為什麼水坑裡的水不會無限滲到土壤中?

土壤有一定的滲透能力,水坑旁邊的土壤也是濕濕的。
那為什麼水坑裡的水不能一下子都滲到土壤中,反而會聚集呢?


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題主其實提了兩個問題:

1. 水坑裡的水會不會無限地滲入地下?
2. 如果水可以滲入地下,為什麼土坑裡還會有積水?

這是土壤物理領域的一個經典問題,土壤水分入滲過程(Infiltration)。先說結論:

1. 如果有足夠的能量,水分是會不停地滲入地下,但是入滲的速度會隨著時間延續而越來越小,最終趨於穩定。
2. 如果供水速度大於入滲速度,地表會產生積水。
3. 如果水坑是一次性大量供水,水量超過了一定時間內的入滲水總量,水坑也會持續存在積水。

------------------以下為詳細內容--------------------

鑒於題主沒有說明水坑形成前後的情況,筆者在這裡假設一種最簡單的情況來討論,即:

  • 積水的來源是降雨,且降雨量隨時間沒有變化;
  • 地表是平整的,水平無邊界的;只在某一位置存在一個「淺坑」
  • 該地區沒有淺層地下水存在,即地下水對入滲過程沒有影響;
  • 土壤剖面是均質的,不存在分層狀況及蟲洞等大孔隙。

基於這個假設,土壤入滲基本可以抽象為一維水分運動過程:降水均勻的落在地表後,只會垂直向下滲入土壤;如果單位時間內降雨量(即降雨強度)超過單位時間內水分入滲的速率(即入滲率),地表就會出現積水;降雨停止後,地表的積水持續入滲,直到全部滲入土壤為止。為了幫助大家理解這個過程,筆者「編造」一組數據來簡單展示一下如何計算地表積水深度。

1. 土壤入滲過程

首先,明確一下土壤入滲過程的數學表達式。土壤入滲是一個物理過程,在實驗的基礎上,很多土壤物理學家提出不同的公式來模擬入滲過程。具體的文獻回顧就不說了,本文採用一個比較常用的 Horton『s Equation 來描述入滲過程,如下式所示。

f_{t} = f_{c}+(f_{0}-f_{c})e^{-kt}

其中:
ft 是t時刻的入滲率;
fc是穩定入滲率 (可以理解成土壤入滲率的最小值);
f0是初始入滲率 (可以理解成土壤入滲率的最大值);
k是一個與土壤性質相關的常量。

不妨假定穩定入滲率為10mm/hour, 初始入滲率為50mm/hour, k為0.5,可以得到圖1所示的入滲過程曲線。一般情況下,降雨剛接觸地表時,由於地表土壤的含水量較低,水分能夠很快的入滲;隨著時間的推移,土壤中的孔隙逐漸被水填滿,入滲率也就逐漸降低;等到土壤的孔隙都被水填滿時,土壤水分入滲會按照一個較為穩定的速度進行。需要注意的是,圖1是根據假定的數據計算出來的,不是實際觀測的結果。


圖1 土壤入滲過程模擬曲線

2. 模擬降水過程

實際生活中的降水過程是隨機的、沒有規律的,本文為了簡化問題,假定三種降水過程來討論問題,如圖2所示。一號降雨強度為5 mm/hour, 二號降雨強度為25 mm/hour, 三號降雨強度為 75 mm/hour。三場降雨都在20小時時停止,隨後沒有降雨補給水量。根據降雨強度和入滲率的關係,可以計算地表積水深度隨時間的變化過程。

圖2 模擬三場降雨過程

3. 地表積水深度計算

地表積水的深度如圖3所示。

  • 一號降雨強度均小於穩定入滲率,所以地表沒有積水產生;
  • 二號降雨強度介於最大入滲率和穩定入滲率之間,所以剛開始沒有積水;當降水強度大於入滲率時,在第2小時後,地表產生積水;降雨停止後,地表積水逐漸滲入地下,到了45小時,地表已經沒有積水;
  • 三號降雨強度超過了最大入滲率,所以在降雨開始時即產生地表積水;到了20小時,降雨停止,地表積水深度開始下降。如果沒有降雨補充,地表積水最終將完全滲入地下(圖3中沒有顯示)。

