土壤入渗理论与方法(改)
土壤入渗实验报告
一、实验目的1．加深对土壤渗吸速度变化的一般规律的了解。
2．了解土壤质地对土壤渗吸速度的影响。
3．掌握土壤渗吸速度的常规测定方法及装置原理。
二、实验设备水在土壤中入渗分为有压入渗和无压入渗。
如漫灌、畦灌和沟灌都属于有压入渗。
喷灌、滴灌属于无压入渗。
本试验是模拟有压入渗条件下，土壤渗吸速度的测定。
本试验为室内试验，试验装置如图4-1-1。
试验仪器大体分为由两部分，即试样渗吸桶和供水马氏瓶。
双环入渗试验的外环外径为15cm，内径14cm；内环的外径直径10cm，内径直径9cm，高15cm。
安装后要求内环环顶端与渗吸筒齐平，下端插入土内10cm。
试验桶正上方为自动供水箱（即为马氏瓶），使内环保持稳定的水层深度。
供水马氏瓶外径6cm，内径5cm。
此外再配备秒表、水桶、水勺和刮土板等试验用具。
三、实验方法及步骤1．实验准备工作a．人员分工每组实验人员3～5人，其中一人计时兼指挥，一人读取供水水位数值，一人加水，其余人员做记录和观察渗吸规律。
b．准备工作和内环一并称重，（1）测量试样桶容积V，按欲模拟土壤干容重干M。
计算出干土重'（2）将筛网贴紧桶底铺好，然后开始填装。
土样一般分5～6次填装，均匀夯实，层间要“打毛”。
土样全部装好后用刮板刮平表面，最后将马氏瓶安装好待用。
(3) 关闭供水箱（马氏瓶）的出水口，向水箱内注水，然后用胶塞密封注水进水口。
图4-1-1 试验装置示意图(4) 在试样图环内表层铺塑料薄膜，向环内注入约5cm深的水层，打开供水箱开关，用注射器抽水，直至马氏瓶能正常供水（目的是调节马氏瓶）。
(5) 检查秒表是否正常及回零位。
(6) 记录供水箱原始水位读数。
2. 实验方法及步骤试验人员必须精力集中，认真负责，在统一指挥下，分工协作，作好记录。
a．迅速抽取塑料薄膜，并开始记时水位数值。
b．读取第一分钟末供水箱的水位，按试验要求读取水位数值。
c．实验至渗吸速度稳定后(即每两次水位读数差相同)，实验结束。
入渗系数和径流系数
入渗系数和径流系数入渗系数和径流系数分别是水文学中常用的两个指标，它们分别用于描述土壤的渗透能力和降雨径流的生成过程。
在实际水文学应用中，这两个指标的准确性和精度直接影响到天然水文过程的解释和水文模型的建立。
下面本文将对入渗系数和径流系数进行详细地解释和介绍。
一、入渗系数1.定义土壤渗透能力是指土壤在一定时间内通过单位面积内的水量，即土壤的水分传导能力。
入渗系数（Infiltration Capacity）就是指单位时间内单位面积的降雨量能够渗透到土壤中的量，是土壤渗透能力的一种反映。
2.测定方法入渗系数的测定方法有最常用的现场试验法、试验盘法、室内试验法等多种方法。
其中，现场试验法是较为常用的一种方法，它通过在土壤表面放置一个具有一定容积的圆筒，所加水的流量被实时地记录下来，进而得到入渗系数的值。
3.影响因素（1）土壤结构：土壤颗粒间的间隙大小和分布状态是影响土壤渗透性的主要因素之一。
土壤颗粒越细腻，颗粒间距越小，则土壤的渗透能力越差，反之亦然。
（2）土壤水分：当土壤的水分饱和时，土壤的渗透能力显著降低；而当土壤处于干旱状态时，土壤的渗透能力会增强。
（3）降雨强度：当降雨强度增加时，土壤图蓝口改仁鲁的渗透能力会逐渐减弱，并且甚至渗透不良，从而导致冲刷和滞留。
4.应用入渗系数的应用范围很广，主要应用在下列方面：（1）降雨径流分析；（2）城市排水系统设计；（3）土地利用变化分析；（4）水文模型的建立等。
二、径流系数降雨水在下垫面流走的一部分称为径流，径流系数（Runoff coefficient）是指在特定的降雨情况下，单位面积的降雨量中产生径流的比例。
通常用C表示，其计算公式为：C = Q / P其中，Q为产生的径流，P为降雨量。
径流系数的测定方法主要有暴雨采样法、旅行时间法、雨强变化法等多种方法。
在实际应用中，根据研究对象和测量条件的不同选择不同的测量方法。
径流系数受到多种因素的影响，主要包括：（1）地形：地形的起伏和坡度是决定降雨径流的一个重要因素。
土壤入渗测定方法评述
土壤入渗测定方法评述[摘要]为了解不同的土壤入渗测定方法，本文在介绍国内外有关土壤入渗测定方法的若干研究成果和进展的基础上，简要地分析了目前常用的双环法、人工降雨法、水文分析法、圆盘入渗仪法和盘式负压入渗仪法。
结果表明圆盘入渗仪法多用于测量土壤的饱和导水率，同时具有省时、省力、省水和准确等优势，更适合野外试验，可以代替双环法进行土壤渗透性的测定。
[关键词]土壤入渗；测定；方法0 引言入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程，是土壤水动力学中重要的基本概念，它是降水、地面水、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节。
土壤水分入渗过程和入渗能力决定了降雨进程再分配中的地表径流和土壤储水性，在干旱、半干旱地区，林业发展的主要途径是充分有效地利用自然降水、减少地表径流、增加土壤水分。
定量描述土壤入渗过程是水循环及水利用的重要基础内容，对研究地表产流的机理，以及增加土壤入渗，提高作物水分利用效率等具有重要的理论意义和实践价值。
因此，土壤水分入渗的测定及其影响因子的研究受到极大的关注，许多学者就此问题进行了大量的研究，并获得了丰富的研究成果。
1 土壤入渗测定方法研究现状目前，国内外许多学者致力于土壤入渗测定方法的研究，并在试验研究中提出并应用了不同的方法和手段。
例如：环刀法、渗透筒法、单环法、水文法、马利奥特-双环法、人工降雨法、钻孔法、土柱法、稳定通量法、示踪法以及各种精密入渗仪法（如Hood入渗仪，Guelph入渗仪）等，可分为田间测定和室内试验2种。
Betrand（1965）曾对土壤入渗速率的测定方法作过评述。
在实际操作中常常受制于某些因素，使得基于不同方法所测定的结果有所不同。
目前使用较多的方法为双环法（注水法）、人工降雨法、水文分析法、圆盘入渗仪法和盘式负压入渗仪法等。
1.1 双环法双环法通常采用同心环入渗装置。
同心环为两个同心铁环，其上下无底，要有足够刚度，以便打入土中不变形。
一般常用的同心环，外环直径50.5㎝，内环直径30.5㎝，环高25㎝，打入土中15㎝，环高及打入土中深度与内环相同。
过程降雨入渗土壤深度推算方法研究
过程降雨入渗土壤深度推算方法研究杨海鹰(河南省气象科学研究所,河南 郑州 450003)摘 要: 土壤水的研究方法主要有 2 种,即能量法和数量法。
数量法着眼于土壤水的形态和数量,在一 般农田条件下容易被应用,具有很强的实用价值。
虽然土壤水研究在理论和应用上均有重要作用,但由于问 题的复杂性,在相当长的时期内只能处于定性的描述或用各种经验的方法处理生产实践中不断遇到的土壤 水问题的研究阶段。
Green-Ampt 模型的修正和 Philip 和 Parlange 入渗方程的求解是国外当前土壤研究的两大主要方面。
经过修正的 Green-Ampt 模型能较好地说明非均质土壤的程。
但在应用该模型时,如何测定湿润锋处土壤水 势的问题未能很好地解决。
大气降水经植被层的截留损失后降落入流域土壤表面，将在土壤界面发生水分的分配和转化，部分水 分将会通过土壤孔隙入渗，部分水分会在土壤表面蒸发，其余水分将沿坡面流动汇集形成地表径流。
对于 一次降水过程来说，降水期间地表水汽含量近于饱和,同时降水历时一般较短，因此土壤表面蒸发量可以忽 略不计农田中水分循环过程从水的入渗开始。
本文以 2009年2月 7-9 日河南省 118 个站点进行了实际观测。
分别观测降雨前、后的土壤含水量,确定由于降雨引起的土壤含水量变化深度,即降雨渗透深度,可得到一组 降雨量与渗透雨量数据系列,利用实验资料建立降雨与渗透深度相关计算区域降雨渗透量；就降水地土壤中 的渗透过程和渗透深度作以分析探讨，为各地面湿土厚度分析、农业生产、防汛抗旱与预测提供科学依据。
关键词: 降水渗透；土壤渗透；深度分析1 入渗理论与模型入渗是指水分进入土壤形成土壤水的运动过程, 是田间水循环过程中降雨或灌溉水向 土壤水分转化的重要环节。
许多学者就入渗特征提出了不同的模型,其中Green W H 和AmptG A [1-15] 早在1911年根据毛管理论提出的近似积水模型, 即Green-Ampt 入渗模型。
2.6 下渗
Ⅳ、湿润带
水分传递带之下，则是一个含水量随深度迅速减 少的水分带，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，如图2－5所示。
（2）降雨历时 降雨历时越长，则下渗历时亦长，湿润深度增大， 下渗总量增加；降雨历时短则相反。 （3）降雨过程 若降雨先小后大，先降的雨水使土壤湿润，颗粒 膨胀，孔隙变小，使下渗强度减小，后期降雨量 虽大，但不能大量下渗，使下渗总量较小；反之， 降雨过程为先大后小，下渗总量较大。尤其在土 壤含水量比较小时，降雨过程对下渗量的影响比 较显著。
二、下渗理论与下渗经验公式
（一）下渗理论 （P76－78） 根据土壤水运动的一般原理，用以研究下 渗规律及其影响因素的理论，称为下渗理 论，由于水的下渗既可能在非饱和的岩土 孔隙中运行，亦可能在饱和条件下运行， 所以可相应地区分为非饱和下渗理论和饱 和下渗理论。 1.非饱和下渗理论简介 （略） 2.饱和下渗理论模式 （略）
