水文学原理下渗课件.pptx

1、P67 公式公式6-16，印刷错误，少一个，印刷错误，少一个“+”号号第六章 下渗（infiltration ） 6.1 下渗的物理过程下渗的物理过程 三阶段三阶段（水分受力和运动特征）（水分受力和运动特征） 下渗过程中，土壤水下渗过程中，土壤水垂向分布规律垂向分布规律 下渗结束后，土壤剖面下渗结束后，土壤剖面内水分再分配内水分再分配 土壤土壤下渗率和下渗能力下渗率和下渗能力 6.2 下渗理论和下渗公式下渗理论和下渗公式 饱和土壤水下渗理论：饱和土壤水下渗理论：Green Ampt方法方法 非饱和土壤水下渗理论非饱和土壤水下渗理论 6.3 下渗试验与分析下渗试验与分析直接测定方法直接测定方法

2、水文分析方法水文分析方法 6.1 下渗的物理过程下渗的物理过程几个基本概念下渗、 下渗率、下渗能力（下渗容量）f(t)t下渗速率下渗速率fcf0土壤充分供水条件下，土壤充分供水条件下，累计下渗进入土层的水量随时间变化的过程线累计下渗进入土层的水量随时间变化的过程线 F(t) t 该曲线上某一点切线的斜率为该时刻的下渗率该曲线上某一点切线的斜率为该时刻的下渗率f(t)t F(t)t f0 在下渗最初阶段，在下渗最初阶段，下渗速率具有较大的数值，称为初始下渗速率下渗速率具有较大的数值，称为初始下渗速率f0 相同土样，初始含水量不同，土壤初始下渗率不同相同土样，初始含水量不同，土壤初始下渗率不同随下

3、渗进程进行，随下渗进程进行，进入土壤的水量不断增加，进入土壤的水量不断增加，而土壤水下渗速率不断减小，而土壤水下渗速率不断减小，减小的速率呈现先快后慢的趋势。减小的速率呈现先快后慢的趋势。f(t)t F(t)t 当土壤孔隙充满水，达到田间含水量，直至土壤饱和时，当土壤孔隙充满水，达到田间含水量，直至土壤饱和时，下渗率就逐步递减到一个稳定的常值下渗率就逐步递减到一个稳定的常值 fc ，这个值就是稳定下渗速率。这个值就是稳定下渗速率。土壤某一时刻的下渗率土壤某一时刻的下渗率f(t) f(t) 与稳定下渗率与稳定下渗率 f fc c 的差值。的差值。表示土壤当前的下渗率离稳定下渗率的差值。表示土壤当

4、前的下渗率离稳定下渗率的差值。f(t) fc下渗过程中，土壤水不断趋向饱和的进程中，下渗过程中，土壤水不断趋向饱和的进程中，土壤水分的受力状况在三个阶段不同，土壤水分的受力状况在三个阶段不同，使得土壤水渗透速率在这三个阶段差异比较大使得土壤水渗透速率在这三个阶段差异比较大渗渗 润润 阶段阶段渗渗 透透 阶段阶段 渗渗 漏漏 阶段阶段统称为渗漏阶段统称为渗漏阶段123f0 起始下渗速率起始下渗速率fc 稳定下渗速率稳定下渗速率fcf012第二阶段渗漏阶段这一阶段下渗率迅速递减，是非饱和水流流动阶段，这一阶段下渗率迅速递减，是非饱和水流流动阶段，通常将渗润阶段和渗漏阶段合称为渗漏阶段。通常将渗润阶

5、段和渗漏阶段合称为渗漏阶段。123包德曼（包德曼（Bodman）利用砂壤土与粉砂土作试验，）利用砂壤土与粉砂土作试验，在土样表面始终保持在土样表面始终保持 积水积水 5 毫米的条件下，毫米的条件下，依据下渗水在土壤中的垂向分布规律，依据下渗水在土壤中的垂向分布规律，把干燥土壤下渗后的土壤水分剖面分为把干燥土壤下渗后的土壤水分剖面分为4个带个带1. 饱和带饱和带2. 过渡带过渡带3. 水分传递带水分传递带4. 湿润带，其下界面就是湿润锋面湿润带，其下界面就是湿润锋面湿润带湿润带饱饱 和和 带带湿润锋面湿润锋面过过 渡渡 带带水分传递带水分传递带饱和带饱和带 1.5cm位于土壤表层，在持续不断地供

