土壤水动力学

土壤水动力学绪论1土壤水动力学教案冯绍元教授2002年7月土壤水动力学绪论2农业水土工程、水文学及水资源、水土保持与荒漠化防治等相关硕士研究生专业基础理论课。计划学时：60SoilWaterDynamicsTotalsixtyclasshours,anditcontainsasfollow：1.Lectureinclass2.Discussinclass3.ExperimentinlaboratoryDiscussion:HowtoStudytheSoilWaterDynamics?参考书目1.地下水与土壤水动力学张蔚榛主编2.土壤和水——物理原理和过程D．希勒尔著华雪，叶和才译3.土壤水动力学的计算和模拟D．希勒尔著罗焕灰等译4.土壤物理学华孟王坚主编5.WaterFlowinSoilsTsuyoshiMiyazaki土壤水动力学绪论3目录绪论……………………………………………………………………………1一、什么是土壤水动力学？…………………………………………….1二、为什么要学习土壤水动力学？…………………………………….1三、怎样学习土壤水动力学？………………………………………….1第一章土壤和水的基本概念………………………………………….3§1土壤的基本物理性质………………………………………………3§2土壤水的基本物理性质……………………………………………6一、土壤水的形态……………………………………………………6二、土壤水的能态……………………………………………………7§3土水势………………………………………………………………8一、重力势……………………………………………………………8二、压力势……………………………………………………………9三、基质势…………………………………………………………10四、溶质势…………………………………………………………10五、温度势…………………………………………………………11§4土壤水分特征曲线………………………………………………11一、土壤水吸力……………………………………………………11二、土壤水分特征曲线……………………………………………11三、滞后现象………………………………………………………13第二章土壤水动力学基本方程……………………………………15§1非饱和土壤水流动的达西定律…………………………………15§2土壤水运动的主要参数…………………………………………17一、水力传导度……………………………………………………17二、水分扩散度……………………………………………………18三、容水度…………………………………………………………18§3非饱和土壤水运动基本方程……………………………………19一、直角坐标系的基本方程………………………………………19二、基本方程的各种形式…………………………………………20三、柱坐标系下的基本方程………………………………………24§4土壤水运动基本方程的定解条件………………………………26一、初始条件………………………………………………………26二、边界条件………………………………………………………26§5土壤中溶质运移的基本方程……………………………………27一、土壤中溶质运移的基本概念…………………………………27二、土壤中溶质运移的基本方程…………………………………28三、基本方程的扩充………………………………………………30四、土壤中溶质运移与水分运动的关系………………………….30§6土壤中热流基本方程……………………………………………31土壤水动力学绪论4一、土壤的热特性……………………………………………………31二、土壤中热流的基本方程…………………………………………32三、土壤中水热的耦合迁移…………………………………………33第三章土壤水分的入渗…………………………………………………34§1土壤水分入渗过程概述……………………………………………34一、过程的一般分析…………………………………………………34二、地表入渗条件……………………………………………………36§2土壤水分运动线性化方程的入渗解……………………………….36一、水平入渗解………………………………………………………36二、垂直入渗解………………………………………………………37§3Green－Ampt模型与δ函数入渗解…………………………………37一、Green－AmptModel……………………………………………37二、δ函数近似解……………………………………………………39§4入渗公式及其讨论…………………………………………………40一、Green－Ampt入渗公式…………………………………………40二、Philip入渗公式………………………………………………41三、Smith入渗公式………………………………………………42四、Smith—Parlange入渗公式……………………………………42五、Kostiakov入渗公式……………………………………………43六、Horton入渗公式………………………………………………43七、Holtan入渗公式………………………………………………44第四章蒸发条件下的土壤水分运动……………………………………45§1概述…………………………………………………………………45一、基本概念…………………………………………………………45二、蒸发产生的条件…………………………………………………..45三、蒸发在各种组合条件下进行……………………………………..45四、土面蒸发过程的三个阶段………………………………………..46§2定水位条件下均质土壤的稳定蒸发………………………………48一、稳定蒸发条件下土壤含水率及吸力分布………………………48二、定水位下潜水极限蒸发强度……………………………………49三、潜水稳定蒸发及其经验公式……………………………………50§3定水位条件下层状土