第五章土壤水与下渗

1、土壤水土壤水 一一、土壤的水理特性、土壤的水理特性 二、土壤水的存在形式和分类二、土壤水的存在形式和分类 三、土壤水的水力特性三、土壤水的水力特性 四、土壤水运动的基本方程四、土壤水运动的基本方程 第五章第五章 土壤水和下渗土壤水和下渗 第五章土壤水与下渗 5.1 5.1 土壤水土壤水 学习学习重点及难点：重点及难点： 1.1.认识土壤水分存在的基本形式；（重点掌握）认识土壤水分存在的基本形式；（重点掌握） 2.2.掌握土壤水分常数的概念（掌握土壤水分常数的概念（凋萎系数、田间持水量凋萎系数、田间持水量）。）。 3.3.了解土壤水势的存在形式及其达西公式，为后续了解土壤水势的存在形式及其达西公

2、式，为后续 的学习打基础。（难点、了解）的学习打基础。（难点、了解） 第五章土壤水与下渗 土壤的形成过程是：土壤的形成过程是：“地壳表面的岩石风地壳表面的岩石风 化及其搬运的沉积体，接受其所处的环境因素化及其搬运的沉积体，接受其所处的环境因素 的作用，而形成具有一定剖面形态和肥力特征的作用，而形成具有一定剖面形态和肥力特征 的土壤的土壤”。所以土壤形成过程是一组物理、化。所以土壤形成过程是一组物理、化 学与生物化学的组合反应。学与生物化学的组合反应。 第五章土壤水与下渗 一一 土壤水土壤水 1 1 土壤的定义土壤的定义 地球表面具有肥力，能生长植物的疏松表层。地球表面具有肥力，能生长植物的疏松

3、表层。 （fromfrom环境科学大辞典环境科学大辞典） 成因：由岩石风化和母质的成土过程综合作用下成因：由岩石风化和母质的成土过程综合作用下 形成的，它由矿物质、动植物残体腐蚀产生的有机物形成的，它由矿物质、动植物残体腐蚀产生的有机物 质以及水分、空气等固、液、气三相组成；质以及水分、空气等固、液、气三相组成； 第五章土壤水与下渗 2 2 包气带和饱和带包气带和饱和带 1 1）包气带的定义：地面以下潜水面以上的地带，也称非饱）包气带的定义：地面以下潜水面以上的地带，也称非饱 和带。是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换和带。是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换 的地带；三相

4、系统：土壤颗粒、水分和气体；的地带；三相系统：土壤颗粒、水分和气体； 第五章土壤水与下渗 2 2）饱水带饱水带的定义：在地下水面以下，土壤处的定义：在地下水面以下，土壤处 于饱和含水状态，是土壤颗粒与水分的二相于饱和含水状态，是土壤颗粒与水分的二相 系统。系统。 第五章土壤水与下渗 3 3 土壤水土壤水 土壤水：土壤中各种形态水分的总称。（环境科土壤水：土壤中各种形态水分的总称。（环境科 学大辞典）学大辞典） 存在于非饱和带土壤孔隙中及土壤颗粒所吸附的存在于非饱和带土壤孔隙中及土壤颗粒所吸附的 水分。（中国大百科全书）水分。（中国大百科全书） 储存和运移于地表，向下延伸至潜水面以上的土储存和运

5、移于地表，向下延伸至潜水面以上的土 壤水分（包括固态水、气态水和液态水），称为土壤壤水分（包括固态水、气态水和液态水），称为土壤 水。水。 水文学上土壤水是指存在于包气带中的水。水文学上土壤水是指存在于包气带中的水。 第五章土壤水与下渗 土壤的水理特性土壤的水理特性 1.1.土壤比重：指土壤中固体物质与同体积水的重量比。土壤比重：指土壤中固体物质与同体积水的重量比。 2.2.土壤容重：指自然条件下，单位体积中的干土重量。土壤容重：指自然条件下，单位体积中的干土重量。 4.4.土壤重量含水量：土壤重量含水量： 5.5.土壤体积含水量：土壤体积含水量： 6.6.孔隙度：孔隙体积与包括孔隙在内的岩土