（二）降雨特性
降水特性包括降水强度、历时、降水过程及降水的空间 分布 等。 （1）降水强度直接影响土壤下渗强度及下渗水量 在降水强度（雨强）＜下渗能力fp时，尤其雨强i＜稳定 下渗率fc时，降水全部渗人土壤，下渗过程受降水过程制 约；当降水强度i＞下渗强度f时，则产生超渗雨，形成径 流。 一般地，降雨强度大，供水充分，有利于下渗；降雨强度 大，雨滴大，对土粒及土壤孔隙口的压力大，则增大土壤 饱和度和下渗率。尤其在有草皮覆盖的情况下，下渗率随 雨强增大而增大的规律更为明显。 但是，在无植被覆盖的赤裸土壤，下渗率却随降雨强度增 大而减小。如，我国的黄土高原，因植被稀疏，降雨强度 增大时，雨滴将相应增大，雨滴将以较大能量充填及阻塞 土壤孔隙，从而使下渗率减小。
土壤入渗速度测定实验
实验一 土壤入渗速度的测定实验一、实验目的1．测定特土壤的垂直入渗特性曲线。
2．掌握测定土壤吸渗和入渗速度的操作方法。
二、实验原理考斯加可夫公式：i t ＝i 1t -a ---------------------------- (1) i t ——入渗开始后时间t 的入渗速度；i 1——在第一个单位时间土壤的渗透系数，相当于t ＝l 时的土壤下渗速度； a —指数。
对公式（1）取对数得lgi t ＝lgi 1-a·lgt ----------------------- (2) 实测的lgi t ，lgt 点应成直线关系，取t=1时的i 值，极为i 1，该直线的斜率为a 值。
计算时t a ，t b 时刻对应i a ，i b ，代入下式得ba ba t t i i a lg lg lg lg --=----------------------- (3)若已知i 1，a 值也可以按下述方法推求，有式（1）积分得ata tt ai dt t i idt I ---===⎰⎰110101----------------------- (4)I 为时间t 内总入渗量（累积入渗量），由实测数据得出，由于i 1已知，故a 可以求出。
该法的缺点时很难测定第一个单位时间的入渗强度。
三、实验设备 1．土壤入渗仪：一套； 2．秒表：一只 3．量筒、滤纸、烧杯 4．排水管5．接渗瓶四、实验步骤1．装土：将玻璃管从入渗仪上取下，底部放入一片滤纸，然后装土，在装土期间，用木棒稍捣，要求土样均匀，装土至玻璃管即可，再在土样上部放入一张滤纸，把玻璃管与入渗仪连接好。
2．加水：关闭水阀，打开排气阀，用烧杯向加水槽加水，使量桶里的水位到达到一定刻度处，然后关闭排气阀。
3．建立水头开始实验：用烧杯迅速向玻璃管加水至玻璃管上标线，水头建立后，立即打开供水阀，同时打开秒表计时，三者要求同时进行，动作要迅速、准确、细心。
4．记数：实验开始后秒表不能中断，要求每隔1分钟1次，共读10次，再每隔2分钟读1次，共读10次，再每隔3分钟读1次，共读5次，以后每隔5分钟读1次，直到两相邻时段内，读数差值相等，说明土壤入渗已经达到稳定，即停止实验，记录项目为记录表中的第l项和第2项。
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。
用盘式负压入渗仪计算土壤水动力参数的改进方法
( f 1πr0 + 4 f1λc r0 )k1 = Q1 ; ( f 2πr0 + 4 f 2 λc r0 )k 2 = Q2 ; k1 exp(−
∆h
λc
) = k2
(4)
式中：Q1 和 Q2 分别是两个低供水吸力下某一入渗时间的入渗体积；f1 和 f2 是由 Warrick 的水分由盘源线性 [8] 扩散的解 获得的将任一入渗时间的入渗速度与稳态入渗速度相联系的校正系数，该系数还与供水吸力和 入渗时间有关。 1.1.3 本文模型 Xue et al.引用了 Warrick 推导的盘式源入渗模型。这一模型是在不考虑重力情况下 建立起来的，但是当盘径较大时，重力的影响是不容忽视的，如果仍采用该模型，必定会引起较大的计算 [9] 误差 。为此，在考虑重力情况下，将 Warrick 推导的盘式源入渗模型进行改进，推导方法如下。 Hussen 和 Warrick 提出了有关于入渗率 i 的公式
[8]
i = 0.5St −0.5 +
Qss [1 + α exp(−ct )] πr02
(5)
在不考虑重力情况下，根据 Warrick 的推导有
[8]
Qss = QD = 2π 0.5 SD 0.5 r0
(6)
2
水
2005 年 8 月
利
学
报
第 36 卷
0.5
SHUILI
XUEBAO
第8期
2
式中：QD 是不考虑重力情况下的稳定入渗体积；S 是吸水系数，单位是 m/s ；D 是扩散系数，单位是 m /s。 White 和 Sully 提供了宏观毛管上升高度与土壤吸水系数之间的关系 S=[(θ -θ i)(k-ki)λ c/b]
土壤渗透的工作原理
土壤渗透的工作原理
土壤渗透是指水分从土壤表面通过渗透作用逐渐向下渗透至土壤深层的过程。
其工作原理主要包括以下几个方面：
1. 重力作用：土壤渗透主要受到重力的影响。
当水分分子受到重力作用，会沿着土壤孔隙的方向向下运动，从而实现渗透。
2. 毛细力作用：毛细力是指液体在细小孔隙中及小管道中产生的一种吸引力。
当土壤细孔隙中存在水分时，由于土壤细孔隙的直径小于水分分子的直径，水分分子在细孔隙中受到毛细力的作用而向上升。
3. 饱和逼排：土壤内孔隙中充满的水分达到一定饱和度后，超过饱和度的水分将由于孔隙的限制无法向上升，从而被推动向下渗透。
4. 壤土结构和孔隙度：土壤颗粒之间的排列和结构以及孔隙度对渗透过程起着重要的作用。
当土壤颗粒之间排列较紧密、孔隙度较小时，水分的渗透能力较差，反之则较好。
综上所述，土壤渗透主要受到重力作用、毛细力作用、饱和逼排以及壤土结构和孔隙度的影响，水分分子沿着孔隙的方向通过这些作用逐渐向下渗透至土壤深层。
土壤水分入渗
•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
土壤水分的入渗
一、土壤水分入渗过程及规律
（一）入渗的物理过程
土壤水分在土壤中运动受到分子力、毛管力和 重力的控制，其运动过程也就是在各种力综合作 用下寻求平衡的过程。当毛管孔隙充水达到饱和 时，水分主要在重力作用下运动。 1.下渗过程中水分的作用力和运动特征，可分为 三个阶段：
是连续湿润锋面与水分传导带的一个含水量随深度 迅速减小的水分带，随着湿润锋的不断下移，使其下 面的干土含水量增加，变为湿润带。
5. 湿润锋
在湿润带的末端，土壤含水量突变，与下 层干土有明显界面，称为湿润锋。
新的认识
传导区和湿润带是存在的，饱和区和过渡 区不明显，饱和区很难完全。
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
D 1 v |x0 D( ) |x0 (0 i ) t 2 x
f v ( 0 i ) D t
1 2
代入(7), 入渗速率
入渗速率f
重要结论:
f与t 成正比
1 2
二、非饱和下渗理论与计算
初始条件
初始条件（t=0）时，含水率或水势分布为深度z的函数， 即：
一、土壤水分入渗过程及规律 （四）影响入渗过程的条件
边界条件
分为三种类型： Dirchlet(狄利克雷)条件：它是给定上下边界的土壤含水 率或土壤水势，即，
一、土壤水分入渗过程及规律 （四）影响入渗过程的条件
边界条件
分为三种类型： Neumann(纽曼)条件：它是给定边界的水流通量，即，
入渗速率 (是时间的函数)
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
东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟
第22卷 第2期2024年4月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.22 No.2Apr.2024DOI :10.16843/j.sswc.2023020东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟李若凡1,谢 云1,2†,辛 艳3,杨静怡1,刘 刚2,蔺宏宏1(1.北京师范大学地理科学学部,100875,北京;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京;3.中国水利水电科学研究院,100038,北京)摘要:土壤入渗与土壤侵蚀密切相关㊂研究黑土土壤入渗特征对于黑土土壤侵蚀预测与防护有重要作用㊂为探明不同侵蚀程度黑土的水分运移过程,采用室内土柱实验法观测并评价HYDRUS1D 模型在东北黑土区的适用性㊂其中,轻度侵蚀土壤表土层A 层厚度和淀积层B 层厚度分别为30和25cm,中度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为30和10cm,重度侵蚀土壤A 层和B 层厚度分别为0和15cm㊂结果表明:轻㊁中㊁重3种不同侵蚀程度土壤的稳定入渗率分别为0.16㊁0.25和0.72cm /h,湿润锋运移速率为2.52㊁3.32和9.85cm/h㊂由于黑土黏重特性,HYDRUS 1D 模型在黑土区的适用性较低,轻㊁中度侵蚀土壤的稳定入渗率分别高估2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳定入渗率低估0.4倍,其中中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果相对较好,可为土壤水蚀过程模拟和水土流失治理提供基础依据㊂关键词:土壤入渗;土柱实验;HYDRUS 1D;黑土;土壤侵蚀程度中图分类号:S157.1文献标志码:A文章编号:2096⁃2673(2024)02⁃0017⁃08引用格式:李若凡,谢云,辛艳,等.东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟[J].中国水土保持科学,2024,22(2):17-24.LI Ruofan,XIE Yun,XIN Yan,et al.Soil infiltration characteristics and simulation of different eroded degrees in the black soil region of Northeast China[J].Science of Soil and Water Conservation,2024,22(2):17-24.收稿日期:20230215 修回日期:20230605项目名称:国家 十四五 重点研发计划项目课题 黑土农田侵蚀阻控原理及水土保持措施效应”(2021YFD1500705)第一作者简介:李若凡(1998 ),女,硕士研究生㊂主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持㊂E⁃mail:lrfzrdl@†通信作者简介:谢云(1964 ),女,博士,教授㊂主要研究方向:土地生产力,土壤侵蚀和气候影响评价㊂E⁃mail:xieyun@Soil infiltration characteristics and simulation of different erodeddegrees in the black soil region of Northeast ChinaLI Ruofan 1,XIE Yun 1,2,XIN Yan 3,YANG Jingyi 1,LIU Gang 2,LIN Honghong 1(1.Faculty of Geographic Sciences,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,100038,Beijing,China)Abstract :[Background ]The black soil area in Northeast China is an important grain producing area in China.The problem of soil degradation caused by soil erosion in the black soil area is becoming more and more obvious.It is of great significance to study the infiltration characteristics of black soil with differentdegrees of erosion to control slope soil erosion.The application of HYDRUS 1D model is more extensive,and it is mostly concentrated in the arid area of Northwest China.Whether the model can simulate the infiltration of black soil needs further study or not.[Methods ]The author collected black soil samples with slight,moderate and severe eroded degrees in the typical black soil area of Heshan Farm in Heilongjiang province,and determined the one⁃dimensional vertical infiltration process based on indoor中国水土保持科学2024年soil column experiments.The black soil with different eroded degrees was determined according to the thickness of the black soil layer(layer A)and the thickness of the deposited layer(layer B).The HYDRUS1D model was used to simulate soil infiltration.The simulation results were compared with the measured data,and the applicability of the model in the black soil area was evaluated by using Origin software.[Results]1)Firstly,the stable infiltration time of severe,moderate and slight eroded soil was 8,26and36h,respectively,and the infiltration rate was0.72,0.25and0.16cm/h,respectively.The higher the degree of erosion,the greater the cumulative infiltration amount of soil in the same infiltration duration.2)Secondly,in terms of the change characteristics of the wetting front with time,the soil with slight,moderate and severe eroded degrees has a slower infiltration rate to the lower layer,and the wetting front migration rate slows down accordingly,and the average speed of the wetting front migration of the soil with three erosion degrees is:2.52,3.32and9.85cm/h,respectively.3)Finally,there are some differences in the trend of soil moisture content with time in the infiltration process of the three soils.The saturated water content of soil decreases with the increase of erosion degree.The saturated water content of slight eroded soil is about4.9%higher than that of moderate eroded soil,and the saturated water content of specific severe eroded soil is about9.4%higher than that of moderate eroded soil.The saturated water content of each soil decreased with the deepening of soil layers.According to the erosion intensity from weak to strong,the saturated water content of the surface soil was7.8%, 8.0%and12.8%higher than that of the lowest layer,respectively.