入渗和土壤水运动.pptx

1、入渗和土壤水运动,马勇刚,定义,入渗：是指降雨融雪和径流进入土壤的过程 土壤水运动：土壤内部的水从一点流向另一点的过程。,影像土壤水运动的特性,颗粒级配 美国农业部分类 USDA classifications 沙粒Sand: 0.05 2.0 mm 粉砂粒Silt: 0.002 - 0.05 mm 粘粒Clay: 0.002 mm,土壤物理特性,颗粒级配 美国农业部分类 USDA classifications 沙粒Sand: 0.05 2.0 mm 粉砂粒Silt: 0.002 - 0.05 mm 粘粒Clay: 0.002 mm,土壤物理特性,影像土壤水运动的特性,土壤物理特性,CLAY

2、 黏土 SILTY 粉砂土 LOAM 壤土 SAND 砂土,影像土壤水运动的特性,土壤形态特性,容重（毛密度）：干土重与土壤体积之比 Bulk Density (b) b = soil bulk density, g/cm3 Ms = 土壤干物质重量mass of dry soil, g Vb = 土壤体积volume of soil sample, cm3 Typical values: 1.1 - 1.6 g/cm3 土壤颗粒密度：干土重与土壤固体物质体积之比 Particle Density (p) P = soil particle density, g/cm3 Ms = mass o

3、f dry soil, g Vs = 土壤固体体积volume of solids, cm3 Typical values: 2.6 - 2.7 g/cm3,影像土壤水运动的特性,土壤形态特性,孔隙度 ：土壤孔隙占土壤体积的比例,Typical values: 30 - 60%,影像土壤水运动的特性,土壤水特性,土壤含水量 Volumetric water content (v),V = 土壤体积含水量volumetric water content (fraction) Vw = 水体积volume of water Vb = 土壤体积volume of soil sample,影像土壤水运

4、动的特性,土壤水特性,水等深（单位面积上土壤水所能形成的水深） Equivalent depth of water (d),V = 土壤体积含水量volumetric water content (fraction) L = 土壤厚度depth (thickness) of the soil layer,= volume of water per unit land area d = (v A L) / A = v L,影像土壤水运动的特性,土壤水特性,水等深（单位面积上土壤水所能形成的水深） Equivalent depth of water (d),V = 土壤体积含水量volumetri

5、c water content (fraction) L = 土壤厚度depth (thickness) of the soil layer,= volume of water per unit land area d = (v A L) / A = v L,(g),(g),(cm3),(cm3),Equivalent Depth,吸湿水,膜状水,毛管水,重力水,吸附力,10000大气压,15大气压,6.25大气压,最大分子持水量,31大气压,凋萎系数wilt point,0.1-0.33大气压,田间持水量field capacity,土壤水类型 土壤水分常数,土壤水特征,最大吸湿量,饱和含水

6、量,毛管断裂含水量,0.0001大气压,土壤水特性,土壤水势Soil Water Potential： 组成Components t =土壤水势 total soil water potential g =重力势gravitational potential (force of gravity pulling on the water) m =基质势matric potential (force placed on the water by the soil matrix soil water “tension” suction) o =渗透势osmotic potential (due to

7、 the difference in salt concentration across a semi-permeable membrane, such as a plant root),土壤水特性,土壤水分特征曲线 Curve of matric potential (tension) vs. water content Less water more tension,m,基质势,含水率,滞后作用,空隙形状不一 接触角作用 土壤中空气作用 土壤膨胀，收缩,土壤水特性,土壤不同质地水分特征曲线,土壤水特性,土壤水力传导度 是土壤传输水分的能力度量 取决于：土壤特性（总孔隙度、孔隙大小分布和孔隙

8、连续性） 液体特性（黏滞性和密度） 水力传导度与土壤含水量之间为非线性函数关系,土壤水运动原理及入渗,土壤中存在3种类型的水分运动,饱和流 即土壤孔隙全部 充满水时的水流， 这主要是重力水 的运动,非饱和流 土壤中只有部 分孔隙中有水时 的水流，主要是 毛管水和膜状水的运动,水汽移动,土壤水运动原理,Darcy（1856年）通过水流饱和沙床实验得出水流速度正比于水头损失，反比于路径长度，比例因子为常数，这一发现即是著名的Darcy定律。 对稳定流上式微分可得一维水流Darcy定律： 式中：q单位土壤断面积的流量或比流量，m/s，常称为Darcy速度或通量；L水流方向上的距离；H水头，为单位重力

9、水的能量，可表达为： 式中：h土壤水压力水头， ， 是土壤水压力， 是水的比重；z某基准面以上的高程,饱和土壤水流运动-达西定律,土壤水运动原理,Buckingham（1907年）在Darcy定律基础上进行改进，提出了一维非稳定垂向水流方程： 三假定：假定空气可以自由溢出，假定等渗压，假定等温 式中：z 土壤深度，向下为正； 土壤含水量； 非饱和水力传导度； 土壤水基质势水头，绝对值为基质吸力水头； 土壤水扩散系数， 。,非饱和土壤水流运动-Buckingham-Darcy方程,土壤水运动原理,Richards（1931年）将Darcy定律与质量守恒定律相结合，提出非饱和土壤三维水流偏微分方程