6、体积之比 100% m 实际水重 干土重 100% (%) v 水分容积 土壤容积 土壤含水量 重量土壤容重 第五章土壤水与下渗 与粒径大小有关？ 9第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 颗粒排列方式 10 最松散排列 47.64% 最紧密排列 25.95% 第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 分选性 o 分选程度愈差，孔隙度愈小 11第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 12 v 矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？ v 矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64% 达到达到70% 第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗

7、 第二节第二节 土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式 支持重力水 自由重力水 受重力作用 支持毛管水 毛管悬着水 受毛管力作用 薄膜水 吸湿水 受土粒分子引力 液态水 空气中气态水：存在于土壤、 时存在固态水：冬季土壤冻结 土壤水土壤水 第五章土壤水与下渗 1 1）汽态水）汽态水 汽态水：汽态水： 存在于土壤空隙存在于土壤空隙 中的水汽中的水汽 第五章土壤水与下渗 2 2）吸着水）吸着水 土土 粒粒 吸湿水吸湿水: 紧束在土粒表面，紧束在土粒表面， 不能自由移动不能自由移动 薄膜水：薄膜水： 吸附于吸湿水外部，吸附于吸湿水外部， 只能沿土粒表面做只能沿土粒表

8、面做 微小的移动微小的移动 第五章土壤水与下渗 3 3）毛管水）毛管水 毛管水毛管水: 受毛管力的作用保受毛管力的作用保 持在土壤中的水分持在土壤中的水分 第五章土壤水与下渗 存在形式：气态存在形式：气态 固态固态 液态液态 设想实验设想实验：材料（玻璃珠子、细管）：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）水（水杯） 第五章土壤水与下渗 第五章土壤水与下渗 毛管力上升高度 h水柱高度（水柱高度（cm) d孔隙直径（孔隙直径（mm） 毛管作用力范围：毛管作用力范围： 0.1-1mm 有明显的毛管作用有明显的毛管作用 0.05-0.1mm 毛管作用较强毛管作用较强 0.05-0.005 毛管作用最强毛管

9、作用最强 0.001mm 毛管作用消失毛管作用消失 第五章土壤水与下渗 土土 粒粒 毛毛 管管 上上 升升 水水 示示 意意 图图 地下水位地下水位 第五章土壤水与下渗 土土 粒粒 毛毛 管管 悬悬 着着 水水 示示 意意 图图 第五章土壤水与下渗 均质土包气带水分分布均质土包气带水分分布 第五章土壤水与下渗 第五章土壤水与下渗 毛管上升水毛管上升水: : 地下水在毛管力作用下上升并保持在土地下水在毛管力作用下上升并保持在土 壤中的水分；壤中的水分； 毛管悬着水毛管悬着水: : 当地下水位较低时，降雨或灌溉后因毛当地下水位较低时，降雨或灌溉后因毛 管力的作用而保持在土壤里的水分。管力的作用而保

10、持在土壤里的水分。 第五章土壤水与下渗 4 4）重力水）重力水 重力水：重力水： 受重力支配不能被受重力支配不能被 土壤所保持的水分土壤所保持的水分 第五章土壤水与下渗 2. 2. 土壤含水量及水分常数土壤含水量及水分常数 吸湿水吸湿水 薄膜水薄膜水 毛管水毛管水 紧束缚水，吸湿水达到最大紧束缚水，吸湿水达到最大吸湿系数吸湿系数 松束缚水，薄膜水达到最大松束缚水，薄膜水达到最大最大分子持最大分子持 水量水量 有效水（容易有效水（容易 被植物吸收利被植物吸收利 用的）用的） 第五章土壤水与下渗 按运动形态划分：按运动形态划分： 土壤水土壤水 汽态水汽态水 吸着水吸着水 毛管水毛管水 重力水重力水

