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水泥地都漏成筛子了,为啥池塘还能存住水?

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2024-11-01 17:00

正文

注意看,这棵树周围只有那么一点土,除此之外全是看起来很致密的水泥和地砖,但它似乎长势还不错,高大挺拔,枝叶茂盛。



再看下面这些树,它们构成了城市中最常见的风景线。



取一棵放大仔细看看——矮油!周围竟然完全都是水泥封的死死的!这树还能活命吗?



毫无疑问,它们的确都活得好好的。一阵风吹来,仿佛听到它们发出阵阵轻快地笑声呢。你马上会想到,难道这水泥和地砖都是渗水的货?


还真是的,城市的水泥地面或铺砖的地面,都不防水的。实际上它们都漏成像筛子一样,千疮百孔,连蚂蚁都能随便钻进去,更别说水了。


所以不难理解,为什么一阵大雨过后,城市广场上的水顷刻间就消失殆尽?少许是蒸发,大部分都是通过水泥地的缝隙渗入地下了。实际上,当那些施工队挖开城市路面的水泥和地砖后,发现里面的土并不干燥,甚至都是非常潮湿的,各种动物在里面安居乐业。


说到这,顺便提醒下,城市街道边经常碰到有人卖乌龟甲鱼,声称是工地下面挖出的百年老物,价值连城,你可千万别信!那都是玩了几十年的骗人老把戏呢。



好,继续我们的正题。

雨水不仅从水泥地的缝隙渗入,水还会穿过路面与其他建筑的接缝渗入,当然还会浸透许多粗糙或沥青铺面材料而进入地下。


所以,一方面,水进入地下后,会横向扩散到达树根,满足树们的水份需求。另一方面,落在树叶和树枝上的水,会顺着树干的表面流下,而树根部的松散物质会帮助这些顺流而下的水渗入地下。另外,许多树种还可以通过叶子吸收雨水以维持生存。



当然,在一些较为干旱的城市,人们会用洒水车给树木浇水,在某些情况下,树木在栽种前就安装了滴灌系统。由此可见,大多数时候,尤其是在南方的城市中,你不用再担心那些被水泥包围的树了,它们活得比你想象地要好很多。知道这一点,你心里最多觉得那围住树的水泥缺乏美感,仅此而已。


然而,此刻又有一个问题闪现在你的脑瓜里:为什么池塘和湖泊不会因为水不断渗入地下而干涸呢?



诸君想想,一般情况下,水塘的水减少的原因有哪些?当然是蒸发和渗漏两种。如果这两种总贡献还不及流入的水和雨水带来的增加量,那池塘的水就不会有明显的减少。但问题是,即使池塘没有流入水,并且久干无雨,但池塘的水却没有明显的减少,这是为什么呢?


中学物理知识告诉我们,露在空气中的水,蒸发是不可避免的。既然短期内水看起来没有明显的减少,那只能说明,短期内,蒸发对水的减少的贡献较小,可以忽略。这样一来,说明池塘的水渗漏的量也很小了,换句话说,池塘内表面达到了某种防水效果,所以水几乎也不渗漏了。


这就奇怪了,除非池塘是在一个石头洼里,否则,池塘里不都是泥巴土或沙嘛!难道泥巴土比水泥更能防水?老实说,这问题很难一下子说清,它涉及土壤物理学这门高深的学问,是需要定量分析和计算的,本文不想涉及太多的理论。


简单点说,水在池塘底部的渗漏的量与池塘的岩土性质有关,例如岩土的颗粒和间隙,颗粒和间隙越大,渗水率越大。不考虑纯岩石的情形,毕竟绝大多数池塘和和湖泊底部都是土,它分为黏土(clay)、壤土(loam)和沙子(sand)三种情况。如下图所示,左边是黏土,中间是壤土,右边是沙,它们的渗水性不同,黏土最难被水渗过,壤土次之,而沙是最容易被水渗透的。



所以,当池塘内表和底部的土壤性质不同时,渗漏的情况也不同,但大多数池塘,只要不是新开的,底部主要是黏土,也就是我们俗称的细泥巴儿。这种池塘里的细泥巴儿,非常细腻柔软,人走过时黏在脚底,像一层膜,光洁如陶瓷(黑的)。凭直觉可知,它的渗水率是比较小的。



但即使渗水率小,应该不会比水泥里的水渗得慢吧,只要一直渗漏下去,那应该很快就漏完了啊,可为什么池塘和湖泊就一直漏不完呢?


原因是,无论是什么土壤类型,都存在一个渗水极限,也就是当它吸收的水分过多时,就会达到饱和状态,此时水就无法继续渗入。



对城市地面降水来说,它每次的量不足产生渗水极限,所以就完全漏下去了。当然,如果碰到长时间连续大雨,加上排水系统的问题导致地面积水过多,城市地面水向地下的渗透变慢,就容易形成内涝,因为此时水泥下面的土壤被渗透的很厉害了。


所以,现在可以理解了——虽然水的确会渗漏到地下,但是在渗漏达到一定的限度后,由于土壤里的水达到饱和,池塘里的水就几乎不再进一步渗漏了。当然,绝对不渗漏是不可能的。但只要渗漏的慢和少,或者能被降水和流入的水补偿,池塘的水就不会明显地减少。


在这种情况下,池塘的水的蒸发、渗漏和流出,与降水,流入等形成一个动态平衡的水循环,如下图所示。



据此,我们还可以理解,为什么新开的池塘最初容易漏水?因为低下的土壤还没被水喂饱,一旦喂饱了,它就不再需要了,水就不再漏了。


这体现了大自然的一种普遍的规则——万事皆有度。换句话说,任何自然现象,无论它起初如何迅猛,它本身的发展一定是自我抑制的,等最终达到极限后,就形成平衡状态了。


来源:物含妙理

编辑:月


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