土壤水動(dòng)力學(xué)課件（80頁(yè)內(nèi)容豐富）

1、一、土壤水動(dòng)力學(xué)學(xué)習(xí)思考問(wèn)題微小單元體建模過(guò)程進(jìn)行了假設(shè)與概化，土壤質(zhì)地與模型參數(shù)關(guān)系。土壤水運(yùn)動(dòng)方程與地下水運(yùn)動(dòng)方程的共同點(diǎn)與區(qū)別。土壤水動(dòng)力學(xué)在本專業(yè)研究現(xiàn)狀與實(shí)際應(yīng)用狀況。一、土壤水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用水庫(kù)淹沒(méi)抬田工程獲得工程設(shè)計(jì)（土層結(jié)構(gòu)及相應(yīng)厚度）施工指標(biāo)（壓實(shí)度等）排澇除漬工程。灘涂開發(fā)工程。鹽堿化治理工程第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀1、水庫(kù)浸沒(méi)的界定及危害1.1水庫(kù)浸沒(méi)的界定 評(píng)價(jià) 標(biāo)準(zhǔn) 判 斷水庫(kù)蓄水地下水位奎高水庫(kù)浸沒(méi)河谷寬廣、階地發(fā)育、地質(zhì)條件不利的水庫(kù)比較水庫(kù)蓄水后的回水水位高程與當(dāng)?shù)嘏R界地下水埋深的大小建筑物：基礎(chǔ)砌置深度+地基土的毛細(xì)上升高度 農(nóng)作物：根系

2、深度+土的毛細(xì)上升高度 第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀1.2水庫(kù)浸沒(méi)的危害3、預(yù)測(cè)水庫(kù)浸沒(méi)的方法3.1水庫(kù)浸沒(méi)數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)浸沒(méi)的滲流計(jì)算模型：解析法、數(shù)值法和電擬法應(yīng)用于滲流分析的計(jì)算程序：TSAS程序、ZDFlow程序、3DFlow程序、3DSP程序3.2預(yù)測(cè)浸沒(méi)的其他方法粘性土起始水力坡度法水庫(kù)周邊地區(qū)地下水奎高計(jì)算法第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀2.2抬田剝離耕作層砂卵石混合土層墊高至安全高度回填耕作層抬田抬田高度的確定=作物生長(zhǎng)期內(nèi)地下水適宜埋深的最大值+相應(yīng)時(shí)期地下水位（浸潤(rùn)面）第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀作物生長(zhǎng)期內(nèi)地下

3、水適宜埋深的最大值=毛細(xì)管水飽和區(qū)高度+作物成長(zhǎng)期內(nèi)最大的主根深度（水稻烤田地下水位）4.2 抬田工程的研究現(xiàn)狀耒中水電站庫(kù)區(qū)淹沒(méi)抬田處理第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀抬田處理主要優(yōu)點(diǎn)保護(hù)農(nóng)田，不需防洪堤、排漬站等工程,節(jié)省工程投資無(wú)需工程運(yùn)行管理費(fèi)用，是一種簡(jiǎn)單易行、實(shí)用的庫(kù)區(qū)淹沒(méi)農(nóng)田處理方式抬田處理后，可減少占地28.2 hm2，減少移民420人。抬田工程2002年底全部完工，2003、2004年全部投入耕作，經(jīng)過(guò)的實(shí)踐檢驗(yàn)，農(nóng)田質(zhì)量相對(duì)原有農(nóng)田并未下降，糧食產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)豐收，農(nóng)民滿意5、峽江抬田工程關(guān)鍵技術(shù)研究方案5.1峽江抬田工程關(guān)鍵技術(shù)研究方案制定抬田工程關(guān)鍵指標(biāo)抬田

4、地面高程影響因素：水庫(kù)回水、工程造價(jià)、作物主要生長(zhǎng)階段對(duì)地下水位和土壤含水量的要求、土壤淹水可能形成潛育、保水保肥保耕作土抬田分層、各層厚度、各層土質(zhì)和各層壓實(shí)度影響因素：工程造價(jià)和工程施工、分層方案和各層土質(zhì)受周圍可用土質(zhì)影響、保水保肥保耕作土、土壤通氣和適度滲漏需要第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀4.2 抬田工程的研究現(xiàn)狀亭子口庫(kù)區(qū)農(nóng)田防護(hù)工程保水保土性能室內(nèi)試驗(yàn)第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀圖4 大型土柱試驗(yàn)裝置4.2 抬田工程的研究現(xiàn)狀亭子口庫(kù)區(qū)農(nóng)田防護(hù)工程低地墊高方案第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀圖3 防護(hù)區(qū)典型剖面設(shè)計(jì)5.2

