第六章 下渗分析
合集下载
水文学原理 第六章 下渗
a 下渗的三个阶段
渗润阶段： 分子力 渗漏阶段： 毛管力 渗透阶段： 重 力
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
深度(m)
b 下渗过程中的土壤水分剖面
i
含水量(%)
f
s
饱和带
(过渡带)
风
田
饱
干
间
和
土
持
含
水分传递带
水
水
量
量
湿润带 湿润锋
饱和带 过渡带
（2）湿润锋向下移动的条件是 其上部土层达到饱和含水量
第三节 饱和下渗理论
1、基本方程的建立 establishment of basic equation
受力分析：
（1）土壤表面水层的净水压力； （2）土壤饱和水柱的重力； （3）下渗锋面处的毛管吸力； （4）下渗锋面以下的空气剩余压力。
c
合力：
(infiltration capacity curve)
累积下渗曲线： 从下渗开始至某时刻按下渗能力下渗到土壤中的总水量
(accumulative infiltration capacity curve)
与该时间的关系曲线～
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
3、完全下渗方程的解 solution under whole condition
第一种情况： 扩散率为常数且水力传导度与土壤含水量呈直线关系
2
D k t z2 z
(z,0) i (0,t) s (,t) i
i s i
1 2
erfc(
z 2
kt Dt
渗润阶段： 分子力 渗漏阶段： 毛管力 渗透阶段： 重 力
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
深度(m)
b 下渗过程中的土壤水分剖面
i
含水量(%)
f
s
饱和带
(过渡带)
风
田
饱
干
间
和
土
持
含
水分传递带
水
水
量
量
湿润带 湿润锋
饱和带 过渡带
（2）湿润锋向下移动的条件是 其上部土层达到饱和含水量
第三节 饱和下渗理论
1、基本方程的建立 establishment of basic equation
受力分析：
（1）土壤表面水层的净水压力； （2）土壤饱和水柱的重力； （3）下渗锋面处的毛管吸力； （4）下渗锋面以下的空气剩余压力。
c
合力：
(infiltration capacity curve)
累积下渗曲线： 从下渗开始至某时刻按下渗能力下渗到土壤中的总水量
(accumulative infiltration capacity curve)
与该时间的关系曲线～
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
3、完全下渗方程的解 solution under whole condition
第一种情况： 扩散率为常数且水力传导度与土壤含水量呈直线关系
2
D k t z2 z
(z,0) i (0,t) s (,t) i
i s i
1 2
erfc(
z 2
kt Dt
水文学原理-第6章 土壤水与下渗
2、毛管水移动速度较快，能及时满足作物根系吸水要求 3、毛管水具有溶解、输送养料的能力，满足作物对养料的需
求 4、是地下水和作物根层水分间的桥梁 毛管水含量影响因素：土壤质地、结构、地下水含量
2020年2月1日
27
吸湿水
薄膜水 毛管水
紧束缚水，吸湿水达到最大→吸湿系数
松束缚水，薄膜水达到最大→最大分子持水 量
粘粒 强风化区土壤
养分高，团聚性强，保水 耕性较 保肥力强，通气性差，易 好 板结
2020年2月1日
13
④土壤结构 土壤固相颗粒很少呈单粒存在，土壤矿物颗粒与有机质颗粒
相互作用，聚积形成大小不同、形状各异的团聚体。这些团 聚体的组合排列称为土壤结构，土壤结构是成土过程的产物。 不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。 土壤团聚体：土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成 团粒，称为土壤团聚体。 团聚体是土壤结构的基本单位。土壤团聚体有利于水分与养 份的长久保持与稳定。 土壤团聚体内和团聚体之间是连通的毛细孔隙与非毛细孔隙， 构成土内水分传输的通道网络。
2020年பைடு நூலகம்月1日
7
液相存在于土壤固相物质构成的孔隙网络中，由溶质与胶体 组成的溶液和悬浊液构成。
毛管水
可分为
重力水
土壤颗粒所吸附的液态薄膜水
