水文學(xué)基礎(chǔ)PPT第六章

1、Liu Lihong水文學(xué)原理水文學(xué)原理Principles of Hydrology第六章第六章 下滲下滲(infiltration)Liu Lihong主要內(nèi)容主要內(nèi)容v下滲的物理過程下滲的物理過程v下滲理論和下滲公式下滲理論和下滲公式v下滲實(shí)驗(yàn)與分析下滲實(shí)驗(yàn)與分析Liu Lihong第一節(jié)第一節(jié) 下滲的物理過程下滲的物理過程v 一、流域下墊面土層水分分帶一、流域下墊面土層水分分帶 包括：包氣帶和飽和帶包括：包氣帶和飽和帶 包氣帶：毛管懸著水帶、中間包氣帶、支持毛管水帶包氣帶：毛管懸著水帶、中間包氣帶、支持毛管水帶1.包氣帶和飽和帶包氣帶和飽和帶包氣帶包氣帶 P0Liu Lihong第一節(jié)

2、第一節(jié) 下滲的物理過程下滲的物理過程v 2.包氣帶土壤水分分帶特征包氣帶土壤水分分帶特征毛管懸著帶毛管懸著帶中間帶中間帶毛管上升帶毛管上升帶直接或間接直接或間接的與外界進(jìn)的與外界進(jìn)行水分交換行水分交換含水量小且穩(wěn)定含水量小且穩(wěn)定含水量自下而含水量自下而上逐漸減小上逐漸減小Liu Lihongv二、下滲過程二、下滲過程下滲過程按水分所受的作用力及運(yùn)動下滲過程按水分所受的作用力及運(yùn)動 特征，可分為三個(gè)階段特征，可分為三個(gè)階段滲潤階段滲潤階段滲漏階段滲漏階段滲透階段滲透階段Liu Lihongv 第一階段為第一階段為滲潤階段滲潤階段。這階段土壤。這階段土壤含水量較小，下滲容量較大，下滲含水量較小，下

3、滲容量較大，下滲容量隨時(shí)間遞減迅速。容量隨時(shí)間遞減迅速。v 第二階段為第二階段為滲漏階段滲漏階段。這階段，由。這階段，由于土壤含水量不斷增加，下滲容量于土壤含水量不斷增加，下滲容量明顯減小，下滲容量隨時(shí)間遞減變明顯減小，下滲容量隨時(shí)間遞減變得緩慢。得緩慢。v 第三階段為第三階段為滲透階段滲透階段。在這一階段，。在這一階段，土壤含水量達(dá)到了田間持水量以上，土壤含水量達(dá)到了田間持水量以上，下滲容量變得穩(wěn)定，達(dá)到下滲容量下滲容量變得穩(wěn)定，達(dá)到下滲容量的最小值，和為穩(wěn)定下滲的最小值，和為穩(wěn)定下滲Liu Lihongv 三、下滲過程中土壤含水量的垂向分布規(guī)律三、下滲過程中土壤含水量的垂向分布規(guī)律n 飽和

4、帶飽和帶: :這一帶厚度不大，這一帶厚度不大，一船不一船不1 15cm5cm，而且隨著供水，而且隨著供水時(shí)間的增長，這一厚度變化緩時(shí)間的增長，這一厚度變化緩慢。慢。n 傳遞帶傳遞帶: :這是一個(gè)土壤含水這是一個(gè)土壤含水量沿深度分布比較均勻、厚度量沿深度分布比較均勻、厚度較大的非飽和土層，其厚度隨較大的非飽和土層，其厚度隨供水時(shí)間的增長不斷增加，土供水時(shí)間的增長不斷增加，土壤含水量介于田間持水量和飽壤含水量介于田間持水量和飽和含水量之和含水量之間。間。飽和含水量風(fēng)干土田間持水量飽和帶過渡帶水分傳遞帶濕潤帶濕潤鋒Liu Lihongn 濕潤帶濕潤帶：它是連接水分傳遞帶和：它是連接水分傳遞帶和濕潤鋒