[Conclusions]The infiltration process simulated by HYDRUS1D underestimates the infiltration of soil with high sand content and overestimates the infiltration of soil with high clay content.The infiltration capacity of slight and moderate eroded soil was overestimated,while the infiltration capacity of severe eroded soil was underestimated. Among them,the fitting results of moderate eroded soil infiltration are better than those of the other two erosded soils.We can try to further modify the parameter values of residual water content and saturated water content,and optimize the fitting results.Keywords:soil infiltration;soil column experiment;HYDRUS1D;black soil;soil eroded degrees 东北黑土区是我国重要的粮食主产区,也是我国重要的商品粮基地,被视为中国粮食安全的 压舱石”㊂该地区纬度较高,雨热同期,属寒温带大陆性季风气候㊂黑土具有有机质含量高㊁质地黏重㊁入渗能力较弱㊁易产生地表径流的特征㊂在近百年的开垦过程中,由于缺乏保护,黑土区水土流失导致的土壤退化问题越来越明显,并得到广泛关注㊂地表径流是坡面土壤侵蚀发生的动力基础㊂径流是由降雨或灌溉水到达地表之后超过土壤入渗能力的水分形成的㊂因此,土壤入渗是影响侵蚀过程的重要环节㊂研究不同侵蚀程度黑土的入渗特征对治理坡面土壤侵蚀具有重要意义㊂不同类型的土壤入渗过程差异很大㊂每种入渗模型都不可能适用于所有土壤㊂依据土壤的特性选择适用的入渗模型并加以改进,是目前主流的土壤入渗模拟方法㊂HYDRUS1D是由美国国家盐改中心(US Salinity Laboratory)于1991年开发的商业化软件㊂该软件是一种用于模拟变饱和带多孔介质中的水分㊁热量和溶质运移的数值模型,能够较好地模拟水分㊁溶质和能量在土壤中的时空分布变化及运移规律[1]㊂郭雯等[2]在内蒙古高原西部腰坝绿洲利用该模型模拟土壤水分入渗过程,模拟结果与实测含水率拟合较好,模型平均R E㊁R MSE值分别为6.1%㊁0.015cm3/cm3,误差较小,精度较高;李琦等[3]以华北平原区典型冬小麦农田土壤为研究对象,结合野外观测与室内土柱试验,借助该软件建立水盐运移模型,模拟结果的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,能较好且稳定地模拟土壤内部水分的运移过程;王国帅等[4]利用该模型模拟沙丘㊁沙丘 荒地交界和荒地土壤水分和盐分运移动态,R MSE为0.01~0.03cm3/cm3,R2为0.85~0.92,其结果能较好地反映出土壤水分的动态变化㊂我国HYDRUS1D模型的应用研究多集中于西北干旱地区,该模型是否能模拟黑土入渗需81 第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟要进一步研究㊂笔者将基于室内土柱试验,观测典型黑土区不同侵蚀程度黑土土壤入渗过程,并利用HYDRUS1D模型模拟,通过比较模型模拟结果与实测数据,评价该模型对东北黑土区不同侵蚀程度土壤的模拟效果,为黑土土壤入渗模拟和土壤侵蚀预报提供基础㊂这对黑土土壤水蚀过程模拟和水土流失治理有重要的实际意义㊂1 材料与方法1.1 土壤样品采集与测定室内土柱试验于2020年在黑龙江省黑河市嫩 江县鹤山农场境内的北京师范大学九三水土保持试验站(E125°16′~125°21′,N48°59′~49°03′)完成㊂供试土壤选择轻度㊁中度及重度3种不同侵蚀程度的土壤(表1),测定其一维垂直入渗过程,每种土壤类型设置3个重复㊂不同侵蚀程度黑土根据表层的黑土层(A层)厚度和其下淀积层(B层)厚度确定:轻度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和25cm,中度侵蚀的土壤A㊁B层分别为30和10cm,重度侵蚀的土壤A㊁B层分别为0和15cm(表2)㊂1.2 入渗实验装置与方法试验由土柱系统和供水装置组成㊂土柱系统:土柱装土50cm高,直径28.4cm,为 表1 3种侵蚀程度土壤密度及机械组成Tab.1 Soil bulk densities and mechanical compositions at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cm土粒密度Bulk density/(g㊃cm-3)砂粒Sand content/%粉粒Silt content/%黏粒Clay content/% 0~101.0612.4545.5642.00 10~201.2811.2747.6941.04轻度Slight20~301.249.4748.9941.54 30~401.4910.2348.1741.6040~501.5211.7547.2840.960~101.1819.4746.9433.5910~201.3928.5048.9722.53中度Moderate20~301.4729.4648.2422.30 30~401.4631.4038.0730.5340~501.4530.0838.1331.790~101.4363.9415.7020.3610~201.5366.3414.6219.04重度Severe20~301.8164.3310.3925.28 30~402.0768.9812.7918.2340~501.7174.6711.2714.06表2 3种侵蚀程度土壤取土位置和土壤剖面Tab.2 Soil sampling position and soil profile at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree取土位置Soil location地貌部位Landformposition黑土(A)层深度Black soil(A)depth/cm淀积(B)层深度Deposition(B)layer depth/cm母质出现深度Appearing parentmaterial depth/cm母质类型Parent materialtype轻度Slight E125°18′21″N49°01′58″坡中Middle slope0~3030~5555黄黏土Yellow clay中度Moderate E125°19′40″N49°00′39″坡中上Middle and upper slope0~3030~4040黄黏土Yellow clay重度Severe E125°19′24″N49°00′42″坡中上Middle and upper slope00~1515黄砂Yellow sand透明有机玻璃圆柱㊂每次试验准备3个土柱,分别按照轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的原状土壤分层,每层10cm分层填装进土柱,装土密度与原状土密度一致,层间用毛刷打毛㊂将土柱挂上铁架,每个土柱每层中间位置(即5㊁15㊁25㊁35和45cm处)安装水分温度传感器探头,探头长度为15cm,数据采集器每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂为确保试验的准确性,再设置2次重复试验㊂供水装置:马氏瓶,保证土面上方有3cm的稳定水头㊂91中国水土保持科学2024年试验开始,马氏瓶中水位每下降1cm手动记录1次历时㊂数据采集器每隔1min记录土柱质量的变化,每隔5min记录剖面含水量变化㊂若连续5个时刻记录点的入渗速率基本相同,将第1个时刻记作达到稳渗的时刻,并把连续5个记录点的平均入渗速率做为稳渗速率㊂同时记录湿润锋运移情况,湿润峰到达土柱底部后停止马氏瓶供水㊂用塑料薄膜密封土柱上表面防止蒸发,待所有土柱排水口不再有水流出时,撤下塑料薄膜,试验结束㊂综上,本研究进行3次试验,共9组数据,分别计算:1)累积入渗量与入渗速率㊂土柱试验过程中需要手动记录入渗过程中马氏瓶中水位每下降1cm所需要的时间㊂测量马氏瓶水位每下降1cm的水流通量,根据记录表中的时间间隔计算入渗过程中的累积入渗量与入渗速率㊂I1=ΔlQ0/S;(1)I=I1+I2+I3+ +I n;(2)f=I/t㊂(3)式中:I n为每段时间的累积入渗量,cm;Δl为马氏瓶水位差;Q0为马氏瓶每cm的水流通量,mL;S为土柱的横截面积,cm2;I为总累积入渗量,cm;f为入渗速率,cm/h;t为时间,h㊂2)土壤含水量㊂数采每5min输出相应位置的土壤含水量数据㊂3)湿润锋运移㊂土柱上贴有刻度尺,根据湿润锋运移的速率选择记录间隔㊂在试验刚开始时入渗速率较快,每3min记录1次湿润锋位置,随着试验的进行湿润锋移动速率逐渐减慢,记录时间间隔增大,最大时间间隔不超过2h㊂将记录下的刻度转化为入渗深度,得到湿润锋运移情况㊂1.3 