6、水条件下，位于土壤表层，在持续不断地供水条件下，土壤含水量始终处于饱和状态土壤含水量始终处于饱和状态 。不论下渗强度多大，土壤浸润深度怎样增大，不论下渗强度多大，土壤浸润深度怎样增大，饱和带的厚度一般不超过饱和带的厚度一般不超过1.5 cm过渡带，过渡带， 5cm 5cm 左右左右在饱和带之下，土壤含水量随深度的增加，而急剧减少，在饱和带之下，土壤含水量随深度的增加，而急剧减少，形成一个水分过渡带。形成一个水分过渡带。过渡带的厚度不大，一般在过渡带的厚度不大，一般在 5 cm 左右。左右。水分传递带水分传递带位于过渡带之下，含水量沿垂线分布比较均匀，位于过渡带之下，含水量沿垂线分布比较均匀，含

7、水量在数值上大致是饱和含水量的含水量在数值上大致是饱和含水量的60-80左右。左右。这个带内水分的传递运行主要依靠重力，这个带内水分的传递运行主要依靠重力，基质势梯度比较小。基质势梯度比较小。在均质土中，带内水分下渗率接近于一个常值。在均质土中，带内水分下渗率接近于一个常值。湿润带的末端称为湿润锋面，是一个界面，湿润带的末端称为湿润锋面，是一个界面，是上部湿土层与下部干土层之间的界面。是上部湿土层与下部干土层之间的界面。 界面上下的土壤含水量在数值上是突变的。界面上下的土壤含水量在数值上是突变的。随下渗不断进行，随下渗不断进行，湿润锋面向土层深处延伸推进，湿润锋面向土层深处延伸推进，直至与地下

8、潜水面上的毛管水上升带相衔接。直至与地下潜水面上的毛管水上升带相衔接。湿润带、湿润锋面的移动湿润带、湿润锋面的移动水分传递带之下，含水量随深度迅速递减。水分传递带之下，含水量随深度迅速递减。四、上表面停止供水、土壤水再分配过程30分钟分钟60分钟分钟90分钟分钟土深土深上层土壤含水量减少，下层土壤含水量增加。上层土壤含水量减少，下层土壤含水量增加。湿润带厚度增加。土壤水分再分配时段的长短不定，湿润带厚度增加。土壤水分再分配时段的长短不定，一般在几天内结束。一般在几天内结束。影响因素与土壤质地、土壤内部分层有关影响因素与土壤质地、土壤内部分层有关入渗结束后的土壤水分再分配入渗结束后的土壤水分再分

9、配入渗进程中，地表供水停止，则地表处水分入渗结束，入渗进程中，地表供水停止，则地表处水分入渗结束，四个带内的土壤水四个带内的土壤水在重力势与基质势梯度的作用下向下移动（发生渗漏），在重力势与基质势梯度的作用下向下移动（发生渗漏），把上层土壤的水量输送到下层土壤中，把上层土壤的水量输送到下层土壤中，使得上层土壤含水量减少，下层土壤含水量增加。使得上层土壤含水量减少，下层土壤含水量增加。在这个过程中，湿润锋面向下迁移，在这个过程中，湿润锋面向下迁移，也就使得使得湿润锋面以下的土壤不断获得水分，也就使得使得湿润锋面以下的土壤不断获得水分，使得湿润带的厚度增加。使得湿润带的厚度增加。五、霍顿下渗率试验

10、-0( ) - tccf tfffe( )df tdt ( )-cdf tf tfdt0fcf霍顿下渗公式 ( )cdf tftfdt 0 0 , 0 fft当 -0( ) -tccf tfffe积分得到霍顿下渗率公式积分得到霍顿下渗率公式对霍顿下渗率公式积分，可导出累积下渗量公式。对霍顿下渗率公式积分，可导出累积下渗量公式。下渗率经验公式先通过实际试验，获得下渗曲线图形，先通过实际试验，获得下渗曲线图形，再从其图形来回归模拟下渗曲线数学表达式（经验公式）再从其图形来回归模拟下渗曲线数学表达式（经验公式）经验公式特征：下渗率随时间递减的函数形式，经验公式特征：下渗率随时间递减的函数形式，例如例

11、如ktktccbeaeffff)(02、考斯加柯夫（、考斯加柯夫（.，1932）公式）公式natF 六六 天然条件下的下渗天然条件下的下渗t1t2不能保证土壤表面充分供水实际入渗过程可概化成如下不同特点：实际入渗过程可概化成如下不同特点：在土壤物理学中称在土壤物理学中称这样的入渗过程为：这样的入渗过程为：“”降雨强度降雨强度i余水形成积水或流走余水形成积水或流走ftfp(t)1、下渗与雨强的关系、下渗与雨强的关系降雨强度曲线处在入渗降雨强度曲线处在入渗能力曲线下方能力曲线下方ftfp(t)i(t)当当 i(t) fp(t) t0 t t1 f(t)= i(t) C）fc i fp(t) t t

