3章-2節(jié)-降雨入滲補給解讀課件

1/51第三章地下水文要素和地下水資源評價第一節(jié)地下水徑流第二節(jié)降雨（或灌水）入滲第三節(jié)潛水蒸發(fā)第四節(jié)地下水資源評價2/51第二節(jié)降雨（或灌水）入滲補給土壤水地下水地下水面以上頂托毛管水的上升高度徑流降雨或灌溉

研究入滲問題的現(xiàn)實意義：水文學：地表產(chǎn)流農(nóng)田水利：灌溉和降雨入滲后土壤水分的分布水資源評價：降雨后對淺層地下水的補給環(huán)境學：污染物隨水分遷移的問題3/51土壤水地下水地下水面以上頂托毛管水的上升高度第二節(jié)降雨（或灌水）入滲補給降雨入滲現(xiàn)象入滲是指水分進入土壤的過程，是自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)徑流第三章第二節(jié)降雨入滲補給降雨或灌溉入滲過程補給土壤水補給地下水產(chǎn)生徑流作物利用或表土蒸發(fā)潛水形成地表水入滲規(guī)律Z(θ，t)i（t）I(t)Pr~PR~P研究方法試驗法解析法數(shù)值法試驗法數(shù)值法4/51第二節(jié)降雨（或灌水）入滲補給2.1降雨入滲補給規(guī)律

(對土壤水的補給）2.2入滲補給的數(shù)值模擬分析

(對地下水的補給）2.3降雨入滲補給的試驗研究

(對地下水的補給)

2.4降雨入滲對地下水補給量的確定方法

(對地下水的補給）第三章第二節(jié)降雨入滲5/512.1.1降雨入滲的補給過程2.1.2求解入滲問題的數(shù)學模型及其解析解

2.1.3計算入滲問題的經(jīng)驗公式

2.1降雨入滲補給規(guī)律第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律6/512.1.1降雨入滲補給過程第三章第二節(jié)降雨入滲充分供水情況下，土壤的滲透性能；土壤的入滲能力僅取決于土壤本身的滲吸強度i土供水強度一定的情況下，土壤的滲透性能；土壤的入滲能力取決于土壤本身的滲吸強度i土和外界的降雨強度R0地下水埋深無限遠對入滲沒有頂托影響7/51充分供水情況下:

干土在薄層積水條件下的入滲過程

利用達西定律，對入滲過程定性分析：A點和B點見圖，取地面線為基準面，積水深度為a，B為接近地表處的點，因此iAB(AB段的平均入滲強度)可近似代替i地表taΔzAB基準面土壤的入滲曲線i(t)，反映了土壤的入滲性能，其受土壤質地的影響tKsi(t)8/51供水強度一定的情況下：降雨或灌水（如噴灌）條件下土壤的實際入滲能力i取決于兩個條件：i土和降雨強度R0入滲初期

（自由入滲）

i土>R0，i=R0入滲后期（有壓入滲階段）

i土<R0

，i=i土并開始形成徑流積水點并不是出現(xiàn)在b’，而是出現(xiàn)在b，主要是由于在0~tp’的時段內，定強度供水的總入滲量小于充分供水下的總入滲量，因而其入滲能力還較強，可繼續(xù)維持一段時間R0強度b點開始后，由于徑流的形成，在有壓入滲的情況下，i>i土，實際i的過程形成了圖中的abc（藍線）9/51降雨對地下水的補給降雨地面徑流量土壤的蓄水能力降雨對土壤水和地下水的補給量關系dhn10/51降雨對土壤水和地下水的補給量關系影響降雨對地下水補給的因素（定性分析）：降雨特性：降雨強度、降雨量、降雨延續(xù)時間土壤的蓄水能力V：地下水埋深、雨前土壤含水率狀況、土壤的蓄水性能（土壤質地沙粘）徑流，地形條件，土地平整情況、作物覆蓋狀況及田間工程（排水）各因素如何影響，后面講降雨對地下水補給時會具體展開11/512.1.2求解入滲問題的數(shù)學模型及其解析解1.Green-Ampt模型的入滲解（基于毛管理論的簡化入滲模型，經(jīng)驗解；建立在形態(tài)學基礎上）2.垂直入滲條件下的Philip解（基于土壤水分運動基本方程的入滲模型，精確解）第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律12/51研究的問題：