HYDRUS1D模型入渗计算笔者使用软件的模拟水流程序模拟土壤水分入渗㊂该模型仅考虑一维垂向运移时的土壤水分运动,并采用Richards方程来描述一维非饱和土壤水流的运动[5]㊂HYDRUS1D模型中水分特征曲线模型有Van Genuchten㊁Modified Van Genuchten㊁Brooks⁃Corey和Kosugi等㊂笔者采用运用最为广泛的㊁也更适合东北黑土[6]的Van Genuchten模型来拟合土壤水力性质㊂HYDRUS1D中VG模型表达式为:θ(h)=θr+θs-θr(1+|α×h|n)m h<0θs h≥ìîíïïï0;(4)K(h)=K s S l e(1-(1-S1/m e)m)2;(5)m=1-1n n>1;(6)S e=θ-θrθs-θr㊂(7)式中:θ(h)为土壤含水量随土壤水势的变化函数;h为土壤的有压水头,cm;θr和θs分别为残余含水量和饱和含水量,cm3/cm3;K(h)为非饱和导水率,cm/h;K s为饱和导水率,cm/h;α为进气吸力值的倒数;n为孔隙度连通性参数,m为经验参数;l为形状参数,l=0.5;S e为有效水分含量㊂入渗模拟过程中需要设置的指标有剖面形态㊁时间步长㊁土壤水力参数和边界条件等㊂其中土壤水力参数是进行模拟的主要指标,包括:残余含水量θr㊁饱和含水量θs㊁进气吸力值α㊁孔隙度连通性参数n㊁饱和导水率K s和形状参数l等,这些参数主要通过土壤水分特征曲线模拟来获得㊂本实验中θr㊁θs和K s均有实测数据,α㊁n和l3个参数依靠模型内置函数模拟,共设置5种模拟情况:1)θr㊁K s㊁θs均为模拟值;2)θr㊁K s㊁θs均为实测值;3)θr㊁K s为模拟值,θs为实测值;4)K s为模拟值,θr㊁θs为实测值;5)θr为模拟值,K s㊁θs为实测值㊂采用Excel2010和SPSS24.0软件对数据进行分析,用Pearson法对累积入渗量㊁入渗速率的模拟值与实测值进行相关分析,利用Origin2010软件作图㊂2 结果与分析2.1 不同侵蚀程度黑土入渗速率及累积入渗量随时间的变化特征由图1可见,重㊁中㊁轻度侵蚀土壤达到稳渗的时间分别为8㊁26和36h,稳渗时的入渗速率为0.72㊁0.25和0.16cm/h,完成整个入渗的历时分别为10.2㊁31.5和50h㊂针对一次完整的入渗过程,轻度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7.3㊁4㊁3.9㊁3.4和3.6cm;中度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为7㊁3.6㊁3.4㊁4.5和2.5cm;重度侵蚀土壤每层累积入渗量分别为5㊁3.2㊁2.6㊁2和3.7cm㊂通常情况下,黏粒含量越高的土壤对水的吸附能力越强,相同势能下的水分通量会相应变小,因此侵蚀程度越高的土壤在相同的入渗历时内累积入渗量会越大(图1)㊂2.2 不同侵蚀程度黑土湿润锋随时间变化特征湿润锋的运移可以反映出土壤的入渗能力[7]㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度的土壤均是越向下层入渗速02 第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟图1 不同侵蚀程度土壤入渗速率及累积入渗量Fig.1 Infiltration rates and cumulative infiltrations of soils with different erosion degrees率越慢,湿润锋运移速率相应减慢(图2)㊂轻度侵蚀的土柱在1h 处完成第1层10cm 土壤的入渗,并开始第2层的入渗,5h 开始第3层入渗,14.5h 开始第4层入渗,28.7h 开始第5层入渗,50h 的时候完成整个入渗过程㊂每层入渗耗时分别为1㊁4㊁9.5㊁14.2和21.3h㊂中度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为1㊁4.4㊁7㊁10.1和14h;重度侵蚀的土柱每层入渗耗时分别为0.25㊁0.6㊁1.7㊁3.5和5.2h㊂轻㊁中㊁重3种侵蚀程度湿润锋运移的平均速度分别为:2.52㊁3.32和9.85cm /h㊂图2 轻㊁中㊁重度侵蚀土壤入渗湿润锋运移变化Fig.2 Changes of wetting front migrations of infiltrationsin slight,moderate and severe eroded soils2.3 不同侵蚀程度黑土入渗过程中剖面含水量随时间变化特征将入渗过程中土壤含水量最大并不再发生明显变化的数值作为土壤饱和含水量㊂3种土壤在入渗过程中的土壤水分含量随时间变化的趋势存在一定的差异㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少,轻度侵蚀土壤比中度侵蚀土壤饱和含水率平均高4.9%左右,比重度侵蚀土壤饱和含水率平均高9.4%左右㊂每种土壤的饱和含水率随土壤层数的加深而减少,3种土壤按侵蚀强度由弱到强,其表层土壤饱和含水率比最下层分别大7.8%㊁8.0%和12.8%(图3)㊂2.4 HYDRUS 1D 模型模拟黑土土壤入渗通过HYDRUS 1D 内置函数所得到的模拟值如表3所示,其他模拟情况均根据表中参数进行校正设置㊂根据入渗过程拟合可以看出,总体上轻度侵蚀土壤的累积入渗量被高估,重度侵蚀土壤的累积入渗量被低估,中度侵蚀土壤的拟合情况相对最好,模拟值与实测值分布于1∶1线两侧,且较为集中,所以HYDRUS 1D 对于相对极端情况的黑土拟合情况较差(图4)㊂入渗速率由土壤累积入渗量计算得到,所以其拟合结果的特征与累积入渗量的规律相似(图5)㊂除重度侵蚀土壤能够看出实际入渗速率明显高于模拟结果,其余土壤实际入渗与拟合结果的差异并不明显㊂轻㊁中㊁重度3种土壤的稳定入渗率模拟值与实测值也存在差异(表4),轻中度侵蚀土壤的稳定入渗率被高估,模拟值分别为实测值的2.5倍和1.6倍,而重度侵蚀土壤的稳渗率被低估,模拟值为实测值的0.4倍㊂3 讨论3.1 侵蚀程度对黑土入渗的影响本研究通过室内土柱试验,分别分析不同侵蚀程度黑土的初始入渗速率㊁稳定入渗率㊁湿润锋运移速率以及土壤剖面含水量随时间变化特征,可知初始入渗速率主要受供水装置影响,入渗过程刚开始时风干土壤的含水量很小,土壤的基质势梯度很大,12中国水土保持科学2024年 图3 轻㊁中㊁重度侵蚀土壤10~50cm分层土壤含水率随时间变化Fig.3 Variation of soil moisture contents with time in10-50cm divided layers of slight,moderate and severe eroded soils表3 3种侵蚀程度土壤土柱所有模拟参数数值Tab.3 All simulated parameters of soil column with three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree土层Soil horizon/cmθrθsα/(cm-1)n K s/(cm㊃h-1)0~100.10280.56600.01431.38942.496710~200.09680.49970.01171.41960.7217轻度Slight20~300.09860.51510.01211.41370.902930~400.09100.44270.01121.39750.211740~500.08900.43090.01121.39200.17920~100.09130.50390.00951.49081.366210~200.06890.41160.00691.58670.5396中度Moderate20~300.06610.39340.00751.55840.375430~400.07780.41780.01081.45310.298340~500.08000.42420.01091.44950.31330~100.06290.41950.02281.42281.457510~200.05810.39130.02581.39751.0963重度Severe20~300.05060.31360.01431.31140.090030~400.04490.25800.03891.25080.115840~500.04740.33760.03631.39810.9696 注:θr:残余含水量,cm3/cm3;θs:饱和含水量,cm3/cm3;α:进气吸力值的倒数;n:孔隙度连通性参数;K s:饱和导水率,cm/h㊂下同㊂Notes:θr:Residue water,cm3/cm3;θs:saturation capacity,cm3/cm3;α:the inverse of air⁃entry value;n:porosity connectivity parameters;K s:saturated hy⁃draulic conductivity,cm/h.The same below.