土壤入渗理论及研究方法

1、 土壤入渗理论土壤入渗理论 土壤入渗公式土壤入渗公式 土壤入渗研究方法土壤入渗研究方法 影响土壤入渗因素影响土壤入渗因素主要内容主要内容1234总结与展望总结与展望51.1 入渗的定义入渗的定义入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程，它是降水 、地面水 、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节。 1土壤入渗理论土壤入渗理论 1.2 1.2 入渗基本理论入渗基本理论 根据土壤水运动的一般原理，水的入渗可能在饱和的岩土空隙中进行，也可能在饱和条件下运行，所以可以相应地分为非饱和下渗理论和饱和下渗理论 1.2.1 1.2.1 非饱和入渗理论非饱和入渗理论 入渗过程是非饱和土壤水分的运动过程，渗透理论的基

2、础为法国工程师Darcy提出的达西定律。对于一维垂直入渗情况，达西曾得到如下的公式：此式表示吸力梯度的作用。此式表示重力的作用在达西的基础上Richards 理查兹结合液体连续方程 推导出了描述非饱和土壤水分运动的基本偏微分方程：入渗理论的基本公式 1.2.2 1.2.2 饱和入渗理论饱和入渗理论 Green(格林)和Ampt(阿姆普特)针对无限深的均值土壤积水下渗进行研究，假定湿润峰以上的土壤处于饱和，锋面一线含水量由饱和水量急剧过渡到土壤中原有的含水量。根据达西定律 结合水量平衡原理，可得到反映下渗率和下渗量关系：水流向下下渗的速度饱和水力传导度下渗水柱长度土壤吸力积累下渗量土壤中原有的含

3、水量饱和含水量2.1GreenAmpt公式 Green和Ampt (阿姆普特)根据最简单的土壤物理模型在假设饱和入渗理论的基础上推出了一维土壤水分入渗公式： 土壤入渗公式土壤入渗公式2入渗速率2.2Kostiakov公式该公式是由Kostiakov（ 考斯加考斯加科夫科夫 ）提出）提出：2.3Horton公式Horton （霍顿霍顿）从事入渗试验研究，得出一个他认为与他对渗透过程的物理概念理解相一致的纯经验公式方程：2.4Philip公式Philip（菲利普）对（菲利普）对Richards（理查兹）（理查兹）的方程进行了系统的研究，提出了方程的解析解：式中：，其他符号同前。 该式得到了田间试验

4、资料的验证，具有重要的应用价值，但Philip （菲利普）（菲利普）公式是在半无限均匀土壤、初始含水率分布均匀、有积水条件下求得的，因此，该公式仅适于均质土壤一维垂直入渗的情况 ，对于非均质土壤 ，还需进一步研究和完善。再者自然界的人渗主要是降雨条件下的入渗 ，其和积水入渗具有很大的差异 ，因而将其直接用于入渗计算不够确切 。2.5Holtan 公式Holtan（霍尔坦霍尔坦）人渗公式表示的是入渗率与表层土壤蓄水量之间的关系 ，公式为 ：式中： 是与土壤及作物种植条件有关的经验，参数 ，是厚度为 d 的表层土壤 在入渗开始时的容许蓄水量，该公式仅适用于 的情况。总的来说，Holtan入渗公式难

5、以准确的描述一个点的入渗特征，但用他来估算一个流域的降雨入渗也许是适用的。2.6Smith 公 式Smith（史密斯史密斯）根据土壤水分运动的基本方程 ，对不同质地各类土壤 ，进行了大量的降雨入渗数值模拟计算 ，提出了一种入渗模型 ：2.7方正 三公 式方正三在kostiakov公式的基础上，对大量野外实测资料进行分析 ，提出的入渗公式。2.8蒋定 生公 式蒋定生在分析Kostiakov和Horton入渗公式的基础上 ，结合黄土高原大量的野外测试 资料 ，提出了描述黄土高原土壤在积水条件下的人渗公式：注水法水文法人工降雨法 土壤入渗研究方法土壤入渗研究方法3123注水法注水法： 双环法、单环法