5、 江西省峽江抬田工程關(guān)鍵技術(shù)研究技術(shù)路線第一部分 國(guó)內(nèi)外相關(guān)浸沒(méi)和抬田工程技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀第六章 土壤水分的入滲入滲（Infiltration）蒸發(fā)（Evaporation）水循環(huán)入滲（Infiltration）蒸發(fā)（Evaporation）蒸騰（transpiration）田間土壤水循環(huán)的兩種形態(tài)一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律入滲是水分進(jìn)入土壤的過(guò)程。水文學(xué)中研究地表產(chǎn)流問(wèn)題農(nóng)田水利學(xué)研究灌溉或降雨后土壤水分的分布水資源評(píng)價(jià)中研究降雨對(duì)淺層地下水的補(bǔ)給問(wèn)題農(nóng)業(yè)及環(huán)境學(xué)研究化肥、農(nóng)藥及污染物等隨水分遷移的問(wèn)題。（南水北調(diào)氮磷面源污染，研究中出現(xiàn)溶質(zhì)不穩(wěn)定問(wèn)題）一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（一）入滲的

6、物理過(guò)程 土壤水分在土壤中運(yùn)動(dòng)受到分子力、毛管力和重力的控制，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程也就是在各種力綜合作用下尋求平衡的過(guò)程。當(dāng)毛管孔隙充水達(dá)到飽和時(shí)，水分主要在重力作用下運(yùn)動(dòng)。1.下滲過(guò)程中水分的作用力和運(yùn)動(dòng)特征，可分為三個(gè)階段：滲潤(rùn)階段(Wetting period)：主要是在分子力作用下，被土壤顆粒吸附而成為薄膜水，當(dāng)土壤干燥時(shí)，此階段十分明顯。一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（一）入滲的物理過(guò)程 滲吸階段(Infiltration period)（非飽和下滲） 主要是在毛管力和重力的作用下，在土壤孔隙中作不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，并逐漸填充土壤孔隙，甚至全部飽和。滲透（漏）階段(Percolation period)（

7、飽和下滲） 當(dāng)土壤孔隙水分充滿而飽和時(shí)，水分在重力作用下作穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（一）入滲的物理過(guò)程 2. 土壤入滲根據(jù)其地面是否積水又分為如下形式：無(wú)積水入滲： 當(dāng)灌溉(或降雨)強(qiáng)度小于或等于土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，雨水和灌溉水能及時(shí)地全部為土壤所吸收，故不會(huì)產(chǎn)生地面積水。這種入滲主要是降雨或灌溉強(qiáng)度起決定作用。積水前入滲： 當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤飽和導(dǎo)水率，而小于土壤最大入滲率時(shí)，開始階段地表并不積水，實(shí)際滲透速率等于降雨強(qiáng)度，該強(qiáng)度愈大，則積水前階段的時(shí)間愈短，表土含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大，最后達(dá)到飽和時(shí)此階段結(jié)束 一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（一）入滲的物理過(guò)程 2. 土壤入滲根據(jù)

8、其地面是否積水又分為如下形式：積水入滲 積水前入滲階段結(jié)束后，便進(jìn)入積水入滲階段。它是以地表有積水存在為標(biāo)志，積水后，地表的實(shí)際滲吸速度隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，直至最后趨于某一穩(wěn)定值。一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（二）土壤的入滲性能 入滲速率i (Infiltration rate)：在一個(gè)大氣壓下，土壤表面供水充足，這時(shí)水滲入土壤的通量（cm/s）。 在某一時(shí)段內(nèi)，通過(guò)單位土壤表面所滲入的總水量(cm3/cm2）或cm，mm)。又稱入滲率，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積入滲到土壤中的水量(mm/min,cm/d)2. 累積入滲量I (accumulative infiltration capacity)

