4第四章+下渗.ppt

第四章 下渗,什么叫下渗？,当向地面供水，例如降雨或人工灌溉时，人们会发现，一部分水将沿地面流动，一部分水则渗入地下但在地面土壤比较干燥，或者供水强度较小的情况下，人们可能观察不到水沿地面流动，而仅观察到水渗入土中如果再观察一下此过程中的土壤水分剖面和土壤含水率的平面分布，则可以发现：土层中湿润的深度将越来越深，渗入到土壤中的水量将越来越多；同一深度、不同地点的土壤含水率也在发生变化，自供水所及之区域向四周递减并随时变化这种水分透过土壤层面(例如地面)沿垂直和水平方向渗入土壤中的现象称为下渗有些学者，例如菲利普(Philip)等，曾试图将以上两个方向的下渗现象分别加以定义：称沿水平方向的渗入为水平吸收，而称沿垂直方向的渗入为垂直下渗但一般不取这样的定义，原因有二：一是垂直下渗和水平吸收是同时发生的，其结果都是有一部分水渗人土壤中，从而使土壤含水量增加；二是只有在二维或三维情况下才有必要将水平吸收区分出来考虑在研究小流域的下渗时，一般可以概化为垂向一维问题，故毋须将水平吸收单独出来考虑下渗又称入渗，是指水从地表渗入土壤和地下的运动过程下渗不仅影响土壤水和地下水的动态，直接决定壤中流和地下径流的生成，而且影响河川径流的组成。

下渗是将地表水与地下水、土壤水联系起来的纽带，是径流形成过程、水循环过程的重要环节下渗是水循环中最难定量的要素之一第四章 下渗,第一节 下渗的物理过程第二节 下渗的测定第三节 影响下渗的因素,第一节　下渗的物理过程,一、下渗过程的阶段二、下渗水分的垂向分布三、土壤水分的再分布四、下渗要素,一、下渗过程的阶段,地表的水沿着岩土的空隙下渗，是在重力、分子力和毛管力的综合作用下进行的，其运动过程就是寻求各种作用力的综合平衡过程分子力、毛管力随着土壤水分的增加而减小，当毛管孔隙充水达到饱和时，水分主要在重力作用下运动整个下渗的物理过程按照作用力的组合变化及其运动特征，可划分如下3个阶段：,（一）渗润阶段 降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受分子力作用，被土粒所吸附形成吸湿水，进而形成薄膜水，当土壤含水量达到岩土最大分子持水量时，开始向下一阶段过渡二）渗漏阶段 随着土壤含水率的不断增大，分子作用力渐由毛管力和重力作用取代，水在岩土孔隙中作不稳定流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本达到饱和为止，下渗过程向第三阶段过渡三）渗透阶段 特点：在土壤孔隙被水充满达到饱和状态时，水分主要受重力作用呈稳定流动。

注意：三个阶段并无截然的分界，特别是在土层较厚的情况下，3个阶段可能同时交错进行 有的将渗润与渗漏阶段结合起来，统称渗漏，渗漏的特点是非饱和水流运动，而渗透则属于饱和水流运动1. 渗湿阶段分子力作用，土壤颗粒吸收成薄膜水2. 渗漏阶段毛管力、重力作用，水分向下运动，水分逐渐饱和3. 渗透阶段 重力作用，水分饱和饱和水流,非饱和水流,二、下渗水分的垂向分布,包德曼和考尔曼1943年通过实验发现，在积水条件下（保持5mm水深），下渗水在土体中的垂向分布，大致可划分为4个带它们具体反映了下渗水的垂向运动特征一）饱和带 位于土壤表层；在持续不断地供水条件下，土壤含水量处于饱和状态，但无论下渗强度有多大，土壤浸润深度怎样增大，饱和带的厚度不超过1.5厘米二）过渡带 在饱和带之下，土壤含水量随深度的增加急剧减少，形成一个水的过渡带过渡带一般在5厘米左右三）水分传递带 水分传递带位于过渡带之下，特点是土壤含水量沿垂线均匀分布，在数值上大致为饱和含水量的60—80％左右带内水分的传递运行主要靠重力作用，在均质土中，带内水分下渗率接近于一个常值。