11、 吸湿水吸湿水 薄膜水薄膜水 毛管上升水毛管上升水 毛管悬着水毛管悬着水 第五章土壤水与下渗 3.3.土壤水分常数土壤水分常数 1)1)吸湿系数吸湿系数: : 吸湿水达到最大时的土壤含水率。吸湿水达到最大时的土壤含水率。 2)2)最大分子持水量：薄膜水达到最大时的土壤含水率。最大分子持水量：薄膜水达到最大时的土壤含水率。 3)3)凋萎系数：作物产生永久凋萎时的土壤含水率凋萎系数：作物产生永久凋萎时的土壤含水率 。 4)4)田间持水量：毛管悬着水达到最大时的土壤含水率。田间持水量：毛管悬着水达到最大时的土壤含水率。 5)5)毛管断裂含水量：毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含毛管断裂含水量：毛管悬

12、着水的连续状态开始断裂时的含 水量。水量。 6 6）饱和含水量：所有土壤孔隙都被水所充满时的土壤含水）饱和含水量：所有土壤孔隙都被水所充满时的土壤含水 率率 。 第五章土壤水与下渗 影响因素：土壤质地、植物种类、气候等影响因素：土壤质地、植物种类、气候等 下表给出了不同质地土壤下表给出了不同质地土壤的凋萎系数的凋萎系数参考范围。参考范围。 凋萎系数凋萎系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。 凋凋萎系数萎系数 无效孔度无效孔度 = 凋萎系数凋萎系数容重容重 第五章土壤水与下渗 不同质地和耕作条件下的田间持水量不同质地和耕作条件下的田间持水量 m m （

13、% %） 紧实紧实耕后耕后 21 21 25 2528-3228-32 24-28 24-28 22-26 22-26 20-24 20-24 13-20 13-20 10-14 10-14 田间持水量田间持水量 二合土二合土 粘土粘土重壤土重壤土中壤土中壤土轻壤土轻壤土砂壤土砂壤土砂土砂土 土壤质地土壤质地 在形态上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。在形态上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。 当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的 持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水 量是确

14、定灌水量的重要依据。量是确定灌水量的重要依据。 影响因素影响因素：质地、有机质含量、结构、松紧状况等质地、有机质含量、结构、松紧状况等 水分常数水分常数 第五章土壤水与下渗 1.毛细现象及毛细力毛细现象及毛细力 第四节第四节 土壤水分运动基本方程土壤水分运动基本方程 RR R P c 22 2 第五章土壤水与下渗 衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水的平衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水的平 衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到 参照状况的纯自由水体所能做的功参照状况的纯自由水体所能做的功。如何定义和如何定义和 计算？例如在饱和的含水层中，如何计算

15、？在非计算？例如在饱和的含水层中，如何计算？在非 饱和情况下，土水势由何组成？如何计算？饱和情况下，土水势由何组成？如何计算？ 2.土水势 第五章土壤水与下渗 1)1)、基质势（也称：基模势）、基质势（也称：基模势） 土壤颗粒（基质）对土壤水的吸附和毛管作土壤颗粒（基质）对土壤水的吸附和毛管作 用，使土壤水保持在土壤中，统称为基质势。用，使土壤水保持在土壤中，统称为基质势。 基质势由吸附势和毛管势组成，两者很难区基质势由吸附势和毛管势组成，两者很难区 分开。分开。 m 第五章土壤水与下渗 自由水自由水( (可以自由流动的水，是良好的溶剂和运输工具) ) 不含基质势，设为标准参考状态（不含基质势

