土壤水分入渗教材
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(完整版)水文学原理(第六章)下渗
§2 非饱和下渗理论 ❖下 渗 曲 线 不 仅 是 下 渗 物 理 过 程 的 定 量 描
述，而且是下渗物理规律的体现。 ❖已提出了三类确定下渗曲线的途径，即非
饱和下渗理论途径、饱和下渗理论途径和 基于下渗试验的经验下渗曲线途径。
§2 非饱和下渗理论 ❖根据非饱和水流运动方程式导出的下渗方
程的基本形式 ❖对于非饱和土壤，总势必应由基模势和重
❖ 水分传递带：是一个土壤含水量沿深度分布比较均匀、厚 度较大的非饱和土层，其厚度随供水时间的增长不断增 加，土壤含水量介于田间持水量和饱和含水量之间，约为 饱和含水量的60%－80%。
❖ 湿润带：是连接水分传递带和湿润锋的水分带。在这一带 中，土壤含水量沿深度迅速减小，并且在下渗过程中不断 下移。这一带的平均厚度也大体保持不变。
❖ 进入渗漏阶段后，土壤颗粒表面已形成水膜，因此分子力几乎趋于 零，这时水主要在毛管力和重力作用下向土壤中入渗，下渗容量比渗 润阶段明显减小，而且由于毛管力随土壤含水量增加趋于缓慢减小阶 段，所以这阶段下渗容量的递减速度趋缓。
❖ 到了渗透阶段，土壤含水量已达到田间持水量以上，这时不仅分子力 早已不起作用，毛管力也不再起作用了。控制这阶段下渗的作用力仅 为重力。与分子力和毛管力相比，重力只是一个小而稳定的作用力， 所以在渗透阶段，下渗容量必达到一个稳定的极小值，这就是稳定下 渗率。
2 忽略重力作用的下渗方程的解
第一种情况： 扩散率为常数
t
D
2
z 2
(z,0) 0
(0,t) n
(,t) 0
拉氏变换
0 erfc( z )
n 0
2 Dt
下渗曲线：
1
f p (n 0 ) D t 2
§2 非饱和下渗理论
土壤入渗实验指导书
《水文学原理》实验指导书天津农学院水利工程系2006.9实验一土壤渗透系数的测定[实验目的]：１．掌握土壤下渗的物理过程及下渗机理；２．测量土壤渗透系数Ｋ；３．学习正确使用渗透筒。
[实验原理]：下渗过程一般划分为三个阶段。
第一阶段为渗润阶段，这阶段，土壤含水量较小，分子力和毛管力均很大，再加上重力的作用，所以此时土壤吸收水分的能力特别大，以致初始下渗容量很大，而且由于分子力和毛管力随土壤含水量增加快速减小，使得下渗容量迅速递减。
第二阶段为渗漏阶段，土壤颗粒表面已形成水膜，因此分子力几乎趋于零，这时水主要在毛管力和重力作用下向土壤入渗，下渗容量比渗润阶段明显减小，而且由于毛管力随土壤含水量增加趋于减小阶段，所以这阶段下渗容量的递减速度趋缓。
第三阶段为渗透阶段，在这一阶段，土壤含水量已达到田间持水量以上，这时不仅分子力早已不起作用，毛管力也不再起作用了。
控制这一阶段下渗的作用力仅为重力。
与分子力和毛管力相比，重力只是一个小而稳定的作用力，所以在渗透阶段，下渗容量必达到一个稳定的极小值，称为稳定下渗率。
[实验仪器]：1.渗透筒（渗透环）一套——渗透筒是用金属做的一套无底同心圆柱筒，筒底具刀口，同心环内管的横截面积为1000cm2,内径35.8cm，高30-50cm，外筒内径60cm（亦可用土埂围堰代替外筒）；2.量筒500ml和1000ml各一个；3.水桶2个；温度计1支（刻度0-50℃）；秒表（普通钟表）1块；量水测针或木制厘米尺一个；席片或塑料薄膜（灌水时防止冲刷用）。
[实验步骤]：1.选取具有代表性的地块，把渗透筒的内筒插入土中，深度10cm左右，同时插好外筒。
如无外筒，可筑埂围堰，高度和内筒高相平，埂顶宽20cm，并捣实之。
2.同内外插入量水测针或木制厘米尺各一支，筒内水层厚度一般保持5cm。
3.把席子或塑料薄膜放入筒底，同时把温度计插入筒内。
在开始灌水时，土壤吸水速度较快，为使筒内达到一定水层，第一次灌水要快，同时视水层下降程度进行第二次灌水，以使水位高度保持原定高度。
第3章 土壤水分的入渗
s
0
2
erfc
z Nt 2 Mt
N
eM
z erfc
z Nt 2 Mt
3.2.1 第一类边界条件的求解
3.2.1.1 土壤水分线性方程的入渗解
(1)水平入渗（吸渗）问题
对水平半无限均质土柱来说，初始含水率θi均匀，进水 端含水率θ0 恒定，且水分扩散度为常数 得到D 定解问题：
2
t D x2
n
1, 2, …, n-1, n 1, 2, …, n-1, n
1/2, 1+1/2, …, (n-2)+1/2, (n-1)+1/2
r = 0 - r ( r = 1, 2, …, n)
(5)
Let
r D( )d
D r1/ 2
r 1