气相占据土壤中没有被液态水所占据的土壤空隙。气相的体积 随土壤含水量的变化及土壤通气性而变化。成分与大气成分接 近。
2020年2月1日
8
②土壤中各相的体积与质量构成
2.膜状水所受的土粒表面分子引力较小，能在土粒表面缓慢移动
3.膜状水可以被植物吸收利用，但不能满足作物需求，只有根系 周围的膜状水才能被植物吸收
求 4、是地下水和作物根层水分间的桥梁 毛管水含量影响因素：土壤质地、结构、地下水含量
2020年2月1日
27
吸湿水
薄膜水 毛管水
紧束缚水，吸湿水达到最大→吸湿系数
松束缚水，薄膜水达到最大→最大分子持水 量
粘粒 强风化区土壤
养分高，团聚性强，保水 耕性较 保肥力强，通气性差，易 好 板结
2020年2月1日
13
④土壤结构 土壤固相颗粒很少呈单粒存在，土壤矿物颗粒与有机质颗粒
相互作用，聚积形成大小不同、形状各异的团聚体。这些团 聚体的组合排列称为土壤结构，土壤结构是成土过程的产物。 不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。 土壤团聚体：土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成 团粒，称为土壤团聚体。 团聚体是土壤结构的基本单位。土壤团聚体有利于水分与养 份的长久保持与稳定。 土壤团聚体内和团聚体之间是连通的毛细孔隙与非毛细孔隙， 构成土内水分传输的通道网络。
2020年பைடு நூலகம்月1日
7
液相存在于土壤固相物质构成的孔隙网络中，由溶质与胶体 组成的溶液和悬浊液构成。
毛管水
可分为
重力水
土壤颗粒所吸附的液态薄膜水
气相占据土壤中没有被液态水所占据的土壤空隙。气相的体积 随土壤含水量的变化及土壤通气性而变化。成分与大气成分接 近。
2020年2月1日
8
②土壤中各相的体积与质量构成
2.膜状水所受的土粒表面分子引力较小，能在土粒表面缓慢移动
3.膜状水可以被植物吸收利用，但不能满足作物需求，只有根系 周围的膜状水才能被植物吸收
07-下渗和径流解析
量随深度迅速递减，称 湿润带。
• 湿润带的末端称为湿润 锋面，锋面两边土壤含 水量突变。此锋面是上 部湿土与下层干土之间 的界面。
随着下渗历时的延长，湿润锋面 向土层深处延伸，直至与地下潜 水面上的毛管水上升带相衔接。 在此过程中，如中途停止供水， 地表下渗结束，但土壤水仍将继 续运动一定时间。 在这种情况下，土层内的水将发 生再分配的运动过程，其分布情 况则决定于土壤特性。 实验证明：细颗粒土壤比粗颗 粒土壤要慢些。
第六节 下渗（Infiltration）
一、概念 下渗 水分透过土壤层面沿垂直和水平方向渗入到 土壤中的运动过程。
下渗不仅影响土壤水和地下水的动态，直接决 定壤中流和地下径流的生成，而且影响河川径 流的组成。 下渗是将地表水与地下水、土壤水联系起来的 纽带，是径流形成过程、水循环过程的重要环 节。 下渗是水循环中最难定量的要素之一。
（二）下渗水的垂向分布
包德曼和考尔曼1943年通过实验发现，在积 水条件下（保持5毫米水深），下渗水在土体中的 垂向分布，大致可划分为4个带。
1.饱和带 ： 位于土壤表层； 在持续不断地供水条件下， 土壤含水量处于饱和状态， 但无论下渗强度有多大， 土壤浸润深度怎样增大， 饱和带的厚度不超过1.5厘米。
一、下渗的物理过程
（一）下渗过程的阶段划分：
• 地表的水沿着岩土的空隙下渗，是在重力、分 子力和毛管力的综合作用下进行的，其运动过 程就是寻求各种作用力的综合平衡过程。 • 分子力、毛管力随着土壤水分的增加而减小， 当毛管孔隙充水达到饱和时，水分主要在重力 作用下运动。 • 整个下渗的物理过程按照作用力的组合变化及 其运动特征，可划分如下3个阶段：
（三）流域植被、地形条件的影响
• 有植被的地区，由于植被及地面上枯枝落叶具有滞 水作用，增加了下渗时间，从而减少了地表径流， 增大了下渗量。 • P81图2—33 • 地面起伏，切割程度不同，要影响地面漫流的速度 和汇流时间。在相同的条件下，地面坡度大、漫流 速度快，历时短，下渗量就小。
• 湿润带的末端称为湿润 锋面，锋面两边土壤含 水量突变。此锋面是上 部湿土与下层干土之间 的界面。
随着下渗历时的延长，湿润锋面 向土层深处延伸，直至与地下潜 水面上的毛管水上升带相衔接。 在此过程中，如中途停止供水， 地表下渗结束，但土壤水仍将继 续运动一定时间。 在这种情况下，土层内的水将发 生再分配的运动过程，其分布情 况则决定于土壤特性。 实验证明：细颗粒土壤比粗颗 粒土壤要慢些。