9、：3. 入滲能力ip ( Infiltration capacity)：4. 穩(wěn)定入滲率id (steady infiltration rate)：一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（二）土壤的入滲性能 不同質(zhì)地土壤的穩(wěn)定入滲率id一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（二）土壤的入滲性能土壤入滲速率的變化過(guò)程（土壤水動(dòng)力學(xué)80頁(yè)） 一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（二）土壤的入滲性能累積入滲量I和入滲速率i 的關(guān)系 土壤含水率(z,t)是深度和時(shí)間的函數(shù)，取得了3點(diǎn)認(rèn)識(shí)。（土壤水動(dòng)力學(xué)79頁(yè)）一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（三）入滲過(guò)程中土壤含水量的垂直分布規(guī)律 下滲過(guò)程中土壤含水量的分布，最早考爾曼(Coleman)與

10、包德曼(Bodman)(1944,1945)做了研究，把下滲過(guò)程中土壤含水率的分布劃分為四個(gè)具有明顯分區(qū)的水分帶，它們反映了下滲水流垂向運(yùn)動(dòng)的特征。飽和帶（區(qū)） 當(dāng)下滲水流到10cm土層厚度時(shí)，土壤表面1cm內(nèi)的含水量接近于飽和含水量，形成一個(gè)飽和帶，無(wú)論濕潤(rùn)深度怎樣增大，這個(gè)飽和帶的厚度都不超過(guò)1.5cm。一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（三）入滲過(guò)程中土壤含水量的垂直分布規(guī)律 2. 水分過(guò)渡帶（區(qū)） 在飽和帶以下，土壤含水量隨深度的增加急劇減小，形成一個(gè)水分過(guò)渡帶。3. 傳導(dǎo)區(qū) 土壤含水量基本上保持在飽和含水量與田間持水量之間，沿垂線均勻分布，形成一個(gè)傳導(dǎo)區(qū)，隨著供水歷時(shí)的增長(zhǎng)濕潤(rùn)鋒不斷下移，水

11、分傳導(dǎo)區(qū)不斷向下延伸，而土壤含水量則保持在上述數(shù)值范圍內(nèi)（60-80%s），并且這一帶毛管勢(shì)梯度極小，水分的傳輸運(yùn)動(dòng)主要為重力作用。一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（三）入滲過(guò)程中土壤含水量的垂直分布規(guī)律 4. 濕潤(rùn)帶（區(qū)） 是連續(xù)濕潤(rùn)鋒面與水分傳導(dǎo)帶的一個(gè)含水量隨深度迅速減小的水分帶，隨著濕潤(rùn)鋒的不斷下移，使其下面的干土含水量增加，變?yōu)闈駶?rùn)帶。5. 濕潤(rùn)鋒 在濕潤(rùn)帶的末端，土壤含水量突變，與下層干土有明顯界面，稱為濕潤(rùn)鋒。傳導(dǎo)區(qū)和濕潤(rùn)帶是存在的，飽和區(qū)和過(guò)渡區(qū)不明顯，飽和區(qū)很難完全。土壤性質(zhì)影響，粘土與沙土區(qū)別，級(jí)配影響。新的認(rèn)識(shí) 00sZt100sZt3t200sZ00sZt400sZt500s

12、Zt0一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（三）入滲過(guò)程中土壤含水量的垂直分布規(guī)律 一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（四）影響入滲過(guò)程的條件 入滲過(guò)程中，累積入滲量、入滲率和土壤含水率隨時(shí)間的變化和地表處的施加方式和狀況有關(guān)，也就是說(shuō)與入滲的初始和邊界條件有關(guān)。為了求出入滲過(guò)程中土壤含水量的分布，以及入滲率隨時(shí)間變化的定量結(jié)果，可以在一定的初始含水率分布條件下，根據(jù)入滲邊界條件，求解水分運(yùn)動(dòng)方程。初始條件 初始條件（t=0）時(shí)，含水率或水勢(shì)分布為深度z的函數(shù)，即：一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（四）影響入滲過(guò)程的條件 邊界條件 分為三種類型：Dirchlet(狄利克雷)條件：它是給定上下邊界的土壤含水率或土壤水勢(shì)

13、，即，一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（四）影響入滲過(guò)程的條件 邊界條件 分為三種類型：Neumann(紐曼)條件：它是給定邊界的水流通量，即，“混合邊界”條件(mixed condition)或稱勞平條件(Robin Condition)是Dirchlet條件和Neumann條件的混合。一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（四）影響入滲過(guò)程的條件 在田間水分動(dòng)態(tài)模擬中這種混合邊界條件的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)： 下邊界的水勢(shì)值可以用張力計(jì)在田間容易測(cè)的，相應(yīng)的含水量也可由水分特征曲線求得。上邊界的水流通量可以由入滲前的土壤含水量以及降雨強(qiáng)度或灌溉水深度（或噴灌強(qiáng)度）確定（蒸發(fā)條件下由氣象因素和土壤水分條件確定）。一