r d
r 1
(6)
For 1/2：
根据
0
i
d
2D
d
d
1/ 2
t
I (t) 0 i( )d
or
i(t) dI (t) dt
设供水强度为R(t )，上边界的吸渗能力为q(0,t)，有：
i(t) min(q(0,t), R(t))
3.1土壤水分入渗概述
3.1.3 三种入渗条件下的定解问题
• 入渗过程的三种情形
（1）入渗率 i 取决于供水强度 R，表层土壤含水率逐步 增加至近饱和，无地表积 水。
边界条件：
O θi
t1 t2
R
θ
t3
K
(
m
)
m
z
K ( m ) z0
R(t)
a.无积水
q(0,t) R(t)
z
O θi
降雨和灌水入渗条件下土壤水分运动2.docx
第五章降雨和灌水入渗条件下土壤水分运动第一节水向土中入渗过程一、概述降雨和灌水入渗是田间水循环的重要环节，与潜水蒸发一样，是水资源评价和农田水分状况调控的重要依据。
水渗入土壤的强度主要取决于降雨或灌水的方式和强度以及土壤渗水性能。
如果土壤渗水性能较强，大于外界供水强度，则入渗强度主要决定于外界供水强度，在入渗过程中土壤表面含水率随入渗而逐渐提高，直至达到某一稳定值。
如果降雨或灌水强度较大，超过了土壤渗水能力，入渗强度就决定于土壤的入渗性能，这样就会形成径流或地表积水。
这两种情况可能发生在入渗过程的不同阶段，如在稳定灌溉强度（例如喷灌）下，开始时灌溉强度小于土壤入渗能力，入渗率等于灌溉强度；但经过一定时间后，土壤入渗能力减少，灌水强度大于土壤入渗能力，于是产生余水，如图2－5－ 1所示的降雨或灌水条件下的入渗过程。
开始时入渗速率较高，以后逐渐减小。
土壤的入渗能力随时间而变化，与土壤原始湿度和土壤水的吸力有关，同时也与土壤剖面上土质条件、结构等因素有关。
一般来说，开始入渗阶段，土壤入渗能力较高，尤其是在入渗初期，土壤比较干燥的情况，然后随土壤水的入渗速率逐渐减小，最后接近于一常量，而达到稳定入渗阶段。
在较干旱的条件下，土壤表层的水势梯度较陡。
所以，入渗速率较大，但随着入渗水渗入土中，土壤中基模吸力下降。
湿润层的下移使基模吸力梯度减小。
在垂直入渗情况下，如供水强度较大，使土壤剖面上达到饱和，当入渗强度等于土壤饱和水力传导度时，将达到稳定入渗阶段。
如供水强度较小，小于饱和土壤水力传导度时，达到稳定入渗阶段的入渗强度将等于该湿度条件下的非饱和土壤水力传导度。
入渗过程中，土壤剖面上水分分布与土表入渗条件有关。
根据 Coleman和Bodman 的研究，当均质土壤地表有积水入渗时，典型含水率分布剖面可分为四个区，即表层有一薄层为饱和带，以下是含水率变化较大的过渡带，其下是含水率分布较均匀的传导层，以下是湿润程度随深度减小的湿润层，该层湿度梯度越向下越陡，直到湿润锋。
土壤入渗理论及研究方法
水文法：是利用径流试验场或小流域中实测的降雨与径流过 程资料 ，通过水文分析的方法来推求其人渗方程，由该方 法求 出的人渗率为该径流场或小流域的平均人渗率。 人工降雨法：是通过人工降雨装 置来模拟天然降雨 ，在 降雨强度均匀不变条件下 ，观测地表径流过程 ，用人工
降雨量和观测的径流资料计算 。
注：
4.4
土壤起始含水量
土壤起始含水量主要从入渗水流湿润区的平均势梯度方
面影响土壤的入渗能力，他不仅影响初始下渗率，而且影响 累计入渗量。
土壤含水量对土壤入渗能力的影响很明显，随土壤含水量的 增大，土壤入渗能力减小，他们之间的关系可用对数表示。
4.5
土壤有机质
土壤有机质是通过改变土团壤聚体的数量来改变 土壤的入渗能力。
饱和含水量 土壤中原有的含水量 土壤吸力 积累下渗量
2
土壤入渗公式
2.1Green—Ampt公式 Green和Ampt (阿姆普特)根据最简单的土壤物理模 型在假设饱和入渗理论的基础上推出了一维土壤 水分入渗公式：
入渗速率
2.2Kostiakov公式
该公式是由Kostiakov（ 考斯加 科夫 ）提出：
设计。
希望老师和各位同学批评指正！
同测定方法获得数据的简单比较，或者是简单对比某几个 因素对测定结果的影响方面，但是各种实验方法之间的联 系和可比性仍需进一步研究，而且今后在进行相关野外实 验研究时，应以土壤渗透特性均质、各向同性为宜，以便
分析水流性质对测定结果的影响；同时，加强土壤水分剖
面、毛管力作用和入渗特征值的野外和室内测定，以便分 析非饱和区域对测定结果的影响。此外，由于各种实验方 法都与实际情况有一定的差异，这使得准确获得并描述入 渗过程成为一项十分困难的工作，入渗试验还需要进一步
土力学系列土的渗透性和渗流PPT课件
第23页/共47页
流入和流出相等：
adh= k(h/L)Adt