第六节 下渗（Infiltration）
一、概念 下渗 水分透过土壤层面沿垂直和水平方向渗入到 土壤中的运动过程。
下渗不仅影响土壤水和地下水的动态，直接决 定壤中流和地下径流的生成，而且影响河川径 流的组成。 下渗是将地表水与地下水、土壤水联系起来的 纽带，是径流形成过程、水循环过程的重要环 节。 下渗是水循环中最难定量的要素之一。
（二）下渗水的垂向分布
包德曼和考尔曼1943年通过实验发现，在积 水条件下（保持5毫米水深），下渗水在土体中的 垂向分布，大致可划分为4个带。
1.饱和带 ： 位于土壤表层； 在持续不断地供水条件下， 土壤含水量处于饱和状态， 但无论下渗强度有多大， 土壤浸润深度怎样增大， 饱和带的厚度不超过1.5厘米。
一、下渗的物理过程
（一）下渗过程的阶段划分：
• 地表的水沿着岩土的空隙下渗，是在重力、分 子力和毛管力的综合作用下进行的，其运动过 程就是寻求各种作用力的综合平衡过程。 • 分子力、毛管力随着土壤水分的增加而减小， 当毛管孔隙充水达到饱和时，水分主要在重力 作用下运动。 • 整个下渗的物理过程按照作用力的组合变化及 其运动特征，可划分如下3个阶段：
（三）流域植被、地形条件的影响
• 有植被的地区，由于植被及地面上枯枝落叶具有滞 水作用，增加了下渗时间，从而减少了地表径流， 增大了下渗量。 • P81图2—33 • 地面起伏，切割程度不同，要影响地面漫流的速度 和汇流时间。在相同的条件下，地面坡度大、漫流 速度快，历时短，下渗量就小。
水文学原理CH6 下渗
k 2t ⎤ )⎥ − kθ n 4D ⎥ ⎦
HHU
§2 非饱和下渗理论
3 完全下渗方程的解
第二种情况： 扩散率为常数且水力传导度与土壤含水量非直线关系
∂θ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂θ = ⎢ D(θ ) ⎥ + k (θ ) ∂t ∂z ⎣ ∂z ⎦ ∂z θ ( z ,0) = θ 0
此时，D(θ)和k(θ)均不为常数。
HHU
§1 下渗的物理过程
2 下渗机理
下渗曲线是一条递减曲线，根据递减速度的快慢，水分所受作用力及运动特 征，干燥土壤在充分供水条件下的下渗分三个阶段：渗润、渗漏、渗透阶段。
HHU
§1 下渗的物理过程
2 下渗机理 Ⅰ 渗润阶段：主要受分子力作用，入渗水成为薄膜水，当
土壤含水量达到最大分子持水量时结束。此阶段土壤含水量 较小， fp较大，fp随时间递减的速度迅速。
在获得（t，fp）数据后，给fp(t)配以合适的线型和参数。
HHU
§4 经验下渗曲线
1 考斯加柯夫公式：
Fp = at n，f p = nat n −1，a和n为待定参数。 ln( Fp ) = ln(a ) + n ln(t ) 参数确定： (1). 计算不同t时刻的 ln( Fp )与 ln(t ) （2）点绘 ln( Fp ) ~ ln(t )，过点据中心定线，在线上取两点： . n= ln( Fp ) 2 − ln( Fp )1 ln(t ) 2 − ln(t )1 ，确定出n；
θ (0, t ) = θ n θ (∞, t ) = θ 0
下渗曲线：
玻氏变换
z (θ , t ) = η (θ ) t
1 2
1 −1 f p = st 2 2
第6章 下渗
1 2fp来自t第二节 下渗理论与公式
1 非饱和下渗理论
（1）、忽略重力作用的下渗
②当D为的函数时，求解过程不展开，结论：
F (t ) St
1 2
dF (t ) 1 1 f p (t ) St 2 dt 2
第二节 下渗理论与公式
1 非饱和下渗理论
（2）、考虑重力作用的下渗
k ( ) 定解问题： t z [ D( ) z ] z Z向下为正 ( z,0) i
下渗过程中土壤水分动态及分布规律
讨论条件：积水下渗、无地下水、初始含水量均匀、供水时间长 含水量(%) 饱和带 过渡带 风 干 土 田 间 持 水 量 饱 和 含 水 量 饱和带 过渡带
深度(m)
水分传递带
水分传递带
湿润带 湿润锋
湿润带
湿润锋
三、下渗容量与土壤水分剖面的关系
在供水条件充分大的条件下
1 非饱和下渗理论
（1）、忽略重力作用的下渗
问题求解 1. 当D()=D为常数时，问题变为： 2 D 2 t z (求解过程不展开) ( z ,0 ) i
(0, t ) s (, t ) i
下渗能力曲线形状为：
fp
D
( s i )t
100.0
累积下渗量( mm)