初始干燥的土壤在薄層積水時的入滲問題,1911年提出的一個基于毛管理論的簡化入滲模型；又稱活塞模型含水率θz1.Green-Ampt模型的入滲解模型的適用范圍：

降雨前土壤干燥,質地較粗,入滲過程有較明顯的濕潤峰面該模型的基本假定為：假定土壤是由一束直徑不同的毛管組成，入滲過程中，存在明顯的水平濕潤鋒濕潤峰面處不論所處時間與位置，鋒面上各點都保持一個穩(wěn)定的基質勢

h=-hf

；濕潤區(qū)(鋒面后)均達到飽和含水率，未濕潤區(qū)(鋒面前)保持原有含水率（θi），鋒面上的含水率介于飽和和初始含水率之間，

鋒面本身很薄13/511.Green-Ampt模型的入滲解

BФB

=-zf-hfФA=HH第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律

2.1.2求解入滲問題的數(shù)學模型及其解析解G-A模型的任務：θ分布已知求I(t)—入滲總量i(t)—入滲速度Zf(t)—鋒面位置A參照面14/51以上三式構成了Green-Ampt模型1.Green-Ampt模型的入滲解第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律

2.1.2求解入滲問題的數(shù)學模型及其解析解15/512、垂直入滲條件下的Philip解以上解由Philip（1957）通過精確的數(shù)學推導得到的;該解是一個關于t的級數(shù);級數(shù)中各項的系數(shù)為ηi(θ)也可以精確得到;該級數(shù)的系數(shù)是逐級減小的，且相鄰兩級數(shù)相差1~2個數(shù)量級;因此，一般情況下級數(shù)取前2~4項已滿足精度要求解的形式數(shù)學模型研究問題及適用條件：無限深均質土壤，土壤初始含水率均勻分布，地表有薄層積水以地表為基準面，Z軸向下16/512、垂直入滲條件下的Philip解根據(jù)z(θ,t)函數(shù),可得累積入滲量I(t)和入滲率i（t）第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律

2.1.2求解入滲問題的數(shù)學模型及其解析解土壤剖面中土壤水的增加量下邊界的重力下滲量(3-22)(3-23)17/512、垂直入滲條件下的Philip解入滲初期：入滲率和入滲量取決于土壤滲吸率S；入滲后期：趨于穩(wěn)定入滲率A可通過田間實驗求得參數(shù)S和A注意：該公式只能在其求解條件下應用（地下埋深無限深，均質一維垂直入滲）第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律

2.1.2求解入滲問題的數(shù)學模型及其解析解(3-24)(3-25)(3-26)(3-27)18/512.1.3計算入滲問題的經(jīng)驗公式適用條件：入滲時間較久時，由該公式得到的入滲強度趨于０，不符合地下水埋深較大時的入滲情況因此該公式適應于入滲初期或入滲時間較短的農(nóng)田灌水計算，或地下水埋較淺時的入滲第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律1.考斯加可夫經(jīng)驗公式：i1—土壤的初始入滲率（t=0時）α—經(jīng)驗指數(shù)，與土壤性質和初始含水率有關，變化于0.3~0.8之間；輕質土的α值較小，重質土的α較大；初始含水率越高，α越小(3-28)(3-29)19/51張蔚榛院士在蘇聯(lián)留學期間與指導教師考斯加克夫院士夫婦合影張蔚榛院士20/512.1.3計算入滲問題的經(jīng)驗公式2、Horton入滲公式優(yōu)點：與實際的入滲過程比較符合：初始時為一個有限的入滲率，入滲時間久后趨于一個穩(wěn)定的入滲強度缺點：有三個經(jīng)驗系數(shù)確定需要確定第三章第二節(jié)降雨入滲2.1降雨入滲補給規(guī)律21/512.1降雨入滲補給規(guī)律—小結Green-Ampt模型Philip的一維垂直入滲解考斯加可夫Horton入滲公式半理論半經(jīng)驗公式理論公式經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式以上公式均反映了一定條件下土壤的入滲規(guī)律，因而都有實用價值；根據(jù)實際問題的需要可選擇其中的一種或選用幾種公式；本部分介紹的是確定降雨入滲量的方法（以地表處為研究對象），且均為地下水埋深較大情況；地下水埋深較小(下邊界為動邊界)時，究竟有多少補給了地下水，一般需要通過試驗和數(shù)值計算的方法確定2.1.1降雨入滲的補給過程2.1.2求解入滲問題的數(shù)學模型及其解析解2.1.3計算入滲問題的經(jīng)驗公式