即 dt aLdh kAh
整理并积分得
由此求得渗透系数：
第24页/共47页
2021/6/9
变水头渗透试验装置
第25页/共47页
3.现场抽水试验
▪ 粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； ▪ 小土样不能反映天然土层的结构性。
第3页/共47页
图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； ➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
第4页/共47页
➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
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1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：
于是
v0=q/A
v/v0=A/A=n
“模型的平均流速要小于真实流速”
第6页/共47页
2.水头
能 量 是 用 水 头 来 表 示 ， Bernoulli’s Equation：
图3-12 流土示意图
第42页/共47页
▪ 比较和区别: ✓ 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 ✓ 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部
第43页/共47页
例3-4：
（1）由渗透力计算公式得j=wi 而 故
第44页/共47页
（2） 由 可得
即 发生流土现象。
而
第45页/共47页
流入和流出相等：
adh= k(h/L)Adt
即 dt aLdh kAh
整理并积分得
由此求得渗透系数：
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2021/6/9
变水头渗透试验装置
第25页/共47页
3.现场抽水试验
▪ 粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； ▪ 小土样不能反映天然土层的结构性。
第3页/共47页
图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； ➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
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➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
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1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：
于是
v0=q/A
v/v0=A/A=n
“模型的平均流速要小于真实流速”
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2.水头
能 量 是 用 水 头 来 表 示 ， Bernoulli’s Equation：
图3-12 流土示意图
第42页/共47页
▪ 比较和区别: ✓ 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 ✓ 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部
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例3-4：
（1）由渗透力计算公式得j=wi 而 故
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（2） 由 可得
即 发生流土现象。
而
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第6讲 土壤水份入渗
6.1 土壤水入渗过程
（1）过程描述
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。
水文学中地表产流问题; 农田水利学中灌溉或降雨后土壤水分分布问题; 水资源评价中降雨对浅层地下水的补给问题; 农业及环境学中化肥、农药及污染物随水分迁 移的问题等。
