水 文 学 原 理(六下渗)shui

第六章下渗5天然条件下的下渗主要内容下渗的物理过程1非饱和下渗理论2饱和下渗理论3经验下渗曲线4§1下渗的物理过程1几个基本概念下渗：水分透过土壤层面沿垂直和水平方向渗入到土壤中的运动过程下渗率：单位时间通过单位面积的土壤层面渗入到土壤中的水量～下渗容量：供水充分条件下的下渗率～下渗曲线：下渗容量随时间的变化曲线～累积下渗曲线：从下渗开始至某时刻按下渗能力下渗到土壤中的总水量与该时间的关系曲线～土壤水分剖面：土壤含水率沿深度方向的变化曲线～土壤水分剖面土壤含水率沿深度方向的变化曲线称为土壤水分剖面，它描述了土壤含水率在深度方向上的分布情况，故又称土壤含水率垂向分布。根据土壤水分剖面，可以计算出土壤中任一土层，以水深计的含水量。土壤水分剖面在时间上是变化的，并且这种变化与下渗和蒸(散)发的关系密切。土壤水分剖面下渗水分透过土壤层面沿垂直和水平方向渗入到土壤中的运动过程下渗率单位时间通过单位面积的土壤层面渗入到土壤中的水量影响下渗率的主要因素是初始土壤含水量、供水强度和土壤质地、结构等。如果供水强度充分大，则下渗率将达到同初始土壤含水量和同土壤质地、结构条件下的最大值，称此为下渗容量或下渗能力。下渗曲线下渗容量随时间的变化曲线称为下渗曲线。对于相同的土壤质地和结构，初始土壤含水量不同，下渗曲线也不同。下渗曲线是以初始土壤含水量为参变量的一簇曲线。初始土壤含水量为0即干燥土壤的下渗曲线是最基本的一条下渗曲线。累积下渗曲线从下渗开始至某时刻按下渗能力下渗到土壤中的总水量与该时间的关系曲线§1下渗的物理过程2下渗机理a下渗的三个阶段渗润阶段：分子力渗漏阶段：毛管力渗透阶段：重力下渗过程就是土壤吸收水分，调节水分，并向土层中传递水分的过程。受到土壤水作用力的支配。§1下渗的物理过程渗润阶段：土壤含水量较小，下渗容量较大，下渗容量随时间递减迅速。渗漏阶段：土壤含水量不断增加，下渗容量明显减小，下渗容量随时间递减变得缓慢。渗透阶段：土壤含水量达到了田间持水量以上，下渗容量变得稳定，达到下渗容量的最小值，称为稳定下渗率。§1下渗的物理过程在渗润阶段，由于土壤含水量较小，分子力和毛管力均很大，再加上重力的作用，土壤吸收水分的能力特别大，以致初始下渗容量很大，而且由于分子力和毛管力随土壤含水量增加快速减小，使得下渗容量迅速递减。进入渗漏阶段后，土壤颗粒表面已形成水膜，因此分子力几乎趋于零，这时水主要在毛管力和重力作用下向土壤中入渗，下渗容量比渗润阶段明显减小，而且由于毛管力随土壤含水量增加趋于缓慢减小阶段，所以这阶段下渗容量的递减速度趋缓。到了渗透阶段，土壤含水量已达到田间持水量以上，这时不仅分子力早已不起作用，毛管力也不再起作用了。控制这阶段下渗的作用力仅为重力。与分子力和毛管力相比，重力只是一个小而稳定的作用力，所以在渗透阶段，下渗容量必达到一个稳定的极小值，这就是稳定下渗率。§1下渗的物理过程2下渗机理b下渗过程中的土壤水分剖面含水量(%)深度(m)饱和含水量田间持水量风干土饱和带水分传递带湿润带湿润锋饱和带水分传递带湿润带湿润锋§1下渗的物理过程饱和带：厚度不大，一般不到1.5cm，而且随着供水时间的增长，这一厚度变化缓慢。水分传递带：是一个土壤含水量沿深度分布比较均匀、厚度较大的非饱和土层，其厚度随供水时间的增长不断增加，土壤含水量介于田间持水量和饱和含水量之间，约为饱和含水量的60%－80%。湿润带：是连接水分传递带和湿润锋的水分带。在这一带中，土壤含水量沿深度迅速减小，并且在下渗过程中不断下移。这一带的平均厚度也大体保持不变。湿润锋：湿润带与下渗水尚未涉及到的土壤的交界面称为湿润锋。