土壤入滲理論及研究方法

1、 土壤入滲理論土壤入滲理論 土壤入滲公式土壤入滲公式 土壤入滲研究方法土壤入滲研究方法 影響土壤入滲因素影響土壤入滲因素主要內(nèi)容主要內(nèi)容1234總結(jié)與展望總結(jié)與展望51.1 入滲的定義入滲的定義入滲是指水分進入土壤形成土壤水的過程，它是降水 、地面水 、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的一個重要環(huán)節(jié)。 1土壤入滲理論土壤入滲理論 1.2 1.2 入滲基本理論入滲基本理論 根據(jù)土壤水運動的一般原理，水的入滲可能在飽和的巖土空隙中進行，也可能在飽和條件下運行，所以可以相應(yīng)地分為非飽和下滲理論和飽和下滲理論 1.2.1 1.2.1 非飽和入滲理論非飽和入滲理論 入滲過程是非飽和土壤水分的運動過程，滲透理論的基

2、礎(chǔ)為法國工程師Darcy提出的達西定律。對于一維垂直入滲情況，達西曾得到如下的公式：此式表示吸力梯度的作用。此式表示重力的作用在達西的基礎(chǔ)上Richards 理查茲結(jié)合液體連續(xù)方程 推導(dǎo)出了描述非飽和土壤水分運動的基本偏微分方程：入滲理論的基本公式 1.2.2 1.2.2 飽和入滲理論飽和入滲理論 Green(格林)和Ampt(阿姆普特)針對無限深的均值土壤積水下滲進行研究，假定濕潤峰以上的土壤處于飽和，鋒面一線含水量由飽和水量急劇過渡到土壤中原有的含水量。根據(jù)達西定律 結(jié)合水量平衡原理，可得到反映下滲率和下滲量關(guān)系：水流向下下滲的速度飽和水力傳導(dǎo)度下滲水柱長度土壤吸力積累下滲量土壤中原有的含

3、水量飽和含水量2.1GreenAmpt公式 Green和Ampt (阿姆普特)根據(jù)最簡單的土壤物理模型在假設(shè)飽和入滲理論的基礎(chǔ)上推出了一維土壤水分入滲公式： 土壤入滲公式土壤入滲公式2入滲速率2.2Kostiakov公式該公式是由Kostiakov（ 考斯加考斯加科夫科夫 ）提出）提出：2.3Horton公式Horton （霍頓霍頓）從事入滲試驗研究，得出一個他認為與他對滲透過程的物理概念理解相一致的純經(jīng)驗公式方程：2.4Philip公式Philip（菲利普）對（菲利普）對Richards（理查茲）（理查茲）的方程進行了系統(tǒng)的研究，提出了方程的解析解：式中：，其他符號同前。 該式得到了田間試驗

4、資料的驗證，具有重要的應(yīng)用價值，但Philip （菲利普）（菲利普）公式是在半無限均勻土壤、初始含水率分布均勻、有積水條件下求得的，因此，該公式僅適于均質(zhì)土壤一維垂直入滲的情況 ，對于非均質(zhì)土壤 ，還需進一步研究和完善。再者自然界的人滲主要是降雨條件下的入滲 ，其和積水入滲具有很大的差異 ，因而將其直接用于入滲計算不夠確切 。2.5Holtan 公式Holtan（霍爾坦霍爾坦）人滲公式表示的是入滲率與表層土壤蓄水量之間的關(guān)系 ，公式為 ：式中： 是與土壤及作物種植條件有關(guān)的經(jīng)驗，參數(shù) ，是厚度為 d 的表層土壤 在入滲開始時的容許蓄水量，該公式僅適用于 的情況。總的來說，Holtan入滲公式難

5、以準(zhǔn)確的描述一個點的入滲特征，但用他來估算一個流域的降雨入滲也許是適用的。2.6Smith 公 式Smith（史密斯史密斯）根據(jù)土壤水分運動的基本方程 ，對不同質(zhì)地各類土壤 ，進行了大量的降雨入滲數(shù)值模擬計算 ，提出了一種入滲模型 ：2.7方正 三公 式方正三在kostiakov公式的基礎(chǔ)上，對大量野外實測資料進行分析 ，提出的入滲公式。2.8蔣定 生公 式蔣定生在分析Kostiakov和Horton入滲公式的基礎(chǔ)上 ，結(jié)合黃土高原大量的野外測試 資料 ，提出了描述黃土高原土壤在積水條件下的人滲公式：注水法水文法人工降雨法 土壤入滲研究方法土壤入滲研究方法3123注水法注水法： 雙環(huán)法、單環(huán)法