16、，设为标准参考状态（0 0）。）。 数值上等于：单位数量的土壤水分由非饱和土数值上等于：单位数量的土壤水分由非饱和土 壤中的一点移至标准状态，除了土壤基质作用壤中的一点移至标准状态，除了土壤基质作用 外其它各项维持不变，土壤水分所作的功。外其它各项维持不变，土壤水分所作的功。 非饱和土壤水的基质势永远为负。非饱和土壤水的基质势永远为负。 0 : 0 : m m 非饱和土壤水 饱和土壤水 第五章土壤水与下渗 张力计张力计 。C 。B。B 水水 陶土头陶土头 土体土体 hc 例：例：HBZBhBcZB(-hBc)HB （图示）（图示） 如果测得包气带中如果测得包气带中HBHC，水流运动方向为，水流

17、运动方向为BC；在入；在入 渗水流中包气带中渗水流中包气带中HB HC，水流运动方向为，水流运动方向为CB。 第五章土壤水与下渗 2)2)、溶质势（、溶质势（ ）：土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水）：土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水 的综合作用所形成的势。的综合作用所形成的势。 m s 第五章土壤水与下渗 土壤水溶液对水分子有吸引力，实施土壤水溶液对水分子有吸引力，实施 上述移动时必须克服这种吸持作用对土壤上述移动时必须克服这种吸持作用对土壤 水做功。也就是说，土壤水中溶质的存在，水做功。也就是说，土壤水中溶质的存在， 降低水的自由能。所以溶质势降低水的自由能。所以溶质势 s s00。 第五章

18、土壤水与下渗 3）、压力势（也称：静水压力势）、压力势（也称：静水压力势） 由于压力场中压力差的存在而引起的。由于压力场中压力差的存在而引起的。 自由水面以下，土壤水受到静水压力作用，自由水面以下，土壤水受到静水压力作用， 所具有的压力势能。所具有的压力势能。 标准参考状态：标准大气压标准参考状态：标准大气压 第五章土壤水与下渗 对于饱和土壤水，地下水面以下对于饱和土壤水，地下水面以下h h深处的附加深处的附加 压强为压强为 w wghgh，由于在地下水面以下，该值大于零；由于在地下水面以下，该值大于零； 单位容积的压力势为单位容积的压力势为 p p= = w wghgh 单位质量的压力势为单

19、位质量的压力势为 p p= = ghgh 单位重量的压力势为（单位重量的压力势为（压力水头压力水头） p p= = h h 非饱和土壤水，孔隙连通，各点均为大气压，非饱和土壤水，孔隙连通，各点均为大气压， p p=0=0。 第五章土壤水与下渗 4 4）、重力势）、重力势 土壤水处于重力场中，由于地球引力而使土土壤水处于重力场中，由于地球引力而使土 壤水所具有的势能称为重力势。壤水所具有的势能称为重力势。 数值上等于：将单位数量的土壤水分从某一数值上等于：将单位数量的土壤水分从某一 点移动到参考状态平面处，而其它各项维持不变点移动到参考状态平面处，而其它各项维持不变 情况下，土壤水所作的功。数值

20、大小取决于土壤情况下，土壤水所作的功。数值大小取决于土壤 水所处的高度。水所处的高度。 第五章土壤水与下渗 参考平面任意，一般可取：海平面、地面标参考平面任意，一般可取：海平面、地面标 高、地下水位标高。高、地下水位标高。 土壤中垂直坐标为土壤中垂直坐标为z z、质量为、质量为m m的土壤水所具的土壤水所具 有的重力势为：有的重力势为：E Eg g= =mgzmgz。 单位质量土壤水的重力势为：单位质量土壤水的重力势为： g g= =gzgz 单位重量土壤水的重力势（水头或水位）：单位重量土壤水的重力势（水头或水位）： g g= =z z 第五章土壤水与下渗 5 5）、温度势）、温度势 由于温

21、度场的温差所引起的。土壤中任意点由于温度场的温差所引起的。土壤中任意点 土壤水分的温度是由该点的温度与标准参考状态土壤水分的温度是由该点的温度与标准参考状态 的温度之差决定。的温度之差决定。 t 第五章土壤水与下渗 总土水势总土水势 分析一般土壤水运动时，溶质势和温度势可以忽略。分析一般土壤水运动时，溶质势和温度势可以忽略。 非饱和土壤中：重力势和基质势非饱和土壤中：重力势和基质势 饱和土壤中：重力势和压力势饱和土壤中：重力势和压力势 gmpst gmp gm gp 土壤水流总是由位置高处向位置低处流动，对吗土壤水流总是由位置高处向位置低处流动，对吗 第五章土壤水与下渗 第五章土壤水与下渗 水