6、、环刀法、渗透筒、双环法、单环法、环刀法、渗透筒、70型渗透仪及型渗透仪及专业的入渗仪法专业的入渗仪法通常采用同心环人渗装置通常采用同心环人渗装置 ，一般常用的同心环为二同心铁，一般常用的同心环为二同心铁环环 ，内外环中维持同样水层深度，内外环中维持同样水层深度 ，通过记，通过记 录某一时段录某一时段 的人渗量来计算土壤人渗率变化过程的人渗量来计算土壤人渗率变化过程 。双环法和单环法：双环法和单环法：（优点）储水量少、设备简易、操作简（优点）储水量少、设备简易、操作简单、野外携带方便，适于野外试验单、野外携带方便，适于野外试验 （缺点）会对土壤结构产生破坏，有可（缺点）会对土壤结构产生破坏，有

7、可能会破坏土壤容积，不方便测下层土壤，很难在碎石中使能会破坏土壤容积，不方便测下层土壤，很难在碎石中使用。用。渗透仪法：渗透仪法：可以在不同条件下对土壤入渗进行室内模拟，可以在不同条件下对土壤入渗进行室内模拟，但无法描述入渗过程但无法描述入渗过程专业的入渗仪：专业的入渗仪：只能描述土壤入渗达到稳渗时的水分运动状只能描述土壤入渗达到稳渗时的水分运动状态，而不能反映从初渗到稳渗的整个水文过程的动态变化。态，而不能反映从初渗到稳渗的整个水文过程的动态变化。尽管研究土壤渗透性的方法很多，但是目前在野外试验尽管研究土壤渗透性的方法很多，但是目前在野外试验中比较常见的是中比较常见的是双环法、双环法、Gue

8、lph入渗仪法入渗仪法。虽然单环法虽然单环法比双环法操作简单，但目前研究较少。比双环法操作简单，但目前研究较少。水文法：水文法：是利用径流试验场或小流域中实测的降雨与径流过是利用径流试验场或小流域中实测的降雨与径流过程资料程资料 ，通过水文分析的方法来推求其人渗方程，由该方，通过水文分析的方法来推求其人渗方程，由该方法求法求 出的人渗率为该径流场或小流域的平均人渗率。出的人渗率为该径流场或小流域的平均人渗率。人工降雨法：人工降雨法：是通过人工降雨装是通过人工降雨装 置来模拟天然降雨置来模拟天然降雨 ，在，在降雨强度均匀不变条件下降雨强度均匀不变条件下 ，观测地表径流过程，观测地表径流过程 ，用

9、人工，用人工降雨量和观测的径流资料计算降雨量和观测的径流资料计算 。注：注水法注水法仅能反映土壤本 身的人渗特性 ，对于不同坡度 、不同雨强情况下的土壤人渗规律很难模拟。水文法水文法可用于一个流域土壤平均人渗速率的测定，不能用于单点土壤人渗速 率的测定，且误差较大。用人工降雨法用人工降雨法进行实验 时不受地形 、坡度等条件的限制 ，可以较为真切地反映天然 降雨过程中的土壤水分人渗变化 。 影响入渗的因素土壤质地土壤结构土壤容重土壤起始含水量土壤有机质植被覆盖及耕作4123456土壤质地4.1 土壤质地及土壤机械组成，指土壤中各级土粒含量的相对土壤质地及土壤机械组成，指土壤中各级土粒含量的相对比

10、例及所表现的土壤砂黏性质，它对土壤水分入渗能力的影比例及所表现的土壤砂黏性质，它对土壤水分入渗能力的影响是通过土壤水分运动的驱动力和水力传导度来实现的。响是通过土壤水分运动的驱动力和水力传导度来实现的。 土壤质地与土壤入渗能力呈负相关关系土壤质地与土壤入渗能力呈负相关关系土壤结构4.2 土壤结构是指土壤颗粒的的排列和组合形式。土壤结构是指土壤颗粒的的排列和组合形式。 它通过土壤空隙状况影响土壤的水力传导度和土壤水分它通过土壤空隙状况影响土壤的水力传导度和土壤水分运动的驱动力运动的驱动力土壤水势梯度，进而影响土壤的入渗能力。土壤水势梯度，进而影响土壤的入渗能力。土壤容重4.3 饱和导水率是土壤水

