水文学原理(第五章--土壤水与下渗1)

第三节土壤水一、土壤的水理特性二、土壤水的存在形式和分类三、土壤水的水力特性四、土壤水运动的基本方程第五章土壤水和下渗学习重点及难点：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。（难点、了解）土壤的形成过程是：“地壳表面的岩石风化及其搬运的沉积体，接受其所处的环境因素的作用，而形成具有一定剖面形态和肥力特征的土壤”。所以土壤形成过程是一组物理、化学与生物化学的组合反应。一土壤水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；2包气带和饱和带1）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；2）饱和带的定义：在地下水面以下，土壤处于饱和含水状态，是土壤颗粒与水分的二相系统。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。土壤的水理特性1.土壤比重：指土壤中固体物质与同体积水的重量比。2.土壤容重：指自然条件下，单位体积中的干土重量。3.土壤孔隙比：指土壤中孔隙体积与固体体积之比。4.孔隙率：指孔隙体积与总体积之比。松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类第二节土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式支持重力水自由重力水受重力作用支持毛管水毛管悬着水受毛管力作用薄膜水吸湿水受土粒分子引力液态水空气中气态水：存在于土壤、时存在固态水：冬季土壤冻结土壤水1）汽态水汽态水：存在于土壤空隙中的水汽2）吸着水土粒吸湿水:紧束在土粒表面，不能自由移动薄膜水：吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面做微小的移动膜状水示意图膜状水移动示意图3）毛管水毛管水:受毛管力的作用保持在土壤中的水分存在形式：气态固态液态设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）机制：毛管力（0.08-6.25×105）•h水柱高度（cm)•d孔隙直径（mm）毛管作用力范围：0.1-1mm有明显的毛管作用0.05-0.1mm毛管作用较强0.05-0.005毛管作用最强〈0.001mm毛管作用消失土粒毛管上升水示意图地下水位土粒毛管悬着水示意图均质土包气带水分分布毛管上升水:地下水在毛管力作用下上升并保持在土壤中的水分；毛管悬着水:当地下水位较低时，降雨或灌溉后因毛管力的作用而保持在土壤里的水分。4）重力水重力水：受重力支配不能被土壤所保持的水分2.土壤含水量及水分常数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）按运动形态划分：土壤水汽态水吸着水毛管水重力水吸湿水薄膜水毛管上升水毛管悬着水第三节土壤含水率及水分常数1.定义:一定量的土壤中所含水分的数量。（1）土壤重量含水率例1：土壤烘干前湿重为95g，烘干后重79g，求质量含水量。%100干土重实际水重（2）土壤容积含水率（3）蓄水深度例3：如某土层厚度为10cm，容积含水量为25％，求水深。Dw=（10×25％）＝2.5(cm)＝25(mm)（4）相对含水量土壤容重重量土壤含水量土壤容积水分容积%)(%100）土壤含水量（容积土层厚度水层厚度%膜状水示意图土粒毛管上升水示意图地下水位土粒毛管悬着水示意图2.土壤水分常数1)吸湿系数:吸湿水达到最大时的土壤含水率。2)最大分子持水量：薄膜水达到最大时的土壤含水率。3)凋萎系数：作物产生永久凋萎时的土壤含水率。4)田间持水量：毛管悬着水达到最大时的土壤含水率。5)毛管断裂含水量：毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水量。6）饱和含水量：所有土壤孔隙都被水所充满时的土壤含水率。表7.1不同质地土壤的萎蔫系数（m%）土壤质地粗砂壤土细砂土砂壤土壤土粘壤土萎蔫系数0.96～1.112.7～3.65.6～6.99.0～12.413.0～16.6影响因素：土壤质地、植物种类、气候等下表给出了不同质地土壤的萎蔫系数参考范围。萎蔫系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。凋萎系数无效孔度=凋萎系数×容重不同质地和耕作条件下的田间持水量m（%）紧实耕后212528-3224-2822-2620-2413-2010-14田间持水量二合土粘土重壤土中壤土轻壤土砂壤土砂土土壤质地在形态上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水量是确定灌水量的重要依据。影响因素：质地、有机质含量、结构、松紧状况等水分常数3土壤含水量测定1）.称重法:2）.张力计法3）.电阻法4）.中子法5）.r-射线法6）.驻波比法7）.光学测量法8）.时域反射法1.毛细现象及毛细力第四节土壤水分运动基本方程RRRPc222衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水的平衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状况的纯自由水体所能做的功。如何定义和计算？例如在饱和的含水层中，如何计算？在非饱和情况下，土水势由何组成？如何计算？2.土水势1)、基质势（也称：基模势）土壤颗粒（基质）对土壤水的吸附和毛管作用，使土壤水保持在土壤中，统称为基质势。基质势由吸附势和毛管势组成，两者很难区分开。m自由水(可以自由流动的水，是良好的溶剂和运输工具)不含基质势，设为标准参考状态（0）。