6、、環(huán)刀法、滲透筒、雙環(huán)法、單環(huán)法、環(huán)刀法、滲透筒、70型滲透儀及型滲透儀及專業(yè)的入滲儀法專業(yè)的入滲儀法通常采用同心環(huán)人滲裝置通常采用同心環(huán)人滲裝置 ，一般常用的同心環(huán)為二同心鐵，一般常用的同心環(huán)為二同心鐵環(huán)環(huán) ，內(nèi)外環(huán)中維持同樣水層深度，內(nèi)外環(huán)中維持同樣水層深度 ，通過記，通過記 錄某一時段錄某一時段 的人滲量來計算土壤人滲率變化過程的人滲量來計算土壤人滲率變化過程 。雙環(huán)法和單環(huán)法：雙環(huán)法和單環(huán)法：（優(yōu)點）儲水量少、設(shè)備簡易、操作簡（優(yōu)點）儲水量少、設(shè)備簡易、操作簡單、野外攜帶方便，適于野外試驗單、野外攜帶方便，適于野外試驗 （缺點）會對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，有可（缺點）會對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，有

7、可能會破壞土壤容積，不方便測下層土壤，很難在碎石中使能會破壞土壤容積，不方便測下層土壤，很難在碎石中使用。用。滲透儀法：滲透儀法：可以在不同條件下對土壤入滲進行室內(nèi)模擬，可以在不同條件下對土壤入滲進行室內(nèi)模擬，但無法描述入滲過程但無法描述入滲過程專業(yè)的入滲儀：專業(yè)的入滲儀：只能描述土壤入滲達到穩(wěn)滲時的水分運動狀只能描述土壤入滲達到穩(wěn)滲時的水分運動狀態(tài)，而不能反映從初滲到穩(wěn)滲的整個水文過程的動態(tài)變化。態(tài)，而不能反映從初滲到穩(wěn)滲的整個水文過程的動態(tài)變化。盡管研究土壤滲透性的方法很多，但是目前在野外試驗盡管研究土壤滲透性的方法很多，但是目前在野外試驗中比較常見的是中比較常見的是雙環(huán)法、雙環(huán)法、Gue

8、lph入滲儀法入滲儀法。雖然單環(huán)法雖然單環(huán)法比雙環(huán)法操作簡單，但目前研究較少。比雙環(huán)法操作簡單，但目前研究較少。水文法：水文法：是利用徑流試驗場或小流域中實測的降雨與徑流過是利用徑流試驗場或小流域中實測的降雨與徑流過程資料程資料 ，通過水文分析的方法來推求其人滲方程，由該方，通過水文分析的方法來推求其人滲方程，由該方法求法求 出的人滲率為該徑流場或小流域的平均人滲率。出的人滲率為該徑流場或小流域的平均人滲率。人工降雨法：人工降雨法：是通過人工降雨裝是通過人工降雨裝 置來模擬天然降雨置來模擬天然降雨 ，在，在降雨強度均勻不變條件下降雨強度均勻不變條件下 ，觀測地表徑流過程，觀測地表徑流過程 ，用

9、人工，用人工降雨量和觀測的徑流資料計算降雨量和觀測的徑流資料計算 。注：注水法注水法僅能反映土壤本 身的人滲特性 ，對于不同坡度 、不同雨強情況下的土壤人滲規(guī)律很難模擬。水文法水文法可用于一個流域土壤平均人滲速率的測定，不能用于單點土壤人滲速 率的測定，且誤差較大。用人工降雨法用人工降雨法進行實驗 時不受地形 、坡度等條件的限制 ，可以較為真切地反映天然 降雨過程中的土壤水分人滲變化 。 影響入滲的因素土壤質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)土壤容重土壤起始含水量土壤有機質(zhì)植被覆蓋及耕作4123456土壤質(zhì)地4.1 土壤質(zhì)地及土壤機械組成，指土壤中各級土粒含量的相對土壤質(zhì)地及土壤機械組成，指土壤中各級土粒含量的相對比

10、例及所表現(xiàn)的土壤砂黏性質(zhì)，它對土壤水分入滲能力的影比例及所表現(xiàn)的土壤砂黏性質(zhì)，它對土壤水分入滲能力的影響是通過土壤水分運動的驅(qū)動力和水力傳導(dǎo)度來實現(xiàn)的。響是通過土壤水分運動的驅(qū)動力和水力傳導(dǎo)度來實現(xiàn)的。 土壤質(zhì)地與土壤入滲能力呈負相關(guān)關(guān)系土壤質(zhì)地與土壤入滲能力呈負相關(guān)關(guān)系土壤結(jié)構(gòu)4.2 土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆粒的的排列和組合形式。土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆粒的的排列和組合形式。 它通過土壤空隙狀況影響土壤的水力傳導(dǎo)度和土壤水分它通過土壤空隙狀況影響土壤的水力傳導(dǎo)度和土壤水分運動的驅(qū)動力運動的驅(qū)動力土壤水勢梯度，進而影響土壤的入滲能力。土壤水勢梯度，進而影響土壤的入滲能力。土壤容重4.3 飽和導(dǎo)水率是土壤水