80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0
50 100 时间( min)
150
二、下渗的物理过程
根据水分所受作用力及运动特征，干燥土壤在 充分供水条件下的下渗分三阶段： 渗润阶段：主要受分子力作用，入渗水成为薄 膜水，当土壤含水量达到最大分子持水量时结束。 渗漏阶段：主要受毛管力、重力作用，入渗水 主要成为毛管水，当土壤含水量达到饱和含水量时 结束。 渗透阶段：受重力作用，入渗水成为自由重力 水向下渗出。
第六章 下渗
150 15 37.1 20.7 16.4 …… …… …… ……
共三十五页
➢ 1. 霍顿公式(gōngshì)
共三十五页
➢ 2.考斯加柯夫公式(gōngshì)
共三十五页
第四节 产流机制(jīzhì)
植物截留In
植物散发ET
降雨P
填洼D
蒸发E
下渗f
共三十五页
下渗f
一、截流(jié liú)与填洼
（2）上层细下层粗
共三十五页
四、产流的基本(jīběn)物理条件
1、超渗地面径流(jìngliú)(Rs)的产流机制
i fp
产流的物理条件： 超渗地面径流产生的物理条件是雨 强大于地面下渗容量。
共三十五页
四、 产流的基本(jīběn)物理条件（续）
2、壤中流(Rss)的产流机制(jīzhì)
fA
112233毛管水毛管水支持毛管水支持毛管水毛管悬着水毛管悬着水44重力水重力水最大吸湿量最大吸湿量最大分子持水量最大分子持水量凋萎含水量凋萎含水量毛管断裂含水量毛管断裂含水量田间持水量田间持水量饱和含水量饱和含水量各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力薄膜水毛管水重力水结合水自由水15分子力重力1000031625个大气压030001下渗的概念第二节下渗的物理过程和影响下渗的因素根据水分所受作用力及运动特征干燥根据水分所受作用力及运动特征干燥土壤在充分供水条件下的下渗分三阶段
湿润锋
浙江(zhè jiānɡ)义乌红 壤剖面图
共三十五页
三、下渗率、下渗能力(nénglì)
➢ 下渗率(f )
➢ 稳定(wěndìng)下渗率(fc)
➢ 下渗能力(fp)
下 渗 率 ( mm/min) 累 积 下 渗 量 ( mm)
共三十五页
➢ 1. 霍顿公式(gōngshì)
共三十五页
➢ 2.考斯加柯夫公式(gōngshì)
共三十五页
第四节 产流机制(jīzhì)
植物截留In
植物散发ET
降雨P
填洼D
蒸发E
下渗f
共三十五页
下渗f
一、截流(jié liú)与填洼
（2）上层细下层粗
共三十五页
四、产流的基本(jīběn)物理条件
1、超渗地面径流(jìngliú)(Rs)的产流机制
i fp
产流的物理条件： 超渗地面径流产生的物理条件是雨 强大于地面下渗容量。
共三十五页
四、 产流的基本(jīběn)物理条件（续）
2、壤中流(Rss)的产流机制(jīzhì)
fA
112233毛管水毛管水支持毛管水支持毛管水毛管悬着水毛管悬着水44重力水重力水最大吸湿量最大吸湿量最大分子持水量最大分子持水量凋萎含水量凋萎含水量毛管断裂含水量毛管断裂含水量田间持水量田间持水量饱和含水量饱和含水量各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力薄膜水毛管水重力水结合水自由水15分子力重力1000031625个大气压030001下渗的概念第二节下渗的物理过程和影响下渗的因素根据水分所受作用力及运动特征干燥根据水分所受作用力及运动特征干燥土壤在充分供水条件下的下渗分三阶段
湿润锋
浙江(zhè jiānɡ)义乌红 壤剖面图
共三十五页
三、下渗率、下渗能力(nénglì)
➢ 下渗率(f )
➢ 稳定(wěndìng)下渗率(fc)
➢ 下渗能力(fp)
下 渗 率 ( mm/min) 累 积 下 渗 量 ( mm)
下渗
最大分子持水量：土粒分子力所结合水分的最大量，薄膜水 厚度达最大 值。
凋萎含水量（凋萎系数）：植物根系的吸力约为15个大气压， 对于土粒吸附的吸力大于该值的水分，植物则无法利用。当 土壤水分低于这时的含水量时，植物将缺水而凋萎死亡，该 土壤含水量称为凋萎含水量。
土壤水分常数
毛管断裂含水量：湿润的土壤逐渐干燥时，毛管悬着水的连 续状态开始断裂，此时的土壤含水量称毛管断裂含水量。土 壤含水量低于该值后，土壤中的水分只能以水汽和薄膜水的 形式向蒸发面运移，约为田持的65%。
1 非饱和下渗理论
（1）、忽略重力作用的下渗
问题求解
① 当D()=D为常数时，问题变为：