14、、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（四）影響入滲過(guò)程的條件 在田間可能會(huì)遇到以下四種情況的邊界： 半無(wú)限土壤剖面，需要在z=0確定邊界條件，下邊界給定穩(wěn)定含水率，上邊界給定通量。具有地下水埋深不變，即土壤水勢(shì)為已知的有限土壤剖面，除初始條件如上所述而外，應(yīng)將上下邊界規(guī)定為Dirchlet條件。 z = 0, t 0一、土壤水分入滲過(guò)程及規(guī)律（四）影響入滲過(guò)程的條件 在田間可能會(huì)遇到以下四種情況的邊界： 在下邊界毫無(wú)水流通過(guò)的土壤剖面，水流只能進(jìn)入上邊界或通過(guò)上邊界而流失（如蒸滲儀的底部）（隔水層）。地下水埋深較淺，地下水位隨時(shí)間波動(dòng)的土壤剖面，這相當(dāng)于一種具有排水溝及灌溉渠的地區(qū)。在這種條件下，可以得到

15、一種混合型的邊界條件，下邊界是Dirchlet條件，上邊界是Neumann 條件。入滲速率 (是時(shí)間的函數(shù))Decreasing Infiltration在入滲開始時(shí)，由于受重力和毛管力的共同作用，所以入滲速率最大最終入滲容量Steady Gravity Induced Rate入滲速率 (土壤濕度)入滲速率隨時(shí)間降低的原因：1) 地表下表面條件改變2) 基質(zhì)勢(shì)發(fā)生變化3) 時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，基質(zhì)勢(shì)降低而重力勢(shì)相對(duì)占優(yōu)入滲速率的測(cè)定積水（環(huán)）入滲單環(huán)入滲雙環(huán)入滲積水入滲儀張力入滲儀降雨-徑流入滲儀單環(huán)入滲儀Cylinder - 30 cm in DiameterDrive 5 cm or more i

16、nto Soil Surface or HorizonWater is Ponded Above the SurfaceRecord Volume of Water Added with Time to Maintain a Constant HeadMeasures a Combination of Horizontal and Vertical Flow雙環(huán)入滲儀Outer Rings are 6 to 24 inches in Diameter Mariotte Bottles Can be Used to Maintain Constant HeadRings Driven - 5 c

17、m to 6 inches in the Soil and if necessary sealed其它入滲儀積水管入滲儀張力入滲儀不同質(zhì)地土壤的入滲速率入滲速率是坡度和土壤質(zhì)地的函數(shù)二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 對(duì)于一維垂向流，土壤水分運(yùn)動(dòng)方程可表示為： 其中： 忽略重力作用時(shí)有： 這一方程與一維水平流方程相同，只是軸向不同，因此可以從分析水平流的運(yùn)動(dòng)來(lái)描述忽略重力作用的下滲現(xiàn)象。 二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 實(shí)際上，當(dāng)t極小時(shí)（t0），也就是水分滲入土壤表面的初期，土壤表面以下并未得到濕潤(rùn)， 值極大，基質(zhì)勢(shì)梯度重力勢(shì)梯度，即 ： 此時(shí)： 是可以忽略的

18、，令以x代替z，則上式可寫為： 求解（1）式有兩種情況： 一是假定D（）=D（常數(shù)）； 二是D= D（）。二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 右圖描述了一個(gè)半無(wú)限均質(zhì)管狀土柱，從x=0到x=. 初始土壤含水率為i , 當(dāng)t0時(shí), 土壤含水率在x=0處為0 ,此時(shí)(1)式可寫為: 一維水平流水分變化示意圖1. 設(shè)D（）=D（常數(shù)）0ix二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 由于在地表處(x=0)土壤水分入滲速率可用達(dá)西通量的形式表達(dá) 令:原函數(shù)的解為:二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 當(dāng)x=0時(shí)代入(7), 入滲速率 入滲速率:式中:入滲速率f 重要結(jié)論

19、:二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 方程（1）可改寫為以距離坐標(biāo)x（,t）為因變量的基本方程, 即2. 設(shè)D是含水量的函數(shù)D = D（） 假定此方程的解是變量分離的, 即二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 代入(2)式,整理得 上式左端只隨t改變, 右端只隨改變, 既然該式對(duì)任一t和均成立,可見(jiàn)等式兩端必為同一常數(shù),假定為a, 則 對(duì)式(5)積分, 得二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 式中c1為積分常數(shù),代入(3)式,整理得 引入?yún)?shù) 將上邊界條件代入, 得 由下邊界條件, 得二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 由此可知,c1必須為0