22、的流动方向不仅与位置高度有关，而且水的流动方向不仅与位置高度有关，而且 取决于土壤的干湿程度，不能笼统地说水由位取决于土壤的干湿程度，不能笼统地说水由位 置高处流向位置低处，流动唯一遵循的原则是置高处流向位置低处，流动唯一遵循的原则是 土水势土水势高处向土水势低处运移。高处向土水势低处运移。 第五章土壤水与下渗 总土水势的表示方法（单位）：可统一用水总土水势的表示方法（单位）：可统一用水 柱高度表示。柱高度表示。 势能为标量，只有大小没有方向，可进行代势能为标量，只有大小没有方向，可进行代 数运算。数运算。 势能的梯度具有方向，土壤水总是向势能减势能的梯度具有方向，土壤水总是向势能减 小的方向

23、运动，即向负梯度方向运动。小的方向运动，即向负梯度方向运动。 第五章土壤水与下渗 3.3.土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 第五章土壤水与下渗 3.3.土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线有滞后土壤水分特征曲线有滞后 现象现象 0 200 400 600 800 1000 1200 2040 土壤负压-h(cm) 含水率(%) 粘土壤土 砂土 表示土壤负压（基质势）表示土壤负压（基质势） 与土壤含水率关系的曲线与土壤含水率关系的曲线 土质不同，土壤水分特征土质不同，土壤水分特征 曲线不同，或者说土壤水曲线不同，或者说土壤水 分特征曲线反映了不同土分特征曲线反映了不同土 质的水力特

24、性质的水力特性 第五章土壤水与下渗 土壤水分特征曲线的滞后现象土壤水分特征曲线的滞后现象 土壤在吸水和脱水过程中的水土壤在吸水和脱水过程中的水 分特征曲线不相重合的现象分特征曲线不相重合的现象 0 200 400 600 800 1000 1200 2040 土壤负压-h(cm) 含水率(%) 壤土 滞后现象产生的原因主要有：滞后现象产生的原因主要有： 土壤孔隙的不规则性土壤孔隙的不规则性 吸水过程中，空气常被封闭吸水过程中，空气常被封闭 于土壤孔隙中于土壤孔隙中 吸水吸水 释水释水 第五章土壤水与下渗 （1）基本概念 a.均质土壤 b.非均质土壤 c.各向同性 d.各向异性 4.土壤水流动的

25、基本方程土壤水流动的基本方程 第五章土壤水与下渗 51 均质各向同性均质各向同性 均质各向异性均质各向异性 非均质各向同性非均质各向同性 非均质各向异性非均质各向异性 均质（非均质）：含水介质大小是否相同均质（非均质）：含水介质大小是否相同 各向同性（异性）：含水介质在不同方向上的各向同性（异性）：含水介质在不同方向上的 导水能力是否相同导水能力是否相同 第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 (2)饱和土壤水流动的达西定律：饱和土壤水流动的达西定律： L H Kv s 渗流方向上的距离。L 系数） ；饱和水力传导率（渗透 通量或渗量或渗单位梯度K L H H 方向的渗向的渗流x沿v s 称为

26、，下的 相应的水力梯度； 总水头或总水势； 第五章土壤水与下渗 （3）非饱和土壤水流动的达西定律）非饱和土壤水流动的达西定律 理查兹理查兹(Richards)1931年用实验证明，非饱和土壤水流也年用实验证明，非饱和土壤水流也 符合达西定律：符合达西定律： x Kv )( 渗流方向上的距离。 系数）；饱和水力传导率（渗透 头）；饱和土壤总土水势（水 方向的渗流速度；沿 x K xv s 第五章土壤水与下渗 Henri Darcy （18031858） 法国Dijon人 于1856年提出 著名的达西定 律，标志着地 下水水文学学 科的正式形成 54第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 实验过程中

