入渗与土壤水

入渗是水进入土壤的过程，非饱和带中的土壤水动力学将降水分配为径流、储存、蒸散发和地下水补给。

Definition

入渗是水从地表进入土壤的运动，土壤水是非饱和带中保持的水；它们的动力学受毛细力和重力控制，决定了降水在地表及地表以下如何分配。

Scope

本主题涵盖入渗过程和速率、非饱和带（包气带）中水运动的物理学、土壤水特征关系，以及土壤水在连接地表水文和地下水文中的作用。它侧重于非饱和土壤柱；饱和地下水流在地下水领域中讨论。

Core questions

• 什么控制着水渗入土壤的速率？
• 水如何通过非饱和带移动？
• 土壤水如何抵抗重力作用而被保持，其特征是什么？
• 土壤水如何连接地表径流、蒸散发和补给？

Key concepts

• 入渗速率和入渗能力
• 非饱和带（包气带）
• 基质势和毛细作用
• 土壤水特征曲线
• 理查兹方程
• 田间持水量和萎蔫点

Key theories

理查兹方程

理查兹将非饱和介质的达西定律与连续性方程结合，得到了控制包气带水流的偏微分方程，这是模拟入渗和土壤水运动的物理基础。

入渗理论

分析和概念性入渗模型，例如菲利普解和格林-安普特方法，描述了随着土壤湿润，入渗能力如何随时间下降，从而预测降雨何时开始产生径流。

Mechanisms

进入土壤的水通过毛细力保持在孔隙中，并受重力作用向下运动；入渗速率最初很高，随着土壤湿润和基质梯度减弱，入渗速率会下降并趋向于饱和导水率。非饱和导水率以及含水量与基质势之间的关系（由土壤水特征曲线表示）决定了水的移动速度和距离。

Clinical relevance

入渗和土壤水行为控制着地表径流的发生和水量，从而影响洪水、植物可用水量和灌溉时机、含水层的补给以及农业化学品向地下水的迁移。

History

在白金汉（Buckingham）将达西定律推广到非饱和土壤的基础上，理查兹（Richards）于1931年提出了包气带水流的控制方程。20世纪中叶，菲利普（Philip）以及格林-安普特（Green and Ampt）的研究产生了实用的入渗理论，将土壤物理学与流域径流产生联系起来。

Key figures

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

Seminal works

• richards1931
• philip1957
• dingman2015

Frequently asked questions

为什么暴雨期间入渗会减慢？

随着土壤湿润，其孔隙被水填充，吸水的毛细梯度减弱，因此入渗速率从较高的初始值下降到土壤的饱和水力传导度；一旦降雨量超过此速率，径流便开始产生。

什么是包气带？

包气带，或称非饱和带，是地表和地下水位之间的土壤和岩石区域，其中孔隙同时含有空气和水；水在毛细力和重力的共同作用下通过该区域，然后到达下方的饱和地下水。