水文学原理-第6章-土壤水与下渗

2020年2月14日1土壤水的存在形式土壤含水率与水分常数土壤水分运动基本方程一二三第六章土壤水与下渗下渗的物理过程下渗理论与公式影响下渗的因素四五六2020年2月14日2学习重点及难点：1、认识土壤水分存在的基本形式；（重点掌握）2、掌握土壤水分常数的概念（凋萎系数、田间持水量）。3、了解土壤水势的存在形式及其达西公式，为后续的学习打基础。（了解）4、了解下渗的概念；5、掌握下渗的物理过程（重点）下渗过程的阶段划分；下渗水的垂向分布；下渗要素；天然条件下的下渗（难点）2020年2月14日3一、土壤水的存在形式1、土壤的水理性质（1）土壤的定义地球表面具有肥力，能生长植物的疏松表层。（from《环境科学大辞典》）成因：由岩石风化和母质的成土过程综合作用下形成的，它由矿物质、动植物残体腐蚀产生的有机物质以及水分、空气等固、液、气三相组成；2020年2月14日4（2）包气带和饱和带包气带的定义：地面以下潜水面以上的地带，也称非饱和带。是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带；三相系统：土壤颗粒、水分和气体；饱和带的定义：在地下潜水面以下，土壤处于饱和含水状态，是土壤颗粒与水分的二相系统。2020年2月14日5（3）土壤水土壤水：土壤中各种形态水分的总称。（环境科学大辞典）存在于非饱和带土壤孔隙中及土壤颗粒所吸附的水分。（中国大百科全书）储存和运移于地表，向下延伸至潜水面以上的土壤水分（包括固态水、气态水和液态水），称为土壤水。水文学上土壤水是指存在于包气带中的水。2020年2月14日6（4）土壤的水理特性①土壤是多相、多孔的介质多孔的介质：多孔、疏松的特性，使得土壤具有传输水分、溶质的能力。多相物质构成：由有机成分（腐殖质、根系、土壤动物、微生物）、矿物颗粒、三种相态的水、孔隙空间构成。三相系统：土壤颗粒、水分和气体；孔隙由气体填充液态水土壤颗粒2020年2月14日7固相固相骨架：土壤矿物质颗粒和有机质颗粒构成固体骨架，称为土壤基质（soilmatrix）。土壤矿物：由土壤原生矿物和土壤次生矿物构成，矿物的化学组成与岩石类型有关。土壤有机质：包括生命体和非生命的有机质。土壤腐殖质：是扣除未分解和半分解动植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。胡敏酸、富敏酸、胡敏素2020年2月14日8液相存在于土壤固相物质构成的孔隙网络中，由溶质与胶体组成的溶液和悬浊液构成。毛管水可分为重力水土壤颗粒所吸附的液态薄膜水气相占据土壤中没有被液态水所占据的土壤空隙。气相的体积随土壤含水量的变化及土壤通气性而变化。成分与大气成分接近。2020年2月14日9体积体积空气空气土壤颗粒土壤颗粒液态水液态水孔隙度孔隙度土体土体质量质量项目项目SWATfVVVVVSWtMMM忽略忽略②土壤中各相的体积与质量构成2020年2月14日10土壤总容积(Vt)是土壤中固体颗粒的容积与土壤中各种大小孔隙容积的总和。Vt=Vs+V+V式中，Vt为土壤固体颗粒容积，V为土壤空气容积，V为土壤水容积。土壤孔隙的数量一般用孔隙度(简称孔度)表示。即单位土壤容积内各种大小孔隙容积(V+V)所占的百分数，它表示土壤中各种大小孔隙度的总和。2020年2月14日11③土壤颗粒大小、质地通常对2.0mm以下土壤颗粒分三级：粘粒、粉粒、砂粒土壤颗粒的表面积总和很大，可吸附其它离子与胶体。为什么有砂土、粉土、粘土、壤土之称：由土壤质地决定：砂粒，粉粒和粘粒的相对百分组成所决定，下面看几张土壤剖面2020年2月14日12粉砂土（粉土）壤土不同粒径颗粒混合均匀，透水性好粘土滞水砂土粗颗粒易排水土壤质地2020年2月14日13粒径分布部位利用特点宜用性砾石山区、河漫滩、冲积扇孔隙大，跑水，难耕作林果地沙粒冲积平原，沙、荒漠接壤区孔隙大、透水性强，养分少，保水保肥性差农耕地粉粒黄土类土壤含量高团聚胶结性差，保水保肥力较强，易遭趋势耕性好粘粒强风化区土壤养分高，团聚性强，保水保肥力强，通气性差，易板结耕性较好土壤质地与地形对应的空间分布2020年2月14日14④土壤结构土壤固相颗粒很少呈单粒存在，土壤矿物颗粒与有机质颗粒相互作用，聚积形成大小不同、形状各异的团聚体。