27、水头始终保持不变 12 A I K hhh QKAKAKAI LL Q ：渗透流量 ：过水断面面积 h：水头损失 ：水力梯度 ：渗透系数 55第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 渗透流速与水力梯度的一次方成正比，所以达西定律 也称为线性渗透定律 渗透流速是一假想流速，是假设水流通过整个岩层断 面时所具有的虚拟的平均流速。 研究地下水水量时，只关心流量，而不关系具体每个 水质点的运移轨迹。 IK QKAI VKI AA ：水力梯度 ：渗透系数 56第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 水力梯度I为沿渗透途径水头损失与相应渗透 长度的比值。 水力梯度可以理解为水流通过单位长度渗透路 径为克服摩擦

28、阻力所耗失的机械能。 计算水力梯度I时，水头差必须与相应的渗透 途径相对应。 57 L1L2 12 hhh I LL 第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 渗透系数为水力梯度等于1时的渗透流速， 一般采用m/d，或cm/s为单位 当I一定时，岩层的 K 愈大，则 V 也愈大， Q 大 渗透系数可定量说明岩石的渗透性能，渗 透系数越大，岩石的透水能力超强。 IKVKI：水力梯度 ：渗透系数 58第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 渗透系数K的大小 o 岩石性质，空隙特性 o 水体物理性质：密度、粘滞性等 IKVKI：水力梯度 ：渗透系数 59第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 粘土 粉土 砂

29、土砾石 60第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 L H Kv s x Kv )( 该式与饱和水流的达西定律形式上相同，但含义和特点不同。该式与饱和水流的达西定律形式上相同，但含义和特点不同。 两者水的流动都是由水势差而引起，但两者的组成不同两者水的流动都是由水势差而引起，但两者的组成不同: :饱和水饱和水 流总势（通常称水头）由重力势和压力势构成；非饱和流总势流总势（通常称水头）由重力势和压力势构成；非饱和流总势 （土水势）由重力势和基质势构成，水的流动唯一遵循的原则（土水势）由重力势和基质势构成，水的流动唯一遵循的原则 是土水势是土水势 高处向土水势低处运移。高处向土水势低处运移。 第五章

30、土壤水与下渗 饱和土壤渗透系数可认为是常数，而非饱和饱和土壤渗透系数可认为是常数，而非饱和 土壤的渗透系数（导水率）是土水势或含水量的土壤的渗透系数（导水率）是土水势或含水量的 函数，它随着含水量的减小而降低。函数，它随着含水量的减小而降低。 第五章土壤水与下渗 第五章土壤水与下渗 思考题：思考题： 1.1.论述土壤水的存在形式及其特性。论述土壤水的存在形式及其特性。 2.2.解释：土壤含水率、最大吸湿量、最大分子持水量、凋萎系解释：土壤含水率、最大吸湿量、最大分子持水量、凋萎系 数、田间持水量、上升毛管水、悬着毛管水。数、田间持水量、上升毛管水、悬着毛管水。 3.3.在非饱和土壤水中哪些土水

31、势占优？在饱和土壤水中哪些水在非饱和土壤水中哪些土水势占优？在饱和土壤水中哪些水 势占主导地位？势占主导地位？ 第五章土壤水与下渗 下渗下渗 学习学习提纲：提纲： 一、了解下渗的概念；一、了解下渗的概念； 二、掌握下渗的物理过程（重点）二、掌握下渗的物理过程（重点） 1.1.下渗过程的阶段划分；下渗过程的阶段划分； 2.2.下渗水的垂向分布；下渗水的垂向分布； 3.3.下渗要素；下渗要素； 4.4.天然条件下的下渗（难点）天然条件下的下渗（难点） 第五章土壤水与下渗 5.2下渗下渗 一一 下渗下渗 1 1 定义：定义： 指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。

