工程水文學(xué)課件

第六節(jié)土壤水、下滲、地下水教學(xué)目標(biāo)1、能夠說出土層中的包氣帶和飽水帶的特點(diǎn)2、能夠說出土壤水分的存在形式3、描述下滲的物理過程4、能夠陳述徑流形成過程5、說出徑流表示方法并計(jì)算一、土層中的包氣帶和飽水帶土層中的包氣帶和飽水帶

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包氣帶：指地面與地下潛水面之間的土層，是包含有空氣、水、土三相系統(tǒng)，因此，稱包氣帶。這里的水分，水文上稱土壤水，水壓力P小于大氣壓，為負(fù)壓，P＜0。

---飽水帶（飽和帶）：指地下潛水面下邊的土層，土粒間的孔隙完全被水充滿，故稱飽水帶。這里的水在水文上稱為地下水，P≥0。二、土壤水分的存在形式土壤水受力分析：分子力：土壤顆粒表面的分子對(duì)水分子的吸引力稱為分子力毛管力：由土壤中毛管現(xiàn)象引起的力稱為毛管力重力：土壤中水分受到的地心引力稱為重力二、土壤水分的存在形式按受分子力、毛管力、重力作用的情況分為以下4種形式：

---吸濕水：被分子力緊緊吸附在土粒表面、不能流動(dòng)、也不能為植物利用的土壤水分。

---薄膜水：被剩余的分子力吸附在吸濕水層外的水膜，這部分水可從薄膜厚的地方緩慢地流到薄膜較薄的地方。

---毛管水：土壤孔隙中被毛管力所吸持的水分，不能在重力作用下流走。(1)毛管上升水。地下水可憑借毛管作用上升進(jìn)入到土壤孔隙中。這種沿毛管上升的水分稱為毛管上升水。毛管水上升的高度與土壤顆粒的大小和土壤結(jié)構(gòu)狀況有關(guān)，通常在l一5m之間。(2)毛管懸著水。當(dāng)?shù)孛娅@得降雨或灌溉后，憑借毛管作用而保持在靠近地面的土層中的水分稱為毛管懸著水。

