土壤水分运动与入渗

水通过地表入渗，并在土壤剖面内通过饱和流和非饱和流运动，重新分配水分，补给深层土壤，并为植物根系供水。

Definition

土壤水分运动是指水在水力势梯度驱动下通过土壤孔隙网络的流动；入渗是指水通过土壤表面的进入，是水分运动的第一阶段。

Scope

本主题涵盖水入渗土壤、达西定律描述的饱和流、理查兹方程描述的非饱和流，以及湿润后水分的再分配。它解释了水如何进入并穿过土壤孔隙网络，以及水流如何将降雨分配为入渗和径流。

Core questions

• 什么因素控制着水入渗土壤的速度？
• 达西定律如何描述土壤中的饱和流？
• 理查兹方程如何将达西定律扩展到非饱和流？
• 降雨或灌溉后，水分如何在土壤剖面内重新分配？

Key concepts

• 入渗速率和入渗能力
• 饱和与非饱和水力传导度
• 达西定律
• 理查兹方程
• 湿润锋和再分配
• 优先流

Key theories

土壤中的达西定律

对于饱和土壤，水流与水力梯度和饱和水力传导度成正比，这是与地下水流相同的本构定律。

非饱和流的理查兹方程

理查兹将达西定律与部分饱和土壤的质量守恒相结合，其中水力传导度随含水量的减少而急剧下降，从而产生了入渗和再分配的控制方程。

入渗动力学

入渗速率最初很高，随着土壤湿润和基质梯度减弱而趋向于饱和传导度，这种行为被入渗模型捕捉，并且对于将降雨分配为入渗和径流至关重要。

Mechanisms

当水到达土壤表面时，它受到重力和湿润锋处陡峭的基质梯度吸引而进入土壤，因此入渗速率开始时很高，随着剖面湿润而趋向于饱和水力传导度。在非饱和土壤中，传导度强烈依赖于含水量，因为只有充满水的孔隙才能导水，所以随着土壤变干，水流速度急剧减慢。结构裂缝和大孔隙可以产生优先流，绕过土壤基质。

Clinical relevance

入渗和土壤水分流决定了多少降雨进入土壤，多少径流导致侵蚀和洪涝，灌溉水渗透的深度，以及水到达植物根系的效率；管理它们对于灌溉、排水和土壤保持至关重要。

History

达西在1856年提出的饱和流定律被白金汉扩展到非饱和土壤，并由理查兹在1931年赋予其现代偏微分形式。20世纪的入渗理论和理查兹方程的数值解使得土壤水分流的定量预测成为可能。

Key figures

• Lorenzo A. Richards
• Daniel Hillel
• Henry Darcy

Seminal works

• richards1931
• hillel1998

Frequently asked questions

为什么有些土壤会发生径流而不是入渗？

当降雨速度快于土壤吸收速度，或者当地表被压实、结皮或已经饱和时，入渗能力就会被超过，多余的水就会径流，这是侵蚀和洪涝的主要驱动因素。

为什么水在干燥土壤中移动如此缓慢？

在非饱和土壤中，只有充满水的孔隙才能导流，因此随着土壤变干，导流路径缩小，水力传导度会下降几个数量级，使得水在干燥土壤中的移动非常缓慢。