水文學(xué)原理第六章下滲ppt課件

1、第六章為何是下滲蒸發(fā)蒸發(fā)蒸散發(fā)蒸散發(fā)蒸散發(fā)蒸散發(fā)t降水降水截留截留洼蓄洼蓄下滲下滲地表徑流地表徑流壤中流壤中流地下水流地下水流深層地下水深層地下水河道匯流河道匯流流量歷時(shí)曲線(xiàn)流量歷時(shí)曲線(xiàn)P67 公式公式6-16，印刷錯(cuò)誤，少一個(gè)，印刷錯(cuò)誤，少一個(gè)“+”號(hào)號(hào)第六章 下滲infiltration ）水文分析方法水文分析方法 6.1 下滲的物理過(guò)程下滲的物理過(guò)程幾個(gè)基本概念下滲、 下滲率、下滲能力下滲容量）下滲速率下滲速率fcf0 - cf tf剩余下滲率 統(tǒng)稱(chēng)為滲漏階段統(tǒng)稱(chēng)為滲漏階段123f0 起始下滲速率起始下滲速率fc 穩(wěn)定下滲速率穩(wěn)定下滲速率fcf012第二階段滲漏階段123濕潤(rùn)帶濕潤(rùn)帶飽飽

2、 和和 帶帶濕潤(rùn)鋒面濕潤(rùn)鋒面過(guò)過(guò) 渡渡 帶帶水分傳遞帶水分傳遞帶飽和帶飽和帶 1.5cm過(guò)渡帶，過(guò)渡帶， 5cm 5cm 左右左右水分傳遞帶水分傳遞帶濕潤(rùn)帶、濕潤(rùn)鋒面的移動(dòng)濕潤(rùn)帶、濕潤(rùn)鋒面的移動(dòng)四、上表面停止供水、土壤水再分配過(guò)程30分鐘分鐘60分鐘分鐘90分鐘分鐘土深土深入滲結(jié)束后的土壤水分再分配入滲結(jié)束后的土壤水分再分配五、霍頓下滲率試驗(yàn)-0( ) - tccf tfffe( )df tdt ( )-cdf tf tfdt0fcf霍頓下滲公式 ( )cdf tftfdt 0 0 , 0 fft當(dāng) -0( ) -tccf tfffe積分得到霍頓下滲率公式積分得到霍頓下滲率公式下滲率經(jīng)驗(yàn)公式k

3、tktccbeaeffff)(02、考斯加柯夫、考斯加柯夫.，1932公式公式natF 六六 天然條件下的下滲天然條件下的下滲t1t2不能保證土壤表面充分供水實(shí)際入滲過(guò)程可概化成如下不同特點(diǎn)：實(shí)際入滲過(guò)程可概化成如下不同特點(diǎn)：在土壤物理學(xué)中稱(chēng)在土壤物理學(xué)中稱(chēng)這樣的入滲過(guò)程為：這樣的入滲過(guò)程為：“受土壤剖面控制受土壤剖面控制”降雨強(qiáng)度降雨強(qiáng)度i余水形成積水或流走余水形成積水或流走ftfp(t)1、下滲與雨強(qiáng)的關(guān)系、下滲與雨強(qiáng)的關(guān)系降雨強(qiáng)度曲線(xiàn)處在入滲降雨強(qiáng)度曲線(xiàn)處在入滲能力曲線(xiàn)下方能力曲線(xiàn)下方ftfp(t)i(t)當(dāng)當(dāng) i(t) fp(t) t0 t t1 f(t)= i(t) Cfc i fp

4、(t) t t1 f(t)=fp(t)ftfp(t)t0t1受通量控制受通量控制受剖面控制受剖面控制i(t)fc造成空間變異性的原因：u 土壤特性空間分布的差異、植被、坡度及土壤特性空間分布的差異、植被、坡度及 土地利用情土地利用情況人類(lèi)活動(dòng)如水土保持、植樹(shù)造林、平整土地、農(nóng)田況人類(lèi)活動(dòng)如水土保持、植樹(shù)造林、平整土地、農(nóng)田基本建設(shè)和都市化等的不同；基本建設(shè)和都市化等的不同；u土壤含水率及土壤蒸散發(fā)在空間上的差異；土壤含水率及土壤蒸散發(fā)在空間上的差異；u降雨時(shí)間和空間上分布不均勻性和強(qiáng)度差異。降雨時(shí)間和空間上分布不均勻性和強(qiáng)度差異。2、入滲在空間上的變異性七 影響下滲的因素土壤特性土壤特性 土壤

