下渗专题.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,P67 公式6-16，印刷错误，少一个“+”号,第六章 下渗（,infiltration,）,6.1 下渗的物理过程,三阶段,（水分受力和运动特征）,下渗过程中，土壤水,垂向分布规律,下渗结束后，土壤剖面,内水分再分配,土壤,下渗率和下渗能力,6.2 下渗理论和下渗公式,饱和土壤水下渗理论：Green Ampt方法,非饱和土壤水下渗理论,6.3 下渗试验与分析,直接测定方法,水文分析方法,一、基本概念,下渗是指降落到地面上的雨水从土壤表面渗入土壤的过程。下渗是水文循环中最难定量的要素之一。,1、基本概念,包气带、饱和带(饱水带),6.1 下渗的物理过程,几个基本概念,下渗曲线（下渗能力曲线）,下渗累计曲线,稳定下渗速率,f,c,剩余下渗率,初始下渗速率,下渗（,入渗,）,下渗率（下渗强度）,下渗能力（下渗容量）,下渗、下渗率、下渗能力（下渗容量）,指降水或灌溉水从地表进入土壤内部的过程。,下渗快慢以下渗率表示。,单位时间内，渗入单位面积土壤中的水量，,用字母,f,表示，又称下渗强度。,常用单位,mm/min,或,mm/hr,下 渗,下渗率,下渗能力,土壤在,充分供水条件下,的下渗率，,用字母,f,p,表示，又称,下渗容量,。,下渗曲线又称 下渗能力曲线,非饱和土壤上表面充分供水条件下,下渗率随时间变化的过程线，用,f(t)t,表示。,下渗速率,f,c,f,0,下渗累计曲线,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,F(t)t,该曲线上某一点,切线的斜率,为该时刻的,下渗率,下渗曲线,f(t)t,下渗累计曲线,F(t)t,初始下渗速率,f,0,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,f,0,相同土样，初始含水量不同，土壤初始下渗率不同,稳定下渗速率,f,c,随下渗进程进行，,进入土壤的水量不断增加，,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。,下渗曲线,f(t)t,下渗累计曲线,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，,下渗率就逐步递减到一个稳定的常值,f,c,，,这个值就是稳定下渗速率。,剩余下渗率,土壤,某一时刻的下渗率,f(t),与,稳定下渗率,f,c,的,差值,。,表示土壤当前的下渗率离稳定下渗率的差值。,f(t),f,c,二、干燥土壤饱和进程中下渗三阶段受力差异,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，,使得土壤水渗透速率在这三个阶段差异比较大,渗 润 阶段,渗 透 阶段,渗 漏 阶段,统称为渗漏阶段,下渗三阶段,1,2,3,f,0,起始下渗速率,f,c,稳定下渗速率,f,c,f,0,第一阶段渗润,干燥土壤的渗润阶段非常明显,起始下渗率很大,时间,1,2,对应的是土壤最大分子持水量,第一阶段渗润（受力，水分形式，结束）,下渗水主要受到干燥土壤颗粒的分子吸附力,土壤水受力,水分存在形式,结束时刻,当土壤含水量达到最大分子持水量时，,渗润进程结束，开始向渗漏阶段过渡。,形成吸湿水和薄膜水，,开始时刻,土壤干燥，下渗即开始，,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,，,通常将渗润阶段和渗漏阶段,合称为渗漏阶段,。,直到达到饱和含水量结束,毛管水与重力水,土壤含水量达到最大分子持水量后，即开始，,这个阶段内，下渗水浸润土壤，,水分在毛细力、重力作用下运移，,充填土壤孔隙，向下做不稳定流动，,土壤水受力,水分存在形式,结束时刻,开始时刻,1,2,3,饱和含水量,第三阶段 渗透阶段,土壤水受力,水分主要存在形式,开始时刻,重力水,土壤含水量达到饱和含水量后，,水分在重力作用下,以稳定下渗率（饱和水力传导系数）,稳定向下传输。,阶段内，属于饱和土壤水运动。,三、下渗过程中干燥土壤含水量的垂向分布规律,包德曼（,Bodman,）,利用砂壤土与粉砂土,作试验，,在土样,表面始终保持 积水 5 毫米,的条件下，,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4个带,1.,饱和带,2.,过渡带,3.,水分传递带,4.,湿润带，其下界面就是湿润锋面,湿润带,饱 和 带,湿润锋面,含水量,饱和含水量点,田间持水量,均质干燥土壤下渗进程中水分分布,过 渡 带,水分传递带,饱和带 1.5cm,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,。,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1.5 cm,过渡带，5cm 左右,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,。,过渡带的,厚度不大，,一般,在 5 cm 左右,。,水分传递带,位于过渡带之下，含水量,沿垂线分布比较均匀，,含水量在数值上,大致是饱和含水量的60-80,左右。