---重力水：在重力作用下可以流動(dòng)的土壤水，是地下水的來(lái)源。重力的大小與位置有關(guān)，離地心遠(yuǎn)的地方受到的重力總比離地心近的地方小。三、土壤含水水量與水分常常數(shù)土壤含水量是指包氣帶土壤含含水的多少，常用單位土土壤體積內(nèi)包包含的水體體體積、或包含含的水體質(zhì)量量來(lái)表示。用某些特征條條件下的土壤壤含水量來(lái)反反映土壤水的的變化特性。。這些特征土土壤含水量稱稱為土壤水分常數(shù)數(shù)。---最大吸濕水量量：在飽和空氣氣中，干燥土土粒能夠吸附附的最大水量量。---最大分子持水水量：土土粒粒分分子子力力所所結(jié)結(jié)合合水水分分的的最最大大量量，，薄薄膜膜水水厚厚度度達(dá)達(dá)最最大大值值。。---凋萎萎含含水水量量（（凋凋萎萎系系數(shù)數(shù)）：：植植物物根根系系的的吸吸力力約約為為15個(gè)大大氣氣壓壓，，對(duì)對(duì)于于土土粒粒吸吸附附的的吸吸力力大大于于該該值值的的水水分分，，植植物物則則無(wú)無(wú)法法利利用用。。當(dāng)當(dāng)土土壤壤水水分分低低于于這這時(shí)時(shí)的的含含水水量量時(shí)時(shí)，，植植物物將將缺缺水水而而凋凋萎萎死死亡亡，，該該土土壤壤含含水水量量稱稱為為凋萎萎含含水水量量。---毛管管斷斷裂裂含含水水量量：濕濕潤(rùn)潤(rùn)的的土土壤壤逐逐漸漸干干燥燥時(shí)時(shí)，，毛毛管管懸懸著著水水的的連連續(xù)續(xù)狀狀態(tài)態(tài)開開始始斷斷裂裂，，此此時(shí)時(shí)的的土土壤壤含含水水量量稱稱毛毛管管斷斷裂裂含含水水量量。。土土壤壤含含水水量量低低于于該該值值后后，，土土壤壤中中的的水水分分只只能能以以水汽和薄薄膜水的形式向向蒸發(fā)面面運(yùn)移。。---田間持水水量：土壤能能夠保持持而不在在重力作作用下流流走的最最大含水水量，稱稱田間持持水量。。這時(shí)繼繼續(xù)下滲滲的雨水水，將補(bǔ)補(bǔ)給潛水水，形成成地下徑徑流。---飽和含水水量：土壤中的的孔隙全全部被水水充滿情情況下的的土壤含含水量。。四、下滲滲下滲：降落在地地面上的的雨水從從地表滲入土壤內(nèi)的的運(yùn)動(dòng)過過程。下滲率：：?jiǎn)挝粫r(shí)間間通過單單位面積積的土壤壤層面滲滲入到土土壤的水水量稱為為下滲率率，常用單位位為mm／min、mm/h等，用f表示。（（下滲現(xiàn)現(xiàn)象的定定量表示示是下滲滲率）。。下滲能力力：在充分供水水條件下下的下滲率率則稱為為下滲能能力。（一）下下滲的物物理過程程1.滲潤(rùn)階段段下滲的水水分主要要受分子力的作用,被土壤顆顆粒吸收收而成薄薄膜水。。當(dāng)土壤壤含水量量達(dá)到最最大分子子持水量量時(shí),分子力不不再起作作用,這一階段段結(jié)束。。2.滲漏階段段下滲水分分主要在在毛管力、、重力作用下,沿土壤孔孔隙向下下作不穩(wěn)穩(wěn)定流動(dòng)動(dòng),并逐步充充填土壤壤孔隙直直至飽和和。3.滲透階段段當(dāng)土壤孔孔隙充滿滿水達(dá)到到飽和時(shí)時(shí),水分在重力作用下呈呈穩(wěn)定流流動(dòng)。（二）下下滲曲線線下滲能力力隨時(shí)間間的變化化過程線線,稱為下下滲能能力曲曲線,簡(jiǎn)稱下下滲曲曲線,并以f（t）~t表示,穩(wěn)定下下滲率率：隨時(shí)間間的增增長(zhǎng),下滲水水量越越來(lái)越越多,土壤含含水量量也逐逐漸增增大,下滲率率逐漸漸遞減減。當(dāng)土壤壤孔隙隙充滿滿水,下滲趨趨于穩(wěn)穩(wěn)定,此時(shí)的的下滲滲率稱稱為穩(wěn)定下下滲率率,記為fc。累積下下滲曲曲線累積下下滲曲曲線：：累積積下滲滲量F隨時(shí)間間的變變化曲曲線。?！聺B能能力Fp——按下滲滲容量量下滲滲自開開始至至r時(shí)刻滲滲入土土壤的的總水水量下滲曲曲線和和累積積下滲滲曲線線（三））下滲滲的數(shù)數(shù)學(xué)模模式霍頓(Horton)公式：：根據(jù)據(jù)均質(zhì)質(zhì)單元元土柱柱的下下滲試試驗(yàn)資資料,認(rèn)為當(dāng)當(dāng)降雨雨持續(xù)續(xù)進(jìn)行行時(shí),下滲率逐漸漸減小,下滲過程是是一個(gè)消退退的過程,消退的速率率與剩余量量成正比。。第六節(jié)徑徑流形成過過程徑流形成過過程可概括括為如下的的圖式：降降雨過程程→扣除損失→凈雨過程→流域匯流→流量過程其其中降雨轉(zhuǎn)化為凈雨的過程稱產(chǎn)流過程；；凈雨轉(zhuǎn)化為河川流量的過程稱匯流過程。。（一）產(chǎn)流流過程降雨的損失失：降雨中中不能形成成徑流的那那一部分雨雨量植物截留填填洼雨雨期期蒸發(fā)初初滲即補(bǔ)補(bǔ)充土壤缺缺水量?jī)粲赀^程---凈雨過程：降雨過過程減去損損失過程，，即得凈雨雨過程。凈凈雨又可可分為地面凈雨、、表層流凈凈雨和地下下凈雨，前二項(xiàng)分別別形成從地面匯入入河流的地地面徑流和和從地表相相對(duì)不透水水層匯入河河流的表層層流，為簡(jiǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算，，還常常將將前二項(xiàng)合合在一起，，仍稱地面面凈雨；后后者從地下下潛水層匯匯入江河，，形成地下下徑流。凈雨雨與與徑徑流流辨辨析析凈雨雨和和徑徑流流在在數(shù)數(shù)量量上上相相等等。。凈雨雨是是徑徑流流的的過程程，徑徑流流則則是是凈凈雨雨匯匯流流的的結(jié)果果。