5、土壤質(zhì)地質(zhì)地孔隙孔隙的多少的多少透水性能透水性能前期含水量前期含水量取決于顆粒愈粗顆粒愈粗孔隙直徑愈大孔隙直徑愈大透水性能愈好透水性能愈好下滲能力愈大下滲能力愈大七 影響下滲的因素降水特性降水特性n降水強(qiáng)度降水強(qiáng)度n降水歷時(shí)降水歷時(shí)n時(shí)程分配時(shí)程分配n空間分布空間分布直接影響土壤下滲強(qiáng)度直接影響土壤下滲強(qiáng)度及下滲水量及下滲水量流域植被流域植被植被的滯植被的滯水作用水作用增加了增加了下滲時(shí)間下滲時(shí)間減少了減少了地表徑流地表徑流增大了增大了下滲量下滲量地形條件地形條件地面坡度大、漫流速地面坡度大、漫流速度快，歷時(shí)短，下滲度快，歷時(shí)短，下滲量就小量就小人類(lèi)活動(dòng)人類(lèi)活動(dòng)砍伐森砍伐森林林過(guò)度放過(guò)度放牧牧

6、不合理不合理的耕作的耕作增大增大抑制抑制兩面性 坡地改坡地改梯田梯田 植樹(shù)造植樹(shù)造林林 蓄水工蓄水工程程增加水的滯留時(shí)間增加水的滯留時(shí)間導(dǎo)致水土流失水土流失1對(duì)于比較干燥的土壤，充分供水條件下，對(duì)于比較干燥的土壤，充分供水條件下，下滲的物理過(guò)程可分為三個(gè)階段，它們依次下滲的物理過(guò)程可分為三個(gè)階段，它們依次為（）為（） A. 滲透階段滲透階段-滲潤(rùn)階段滲潤(rùn)階段滲漏階段滲漏階段 B. 滲漏階段滲漏階段-滲潤(rùn)階段滲潤(rùn)階段滲透階段滲透階段 C. 滲潤(rùn)階段滲潤(rùn)階段滲漏階段滲漏階段-滲透階段滲透階段 D. 滲潤(rùn)階段滲潤(rùn)階段滲透階段滲透階段滲漏階段滲漏階段C例題例題2土壤穩(wěn)定下滲階段，降水補(bǔ)給地下徑流的土壤

7、穩(wěn)定下滲階段，降水補(bǔ)給地下徑流的水分主要是（）水分主要是（） A. 毛管水毛管水 B.重力水重力水 C.薄膜水薄膜水 D.吸著水吸著水B例題例題3下滲容量才干曲線(xiàn)，是指（）下滲容量才干曲線(xiàn)，是指（） A. 降雨期間的土壤下滲過(guò)程線(xiàn)降雨期間的土壤下滲過(guò)程線(xiàn) B.干燥的土壤在充分供水條件下的下滲過(guò)干燥的土壤在充分供水條件下的下滲過(guò)程線(xiàn)程線(xiàn) C.充分濕潤(rùn)后的土壤在降雨期間的下滲過(guò)充分濕潤(rùn)后的土壤在降雨期間的下滲過(guò)程線(xiàn)程線(xiàn) D.土壤的下滲累積過(guò)程線(xiàn)土壤的下滲累積過(guò)程線(xiàn)B例題例題4決定土壤穩(wěn)定入滲率大小的主要因素是（決定土壤穩(wěn)定入滲率大小的主要因素是（） A. 降雨強(qiáng)度降雨強(qiáng)度 B. 降雨初期的土壤含水

8、量降雨初期的土壤含水量 C. 降雨歷時(shí)降雨歷時(shí) D. 土壤特性土壤特性D例題例題5一次降雨過(guò)程中，下滲是否總按下滲能力一次降雨過(guò)程中，下滲是否總按下滲能力進(jìn)行？為什么？進(jìn)行？為什么？例題例題答：答： 下滲能力是充分供水條件下的下滲率，而一次實(shí)際下滲能力是充分供水條件下的下滲率，而一次實(shí)際降雨過(guò)程并不都是充分供水，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于該時(shí)降雨過(guò)程并不都是充分供水，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于該時(shí)刻的下滲能力時(shí)，只能按降雨強(qiáng)度下滲，當(dāng)降雨強(qiáng)刻的下滲能力時(shí)，只能按降雨強(qiáng)度下滲，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于或等于該時(shí)刻的下滲能力時(shí)，才能按下滲能度大于或等于該時(shí)刻的下滲能力時(shí)，才能按下滲能力下滲。力下滲。例題例題6、對(duì)某流域選定一個(gè)地點(diǎn)

