土壤水文学2009-2.pptVIP

第四章 土壤水分入渗 土壤、特别是表层土壤在水文循环中起着极其重要的作用。降雨（或灌溉）入渗、地表径流、土壤蒸发和植物蒸腾、土壤中水分的动态储蓄和深层渗漏等，都是以土壤为介质不断地发生和相互转化的。 4.1 土壤水分入渗过程概述 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 。。。。。。 都要涉及土壤水分入渗。 4.1.1 入渗过程的一般分析 干土在积水条件下的入渗是最简单最典型的垂直入渗问题。初始含水量?i较低的土壤，在积水条件下入渗一定时间后，土壤剖面中含水量分布如图示： 干土积水入渗过程的定性认识 入渗量与入渗率 入渗率 与时间的关系 4.1.2 地表入渗条件 4.2 土壤水分运动线性化方程的入渗解 水平入渗问题 在水平入渗的条件下，各点土壤水的重力势相等，重力势梯度 。而垂直入渗时，虽然各点重力势不相等，但重力势梯度恒为1。如果和基质势梯度相比，重力势可以忽略时（例如入渗刚开始或在湿润区内），则垂直入渗也可以近似地按水平入渗问题求解。对水平半无限长均质土柱来说，初始含水量?均匀，进水端含水量?恒定（第一类边界），且扩散率为常数 的定解问题是： 上述定解问题可用拉普拉斯变换求解得： 垂直入渗问题 对于垂直入渗问题，可写出扩散方程为 上述定解问题可用拉普拉斯变换求解得： 4.3 Green-Ampt模型 原理： Green-Ampt模型研究的是初始干燥的土壤在薄层积水时的入渗问题。基本假定是，入渗时存在着明确的水平湿润锋面，将湿润的和未湿润的区域截然分开。也可以说含水量?的分布呈阶梯状，湿润区为饱和含水量?s，湿润峰前即为初始含水量?i，如图示。这种模型又称活塞模型。 Green-Ampt模型公式 当地表积水很小时，H?0，则有： Green-Ampt Equation For F Fs: f = i and F = Sf??/(i/Ks – 1) for i Ks For F Fs: f = fp and fp = Ks(1 + (Sf ?? /F) f = infiltration rate, ft/sec i = rainfall intensity, ft/sec F = cumulative infiltration volume, ft Fs = cumulative infiltration volume for ponding, ft Sf = average capillary suction at wetting front, ft water ?? = initial moisture deficit for this event, ft/ft Ks = saturated hydraulic conductivity of soil,. ft/sec Infiltration (1) Horton’s Equation fp = fc + (fo – fc)e-kt F = fc t+ (fo – fc)(1-e-kt)/k fp = infiltration capacity, ft/sec fc = min or ultimate value of fp, ft/sec fo = maximum or initial value of fp, ft/sec t = time from beginning or storm, sec k = decay coefficient, sec-1 Typical Values for the Horton Model HortonianModel Runoff dominated by rainfall intensity (p). Infiltration (f) is a negative exponential from some max in a dry soil (capillary + gravity) to some asymptote at saturation (gravity only) Runoff formation occurs at the instant where ptft and continues until ptft at which point runoff and ponded water will be infiltrated. Runoff will begin as sheetflow uniformly acro