圖3. 地表積水深度曲線

4. 結果討論

針對圖3中出現的情況,在20小時過後,雖然降雨過程已經停止,但是二號和三號降雨情景下,地表還是存在一定的積水的。如果題主在第30小時發現了一個小水坑,當時的場景很有可能就是:

土壤有一定的滲透能力,水坑旁邊的土壤也是濕濕的。
那為什麼水坑裡的水不能一下子都滲到土壤中,反而會聚集呢?

當然, 本文中的計算過程都是建立在一系列的假設基礎上,實際上降雨過程和土壤入滲過程都是很複雜的,很難用一個簡單的公式來準確的描述和預測。不過,無論如何複雜的模型,大部分的研究方法都在本文中有所體現,希望讀者能夠理解水文模型建立的理論基礎。

另外,本文中沒有計算「一次性大量水輸入」這個場景,其實是很簡單的,如果有興趣的同學可以嘗試計算一下。這是計算過程的excel文件,有興趣可以下載來玩玩,非常簡單的計算過程~~

土壤入滲_知乎_3-23-15.xlsx_免費高速下載

The end.


PS:有位知友對本文提出不同意見,請大家移步他的答案看一下。畢竟兼聽則明,偏信則暗。不過本人對他的答案持保留意見。

為什麼水坑裡的水不會無限滲到土壤中? - 李振的回答

----------------------說在後邊的話------------------------

這篇答案是筆者開始在知乎寫作以來爭議最大的回答,很多人對這個模型計算的結果表示了不解、不懂、無視以及偏題等結論,尤其是知乎日報上的評論。由於時間有限,不能一一回復大家,向大家致歉啦~

如果大家都說這篇回答「跑題了」、「沒回答問題」、甚至「瞎扯淡」,其實並沒有,只是很多人沒有讀懂。筆者不是在怪讀者,是在怪自己沒寫清楚。如果我舉個簡單的例子:

一個漏斗,上邊很粗,下邊很細,注入大量水後,漏斗在一定時間內會存一部分水的。土壤也是一個道理,由於土壤的特殊性質,濕透了的土壤中水流的速度很慢,所以在某一個時間節點看過去,土坑裡的水還沒有來得及滲下去,所以即使土壤有一定的滲透性,土坑內還是有水,土坑附近的土壤也是濕濕的。

如果這樣解釋,大家是不是能夠更好懂一點?

但是,這樣寫的話,能夠給大家介紹什麼有趣的事情呢?讀者讀完之後,又能有什麼收穫呢?

思量數天後,筆者想給大家介紹一套科學研究的方法,展示一種運用理論知識解決實際問題的途徑,以及數學知識的實際應用問題。很多大學生朋友們都很苦惱大學學了知識但是沒有用處,甚至還不如小學畢業的同學有成就感。原因就在於,學了知識,但是沒有經受足夠的訓練,不知道如何應用這些知識。就像冰火島的張無忌,謝遜教了很多高級武學知識卻沒有教運用方法,實戰中張無忌還是完敗於對手。

有點扯遠了,對於水坑入滲來說,這其實是一個三維土壤水分運動問題。一滴水從進入水坑開始,空氣、土壤顆粒、土壤中的有機物、土壤溶液中的溶質、溫度等等因素都會對它產生影響。如果真的要詳細搭建一個三維模型來描述水分運動,真是無從下手,影響因素太多,怎麼辦?