5、的水分帶。土壤含水量沿深濕潤鋒的水分帶。土壤含水量沿深度迅速減小，并且在下滲過程中不度迅速減小，并且在下滲過程中不斷下移。這一帶的平均厚度也大體斷下移。這一帶的平均厚度也大體保持不變。保持不變。n 濕潤鋒：濕潤鋒：濕潤帶與下滲水尚未涉濕潤帶與下滲水尚未涉及到的土壤的交界面稱為濕潤鋒。及到的土壤的交界面稱為濕潤鋒。在濕潤鋒處，土壤含水量梯度很大，在濕潤鋒處，土壤含水量梯度很大，因此在該處將有很大的土壤水分作因此在該處將有很大的土壤水分作用力來驅(qū)使?jié)駶欎h繼續(xù)下移。用力來驅(qū)使?jié)駶欎h繼續(xù)下移。飽和含水量風(fēng)干土田間持水量飽和帶過渡帶水分傳遞帶濕潤帶濕潤鋒Liu Lihong從作用力角度解釋下滲現(xiàn)象從作用

6、力角度解釋下滲現(xiàn)象v 在在滲潤階段滲潤階段，由于，由于土壤含水量較小，分子力和毛管力均很大土壤含水量較小，分子力和毛管力均很大，再加上，再加上重力的作用，所以此時(shí)土壤吸收水分的能力特別大，以致初始下滲容重力的作用，所以此時(shí)土壤吸收水分的能力特別大，以致初始下滲容量很大，而且由于分子力和毛管力隨土壤含水量增加快速減小，使得量很大，而且由于分子力和毛管力隨土壤含水量增加快速減小，使得下滲容量迅速遞減下滲容量迅速遞減。v 進(jìn)入進(jìn)入滲漏階段滲漏階段后，土壤顆粒表面已形成水膜，因此分子力幾乎趨于零，后，土壤顆粒表面已形成水膜，因此分子力幾乎趨于零，這時(shí)水主要在這時(shí)水主要在毛管力和重力作用毛管力和重力作用

7、下向土壤中入滲，下滲容量比滲潤階下向土壤中入滲，下滲容量比滲潤階段明顯減小，而且出于毛管力隨土壤含水量增加趨于緩慢減小階段，段明顯減小，而且出于毛管力隨土壤含水量增加趨于緩慢減小階段，所以這階段下滲容量的所以這階段下滲容量的遞減速度趨緩遞減速度趨緩。v 到了到了滲透階段滲透階段，土壤含水量已達(dá)到田間持水量以上，這時(shí)不僅分子力，土壤含水量已達(dá)到田間持水量以上，這時(shí)不僅分子力早已不起作用，毛管力也不再起作用了?？刂七@階段下滲的作用力僅早已不起作用，毛管力也不再起作用了。控制這階段下滲的作用力僅為重力為重力。與分子力和毛管力相比，重力只是一個(gè)小而穩(wěn)定的作用力，。與分子力和毛管力相比，重力只是一個(gè)小而

8、穩(wěn)定的作用力，所以在滲透階段，所以在滲透階段，下滲容量必達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的極小值下滲容量必達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的極小值，這就是前述的，這就是前述的穩(wěn)定下滲率。穩(wěn)定下滲率。Liu Lihong四、四、下滲率和下滲能力下滲率和下滲能力v下滲率下滲率f 又稱下滲強(qiáng)度。指單位面積上、單位時(shí)間內(nèi)滲又稱下滲強(qiáng)度。指單位面積上、單位時(shí)間內(nèi)滲入土壤中的水量。入土壤中的水量。v下滲能力下滲能力fp 又稱下滲容量。指在充分供水條件下的下滲率。又稱下滲容量。指在充分供水條件下的下滲率。v累積下滲量累積下滲量F d F / d t = fLiu LihongT(min)F(mm)f(mm/min)ftFt下滲率曲線及累積下滲量曲