12、1 f(t)=fp(t)ftfp(t)t0t1受通量控制受通量控制受剖面控制受剖面控制i(t)fc造成空间变异性的原因：u 土壤特性空间分布的差异、植被、坡度及土壤特性空间分布的差异、植被、坡度及 土地利用情土地利用情况（人类活动如水土保持、植树造林、平整土地、农田况（人类活动如水土保持、植树造林、平整土地、农田基本建设和都市化等）的不同；基本建设和都市化等）的不同；土壤含水率及土壤蒸散发在空间上的差异；土壤含水率及土壤蒸散发在空间上的差异；降雨时间和空间上分布不均匀性和强度差异。降雨时间和空间上分布不均匀性和强度差异。2、入渗在空间上的变异性七 影响下渗的因素土壤特性土壤特性 土壤质地土壤质

13、地孔隙的多孔隙的多少少透水性能透水性能前期含水量前期含水量取决于颗粒愈粗颗粒愈粗孔隙直径愈大孔隙直径愈大透水性能愈好透水性能愈好下渗能力愈大下渗能力愈大七 影响下渗的因素降水特性降水特性n降水强度降水强度n降水历时降水历时n时程分配时程分配n空间分布空间分布直接影响土壤下渗强度及下渗水直接影响土壤下渗强度及下渗水量量流域植被流域植被植被的滞植被的滞水作用水作用增加了增加了下渗时间下渗时间减少了减少了地表径流地表径流增大了增大了下渗量下渗量地形条件地形条件地面坡度大、漫流速度快，历地面坡度大、漫流速度快，历时短，下渗量就小时短，下渗量就小人类活动人类活动砍伐森林砍伐森林过度放牧过度放牧不合理的耕

14、作不合理的耕作增大增大抑制抑制两面性 坡地改梯田坡地改梯田 植树造林植树造林 蓄水工程蓄水工程增加水的滞留时间增加水的滞留时间导致水土流失水土流失1）对于比较干燥的土壤，充分供水条件下，）对于比较干燥的土壤，充分供水条件下，下渗的物理过程可分为三个阶段，它们依次下渗的物理过程可分为三个阶段，它们依次为（）为（） A. 渗透阶段渗透阶段-渗润阶段渗润阶段渗漏阶段渗漏阶段 B. 渗漏阶段渗漏阶段-渗润阶段渗润阶段渗透阶段渗透阶段 C. 渗润阶段渗润阶段渗漏阶段渗漏阶段-渗透阶段渗透阶段 D. 渗润阶段渗润阶段渗透阶段渗透阶段渗漏阶段渗漏阶段C例题例题2）土壤稳定下渗阶段，降水补给地下径流的）土壤稳

15、定下渗阶段，降水补给地下径流的水分主要是（）水分主要是（） A. 毛管水毛管水 B.重力水重力水 C.薄膜水薄膜水 D.吸着水吸着水B例题例题3）下渗容量（能力）曲线，是指（）下渗容量（能力）曲线，是指（） A. 降雨期间的土壤下渗过程线降雨期间的土壤下渗过程线 B.干燥的土壤在充分供水条件下的下渗过程线干燥的土壤在充分供水条件下的下渗过程线 C.充分湿润后的土壤在降雨期间的下渗过程线充分湿润后的土壤在降雨期间的下渗过程线 D.土壤的下渗累积过程线土壤的下渗累积过程线B例题例题4）决定土壤稳定入渗率大小的主要因素是（）决定土壤稳定入渗率大小的主要因素是（） A. 降雨强度降雨强度 B. 降雨初

16、期的土壤含水量降雨初期的土壤含水量 C. 降雨历时降雨历时 D. 土壤特性土壤特性D例题例题5）一次降雨过程中，下渗是否总按下渗能力）一次降雨过程中，下渗是否总按下渗能力进行？为什么？进行？为什么？例题例题答答： 下渗能力是充分供水条件下的下渗率，而一次实际下渗能力是充分供水条件下的下渗率，而一次实际降雨过程并不都是充分供水，当降雨强度小于该时降雨过程并不都是充分供水，当降雨强度小于该时刻的下渗能力时，只能按降雨强度下渗，当降雨强刻的下渗能力时，只能按降雨强度下渗，当降雨强度大于或等于该时刻的下渗能力时，才能按下渗能度大于或等于该时刻的下渗能力时，才能按下渗能力下渗。力下渗。例题例题6、对某流

