2.6 下滲精篇課件

P74-81§26下滲§2.6下滲P74-81O?下滲又稱入滲，是指降落到地表的雨水或水從地表面滲入到地下巖石、土壤空隙中的運(yùn)動(dòng)過程。?下滲是徑流形成的重要因素之一，它不僅直接決定著地面徑流量的大小，同時(shí)也影響土壤水和地下水的動(dòng)態(tài)，直接決定壤中流和地下徑流的形成,而且影響河川徑流的組成。在超滲產(chǎn)流地區(qū)，只有當(dāng)降水強(qiáng)度超過下滲率時(shí)才能產(chǎn)生徑流。?可見，下滲是將地表水與地下水、土壤水聯(lián)系起來的紐帶，是徑流形成過程、水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)一、下滲的物理過程及規(guī)律-（一）下滲的物理過程?水分的下滲是在重力、分子力和毛管力的綜合作用下進(jìn)行的，其下滲過程就是這三種力的平衡過程，整個(gè)下剩過程按照作用力的組合變化和運(yùn)動(dòng)特征，可以劃分為三個(gè)階段。在土壤十分干燥時(shí)，下滲水分主要是在分子力作用下，被土壤顆粒吸附形成吸濕水,進(jìn)而形成薄膜水（膜狀水），當(dāng)土壤含水量大于巖土最大分子持水量（薄膜水的最大數(shù)值）時(shí)，這一階段逐漸消失，并向下一階段過渡。I、滲潤階段II、滲漏階段隨著土壤含水率的不斷增大，當(dāng)表層土壤中薄膜水得到滿足后，影響下滲的作用力由分子力轉(zhuǎn)化為毛管力和重力。在毛管力和重力的共同作用下，使下滲水分在土壤孔隙中作不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，并逐步充填毛管孔隙、非毛管孔隙，使表層土含水達(dá)到飽和。當(dāng)土壤表層的非毛管孔隙被充滿水后，下滲進(jìn)入第三階段。-通常將以上兩個(gè)階段統(tǒng)稱為滲漏階段。m、滲透階段?在土壤孔隙被水分充滿、達(dá)到飽和狀態(tài)后,水分主要在重力作用下繼續(xù)向深層運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，下滲的速度基本達(dá)到穩(wěn)定。水分在重力作用下向下運(yùn)行，稱為滲透。?滲漏的特點(diǎn)是非飽和水流運(yùn)動(dòng)，而滲透則屬于飽和水流運(yùn)動(dòng)。（二）下滲要素?為了定量研究水的下滲的物理過程，經(jīng)常要運(yùn)用到下滲率和下滲能力等要素。?

1、下滲率f又稱下滲強(qiáng)度。是指單位面積上單位時(shí)間內(nèi)滲入土壤中水量，常用毫米/分或毫米/小時(shí)計(jì)。?

2、下滲能力fp，又稱下滲容量。指在充分供水條件下的下滲率。?