水分入渗，可以是因降雨或灌溉从地表垂 直向下进入土壤，亦可以通过沟渠、坑塘 或用于灌溉的地下渗水管渗入到土壤中。 入渗类型：
θ(0, t)=θ0
6.2 入渗公式及讨论
θ方程（扩散型方程）：
引入扩散率D
D (θ ) = K (θ ) = K (θ C (θ )
)
dθ dψ m
dψ m ∂θ ∂ψ m ∂θ K (θ ) = K (θ ) = D(θ ) dθ ∂x ∂x ∂x
∂θ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂K (θ ) = D (θ ) ⎥ + ⎢ D (θ ) ⎥ + ⎢ D (θ ) ⎥ ± ∂t ∂x ⎢ ∂x ⎦ ∂y ⎣ ∂y ⎦ ∂z ⎣ ∂z ⎦ ∂z ⎣
Green and Ampt (1911)
K (H 0 + L − H c ) f = L
Where f = infiltration capacity L = depth of wetting front K = effective hydraulic conductivity Ho = depth of ponded water Hc= capillary suction at wetting front
描述土壤入渗过程的物理量：
入渗率i：单位时间内通过单位面积的入渗水 量（地表水通量），mm/min, mm/h, mm/d
3第三章土的渗透性及渗流-课件-文档资料
vi v q ki
A
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day
3.2 土的渗透性
适用条件
层流（线性流）
v
——大部分砂土，粉土；疏松的粘土 及砂性较重的粘性土
vcr
o如堆
dh h1
t=t1
t t+dt
• 连续性条件：dVe=dVo
h
t=t2
-adh =k (h/L)Adt
tdtaL h2 dh
0
kAh1 h
dt aLdh kA h
t aL ln h1 kA h2
Q 土样 L
h2
水头 测管
开关
k aL ln h1
A
At h2
选择几组量测结果 ，计算相应的k，取平均值
土粒愈粗、大小愈均匀、形状 愈圆滑，K值愈大。
因由粗颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填，随细粒含量增加， K值急剧下降。
水的性质
3.2 土的渗透性
土的性质
• 土的粒度成分 • 孔隙比 • 土的饱和度 • 结构和构造
是单位土体中孔隙体积的直接 度量
土愈密实，孔隙比愈小，K值 愈小。
水的性质
3.2 土的渗透性
室内试验方法1—常水头试验法
▪试验装置：如图
▪试验条件: Δh，A，L=const
h 土样
L
▪量测变量:渗水量Q，t
▪结果整理：
A
单位时间渗水量 q=Q/t=Av
达西定律
v=ki
k QL
Q
Aht
水力梯度 i=Δh/L
适用土类：透水性较大的砂性土
选择几组量测结果 ，取平均值
A
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day
3.2 土的渗透性
适用条件
层流（线性流）
v
——大部分砂土，粉土；疏松的粘土 及砂性较重的粘性土
vcr
o如堆
dh h1
t=t1
t t+dt
• 连续性条件：dVe=dVo
h
t=t2
-adh =k (h/L)Adt
tdtaL h2 dh
0
kAh1 h
dt aLdh kA h
t aL ln h1 kA h2
Q 土样 L
h2
水头 测管
开关
k aL ln h1
A
At h2
选择几组量测结果 ，计算相应的k，取平均值
土粒愈粗、大小愈均匀、形状 愈圆滑，K值愈大。
因由粗颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填，随细粒含量增加， K值急剧下降。
水的性质
3.2 土的渗透性
土的性质
• 土的粒度成分 • 孔隙比 • 土的饱和度 • 结构和构造
是单位土体中孔隙体积的直接 度量
土愈密实，孔隙比愈小，K值 愈小。
水的性质
3.2 土的渗透性
室内试验方法1—常水头试验法
▪试验装置：如图
▪试验条件: Δh，A，L=const
h 土样
L
▪量测变量:渗水量Q，t
▪结果整理：
A
单位时间渗水量 q=Q/t=Av
达西定律
v=ki
k QL
Q
Aht
水力梯度 i=Δh/L
适用土类：透水性较大的砂性土
选择几组量测结果 ，取平均值
第3章 土壤水分的入渗
.