17、域选定一个地点进行人工降雨下渗实验，在确保充分供水条件下，测得本次实验的累积降雨过程)(tP和测点的地面径流过程)(tR，如表 1-2-5 所示。试求本次实验的累积下渗过程)(tF。 表 1-2-5 流域某一测点人工降雨下渗实验的) t (P、) t (R记录 单位： 时间 t(h) （1） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 )(tP （2） 0 70 140 210 240 270 300 310 320 )(tR （3） 0 32.7 79.5 133.0 151.6 173.2 196.7 201.3 206.6 时间 t(h) （1） 9 10 11 12 13 14 15 16 1

18、7 )(tP （2） 330 340 350 360 370 380 390 400 410 )(tR （3） 212.3 218.3 224.5 230.6 236.9 243.3 249.7 256.1 262.5 例题例题解： 作为一个实验点， 人工降雨的实验面积很小， 地表蓄水小而稳定雨期蒸发可以不计，故其水量平衡可写成 )(tF=)(tP-)(tR 据此，由表 1-2-5 资料算得本次实验的累积下渗过程) t (F，列于表2-2-4 中最末一栏。 例题例题表 2-2-4 流域某一测点由渗实验的) t (P、) t (R计算) t (F 单位： 时间t(h) （1） 0 1 2 3 4

19、 5 6 7 8 ) t (P （2） 0 70 140 210 240 270 300 310 320 ) t (R （3） 0 32.7 79.5 133.0 151.6 173.2 196.7 201.3 206.6 ) t (F （4） 0 37.3 60.5 77.0 88.4 96.8 103.3 108.7 113.4 时间t(h) （1） 9 10 11 12 13 14 15 16 17 ) t (P （2） 330 340 350 360 370 380 390 400 410 ) t (R （3） 212.3 218.3 224.5 230.6 236.9 243.3 2

20、49.7 256.1 262.5 ) t (F （4） 117.7 121.7 125.5 129.4 133.1 136.7 140.3 143.9 147.5 6.2 下渗理论与下渗公式一、Green Ampt 土壤水下渗计算土壤水下渗计算0 00 0s sGreen Ampt 土壤水下渗的四个假定土壤水下渗的四个假定湿润锋面湿润锋面 以上以上的土壤水是饱和的，的土壤水是饱和的，湿润锋面湿润锋面 以下以下土层是干土层，土层是干土层，湿润锋面湿润锋面 上下处的含水量是上下处的含水量是突变突变的，在数值上的，在数值上不连续不连续下渗水首先满足上部土壤饱和，下渗水首先满足上部土壤饱和，湿润锋面向

21、下不断推进，饱和层厚度增加。湿润锋面向下不断推进，饱和层厚度增加。湿润锋面处的不饱和土壤的土水势（基质势）是常数。湿润锋面处的不饱和土壤的土水势（基质势）是常数。下渗水流属于饱和土壤水运动，可用达西公式描述。下渗水流属于饱和土壤水运动，可用达西公式描述。1. 下渗锋面处土壤水受力和土水势=?2. 土层水量变化量 W= dF(t) = ?3. 平均下渗速度 f =？4. 下渗锋面到达土层某个位置所需时间 t =？0 00(-) pcchhZPPhZs s下渗锋面处土壤水受力和土水势下渗锋面处土壤水受力和土水势dZVdt( )dF tfdtfVfKiKZdZdtV( )dF tdtf锋面到达某位置

22、所需时间锋面到达某位置所需时间下渗锋面处土壤水的受力分析和土水势0(-) pcchhZPPhZ依据前面的假设，推导依据前面的假设，推导Green Ampt 下渗方程下渗方程 chZ1chfKZ fVKKZZ0( )pcshZhF tf0t地面积水高度地面到下渗锋面的距离下渗锋面处基质势土壤初始含水量饱和含水量或孔隙度土壤饱和前后含水量变化量从 时刻到时刻的累计下渗量下渗率dZVfdt0( )()sWdF tdz0 1 cshKVZ( )dF tfdt1 chfKZ前面问题分析得到的公式罗列在下面：阿列克谢夫接着上面的Green Ampt下渗方程求解首先阿列克谢夫推导湿润锋面的平均移动速度VdZ

