4第三章：土壤水、下渗与地下水

⑵ 渗漏阶段
下渗的水主要在毛细管引力和重力共同作用下， 在土壤孔隙中形成不稳定运动，并逐步充填空隙， 直到孔隙充满水之前，该阶段水呈非饱和运动， 通常将渗润阶段和渗漏阶段合称为渗漏阶段。
⑶ 渗透阶段/稳定下渗阶段
当土壤孔隙被水充满达到饱和时，水在重力作 用下向下运动，属饱和水流运动。这时，下渗 率维持稳定，称稳定下渗率。
③毛管水/毛细水 (Capillary water)
指依靠土壤中毛细管（一般指d<1mm的空隙称毛细管） 的吸引力（毛管力， d=0.03~0.0006mm 时，毛管力最 为明显）而被保持在土壤孔隙中的水分。所受的吸力 为6.25～0.08大气压。
毛管水的特点：
受毛管力作用保持在 孔隙中； 可被植物吸收利用。
土壤中全部孔隙都被水所充满时的含水量称 为饱和含水量。
(6) 土壤导水率（Hydraulic conductivity）
土壤导水率是衡量土壤传输水分能力的指标，取 决于土壤的性质，如土壤孔隙率、孔隙大小即分 布、孔隙的连续性等。土壤导水率不是一个常数， 其大小随土壤含水量而变化；当土壤含水量达到 饱和时，这时的导水率称为饱和导水率。
时间（min）
(2) 下渗率fi / 下渗强度 (Infiltration rate)
指单位时间内单位面积上渗入土壤中的水量（单位： mm/h 或 mm/min）。在某时刻t 的下渗率应为下渗 累计量F 对时间的变化率，表示为：
下渗率（mm/min）
dF fi dt
60 50 40
30
20 10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240
过程。它是水在分子力、毛细管引力和重力的 综合作用下在土壤中发生的物理过程。
下渗的物理过程：当初期土壤干燥，下渗过
程按水分所受的主要作用力不同及运动特征不同，
在水文学中大致可分为三个阶段。
⑴ 渗润阶段
由于初期土壤干燥，水分主要在分子力作用下 , 被土壤颗粒吸附而成为结合水（吸湿水和薄膜 水）； 对干燥土壤，渗润阶段土壤吸力非常大，故起 始下渗率很大。
根据霍顿公式，t = 0, fp = f0； t ∞, fp = fc；由此可 见，霍顿公式比菲利普公式更符合实际。
3.2.3 天然条件下的降雨下渗的特点 Infiltration under natural condition
1、根据降雨强度（i）与下渗能力（fp）的相对大小 关系，实际降雨下渗过程可概化成如下不同特点：
指土粒表面吸湿水达到最大后，土颗粒剩余的 分子力还能吸附水分，在吸湿水外表形成的膜 状液态水。
薄膜水
土壤 颗粒
土壤 颗粒 吸湿水
薄膜水的特点：
主要受分子吸力作用（为31～6.25大气压）， 与液态水的性质基本相似，在吸力作用下能 以湿润的方式从水膜厚处向水膜薄处缓慢移 动，或从土壤湿润的地方向干燥的地方运移， 属于非饱和土壤水运动研究的范畴。部分薄 膜水可以被植物吸收。
a. 同心环下渗仪（注水型，Infiltrometer）
b. 人工降雨法
内环
外环
⑶ 下渗率的数学表达式
在充分供水条件下，土壤的入渗率称为下渗能力。
在应用水文学中通常采用经验下渗公式来描述。
菲利普下渗公式（Philip’s Equation） 1 1/ 2 f p (t ) st fc 2
《水文学原理及应用》
第三章 土壤水、下渗 与地下水
西安交通大学地球环境系 2012年09月17日
绿色水库
（Green Dam）
3.1 土壤水(Soil water, soil moisture)
存在于土壤孔隙中、以及被土壤颗粒所吸附的水分 通称为土壤水。它同样具有三态：液态、固态和汽 态。 在水文学中，土壤水指表层土壤（即地面到地下潜 水面之间的土层，又称包气带）中的水。土壤水分 的动态变化与降水、蒸散发、地下水和径流有密切 关系。