22/512.2入滲補給的數(shù)值模擬及數(shù)值模擬結果分析數(shù)學模型：地下水（土壤水）運動的基本方程，定解條件（初邊界條件）解析解運用解析（數(shù)學變換）的方法求得在一定定解條件下的解研究對象：整個研究區(qū)域(連續(xù)的)結果:關于時間和地點的函數(shù)表達式(連續(xù)的)優(yōu)點：計算步驟簡便快捷，精度高，揭示基本規(guī)律一目了然局限：由于受現(xiàn)有數(shù)學手段的限制，只能對簡單的水文地質條件和簡單的初始和邊界條件求得解析解數(shù)值解：將計算區(qū)域和時間經(jīng)過離散（或剖分）后，對每一個單元體建立一個線性方程；n個單元體組成一個代數(shù)方程組，求解該方程，得到每一時段單元體的未知量的近似解研究對象：離散后的單元體（不連續(xù)的）；各離散點代表該點附近的均衡區(qū)的平均情況結果：線性代數(shù)方程組的解，無表達式（不連續(xù)點的值）優(yōu)點：隨著計算機的發(fā)展，可以研究越來越復雜區(qū)域邊界和水文地質條件下的土壤水和地下水的運動23/512.2入滲補給的數(shù)值模擬分析1、數(shù)值計算方法簡介2、數(shù)值模擬應用的實例3、用數(shù)值模擬結果分析降雨入滲24/512.2入滲補給的數(shù)值模擬分析1、數(shù)值計算方法概念：將計算區(qū)域和時間經(jīng)過離散（或剖分）后，對每一個單元體建立一個線性方程；n個單元體對應一個代數(shù)方程組，求解該方程組得到每一時段單元體的未知量的近似解分類：根據(jù)對離散的方式不同可以分為有限差分法：一般將區(qū)域剖分成規(guī)則的矩形或不規(guī)則的三角形單元；有限單元法：一般將區(qū)域剖分成三角形單元

有限差分法的特點：以差分代替數(shù)學模型中的一階、二階導數(shù)，將求導的計算變成有限值的比率，替代的結果是偏微分方程變成了可以求解的代數(shù)方程組25/511、數(shù)值計算方法簡介一元函數(shù)一元函數(shù)導數(shù)的有限差分近似：一階導數(shù)的差分近似：一個連續(xù)的單值函數(shù)f(x)可以展開為泰勒級數(shù)（有前向、后向、中心三種展開方式），通過舍去級數(shù)中的剩余項，二階導數(shù)差分近似：f(x)的泰勒級數(shù)的前向展開式與后向展開式相減，移項并舍去剩余項26/511、數(shù)值計算方法簡介二元函數(shù)導數(shù)的有限差分近似：二元函數(shù)i,i+127/512、數(shù)值模擬應用的實例i+1i-1時間t深度Z01ij+1j以一維問題為例將時間t和深z度分成n個段將基本方程中的導數(shù)應用差分法表示，不同的差分法（向前，向后，中心）得到的線性代數(shù)的方程不同，但都可以求解在時間點j~j+1組成的時段內，對剖面深度第i個節(jié)點，應用基本方程，可以得到一個代數(shù)方程在時間點j~j+1組成的時段內，對0~n共n+1個結點應用，得到n+1個方程求解的步驟是已知t=0時刻剖面各點的h，求解t=1時刻剖面各點的h(共n+1個未知量)，依次類推，求得所有時刻剖面各點的h以一維問題為例n28/512、數(shù)學模型實例-入滲蒸發(fā)問題模型建立的條件：忽略側向徑流，近似為垂直一維土壤水運動；地表入滲率為ir(t)（或蒸發(fā)強度為－），底部為不透水邊界（或已知水頭邊界，如地下水面h=0）定解問題

第三章地下水文要素和地下水資源評價§2降雨入滲補給（坐標軸Z軸向下為正）29/512、數(shù)值模型（內結點離散方程）

對研究區(qū)域剖分（垂直剖分n個單元）；在結點i，坐標zi，均衡域為（zi-1/2,zi+1/2）,差分離散后，有第三章地下水文要素和地下水資源評價§2降雨入滲補給i+1i-1深度Z01i30/51在時間上研究△t為（j，j+1

）之間的離散區(qū)間的變化，采用隱式差分（即前向差分）i+1i-1時間t深度Z01ij+1j對節(jié)點i，在△t時間區(qū)間內有：31/51

數(shù)值模型實例（上邊界結點離散方程）1

對地表結點i=0，坐標z0=0，均衡域為（0,z1/2）,地表為入滲邊界，入滲速率ir，差分離散后，有第三章地下水文要素和地下水資源評價§2降雨入滲補給i+1i-1深度Z01i32/51

數(shù)值模型實例（下邊界結點離散方程）1

對下邊界結點i=n，坐標zn，均衡域為（zn-1,zn）,當下邊界為隔水邊界時，差分離散后，有當下邊界為定水位邊界時，差分離散方程為：第三章地下水文要素和地下水資源評價§2降雨入滲補給33/51