i
此乃稳态情况，非我们所求。
若
c0
则
i
。于是有：x
t
1 2
此乃Boltzmann变换。
0 0
i
x 1 c2
t0 x0
(3)
3.2.1 第一类边界条件的求解
3.2.1.2水平入渗的Philip解
2a
1 2
由
1
d
d
D d
d
a
注意到
2a
1 2
整理得：
d
d
D
dd
2
上式的积分形式：
n
d
2D1/ 2
0 1
1 2D1/ 2 1/ 2 d n
(7)
0 = 0
1/ 2 d
n
2D1/ 2
1
Similarly，
2 1 2D11/ 2 d 11/ 2 n
r1 r 2Dr1/ 2 d r/ 2 n
(8)
n1 n2 2D(n2)1/ 2
d (n2)1 / 2
c. 积水入渗
3.1土壤水分入渗概述
3.1.2 入渗情况下含水率分布及分区图
通过入渗过程的观察，对土壤含水率的变化取得了如下 认识：
⑴在水施加于土壤表面后的很短时间内，表土的含水率 将很快由初始值增大到某一最大值。由于完全饱和在自 然条件下一般是不可能的，故值较饱和含水率为小。
⑵随着入渗的进行，湿润锋不断前移，含水率的分布曲 线由比较陡直逐渐变为相对缓平。
(x,t)
i , t 0,0 x (0 i )erfc[ x ] i
0 ,t 0, x 0
2 Dt
i ,t 0, x
3.2.1 第一类边界条件的求解
第6讲 土壤水份入渗
干土在积水条件下的干 土入渗一定时间后，土 壤剖面中含水率分布 ， Coleman 与 Bodman 将 他们分为4个区：
• • • •
饱和区 过渡区 传导区 湿润区
含水
饱和区、过渡区 一般不存在
积水条件下的干土入渗：
积水后，表土含水率很 快增加到θ0 (<θs ) 地表处含水率梯度由大 变小，t足够大时地表含 水率不变 地表入渗率逐渐减小 湿润锋不断下移，含水 率变化平缓
θ(0, t)=θ0
6.2 入渗公式及讨论
θ方程（扩散型方程）：
引入扩散率D
D (θ ) = K (θ ) = K (θ C (θ )
)
dθ dψ m
dψ m ∂θ ∂ψ m ∂θ K (θ ) = K (θ ) = D(θ ) dθ ∂x ∂x ∂x
∂θ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂K (θ ) = D (θ ) ⎥ + ⎢ D (θ ) ⎥ + ⎢ D (θ ) ⎥ ± ∂t ∂x ⎢ ∂x ⎦ ∂y ⎣ ∂y ⎦ ∂z ⎣ ∂z ⎦ ∂z ⎣
p
解得：
% ( z, p ) = θ 0 − θi e θ p
θ ( z, t ) = θ0 − θi ⎡
2
2 ⎡ K 2 D− 1 D K 4 D+ p ⎢ ⎣
(
)
⎤ ⎥z ⎦
+
θi
p
逆变换：
⎛ z − Kt ⎞ Kz D ⎛ z + Kt ⎞ ⎤ ⎢erfc ⎜ ⎟ + e erfc ⎜ ⎟ ⎥ + θi ⎢ ⎝ 2 Dt ⎠ ⎝ 2 Dt ⎠ ⎥ ⎣ ⎦
6.1 土壤水入渗过程
（1）过程描述
土的基础知识—土中水及其渗透(土力学课件)
解：由题意可知：r1=15m，r2=30m，h1=0.3m，h2=0.45m，
代入式得：
k
1.5 102 0.452 0.32
0.0294m / s
4、影响渗透性的因素
（1）土的矿物成分：蒙脱石含量↑，或有机质↑，则K↓
（2）粒度成分：粗↑，浑圆↑均匀↑则K↑
（3）结合水膜厚度↑,K↓；厚度↓，K↑
设置反滤层
水位
回填中粗砂 砂垫层
加筋土工布
④土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等
抛石棱体
5.3土的毛细性
5.3土的毛细性
一 土层中的毛细水
土中水的运动形式：5种 土的毛细现象——指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向 上及其他方向移动的现象。 毛细现象对工程危害
二 毛细水上升高度及毛细压力
上举力：P=S×2πrcosθ=2πrσcosθ 重力： G=γW·πr2·hmax 湿润角可取θ=0 则 hmax=4σ/(d·γω) 海森公式：hc=C/(e·d10)
θ
hmax
5.3土的毛细性
毛细水
分布在土粒内部相互贯通的孔隙可 以看成许多形状不一、直径互异、 彼此连通的毛细管
分析对象: 水柱
5.2渗流力及流砂与管涌现象
二、流砂、管涌与临界水头梯度
管涌——水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。
讨论：
1 流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生在土体内部，而管涌两者都可能发生。 2 流砂主要发生于细、粉砂及粉质粘土中，而在粗颗粒土及粘土中不易发生。 3 管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关。不均匀系数 Cu↑，则Icr↓，图2-10