降雨时间和空间上分布不均匀性和强度差异。
由于流域的空间变异性，实际下渗情况十分
复杂。流域的空间变异性是水文预报（预测）
不确定性的主要来源之一，目前尚无一个较
土壤水分常数用来表征土壤水分形态和运动特 性。不同形态的水分反映土壤不同的持水量级， 这种关系通常用一些土壤含水量的特征数值来 表示。
⑴ 最大吸湿量（吸湿系数）
Maximum Hygroscopic moisture (Absorption factor) 土壤吸湿水达到最大值时的土壤含水量，指在饱 和空气条件下土壤颗粒所能吸附的大气中最大水 汽量，它反映了土壤吸附气态水的能力。
fi
时间（min）
土壤下渗能力/容量/性能 fp （Infiltration capacity）
在充分供水条件下的土壤最大下渗率称为下渗能力 （单位：mm/h）。 土壤下渗能力和土壤物理性质（取决于土壤类型）、 土壤含水率（湿度）密切相关。
通常用下渗能力曲线来表示下渗率随时程的变化过程， 简称下渗能力曲线（Infiltration capacity curve）。 下渗能力随时程而递减，初期土壤含水率很低时， fP 很 大；后期土壤含水率趋于饱和时， fP 最后趋于 稳定。 土壤初期下渗能力与土壤 土壤物理性质、土壤含水 率都密切相关；
f0
下渗能力曲线 fp(t)
土壤的稳定下渗率则主要 取决于土壤的物理性质。
fc
在直角坐标系中非饱和土壤水分运动可用达西定律来 描述： 0
dh d ( z ) q K (θ ) K (θ ) dz dz d K (θ )( 1) dz
式中，h为总土水势（包括基质势和重力势）， 为土壤基质势（即土壤基质的吸附力和毛细管 力）。K()为土壤导水率，是含水量的函数。
M ～土壤的湿重，M=Ms+Mw
⑵ 土壤容积含水率θ（Volumetric ratio）
Vw 100% V
式中: Vw：土壤中水的容积 (cm3) V ：土样总体积(cm3)
(3) 与W 的转换：
其中：rw(=1吨/立方米)为水的密度;
r0（吨/立方米）为土壤干密度。
2、土壤水分常数（soil water parameter）
⑷ 田间持水量（Field Capacity）
指土壤中所能保持的毛细管悬着水的最大量。当 土壤含水量超过毛细管悬着水的最大量即田间持 水量时，超过的部分不能为毛细管力所维持，则 表现为自由重力水。田间持水量常以fc 表示（相 应的土壤吸力为1/3大气压＝0.34kg/cm2) 。
⑸ 饱和含水量/全蓄含水量s Saturation Capacity
⑵ 最大分子持水量 Maximum molecular moisture capacity
土壤颗粒的分子力所能吸附或结合的水分的最 大值称作最大分子持水量，此时薄膜水厚度达 到最大值。
⑶ 凋萎含水量（凋萎系数） Wilting Coefficient
当土壤水分减少到一定量后致使植物根系无法 从土壤中吸收水分，开始枯死时的相应最大土 壤含水量称作凋萎含水量。
吸湿水的特点：
土粒表面对它的吸力很大，紧贴土粒的第一层水
分子受的吸力约1万个大气压（1大气压＝
1.01×105N/m2 =1.03kg/cm2 )。吸湿水具有固态水 的性质，因此吸湿水不能自由移动。 只有在高温（105～110 oC）条件下可转变成汽态 散失，故吸湿水不能被植物所利用。
② 薄膜水（弱结合水，Pellicular water）
地 表
毛细管 悬着水
非包 饱气 和带 带 地下水
毛管带 上升水
④重力水（gravity water）
受重力作用而运动的那一部分水分，具有一般液 态水性质，如可以在重力作用下产生水流运动， 能传递压力等，因此，重力水不易保持在土壤上 层，是下渗补充地下水的重要来源。 重力水的特点：
受重力作用； 可传递静水压力； 可被植物吸收利用。
a）i > fp：降雨强度 i 在研究 时段内大于土壤下渗能力 fp ，实际入渗等于土壤下
f
fp(t)
降雨强度 余水形成积水或 流走（径流）
i
渗能力,并形成地表积水或
径流。f(t)=fp(t)
t1
时间 t
b）i < fp ：降雨强度 下渗率等于降雨强度，即
fc
t0
降雨强度小 于下渗能力
t1
t
降雨强度大于下渗能力
2、下渗在空间上的变异性(Spatial variability)
造成空间变异性的原因：

土壤特性空间分布的差异、植被、坡度及 土地 利用情况（人类活动如水土保持、植树造林、
平整土地、农田基本建设和都市化等）的不同；

土壤含水率及土壤蒸散发在空间上的差异；
3.2.2 下渗的定量描述
下渗可用以下三种特征值来描述： (1) 下渗总量 F（Cumulative infiltration）
指下渗开始到某一指定 时刻渗入到土壤中的累 积水量（单位：mm）。 用下渗量累积曲线表示 下渗量随时程间的增长 过程。
60
下渗量（cm）
50 40
F
30
20 10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240
K ( ) K s s
n
式中，Ks为饱和导水率（cm/h）；s为饱和土壤含水 率（cm3/cm3）；n为无量纲参数，n >=1。
3.2 下渗/入渗（Infiltration）
3.2.1 下渗的物理过程
下渗（入渗）一般是指大气降水或灌溉水通过
土壤表面进入土壤从而改变土壤内水分状况的
式中，fp(t) ~ t 时刻的下渗率(Infiltration rate at time t)