3、穩(wěn)定下滲率fc簡稱“穩(wěn)滲”。通常在下滲初期，由于土層干燥，下滲能力很強(qiáng)，下滲率具有較大的數(shù)值，稱為初滲（f0），其后隨著下滲過程的持續(xù)進(jìn)行，土壤含水量的增加，下滲能力迅速遞減，下滲率也逐步減小，直到滿足土壤最大持水量后，多余的水分在重力作用下沿土壤空隙向下運(yùn)動(dòng)補(bǔ)給地下水，下滲率趨于一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)，此常數(shù)稱為“穩(wěn)定下滲率”fc。這個(gè)過程可用下滲曲線表示，如圖2-26。圖上的累積下（F）曲線，則是下滲量隨時(shí)間的增長過程。累積曲線上任一點(diǎn)的坡度，表示該時(shí)刻的下滲率。下滲強(qiáng)度在降雨初期特別大，以后隨土壤含水量的增加而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。原因是：降雨初期，土壤干燥，雨水受到土壤分子力毛管力及雨滴的重力作用，下滲能力很大。隨后，隨著土壤含水量增加，下滲能力迅速下降，直到土壤含水量度）fcltf下滲的水量一部分滯蓄于巖石土壤空隙中，在無雨期耗于蒸發(fā)；另一部分補(bǔ)給地下水（，下滲強(qiáng)產(chǎn)生地下徑流，補(bǔ)給河流。因此，前者才是真正的下滲損失量。-1達(dá)到飽和后，便在重力作用下穩(wěn)定下滲補(bǔ)給地下水，形成地下徑流。（三）下滲過程中土壤含水量的垂直分布?1943年包德曼（Bodman）和考爾曼Colman）曾對表面保持一定水深（5mm）時(shí)，下滲水流在均質(zhì)土壤中沿垂向運(yùn)動(dòng)規(guī)律及含水量的分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同土壤在下滲過程中，土壤的含水量的分布可劃分為四個(gè)明顯區(qū)別的水分帶，它們反映了下滲水流垂向運(yùn)動(dòng)的特征。I飽和帶過渡帶本分傳遞帶濕潤帶1I馬I、飽和帶?飽和帶位于土壤表層。在持續(xù)不斷地供水條件下，土壤含水量處于飽和狀態(tài)，但無論下滲強(qiáng)度有多大，土壤浸潤深度怎樣增大，飽和帶的厚度不超過1.5厘米。II、過渡帶?在飽和帶之下，土壤含水量隨深度的增加急劇減少，形成一個(gè)水的過渡帶。過渡帶的厚度不大，一般在5厘米左右。m、水分傳遞帶o?水分傳遞帶位于過渡帶之下，其特點(diǎn)是土壤含水量沿垂線均勻分布，基本保持在飽和含水量與田間持水量之間，在數(shù)值上大致為飽和含水量的60-80%左右。該帶內(nèi)毛管勢的梯度極小，帶內(nèi)水分的傳遞運(yùn)行主要靠重力作用，因此，在均質(zhì)土中，帶內(nèi)水分下滲率接近于一個(gè)常值，即到達(dá)穩(wěn)滲。：：：：：：：：：?隨著供水歷時(shí)的增長，濕潤鋒不斷下移，水分傳遞帶不斷向下延伸加厚，而其土壤含水量仍保持在上述數(shù)值范圍內(nèi)，沒有什么變化5W.濕潤帶況則決定于土壤特性，如圖2-5所示。?水分傳遞帶之下，則是一個(gè)含水量隨深度迅速減少的水分帶，稱濕潤帶。濕潤帶的末端稱為濕潤鋒面，鋒面兩邊土壤含水量突變。此鋒面是上部濕土與下層干土之間的界面。?隨著下滲歷時(shí)的延長，濕潤鋒面向土層深處延伸,直至與地下潛水面上的毛管水上升帶相銜接。在此過程中，如中途停止供水，地表下滲結(jié)束，但土壤水仍將繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間。在這種情況下，土層內(nèi)的水將發(fā)生再分配的運(yùn)動(dòng)過程，其分布情不同質(zhì)地的土壤水分再分配比較示意國(a＞細(xì)賴粒土壤；粗膝粒土壤二、下滲理論與下滲經(jīng)驗(yàn)公式?（一）下滲理論（P76-78）?根據(jù)土壤水運(yùn)動(dòng)的一般原理，用以研究下滲規(guī)律及其影響因素的理論，稱為下滲理論，由于水的下滲既可能在非飽和的巖土孔隙中運(yùn)行，亦可能在飽和條件下運(yùn)行，所以可相應(yīng)地區(qū)分為非飽和下滲理論和飽和下滲理論。?

1.非飽和下滲理論簡介（略）?2.飽和下滲理論模式（略）對下滲的研究最初是為了適應(yīng)j溉工程的建設(shè)需要而開展的。以后在水文學(xué)上進(jìn)行降雨徑流計(jì)算工作中得到了發(fā)展。先是通過實(shí)際試驗(yàn)，獲得下滲曲線，再從圖形來模擬下滲曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。這類表達(dá)式就是所謂的經(jīng)驗(yàn)公式，此類公式的類型頗多，共同的特征是具有下滲率隨時(shí)間遞減的函數(shù)形式。其中霍頓(R.E.Horton)公式應(yīng)用較普遍。(二)下滲經(jīng)驗(yàn)公式P78-791、霍頓下滲公式(R.E.Horton,1940)?f=fc+(f0-fc)e_

Pt=a+be-Pt

①-式中，fc為穩(wěn)定下滲率；f為初始下滲率，p為常數(shù)，下滲曲線的遞減參數(shù);a，b為參數(shù)。?該公式是霍頓(1940年)在下滲試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測資料用曲線擬合方法得到的經(jīng)驗(yàn)公式。后來有人對土壤水動(dòng)力方程組在假定導(dǎo)水率及擴(kuò)散率不變的條件下，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)而得出的公式與此形式相同?；纛D公式是在充分供水的條件下下滲能力隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式，霍頓認(rèn)為，下滲強(qiáng)度隨時(shí)間是逐步遞減的，并最終趨于穩(wěn)定，因此，下滲過程是一個(gè)土壤水分的消退過程，其消退速率為df/dt。由于下滲過程中f逐步減小，所以df/dt為負(fù)值。據(jù)此可得：?-df/dt=p(f-fc)②-式中，P為比例系數(shù)-對②式進(jìn)行積分，得：?Ln(f-fc)=-pt+C③?當(dāng)下滲初始時(shí)，即t=0時(shí)，f=f0，則有?f=fc+(fofc)e-Pt

④?公式中參數(shù)可由實(shí)測資料直接求出。?霍頓公式結(jié)構(gòu)簡單，在充分供水條件下與實(shí)際資料配合較好，至今仍被廣泛應(yīng)用。（2-75）F=Jo根據(jù)上式還可進(jìn)一步導(dǎo)出表達(dá)下滲累積曲線的公式：2.霍爾坦公式?