20、或?yàn)? 但若c1 , 則 結(jié)果是 將c1=0代入(6), 得 與所討論情況不符, 故c1=0 此即Boltzmann變換, 是Boltzmann變換參數(shù)二、非飽和下滲理論與計(jì)算（一）忽略重力作用的下滲 可以設(shè)想 的關(guān)系是連續(xù)光滑的,則必然有 對(duì)于(10)式(11)二、非飽和下滲理論與計(jì)算 上式給出了和的關(guān)系,即含水率隨時(shí)間t和坐標(biāo)X的變化關(guān)系,該式可以進(jìn)行兩類問(wèn)題的求解:已知D()求解或,t 。 ph:1:p迭代法 水平入滲運(yùn)動(dòng)所得的，t或關(guān)系求解土壤水分?jǐn)U散率。Ph:l:p迭代計(jì)算方法是“土壤水動(dòng)力學(xué)”P94用數(shù)值計(jì)算方法。 表示含水量在垂直剖面上的變化，如下圖所示，在忽略重力作用時(shí)，即不考

21、慮底部排水k()時(shí)，土層在t時(shí)刻的吸水量F(t)為：二、非飽和下滲理論與計(jì)算二、非飽和下滲理論與計(jì)算因此，入滲率f(t)為：t 0, f(t) t ,f(t) 0 ph:l:p 水平入滲率的計(jì)算公式 式中S不但與土壤特性有關(guān)，切與吸水過(guò)程的初始條件和邊界條件有關(guān)。S 沒(méi)有具體函數(shù)表達(dá)式，因?yàn)樵谇蠼?10)式時(shí)，還應(yīng)確定 的函數(shù)形式。垂直入滲條件下土壤水運(yùn)動(dòng)方程基本方程：初始條件：邊界條件：00深度z含水率s非線性垂直入滲條件下土壤水運(yùn)動(dòng)方程的解假定：則有：得近似解：00深度z含水率st1t2t3t4t5入滲速度及入滲量的計(jì)算根據(jù)達(dá)西定律有：求上述方程的近似解得：常用的入滲速度及入滲量計(jì)算公式P

22、hilip公式（1957）：Kostiakov公式（1932）：Horton公式（1933）：Green-Ampt公式（1911）：不同降雨（灌水）強(qiáng)度時(shí)的入滲入滲速度 i時(shí)間tif0p1p2積水或徑流積水或徑流畦灌、淹灌、漫灌時(shí)的入滲不同灌水方法時(shí)的土壤入滲問(wèn)題有水層的一維運(yùn)動(dòng)噴灌時(shí)的入滲不同灌水方法時(shí)的土壤入滲問(wèn)題自由入滲溝灌時(shí)的入滲不同灌水方法時(shí)的土壤入滲問(wèn)題二維運(yùn)動(dòng)滴灌時(shí)的入滲不同灌水方法時(shí)的土壤入滲問(wèn)題三維運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)土壤蒸發(fā)過(guò)程及影響因素地下水埋深較大，表土迅速風(fēng)干時(shí)的蒸發(fā)降雨或灌水后地下水迅速下降時(shí)的蒸發(fā)地下水保持不變時(shí)的穩(wěn)定蒸發(fā)（入滲）層狀土的蒸發(fā)（入滲）表土蒸發(fā)與土壤含水率關(guān)系外界蒸發(fā)能力土壤輸水能力表土蒸發(fā)及其影響因素1.00.5c含水率(%)0表土迅速風(fēng)干基本方程：初始條件：邊界條件：表土迅速飽和地下水埋深較大時(shí)，蒸發(fā)與入滲條件下一維土壤水運(yùn)動(dòng)方程的比較0深度z0a表土迅速風(fēng)干表土迅速飽和地下水埋深較大時(shí)，蒸發(fā)與入滲條件下一維土壤水運(yùn)動(dòng)方程解的比較0深度z含水率st1t2t3t4t50t1t2t3t4t5蒸發(fā)強(qiáng)度及蒸發(fā)量的計(jì)算與垂直入滲的情況類似，忽略重力項(xiàng)，可得近似解：降雨或灌水后地下水