Инфильтрация

Роль инфильтрации в гидрологическом цикле впервые описана Хортоном. Он определяет инфильтрационную способность почвы как максимальную скорость, с которой почва может поглотить атмосферные осадки в данных условиях.

Способность почвы пропускать воду, или «о гидравлическая проводимость,— величина переменная. Если почва сложена хорошо отсортированными песком или гравием, ее влагопроводность будет высокой и со временем изменится незначительно. Но многие слоистые рыхлые отложения на поверхности земли образуют систему слоистости, называемую почвенным профилем (рис. 2.3). Почвенный профиль формируется под влиянием химического выветривания и деятельности организмов. В полном почвенном профиле горизонт А значительно более проницаем, чем горизонт Б, который обычно содержит значительные количества глинистых и коллоидных частиц. Горизонт В разбит трещинами, в результате чего образуются агрегаты призматической формы. Когда почва суха, трещины более или менее открыты, но но мере насыщения инфильтрующейся водой глина и коллоиды набухают и трещины затягиваются. Таким образом, почва имеет высокую влагопроводность в начале инфильтрации, которая постепенно уменьшается к концу этого процесса.

На начальной стадии инфильтрации воздействие капиллярных сил на воду имеет очень большое значение. После продвижения фронта инфильтрации более чем на два-три фута действие капиллярных сил в средне- и грубозернистой почве незначительно. В тонкозернистых почвах роль капиллярных сил наиболее значительна при низких величинах начальной влажности.

Почвенный профиль, сформированный на песчаном аллювии
Рис. 2.3. Почвенный профиль, сформированный на песчаном аллювии (горизонт С).

Обогащенный глиной горизонт В препятствует инфильтрации влаги. Вначале вода в почву поступает довольно интенсивно, но по мере увлажнения и набухания глины поры почвы затягиваются и скорость инфильтрации снижается.

При инфильтрации заметную роль играет защемленный воздух. Вначале фронт инфильтрующейся воды продвигается неравномерно и защемленный воздух вытесняется в различных точках. Скорость инфильтрации падает, поскольку затрачивается много энергии на вытеснение воздуха из пор почвы. По мере продвижения насыщенного фронта остаются языки сухой почвы, препятствующие движению воды, но в результате непрерывного поступления воды часть почвенного воздуха растворяется и скорость инфильтрации увеличивается. Это явление наблюдается на первом этапе инфильтрации (рис. 2.4).

Вторичное увеличение скорости инфильтрации отмечается во многих, но не во всех опытах с различными почвами. Скорость инфильтрации возрастает, возможно, в результате растворения воздуха, первоначально защемленного в почве.

1 — снижение скорости инфильтрации вследствие набухания глинистых частиц и коллоидов, а также недостаточного действия капиллярных сил натяжения;

2 — повышение скорости инфильтрации вследствие постепенного растворения почвенного воздуха;

3 — снижение скорости инфильтрации в результате деятельности живых организмов на поверхности почвы и около нее.

Скорости инфильтрации в образце почвы при подаче воды за период более месяца
Рис. 2.4. Скорости инфильтрации в образце почвы при подаче воды за период более месяца.

Состояние почвы также имеет большое значение для инфильтрации. Поверхность голой почвы непосредственно подвергается ударам дождевых капель. Дождь уплотняет почву, а также смывает мелкие частицы в открытые трещины и отверстия. Таким образом во время дождя инфильтрация в почву, лишенную растительности, уменьшается. Густой растительный покров защищает поверхность почвы от уплотнения и препятствует переносу частиц почвы каплями дождя. Корни растений также сохраняют пористость почвы и способствуют инфильтрации.

Температура воды влияет на ее вязкость, от которой в свою очередь зависит скорость инфильтрации. Это явление хорошо наблюдается на опыте с искусственной инфильтрацией большой продолжительности. При равенстве прочих условий инфильтрация изменяется обратно пропорционально вязкости и прямо пропорционально температуре. Однако инфильтрация осадков зависит главным образом от других факторов.

Image
Рис. 2.5. Влияние потенциального суммарного испарения на запасы почвенной влаги в районе с небольшим количеством летних осадков или без них.

Количество воды, достигающее водоносного горизонта в региональном масштабе, равно общей величине инфильтрации за вычетом количества воды, поглощенного почвой. Следовательно, влажность почвы перед началом инфильтрации — важный фактор, влияющий на питание подземных вод.

 

Профили влажности гипотетической почвы в районе с влажной зимой и сухим летом
Рис. 2.6. Профили влажности гипотетической почвы в районе с влажной зимой и сухим летом.

 

 

 

На рис. 2.5 показаны условия увлажнения в районе с годовыми осадками около 20 дюймов. Одна из кривых характеризует месячные осадки, другая — потенциальное суммарное испарение. Принимается, что поверхностный сток равен нулю. Весной количество осадков равно суммарному испарению. По мере снижения количества осадков и повышения температуры летом почвенная влага начинает расходоваться на суммарное испарение. К середине лета запасы почвенной влаги истощаются и потери воды в атмосферу прекращаются. Дефицит влаги существовал бы даже при орошении. В начале осени осадки полностью идут на суммарное испарение. По мере увеличения осадков и снижения температуры образуется избыток влаги, идущий на пополнение запасов почвенной влаги. В конце зимы запасы почвенной влаги превышают величину полевой влагоемкости, и вода достигает поверхности грунтовых вод. На рис. 2.6 изображены вертикальные профили влажности почвы для указанных периодов.

 
< Пред.   След. >