土壤的入渗能力较强,入渗速率主要取决于供水速率㊂但随着入渗过程的不断进行,土壤的基质势梯度会逐渐趋近于0,使入渗速率逐渐保持在一个较小的稳定值,即进入稳定入渗阶段㊂稳定入渗阶段是指土壤入渗经过瞬变和渐变阶段之后达到的一种入渗速率处于相对稳定的阶段㊂稳渗速率是反映土壤渗透性能的主要指标[8]㊂不同侵蚀程度黑土土壤机械组成结构不同,侵蚀程度强的土壤中砂粒含量越高,土壤孔隙度越大,导水率相应变大,入渗过程加快,稳渗率越高㊂因此土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率较高,反之递减㊂不同侵蚀程度黑土下不同剖面含水22 第2期李若凡等:东北黑土区不同侵蚀程度土壤入渗特征与模拟 S :模拟值;M:实测值㊂下同㊂S:Simulated value.M:Measured value.The same below.图4 轻度㊁中度和重度侵蚀土壤累积入渗量模拟值与实测值相关性分析Fig.4 Correlation analysis between simulated and measured cumulative infiltration in slight,moderateland severe eroded soils图5 轻度㊁中度和重度侵蚀入渗速率模拟值与实测值相关性分析Fig.5 Correlation analysis between simulated and measured values of infiltration rates of slight,moderateand severe eroded soils表4 3种侵蚀程度土壤稳定入渗率及模拟值Tab.4 Soil stable infiltration rate and simulated values at three eroded degrees侵蚀程度Eroded degree 实测稳定入渗率Measured stableinfiltration rate /(cm ㊃h -1)5种模拟情况下的稳定入渗率Stable infiltration rate under five simulated conditions /(cm ㊃h -1)S:θr ㊁K s ㊁θsM:θr ㊁K s ㊁θs S:θr ㊁K s ;M:θsS:K s ;M:θr ㊁θsS:θr ;M:K s ㊁θs轻度Slight 0.160.3980.00570.3980.3980.0073中度Moderate 0.250.398 0.4460.446 重度Severe 0.720.2160.2680.2020.2170.278RMSE0.3670.3830.390 注: :模拟过程提前结束,无数值的情况㊂Notes: :The simulation process ends early,and there is no numerical case.量其分布规律与土壤累积入渗量的规律相似,这是由于土壤中黏粒含量较高会吸附更多的水分导致土壤饱和含水率更高㊂3.2 不同侵蚀程度黑土入渗模拟效果3种侵蚀程度土壤的土壤含水量的模拟结果与入渗速率和累积入渗量的规律相符,均为轻中㊁度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂这表明HYDRUS 1D 模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗,高估黏粒含量较高的土壤入渗,黑土较为黏重的质地影响HYDRUS 1D 中内置函数对于土壤入渗过程的模拟,导致入渗模型的适用性稍差㊂在所32中国水土保持科学2024年模拟的6个水力参数中,针对轻度侵蚀地块土壤,K s 是主要的误差来源,对拟合结果的影响最明显:拟合时表层K s值有所低估,而在深层K s值被高估;中度侵蚀地块的拟合情况较好,有完整模拟过程的模拟情况1)㊁3)和4)有相同的趋势;重度侵蚀地块的所有模拟情况均明显少于实际入渗㊂这是由于重度侵蚀土壤底层密度较大,模拟出的K s值偏小,实测出的K s值并没有明显大于其他2种侵蚀程度土壤所导致的㊂水势梯度是由水头㊁重力㊁基质力和毛管力决定的,在实测入渗与模拟入渗设置的前期条件相同的时候,两者的水势梯度是没有太大差别的㊂所以入渗速率的差异主要是由饱和导水率值的差异造成的,饱和导水率是影响模拟结果最关键的因子㊂4 结论通过室内土柱实验发现,不同侵蚀程度黑土的入渗性能不同:3种侵蚀程度黑土的入渗速率在入渗开始时均较大,而后逐渐减小,最后趋于稳定,每种土壤上层的入渗速率均大于下层㊂随着侵蚀程度加剧,土壤入渗速率㊁累积入渗量及湿润锋运移速度加大,土壤达到稳渗的时间越短,完成入渗的时间也越短,最终的稳定入渗率也较高㊂土壤饱和含水率随着侵蚀程度的增大而减少㊂3种不同侵蚀程度土壤入渗过程的含水量模拟结果与实测结果差异较大,轻中度侵蚀土壤模拟的入渗过程快于实测过程,而重度侵蚀土壤模拟的入渗过程慢于实测过程㊂HYDRUS1D模拟入渗过程会低估砂粒含量较高的土壤入渗而高估黏粒含量较高的土壤入渗㊂应用HYDRUS1D模型模拟不同侵蚀程度黑土入渗过程的结果发现,轻㊁中度侵蚀土壤的入渗能力被高估,而重度侵蚀土壤的入渗能力被低估㊂其中,中度侵蚀的土壤入渗的拟合结果好于其他2种侵蚀程度土壤㊂可尝试进一步修正残余含水量和饱和含水量的参数数值,优化拟合结果㊂5 参考文献[1] 卞建民,李育松,胡昱欣,等.基于Hydrus1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究[J].干旱地区农业研究,2014,32(2):191.BIAN Jianmin,LI Yusong,Hu Yuxin,et al.Study onrecharge from dry farmland irrigation based on the Hydrus1D model in Da′an irrigation district[J].AgriculturalResearch in the Arid Areas,2014,32(2):191. 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土壤入渗理论与方法
西南林业大学硕士研究生文献综述论文题目：土壤入渗理论与方法学院：环境科学与工程学院年级： 2014级成员：冯晓月阮书鹏曹向文指导教师：宋维峰2015年4 月25 日摘要入渗是水文学中重要的基本概念，定量确定土壤入渗性能对认识水循环及水利用具有重要的理论意义和实践价值。
当然，从不同角度出发去探讨土壤入渗也有不同的科研意义。
本文试图通过对目前国内外对土壤入渗的研究做一个系统性归纳与对比，从而为下一步的学术论文打下基础。
关键词土壤入渗；方法；模型；影响因素AbstractInfiltration is a vital basic concepts in hydrology, qualitatively analysis soil infiltration capability has important theoretical significance and practical value in the water cycle and use. Of course, using different angle of view to discuss soil infiltration also have different research significance. This article attempts to do a systematic induction and comparison through the study of soil water infiltration at home and abroad, which lays the foundation for the next academic paper.Key wordssoil infiltration;methods; the influence of factors目录摘要 (II)关键词 (II)Abstract (III)Key words (III)第一章前言 (1)国内外研究动态 (1)研究目的及意义 (1)第二章试验理论与方法 (3)Green--Ampt物理模型 (3)其中Green和Ampt根据最简单的土壤物理模型，推出了一维土壤水分入渗模型： (3)Kostiakov经验模型 (3)第三章讨论 (4)参考文献 (5)第一章前言国内外研究动态目前针对土壤入渗的研究大体可分为“入渗类型”和“入渗过程”两种。
土壤入渗率的定义、性质及应用
土壤入渗率的定义、性质及应用1、前言土壤入渗率，又称土壤入渗速率或土壤渗透速率，是指单位时间内地表单位面积土壤的入渗水量。
入渗率与入渗过程有关。
土壤入渗率在初期非常大，这时的入渗率称为最初入渗率，简称初渗率。
又继随降雨的延续和增加，入渗率由大变小，最后保持一定的稳定值，此值称为最后入渗率或稳渗率，可用以表征土壤的渗透特性。