如果面對一個複雜棘手的研究問題,或者實際工作中的問題,讀者朋友們,你們該怎麼辦?該怎麼運用學到的知識來解決這個問題?這才是本文想要說的重點。

一般來講,遇到複雜問題時,我們首先要想到的是「複雜問題簡單化」。三維的降到二維甚至一維,隨機的降雨過程簡化成均勻的降雨分布(倒一盆水可以認為一種特殊情況),分層的土壤簡化為一層均值土壤,土壤入滲過程用一些可靠的公式來描述,複雜的地表情況簡化為一個平面,地下水先假設沒有影響。在這裡,我們假設了一個極端簡化的情況來描述土壤水分運動過程,這些假設會幫助我們簡化計算的。

但是,需要注意,我們的假設不是隨意假設的,要注意是否對我們的研究產生決定性的影響。這裡就需要一些哲學知識:抓住主要矛盾。在這個問題中,不管水是三維運動或者二維運動,它的運動趨勢是向下的,這是這個問題的主要矛盾。我們的假設不能違背主要矛盾,例如我們不能假設土壤水在滲透情況下是向上走的。當然,實踐中這個主要靠經驗和訓練來掌握。

在這些假設背景下,我們可以計算出此問題的水坑積水深度,然後分析計算結果來討論是否跟觀測現象相符合,以及是否能夠解釋實際的現象。一般說來,只要建模的方法沒有根本錯誤,分析不會有方向性的偏差,因為主要矛盾對事物的發展起決定作用

由於我們上文中做了很多假設,有些假設與實際生活中不符,為了反映實際情況,下一步就需要把假設的情況一一與實際相結合,包括:

  • 添加地下水;
  • 改變降雨規律;
  • 增加分層土壤;
  • 增加岩石層等不透水層;
  • 適當調整土壤孔隙分布,加入大孔隙流(優先流);
  • 增加水分運動維數, etc。

這部分調整都需要有深厚的土壤物理學基礎來分析計算的,於是可以把書本上學的知識跟實際生活結合起來,應用於生產實踐中。至此,一個可靠的、準確描述水分運動模型建立完成了,這個模型能夠精確的採用數學方法來解釋為什麼「水坑裡的水會聚集」了。

  • 什麼,你們說題主要的只是一個科普性的解釋?那本文開頭的結論不就滿足要求了嗎?
  • 什麼,你們說題主不僅要問how,還要問why? 那隻能自己看書了,因為知識不是小說,都是比較枯燥的。樓下 @馬一勉 同學的解釋就是土壤學領域的標準解釋,感興趣的去參觀一下吧。
  • 什麼,你們說是:「簡單的熱力學不穩定但是動力學過程慢造成的現象」。那麻煩先解釋一下什麼是熱力學不穩定,什麼是動力學過程吧。
  • 什麼,你們說海洋為什麼不全部滲進地球內部?拜託,咱們討論的是陸地上的水流運動,海洋是從哪裡亂入的?全球尺度的水循環和一個小水坑裡的水流肯定是不一樣的規律。
  • 什麼,你們說地表水下滲40億年?前提得有那麼多水,而且再重複一次,研究尺度不同,結論可能完全不同。
  • 什麼,你們說「公式你妹啊,誰知道你發的對不對」? 什麼,還有說吃飯拉翔的? .......

就這樣吧,懂的自然懂,不懂得就當我跑題了吧。

(我真是閑得慌,真的,不去做實驗寫論文跑來寫這麼一大堆話,還招來一堆罵。)


從土壤學角度嘗試解釋一下。土壤也是有一定的組成和結構的,液體和氣體在土壤中的存在狀態也不是僅僅是「被容納」這麼簡單,水分是不能無限制的下滲的。

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首先來說一說我們腳下的不說話的土壤到底是怎樣的一種存在。


1.土壤的組成和結構:土壤的固相是礦質的或有機的土壤小顆粒,成分為石英、長石、高嶺石、蒙脫石、伊利石等原生礦物和次生礦物。它們單個存在(單粒)、或者在黏粒或有機質含量高時多個單粒聚集(復粒),有不同的大小、形狀、物質組成和性質。按當量直徑(就是把土壤顆粒看成是圓球時,與某土壤顆粒在水中的沉降速度相同的圓球的直徑)來劃分,這些土壤顆粒的大小各不相同,劃分標準不一,分為石礫、砂礫、粉粒、黏粒,常見的從1mm到0.0001mm不等。粒徑不同的土壤顆粒表面性質會差異很大,顆粒小,比表面積大、表面能高、吸附力強、粒間孔隙小、吸水量多、透水性差,持水性、濕脹性、可塑性、黏結性、黏著性好。不同大小的土壤顆粒或多或少的存在某一中土壤中,這時候就出現了砂土、壤土、粘壤土、黏土等不同的土壤質地分類,並把自身的特性賦予不同類型的土壤。於是,細顆粒多的黏土可以捏陶人做陶罐,砂土做的城堡很容易坍塌掉。