在湿润锋处，土壤含水量梯度很大，因此在该处将有很大的土壤水分作用力来驱使湿润锋继续下移。又称为湿润锋面或下渗锋面。§1下渗的物理过程tKdtzFspn0),(3下渗容量与土壤水分剖面的关系累积下渗量：下渗曲线：忽略重力作用的下渗曲线：§2非饱和下渗理论下渗曲线不仅是下渗物理过程的定量描述，而且是下渗物理规律的体现。已提出了三类确定下渗曲线的途径，即非饱和下渗理论途径、饱和下渗理论途径和基于下渗试验的经验下渗曲线途径。§2非饱和下渗理论根据非饱和水流运动方程式导出的下渗方程的基本形式对于非饱和土壤，总势必应由基模势和重力势组成下渗方程的又一表达形式为§2非饱和下渗理论1非饱和下渗方程的形式假设与为单值关系令mzkzDzt)(])([)(/)()()(kddKddKDm假设与为单值关系)(K)(D为扩散率，当滞后作用不明显时，在一定的土壤含水量范围内，可用经验公式来表示:§2非饱和下渗理论2忽略重力作用的下渗方程的解00),(),0()0,(])([ttzzDztn条件：a忽略重力；b供水充分，表面无积水；c均质半无限土柱，初始土壤含水量分布均匀定解问题的构成：泛定方程初始条件边界条件§2非饱和下渗理论2忽略重力作用的下渗方程的解第一种情况：扩散率为常数0022),(),0()0,(ttzzDtn)2(00Dtzerfcn拉氏变换下渗曲线：210)(tDfnp0022),(),0()0,()()(ttzzzDzDtn§2非饱和下渗理论2忽略重力作用的下渗方程的解第二种情况：扩散率随土壤含水量呈单值变化21)(),(ttz玻氏变换2121stfp下渗曲线：土壤吸收度：§2非饱和下渗理论虽然求得的下渗方程具体形式不同，但可以看出均为的函数。表明在忽略重力作用的条件下，无论扩散率是常数还是变数，下渗容量均随时间t递减为0。此种情况下是不存在稳定下渗率的。这一结论与忽略重力作用相一致。21tpf§2非饱和下渗理论3完全下渗方程的解00),(),0()0,()()(ttzzkzDztn定解问题的构成：§2非饱和下渗理论3完全下渗方程的解第一种情况：扩散率为常数且水力传导度与土壤含水量呈直线关系0022),(),0()0,(ttzzkzDtn)2()exp()2(2100DtktzerfcdkzDtktzerfcnnnpkDtkerfcDtkDtkkf)4(4/)4/exp(2)(222000),(),0()0,()()(ttzzkzDztn§2非饱和下渗理论3完全下渗方程的解第二种情况：扩散率非常数且水力传导度与土壤含水量非直线关系))((202/1kAtsfptftftz22/11),(§2非饱和下渗理论两种完全下渗方程虽然具体形式不同，但就fp与t的关系而言，均为一递减曲线，且当t-∞时，fp趋于一常数值或表明考虑重力作用的下渗过程总是存在一个稳定下渗阶段的，即稳定下渗率。3完全下渗方程的解nk)(0kA§2非饱和下渗理论将整个土层按△z划分成若干个子土层，对其中第i个子土层而言，在dt时段内它的顶部要接受第(i－1)个子土层下渗的水量；而它的底部又要向第(i＋l)个子土层排出水量。4集总式下渗模型§2非饱和下渗理论由质量守恒定律得出非饱和土壤的水量平衡方程：根据非饱和达西定律§2非饱和下渗理论非饱和土壤的水量平衡方程：有限差分方程形式：§2非饱和下渗理论(1)将计算土层均匀地划分成N层。(2)对每一子土层列出方程式。(3)根据初始条件和边界条件解算上式。(4)计算不同时刻的累积下渗量:(5)用数值微分法求下渗曲线。推求下渗曲线的步骤§2非饱和下渗理论集总式下渗模型方法虽然只能求得近似数值解，但却能考虑有限长土柱、初始土壤含水量分布不均及不同供水条件的下渗问题。