这是因为由于降水的继续，而使得土壤中大小孔隙均被填满，而无法继续使土壤中的水保持快速的流动。
2、定义（1）土壤入渗土壤入渗是降雨、灌溉等水分经山地表进人土壤，在重力势、基质势等作用下运移、存储变为土壤水的动态过程，是地表水与地下水相互转化、消耗过程的重要环节，也是影响坡面产汇流的重要因素。
土壤对水的入渗能力，简称入渗能力。
（2）土壤入渗率土壤入渗率是土壤入渗能力的定量表示，它是指在土面上保持有在大气压下的水层、单位时间内通过单位面积土壤的水量。
3、性质（1）量纲壤入渗率的量纲是Ls/L2·T= LT-1，如毫米/秒，毫米或厘米/分、厘米/时、厘米/日等。
（2）常用指标在土壤水工作中，为说明和研究土攘的入渗过程，常使用三个指标：最初入渗率、最后入渗率以及入海开始后经单位时间的入渗率。
1）最初入渗率指入渗开始时较短时间内的入渗率。
在一定的土壤和供水一定的情况下，它主要是由温润程度决定的，如果开始入渗的土壤较为湿润，在湿润前锋的吸力梯度小，最初入渗速率较低，随后渗吸速率降低也比较缓慢。
如开始渗吸时土壤干燥，吸力梯皮大，最初入渗率较高，以后随时间延长人渗率降低得也快，但无论开始时土壤的干湿情况如何，最后都降低到相闸的最后入渗度。
2）最后入渗率这是指随着时间进展而变成为稳定和较固定的入渗率，（实际上与土壤的饱和导水率相等或接近，视水头而定）。
显然它的数值是由土壤性质决定的。
主要取决于土壤的孔隙状况，与质地、结构、土壤有无裂缝、表土有无紧实结壳等有密切关系。
一般土壤达到最后渗透速率所需时间不过2-3个小时。
入渗速度计算公式
入渗速度计算公式入渗速度是指单位时间内土壤中水分的渗透速度，通常用长度单位时间内的水分渗透深度来表示。
入渗速度的计算对于土壤水分的管理和灌溉系统的设计具有重要意义。
在农业生产中，了解土壤的入渗速度可以帮助农民合理安排灌溉时间和水量，提高水资源利用率，减少水资源的浪费，同时也有助于减少土壤侵蚀和水土流失。
入渗速度的计算可以通过多种方法进行，其中最常用的方法是使用入渗速度计算公式。
入渗速度计算公式是根据土壤类型、土壤湿度、温度和施用的压力等因素来确定的。
下面将介绍几种常用的入渗速度计算公式及其应用。
1. Horton入渗方程。
Horton入渗方程是描述土壤入渗速度变化规律的经典方程之一，其表达式为：f(t) = f_c + (f_0 f_c) exp(-kt)。
其中，f(t)表示时间t时刻的入渗速度，f_c表示土壤中的残余入渗速度，f_0表示土壤初始入渗速度，k为入渗速度的衰减系数。
Horton入渗方程适用于短时段内的入渗速度计算，可以较准确地反映土壤的入渗特性。
在实际应用中，可以通过实地观测和试验数据来确定方程中的参数值，从而计算出具体的入渗速度。
2. Green-Ampt方程。
Green-Ampt方程是另一种常用的入渗速度计算公式，其表达式为：f(t) = K_s + (θ_s θ_i) (1 exp(-α t)) / (1 + (α l))。
其中，f(t)表示时间t时刻的入渗速度，K_s表示饱和水头，θ_s表示饱和含水量，θ_i表示初始含水量，α表示土壤的入渗率常数，l表示土壤的厚度。
Green-Ampt方程适用于较长时间段内的入渗速度计算，可以考虑土壤的水头和含水量等因素对入渗速度的影响。
在实际应用中，需要根据土壤的特性和环境条件来确定方程中的参数值，从而计算出具体的入渗速度。
3. Philip方程。
Philip方程是描述土壤入渗速度变化规律的另一种经典方程，其表达式为：f(t) = S (1 exp(-at^n))。
土壤入渗率 双环刀法
土壤入渗率双环刀法土壤的入渗率是指单位时间内土壤中水分向下渗透的能力。
它是决定土壤水分平衡和水文循环的重要因素之一。
为了准确测定土壤的入渗率，科学家们提出了许多方法和技术。
其中一种常用的方法是双环刀法。
双环刀法是一种间接测定土壤入渗率的方法。
它是利用双环刀在土壤中制作两个环状切割面，然后测量单位时间内水分向下渗透的距离，从而计算出土壤的入渗率。
双环刀法的步骤如下：1. 准备工作：选择适当的土壤样地，并将土壤表面清理干净。
2. 制作环状切割面：使用双环刀在土壤中制作两个相邻的环状切割面，切割面之间的距离通常为10-20厘米。
3. 充水：在第一个环状切割面内充满水分，使其与土壤接触并保持一定水头。
4. 测量时间：记录单位时间内水分向下渗透的距离，通常为5分钟。
5. 计算入渗率：根据测量结果计算土壤的入渗率，单位通常为毫米/小时。
双环刀法的优点是操作简单、成本低廉、易于实施。
通过该方法可以快速测定土壤的入渗率，为土地利用和水资源管理提供科学依据。
然而，双环刀法也存在一些局限性。
首先，该方法只能测定局部土壤的入渗率，并不能代表整个土壤剖面的情况。
其次，双环刀法对土壤的物理性质要求较高，如土壤的质地和含水率等。
因此，在具体应用中需要综合考虑其他因素，并与其他方法相结合，以提高测定结果的准确性和可靠性。
双环刀法是一种常用的测定土壤入渗率的方法。
通过该方法可以快速、简便地测定土壤的入渗能力，为土地利用和水资源管理提供科学依据。
然而，该方法也存在一些局限性，需要在具体应用中综合考虑其他因素。
未来，科学家们还将继续探索和改进土壤入渗率的测定方法，以更好地满足实际需求。
土壤水分入渗对滑坡的影响研究
文章标题：土壤水分入渗对滑坡的影响研究1. 引言滑坡是地质灾害中常见且常见的一种，它不仅对人类的生命和财产造成严重威胁，还对生态环境产生负面影响。
土壤水分入渗作为导致滑坡的重要因素之一，对滑坡的发生和发展具有重要影响。
本文将对土壤水分入渗对滑坡的影响展开研究，旨在探讨土壤水分入渗与滑坡的关系及其影响机制。
2. 土壤水分入渗对滑坡的直接影响土壤水分入渗对滑坡产生的直接影响是在滑坡发生前，土壤中存在过多的水分。
这种过多的水分会增加土壤的重量，导致土壤的稳定性下降，从而有利于滑坡的发生。
土壤中过多的水分还会改变土壤的物理性质，使得土壤的强度和稳定性降低，容易发生滑坡现象。
3. 土壤水分入渗对滑坡的间接影响除了对土壤本身的影响外，土壤水分入渗还会对周围地区的水文环境产生影响，从而间接影响滑坡的发生。
土壤水分入渗增加会导致地下水位升高，进而加大了滑坡发生的可能性。
另外，土壤水分入渗增加还可能引发地表径流增加，加剧水力冲击作用，使土壤更容易产生破坏，从而促进滑坡的发展。
4. 影响机制深入探讨在探讨土壤水分入渗对滑坡的影响时，需要深入探讨其影响机制。
其中包括土壤水分入渗对土壤物理性质，水文环境以及受力环境的影响，进而影响滑坡的发生和发展。
还需要结合实际案例来说明土壤水分入渗对滑坡的具体影响机制，以便更深入地理解土壤水分入渗与滑坡之间的关系。
5. 个人观点和理解我个人认为，土壤水分入渗作为导致滑坡的重要因素之一，其影响机制非常复杂，需要全面而深入的研究。
在工程实践中，需要充分考虑土壤水分入渗的影响，通过科学合理的工程措施来预防和减轻滑坡灾害。
还需要加强对土壤水分入渗与滑坡关系的研究，为滑坡的预测、监测和防治提供科学依据。
6. 总结与展望本文通过对土壤水分入渗对滑坡的影响进行全面深入地研究，探讨了其直接和间接影响以及影响机制，并共享了个人观点和理解。
未来，需要进一步加强对土壤水分入渗与滑坡关系的研究，结合新的技术手段和方法，以期为滑坡的预测、监测和防治提供更多有效的手段和模型。
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西南林业大学
硕士研究生文献综述
论文题目：土壤入渗理论与方法
学院：环境科学与工程学院
年级： 2014级
成员：冯晓月阮书鹏曹向文
指导教师：***
2015年4 月25 日
摘要
入渗是水文学中重要的基本概念，定量确定土壤入渗性能对认识水循环及水利用具有重要的理论意义和实践价值。
当然，从不同角度出发去探讨土壤入渗也有不同的科研意义。
本文试图通过对目前国内外对土壤入渗的研究做一个系统性归纳与对比，从而为下一步的学术论文打下基础。
关键词
土壤入渗；方法；模型；影响因素
Abstract
Infiltration is a vital basic concepts in hydrology, qualitatively analysis soil infiltration capability has important theoretical significance and practical value in the water cycle and use. Of course, using different angle of view to discuss soil infiltration also have different research significance. This article attempts to do a systematic induction and comparison through the study of soil water infiltration at home and abroad, which lays the foundation for the next academic paper.