23、Vdt0( )() sF tZ0 scZdZdtKZh再 变 形 转 化 为000 tZscZdZdtKZh0( ) () sdF tdZ0sf01( )sdF tdt0 1 cshKZdZVdt0 1 cshKZ0 1 cshKdZdtZ接上面，对（6-11）积分后得到（6-12）000 tZscZ dZdtkZh00lnln scscccccchZ hZ hZtZ hkhkhh lnccZhh21ln 2ccccZhZZhhh把近似值把近似值 代入下式：代入下式：00lnln scscccccchZhZhZtZhkhkhh21ln 2ccccZhZZhhh得到：得到：20 2sch ZtK

24、0 2tcsK hfKch1 ZfK达 西 定 律 方 程得到得到：阿列克谢夫公式阿列克谢夫公式00.20.40.60.811.2050100150200对特定的土壤，对特定的土壤，初始含水量是一定的，初始含水量是一定的，其饱和渗透系数其饱和渗透系数K K，h hc c , ,土壤缺水量都是定值。土壤缺水量都是定值。0 2tcsK hfK其其下下渗率随时间的延续而减小；渗率随时间的延续而减小；在下渗初期，下渗率递减幅度很大；在下渗初期，下渗率递减幅度很大；在后期，下渗率的递减比较稳定。在后期，下渗率的递减比较稳定。当当时间时间t t 趋近无限大趋近无限大时，方程中右边第二项趋近于时，方程中右边

25、第二项趋近于0 0，则则下渗率趋近与稳定下渗率下渗率趋近与稳定下渗率f fc c（也就是饱和渗透系数（也就是饱和渗透系数K K）二、非饱和土壤水下渗理论复习非饱和土壤水运动方程复习非饱和土壤水运动方程 - sdKdz - xydddVKKKKdddzdsdx dydz 0 VVVtxyz得到下面的方程 DK dddKKKKtxdxydyzdz KDDDtxxyyzzz D zKtzz D zKtzz 第一种简化：忽略重力水，且水分扩散系数为常数；第一种简化：忽略重力水，且水分扩散系数为常数；第二种简化：忽略重力水，第二种简化：忽略重力水， D()是是的函数。的函数。第一种简化：忽略重力水，且水

26、分扩散系数为常数；220 (6-17) ,0 0, , ssDtzZtt初始条件上边界条件下边界条件20-02 , +ed (6-18) 2sZ tZDt其中：(6-19)与忽略重力条件下的达西方程（6-21）联立，得到方程（6-22）。2- 0421 (6 -19) 2 V- z V- = - (6 -21)zzZsDteZZDtdKKddKDdd可 忽 略 重 力 ， 则2- 042 V- (6-2 2)z2ZsDtDDedDt102102 (6-23) (6-16) 2scsDftKhfKt 非饱和忽略重力且水分扩散系数常数饱和土壤水下渗的阿列克谢夫公式00.20.40.60.811.2

27、050100150200第二种简化：忽略重力水， D()是的函数三、非饱和下渗的完全解 20 (6-26) ,0 0, , ssKDtzzzZtt初始条件上边界条件下边界条件121 A (6-25) Philp2fS t非饱和,考虑重力且水分扩散系数为变量，求解总结下渗方程1021021212 t (6-16) 2 t (6-23) 1 (6-25) Philp21 A (6-28) 2cssKhfKDffS tfS t饱和土壤水下渗的阿列克谢夫公式非饱和,忽略重力且水分扩散系数常数非饱和,忽略重力且水分扩散系数为变量，求解非饱和,考虑重力, Philp且水分扩散系数为变量，求解几种计算非饱和

28、下渗率公式 6.3 下渗试验即在流域中选择若干具有代表即在流域中选择若干具有代表性场地，进行测验，求出下渗曲线。直接法按供性场地，进行测验，求出下渗曲线。直接法按供水不同又分为注水型和人工降雨型，前者采用水不同又分为注水型和人工降雨型，前者采用单单管下渗仪管下渗仪或或同心环下渗仪同心环下渗仪，后者采用人工降雨设，后者采用人工降雨设备在小面积上进行。备在小面积上进行。 在天然条件下，测定方法通过野外下渗实验在天然条件下，测定方法通过野外下渗实验来测定，通常有两种途径：来测定，通常有两种途径：利用实测的降雨、蒸发、径流利用实测的降雨、蒸发、径流等资料，根据水量平衡原理，间接推求平均下渗等资料，根据水量平衡原理，间接推求平均下渗率。率。1)双环试验 （double rings infiltration method）湿润锋面的移动例题：由人工降雨下渗实验获得的累积下渗过程F(t),图表所示，试推求该次实验的下渗过程f(t)及稳定入渗率。复习重点