9、線示意圖Liu Lihongn 五、天然條件下的下滲五、天然條件下的下滲一、下滲與降雨強(qiáng)度的關(guān)系一、下滲與降雨強(qiáng)度的關(guān)系v 在天然條件下，供水即為降雨。降雨強(qiáng)度一般隨時(shí)間不斷在天然條件下，供水即為降雨。降雨強(qiáng)度一般隨時(shí)間不斷變化，且常出現(xiàn)間歇。因此，在天然條件下，不可能保證變化，且常出現(xiàn)間歇。因此，在天然條件下，不可能保證在降雨期間都能在降雨期間都能按下滲容量按下滲容量下滲。根據(jù)下滲容量的概念，下滲。根據(jù)下滲容量的概念，如果在降雨期間出現(xiàn)降雨強(qiáng)度小于當(dāng)時(shí)的下滲容量時(shí)，則如果在降雨期間出現(xiàn)降雨強(qiáng)度小于當(dāng)時(shí)的下滲容量時(shí)，則下滲率將等于降雨強(qiáng)度下滲率將等于降雨強(qiáng)度。只有當(dāng)降雨強(qiáng)度等于或大于當(dāng)時(shí)。只有

10、當(dāng)降雨強(qiáng)度等于或大于當(dāng)時(shí)的下滲容量時(shí)，的下滲容量時(shí)，下滲率才會等于下滲容量下滲率才會等于下滲容量。下面分兩種情。下面分兩種情況討論下滲與降雨強(qiáng)度的關(guān)系。況討論下滲與降雨強(qiáng)度的關(guān)系。Liu LihongLiu Lihong已知某地土壤累積下滲能力曲線及某次降雨的累積雨量曲線已知某地土壤累積下滲能力曲線及某次降雨的累積雨量曲線如圖，累積下滲能力曲線如圖，累積下滲能力曲線F(t)=36t0.5+0.4t,累積降雨量曲線為累積降雨量曲線為P(t)=9.4t(1)求該地的下滲能力曲線求該地的下滲能力曲線f(t)及該次降雨強(qiáng)度過程及該次降雨強(qiáng)度過程(2)由該次降雨求出產(chǎn)流開始的時(shí)間由該次降雨求出產(chǎn)流開始的

11、時(shí)間(3)在累積下滲能力和累積降雨圖上繪出累積下滲量曲線。在累積下滲能力和累積降雨圖上繪出累積下滲量曲線。F(mm)P(t)F(t)t(分鐘)解(1)f(t)=dF(t)/dt=18t-0.5+0.4 I(t)=dP(t)/dt=9.4(mm/分鐘) (2) F(t)= P(t) 36t0.5+0.4t =9.4t t=16分分 Liu LihongLiu Lihongv （三）（三）流域植被、地形條件的影響流域植被、地形條件的影響通常有植被的地區(qū)，由于植被通常有植被的地區(qū)，由于植被及地面上枯枝落葉具有滯水作用，增加了下滲時(shí)間，從而減少了地表及地面上枯枝落葉具有滯水作用，增加了下滲時(shí)間，從而減

12、少了地表徑流，增大了下滲量。而地面起伏，切割程度不同，要影響地面徑流，增大了下滲量。而地面起伏，切割程度不同，要影響地面漫流的速度和匯流時(shí)間。在相同的條件下，地面坡度大、漫流速度快，漫流的速度和匯流時(shí)間。在相同的條件下，地面坡度大、漫流速度快，歷時(shí)短，下滲量就小。歷時(shí)短，下滲量就小。v （四）（四）人類活動的影響人類活動的影響人類活動對下滲的影響，既有增大的一面，人類活動對下滲的影響，既有增大的一面，也有抑制的一面。例如，各種坡地改梯田、植樹造林、蓄水工程均增也有抑制的一面。例如，各種坡地改梯田、植樹造林、蓄水工程均增加水的滯留時(shí)間，從而增大下滲量。反之砍伐森林、過度放牧、不合加水的滯留時(shí)間，