這些小顆粒也不願意一直鬆鬆散散,藉助膠體凝聚(膠體粒子藉助靜電力分子引力)、水膜黏結、膠結作用(無機膠體如Fe2O3·H2O、Al2O3·H2O等;有機膠體:腐殖質、多糖、蛋白質等;陽離子:如鈣離子等)、凍融作用(周期性濕潤乾燥使土壤崩解成小土塊)、生物作用(蚯蚓吃下去再拉出來神馬的。。。)、土壤耕作,它們由單粒到復粒再到微團粒團粒,在聚集和破碎等作用之後,形成各種直徑0.25~10mm之間的奇奇怪怪的粒狀或團粒狀結構,有比較高的穩定性,內部有較多的小孔隙,相互之間有較多的大孔隙。


2.土壤水的存貯和流通——土壤孔隙:說到了孔隙,那麼問題來了~這些土粒啊 土團啊 之間相互支撐,構成彎彎曲曲、粗細不同、千奇百怪的地下通道,水分、養分都被藏在這裡,也進行土壤中的物質能量貯存交換,土壤動物和微生物也在這裡秘密活動。當然這些孔隙也是形形色色的,小於2微米的最細的孔隙被吸附在土粒表面的水膜充滿,吸附力強到水分不能移動或者移動極慢,有的甚至連微生物也無法進入,這種叫非活性孔隙,裡面的水植物也是無法利用的。再粗一點的叫毛管孔隙,藉助表面張力形成的毛管現象保持一定的土壤水,毛管力的大小S=3/d ,和毛管孔徑成反比,這部分水對於植物非常寶貴。再大一些的叫通氣孔隙,重力作用下可以迅速排出或者下滲補充地下水,成為通氣管道,比如砂土的通氣管道較多,因此透水性好、保水性差。


3.土壤水分的勢能:土壤中的水分在孔隙中受力的作用,自由能和同樣溫度、高度、大氣壓條件下的自由純水相比有很大不同,土壤中水分也遵循熱力學定律,從土水勢高的地方流向土水勢低的地方,流動的方向可以是向土壤中其他地方、蒸發散入大氣、流向植物體內等。土水勢有四個分勢。土粒表面孔隙之間的吸附力和毛管力要饑渴的吸水,這部分我們稱它基質勢,直到全部滿足了,才從負值變為零,此時達到飽和。飽和之後孔隙之間團結起來相互連通,此時存在靜水壓,從土壤表面向下,水壓由一個大氣壓逐漸增加。土壤中的水中溶質還有溶質勢,再加上重力勢,然後才是總土水勢,然後才決定往哪裡移動。


4.土壤水分的運動:既然水勢有別,那麼水分就要在土壤中運動了,運動的最快的是通氣孔隙中的水,在重力勢和壓力勢下它形成飽和流,灌進去就立刻下滲和旁滲了。單位面積的土壤水通量和總水勢差、飽和導水率成正比,水流路徑直線程度成反比。 飽和導水率這個東西和任何影響土壤孔隙大小和形狀的因素都有關。飽和流的方向可以向下(灌溉)、向上(地下泉水露頭)、水平(平原水庫庫底周圍),大多數是多向的複合流。還有一種流動是非飽和流,推動力為基質勢梯度和重力勢梯度。滲透時水通量的表示和飽和流近似,不同的是有關的勢能不同,且非飽和流的導水率非定值而是基質勢的函數,所謂膠多不黏粥多不甜,水分吸收的越充分,負的基質越接近零,非飽和導水率越小。