數(shù)值模型的求解列出結點i=0～n所有的隱式差分方程，可得到以下三對角方程組：采用追趕法求解上述方程，可得出不同時段、各結點土壤水壓力的分布過程當下邊界為定水位地下水位邊界時，可按下式求得任一時間的地下水入滲補給量：地下水位為動邊界的情況第三章地下水文要素和地下水資源評價§2降雨入滲補給j+1j達西定律34/51利用數(shù)值模擬方法，變換不同的初邊值條件，對比計算結果，分析計算結果，得出可以指導生產(chǎn)的結論（數(shù)值實驗）1).降雨入滲補給條件下地下水位的變化過程2).地下水埋深對入滲補給地下水的影響3).土壤剖面初始含水率及其分布對降雨入滲補給的影響4).土壤質地對降雨入滲補給的影響3、利用數(shù)值模擬方法分析降雨入滲補給過程35/511）.降雨入滲補給條件下地下水位的變化過程右圖：△hs為一次降雨產(chǎn)生的完全上升高度Pr=μ△hs(不考慮其他原因對補給的影響時）t0初始滯后，tm峰點滯后，te結束滯后t（天）t（天）t（天）t（天）Pr(mm)t（天）ir(mm/天)P(mm)△hs(mm)左圖：降雨強度ir下，Pr有一個累積過程，累計開始的時間有滯后，雨停后一段時間停止36/512）.地下水埋深對入滲補給地下水的影響在土質和土壤初始剖面含水率相同條件下，降雨量一定時（如對于P=150mm）時，△h~d關系如下：：地下水埋深d<dcr（臨界埋深）,完全上升高度隨d的增大而增大，Pr決定于庫容，為蓄滿產(chǎn)流（入滲水全部轉化為地下水）；d=dcr，對應降雨下地下水上升高度最大，地下水得到的補給量最大；d>dcr后，完全上升高度隨d的增加減少；一部分補給土壤水，一部分補給地下水地下水埋深(m)完全上升高度（cm)次降雨量P=30，100，150mm37/513）.土壤剖面初始含水率及其分布對降雨入滲補給的影響初始含水率剖面總量不同時：如1線：初始含水率大，滯后時間短，完全上升高度大初始含水率小天初始含水率大38/513）.土壤剖面初始含水率及其分布對降雨入滲補給的影響初始含水率剖面分布不同，總量相同時，降雨對地下水的補給過程影響：剖面分布影響水位上升的滯后時間但不影響完全上升高度只考慮前期降雨對土壤剖面水量的影響，不需考慮分布39/514).土壤質地對降雨入滲補給的影響均質土壤：沙性：滲透性好，入滲速度大，田間持水率低，蓄水能力低地下水位上升快，補給快，補給量大粘性：反之層狀土壤：以沙性土壤不同部位有粘土層為例有粘土層將延緩對地下水的補給粘土夾層位置不同，降雨對地下水的補給開始時間不同，先后次序為：在下部，上部，中部降雨歷時長，雨強恒定無地表徑流時，地下水位的上升高度不同，高低次序為：在中部，在下部，均質（無夾層），在上部40/512.3降雨入滲補給地下水的試驗研究土壤透水性一定，降雨過程一定，不同埋深下，降雨對地下水的補給量過程的試驗分析地中滲透儀：降雨對地下水的補給強度和補給量，可以通過地中滲透儀測量；地中滲透儀可以通過與外界某一容器中水位連接，使地下水埋深始終保持在一個深度，降雨入滲補給的多余地下水就會進入這一容器，通過測量一定時間容器中的水，可以得到補給強度和補給量41/512.3降雨入滲補給地下水的試驗研究地中滲透儀：降雨對地下水的補給強度和補給量，可以通過地中滲透儀測量；一般成組布置，并配合以地面氣象要素的觀察。比較深的為8米。水均衡試驗場：同時服務于入滲和蒸發(fā)，又稱蒸滲儀42/512.3降雨入滲補給地下水的試驗研究土壤透水性一定,降雨總量一定,埋深越小，入滲補給地下水量占總入滲量的比例(B/A)越大(即消耗于包氣帶的越多)潛水埋深（m）B/A%）B/A=入滲補給地下水/總入滲量總入滲量A=入滲補給土壤水+入滲補給地下水第三章第二節(jié)降雨入滲該圖由表3-1中某實驗站地中滲透儀的數(shù)據(jù)繪制，埋深大于3.5m(圖中虛線)的數(shù)據(jù)為外延43/512.3降雨入滲補給地下水的試驗研究透水條件一定,降雨過程一定,地下水埋深分別為1.5、3.0、4.5、5.0m四種條件進行試驗分析對比埋深1.5米qmax=50(mm/day)共13個鋒降雨（mm）補給強度（mm/天）潛水埋深較淺時(1.5m)的次降雨與入滲過程圖；特點：鋒雨一一對應，各次降雨有完整的補給過程線44/512.3降雨入滲補給地下水的試驗研究埋深3米qmax=20(mm/day)7個鋒埋深4.5米qmax=6(mm/day)3個鋒埋深5米qmax=6