E4 Ungesättigte Zone und Infiltration

Thema

Die ungesättigte Zone, auch Vadosezone genannt, ist das Bodenvolumen, das sich zwischen der Oberfläche und dem Grundwasserspiegel erstreckt. Dabei handelt es sich um ein Volumen, in dem die Poren des Bodens gleichzeitig Wasser und Luft enthalten und nicht nur mit einem von beiden vollständig gefüllt sind.

Die Bewegung des Wassers innerhalb dieser ungesättigten Zone folgt der Richards-Gleichung, die bereits in früheren Dokumenten erwähnt wurde, einer nichtlinearen Diffusionsgleichung, die den immer nach unten gerichteten Gravitationsfluss mit dem Matrixfluss kombiniert, der dorthin gerichtet ist, wo das Matrixpotential niedriger ist, unabhängig davon, in welche Richtung das ist; Genau diese Gleichung offenbart eine extreme Nichtlinearität, da die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens beim Übergang von gesättigten zu trockenen Bedingungen um mehrere Größenordnungen variieren kann.

Infiltration ist der Prozess, bei dem Wasser aus Regen oder Bewässerung in die Oberfläche derselben ungesättigten Zone eindringt; Es ist genau die Intensität des Matrixsauggradienten, die dazu führt, dass die Infiltrationsrate zu Beginn, wenn der Boden noch trocken ist, hoch ist und dass diese Rate asymptotisch abnimmt, bis sie sich dem Wert der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens annähert, wenn dieser Boden feuchter wird.

Es gibt drei klassische Modelle, die diese Infiltration beschreiben: das Green-Ampt-Modell, das eine abrupte Feuchtfront annimmt und analytisch gelöst werden kann; Philipps Modell, das die Infiltration als Potenzreihe der Quadratwurzel der Zeit erweitert; und das Horton-Modell, das Infiltration als einen empirisch angepassten exponentiellen Zerfall beschreibt.

Wenn die Intensität des Regens die Infiltrationskapazität des Bodens übersteigt, bildet genau dieses überschüssige Wasser Oberflächenabfluss, der gleichen Art, die bereits bei Überschwemmungen beschrieben wurde und in diesem Zusammenhang als Horton-Abfluss bezeichnet wird, in Anlehnung an dasselbe Modell des exponentiellen Zerfalls.

Bevorzugter Fluss hingegen tritt auf, wenn sich Wasser schnell durch Makroporen bewegt – Risse, von Wurzeln hinterlassene Kanäle oder von Würmern ausgegrabene Galerien – und dabei die Bodenmatrix, die die Richards-Gleichung beschreibt, vollständig umgeht; Genau diese Fähigkeit, die Bodenmatrix zu umgehen, bedeutet, dass der bevorzugte Fluss Schadstoffe viel schneller zu den Grundwasserleitern transportieren kann, als dieselbe Richards-Gleichung vorhersagen würde.

Die direkt aus dem Boden erfolgende Verdunstung durchläuft ihrerseits drei aufeinanderfolgende Phasen: In der ersten Phase wird die Verdunstung durch den Bedarf der Atmosphäre gesteuert und ihre Geschwindigkeit entspricht der potenziellen Evapotranspiration; In der zweiten Stufe ist es die eigene hydraulische Leitfähigkeit des Bodens, die eine zunehmend abnehmende Verdunstungsrate steuert; und in der dritten Stufe sinkt die Verdunstung auf sehr niedrige Werte, die nur durch die Diffusion von Wasserdampf durch den bereits fast trockenen Boden begrenzt wird. Von der ungesättigten Zone, mit der dieses Dokument beginnt, bis zu dieser letzten Verdunstungsstufe, mit der es endet, über die Richards-Gleichung, die Infiltrationsmodelle und den sie vermeidenden bevorzugten Fluss bedeuten die ungesättigte Zone und die Infiltration, dass der Bestimmungsort jedes Regentropfens – infiltrieren, von der Oberfläche abfließen oder zurück verdunsten – durch denselben Boden bestimmt wird, durch den dieser Tropfen fließt.

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