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均匀土层的非稳定流理论
第四章 均勻土層的非穩定流理論
藝術家用他的畫筆鉤勒大自然瞬間的美感,音樂家用音符來表露他那心靈對大自然的感動與共鳴。一個農業工程的研究者,對於大自然有另一種深遂的眼光,有另一種獨特的符號,也有一顆對於大自然的美與次序,深深的愛戀,是偶而坐在泥巴地上的獨思,偶而蹲在溪水邊幻想,偶而回到課堂發表一點謬論。人家說:“一個學農工的人必須現實的蓋道路、築水庫、建排水路。”,他卻像一個永遠長不大的孩子,忍受不了那冰冷的混凝土,偷偷的,跑入那森林的深處,尋找那朵人家都看不見的小花,……,有一點滿足了,跑回課堂,慢慢的對別人欣開土壤的裡面故事。
當你把一滴水放在土地上,一下子大地就把那滴水給吃了,嗯,如果拿一大桶水,倒在地上,你會發現大地像一隻可愛又頑皮的小狗,開始是咕嚕咕嚕大口的把水喝下去,漸漸的一口一口的品嚐,後來是一點一點的吃,你在那時想,大地可能吃飽了,在前面那種情況的喝水稱為Unsteady(非穩定)流,即dq/dt≠0,後一種喝法稱為steady(穩定)流,即dq/dt=0,在後面的這一種情況已在前面的一課談論過了。過去有很多水,拼命灌給大地這一隻狗狗喝,如果灌水的q,大於狗狗喝q,狗狗就喝的流口水,流在嘴巴外了,人家就說這是漫地流(run off)。現在20世紀末期了,水不太夠用,或是不想造成太多污染水的漫地流,會影響到水庫,河川的水質,於是研究這隻大地狗狗開始喝水的非穩定狀態就很重要了。
如果在一均勻的土壤,於其土面有一定深度的淹水(ponding)在土壤剖面的水分分佈的概況如下圖:即在淹水的地表面以下有一層飽和層(Saturation Zone),在沙土(Sandy Soil),這飽和層較深河達幾公分深,在黏土(飽合層則較淺,因為黏土的飽合導水係數較小,需較長的時間使之充分飽和,而此時水已因重力移動至較深的距離。飽
初始含水量 飽和
Water Content
和層下是一層較深未達飽和的傳導層(Transmission zone),此層的含水量幾乎一致。所以水分在此層的移動幾乎是全賴重力水頭(Gravity head),在實際上是否真有飽和層與傳導層的區別是值得懷疑的,尤其在均勻黏土層,因為有顆粒間的膨脹,以致收縮孔徑;粘土團粒的破壞,導致結構上的不穩定;氣泡的阻塞小孔隙;地表的龜裂;懸浮性粒子的阻塞;藻類的滋生等使的幾乎沒有飽和層的存生。在沙土有較明顯的傳導層,因為孔隙分佈較集中,水分分佈易呈均勻;在黏土層,因為有較廣泛的孔徑尺寸,水分不易均勻,所以傳導層較淺。在傳導層下是潤濕層(Wetting Zone),在此水分急劇的減少,所以水分在濕與乾的介面是靠壓力木頭(Pressure head)來推進水分,沙土有非常顯著水分陡降,而且潤濕層很淺,所以潤濕層也有很高的含水量,所以乾濕之濕潤鋒線(Wetting Front)有較大的dHp/dz,所以q大,因此沙土的入滲速率大;反之黏土潤濕層較深,在濕潤鋒線是有較小的dHp/dz,又有較小的k,所以q小,因此黏土的入滲速率大。
沙土 黏土
θ θ
z
如何描述入滲?有四種實驗方法鄉:(一度均勻土層非穩定流)
(1) 把土柱分層,可以一環一環拆開,入滲後若干t時間後,立刻拆除每一環,取出土壤,測含水量。破壞性實驗。
(2)
tenscometer(水分張
力計),測Hp,非破
壞性實驗,但祗到
-1bar的範圍,不適
於黏土實驗
(3) 測入滲量θ,其符號常示為I (Cumultive infiltration),表示累聚入滲量。dI/dt=q, (Infiltrability)稱為入滲率。
(4) 即在上面的實驗中測量此表在濕潤鋒線的距離zf一般由實驗結果可以畫出
I~t,與q~t容易測。但是如何描述其曲線關係式,現在深論之:
Case 1. 先解水平入滲流(Green-Ampt公式推導)
↙Green-Ampt假設
θo
↙θ-X曲線
θi
xo xy
θi = initial soil micsturs or soil water content初始土壤含水量
θo = 飽和土壤含水量
xo = 入滲距離x = 0
xf = 潤濕鋒線的距離
I是θ~x曲線下的面積,因為不知θ~x的函數,所以面積不易求得。Green-Ampt公式假設xf為長方形關係式θ-xf,並且有相同的面積I,由此知此公式較適用於描述沙土,而黏土則不易符合Green-Ampt的假設。
由達因公式知
(1)
又 HT = hp+hg (2)
因為水平流所以Hg=0,故(2)
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