水供水充足時,土壤的入滲能力由土壤的乾濕狀況(土壤孔隙的飽和狀況)和土壤性質(質地、結構、鬆緊等)決定的。入滲後,入滲處附近的土可能飽和,再接著有接近於飽和的延伸層、濕潤層,最後是濕潤前鋒。入滲停止時,進入土壤的水有一個再分配的過程,這個過程是不飽和流,隨時間推移速度逐漸變慢。當地下水埋藏較淺時,土壤水再分布可能到達地下水,促使地下水位抬高或者隨地下水側流到其他地方,這個過程叫滲漏(⊙﹏⊙‖想到了側漏)

土壤中水分的存在形式,決定水分移動的因素、水分移動的方式,大概就這些。

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那麼水坑裡的水不能完全滲下去這個問題,依我的愚見,可能是坑底土壤飽和,且水中沉澱下的黏性土壤顆粒形成的淤泥層中有效孔隙少,阻礙水分下滲。或者此處地下水淺,土壤孔隙本來就和地下水貫通,地下水壓使坑中水無法下滲。


我所了解的只有一個方面的這些,如有不對還請大家批評指正。=^ω^=


以下回答都是為了有助於理解而寫的,是粗略的模型、是勉強合適的比喻、是為了省事而做的簡化,它們都經不起嚴格的熱力學和動力學檢驗,望周知。

大部分人都聽過這個變態的數學題:

水缸底面積10平方米,高1.5米,出水口距水缸底部0.2米,注水速度200毫升每秒,放水速度15毫升每秒,多長時間可以放滿,放滿時排出的水有多少?

在很多人眼裡,土壤沒有肉眼可見的「出水口」,但實際上,土壤的主體是很多類似麵粉大小的顆粒,這些顆粒堆積起來形成土壤,顆粒之間有空隙。這些空隙雖然沒有水缸的出水口那麼大,但比水分子大很多,所以水可以通過。
總之,從功能上而言,土壤空隙和水缸出水口是一模一樣的。

那麼,最終的答案也就呼之欲出了:土壤有出水口,然而出水口不夠大,當降雨量大於出水能力,水就會在地表聚集。


可能只需要一句話:
因為此時土體內各點處水的總勢能相等,所以坑裡的水不會繼續入滲了。
土體中的水不是從水多的地方流向水少的地方,而是從總勢能高的地方流向總勢能低的地方。


和土質和空隙率有關,不同地區不同的土質滲透性不同,密實度不同,空隙率不同,再加上水表面的張力和一些帶電細粒的結合水膜阻塞了滲流路徑從而造成積水。


土壤的空隙體積是有限的。


一樓科普的很好,但是忽視了一點,日常積水坑其實和滲透沒關係。
僅僅只是因為一下子水下去太多泥土表層潮濕不透氣,空氣無法出來,於是水被托在上面下不去而已。
類似的實驗可以這樣做,
拿半杯沙子往裡倒水,
第一次慢慢的倒
第二次嘩啦一下全到下去
你會發現慢慢倒得水下去了,嘩啦一下的水就在上面,不會下去。
生活中的水坑大部分都是這個原因,和滲透快慢其實沒啥關係。
等我找找看周圍有沒有沙子,有我再補個圖。


有個叫大氣壓的東西。連通器原理。土壤水飽和之後,如果不能淋溶下滲,挖個坑就會聚集。
註:土壤水可分為四種類型,分別是,吸濕水、膜狀水、毛管懸著水和重力水.其中,膜狀水是由土壤顆粒物本身具有吸附水的能力.毛管懸著水是由毛管孔隙間形成並連通重力水.水的遷移和毛細管原理有很大相關關係.另外和大氣壓、水勢壓力也有關係。總之是非常複雜的過程。


這個過程大概是這樣的:

假設一場降雨出現(或者是洒水,whatever),那麼 1.如果地勢是凹的,才會形成水坑,如果 2.地勢是平的或者是凸起的,只能直接入滲或者形成徑流。

那麼根據題主的描述,大概是一場降雨過後,為什麼在凹地會形成水坑而不是直接滲下去吧(降雨過程中形成暫時水坑是完全可能的,因為降雨速度大於入滲速度)? 其實這個水坑最終會消失的,除非這個地方非常潮濕,空氣濕度大不利於蒸發,否則遲早要蒸乾的(evaporation)。

樓主所提的這個問題的英文名稱為 "ponding",即形成積水水坑的現象。一般來說,積水水坑的形成意味著bad drainage, 即很糟糕的土壤入滲能力。糟糕的土壤入滲能力是帶來雨後ponding的主因。

你去看一下,形成水坑的只有一部分土壤,另一部分的土壤的入滲能力非常好,你根本看不見有水坑。

一般能讓土壤形成ponding的因素有


1)土壤顆粒是由sand, silt, clay按一定比例所組成, sand 的粒徑最大,silt的粒徑中間,clay的粒徑最小。如果組成土壤的是clay為主的話,那麼它的毛細力最大,降雨非常不容易在clay含量很高的土壤中滲下去

2) 土壤的結構,降雨在向下入滲的過程中,是一種不穩定的流動(並不像我們看到的河水的流動,綿延不絕),這樣不穩定的流動稱為優勢流(preferential flow)。優勢流的大小和土壤的結構相關,如果一種土體的aggregation越好, 孔隙(特別是macropore, 是蚯蚓和植物根鑿出來的)越好, 那麼優勢流就越容易形成,降雨向下drainage的能力就越好。


3)fragipan的存在,這個一般不會有的。

一般來說,你如果去挖有ponding現象的土的話,你都會看到有灰灰的土,這是還原性環境的體現。如果水不能順暢地流下去的話,整個土壤會處於一種缺氧的狀態,所以是以還原性環境為主。相反的,如果你去挖入滲很好的土的話,你會發現紅色的土壤,這是氧化環境的體現,一般多為Fe, Mn,Mg的氧化物。

這個問題到這兒就回答完了。現在還想提一下土壤自身含水率對於入滲的影響。我想起上個禮拜的一個實驗,我們廢力挖了點土回來裝箱,然後在上面挖個坑,倒水進去,保持恆定ponding的狀態(需要不停倒水,因為ponding的水面在下降)。這個實驗主要是測的是K(θ)和入滲距離的關係。不過在下面的推論中,還是假設K(θ)為K,便於討論。

(靈魂畫師)

(靈魂畫師)

你可以發現在土越濕,這個ponding下降得越慢,你就可以多等一會兒時間倒水讓它保持恆定。即一般來說,土越濕越不好入滲。

這個問題是這樣的,根據最經典的Darcy equation,水流只有在有水頭差的情況下才能形成。

總水頭 = hg + hm +hp +ho
hg = gravitational potential, 即我們說的重力水頭;
hm = matric potential, 這個和毛細的能力有關,一般為負值,含水越多,越接近0;在飽和狀態下這項消失(=0)
hp = pressure potential, 不飽和的土體不存在pressure potential;
ho = osmotic potential, 這項主要看溶質,越純越沒有影響。不參與接下來的討論。

那麼水要向下流,要有J = K △H/△L(水的流速正比於水力坡度),那麼△H越大,J越大,下降越快,對不對?

所以當水坑下面的土越濕,最表層土(假定飽和)和其下的土的△H差得越小 - 因為根據上面的解釋,它們的matric potential很接近,一個為0,一個逼近0。

所以J越小(流速越小),所以越濕的土越不好入滲。

結語:非常歡迎學術討論,言之有理即可,樓主很希望能學習改正。


這道題不是很難,我願意給題主詳細解答一下。
通俗一點說,就是土壤孔隙里已經填滿了水,沒辦法再填了,水就存起來了。

土壤並不是一塊嚴絲合縫的整體,土粒與土粒或團聚體之間以及團聚體內部存在著空洞,叫做土壤孔隙。
相信大家都聽過這樣的一個故事,教授先在瓶子中放入大石頭,又接連加入了卵石、沙子、水,藉此故事來告訴大家時間像海綿,只要擠總會有的。事實上你可以把土粒看成一塊塊縮小的石頭,土粒與土粒之間是存在孔隙的,這樣水和空氣才能存在於土壤之中。