如把整个土层作为一层来考虑§3饱和下渗理论1基本方程的建立几个基本假定：（1）以湿润锋为界，认为其上部土壤含水量达到饱和，其下部仍为初始土壤含水量（2）湿润锋向下移动的条件是其上部土层达到饱和含水量§3饱和下渗理论受力分析：（1）土壤表面水层的净水压力；（2）土壤饱和水柱的重力；（3）下渗锋面处的毛管吸力；（4）下渗锋面以下的空气剩余压力。合力：)(0ppHlhHcp§3饱和下渗理论dtdlfnp)(0)1(lHKlHlKfcscsp2/12/10)(5.0AtKtHKKfsncssp2下渗曲线的导出动力方程式：水量平衡方程式：pncsspFHKKf)(0格林－安普特公式§4经验下渗曲线基本思路：对通过观测实际问题取得的下渗资料，选配合适的函数形式，并率定其中的参数，从而求得相应的下渗曲线。212tafp1科斯加柯夫公式：截距，故截距；，确定出线上取两点：，过点据中心定线，在点绘）（与时刻的计算不同定参过程：为待定参数。和，，eaanttFFntFtFttnaFnanatfatFpppppnpnp)ln()ln()ln()ln()ln()ln(~)ln(.2)ln()ln().1()ln()ln()ln(12121参数确定：§4经验下渗曲线ktccpeffff)(02霍顿公式：参数确定：截距，故截距；，求出线上取两点，过点据中心定线，在点绘时刻的，计算不同根据资料确定定参过程：稳定下渗率。—初始下渗率；—，effffkttffffktfffftfktffffffeffffcccpcpcpcpcccpcktccp001212000)ln()ln()ln(~)ln().2()ln().1()ln()ln()(§4经验下渗曲线cpftaf2123菲利普公式：参数确定：AABttffBtfttBABtAfpp，确定出截距；，确定出线上取两点：，过点据中心定线，在点绘的计算不同时刻定参过程：为待定参数。和，1212)()(~).2().1(2121212121§5天然条件下的下渗1均匀雨强时的下渗fptFRfptF(2)i≤fc，则整个下渗过程均按雨强下渗；(1)i≥fp0，则整个下渗过程均按下渗能力下渗；三种情况：§5天然条件下的下渗1均匀雨强时的下渗(3)fcifp0，则先按雨强下渗，后按下渗能力下渗。fptt0i是t0时刻吗？§5天然条件下的0.020.040.060.080.0100.0050100150时间(min)累积下渗量(mm)累积下渗量曲线0.001.002.003.004.005.00050100150时间(min)下渗率(mm/min)下渗率曲线tfpt0itpABCDE§5天然条件下的下渗。的均匀降雨的产流时间求雨强的表达式；求累积下渗能力曲线）（：面下渗方程为若充分供水条件下，地min/4.9).2()(.1min)/(4.018)(21mmitFmmttfpmin83.74.96.73min/4.9.6.73)4(min44.0184.9..24.036)4.018()()().1(21210210iFtmmibmmFFttfiattdttdttftFpttp，故产流时间因实际按。产流，此时累积下渗量则渗，，解出若按下渗能力下，即由）（解：例题：§5天然条件下的下渗2变雨强时的下渗§5天然条件下的下渗3非均质土壤中的下渗§5天然条件下的下渗土壤质地上层粗下层细，上层土壤的饱和水力传导度大于下层土壤的饱和水力传导度。供水开始后的下渗首先受控于上层土壤。当湿润锋面到达上、下两层土壤的界面时，下渗又变为受控于下层土壤。如果初始时刻下层土壤已达到饱和含水量，则在交界面上将形成临时积水，并逐渐上升，产生压力水头