32、第五章土壤水与下渗 2 2 意义意义 影响土壤水和地下水动态，直接决定壤影响土壤水和地下水动态，直接决定壤 中流和地下径流的组成，而且影响河川径流中流和地下径流的组成，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、水循环联系起来的纽带，是径流形成过程、水循环 过程的重要环节。过程的重要环节。 第五章土壤水与下渗 3.3.下渗要素下渗要素 (1)(1)供水强度供水强度 (2)(2)下渗率：又称下渗强度。指单位面积上在下渗率：又称下渗强度。指单位面积上在 单位时间内渗入土壤中的水量；（单位：单位时间内渗入土壤中的水量

33、；（单位： mm/h mm/h ， mm/min mm/min ）； (3) (3) 下渗能力：又称下渗容量，指充分供水下渗能力：又称下渗容量，指充分供水 条件下的下渗率；条件下的下渗率； 第五章土壤水与下渗 （4 4）下渗）下渗曲线曲线 （5 5）累积下渗量）累积下渗量 在某一时间段内，累在某一时间段内，累 积入渗的水量。积入渗的水量。 第五章土壤水与下渗 (6) (6) 稳定下渗率：稳定下渗率： 简称稳渗，随着下渗作用的不断进行，简称稳渗，随着下渗作用的不断进行， 土壤含水量的增加，下渗率逐渐递减，递土壤含水量的增加，下渗率逐渐递减，递 减的趋势也是先快后慢，当下渗锋面进行减的趋势也是先快

34、后慢，当下渗锋面进行 到一定深度后，下渗率趋于稳定的常数，到一定深度后，下渗率趋于稳定的常数， 此时称为稳定下渗率。此时称为稳定下渗率。 f dt dF 第五章土壤水与下渗 （7 7）下渗率与下渗能力）下渗率与下渗能力 下渗率的变化规律可用数学模式表示：下渗率的变化规律可用数学模式表示： 如霍顿公式：如霍顿公式： t cc effftf )()( 0 第五章土壤水与下渗 二二 下渗过程下渗过程 （一）下渗过程的阶段划分：（一）下渗过程的阶段划分： 依据：在重力，分子力和毛管力的综合作用依据：在重力，分子力和毛管力的综合作用 下的综合平衡过程。下的综合平衡过程。 第五章土壤水与下渗 1 1 湿润

35、阶段：湿润阶段： 降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受 分子力的作用，被土壤吸附分子力的作用，被土壤吸附吸湿水吸湿水薄膜薄膜 水。水。 当土壤含水量达到最大分子持水量时，当土壤含水量达到最大分子持水量时， 开始向下一阶段过渡。开始向下一阶段过渡。 第五章土壤水与下渗 2 2 渗漏阶段：渗漏阶段： 随着土壤含水量的不断增大，分子力随着土壤含水量的不断增大，分子力 逐渐被毛管力所取代，水在孔隙中做不稳逐渐被毛管力所取代，水在孔隙中做不稳 定流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本定流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本 达到饱和。达到饱和。 第五章土壤水与下渗 3 3 渗透阶

36、段：渗透阶段： 在土壤孔隙被水充满达到饱和状态时，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。水分主要受重力作用呈稳定流动。 渗漏：湿润阶段渗漏：湿润阶段+ +渗漏阶段（非饱和水流运渗漏阶段（非饱和水流运 动）；动）； 渗透：饱和水流运动；渗透：饱和水流运动； 第五章土壤水与下渗 h （二）下渗过程中土壤水分动态及分布规律（二）下渗过程中土壤水分动态及分布规律 第五章土壤水与下渗 三三 下渗理论与经验公式下渗理论与经验公式 1.1.理查兹理查兹 (Richards)1931(Richards)1931年用实验证明，非饱和土年用实验证明，非饱和土 壤水流也符合达西定律：壤水

