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。
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
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。
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
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：
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)
fc ~ 稳定下渗率(Steady infiltration) f0 ~ t=0时刻的初始下渗率(Initial infiltration rate) β ~ 递减指数，是与土壤物理性质有关的指数 e ~自然对数底(e=2.7183) fc、f0、β可根据实验资料来确定
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）

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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
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；
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。
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。
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。
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
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
3.1.1 土壤水的不同形式
土壤固体颗粒与水分子经常处于相互作用 之中，主要作用力有分子力、毛细管引力和重 力。它们决定了土壤水的存在形式和运动。由 此，土壤水通常分为以下几种形式。
① 吸湿水（Absorbed water）
（也称为强结合水/吸着水）
土壤颗粒表面的分子对水分子具有很强的 吸引力( 称分子力 )，故土壤颗粒表面能吸附大 气中的水分子，这部分水称为吸湿水。
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）
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 i 在研究时段内总是小于土壤
下渗能力fp ，则实际的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；
f(t)=i(t)。在该情况下全部降雨渗入土壤，不形
成径流。
f
fp(t)
降雨强度曲线处在 下渗能力曲线下方
i(t) t
C）一般情况下， 当 i(t) < fp(t)，t0< t < t1时， f(t) = i(t)
当i(t) > fp(t)，t > t1时， f(t)=fp(t)
f fp(t)
i(t)
土壤深度 z
当 s , K() = Ks = const,
q = Ks = const.
d / dz 0
⑵ 下渗量的测定（Measurement of infiltration）
① 直接测定法：即在流域中选择若干具有代表性的 场地，进行测验，求出下渗曲线。按供水方式不 同又分为注水型和人工降雨型，前者采用单管下 渗仪或同心环下渗仪，后者采用人工降雨设备在 小面积上进行。 ② 水文分析法：利用实测的降雨、蒸发、径流等资 料，根据水量平衡原理，间接推求平均下渗率。
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。
3.1.2 土壤含水量与水分常数
1、土壤含水量（soil water content）
体积
Va Vw V Vs
重量
空气
Ma
Mw M
水
土
Ms
土壤三相图
⑴ 土壤重量含水率W（Weight ratio）
Mw M Ms W 100% 100% Ms Ms
式中，Mw～土壤中水的重量 (g)； Ms ～土壤中干土重量(g)；
式中, fp(t) ~ 在时刻 t 的土壤入渗率； s ~ 土壤吸水系数(Sorptivity)； fc ~ 稳定下渗率； t ~ 从初始时刻算起的时间； s、 fc 可由实验资料来确定。
该公式的不足之处是：当t =0，fp→∞。
霍顿下渗公式（Horton’s Equation）
f p (t ) f c ( f 0 f c )e t
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。
《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。
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。
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。