数值上等于：单位数量的土壤水分由非饱和土壤中的一点移至标准状态，除了土壤基质作用外其它各项维持不变，土壤水分所作的功。非饱和土壤水的基质势永远为负。0:0:mm非饱和土壤水饱和土壤水——张力计。C。B。B水陶土头土体hc例：HB＝ZB＋hBc＝ZB＋(-hBc)＝HB（图示）如果测得包气带中HB﹥HC，水流运动方向为B→C；在入渗水流中包气带中HBHC，水流运动方向为C→B。2)、溶质势（）：土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水的综合作用所形成的势。ms土壤水溶液对水分子有吸引力，实施上述移动时必须克服这种吸持作用对土壤水做功。也就是说，土壤水中溶质的存在，降低水的自由能。所以溶质势s0。3）、压力势（也称：静水压力势）由于压力场中压力差的存在而引起的。自由水面以下，土壤水受到静水压力作用，所具有的压力势能。标准参考状态：标准大气压对于饱和土壤水，地下水面以下h深处的附加压强为wgh，由于在地下水面以下，该值大于零；单位容积的压力势为p=wgh单位质量的压力势为p=gh单位重量的压力势为（压力水头）p=h非饱和土壤水，孔隙连通，各点均为大气压，p=0。4）、重力势土壤水处于重力场中，由于地球引力而使土壤水所具有的势能称为重力势。数值上等于：将单位数量的土壤水分从某一点移动到参考状态平面处，而其它各项维持不变情况下，土壤水所作的功。数值大小取决于土壤水所处的高度。参考平面任意，一般可取：海平面、地面标高、地下水位标高。土壤中垂直坐标为z、质量为m的土壤水所具有的重力势为：Eg=mgz。单位质量土壤水的重力势为：g=gz单位重量土壤水的重力势（水头或水位）：g=z5）、温度势由于温度场的温差所引起的。土壤中任意点土壤水分的温度是由该点的温度与标准参考状态的温度之差决定。t总土水势分析一般土壤水运动时，溶质势和温度势可以忽略。非饱和土壤中：重力势和基质势饱和土壤中：重力势和压力势gmpstgmpgmgp土壤水流总是由位置高处向位置低处流动，对吗水的流动方向不仅与位置高度有关，而且取决于土壤的干湿程度，不能笼统地说水由位置高处流向位置低处，流动唯一遵循的原则是土水势高处向土水势低处运移。总土水势的表示方法（单位）：可统一用水柱高度表示。势能为标量，只有大小没有方向，可进行代数运算。势能的梯度具有方向，土壤水总是向势能减小的方向运动，即向负梯度方向运动。3.土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。3.土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线有滞后现象0200400600800100012002040土壤负压-h(cm)含水率θ(%)粘土壤土砂土表示土壤负压（基质势）与土壤含水率关系的曲线土质不同，土壤水分特征曲线不同，或者说土壤水分特征曲线反映了不同土质的水力特性土壤水分特征曲线的滞后现象•土壤在吸水和脱水过程中的水分特征曲线不相重合的现象0200400600800100012002040土壤负压-h(cm)含水率θ(%)壤土•滞后现象产生的原因主要有：★土壤孔隙的不规则性★吸水过程中，空气常被封闭于土壤孔隙中吸水释水（1）基本概念a.均质土壤b.非均质土壤c.各向同性d.各向异性4.土壤水流动的基本方程(2)饱和土壤水流动的达西定律：LHKvs渗流方向上的距离。—L系数）；饱和水力传导率（渗透通量或渗量或渗单位梯度—KLH—H方向的渗向的渗流x沿—vs称为，下的相应的水力梯度；总水头或总水势；重力水运动基本规律达西定律及其试验方法要试验什么？V&I渗透系数的定义？达西定律适用范围－低速层流雷诺数Re小于10的层流ReVdVd渗流速度，－运动粘滞系数－颗粒平均粒径（3）非饱和土壤水流动的达西定律理查兹(Richards)1931年用实验证明，非饱和土壤水流也符合达西定律：xKv)(渗流方向上的距离。—系数）；饱和水力传导率（渗透—头）；饱和土壤总土水势（水—方向的渗流速度；沿—xKxvsLHKvsxKv)(该式与饱和水流的达西定律形式上相同，但含义和特点不同。两者水的流动都是由水势差而引起，但两者的组成不同:饱和水流总势（通常称水头）由重力势和压力势构成；非饱和流总势（土水势）由重力势和基质势构成，水的流动唯一遵循的原则是土水势高处向土水势低处运移。饱和土壤渗透系数可认为是常数，而非饱和土壤的渗透系数（导水率）是土水势或含水量的函数，它随着含水量的减小而降低。思考题：1.论述土壤水的存在形式及其特性。2.解释：土壤含水率、最大吸湿量、最大分子持水量、凋萎系数、田间持水量、上升毛管水、悬着毛管水。3.在非饱和土壤水中哪些土水势占优？在饱和土壤水中哪些水势占主导地位？下渗学习提纲：一、了解下渗的概念；二、掌握下渗的物理过程（重点）1.下渗过程的阶段划分；2.下渗水的垂向分布；3.下渗要素；4.天然条件下的下渗（难点）一下渗1定义：指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。2意义影响土壤水和地下水动态，直接决定壤中流和地下径流的组成，而且影响河川径流的组成；下渗是将地表水与地下水，土壤水联系起来的纽带，是径流形成过程、水循环过程的重要环节。3.下渗要素(1)供水强度(2)下渗率：又称下渗强度。指单位面积上在单位时间内渗入土壤中的水量；（单位：mm/h，mm/min）；(3)下渗能力又称下渗容量，指充分供水条件下的下渗率；（4）下渗曲线（5）累积下渗量在某一时间段内，累积入渗的水量。•(6)稳定下渗率：简称稳渗，随着下渗作用的不断进行，土壤含水量的增加，下渗率逐渐递减，递减的趋势也是先快后慢，当下渗锋面进行到一定深度后，下渗率趋于稳定的常数，此时称为稳定下渗率。fdtdF•（7）下渗率与下渗能力下渗率的变化规律可用数学模式表示：如霍顿公式：对上式积分，且当t=0时，，可得：cftfdttdf)()(0)0(ff