t
D
2
z 2
(z,0) i (0, t) s
令y(z,t)=(z,t)- i ,则：
(,t) i
以z为参数，将y(z,t)关于t 作拉氏变换:
y D 2 y
1 非饱和下渗理论
（1）、忽略重力作用的下渗
问题求解 1. 当D()=D为常数时，问题变为：
2
t D z2
(z,0) i
(求解过程不展开)
(0, t) s
(,t) i
下渗能力曲线形状为：
fp
fp
D
( s
1
i )t 2
t
第二节 下渗理论与公式
1 2
s i
f
p
(t
) (t) Ks
0.5Ks (s
i
)hs
t
1 2
饱和下渗理论和非饱和下渗理论推得的下渗曲线均为t-1/2的函 数，为下渗经验公式的提出奠定了理论基础。
凋萎含水量（凋萎系数）：植物根系的吸力约为15个大气压， 对于土粒吸附的吸力大于该值的水分，植物则无法利用。当 土壤水分低于这时的含水量时，植物将缺水而凋萎死亡，该 土壤含水量称为凋萎含水量。
土壤水分常数
毛管断裂含水量：湿润的土壤逐渐干燥时，毛管悬着水的连 续状态开始断裂，此时的土壤含水量称毛管断裂含水量。土 壤含水量低于该值后，土壤中的水分只能以水汽和薄膜水的 形式向蒸发面运移，约为田持的65%。
1 非饱和下渗理论
（1）、忽略重力作用的下渗
问题求解
① 当D()=D为常数时，问题变为：
t
D
2
z 2
(z,0) i (0, t) s
令y(z,t)=(z,t)- i ,则：
(,t) i
以z为参数，将y(z,t)关于t 作拉氏变换:
y D 2 y
1 非饱和下渗理论
（1）、忽略重力作用的下渗
问题求解 1. 当D()=D为常数时，问题变为：
2
t D z2
(z,0) i
(求解过程不展开)
(0, t) s
(,t) i
下渗能力曲线形状为：
fp
fp
D
( s
1
i )t 2
t
第二节 下渗理论与公式
1 2
s i
f
p
(t
) (t) Ks
0.5Ks (s
i
)hs
t
1 2
饱和下渗理论和非饱和下渗理论推得的下渗曲线均为t-1/2的函 数，为下渗经验公式的提出奠定了理论基础。
水文学原理第六章下渗
fp(n 20)k ex k 2k p t2 t/4 /( 4 D D ) er(f4 kc D 2 t) kn
§2 非饱和下渗理论
3 完全下渗方程的解
第二种情况： 扩散率非常数且水力传导度与土壤含水量非直线关系
t
z
D
(
)
z
k
(
)
z
(z,0) 0 (0,t) n (,t) 0
60.0
2.00
40.0
1.00
20.0
0.00 0
50
100
时 间 ( min)
0.0
150
0
50
100
150
时 间 ( min)
fp A
iE D
BC
t0 tp
t
§5 天然条件下的下渗
例若 题：充分供水条 面件 下下 渗， 方 fp地 (t程 )1为 8t12 0.4(mm /mi： n) （ 1） . 求累积下渗F能 (t)的 力表 曲达 线式；
水量与该时间的关系曲线～
土壤水分剖面
❖土壤含水率沿深度方向的变化曲线称为土 壤水分剖面，它描述了土壤含水率在深度 方向上的分布情况，故又称土壤含水率垂 向分布。
❖根据土壤水分剖面，可以计算出土壤中任 一土层，以水深计的含水量。
❖土壤水分剖面在时间上是变化的，并且这 种变化与下渗和蒸(散)发的关系密切。
fp
fp
R
F
t
F
t
§5 天然条件下的下渗
1 均匀雨强时的下渗
(3) fc<i < fp0 ，则先按雨强下渗，后按下渗能力下渗。
fp
是t0 时刻吗？
i
t0
t
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.人工降雨法
第三节 下渗的确定
二、下渗量的计算方法 （此处采用经验下渗曲线） 基本思路：对在特定条件下取得的下渗资
料，选配合适的函数形式，并根据曲线拟 合的好坏确定其中的各项参数。
100.0
累积下渗量( mm)
时间 (min)
ΣP (mm) 0.0 2.5 5.0 12.5 25.1 37.1 ……
水分传递带
水分传递带
湿润带 湿润锋
湿润带
湿润锋
浙江义乌红壤剖 面图
三、下渗率、下渗能力
下渗率(f ) 稳定下渗率(fc) 下渗能力(fp)
100.0
5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0 50 100 时间( min)
t
下渗率曲线
累积下渗量( mm)
下渗率( mm/min)
第六章
第一节
下渗
土壤水分运动
一、土壤含水量
1.