,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,。,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，,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,。,随下渗不断进行，,湿润,锋面向土层深处延伸推进,，,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,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,60分钟,90分钟,土深,含水量,起始时刻,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,，,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,入渗结束后的土壤水分再分配,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,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，,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,，,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,。,五、霍顿下渗率试验,下渗率随时间延续呈现指数递减的规律，,最终趋于一个稳定值而下渗。,是单位时间内的下渗率变化量为下渗率的消退速率,A,B,霍顿发现,称作霍顿下渗曲线的递减参数，是常数,根据实测资料作图推求,霍顿下渗公式,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。,下渗率经验公式,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,）,经验公式特征：,下渗率随时间递减的函数形式，,例如,1、霍顿（R.E.Horton,1940）公式,2,、考斯加柯夫（,.,，,1932,）公式,六 天然条件下的下渗,1、下渗与雨强的关系,（1）,i,f,P,；,（2）,i,f,C；,（3),f,c,i,f,P,（以上讨论的雨强均匀的理想情况，对变雨强，,其下渗水量都比雨强均匀时小。）,t,1,t,2,不能保证土壤表面充分供水,a）,i,f,p,即降雨强度,i,在研究时段内大于土壤入渗能力,f,p,实际入渗过程可概化成如下不同特点：,在土壤物理学中称这样的入渗过程为：,“,受土壤剖面控制,”,降雨强度,i,余水形成积水或流走,f,t,f,p,(,t,),1、下渗与雨强的关系,b）,i f,p,即降雨强度,i,在研究时段内总是小于土壤入渗能力,f,p,，则实际的入渗率取决于降雨强度，即,f(t)=i(t),。在该情况下全部降雨渗入土壤。,降雨强度曲线处在入渗能力曲线下方,f,t,f,p,(t),i,(,t,),当,i,(,t,),f,p,(,t,),t,0,t t,1,f,(,t,),=i,(,t,),C）,f,c,i f,p,(,t,),t t,1,f,(,t,),=f,p,(,t,),f,t,f,p,(,t,),t,0,t,1,受通量控制,受剖面控制,i,(,t,),f,c,造成空间变异性的原因：,土壤特性空间分布的差异、植被、坡度及 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；,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,土壤质地,孔隙的多少,透水性能,前期含水量,取决于,颗粒愈粗,孔隙直径愈大,透水性能愈好,下渗能力愈大,七 影响下渗的因素,降水特性,降水强度,降水历时,时程分配,空间分布,直接影响土壤下渗强度及下渗水量,流域植被,植被的滞水作用,增加了,下渗时间,减少了,地表径流,增大了,下渗量,地形条件,地面坡度大、漫流速度快，历时短，下渗量就小,人类活动,砍伐森林,过度放牧,不合理的耕作,增大,抑制,两面性,坡地改梯田,植树造林,蓄水工程,增加水的滞留时间,导致,水土流失,1）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，它们依次为（）,A.,渗透阶段-渗润阶段渗漏阶段,B.渗漏阶段-渗润阶段渗透阶段,C.渗润阶段渗漏阶段-渗透阶段,D.,渗润阶段渗透阶段渗漏阶段,C,例题,2）土壤稳定下渗阶段，降水补给地下径流的水分主要是（）,A.,毛管水,B.重力水,C.薄膜水,D.,吸着水,B,例题,3）下渗容量（能力）曲线，是指（）,A.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,C.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,B,例题,4）决定土壤稳定入渗率大小的主要因素是（）,A.,降雨强度,B.降雨初期的土壤含水量,C.降雨历时,D.,土壤特性,D,例题,5）一次降雨过程中，下渗是否总按下渗能力进行？为什么？