为什么水坑里的水不会无限渗到土壤中？ 刘文龙 禁止转载，作者已授权知乎日报发布。 题主其实提了两个问题： 1. 水坑里的水会不会无限地渗入地下？ 2. 如果水可以渗入地下，为什么土坑里还会有积水？ 这是土壤物理领域的一个经典问题，土壤水分入渗过程(Infiltration)。先说结论： 1. 如果有足够的能量，水分是会不停地渗入地下，但是入渗的速度会随着时间延续而越来越小，最终趋于稳定。 2. 如果供水速度大于入渗速度，地表会产生积水。 3. 如果水坑是一次性大量供水，水量超过了一定时间内的入渗水总量，水坑也会持续存在积水。 以下为详细内容： 鉴于题主没有说明水坑形成前后的情况，笔者在这里假设一种最简单的情况来讨论，即： 积水的来源是降雨，且降雨量随时间没有变化； 地表是平整的，水平无边界的；只在某一位置存在一个“浅坑”； 该地区没有浅层地下水存在，即地下水对入渗过程没有影响； 土壤剖面是均质的，不存在分层状况及虫洞等大孔隙。 基于这个假设，土壤入渗基本可以抽象为一维水分运动过程：降水均匀的落在地表后，只会垂直向下渗入土壤；如果单位时间内降雨量(即降雨强度)超过单位时间内水分入渗的速率(即入渗率)，地表就会出现积水；降雨停止后，地表的积水持续入渗，直到全部渗入土壤为止。为了帮助大家理解这个过程，笔者“编造”一组数据来简单展示一下如何计算地表积水深度。 1. 土壤入渗过程 首先，明确一下土壤入渗过程的数学表达式。土壤入渗是一个物理过程，在实验的基础上，很多土壤物理学家提出不同的公式来模拟入渗过程。具体的文献回顾就不说了，本文采用一个比较常用的 Horton‘s Equation 来描述入渗过程，如下式所示。 其中： ft 是 t 时刻的入渗率； fc 是稳定入渗率 (可以理解成土壤入渗率的最小值)； f0 是初始入渗率 (可以理解成土壤入渗率的最大值)； k 是一个与土壤性质相关的常量。 不妨假定稳定入渗率为 10mm/hour, 初始入渗率为 50mm/hour, k 为 0.5，可以得到图 1 所示的入渗过程曲线。一般情况下，降雨刚接触地表时，由于地表土壤的含水量较低，水分能够很快的入渗；随着时间的推移，土壤中的孔隙逐渐被水填满，入渗率也就逐渐降低；等到土壤的孔隙都被水填满时，土壤水分入渗会按照一个较为稳定的速度进行。需要注意的是，图 1 是根据假定的数据计算出来的，不是实际观测的结果。 图 1 土壤入渗过程模拟曲线 2. 模拟降水过程 实际生活中的降水过程是随机的、没有规律的，本文为了简化问题，假定三种降水过程来讨论问题，如图 2 所示。一号降雨强度为 5 mm/hour, 二号降雨强度为 25 mm/hour, 三号降雨强度为 75 mm/hour。三场降雨都在 20 小时时停止，随后没有降雨补给水量。根据降雨强度和入渗率的关系，可以计算地表积水深度随时间的变化过程。 图 2 模拟三场降雨过程 3. 地表积水深度计算 地表积水的深度如图 3 所示。 一号降雨强度均小于稳定入渗率，所以地表没有积水产生； 二号降雨强度介于最大入渗率和稳定入渗率之间，所以刚开始没有积水；当降水强度大于入渗率时，在第 2 小时后，地表产生积水；降雨停止后，地表积水逐渐渗入地下，到了 45 小时，地表已经没有积水； 三号降雨强度超过了最大入渗率，所以在降雨开始时即产生地表积水；到了 20 小时，降雨停止，地表积水深度开始下降。如果没有降雨补充，地表积水最终将完全渗入地下(图 3 中没有显示)。 图 3. 地表积水深度曲线 4. 结果讨论 针对图 3 中出现的情况，在 20 小时过后，虽然降雨过程已经停止，但是二号和三号降雨情景下，地表还是存在一定的积水的。如果题主在第 30 小时发现了一个小水坑，当时的场景很有可能就是： 土壤有一定的渗透能力，水坑旁边的土壤也是湿湿的。 那为什么水坑里的水不能一下子都渗到土壤中，反而会聚集呢？ 当然， 本文中的计算过程都是建立在一系列的假设基础上，实际上降雨过程和土壤入渗过程都是很复杂的，很难用一个简单的公式来准确的描述和预测。不过，无论如何复杂的模型，大部分的研究方法都在本文中有所体现，希望读者能够理解水文模型建立的理论基础。 另外，本文中没有计算“一次性大量水输入”这个场景，其实是很简单的，如果有兴趣的同学可以尝试计算一下。这是计算过程的 excel 文件，有兴趣可以下载来玩玩，非常简单的计算过程~~ 土壤入渗_知乎_3-23-15.xlsx_免费高速下载 The end. PS：有位知友对本文提出不同意见，请大家移步他的答案看一下。毕竟兼听则明，偏信则暗。不过本人对他的答案持保留意见。 为什么水坑里的水不会无限渗到土壤中？ - 李振的回答 查看知乎原文
