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.
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.
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.
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.
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.