四）湿润带 水分传递带之下，则是一个含水量随深度迅速递减的水分带，称湿润带 湿润带的末端称为湿润锋面，锋面两边土壤含水量突变此锋面是上部湿土与下层干土之间的界面随着下渗历时的延长，湿润锋面向土层深处延伸，直至与地下潜水面上的毛管水上升带相衔接在此过程中，如中途停止供水，地表下渗结束，但土壤水仍将继续运动一定时间在这种情况下，土层内的水将发生再分配的运动过程，其分布情况则决定于土壤特性 实验证明：细颗粒土壤比粗颗粒土壤要慢些三、土壤水的再分配,当地表停止供水和地表积水消耗了以后，水分入渗过程结束，但土壤剖面中的水分在水势作用下仍继续向下运动原先饱和层中的水分逐渐排出，含水量逐渐降低，而原先干燥层中的水分逐渐增加，这就是土壤水分的再分配这个过程有时可能几天就结束，有时可能延续很长则间，其长短由土壤的水力学性质决定对于均质土壤，渗透停止后，土壤剖面中的水分在重力势和基质势梯度的作用下，进行再分配，剖面上部的水分不断向下移动，湿润锋以下较为干燥的土壤不断吸收水分，湿润锋不断下移，湿润带厚度不断增加再分配过程中土壤水的流动速度决定于再分配开始时上层土壤的湿润程度和下层土壤的干燥程度(水势梯度）以及土壤的导水性质。

若开始时上层土壤含水量高而下层土壤又相当干燥，则吸力梯度较大，土壤水的流动速度快，反之，如开始时上层土壤含水量低，下层土壤又较湿润，则吸力梯度小，再分配主要在重力作用下进行，速度就慢总之，再分配速度总是随时间而减小，同时湿润锋的清晰度也越来越低，并逐渐消失，最终趋于均一从图中可以看到再分配过程中，原来湿润的土层以不断减小的速度向下层土壤输送水分的情况对于不同类型的土壤，由于土壤特性的差异，土壤水分的再分配速度也有差别如图所示，细粒含量多的土壤与粗颗粒含量多的土壤相比，其水分再分配速度要慢、这主要是粗质土壤的非饱和导水率大，且随土壤含水量的减少而迅速降低；而较细的土壤非饱和导水率小，随土壤含水量的减少降低速度较慢，因此，其土壤水分的再分配过程持续的时间较长土壤水分的再分配作用，对土壤中水分总量及土壤剖面上的水分含量影响很大，同时对降水后期土壤的蒸发都有较大影响，因此，对土壤水分在分布的研究是下渗研究中的重要内容四、下渗要素,（一）下渗率f：又称下渗强度，是指单位面积上单位时间内渗入土壤中水量，常用毫米/分或毫米/小时计二）下渗能力fp：又称下渗容量，指在充分供水条件下的下渗率二）下渗能力fp：又称下渗容量，指在充分供水条件下的下渗率。

三）稳定下渗率fc （稳渗）通常在下渗最初阶段，下渗率f具有较大的数值，称为初渗（f0），后随着下渗作用的不断进行，土壤含水量的增加，下渗率逐步递减，递减的速率是先快后慢当下渗锋面推进到一定深度后，下渗率趋于稳定的常值此时下渗率称为“稳定下渗率”第二节 下渗的测定,一、下渗的测定二、下渗率或下渗量的计算,一、下渗的测定,按供水方式的不同，直接测定法又可分为注水法与人工降雨法两种一）注水法（二）人工降雨法,,选择代表性的场地，直接测定下渗过程，进而得到单点的下渗曲线一般仅用于极小的土体表面一）注水法,通常采用单管下渗仪或同心环下渗仪优点：容易操作、设备简单缺点：仅能反映试验场地一定的土壤条件下的单点下渗情况只可反映地表积水条件下的下渗实验时旁渗对结果影响很大总体来说，注水法测定的结果偏大二）人工降雨法,需要模拟降雨的专门设备好小型试验场地相对比较准确应 用：可用于灌溉工程的建设、降雨径流计算工作获取方法：先是通过实际试验，获得下渗曲线，再从图形来模拟下渗曲线的数学表达式一般形式：这类表达式就是经验公式，此类公式的类型颇多，共同的特征是具有下渗率随时间递减的函数形式二、下渗率或下渗量的计算,1.霍顿公式（1940）：f  =  fc+（f0-fc）e-βt    f——t时刻下渗率，fc——稳定下渗率，f0——初始下渗率，β——常数，下渗曲线的递减参数，e——自然对数底。

