土壤水动力学

课程名称：土壤水动力学课程编号：课程类型：学位课、非学位课考核方式：考试、考查学科专业：农业水土工程年级：2012 姓名: 张廷强学号：10076120270

河北工程大学2012～2013学年第学期研究生课程论文报告

“四水”转化研究分析

摘要:“四水”是指大气水、地表水、土壤水和潜水,“四水”之间的相互转化关系研究,对水资源评估、供需预测、合理开发利用水资源和节水灌溉都有十分重要的意义。本文总结八个8方面“四水”两两之间相互转化的研究成果,归纳了“四水”转化研究存在的问题,讨论了未来的研究重点。

关键词:模型研究、大气水;地表水;土壤水;潜水;产流

区域的四水转化水资源是区域社会经济发展的支撑和保证条件。水土资源平衡分析在区域水资源配置的分析中具有十分重要的作用，而区域的四水转化问题的研究是水土资源平衡分析的科学基础和依据。区域的四水指的是大气水——降水与蒸发、地表水、土壤水和地下水。如今四水转化广泛应用与区域水资源计算模型建立。例如根据水循环机理和水平衡原理，利用水文学径流形成理论，建立平原区“四水”转化模型，对土壤含水率进行过程模拟。可广泛应用于平原区“四水”转化关系分析，可以用于评价平原区区域水资源量。除此之外针对以往灌区耗水量计算方法的不足和灌区水循环机制的特点,建立了基于四水(大气水、地表水、土壤水、地下水)转化的灌区耗水量计算模型。应用该模型可计算灌区各耗水类型的耗水量,并能对灌区各水均衡模块之间的水量交换进行分析计算。由此可见四水转化的学习研究具有非常重要的意义。

１研究进展

“四水”研究是在“三水”（大气降水、地表水、潜水）转化关系的研究基础上发展起来的，是陆面水文循环的一个主要部分，研究手段与水文

学发展密切相关。从20世纪50年代末期开始，随着近代水文学发展，以产汇流理论为基础建立的概念性水文模型得以广泛应用。水文概念模型建立了降雨～产流（地表径流、地下径流）、蒸散发～土壤水消耗的简化计算方法。20世纪80年代初，随着对水资源量的重视，水资源量的计算以及不同水源之间转化研究得以开展。水资源实验研究逐步揭示了大气降水、地表水、土壤水和潜水相互转化、相互制约的作用关系。

1.1降雨入渗

大气水到土壤水的转化常称为降雨入渗，其计算有三种途径：经验性方法、半经验性方法和数学物理方法。最有名的是Horton、Green和Ampt 和Philip入渗方程，在此基础上，中外有关学者又提出了许多入渗模型，如Smith等人从土壤水分运动的基本方程出发，导出了任意降雨强度下入渗的计算公式。其方法是先确定积水时间，然后分别计算积水前后的入渗率Bardossy等分别以Green-Ampt方程为基础，运用模糊数学的有关法则得出了模糊入渗模型。E.Smith以Parlange等方程为基础,提出了一个复杂降雨条件下的入渗概念性模型。范荣生等在黄土地区用水文参数取代Mein-Larson方程中物理参数提出入渗模型。包为民等根据蓄满产流和超渗产流的产流机制,结合半干旱地区产流的实际情况,提出了垂向混合产流模型。郭瑛利用Horton入渗方程,结合流域下渗分配曲线,提出了非饱和产流的产流计算方法。郝振纯基于饱和下渗理论,考虑新入渗雨水驱替旧土壤水分的作用,根据力学原理提出了一个简明入渗模型。

1.2直接径流大气水直接转化为地表水

通俗的理解即流域水面上或不透水面上的降雨量。这部分水量在水文

模型中通常和流域上道路、屋顶等不透水表面的产流量合并考虑，称为直接径流量，并以一个可调的不透水系数来描述。实际上，这部分水量应当通过遥感等测量手段，得到流域上的水面面积之后再计算。也有模型（或学者）把流域上的饱和面积也算直接径流，用关系式：

式中：f 0是基本径流率；ｆ１是一次附加径流率；Ｐ1是雨量。此时这

部分水量又和入渗～产流模型计算交叉在一起。

1.3降雨产流

大气水在土壤表面形成地表水的过程称为降雨产流，产流模型可以分为确定性模型和随机性模型：确定性模型应用有限的物理学规律描述水文过程，其预测结果不存在不确定性；随机模型应用概率理论和随机性过程描述水文环节，其预测结果多为条件概率的形式。确定性模型根据模型对流域是空间集总式的还是分布式的描述，以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述进一步划分为黑箱模型、概念模型和基于物理学的分布式模型，他们分别代表确定性水文模型的不同发展阶段。黑箱模型基于传输函数，几乎没有任何物理意义；概念模型处于完全物理描述和经验式黑箱分析的中间位置；基于物理的水文模型建立在人们对控制流域响应的水文过程的物理认识的基础上。基于物理学的分布式水文模型基本上可以应用于大部分水文学问题，不过针对大多数并不复杂的水文问题，

使用结构简单的经验模型、集总式概念模型或者统计模型更为经济有效。

f 0P 0≤P ≤P1 f 0P+f 1(P-P 1) P 1≤P

Ｄ=

但是，当水文问题变得复杂时，基于物理学原理的分布式水文模型成为解决这类问题的最佳选择。

1.4大气水直接转化为潜水

大气水直接转化为潜水，主要是指降雨通过大孔隙补给潜水部分。在某些情况下，土壤水分在非饱和带中的运移不是传统上理解的均质一维垂直向下流动，而是伴随着有水分沿着一些优先途径的集中流动，这种优先流（Preferential flow) 可分为指流( Finger flow)、大孔隙流( Macropore flow) 和漏斗流( Funnel flow)。由于大孔隙的存在，水分在运动过程中不能与土体发生充分的相互作用，而是直接快速的进入土壤深层，称为土壤深层水分可能来源的唯一通道。大孔隙在非饱和土壤水中的作用，早在1964年就引起了土壤学家们的注意。首先提起大孔隙作用的是Schumachar，他指出“在毛管力的影响下，当毛管的吸持作用不大时，入渗期间土壤的入渗率主要受大孔隙控制”。而Hursh认为“当潜水位接近地表时，侧向扩散率会有明显增加，其孔隙情况不是由土壤的颗粒组成来决定，而是与形成土壤晶格的三位结构有关。这些结构是由生物作用形成的管道为主要透水”。Horton也注意到了“集中流动”产生的情况，这部分水量常在下渗～产流模型中考虑，并以一个可调的大孔隙系数来描述，多见于概念性水文模型。

1.５土壤水转化为大气水

土壤水转化为大气水即土壤蒸发过程。自1802年著名的Dalton蒸发定律提出以来，蒸发的研究就一直没有间断过，大量工作针对点上的蒸发进行，除了各种测量手法以外，目前有许多气象学方法和经验公式。在点