一、渗流力GD——水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为渗流力，也称动水力
土壤水分入渗
一、土壤水分入渗过程及规律
（一）入渗的物理过程
2. 土壤入渗根据其地面是否积水又分为如下形式：
积水入渗 积水前入渗阶段结束后，便进入积水入渗阶段。它 是以地表有积水存在为标志，积水后，地表的实际渗 吸速度随时间延长而逐渐减小，直至最后趋于某一稳 定值。
一、土壤水分入渗过程及规律
（二）土壤的入渗性能
v | x 0 D( ) | x 0 x
2( 0 i ) 1 (e x x 2 Dt ( 0 i )
x2 4D
(7 )
)
t
1 2
e
x2 4D
当x=0时
(0 i ) 1 | x 0 t 2 x D
d -1
粘质土
1
一、土壤水分入渗过程及规律
（二）土壤的入渗性能
累积入渗量I和入渗速率i 的关系
土壤入渗速率的变化过程
一、土壤水分入渗过程及规律
（三）入渗过程中土壤含水量的垂直分布规律
下渗过程中土壤含水量的分布，最早考尔曼(Coleman) 与包德曼(Bodman)(1944,1945)做了研究，把下渗过程中 土壤含水率的分布划分为四个具有明显分区的水分带，它 们反映了下渗水流垂向运动的特征。
D ( ) K ( ) z z K ( ) z z
此时：
是可以忽略的，令以x代替z，则上式可写为：
D( ) t x x
(1)
求解（1）式有两种情况： 一是假定D（）=D（常数）； 二是D= D（）。
二、非饱和下渗理论与计算 （一）忽略重力作用的下渗
(, t ) i，下边界条件
( 2)
初始剖面
第二章坡面水文过程教程
2. 入渗要素
入渗率（入渗强度）：是指单位面积单位时间 内渗入到土壤中的水量。 入渗能力（入渗容量）：是指在充分供水和一 定土壤类型和土壤湿度条件下的最大入渗率。 初始入渗率：在入渗最初阶段，土壤入渗率极 大，其值称为初始入渗率。 稳定入渗率：当下渗锋面推进到一定深度后， 入渗率趋于稳定的常值，此时的入渗率称为稳定入渗 率。
2.3.3 径流产生的机制
径流产生的机制是指降雨产生径流的基本物理条 件，它取决于下垫面结构及降雨特性。 在坡面上，径流发生的机制一般可概括为超渗产 流、蓄满产流和壤中流。
1. 超渗径流的产流机制 超渗径流的产生机制是指供水强度与入渗强度大 小矛盾发生在地面时的产流机制。只有当降雨满足了 植物截留、蒸发、填洼和入渗损失后，才具备产生地 面径流的充分条件。因此，降雨强度大于入渗率是产 生超渗地面径流的充分条件。
本章主要介绍降雨的基本特性、降 雨过程中的入渗、径流的形成过程及其 影响因素，分析坡面径流的形成过程， 有助于对坡面水文过程的理解。
2.1 雨滴特性
雨滴特性包括雨滴的形状、大小及雨滴 分布、降落速度、落地时冲击力、降雨量、降
雨强度和降雨历时等，直接影响侵蚀作用的大
小。
2.1.1 雨滴直径及分布
降雨过程为降雨径流的形成提供了必要的物质基 础，降雨引起径流。因此，降雨过程是降雨径流形成 过程的首要环节。 降雨量大小、降雨历时、降雨强度及其时空变化 对径流形成过程有着直接的影响。
（二）蓄渗过程
在降雨开始后、地表径流产生之前的这一阶段称 为蓄渗过程。蓄渗过程包括植物截留、填洼、蒸发和 土壤入渗。
⑤径流系数α：径流系数是指任一时段内的径流深度 （或径流总量）与该时段的降水量（或降水总量）之 比值。为无量纲，一般用P
土力学与地基基础3.土中水的渗透规律
第三章土中水的渗透规律1.概述2.达西定律3.渗透系数的测定4.渗透作用对土的影响第一节概述渗透：由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙而发生孔隙内的流动。
土具有被水透过的性能称为土的渗透性。
土的渗透性问题，一方面是指由于水的渗透引起水头损失或基坑积水，影响工程效益和进度；另一方面将引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。
加州沃森维尔附近的野外涌沙堤坝溃决第二节Darcy定律一、渗流模型考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，为便于分析问题，在进行渗流分析时就将土体复杂的渗流作出如下的简化：1.不考虑路径的迂回曲折，只是分析它的主要流向；2.不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之和均为渗流所充满。
作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，被称为渗流模型。