fc、f0可由实测资料中直接求出， β则需根据实测资料作图推求霍顿公式反映了下渗强度随时间递减规律，并最终趋于稳定下渗优点：霍顿公式结构简单，在充分供水条件下与实际资料配合较好，至今仍被广泛应用2.考斯加柯夫公式,考斯加柯夫根据灌溉条件下水的下渗分析得出如下公式 F—下渗量；a—系数；n—与土壤性质有关的参数，一般情况下为1/2经验系数a和n，必须经过试验才能测得其物理意义为：a代表开始时段内下渗的数量，因此取决于土壤的结构状况、起始土壤含水量和供水条件，如土壤有裂隙或大孔隙，a就比较大，否则较小n代表渗透速度随时间减小的程度，取决于湿润后土壤结构的变化从下渗率公式可以看出，当时间t→∞时，f→0（因0

优点：便于考虑前期含水量对下渗的影响第三节 影响下渗的因素,一、降水二、土壤三、植被四、地形五、人类活动,在天然条件下，实际的下渗过程远比理想模式要复杂得多，往往呈现不稳定和不连续性形成这种情况的原因是多方面的，归纳起来主要有以下五个方面：,（一）降水,降水特性的影响因素：降水强度、历时、降水时程分配及降水空间分布等1. 降水强度直接影响土壤下渗强度及下渗水量，在降水强度小于下渗率的条件下，降水全部渗入土壤，下渗过程受降水过程制约在相同土壤水分条件下，下渗率随雨强增大而增大尤其是在草被覆盖条件下情况更明显但对裸露的土壤，由于强雨点可将土粒击碎，并充填土壤的孔隙中，从而可能减少下渗率（如黄土高原）2. 降水的时程分布对下渗也有一定的影响，如在相同条件下，连续性降水的下渗量要小于间歇性降水的下渗量因为在每次间歇期间，土壤水分仍继续进行分布，一部分深入下层，一部分耗于蒸发，因此表层下渗能力得到不同程度的恢复在每一后继降水的初期下渗强度有所恢复，然后迅速下降，其下渗率较前次为小二）土壤主要决定于土壤的透水性能及土壤的前期含水量透水性能又和土壤的质地、孔隙的多少与大小有关一般来说土壤颗粒愈粗，孔隙直径愈大，其透水性能愈好，土壤的下渗能力亦愈大。

三）植被,有植被的地区，由于植被及地面上枯枝落叶具有滞水作用，增加了下渗时间，从而减少了地表径流，增大了下渗量三）地形,地面起伏，切割程度不同，要影响地面漫流的速度和汇流时间在相同的条件下，地面坡度大、漫流速度快，历时短，下渗量就小四）人类活动既有增大的一面，也有抑制的一面正反馈：坡地改梯田、植树造林、蓄水工程均增加水的滞留时间，从而增大下渗量负反馈：砍伐森林、过度放牧、不合理的耕作，则加剧水土流失，从而减少下渗量利用：在地下水资源不足的地区采用人工回灌，则是有计划、有目的的增加下渗水量；反之在低洼易涝地区，开挖排水沟渠则是有计划有目的控制下渗，控制地下水的活动人们研究水的入渗规律，正是为了有计划、有目的控制入渗过程，使之朝向人们所期望的方向发展。