重量含水量（） 体积含水量（）
2.
二、土壤水分的存在形式 1、吸湿水
2、薄膜水
3、毛管水
ห้องสมุดไป่ตู้a)
b)
支持毛管水
毛管悬着水
4、重力水
三、 土壤水特性的主要参数
最大吸湿量
最大分子持水量
凋萎含水量 毛管断裂含水量 田间持水量 饱和含水量
2. 土层对下渗水量的再分配作用
下渗水量(F)一部分以蒸发形式逸出地面(E)。剩余部分又 被分成“土壤蓄存”和“径流”两个部分。
蓄存部分是指水分运动中为维持土壤含水量等于或小于田间 持水量所需的下渗水分。
产生径流部分是指土壤含水量超过田间持水量以后，以自由 重力水形式运行的部分。
三、层次土壤中的下渗水流运动
2.考斯加柯夫公式
Fp at n，f p nat n 1，a和n为待定参数。 ln( Fp ) ln( a) n ln( t )
第四节 产流机制
植物截留In
植物散发ET 降雨P
填洼D
蒸发E 下渗f
下渗f
一、截流与填洼
二、包气带及其结构
（一）包气带定义：
包气带
地下水位
饱和带
重力水
第二节
下渗的物理过程和
影响下渗的因素
下渗的概念
一、下渗过程的阶段
根据水分所受作用力及运动特征，干燥 土壤在充分供水条件下的下渗分三阶段：
渗润阶段
渗漏阶段
渗透阶段
二、下渗过程中土壤含水量的垂向分布规律
前提条件：积水下渗、无地下水、初始含水量均匀、供水时间长 含水量(%) 饱和带 过渡带 风 干 土 田 间 持 水 量 饱 和 含 水 量 深度(m) 饱和带 过渡带
fA fB
产流的物理条件： （1）包气带中必须存在相对不透水层，并且上层土 壤的质地比下层粗。 （2）至少要上层土壤的含水量达到田间持水量。
四、产流的基本物理条件（续）
3、饱和地面径流(Rsat)的产流机制
i fA fB
产流的物理条件： (1)存在相对不透水层，且上层土壤的透水性很 强，而下层土壤的透水性却弱得多。 (2)上层土壤含水量达到饱和含水量。
包气带又可划分成三带： (1) 悬着毛管水带
(2) 支持毛管水带
(3) 中间包气带
悬着毛 管水带 中间包 气带
支持毛 管水带
Z
（二）包气带对降水的再分配作用
1. 包气带地面对降雨的再分配作用 分配的结果是将雨水分为地面和地下两个部分。即：
P
Rs
当雨强小于下渗能力时，降雨全部 渗入地下。
F
二、包气带对降水的再分配作用（续）
层次土壤是指土壤物理及水分物理性质存在明显
差异的均质土层。一般可概括为两种典型层理： （1）上层粗下层细
（2）上层细下层粗
四、产流的基本物理条件 1、超渗地面径流(Rs)的产流机制
i
fp
产流的物理条件： 超渗地面径流产生的物理条件 是雨强大于地面下渗容量。
四、 产流的基本物理条件（续）
2、壤中流(Rss)的产流机制
四、产流的基本物理条件（续） 4、地下径流(Rg)的产流机制
产流的物理条件：整个包气带土壤含水量达到田间持
水量。
四、产流的基本物理条件（续） 5、回归流(Rr)的产流机制
相对不透水层
产流的物理条件： (1)壤中流发育； (2)土壤饱和带露出地面； (3)要具备有利于壤中流流出的坡度及地形。
五、常见产流模式（二种）