10、，即Richards方程。其垂向一维表现形式如下： 式中， 和 层状土中 和 随深度z的变化； 土壤含水量；t为时间。 若假定 是h的单值函数，可以得到 ，并得到 式中：C(h,z) 土壤含水量的比容；K水力传导度。,非饱和土壤三维水流偏微分方程-Richards方程,土壤比水容量用单位水势变化时土壤含水率的变化表示，即是土壤水分特征曲线的斜率,在水流运动过程中，土壤达到饱和的地方，C(h,z)项变为零，K（h,z）变为常数，即饱和水力传导度 ，方程（3.2.18）简化为Laplace方程：,在降雨或灌溉之后的水分再分配和向下排水期间，根的吸水是一项重要因素，这通常作为源汇项Sw添加到方程中，

11、以表达一个单位的某种土壤根系吸水率。,下渗模型,经验模型 近似理论模型,下渗模型,Kostiakov模型 考斯加柯夫（Kostiakov，1932）公式。主要用于灌溉情况，它需要一组实测下渗资料以率定参数。 式中：K、a经验参数，取决于土壤和初始条件； t时间。,经验模型,下渗模型,霍顿（Horton，1940）公式 反映了下渗强度随时间递减，并最终趋于稳定下渗。Horton模型公式只适用于有效降雨强度大于稳定下渗率的情况，其中的三个参数必须根据实测资料来率定。 式中：f0 暴雨开始时的最大下渗率；fc稳定下渗率；k经验参数；t时间。,经验模型,下渗模型,霍尔坦（Holtan，1961）公式。

12、Holtan认为土壤蓄水量、与地面相通的孔隙以及根茎作用是影响入渗能力的主要因素，并给出修正后的公式（Holtan和Lopez，1971）。 式中：f 下渗率；fc稳定下渗率；GI作物生长指数，在生长季节中从0.1变化到1.0；A下渗能力与有效蓄水量的1.4次方之比值；Sa是地表层有效蓄水量。,经验模型,下渗模型,格林安普特（Green-Ampt，1911）公式 地面积水、深厚均质土层以及初始含水量均匀分布，水流以活塞流形式进入土壤，在湿润和未湿润区之间，形成一个剧变的湿润锋面。,近似理论模型,下渗模型,格林安普特（Green-Ampt，1911）公式 忽略地面积水深度的Green-Ampt入

13、渗率公式是： 其积分形式为：,近似理论模型,式中：K有效水力传导度；Sf 湿润锋面处的有效吸力； 土壤孔隙率； 初始含水量；F累积入渗量；f入渗率。式中假定地面积水，因此入渗率等于入渗能力。,下渗模型,Mein和Larson（1973）发展了Green-Ampt模型，将其应用于降雨入渗的模拟。在地面发生积水之前的降雨强度R等于入渗率f，累积入渗量 Fp 等于发生积水时刻 tp 之前的全部降雨量，稳定降雨下渗率为：,近似理论模型,式中：tp地面积水发生时间， ；Fp累积入渗量， 。,下渗模型,近似理论模型,其积分形式如下：,式中：tp在地面积水的初始条件下入渗量达到Fp的当量时间 。,下渗模型,

14、近似理论模型,有效水力传导度K Effective Hydraulic Conductivity 湿润锋吸力Sf Effective Suction at Wetting Front 孔隙率-初始土壤含水量 Soil Porosity - initial water content,Green-Ampt参数估计,Rawls and Brakensiek (1980s),Adopt by SWAT,下渗模型,近似理论模型,Rawls提出 K = Ks/2 （裸土地） K=A*Ks A=exp(2.82-0.099S+1.94BD) (未干扰植被) A=exp(0.96-0.032s+0.04c-

15、0.032bd) （干扰植被）,Green-Ampt参数估计有效水力传导度K Effective Hydraulic Conductivity,下渗模型,近似理论模型,Rawls and Brakensiek, 1985 提出了湿润锋吸力与土壤特性的关系,Green-Ampt参数估计 湿润锋吸力Sf Effective Suction at Wetting Front,下渗模型,近似理论模型,Rawls and Brakensiek， 根据土壤砂质，黏土和有机质含量百分率计算孔隙度,Green-Ampt参数估计 孔隙率 Soil Porosity,下渗模型,近似理论模型,Green-Ampt (修正模型),王文焰,毛丽丽,下渗模型,近似理论模型,菲利普（Philip，1957）公式 是建立在包气带中水动力平衡和质量守恒原理（非饱和下渗理论）基础上，考虑均质土壤、起始含水量均匀分布及