这些团聚体的组合排列称为土壤结构，土壤结构是成土过程的产物。不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。土壤团聚体：土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成团粒，称为土壤团聚体。团聚体是土壤结构的基本单位。土壤团聚体有利于水分与养份的长久保持与稳定。土壤团聚体内和团聚体之间是连通的毛细孔隙与非毛细孔隙，构成土内水分传输的通道网络。2020年2月14日152020年2月14日15粒状结构片状结构块状结构柱状结构棱柱状结构2020年2月14日16⑤土壤物理常用指标土壤中固体物质重量与同体积水的重量比。SsMM同体积水自然条件下，单位土体体积的干土重量(g/cm3）。SbTMV土壤比重：土壤容重：体积体积空气空气土壤颗粒土壤颗粒液态水液态水孔隙度孔隙度土体土体质量质量项目项目SWATfVVVVVSWtMMM忽略忽略2020年2月14日17土壤孔隙所占总体积与固体物质所占体积之比土壤孔隙体积与土壤总体积之比，一般0.3～0.6土壤孔隙比：孔隙度（率）：faWTTVVVnVVfaWSSVVVeVV体积体积空气空气土壤颗粒土壤颗粒液态水液态水孔隙度孔隙度土体土体质量质量项目项目SWATfVVVVVSWtMMM忽略忽略2020年2月14日182、土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式作用力：分子吸附力（主要）：土壤颗粒表面附近的液态水受到土颗粒静电场的作用而受到的力，即粘附力（液体分子与固体分子之间的相互引力），在水文学里称为分子吸附力。重力：土壤水分在地球重力场中受到的地球引力。赋存在非毛细空隙（土壤大孔隙或通气孔隙）中的水分主要受到重力的作用。毛管力2020年2月14日192020年2月14日20汽态水：存在于土壤空隙中的水汽汽态水2020年2月14日21土壤水束缚水毛管水重力水吸湿水薄膜水毛管上升水毛管悬着水液态水分类：自由水渗透重力水支持重力水2020年2月14日22土粒（1）吸湿水:紧靠土粒，吸引力达几千～上万个大气压，不能自由移动，不溶解盐，不能被植物吸收利用，对植物生长意义不大。（2）薄膜水：吸力6.25～31个大气压，性质介于自由水与吸湿水之间，可溶解盐类，可传递静水压力。移动速度一般为0.2～0.4mm／h，可从水膜厚的土颗粒向水膜薄的土颗粒迁移，可被植物吸收一部分，但不能满足植物需要膜状水示意图膜状水移动示意图2020年2月14日23吸湿水特性受土壤表面分子的强烈吸引,为无效水，不能被植物吸收利用具有固态水的性质：密度大，热容量小，冰点低，没有溶解能力，不能自由移动，只能在高温下气化。影响吸湿水含量的因素（1）土壤空气湿度：土壤空气湿度愈大，吸湿水愈多，土壤空气湿度达到饱和时，吸湿水达到最大（2）土壤质地和腐殖质含量：土壤颗粒细、质地粘重、腐殖质含量越多，比表面积越大，吸湿水含量也越多（3）土壤含盐量及盐类成分：含盐量越多，吸湿水含量越多吸湿水达到最大时的含水量为吸湿系数2020年2月14日24膜状水特性1.膜状水性状接近液态水，密度大于液态水，粘质性较高，溶解养料的能力较弱2.膜状水所受的土粒表面分子引力较小，能在土粒表面缓慢移动3.膜状水可以被植物吸收利用，但不能满足作物需求，只有根系周围的膜状水才能被植物吸收膜状水含量影响因素：土壤质地、有机质含量土壤质地越粘重，膜状水含量越高膜状水达到最大时的含水量为最大分子持水量2020年2月14日25（3）毛管水：由于毛管力作用而赋存在土壤毛管网络内的水分所受土壤吸力为0.08～6.25个大气压，可自由上下左右移动，有溶解养分的能力，是植物生长需水中最有效的土壤水分。