,例题,答,：,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，才能按下渗能力下渗。,例题,例题,例题,6.2 下渗理论与下渗公式,饱和土壤水下渗理论：,Green,Ampt,（格林,安普特）方法,非饱和土壤水下渗理论,一、Green Ampt,土壤水下渗计算,下渗锋面,地 面,h,p,地面水层,水 面,不饱和层,0,Z,不饱和层,0,饱和层,s,推导下渗公式有四个假设,Green Ampt,土壤水下渗的四个假定,湿润锋面,以上,的土壤水是饱和的，,湿润锋面,以下,土层是干土层，,湿润锋面 上下处的含水量是,突变,的，在数值上,不连续,下渗水首先满足上部土壤饱和，,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。,下渗水流属于饱和土壤水运动，可用达西公式描述。,下渗锋面处土壤水受力和土水势,=?,土层水量变化量,W=,dF(t,),=?,平均下渗速度,f,=,？,下渗锋面到达土层某个位置所需时间,t,=,？,设想会遇到的问题,下渗锋面,地 面,h,p,地面水层,水 面,不饱和层,0,Z,下渗锋面处土水势,饱和层,s,下渗锋面处土壤水受力和土水势,土水层重力,剩 余 压 力,静水压 力,毛管力与吸附力,h,c,P-P,0,h,p,Z,平均下渗速度 和 锋面到达某位置所需时间,平均下渗速度,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,1,地表积水产生的静水压力-,h,p,2,土壤上部饱和土水层自身的重力-,z,3,下渗锋面处的毛细力与吸附力-,h,c,4,下渗锋面处以下的空气剩余压力-,p-p,0,下渗锋面处土水势,依据前面的假设，推导Green Ampt 下渗方程,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V,对上面方程两边取积分,接上面，对（6-11）积分后得到（6-12）,阿列克谢夫接着上面的工作求得阿列克谢夫下渗率公式。,当,Z,小于等于,h,c,，,展开 成级数 ，并且忽略三阶以上的高,次项，得到级数的近似值：,把近似值 代入下式：,得到：,得到,阿列克谢夫公式,：,阿列克谢夫公式,对特定的土壤，,初始含水量是一定的，,其饱和渗透系数,K，h,c,土壤缺水量都是定值。,其,下,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；,在后期，下渗率的递减比较稳定。,当,时间,t,趋近无限大,时，方程中右边第二项趋近于0，,则,下渗率趋近与稳定下渗率,f,c,（也就是饱和渗透系数K）,二、非饱和土壤水下渗理论,复习非饱和土壤水运动方程和微分方程。,简化条件下的非饱和下渗方程求解：,1.忽略重力水，水分扩散系数为常数；,2.忽略重力水，水分扩散系数是,的,函数（Philp，1955）,非饱和土壤水下渗完全解（Philp，1957）。,总结下渗方程的函数形式及下渗率和时间的关系。,下渗经验公式,复习非饱和土壤水运动方程,非饱和土壤水的运动也符合达西定律，但其中的水力传导系数是不饱和状况下的水力传导系数，它是含水量的函数，同时驱动水分的势能是基质势和重力势。,得到下面的方程,上面方程的垂直一维为：,联立后得到 不饱和土壤水扩散微分方程,研究下渗时，我们更关心的垂向上的下渗，一般在不同的简化条件下对,上面的方程求解,为研究垂向下渗方便，我们假设要研究的是半无限土壤空间的垂向非饱和下渗，有以下假设和可能的简化：,A 假设下渗过程中水平方向的土水势梯度为零，即水平方向上没有水分传输。,B 假设地下水位很低（即包气带厚度很大），这样对下渗没有影响。,C 假设土壤层为均质土壤。,下面在不同的简化条件下对上面的方程求解.,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，D(,)是,的函数。,第一种简化：忽略重力水，且水分扩散系数为常数；,下渗初期，土壤表层很干燥，含水率梯度变化很大。由于土壤很干燥，土水势的主要成分是基质势，重力势可以忽略，则在这种条件下，土壤表面持续供水，但不积水状况下的定解问题，由以下几个方程构成（617）。,对（617）进行拉普拉斯变换法求解，得到（618）。,（618）对Z求导数得到下面的（619）,(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）。,地表Z0处的水流视速度V就是土壤层的下渗率f，因此：令（622）式中的Z0，则土层的下渗率为（623）。,第二种简化：忽略重力水，D(,)是,的函数,Philp,采用玻尔兹曼变换将（624）转化为常微分方程，得到的下渗公式为（625）,下渗初期，土壤表层很干燥，含水率梯度变化很大。由于很干燥，土水势的主要成分是基质势，重力势可以忽略，则在这种条件下，土壤表面持续供水，但不积水状况下的定解问题，由以下几个方程构成（624）。,其中，S称为吸水系数，其值与土壤特性、初始条件、边界条件有关。,三、非饱和下渗的完全解,考虑重力势，完全按照理查兹方程求得的解称为完全解。在这种条件下，D(,)，K(,)都是,的函数，其土壤表面积水状况下的下渗定解问题由以下几个方程构成（624）。,Philp,采用数学方法，解决非饱和下理论问题，得到的下渗公式为（628）。