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在下僅僅學了土壤學的基本知識,也就只能從我理解的水平來分析,樓上匿名答主分析的更好,在下就不班門弄斧了。


水滲透也是受到阻力的,隨著表層水的飽和,對其底部空隙的空氣更高的密封性,形成更強的對抗氣壓。


因為有基岩


謝 @何嘉 邀請。我可能沒辦法給出更好的答案。我做的東西與題主的問題相距十萬八千里。
這裡給出一篇綜述:Infiltration into soils: Conceptual approaches and solutions
如果覺得上面的回答真的不過癮,還是讀正兒八經的文獻吧。答主的問題,嚴格說是沒辦法在這麼一個小地方說得清楚的。

——————————胡說八道的分割線——————————

前兩天看到(沒細看) @劉文龍的答案就直接點贊了。結果我完全沒想到下面吵成了這個樣子,嚇了一跳。
我完全理解吵架的初衷,題主和部分答主可能希望得到一個機理上的解釋,比如從土壤顆粒、滲流等等建立一套特別完整的物理和數學模型,最後算出一個符合各種情況的,非常完美的,還得給出一個大眾能夠看得懂的解說。從各個方面說,這都是不切實際的。而 @劉文龍的答案則直接給出了一個經驗公式,於是想要尋求機理性解釋的人就大失所望。

我不會做出一個比劉文龍更好的答案,根據我學的那點粗淺的土壤物理學知識,大概也只能是給出一個更加粗淺的經驗公式類型的解答。其實這並沒有什麼好失望的,所謂機理性的解釋,也是基於抽象程度更高的,更為基本的經驗。


我來說人話

簡單來說:是你的錯覺。

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題目披個馬甲變成: 為什麼拔掉塞子的洗臉池裡的水不會無限性的流走而是積累在池子里。

原因:
排水的水管有粗細限制,即使它有著往下水道滲水的功能,速度卻是有著上限的,泥土同理。水龍頭開大了水位可是繼續上漲到漏出的哦。

而假若你同時拔了浴缸的塞子,導致下水道一時間擠入大量的水,那麼就算水龍頭關了洗臉池的排水速度也會下降,甚至看起來水位不在下降。宏觀上就會覺得水是聚集在池子里。

泥土滲水速度通常會比降雨速度要小,下雨時通常上層泥土含水量都達到了極限,在慢慢滲透的過程中,明水積累的消散自然顯得緩慢,從而有著聚集的誤覺。

就像一桌人都吃飽吃撐了,在大家都慢慢聊天消化的時候,桌上的甜品便少有人碰,顯得甜點都是不受歡迎的東西。但是給足夠時間吃貨們還是會慢慢伸出魔手消滅掉它們嗒~


飽和溶液能很好的解釋這個問題。在一杯水裡,加了過多的鹽,那就會有一部分鹽仍然保持晶體狀態,同一個道理


我覺得還是一樓的結論靠譜,和土質有關。當水的滲透的過程中會帶動非常微小的土壤顆粒向下運動,這些顆粒最終堵塞掉了大的土壤空隙使得水向下的滲透的速度急劇減慢,最終產生積水。就這麼簡單。


就像火比水大了可以把水燒乾蒸發掉,水比火大了可以把火滅掉,就像你撒泡尿很快就會被大地吸收掉,而大海幾億年都還在那裡。只要你一直尿早晚有一天你能尿出一個魚塘大的尿坑,冰川一直在融化大海不會擔心被大地吸收掉,反而大地擔心被大海吞沒掉。