9、進(jìn)行人工降雨下滲實(shí)驗(yàn)，在確保充分供水條件下，測(cè)得本次實(shí)驗(yàn)的累積降雨過(guò)程)(tP和測(cè)點(diǎn)的地面徑流過(guò)程)(tR，如表 1-2-5 所示。試求本次實(shí)驗(yàn)的累積下滲過(guò)程)(tF。 表 1-2-5 流域某一測(cè)點(diǎn)人工降雨下滲實(shí)驗(yàn)的) t (P、) t (R記錄 單位： 時(shí)間 t(h) （1） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 )(tP （2） 0 70 140 210 240 270 300 310 320 )(tR （3） 0 32.7 79.5 133.0 151.6 173.2 196.7 201.3 206.6 時(shí)間 t(h) （1） 9 10 11 12 13 14 15 16 17 )(tP

10、（2） 330 340 350 360 370 380 390 400 410 )(tR （3） 212.3 218.3 224.5 230.6 236.9 243.3 249.7 256.1 262.5 例題例題解： 作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)， 人工降雨的實(shí)驗(yàn)面積很小， 地表蓄水小而穩(wěn)定雨期蒸發(fā)可以不計(jì)，故其水量平衡可寫(xiě)成 )(tF=)(tP-)(tR 據(jù)此，由表 1-2-5 資料算得本次實(shí)驗(yàn)的累積下滲過(guò)程) t (F，列于表2-2-4 中最末一欄。 例題例題表 2-2-4 流域某一測(cè)點(diǎn)由滲實(shí)驗(yàn)的) t (P、) t (R計(jì)算) t (F 單位： 時(shí)間t(h) （1） 0 1 2 3 4 5 6 7

11、8 ) t (P （2） 0 70 140 210 240 270 300 310 320 ) t (R （3） 0 32.7 79.5 133.0 151.6 173.2 196.7 201.3 206.6 ) t (F （4） 0 37.3 60.5 77.0 88.4 96.8 103.3 108.7 113.4 時(shí)間t(h) （1） 9 10 11 12 13 14 15 16 17 ) t (P （2） 330 340 350 360 370 380 390 400 410 ) t (R （3） 212.3 218.3 224.5 230.6 236.9 243.3 249.7 25

12、6.1 262.5 ) t (F （4） 117.7 121.7 125.5 129.4 133.1 136.7 140.3 143.9 147.5 一、Green Ampt 土壤水下滲計(jì)算Green Ampt 土壤水下滲的四個(gè)假定0(-) pcchhZPPhZ下滲鋒面處土壤水受力和土水勢(shì)下滲鋒面處土壤水受力和土水勢(shì)dZVdt( )dF tfdtfVfKiKZdZdtV( )dF tdtf下滲鋒面處土壤水的受力分析和土水勢(shì)0(-) pcchhZPPhZ依據(jù)前面的假設(shè)，推導(dǎo)依據(jù)前面的假設(shè)，推導(dǎo)Green Ampt 下滲方程下滲方程 chZ1chfKZ fVKKZZ0( )pcshZhF tf0t

13、地面積水高度地面到下滲鋒面的距離下滲鋒面處基質(zhì)勢(shì)土壤初始含水量飽和含水量或孔隙度土壤飽和前后含水量變化量從 時(shí)刻到時(shí)刻的累計(jì)下滲量下滲率dZVfdt0( )()sWdF tdz0 1 cshKVZ( )dF tfdt1 chfKZ前面問(wèn)題分析得到的公式羅列在下面：阿列克謝夫接著上面的Green Ampt下滲方程求解首先阿列克謝夫推導(dǎo)濕潤(rùn)鋒面的平均移動(dòng)速度VdZVdt0( )() sF tZ0 scZdZdtKZh再變形轉(zhuǎn)化為000 tZscZdZdtKZh0( ) () sdF tdZ0sf01( )sdF tdt0 1 cshKZdZVdt0 1 cshKZ0 1 cshKdZdtZ接上面，