各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力
最 大 吸 湿 量
31
风 干
作 用 10000 力 水 分 存 在 形 式
凋 萎 含 水 量
最 大 分 子 持 水 量
毛 管 断 裂 含 水 量
田 间 持 水 量
0.3
重力
饱 和 含 水 量
0.001
15
6.25个大气压
毛管力
分子力
吸湿水
薄膜水 结合水
毛管水 自由水
六、 流域产流特征分析
流域产流特征通常可从以下几方面进行分析：
1.分析流域的气候及下垫面特征 2.分析流域出口的流量过程形状 3.分析影响次洪产流量的因素
七、有效降雨的含义
指降雨量中扣除植物截留、下渗、填洼 与蒸发等各种损失后所剩下的那部分量。也 叫做净雨。
80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0
累积下渗量曲线
150
50 100 时间( min)
150
F f (t )dt
0
dF f (t ) dt
四、影响下渗的因素 (1)降水 (2)土壤 (3)植被 (4)地形 (5)人类活动
第三节 下渗的确定
一、下渗的测定
1. 注水法；
ΣR (mm) 0.0 0.5 2.0 6.3 13.2 20.7 ……
F(t) (mm) 0.0 2.0 3.0 6.2 11.9 16.4 ……
80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0
累积下渗量曲线
0 1 2 5 10
50 100 时间( min)
150
15 ……
1. 霍顿公式
f p f c ( f 0 f c )e kt，f 0 — 初始下渗率；f c — 稳定下渗率。 ln( f p f c ) ln( f 0 f c ) kt
1、 Rs型——超渗产流型
特点：(1)产流量R取决于i和fp ， R=(i –f p)i ;
(2)雨止时土壤含水量仍未达到田间持水量 Wm； (3)径流成分单一。
2、 Rsat+Rss + Rg型——蓄满产流型
特点：(1)产流时土壤含水量已达到田间持水量Wm ；
(2)产流量R取决于降雨量P和初始土壤含水 量 W0， R=R(P,W0)=P-(Wm-W0) (3)径流成分复杂。
第三节 下渗的确定
二、下渗量的计算方法 （此处采用经验下渗曲线） 基本思路：对在特定条件下取得的下渗资
料，选配合适的函数形式，并根据曲线拟 合的好坏确定其中的各项参数。
100.0
累积下渗量( mm)
时间 (min)
ΣP (mm) 0.0 2.5 5.0 12.5 25.1 37.1 ……
水分传递带
水分传递带
湿润带 湿润锋
湿润带
湿润锋
浙江义乌红壤剖 面图
三、下渗率、下渗能力
下渗率(f ) 稳定下渗率(fc) 下渗能力(fp)
100.0
5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0 50 100 时间( min)
t
下渗率曲线
累积下渗量( mm)
下渗率( mm/min)
第六章
第一节
下渗
土壤水分运动
一、土壤含水量
1.
重量含水量（） 体积含水量（）
2.