這麼明了的比喻手法希望題主明白——保證水不被土壤一下子吸收掉,要麼你的量夠大,要麼你有補寄


建議題主看一下熱力學和動力學的相關概念。
最高票答案基本是瞎消音。
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頭一次見這麼大火氣的答主。
我仔細想了一下,我是不是成為了那種只會否定別人的人,想來想去不是,所以回答一下罵我的人。
1.我說你消音的最大原因:你建立的一系列假設只是方便你講故事,而恰好把題主的現實問題屏蔽了。人家題主問的是水坑,你拿書上充分供水的公式套個什麼意思?還非得是平滑地面淺坑....地下水滲水形成的水坑行不行?一桶水撒了成的水坑行不行?還拿excel建了一大堆莫名其妙的模型。你給的條件能強到完全涵蓋包括雨量、土壤本身毛細作用之間關係的地步嗎?到底是滲透為主還是蒸發為主?(植物蒸騰就是從土壤吸水),是從里滲還是向里滲?要知道只要涉及運算參數大小可是能決定自發方向的,你能嗎?不能,所以你看似專業的建模無非是給不太合適的模型賦了一個特值而已。這就是我說你消音的原因,當然語氣可能重了些。 其實你這個答案恰好就是我所說的「消音」的答案,為了炫技刻意複雜化。
2.你用的霍頓方程肯定是個經驗方程吧?經驗方程可以用來算是什麼,但能用來解釋為什麼嗎?為什麼不從機械彌散和分子擴散上就開始算? 因為那樣沒法算對吧?
3.降水和積水那段跟題主問題毫無關係。
4.最後你終於寫到「本文中的計算過程都是建立在一系列的假設基礎上,實際上降雨過程和土壤入滲過程都是很複雜的,很難用一個簡單的公式來準確的描述和預測」——finally,算了半天你還是說不好對吧?
5.「不過,無論如何複雜的模型,大部分的研究方法都在本文中有所體現,希望讀者能夠理解水文模型建立的理論基礎。」 不知道我理解對了沒有啊,是說你這幾張圖把降雨滲水的研究方法大部分囊括了嗎?是不是諸如Green-Ampt Philip Smith Smith—Parlange Kostiakov 等等這些公式全都囊括在你的模型以內了?也許吧。
6.我微積分挺差的,那也沒差到要被人檢查自然對數積分正負號對不對的地步。當然我得感謝一下,連接里這本書挺好的。
7.我在知乎上偶爾抖個不亮的機靈怎麼了?我一樣給優質答案點了很多贊啊?
我並不認為知乎是一個「大V消音、消音消音遍地」的地方,但是有些答案誤人子弟,顛倒是非。包括兩江總督那一個。jun批柴靜那個我也罵了。如果要引用拿來批判,那就請不要斷章取義,在你引用的這幾個答案里,我都是給出了答案的,不是嗎?
「愛看不看,不看消音。你行你上,不行別消音。」我在答案里說了,這就是一個簡單的熱力學不穩定但是動力學過程慢造成的過程。(但至於為什麼慢,我同樣確實解釋不了,因為題主給的條件太少,他看到的東西只有他知道,我相信題主看了熱力學和動力學關係的知識可以結合自己看到的現象得出解釋)。話說答主您還真是有坐而論道的風骨啊!
重複一遍,題主的問題是:「為什麼水坑裡的水不能一下子都滲到土壤中,反而會聚集呢?
答案是:「這就是一個簡單的熱力學不穩定但是動力學過程慢造成的現象。」


這個問題其實並不複雜,涉及的理論就那麼幾個:滲透係數,水的存在方式

水為什麼不下滲了,而變成水坑?

因為接觸面已經達到了滲透平衡

簡單講就是土壤已經達到了它能吸收的最大量

這時候你可能會想,土壤那麼多,水才那麼點為什麼就不能再吸收了呢?

這個時候就要考慮到水在土壤中存在的方式,裡面有結合水,間隙水等等,其實是很複雜的,你只要把它理解成在土壤內部形成了一堵牆把水和土壤隔開就行了

感覺這是個坑,再回答下去就是寫論文了


。。。。厲害了


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