包括毛管上升水、毛管悬着水土粒毛管上升水示意图地下水位【上升毛管水】是指土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的毛管水，即地下水沿着土壤毛管系统上升并保持在土壤中的那一部分水分（与地下水有直接联系）。上升毛管水达到最大时的含水量为毛管持水量2020年2月14日26②毛管悬着水（有上凹形液面与下凸形液面）土粒毛管悬着水示意图【悬着毛管水】是指不受地下水源补给影响的毛管水，即当大气降水或灌溉后借毛管力而保持在土壤中的水分。（与地下水无关）悬着毛管水达到最大时的含水量为田间持水量2020年2月14日27毛管水特性1、毛管水为有效水，因其受土壤吸力（0.63-0.008MPa）小于作物的吸水力（1.5MPa），能够被植物根系吸收利用。2、毛管水移动速度较快，能及时满足作物根系吸水要求3、毛管水具有溶解、输送养料的能力，满足作物对养料的需求4、是地下水和作物根层水分间的桥梁毛管水含量影响因素：土壤质地、结构、地下水含量2020年2月14日28吸湿水薄膜水毛管水紧束缚水，吸湿水达到最大→吸湿系数松束缚水，薄膜水达到最大→最大分子持水量有效水（容易被植物吸收利用的）2020年2月14日29（4）重力水重力水：受重力支配不能被土壤所保持的水分【重力水】当土壤含水量超过土壤吸持水分的能力时，多余的水分由于不能为毛管引力所保持，在重力的作用下通过大孔隙向下流失，这种受重力作用而下移的水分称为重力水分类：自由重力水和支持重力水【自由重力水】：在重力作用下，直接进入地下水层，成为地下水补给来源的水分【支持重力水】：在重力作用下，向下移动的水分被不透水层阻挡并停留在不透水层上成为滞水，这部分水分叫做支持重力水2020年2月14日30二、土壤含水量与水分常数1、土壤含水量：单位土体中所含水分的数量(1)重量含水量m：单位质量土壤中所含有的水分数量。土壤含水量（重量%）=（原土壤重-烘干土重）100%/烘干土重%100)(干土水mmm注：基数用烘干土，不能用原状土，便于相互比较2020年2月14日31（2）体积含水量：单位体积土壤中含有的水分数量。土壤容积含水量=(土壤水容积/土壤总容积)100%。和的关系：vmv土壤mv一般以一定厚度土层中所含的水层深度来表示土壤所含水量，称为土壤蓄水量。水层厚度（mm）=土层厚度（mm）*（3）饱和度：单位体积土壤中，水的体积与土壤空隙体积的比值。饱和度%=（土壤水分体积/土壤孔隙体积)*100%v2020年2月14日32【土壤水的相对含量】：指土壤含水量占田间持水量或全持水量的百分数%100%田间持水量土壤含水量旱地土壤相对含水量%100%全持水量土壤含水量水田土壤相对含水量2020年2月14日332.土壤水分常数：指每种土壤各种类型水分达到最大量的含水量。【吸湿系数】：干土从相对湿度接近饱和的空气中吸收水汽的最大量，即吸湿水达到最大量时的土壤含水量。包括全部吸湿水，受力3.1MPa【凋萎系数】：植物产生永久凋萎时的土壤含水量。包括全部吸湿水和部分膜状水。受力1.5MPa土壤的持水力与作物的吸水力基本相等，作物吸收不到水分，是作物可利用水量的下限【最大分子持水量】：膜状水的水膜达到最大厚度时的土壤含水量。包括全部吸湿水和全部膜状水，受力0.63MPa。2020年2月14日34【毛管断裂含水量】（生长阻滞含水量）：当土壤中的悬着毛管水因作物吸收和土表蒸发而发生断裂时的土壤含水量。相当于全部吸湿水、膜状水和部分悬着毛管水。土壤含水量高于毛管断裂含水量时，土壤水分的有效性可显著提高，易于被作物吸收利用，是土壤水对作物是否显著有效的转折点，是灌水的下限。【田间持水量】：土壤中悬着毛管水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量。相当于全部的吸湿水、膜状水和悬着毛管水。田持是土壤在不受地下水影响的情况下所能保持水分的最大数量指标，通常作为灌溉水量定额的依据。2020年2月14日35【毛管持水量】：土壤中所有毛管孔隙全部充满水分时的含水量。（包括全部吸湿水、膜状水和上升毛管水）【全持水量】又称饱和含水量：土壤所有孔隙全部充满水分时的含水量。毛管孔隙和通气孔隙全