Key words
soil infiltration;methods; the influence of factors
目录
摘要 (II)
Abstract (III)
第一章前言 (1)
1.1国内外研究动态 (1)
1.2研究目的及意义 (1)
第二章试验理论与方法 (3)
2.1 Green--Ampt物理模型 (3)
2.2 Kostiakov经验模型 (3)
第三章讨论 (4)
参考文献 (5)
第一章前言
1.1国内外研究动态
目前针对土壤入渗的研究大体可分为“入渗类型”和“入渗过程”两种。
如吴刚等的研究【1】针对的是入渗过程，土壤作为流域内降水和灌溉水的重要载体，其本身所具有的导水性将影响地表径流的产生、地下水的补给与蒸发，以及土壤侵蚀和化学物质转移等。
他把土壤本身具有的这种导水性称之为土壤入渗特性，土壤入渗特性是评价土壤水源涵养能力与抗侵蚀能力的重要指标，也是模拟土壤侵蚀过程的基本输入变量、初始入渗率、累积入渗量、稳定入渗率和饱和导水率等反映土壤入渗特型的基本参数，这些参数受到内在和外在因素的共同影响。
此外，如张志伟等的研究【2】针对的是土壤类型，表明土壤入渗能力与土壤类型、土壤性质、地形状况以及土地利用方式等都有密切的关系。
入渗速率高的土壤，可以保证有较多的降水渗入土壤，或形成壤中流、地下径流，或补给地下水，减少了地表径流损失、减少地表冲刷。
例如西南岩溶区面积广大，是典型的生态脆弱区。
在裸露型和浅覆盖型岩溶区，降雨期间大量降水通过裂隙直接进入地下河道，容易引发地下河排水不畅，发生洪灾，而雨后地表缺水常发生干旱，旱涝交替是峰丛洼地岩溶区的重要自然灾害。
1.2研究目的及意义
近几年出台的《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》( 国发〔2013〕36号)强调“提升城市绿地汇聚雨水、蓄洪排涝、补充地下水、净化生态等功能”。
由此可见，城市绿地对城市水源涵养的重要调节作用已引起国家的重视。
但其中有一个重要技术环节可能被大家所忽略，即城市绿地涵养水源的作用主要通过土壤入渗才能实现。
近年来，北京、上海、广州等国内大型城市甚至有些原先雨水并不充足的城市也发生过大大小小的暴雨后城市严重积水洪涝的现象，这除了与市政配套的城市排水管网设计滞后等原因有关外，各大城市近年来兴建的大量绿地没有真正起到减缓雨水洪涝的作用也是主要原因之一。
城市绿地在缓解城市雨水汇集方面扮演了重要的角色，为增加绿地的雨水渗透能力，德、日、美等国家均在法律中明确规定，对于新建和改建地区，地表径流量在开发前后必须不改变。
相比较而言，国内在绿地设计、施工、工程验收等环节均没有考虑
土壤入渗这一重要指标，城市建设者普遍对土壤入渗的基本内涵、作用、影响因素和技术要求缺少必要地了解，更谈不上在实际工作中很好地应用。
随着中国城市化快速进程中洪涝等城市安全问题日益凸显以及对绿地生态功能要求的逐步提高，了解土壤入渗的基本知识在城市建设中科学、有效的应用显得尤为重要。
第二章试验理论与方法
土壤水分入渗是指水进入土壤的过程，是通过全部或部分地表向下的流动过程[3]。
随着对土壤入渗过程理论研究的不断深入，国内外不少学者相继提出了提出许多士壤入以及建立在一定物理学理论基础上的入渗模型。
2.1 Green--Ampt物理模型
其中Green和Ampt根据最简单的土壤物理模型，推出了一维土壤水分入渗模型：
i(t)=at－１／２ +iｃ
式中：a＝√0.5ίc h sδ；h s一湿润锋面处有效的或平均基质吸力；δ一水分饱和差；i c一稳定入渗速率。
该模型是在假设饱和入渗理论的基础上，经过数学推导而得到的。
这些假设有：①渗入土壤中的水分，从土壤表面至入渗锋面沿深度的水分分布均匀，同时饱和；②入渗锋面与下层土壤含水量具有明显的分界面；③水分的渗漏速度，只有当上层毛管孔隙达到饱和后才开始增加。
Oreen-Ampt入渗模型简单，且有一定的物理模型基础，故长期以来受到重视，广泛应用于入渗过程模拟研究。
2.2Kostiakov经验模型
该经验模型是KostiakovF提出：
f(t)=at-b
式中：f(t)—入渗速率；t—入渗时间；a,b—由试验资料拟合的参数。
当t→∞时，f(t)→O，当t→0时，f(t)→∞，而当t一∞的情况，只有在水平吸渗情况下才出现，垂直入渗条件下，显然不符合实际。
但在实际情况b-，只要能确定出t 的期限，使用该模型还是比较简便而且较为准确。
第三章讨论
土壤入渗性能是土壤重要的水分物理性质，是反映土壤涵养水源和抗侵蚀能力的重要指标。
土壤入渗能力与土壤类型、土壤性质、地形状况以及土地利用方式等都有密切的关系。
入渗速率高的土壤，可以保证有较多的降水渗入土壤，或形成壤中流、地下径流，或补给地下水，减少了地表径流损失、减少地表冲刷。
认识土壤入渗特性，在制定水土保持措施、地下水管理及土壤侵蚀预测和洪水预报等方面均有十分重要的意义。
土壤入渗是一个受土壤结构、土壤质地、降水强度及地表植被等多因素影响的物理过程。
土壤含水量不仅控制水分下渗过程中湿润峰前缘的水力梯度，而且影响土壤团聚体遇水崩解的强度，改变土壤孔隙结构。
因此，研究中需要基于相同的供水条件和实验方法比较实验结果，来揭示土壤入渗的物理机制，提出促进土壤入渗、降低地表产流的有效措施。
目前对土壤入渗特性影响因素的研究主要集中在土壤物理性质方面，特别是土壤物理性质宏观表现指标对入渗特性影响的研究最多，而缺乏土壤化学性质对入渗特性影响的机理研究。
尽管土壤物理特性对土壤入渗的影响研究已经量化，但是并没有归纳出定量化的规律。
关于植被覆盖对土壤水分下渗的研究很多，但研究尺度小，且研究成果难以定量化和推广。
此外，关于耕作方式关于土壤水分入渗的影响仍不统一。
因此今后仍需对土壤化学作用、植被覆盖及耕作方式对土壤水分下渗的影响机理方面做进一步的研究应用。
对于土壤水分入渗实验方法的研究，主要集中在由不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设计。
参考文献
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