13、從而增大下滲量。反之砍伐森林、過度放牧、不合理的耕作，則加劇水土流失，從而減少下滲量。在地下水資源不足的理的耕作，則加劇水土流失，從而減少下滲量。在地下水資源不足的地區(qū)采用人工回灌，則是有計(jì)劃、有目的的增加下滲水量；反之在低地區(qū)采用人工回灌，則是有計(jì)劃、有目的的增加下滲水量；反之在低洼易澇地區(qū)，開挖排水溝渠則是有計(jì)劃有目的控制下滲，控制地下水洼易澇地區(qū)，開挖排水溝渠則是有計(jì)劃有目的控制下滲，控制地下水的活動。從這意義上說，人們研究水的入滲規(guī)律，正是為了有計(jì)劃、的活動。從這意義上說，人們研究水的入滲規(guī)律，正是為了有計(jì)劃、有目的控制入滲過程，使之朝向人們所期望的方向發(fā)展。有目的控制入滲過程，使之朝

14、向人們所期望的方向發(fā)展。Liu Lihong第二節(jié)第二節(jié) 下滲理論和下滲公式下滲理論和下滲公式v一、飽和下滲基本假定一、飽和下滲基本假定l水分分布帶是完全飽和的。水分分布帶是完全飽和的。l下滲鋒面與下層土壤含水量具有明顯的分界面，是不連下滲鋒面與下層土壤含水量具有明顯的分界面，是不連續(xù)的。續(xù)的。l水分的滲漏深度，只有當(dāng)上層毛管達(dá)到飽和后才開始增水分的滲漏深度，只有當(dāng)上層毛管達(dá)到飽和后才開始增加。加。l滿足上述假定，有滿足上述假定，有f=K H/LLiu Lihong二二 基本方程基本方程 根據(jù)上述假定，當(dāng)土壤表面保持一定水層時(shí)，水分根據(jù)上述假定，當(dāng)土壤表面保持一定水層時(shí)，水分將受到下列各力的作

15、用滲入土壤將受到下列各力的作用滲入土壤1）土壤表面水層的靜水壓力）土壤表面水層的靜水壓力hp2）土壤飽和水柱的重力）土壤飽和水柱的重力Z3）下滲鋒面處的毛管吸力）下滲鋒面處的毛管吸力hc4）下滲鋒面以下的空氣剩余壓）下滲鋒面以下的空氣剩余壓 力力即下層空氣壓力即下層空氣壓力P與大氣壓與大氣壓 力力P0之差之差P- P0下滲水流所受總力下滲水流所受總力H=hp+Z+hc+(P- P0)P0ZPhchpLiu Lihong 當(dāng)空氣剩余壓力可以忽略，并進(jìn)一步假定表層的靜水壓當(dāng)空氣剩余壓力可以忽略，并進(jìn)一步假定表層的靜水壓力力hp與毛管吸力相比，其值甚小可忽略，總力為：與毛管吸力相比，其值甚小可忽略，

16、總力為： H=Z+hc 水流的壓力梯度為水流的壓力梯度為1chHZZ帶入帶入f=K H/L，得，得(1)chfKZLiu Lihong第四節(jié)第四節(jié) 下滲經(jīng)驗(yàn)公式下滲經(jīng)驗(yàn)公式一一 霍頓公式（霍頓公式（R . E . Horton , 1940)tkcceffff)(0二二 考斯加柯夫公式考斯加柯夫公式bctf三三 一般形式一般形式batfnLiu Lihong第四節(jié) 下滲經(jīng)驗(yàn)公式v 基本思路：對在特定條件下取得的下滲資料，選配合適的函數(shù)形式，并根據(jù)曲基本思路：對在特定條件下取得的下滲資料，選配合適的函數(shù)形式，并根據(jù)曲線擬合的好壞確定其中的各項(xiàng)參數(shù)。線擬合的好壞確定其中的各項(xiàng)參數(shù)。 0.020.040.060.080.0100.0050100150時(shí)間(時(shí)間(min) )累積下滲量(累積下滲量(mm) )累積下滲量曲線累積下滲量曲線時(shí)間時(shí)間(min)P(mm)R(mm)F(t)(mm)00.00.00.012.50.52.025.02.03.0512.56.36.21025.113.21