1961年美國農(nóng)業(yè)部霍爾坦(H.N.Holton)提出一種下滲概念模型。其公式為:下滲率f是土壤缺水量的函數(shù),?f=fc+a(s-F)n?式中，a為系數(shù)，隨季節(jié)而變，一般在0.2—0.8之間；s為表層土壤可能最大含水量；F為累積下滲量或初始含水量；n為指數(shù)，通常為1.4。?在降雨期，由于累積下滲量逐漸增加，缺水量(s—F)逐步減少，下滲率f趨近于fc。本公式的優(yōu)點(diǎn)是便于考慮前期含水量對下滲的影響。3、一般形式?F=at-n+b-式中，b為穩(wěn)定下滲率，0<n<l。-這種冥函數(shù)的消退比指數(shù)函數(shù)在開始時(shí)要快些，這符合一般的下滲過程，因此配合實(shí)測資料要好些。o三、影響下滲的因素P79-81以上所介紹的下滲過程，均是反映在充分供水條件下單點(diǎn)均質(zhì)土壤的下滲規(guī)律，所得到的下滲曲線，反映土壤的最大下滲率過程，稱下滲能力曲線，也稱下滲容量曲線。在天然條件下，實(shí)際的下滲過程遠(yuǎn)比理想模式要復(fù)雜得多。降雨強(qiáng)度的時(shí)空變化很大，是不穩(wěn)定的，有時(shí)是不連續(xù)的，而實(shí)際的下滲過程因此也是不穩(wěn)定和不連續(xù)的。另外，土壤的性質(zhì)和水分在時(shí)空上的分布也是不均一的，與假定的條件有一定的出入。因此，想尋求一個(gè)很理想的模式，實(shí)際上是不可能的-影響下滲的因素眾多而復(fù)雜，主要有：（一）巖石土壤性質(zhì)?土壤的機(jī)械物薄性質(zhì)（質(zhì)越，驟囑巖石結(jié)構(gòu)、巖性「和水分物理性質(zhì)（果理性質(zhì)）都對下滲有明顯的影響。?（V）土壤顆粒粒徑越大，持水性差，透水性好，則持水性差，___________________粒小，則孔隙小、顆?？偙砻娣e大，持水性強(qiáng)，透水性差，下滲率就小。（粘土下滲率＜壤土＜砂土）?（2）土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好，其下滲率就大；?

（3），土壤前期含水量直接決定著土壤的初滲率。干燥土壤吸水能力強(qiáng)，下滲率大；反之，濕潤土壤，下滲率小。（即與前期降雨情況、土壤蒸發(fā)、植物散發(fā)有關(guān)）；?（4）土壤物質(zhì)組成^：土壤有機(jī)質(zhì)和易溶物質(zhì)增多時(shí)，可增大孔隙，卩下滲率；?

（5）巖石的節(jié)理、裂隙越發(fā)育，其下滲率就越大。（二）降雨特性-降水特性包括降水強(qiáng)度、歷時(shí)、降水過程及降水的空間分布等。-（1）降水強(qiáng)度直接影響土壤下滲強(qiáng)度及下滲水量-在降水強(qiáng)度（雨強(qiáng)）＜下滲能力fp時(shí)，尤其雨強(qiáng)1＜穩(wěn)定下滲率fc時(shí)，降水全部滲人土壤，下滲過程受降水過程制約;當(dāng)降水強(qiáng)度i＞下滲強(qiáng)度f時(shí)，則產(chǎn)生超滲雨，形成徑流。-一般地，降雨強(qiáng)度大，供水充分，有利于下滲；降雨強(qiáng)度大，雨滴大，對土粒及土壤孔隙口的壓力大，則增大土壤I飽和度和下滲率。尤其在有草皮覆蓋的情況下，下滲率隨雨強(qiáng)增大而增大的規(guī)律更為明顯。-但是，在無植被覆蓋的赤裸土壤，下滲率卻隨降雨強(qiáng)度增大而減小。如，我國的黃土高原，因植被稀疏，降雨強(qiáng)度增大時(shí)，雨滴將相應(yīng)增大，雨滴將以較大能量充填及阻塞土壤孔隙，從而使下滲率減小。-(2)降雨歷時(shí)-降雨歷時(shí)越長，則下滲歷時(shí)亦長，濕潤深度增大，下滲總量增加；降雨歷時(shí)短則相反。-(3)降雨過程-若降雨先小后大，先降的雨水使土壤濕潤，顆粒膨脹，孔隙變小，使下滲強(qiáng)度減小，后期降雨量雖大，但禾能大量下滲，使下滲總量較??；反之，降雨過程為先大后小，下滲總量較大。尤其在土壤含水量比較小時(shí)，降雨過程對下滲量的影響比較顯著。（三）流域植被、地形條件的影響?植被和地面上枯枝落葉能夠阻滯地面徑流,增加下滲時(shí)間；枯枝落葉及植物根系能疏松土壤，透水性好，因而下滲量大。?坡度、坡向、地形切割程度等都對下滲有所影響。如地形坡度大，集流快；同時(shí)坡度大，地表坑洼相對較少，地表臨時(shí)積水也