壤的稳定蒸发………………………………52一、基本假定…………………………………………………………52二、基本公式…………………………………………………………53第五章土壤—植物—大气连续体中水流的运动………………………54§1概述…………………………………………………………………54§2植物细胞水势及植物体中水流……………………………………55一、植物水分生理……………………………………………………55二、植物细胞水势……………………………………………………55三、植物体中的水流…………………………………………………56§3土壤根区水流………………………………………………………56一、根系吸水作用……………………………………………………56土壤水动力学绪论5二、单根吸水的土壤水运动模型……………………………………57§4腾发量的估算………………………………………………………59一、概述………………………………………………………………59二、腾发量的估算方法………………………………………………59三、根据潜在腾发量估算实际腾发量………………………………..62§5考虑作物根系吸水时恒温条件下土壤水分运动的模拟…………62一、土壤供水充分时()tzSr,的确定…………………………………63二、土壤供水不足时()tzSr,的确定…………………………………64第六章土壤水分运动的数值计算方法………………………………66§1概述…………………………………………………………………66§2一维土壤水分运动问题的有限差分法……………………………66一、差分概念…………………………………………………………66二、一维非饱和流动问题的差分方程………………………………67三、线性化方程………………………………………………………70四、参数取值…………………………………………………………72五、数值计算的收敛性和稳定性问题………………………………..72§3田间土壤水分运动问题的数值模拟………………………………73一、田间均质土壤一维非饱和流动问题的数值模拟………………73二、一维饱和——非饱和土壤水分运动问题的数值模拟…………76三、二维非饱和土壤水分运动问题的数值模拟……………………78§4土壤中溶质运移问题数值模拟……………………………………80一、数学模型…………………………………………………………80二、差分方法…………………………………………………………80§5冻融条件下土壤中水热耦合运移问题数值模拟…………………82一、数学模型…………………………………………………………82二、差分方法…………………………………………………………83土壤水动力学绪论6绪论一、什么是《土壤水动力学》：What’stheSoilWaterDynamics?由雷志栋等教授编著的《土壤水动力学》中定义如下：土壤水动力学是以土壤中水分的能态为基础，研究非饱和土壤中水分、溶质和热量运移问题的科学。由张蔚榛教授主编的《地下水与土壤水动力学》中定义如下：土壤水动力学是研究土壤水传输、运移规律的理论及其应用的科学，即研究田间水循环条件下，土壤、植物、大气相互作用、相互影响的科学。由此可知，《土壤水动力学》的研究对象是土壤水，研究的内容是土壤水分、溶质和热量运移规律的科学。二、为什么要学习《土壤水动力学》：WhydoyouStudyontheSoilWaterDynamics?由上述土壤水动力学的研究对象和内容可知，土壤水动力学是许多学科的基础，它的研究涉及农田水利学、水文学、地下水文学、水文地质学、土壤物理学、环境科学等学科，对于现代农田水利学科来说，土壤水动力学作为基础理论课程至少是以下三个研究方面的理论基础：1、调控土壤水分状况土壤水是农作物吸收利用的农田水分的主要形式。农田灌溉和排水的基本任务即是调节控制土壤水分状况，使之满足农作物生长对水分的要求。为了正确地拟定作物的灌溉制度，选取合理的排水规格和灌水技术，有效地管理灌溉排水系统，必须了解土壤水运动规律和掌握土壤水动力学的基础理论。2、合理开发和科学管理水资源随着我国工农业生产的迅速发展，对水资源的要求日益增加，为了合理开发利用和科学管理水资源，必须正确评价水资源的数量和质量。降雨、地表水、土壤水和地下水之间是相互转化的，地表水和降雨入渗对地下水的补给，地下水的蒸发消耗都需要通过土壤的非饱和带。因此，土壤水动力学也是地下水文学和地下水资源评价的基础理论。3、土壤改良和水土环境的改善我国北方和南方沿海地区均有一些盐碱荒地，在耕地中还有大面积的次生盐碱化土壤或受到盐碱化的威胁。一些缺水地区只能利用微咸地下水进行灌溉，为了改良利用盐碱地和预防土壤次生盐碱化，必须了解盐分和水分的运移规律。同时，随着工农业生产的发展，工业的有害物质，农田施用的化肥和农药对土壤和地下水的污染日益严重，为了进行环境污染的预测和防治，也必须掌握土壤水动力学的基本理论。土壤水动力学绪论7三、怎样学习《土壤水动力学》：HowtoStudyontheSoilWaterDynamics?1、重点掌握《土壤水动力学》的基本概念、基本方程和基本实验。2、以理论分析、物理实验和数值模拟为手段，掌握分析问题、解决实际问题的基本技能。3、主要参考书（1）土壤和水——物理原理和过程D．希勒尔著华孟叶和才译（2）土壤水动力学的计算和模拟D．希勒尔著罗焕炎等译（3）土壤物理学华孟王坚主编（4）地下水与土壤水动力学张蔚榛主编（5）WaterFlowinSoilsTsuyoshiMiyazaki土壤水动力学第一章土壤和水的基本概念8第一章土壤和水的基本概念Chapter1:BasicConceptionsofSoilandWater§1BasicphysicalpropertiesofsoilsSoilistheporousmediaofmultiphase,nonhomogeneousandcomplex:———theSolidPhase———theLiqu