11、分下渗研究中的重要参数，而土饱和导水率是土壤水分下渗研究中的重要参数，而土壤容重是影响饱和导水率的重要因素，许多研究表明饱和壤容重是影响饱和导水率的重要因素，许多研究表明饱和导水率与土壤容重呈负相关关系导水率与土壤容重呈负相关关系。土壤起始含水量4.4 土壤起始含水量主要从入渗水流湿润区的平均势梯度方土壤起始含水量主要从入渗水流湿润区的平均势梯度方面影响土壤的入渗能力，他不仅影响初始下渗率，而且影响面影响土壤的入渗能力，他不仅影响初始下渗率，而且影响累计入渗量。累计入渗量。土壤含水量对土壤入渗能力的影响很明显，随土壤含水量的土壤含水量对土壤入渗能力的影响很明显，随土壤含水量的增大，土壤入渗能力

12、减小，他们之间的关系可用对数表示。增大，土壤入渗能力减小，他们之间的关系可用对数表示。土壤有机质4.5 土壤有机质是通过改变土团壤聚体的数量来改变土壤有机质是通过改变土团壤聚体的数量来改变土壤的入渗能力。土壤的入渗能力。 土壤团聚体的大小和数量决定了土壤空隙状况。土壤团聚体的大小和数量决定了土壤空隙状况。有机质含量多的土壤，土壤团聚体多且稳定性好、孔有机质含量多的土壤，土壤团聚体多且稳定性好、孔隙率大、空隙尺度大、连通性好，对运动流体的阻力隙率大、空隙尺度大、连通性好，对运动流体的阻力小土壤入渗能力较大小土壤入渗能力较大。植被覆盖及耕作 植被覆盖和耕作方式的不同改变了土壤的物理特性，植被覆盖和

13、耕作方式的不同改变了土壤的物理特性，不同植被覆盖及耕作方式下，土壤的孔性及渗透性有明不同植被覆盖及耕作方式下，土壤的孔性及渗透性有明显的差异，进而影响到土壤水分的入渗。显的差异，进而影响到土壤水分的入渗。 植被对土壤水分入渗能力的影响关系比较复杂，目植被对土壤水分入渗能力的影响关系比较复杂，目前还不能用定量数据来评价植被对土壤入渗的影响只是前还不能用定量数据来评价植被对土壤入渗的影响只是定性比较其影响定性比较其影响。4.6 总结与展望总结与展望5 目前对土壤入渗特性影响因素的研究主要集中在土壤目前对土壤入渗特性影响因素的研究主要集中在土壤物理性质方面，特别是土壤物理性质宏观表现指标对入渗物理性

14、质方面，特别是土壤物理性质宏观表现指标对入渗特性影响的研究最多，而缺乏土壤化学性质对入渗特性影特性影响的研究最多，而缺乏土壤化学性质对入渗特性影响的机理研究。尽管土壤物理特性对土壤入渗的影响研究响的机理研究。尽管土壤物理特性对土壤入渗的影响研究已经量化，但是并没有归纳出定量化的规律。关于植被覆已经量化，但是并没有归纳出定量化的规律。关于植被覆盖对土壤水分下渗的研究很多，但研究尺度小，且研究成盖对土壤水分下渗的研究很多，但研究尺度小，且研究成果难以定量化和推广。此外，关于耕作方式关于土壤水分果难以定量化和推广。此外，关于耕作方式关于土壤水分入渗的影响仍不统一。因此今后仍需对土壤化学作用、植入渗的

15、影响仍不统一。因此今后仍需对土壤化学作用、植被覆盖及耕作方式对土壤水分下渗的影响机理方面做进一被覆盖及耕作方式对土壤水分下渗的影响机理方面做进一步的研究应用。步的研究应用。 对于土壤水分入渗实验方法的研究，主要集中在由不对于土壤水分入渗实验方法的研究，主要集中在由不同测定方法获得数据的简单比较，或者是简单对比某几个同测定方法获得数据的简单比较，或者是简单对比某几个因素对测定结果的影响方面，但是各种实验方法之间的联因素对测定结果的影响方面，但是各种实验方法之间的联系和可比性仍需进一步研究，而且今后在进行相关野外实系和可比性仍需进一步研究，而且今后在进行相关野外实验研究时，应以土壤渗透特性均质、各向同性为宜，以便验研究时，应以土壤渗透特性均质、各向同性为宜，以便分析水流性质对测定结果的影响；同时，加强土壤水分剖分析水流性质对测定结果的影响；同时，加