一、渗流模型为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：⑴在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；⑵在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；⑶在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。
一、渗流模型渗流模型与真实渗流中流速的关系：=nv/v式中：v-渗流模型的平均流速v-真实流速n-土体的孔隙率因为n<1.0，所以v<v二、达西（Darcy）定律由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流著名的达西渗透定律：渗透速度：v=ki (m/s)渗透流量：q=kiF (m3/s)K-渗透系数，m/si-水头梯度（或水力坡度、水力坡降），i=△H/L达西（Darcy）定律的适用条件 (1)只有当渗流为层流的时候才能适用达西渗透定律,故达西定律也称作土的层流渗透定律。
一般中砂、细砂、粉砂等细颗粒土中水的流速满足层流条件。
土壤——土壤质地的透水性实验说课课件-2024-2025学年高中地理人教版(2019)必修一
黏土土粒间孔隙小，通气、
透水性差，矿物质养分丰富， 黏粒有较强的吸附能力强， 保肥性强，保水性强，含水 量大，热容量较大，昼夜温 差小，这类土壤干时紧实坚 硬，湿时泥烂，耕作费力， 宜耕期较短。
壤土兼备砂土和黏土
的优点，有较好的通气透 水性，又有较强的保水保 肥性，含水量适宜，土温 稳定，可耕性较好，宜耕 期较长，适宜种植各种作 物，是比较理想的耕作土 壤
高一的学生对于土壤的了解大多停留在不同地区土壤的颜色差异及土壤的肥力和酸碱性会影响农 业生产，对土壤的质地了解较少，还需要系统的学习。
(二) 说教学目标
根据本节课的课程标准和学情制定了本节实验课的地理核心素养培养目标如下：
1 学生通过手指研磨感受土壤粒径大小，了解土壤质地。 2 掌握土壤渗水性实验的原理和基本步骤。 3 通过实验对比，了解不同质地的土壤渗水性及其对农业生产的影响，增强学
生对土壤的感性认识，落实人地协调观的培养。
(三) 说实验内容和实验方法
本节实验课为不同质地的土壤渗水性实验，通过对比实验法指导学生通过实验来了 解不同质地的土壤渗水性，保水保肥性，从而了解不同质地土壤的可耕作性。
实验器材准备
学生分组进行实验
实验问题总结
知识点引入： 土壤质地
教师讲解实验流程
记录实验结果
砂土
(四) 说实验教学流程
实验结果总结
砂土 壤土 黏土
平均颗粒
通气透水性 保水保肥性
较大，以砂粒占优势 适中，砂粒、粉粒、黏粒的比例适中
较小，黏粒占优势
强 良好
弱
弱 良好
强
(四) 说实验教学流程
实验易错总结：
1，实验过程中易出现放入的土壤标本和水不等量，导致实验结果有偏差 。 2，向土壤中注水时，倒水的速度应保持相同，否则会影响土壤的下渗速度
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模 拟 水 库 运 行 状 态 下 测 坑 地 下 水 位 ， 测 试 不 同 土 层 厚 度
埋 深 对 水 稻 各 生 长 阶 段 可 能 产 生 的 渍 害 程 度
模 拟 水 库 运 行 状 态 下 不 同 填 筑 高 度 形 成 的 测 坑 地 下 水
层 土 样 保 水 、 保 肥 、 粘 粒 含 量
一、《土壤水动力学》学习思考问题
•微小单元体建模过程进行了假设与概化，土壤
质地与模型参数关系。
•土壤水运动方程与地下水运动方程的共同点与
区别。
•土壤水动力学在本专业研究现状与实际应用状
况。
一、《土壤水动力学》应用
•水库淹没抬田工程—获得工程设计（土层结构
及相应厚度）施工指标（压实度等）
•排涝除渍工程。
分 析 原 状 土 各 层 物 理 化 学 特 性 、 粘 粒 含 量
粘 土 层 土 样 进 行 室 内 实 验
剖 面 观 测 并 取 耕 作 层 厚 度 、
水 位 耕 作 、 作 物 生 长 过 程 ， 调 查 产 量
模 拟 某 填 筑 方 案 非 水 库 运 行
（ 耕 作 层 、 粘 土 层 ） 填 筑 密 度 、 填 筑 含 水 量 、 渗 透 系 数
测 试 小 区 、 测 坑 试 验 填 土 各 土
密 度 、 填 筑 含 水 量 、 渗 透 系 数 确 定 保 水 及 控 制 含 水 率
模 拟 并 测 试 不 同 土 层 厚 度 （ 耕 作 层 、 粘 土 层 ） 填 筑
抬田工程前、后各项指标时间、空间尺度监测数据库 抬田工程技术、经济评价 制定抬田工程规范、发表论文、申请专利
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状
3、预测水库浸没的方法