凈雨雨在在降降雨雨結(jié)結(jié)束束時(shí)時(shí)就就停停止止了了，，而而徑徑流流卻卻要要延延長(zhǎng)長(zhǎng)很很長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)時(shí)間間。。（二二））匯匯流流過過程程凈雨雨沿沿坡坡面面和和坡坡地地匯匯入入河河網(wǎng)網(wǎng)，，稱稱坡地地匯匯流流，，然后后沿沿河河網(wǎng)網(wǎng)匯匯集集到到流流域域出出口口，稱稱河河網(wǎng)網(wǎng)匯匯流流。。坡地地匯匯流流超滲滲雨雨滿滿足足了了填填洼洼后后產(chǎn)產(chǎn)生生的的地地面面凈凈雨雨沿沿坡坡面面流流到到附附近近河河網(wǎng)網(wǎng)的的過過程程,稱為為坡面面漫漫流流。特點(diǎn)點(diǎn):是由由無(wú)無(wú)數(shù)數(shù)股股彼彼此此時(shí)時(shí)分分時(shí)時(shí)合合的的細(xì)細(xì)小小水水流流所所組組成成,通常沒有明顯顯的固定溝槽槽,雨強(qiáng)很大時(shí)可可形成片流。。坡面漫流的的流程較短,一般不超過數(shù)數(shù)百米,歷時(shí)亦短。表層流徑流表層流徑流:表層流凈雨沿沿坡面?zhèn)认虮韺訉油寥揽紫读魅撕泳W(wǎng),形成表層流徑流。特點(diǎn)：A、表層流流動(dòng)動(dòng)比地面徑流流慢,到達(dá)河槽也較較遲。B、表層流與地地面徑流有時(shí)時(shí)能相互轉(zhuǎn)化化地下徑流和基基流地下徑流和基基流:地下凈雨向下下滲透到地下下潛水面或深深層地下水體體后,沿水力坡度最最大的方向流流入河網(wǎng),稱為坡地地下徑流流。特點(diǎn)：深層地下水匯匯流很慢,所以降雨以后后,地下水流可以以維持很長(zhǎng)時(shí)時(shí)間,較大河流可以以終年不斷,是河川的基本本徑流,所以常稱為基流。河網(wǎng)匯流河網(wǎng)匯流：進(jìn)進(jìn)入河網(wǎng)的坡坡地徑流，向向流域出口匯集的過程。（三）徑流表表示方法與度度量單位1、流量單位時(shí)間內(nèi)通通過河流某一一斷面的水量量稱為流量，，以m3/s計(jì)?？捎伤哪觇b鑒刊布的流量量資料繪制如如圖2-35的流量過程線線。2.徑流總量W：指歷時(shí)T內(nèi)通過河流某某一斷面的徑徑流總量，以以m3、萬(wàn)m3或億m3計(jì)，按下式計(jì)計(jì)算:（2-31）式中Q(t)--t時(shí)刻流量,m3/s;tl、t2--時(shí)段始、末時(shí)時(shí)刻;T--計(jì)算時(shí)段,T=t2-t1,s;--計(jì)算時(shí)段內(nèi)平平均流量,m3/s。3.徑流深R：為將徑流總量量W平鋪在流域面面積F上的水深，以以mm計(jì):（2-32）式中W--時(shí)段T內(nèi)徑流量,d;--計(jì)算時(shí)段內(nèi)平平均流量,m3/s;T--計(jì)算時(shí)段,s;F--流域面積,km2。4.徑流模數(shù)M：平均單位流域域面積上的流流量，以m3/(s.km2)或L/(s.km2)計(jì):（2-33）隨著對(duì)Q賦予的不同意意義,徑流模數(shù)也有有不同的含義義,如Q為洪峰流量量,相應(yīng)的M為洪峰流量量模數(shù),Q為多年平均均流量,相應(yīng)的M為多年平均均流量模數(shù)數(shù)等等。5.徑流系數(shù)α：表示降雨形形成的徑流流量與降雨雨量之比:αα=R/P（2-34）因因R<P,故α<1。例題【例2-1】某水文站流流域面積F=54500km2,多年平均降降雨量F=1650mm,多年平均流流量=1680m3/s。根據(jù)這些些資料可算算得:(1)多年平均徑徑流量。(2)多年平均徑徑流深。(3)多年平均徑徑流模數(shù)。。(4)多年平均徑徑流系數(shù)。。（四）我國(guó)國(guó)河川徑流流分布概況況我國(guó)年徑流流分布和年年降水量分分布一樣,總的趨勢(shì)由由南向北和和由東向西西遞減;新疆、甘肅肅交界以西西,則由西向東東遞減,具有明顯的的地域性分分布規(guī)律。。年徑流的地地理分布我國(guó)多年平平均年徑流流總量27115億m3,平均徑流深深284mm,即年降水總量量的43·8%轉(zhuǎn)化為河川川徑流。按徑流深的的大小,可劃分為豐水、多水水、過渡、、少水、干干涸五個(gè)明顯不不同的地帶帶。1.豐水帶年徑流深大大于800mm,年徑流系數(shù)數(shù)一般在0.5以上,部分山地超超過0.8。2.多水帶年徑流深在在200~800mm之間,部分山地年年徑流深可可達(dá)1000~2000mm。年徑流系數(shù)數(shù)一般為0.4~0.6。3.過渡帶年徑流深在在50~20Omm之間,此帶內(nèi)平原原地區(qū)年徑徑流深大部部分為50~100mm,年徑流系數(shù)數(shù)0·l左右。山區(qū)區(qū)年徑流深深100~200mm,年徑流系0.2~0.4。4.少水帶年徑流深在在10~50mm之間,本帶內(nèi)平原原地區(qū)年徑徑流深一般般為10~25mm,黃土高原10~50mm,部分山區(qū)可可達(dá)50mm以上。年徑徑流系數(shù)一一般為0·1左右,個(gè)別地區(qū)小于0.05。5.干涸帶年徑流深小小于10mm,本帶內(nèi)不少少地區(qū)基本本不產(chǎn)流,年徑流系數(shù)數(shù)只有0·01~0.03年徑流的年年內(nèi)變化徑流的年年內(nèi)變化化主要取取決于河