,其中，S称为吸水系数，A值是接近地表层土壤水利传导都的常数。这个完全解与试验结果接近。,总结下渗方程,霍顿（R.E.Horton）公式,霍尔坦公式（H.N.Holton）,考斯加柯夫公式（Kostiakov）,霍顿公式结构简单，在充分供水条件下与实际资料配合较好，至今仍被广泛应用。,考斯加柯夫公式在水文模拟中用得比较少，现在在农田水文中用到一些。,霍尔坦公式认为下渗率是土壤缺水量的函数，应用的比较少。,几种计算非饱和下渗率公式,1 研究的目的与意义,直接得到不同条件下的下渗量和下渗率；通过试验或实测数据，求得各种下渗模型中的参数；求得其他水循环要素。,6.3 下渗试验,直接测定法：,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。直接法按供水不同又分为注水型和人工降雨型，前者采用,单管下渗仪,或,同心环下渗仪,，后者采用人工降雨设备在小面积上进行。,在天然条件下，测定方法通过野外下渗实验来测定，通常有两种途径：,水文分析法：,利用实测的降雨、蒸发、径流等资料，根据水量平衡原理，间接推求平均下渗率。,2测定方法,1)双环试验,（double rings,infiltration method）,原理：内环土壤水下渗过程中，为保持内环固定水深度，持续加水，维持固定水深，注水的速率就是下渗率，记录注水量和时间，可以求出各个时刻的下渗率。,内环与外环保持一定的水高,内环控制试验土柱面积,外环的作用是防止内环水下渗到旁侧,湿润锋面的移动,优点：设备简单、易行，可较准确测得下渗过程。,缺点：仅能代表测点的下渗条件（单点下渗）；理想条件下（供水充分）而不是天然条件下的结果。沿管壁侧渗产生较大误差。,2）直接测定法人工降雨法,设备：模拟降水设备+试验场地；,方法：按设计进行人工降雨，连续记录人工降雨量和试验场流出量，按下式计算下渗量：,式中：-降雨量；地面径流量；,入渗量；洼地积水量；植物截流量。地表滞水量；,单位：mm,如果试验场面积较大，则要考虑坡面滞蓄水量和填洼水量。,优点：可以随时掌握测验时机，可以控制降雨强度、降雨分布、雨滴大小及降落高度，同时设备可以转移，能在不同坡度、土壤、土地利用及植被情况下进行试验。,缺点：设备较复杂、试验站场地较大，费用高。,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。,时间t(h),0,1,2,3,4,5,6,7,F(t)mm,0,37.3,60.5,77.0,88.4,96.8,103.3,108.7,f(t)mm/h,时间t(h),8,9,10,11,12,13,14,15,F(t)mm,113.4,117.7,121.7,125.5,129.4,133.1,136.7,140.3,f(t)mm/h,2 水文分析法,适用：小流域或径流试验站实测的降雨资料及流量资料；,基本原理：水均衡方程,Ss河槽水量；Sv坡面滞流量；Sd填洼量。,记：,表示t时刻流域平均滞蓄水量，对上式求导，得到下渗率：,在进行计算时，为实测值，S(t)需要间接方法确定。,对某流域选定一个地点进行人工下渗实验，在确保充分供水的条件下，测得本次实验的累积降雨过程p(t)和测点的地面径流R（t），如表所示。试求本次实验的累积下渗过程F（t）。,时间,（1）,0,1,2,3,4,5,6,7,8,P(t),（2）,0,70,140,210,240,270,300,310,320,R(t),（3）,0,32.7,79.5,133,151.6,173.2,196.7,201.3,206.6,F(t),时间,（1）,9,10,11,12,13,14,15,16,17,P(t),（2）,330,340,350,360,370,380,390,400,410,R(t),（3）,212.3,218.3,224.5,230.6,236.9,243.3,249.7,256.1,262.5,F(t),复习重点,6.1 下渗的物理过程,下渗要素及其定义，对应的含水量和水分受力状况,下渗过程的三个阶段,下渗过程中土壤水的垂向分布规律,下渗结束后，土壤剖面内水分的再分布过程,6.2 下渗理论和下渗公式推导,霍顿下渗公式推导,Green-Ampt公式的假设,阿列克谢夫下渗率公式推导,复习思考题,1 什么叫下渗？试论述下渗的物理过程。,2 理解下渗率、下渗能力、累积下渗量的概念。,3 在垂向上下渗过程分为几个带？各带的土壤含水率有何分布特征？试绘出下渗过程包气带水分分布示意图。,4 试论述下渗率和降雨强度的关系。,5 影响下渗量的主要因素有哪些？,6 入渗量的测定方法有哪些？有何特点？,课后练习：,用小型人工降雨入渗仪对某种砂壤土做了一次下渗试验，人工降雨强度为150毫米/小时，测得累积降雨和累积径流资料如下：试分析：,1）求累积下渗过程，并绘制下渗过程线。,2）绘制f,t曲线。,时间（分）,累积人工降雨量（mm）,累积径流量（mm）,0,0,0,1,2.5,0.5,2,5.0,2.0,5,12.5,6.3,10,25.1,13.2,15,37.5,20.7,20,50.0,28.3,25,62.6,36.4,30,75.0,44.5,60,150.0,99.5,90,225.0,158.6,120,300.0,220.0,150,370.0,284.0,