงชันที่แนวหน้าการเปียกชื้น ดังนั้นอัตราการซึมผ่านจะเริ่มต้นสูงและลดลงสู่ค่าการนำไฟฟ้าไฮดรอลิกอิ่มตัวเมื่อชั้นดินเปียกชื้น ภายในดินที่ไม่อิ่มตัว ค่าการนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำอย่างมาก เนื่องจากมีเพียงรูพรุนที่เต็มไปด้วยน้ำเท่านั้นที่นำไฟฟ้าได้ ดังนั้นการไหลจะช้าลงอย่างรวดเร็วเมื่อดินแห้ง รอยแตกของโครงสร้างและมาโครพรุนสามารถสร้างการไหลแบบพิเศษที่เลี่ยงเมทริกซ์ของดินได้
Clinical relevance
การซึมผ่านและการไหลของน้ำในดินเป็นตัวกำหนดว่าน้ำฝนจะเข้าสู่ดินมากน้อยเพียงใดเมื่อเทียบกับการไหลบ่าที่ทำให้เกิดการกัดเซาะและน้ำท่วม น้ำชลประทานจะซึมลึกเพียงใด และน้ำจะไปถึงรากพืชได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด การจัดการสิ่งเหล่านี้เป็นหัวใจสำคัญของการชลประทาน การระบายน้ำ และการอนุรักษ์ดิน
History
กฎของ Darcy ในปี 1856 สำหรับการไหลแบบอิ่มตัวได้รับการขยายไปสู่ดินที่ไม่อิ่มตัวโดย Buckingham และได้รับรูปแบบสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยที่ทันสมัยโดย Richards ในปี 1931 ทฤษฎีการซึมผ่านในศตวรรษที่ 20 และการแก้สมการของ Richards ด้วยวิธีเชิงตัวเลขทำให้สามารถคาดการณ์การไหลของน้ำในดินเชิงปริมาณได้
Key figures
- Lorenzo A. Richards
- Daniel Hillel
- Henry Darcy
Related topics
Seminal works
- richards1931
- hillel1998
Frequently asked questions
- ทำไมน้ำถึงไหลบ่าออกจากดินบางชนิดแทนที่จะซึมลงไป?
- เมื่อน้ำฝนมาเร็วกว่าที่ดินจะดูดซับได้ หรือเมื่อผิวดินถูกบดอัด เป็นเปลือกแข็ง หรืออิ่มตัวอยู่แล้ว ความสามารถในการซึมผ่านจะเกินขีดจำกัด และน้ำส่วนเกินจะไหลบ่า ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการกัดเซาะและน้ำท่วม
- ทำไมน้ำถึงเคลื่อนที่ช้ามากในดินแห้ง?
- ในดินที่ไม่อิ่มตัว มีเพียงรูพรุนที่เต็มไปด้วยน้ำเท่านั้นที่นำการไหลได้ ดังนั้นเมื่อดินแห้ง ทางเดินนำไฟฟ้าจะหดตัวและค่าการนำไฟฟ้าไฮดรอลิกจะลดลงหลายอันดับ ทำให้การเคลื่อนที่ผ่านดินแห้งช้ามาก