二、土壤水分的存在形式 1、吸湿水
2、薄膜水
3、毛管水
ห้องสมุดไป่ตู้a)
b)
支持毛管水
毛管悬着水
4、重力水
三、 土壤水特性的主要参数
最大吸湿量
最大分子持水量
凋萎含水量 毛管断裂含水量 田间持水量 饱和含水量
2. 土层对下渗水量的再分配作用
下渗水量(F)一部分以蒸发形式逸出地面(E)。剩余部分又 被分成“土壤蓄存”和“径流”两个部分。
蓄存部分是指水分运动中为维持土壤含水量等于或小于田间 持水量所需的下渗水分。
产生径流部分是指土壤含水量超过田间持水量以后，以自由 重力水形式运行的部分。
三、层次土壤中的下渗水流运动
2.考斯加柯夫公式
Fp at n，f p nat n 1，a和n为待定参数。 ln( Fp ) ln( a) n ln( t )
第四节 产流机制
植物截留In
植物散发ET 降雨P
填洼D
蒸发E 下渗f
下渗f
一、截流与填洼
二、包气带及其结构
（一）包气带定义：
包气带
地下水位
饱和带
重力水
第二节
下渗的物理过程和
影响下渗的因素
下渗的概念
一、下渗过程的阶段
根据水分所受作用力及运动特征，干燥 土壤在充分供水条件下的下渗分三阶段：
渗润阶段
渗漏阶段
渗透阶段
二、下渗过程中土壤含水量的垂向分布规律
前提条件：积水下渗、无地下水、初始含水量均匀、供水时间长 含水量(%) 饱和带 过渡带 风 干 土 田 间 持 水 量 饱 和 含 水 量 深度(m) 饱和带 过渡带
fA fB
产流的物理条件： （1）包气带中必须存在相对不透水层，并且上层土 壤的质地比下层粗。 （2）至少要上层土壤的含水量达到田间持水量。
四、产流的基本物理条件（续）
3、饱和地面径流(Rsat)的产流机制
i fA fB
产流的物理条件： (1)存在相对不透水层，且上层土壤的透水性很 强，而下层土壤的透水性却弱得多。 (2)上层土壤含水量达到饱和含水量。
包气带又可划分成三带： (1) 悬着毛管水带
(2) 支持毛管水带
(3) 中间包气带
悬着毛 管水带 中间包 气带
支持毛 管水带
Z
（二）包气带对降水的再分配作用
1. 包气带地面对降雨的再分配作用 分配的结果是将雨水分为地面和地下两个部分。即：
P
Rs
当雨强小于下渗能力时，降雨全部 渗入地下。
F
二、包气带对降水的再分配作用（续）
层次土壤是指土壤物理及水分物理性质存在明显
差异的均质土层。一般可概括为两种典型层理： （1）上层粗下层细
（2）上层细下层粗
四、产流的基本物理条件 1、超渗地面径流(Rs)的产流机制
i
fp
产流的物理条件： 超渗地面径流产生的物理条件 是雨强大于地面下渗容量。
四、 产流的基本物理条件（续）
2、壤中流(Rss)的产流机制
四、产流的基本物理条件（续） 4、地下径流(Rg)的产流机制
产流的物理条件：整个包气带土壤含水量达到田间持
水量。
四、产流的基本物理条件（续） 5、回归流(Rr)的产流机制
相对不透水层
产流的物理条件： (1)壤中流发育； (2)土壤饱和带露出地面； (3)要具备有利于壤中流流出的坡度及地形。
五、常见产流模式（二种）
各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力
最 大 吸 湿 量
31
风 干
作 用 10000 力 水 分 存 在 形 式
凋 萎 含 水 量
最 大 分 子 持 水 量
毛 管 断 裂 含 水 量
田 间 持 水 量
0.3
重力
饱 和 含 水 量
0.001
15
6.25个大气压
毛管力
分子力
吸湿水
薄膜水 结合水
毛管水 自由水
六、 流域产流特征分析
流域产流特征通常可从以下几方面进行分析：
1.分析流域的气候及下垫面特征 2.分析流域出口的流量过程形状 3.分析影响次洪产流量的因素
七、有效降雨的含义
指降雨量中扣除植物截留、下渗、填洼 与蒸发等各种损失后所剩下的那部分量。也 叫做净雨。
80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0
累积下渗量曲线
150
50 100 时间( min)
150
F f (t )dt
0
dF f (t ) dt
四、影响下渗的因素 (1)降水 (2)土壤 (3)植被 (4)地形 (5)人类活动
第三节 下渗的确定
一、下渗的测定
1. 注水法；
ΣR (mm) 0.0 0.5 2.0 6.3 13.2 20.7 ……
F(t) (mm) 0.0 2.0 3.0 6.2 11.9 16.4 ……
80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0
累积下渗量曲线
0 1 2 5 10
50 100 时间( min)
150
15 ……
1. 霍顿公式
f p f c ( f 0 f c )e kt，f 0 — 初始下渗率；f c — 稳定下渗率。 ln( f p f c ) ln( f 0 f c ) kt
1、 Rs型——超渗产流型
特点：(1)产流量R取决于i和fp ， R=(i –f p)i ;
(2)雨止时土壤含水量仍未达到田间持水量 Wm； (3)径流成分单一。
2、 Rsat+Rss + Rg型——蓄满产流型
特点：(1)产流时土壤含水量已达到田间持水量Wm ；
(2)产流量R取决于降雨量P和初始土壤含水 量 W0， R=R(P,W0)=P-(Wm-W0) (3)径流成分复杂。