11、分下滲研究中的重要參數(shù)，而土飽和導(dǎo)水率是土壤水分下滲研究中的重要參數(shù)，而土壤容重是影響飽和導(dǎo)水率的重要因素，許多研究表明飽和壤容重是影響飽和導(dǎo)水率的重要因素，許多研究表明飽和導(dǎo)水率與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系導(dǎo)水率與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系。土壤起始含水量4.4 土壤起始含水量主要從入滲水流濕潤區(qū)的平均勢梯度方土壤起始含水量主要從入滲水流濕潤區(qū)的平均勢梯度方面影響土壤的入滲能力，他不僅影響初始下滲率，而且影響面影響土壤的入滲能力，他不僅影響初始下滲率，而且影響累計入滲量。累計入滲量。土壤含水量對土壤入滲能力的影響很明顯，隨土壤含水量的土壤含水量對土壤入滲能力的影響很明顯，隨土壤含水量的增大，土壤入滲能力

12、減小，他們之間的關(guān)系可用對數(shù)表示。增大，土壤入滲能力減小，他們之間的關(guān)系可用對數(shù)表示。土壤有機質(zhì)4.5 土壤有機質(zhì)是通過改變土團壤聚體的數(shù)量來改變土壤有機質(zhì)是通過改變土團壤聚體的數(shù)量來改變土壤的入滲能力。土壤的入滲能力。 土壤團聚體的大小和數(shù)量決定了土壤空隙狀況。土壤團聚體的大小和數(shù)量決定了土壤空隙狀況。有機質(zhì)含量多的土壤，土壤團聚體多且穩(wěn)定性好、孔有機質(zhì)含量多的土壤，土壤團聚體多且穩(wěn)定性好、孔隙率大、空隙尺度大、連通性好，對運動流體的阻力隙率大、空隙尺度大、連通性好，對運動流體的阻力小土壤入滲能力較大小土壤入滲能力較大。植被覆蓋及耕作 植被覆蓋和耕作方式的不同改變了土壤的物理特性，植被覆蓋和

13、耕作方式的不同改變了土壤的物理特性，不同植被覆蓋及耕作方式下，土壤的孔性及滲透性有明不同植被覆蓋及耕作方式下，土壤的孔性及滲透性有明顯的差異，進而影響到土壤水分的入滲。顯的差異，進而影響到土壤水分的入滲。 植被對土壤水分入滲能力的影響關(guān)系比較復(fù)雜，目植被對土壤水分入滲能力的影響關(guān)系比較復(fù)雜，目前還不能用定量數(shù)據(jù)來評價植被對土壤入滲的影響只是前還不能用定量數(shù)據(jù)來評價植被對土壤入滲的影響只是定性比較其影響定性比較其影響。4.6 總結(jié)與展望總結(jié)與展望5 目前對土壤入滲特性影響因素的研究主要集中在土壤目前對土壤入滲特性影響因素的研究主要集中在土壤物理性質(zhì)方面，特別是土壤物理性質(zhì)宏觀表現(xiàn)指標(biāo)對入滲物理性

14、質(zhì)方面，特別是土壤物理性質(zhì)宏觀表現(xiàn)指標(biāo)對入滲特性影響的研究最多，而缺乏土壤化學(xué)性質(zhì)對入滲特性影特性影響的研究最多，而缺乏土壤化學(xué)性質(zhì)對入滲特性影響的機理研究。盡管土壤物理特性對土壤入滲的影響研究響的機理研究。盡管土壤物理特性對土壤入滲的影響研究已經(jīng)量化，但是并沒有歸納出定量化的規(guī)律。關(guān)于植被覆已經(jīng)量化，但是并沒有歸納出定量化的規(guī)律。關(guān)于植被覆蓋對土壤水分下滲的研究很多，但研究尺度小，且研究成蓋對土壤水分下滲的研究很多，但研究尺度小，且研究成果難以定量化和推廣。此外，關(guān)于耕作方式關(guān)于土壤水分果難以定量化和推廣。此外，關(guān)于耕作方式關(guān)于土壤水分入滲的影響仍不統(tǒng)一。因此今后仍需對土壤化學(xué)作用、植入滲的

15、影響仍不統(tǒng)一。因此今后仍需對土壤化學(xué)作用、植被覆蓋及耕作方式對土壤水分下滲的影響機理方面做進一被覆蓋及耕作方式對土壤水分下滲的影響機理方面做進一步的研究應(yīng)用。步的研究應(yīng)用。 對于土壤水分入滲實驗方法的研究，主要集中在由不對于土壤水分入滲實驗方法的研究，主要集中在由不同測定方法獲得數(shù)據(jù)的簡單比較，或者是簡單對比某幾個同測定方法獲得數(shù)據(jù)的簡單比較，或者是簡單對比某幾個因素對測定結(jié)果的影響方面，但是各種實驗方法之間的聯(lián)因素對測定結(jié)果的影響方面，但是各種實驗方法之間的聯(lián)系和可比性仍需進一步研究，而且今后在進行相關(guān)野外實系和可比性仍需進一步研究，而且今后在進行相關(guān)野外實驗研究時，應(yīng)以土壤滲透特性均質(zhì)、各向同性為宜，以便驗研究時，應(yīng)以土壤滲透特性均質(zhì)、各向同性為宜，以便分析水流性質(zhì)對測定結(jié)果的影響；同時，加強土壤水分剖分析水流性質(zhì)對測定結(jié)果的影響；同時，加