14、對(duì)6-11積分后得到6-12）000 tZscZ dZdtkZh00lnln scscccccchZ hZ hZtZ hkhkhh lnccZhh21ln 2ccccZhZZhhh把近似值把近似值 代入下式：代入下式：00lnln scscccccchZhZhZtZhkhkhh21ln 2ccccZhZZhhh得到：得到：20 2sch ZtK0 2tcsK hfKch1 ZfK達(dá) 西 定 律 方 程得到阿列克謝夫公式：得到阿列克謝夫公式：阿列克謝夫公式阿列克謝夫公式00.20.40.60.811.2050100150200對(duì)特定的土壤，對(duì)特定的土壤，初始含水量是一定的，初始含水量是一定的，其

15、飽和滲透系數(shù)其飽和滲透系數(shù)K K，hc ,hc ,土壤缺水量都是定值。土壤缺水量都是定值。0 2tcsK hfK其下滲率隨時(shí)間的延續(xù)而減小；其下滲率隨時(shí)間的延續(xù)而減??；在下滲初期，下滲率遞減幅度很大；在下滲初期，下滲率遞減幅度很大；在后期，下滲率的遞減比較穩(wěn)定。在后期，下滲率的遞減比較穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)間當(dāng)時(shí)間t t 趨近無(wú)限大時(shí)，方程中右邊第二項(xiàng)趨近于趨近無(wú)限大時(shí)，方程中右邊第二項(xiàng)趨近于0 0，則下滲率趨近與穩(wěn)定下滲率則下滲率趨近與穩(wěn)定下滲率fcfc也就是飽和滲透系數(shù)也就是飽和滲透系數(shù)K K）二、非飽和土壤水下滲理論復(fù)習(xí)非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程復(fù)習(xí)非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程 - sdKdz - xydddVK

16、KKKdddzdsdx dydz 0 VVVtxyz得到下面的方程 DK dddKKKKtxdxydyzdz KDDDtxxyyzzz D zKtzz D zKtzz 第一種簡(jiǎn)化：忽略重力水，且水分?jǐn)U散系數(shù)為常數(shù)；第一種簡(jiǎn)化：忽略重力水，且水分?jǐn)U散系數(shù)為常數(shù)；第二種簡(jiǎn)化：忽略重力水，第二種簡(jiǎn)化：忽略重力水， D()是是的函數(shù)。的函數(shù)。第一種簡(jiǎn)化：忽略重力水，且水分?jǐn)U散系數(shù)為常數(shù)；220 (6-17) ,0 0, , ssDtzZtt初始條件上邊界條件下邊界條件20-02 , +ed (6-18) 2sZ tZDt其中：(6-19)與忽略重力條件下的達(dá)西方程6-21聯(lián)立，得到方程6-22）。2-

17、 0421 (6 -19) 2 V- z V- = - (6 -21)zzZsDteZZDtdKKddKDdd可 忽 略 重 力 ， 則2- 042 V- (6-2 2)z2ZsDtDDedDt102102 (6-23) (6-16) 2scsDftKhfKt 非飽和忽略重力且水分?jǐn)U散系數(shù)常數(shù)飽和土壤水下滲的阿列克謝夫公式00.20.40.60.811.2050100150200第二種簡(jiǎn)化：忽略重力水， D()是的函數(shù) 220 (6-24) ,0 0, , ssDtzZtt初始條件上邊界條件下邊界條件121 (6-25) Philp2fS t非飽和,忽略重力且水分?jǐn)U散系數(shù)為變量，求解三、非飽和下滲的完全解 20 (6-26) ,0 0, , ssKDtzzzZtt初始條件上邊界條件下邊界條件121 A (6-25) Philp2fS t非飽和,考慮重力且水分?jǐn)U散系數(shù)為變量，求解總結(jié)下滲方程1021021212 t (6-16) 2 t (6-23) 1 (6-25) Philp21 A (6-28) 2cssKhfKDffS tfS t飽和土壤水下滲的阿列克謝夫公式非飽和,忽略重力且水分?jǐn)U散系數(shù)常數(shù)非飽和,忽略重力且水分?jǐn)U散系數(shù)為變量，求解非飽和,考慮