3.1水库浸没数值计算 ①预测浸没的渗流计算模型：解析法、数值法和电拟法 ②应用于渗流分析的计算程序：TSAS程序、ZD—Flow程序 、3D—Flow程序、3DSP程序
3.2预测浸没的其他方法 ①粘性土起始水力坡度法 ②水库周边地区地下水奎高计算法
影响因素：工程造价和工程施工、 分层方案和各层土质受周围可用土质影响、 保水保肥保耕作土、土壤通气和适度渗漏需要
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状 4.2 抬田工程的研究现状 ③亭子口库区农田防护工程保水保土性能室内试验
图4 大型土柱试验装置
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状 4.2 抬田工程的研究现状 ②亭子口库区农田防护工程低地垫高方案
图3 防护区典型剖面设计
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状
5.2 江西省峡江抬田工程关键技术研究技术路线
峡江抬田工程关键技术研究 抬田区原状指标调查、试验 抬田工程填筑高度及各层填筑厚度、密度等指标确定 小区模拟试验 测坑模拟试验 室内实验
野外调查与现场试验
室内实验
种 植 结 构 、 耕 作 制 度 、 灌 溉 制 度 ）
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状 1.2水库浸没的危害
水库浸渍危害
地下水位升高
地 下 水 质 恶 化
地 下 盐 分 上 升 土 地 盐 碱 化
低 洼 地 沼 泽 化
建 筑 物 地 基 条 件 恶 化
渍 害 导 致 作 物 减 产
堤 坝 渗 漏 、 管 涌 和 坍 坡
图 1 水库浸渍危害示意图
入渗是水分进入土壤的过程。
•水文学中研究地表产流问题
•农田水利学研究灌溉或降雨后土壤水分的分布
•水资源评价中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、农药及污染物等随水
分迁移的问题。（南水北调氮磷面源污染，研 究中出现溶质不稳定问题）
抬田工程申报奖项 图4 抬田工程关键技术研究的技术路线
第六章 土壤水分的入渗 水循环 入渗（Infiltration）
蒸发（Evaporation）
田间土壤水循环的两种形态
入渗（Infiltration）
蒸发（Evaporation）
蒸腾（transpiration）
一、土壤水分入渗过程及规律
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状 2.2抬田
抬田
剥离耕作层→砂 卵石混合土层垫 高至安全高度→ 回填耕作层
抬田高度的确定= 作物生长期内地下 水适宜埋深的最大 值+相应时期地下 水位（浸润面）
作物生长期内地下水 适宜埋深的最大值= 毛细管水饱和区高度 +作物成长期内最大 的主根深度（水稻烤 田地下水位）
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状 4.2 抬田工程的研究现状 ①耒中水电站库区淹没抬田处理
保护农田，不需防洪堤、排渍站等工程,节省工程投资
抬 田 处 理 主 要 优 点
无需工程运行管理费用，是一种简单易行、 实用的库区淹没农田处理方式
抬田处理后，可减少占地28.2 hm2，减少移民420人。 抬田工程2002年底全部完工，2003、2004年全部投入 耕作，经过的实践检验，农田质量相对原有农田并未 下降，粮食产量稳产丰收，农民满意
抬 田 区 内 典 型 区 划 分 （ 相 应 的 作 物
度 及 土 壤 特 性 调 查 测 定
现 状 耕 作 层 、 犁 底 层 厚
水 位 等 耐 渍 指 标 调 查 、 类 比 、 原 位 测 定
作 物 各 生 长 阶 段 根 系 深 度 、 土 壤 水 分 、 地 下
分 析 原 状 各 土 层 渗 透 系 数 、 密 实 度 、 含 水 率
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展技术研究方案制定
抬田地面高程
抬 田 工 程 关 键 指 标
影响因素：水库回水、工程造价、 作物主要生长阶段对地下水位和土壤含水量的要求、 土壤淹水可能形成潜育、保水保肥保耕作土
抬田分层、各层厚度、各层土质和各层压实度
•滩涂开发工程。
•盐碱化治理工程
第一部分 国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状
1、水库浸没的界定及危害
1.1水库浸没的界定
河谷宽广、阶地发育、 地质条件不利的水库 比较水库蓄水后的回水水位高程 与当地临界地下水埋深的大小
评价 标准
水库蓄水
地下水 位奎高 判 断
水库浸没
建筑物：基础砌置深度+地基土的毛细上升高度 农作物：根系深度+土的毛细上升高度