37、流也符合达西定律： x Kv )( 渗流方向上的距离。 渗透系数； ；土壤总土水势（水头） 方向的渗流速度；沿 x K xv s 第五章土壤水与下渗 2.饱和土壤水流动的达西定律：饱和土壤水流动的达西定律： L H Kv s 的距离距L K L H H 的Xv s 渗流方向上 饱和水力传导度； 相应的水力梯度； 总水头或总水势； 渗流流速方向沿 第五章土壤水与下渗 四四 自然条件下的下渗自然条件下的下渗 1 1 下渗与雨强的关系下渗与雨强的关系 1 1）当）当 ，入渗过程受入渗能力制约，（，入渗过程受入渗能力制约，（A A 线所示）；（土壤入渗能力控制）线所示）；（土壤入渗能力控制） p fi

38、 1 第五章土壤水与下渗 2 2）当）当 ，下渗过程受降水过程制约，下渗过程受降水过程制约， （B B线所示）；（供水控制）线所示）；（供水控制） c fi 2 第五章土壤水与下渗 3 3）当）当 ，刚开始降雨全部渗入土壤，随，刚开始降雨全部渗入土壤，随 降雨时间的延长，入渗率逐渐减小，（按曲线降雨时间的延长，入渗率逐渐减小，（按曲线C C， D D）；）； pc fif 3 第五章土壤水与下渗 思考题：一次降雨过程中，下渗是否总是按思考题：一次降雨过程中，下渗是否总是按 下渗能力进行？为什么？下渗能力进行？为什么？ 第五章土壤水与下渗 活塞式入渗活塞式入渗 均匀的砂土层 湿润锋逐渐向下推进

39、捷径式入渗（优先流入渗）捷径式入渗（优先流入渗） 空隙大小悬殊，多裂隙通道土壤 新水可超前老水到达潜水面 入渗水不必全部补充包气带水分 亏缺，即可下渗至潜水面 83第五章土壤水与下渗第五章土壤水与下渗 1 1）土壤特性：组成（颗粒大）土壤特性：组成（颗粒大 小）、结构、前期含水量等；小）、结构、前期含水量等； 具体为：粒度与下渗率成正具体为：粒度与下渗率成正 比比；团粒结构在降水初期下团粒结构在降水初期下 渗率大，但后期遇水膨胀后渗率大，但后期遇水膨胀后 减小下渗率；前期含水量与减小下渗率；前期含水量与 下渗率呈反比。下渗率呈反比。 2、影响下渗的因素、影响下渗的因素 第五章土壤水与下渗 3

40、3）流域植被、地形条件的影响流域植被、地形条件的影响 地表特征：地形、植被、河网密度、地下水埋深等；地表特征：地形、植被、河网密度、地下水埋深等； 地形：地形坡度小有利于存留降雨，从而增加下渗地形：地形坡度小有利于存留降雨，从而增加下渗 量。量。 植被：阻滞地面径流，增加下渗时间；根系及腐殖植被：阻滞地面径流，增加下渗时间；根系及腐殖 质使土壤松软透水，有利于下渗。质使土壤松软透水，有利于下渗。 第五章土壤水与下渗 2 2）降水特性的影响）降水特性的影响 降水强度、历时、降水时程分配及降水空间分布；降水强度、历时、降水时程分配及降水空间分布； 连续性：间歇降水可使下渗能力有一定的恢复；连续性：间歇降水可使下渗能力有一定的恢复； 降水时程：同样降水量，先大后小有利于下渗，而降水时程：同样降水量，先大后小有利于下渗，而 先小后大，有利于径流产生。先小后大，有利于径流产生。 第五章土壤水与下渗 4 4） 人类活动的影响人类活动的影响 人类活动对下渗的影响，既有增大的一人类活动对下渗的影响，既有增大的一 面，也有抑制的一面。面，也有抑制的一面。 第五章土壤水与下渗 2 2 下渗的空间分布下渗的空间分布 1 1）流域中土壤性质的空间分布不同，沿垂）流域中土壤