0-土壤入渗

土壤水文学——土壤水分入渗河海大学水资源环境学院郝振纯王加虎土壤在水文循环的重要作用Transpiration&EvaporationEvaporationCondensationSoilLayerGroundwaterPrecipitationBasindeepseepageInterceptionThroughfallStemflowPondingInfiltrationInterflowRechargeBaseflowInfiltrationRechargeInterflowOverlandflowStreamdischargeTheWatershedHydrologicalCycleRootuptakeTranspirationEvaporationPrecipitationInfiltration复习不同形式的Richards方程复习Richards方程的数值解复习遗留的问题•上边界条件–补给（降雨、灌溉）；蒸发•下边界条件–开敞（半无限土柱）；地下水变动•内部–源汇项；土壤水侧向运动复习4.1土壤水分入渗•入渗是指水分进入土壤的过程，这是自然界水循环中的一个重要环节。–水文学：研究地表产流问题–农田水利学：研究灌溉或降雨后土壤水分的分布问题–水资源评价：研究降雨对浅层地下水的补给问题–农业及环境学：研究化肥、农药及污染物随水分迁移问题–……4.1.1入渗过程的分析干土入渗的定性认识非干土入渗的定性认识累积入渗量入渗率入渗率随时间的变化入渗过程入渗过程入渗过程——上边界条件•第1类边界条件–灌溉使地表湿润，接近某一含水率（如饱和含水率）称为“灌溉模型”。入渗过程——上边界条件•第2类边界条件–不形成积水或地表径流。入渗过程受供水控制。–可称为“降水模型”入渗过程——上边界条件•第3类边界条件–供水强度超过土壤入渗能力后，地表形成积水或同时产生径流。入渗称为“积水模型”。4.3达西定律的直接应用•水平入渗问题..–集总式土壤水侧向运动模型不(弱)透水层地表水单元河道王加虎，等。一个考虑土壤水侧向运动的分布式墒情模型4.3达西定律的直接应用•垂直入渗问题–集总式分层下渗模型–Green-Ampt模型集总式分层下渗模型•《水文学原理》P88–有限土柱长、土含不均匀、不同供水条件–属于显式算法，收敛条件（时间、空间步长的组合）要求非常严格Green-Ampt理论•初始干燥的土壤在薄层积水时的入渗问题•又称活塞模型4.4半理论半经验公式•Green-Ampt公式•Philip公式•Smith公式•Parlange公式•……•Green-Ampt入渗公式分析FsKffiss1isfisfssFsFtK1ln。，则时，当也称为稳渗率。，故值足够大，则达到一定时间后，。当即相比，，与简化前化为：上述第一个公式可以简fFtfffFtsKbKfFbffccfissscc00;•Green-Ampt入渗公式简单，且有一定得物理基础，此公式虽然按照均质土壤导出，但应用到非均质土壤或初始含水率分布不均匀的情况时，也都能获得较好的结果•Green-Ampt入渗公式在应用上的主要困难在于如何正确的确定参数Ks和sf。Green-Ampt入渗公式缺点之一：Ks的正确的确定。入渗时，地表至湿润锋之间含水率分布均一的假定一般不会引起较大的误差，但地表含水率0值是较饱和含水率s为小的某个值，因而入渗公式中（s-i）应该换为（0-i）；Ks应换为K0，显然K0Ks。Bouwer建议K0=0.5Ks，K0（原式中的Ks）即为稳定入渗率fc，其值可由田间入渗实验测定。Green-Ampt入渗公式缺点之二：sf的正确的确定。有时也很困难。，但确定的为进气值建议取aafsssBouwer211~01.0010故积分限可取值将很大，吸力，由于，式中，即的加权平均值作为提出用土壤水吸力和sKKSKKsdKsssLarsonMeinrsrrfa时的吸力。含水率为响应初始，到由分析土壤物理特性得iisrfsdsKsNeumani0此外还有其他一些表示sf的方法，但一般认为上述Mein和Neuman的方法较为合理菲利普入滲公式Philip(1957)採用Boltzmann轉換得到累積入滲量F(t)之近似解為F(t)=st1/2Kt式中s為土壤水份吸收度(sorptivity)，是土壤吸力勢能之函數。將上式對t微分，可得當t∞時，f(t)趨近於土壤之水力傳導度Ks。菲利普公式中的第一項與第二項，分別代表土壤吸力水頭與重力水頭之影響sKsttf21214.5经验公式•KOCTЯKOB公式•Holtan公式•Horton公式•SCS模型•……累積入滲量Fp=itpo，且此時之入滲率f=i，故可得cccpofifffifikt00ln1ktccekfftftF10ccffffkt0ln1Horton入滲公式美國水土保持局入滲公式(SCS)將降雨總量P區分為初期降雨損失量Ia、有效降雨總量Pe以及入滲總量F等三部份。SCS法假設式中S稱為集水區最大蓄水量(potentialmaximumretention)，其值大小受土壤特性、水文臨前狀況、土地利用狀況與水土保持工程措施等因素所影響。因為Ia=0.2S，且Pe=PIaF，則有效降雨總量可以表示為aeIPPSFSIPIPPaae2SPSP8.02.02SPSPSF8.02.0故入滲總量為美國水土保持局將集水區最大蓄水量，轉換為曲線指數之關係如下式中CN稱為曲線指數(curvenumber)，CN值為土壤類別、水文臨前狀況、土地利用狀況與水土保持工程措施等因素所影響。SCS法中將土壤依排水特性，區分為A、B、C與D四類；A類表示滲水性良好之土壤，即不易產生直接逕流。而由A類至D類，土壤之可滲水性逐漸降低。而對於水文臨前狀況(antecedentmoisturecondition,AMC)，則由乾燥到溼潤分為AMCⅠ，AMCⅡ，AMCⅢ等三種情況。101000)(CNSinch4.6影响径流产生的因素•雨强和雨量Rainfallintensityoramount•前期条件Antecedentconditions•土壤和植被Soilsandvegetation•地下水埋深Depthtowatertable(topography)•地质Geology