包气带土壤水的基本理论及测试方法

包气带土壤水的基本理论及测试方法许光泉教授安徽理工大学地球与环境学院联系方式：[e-mail]地下水科学系列讲座基本概念土壤物理性质土壤水分的作用力及存在形式土壤含水量及水分常数土壤水水力特性土壤水运动的基本理论土壤水的测试方法内容提纲包气带土壤水的基本理论及测试方法1土壤的定义地球表面具有肥力、能生长植物的疏松表层。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。固相：占重量百分比90-95%，原生矿物、次生矿物、有机质、细菌、微生物等。液相：土壤溶液—水及其可溶物。气相：空气、水汽。一、基本概念包气带土壤水的基本理论及测试方法土壤水带（毛细管悬着水带）,它同外界水分交换强烈。降雨的下渗、土壤蒸发和植物散发是导致这个带水分增长与消退的直接因素，水分的垂向分布随时间不同而变化。毛细管支持水带（毛细管水活动带）：在潜水面之上由毛细管上升水形成的，其水分分布特征是土壤含水量自下而上逐渐减小。它的位置随地下水位的升降而变动。中间包气带：介于上述两个带之间。2、包气带地面以下潜水面以上的垂直范围，也称非饱和带。它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，也是岩土颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统。其中，植物根系活动层与外界有强烈的水分交换。包气带具有吸收水分、保持水分和传递水分能力。包气带土壤水的基本理论及测试方法3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空隙中和为土壤颗粒所吸附的水分（中国大百科全书）。储存和运移与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。Soilwater;soilmoisture水文学上土壤水是指狭义：土壤带水广义：整个包气带水包气带土壤水的基本理论及测试方法4、研究土壤水的重要意义重要的水体之一土壤水的运动是水循环的重要组成部分！降水入渗蒸散发径流形成地下水补给及蒸发具有重要的生态、环境作用生态指标土壤的净化作用土壤水的运动决定着包气带化学组份分布和变化。包气带土壤水的基本理论及测试方法包气带作用过程简略图包气带土壤水的基本理论及测试方法二、土壤的物理性质1、土壤的物理性质组成土粒、水溶液和空气的复合体。体积百分比：固体50%左右，水溶液2-45%。固体颗粒砂粒：0.02-2mm，比表面积小，透水性强，毛管上升高度小，遇水不膨胀，干燥不收缩；粉粒：0.002-0.02mm，比表面较大，孔隙较小，透水性不强，毛管上升高度较大；粘粒：0.002mm，比表面大，孔细小而多，透水性很差，毛管上升高度达。遇水膨胀，干燥收缩。包气带土壤水的基本理论及测试方法2、土的分类砂土壤土粘土包气带土壤水的基本理论及测试方法3、土壤结构指土壤颗粒的相互排列和联结形式。种类：单粒结构蜂窝结构团粒结构（絮状结构）包气带土壤水的基本理论及测试方法4、土的物理性质指标比重干容重孔隙比孔隙度换算关系wssWWVWs0svVVeVVnvpppspnneeen1110包气带土壤水的基本理论及测试方法三土壤水分的作用力及存在形式1、土壤水分的作用力分子力（吸附力，MolecularForce）：土壤颗粒表面的分子和离子对水分的吸力。与比表面成正比。紧靠土粒表面的分子吸力很大，向外迅速减弱。毛管力(CapillaryForce)：在未充满水的毛管孔隙中，由于存在液体弯月面的表面张力而形成的毛管力。毛管力的大小与孔隙大小成反比。重力：孔隙中的水所受到的地球引力。包气带土壤水的基本理论及测试方法2、土壤水分的存在形式结合水(AdsorptionWater)吸湿水（强结合水）：紧靠颗粒表面，厚度只有几个分子(0.003m)。与普通水性质不同，不传递静水压力，没有溶解能力。100C不蒸发，密度为1.2-1.4g/cm3。具有很大的粘滞性、弹性和抗剪强度。薄膜水（弱结合水）：在稀释水外面，厚度0.5m。不受重力影响但水膜间可以运动。包气带土壤水的基本理论及测试方法毛细水（毛管水,CapillaryWater）由毛细作用保持在颗粒孔隙中的水分。分为：支持毛细水(毛管上升水)：地下水面以上由毛细管所支持而存在于孔隙中的水份。特点：随地下水位而升降；毛管上升高度与包气带岩性有关；地下水蒸发与毛管水关系密切。毛管悬着水：由于毛细力的作用，悬着于孔隙中的水份。主要存在于土壤带和中间带。支持毛管水悬着毛管水包气带土壤水的基本理论及测试方法毛管水所受吸力6.25-0.08大气压，比作物吸水力15个大气压小，易与植物吸收。毛管水的物理化学性质已具备一般自由水的特点。可在毛细力的作用下运动，具有溶解化学组份的能力。毛管上升高度湿润现象表面张力湿润角毛细作用曲率半径rPrrP2)11(21cosRr包气带土壤水的基本理论及测试方法毛管内外的压强差毛管上升高度简化为RPccos2Rghawc)(cos2)cm(15.0Rhc包气带土壤水的基本理论及测试方法土壤中相互连通的颗粒等效为一束毛细管无法精确和测量到孔隙的大小一般，r=0.2*粒径例：粒径0.02cm,r=0.004cm,hc=38cm包气带土壤水的基本理论及测试方法重力水土壤中在重力的作用下能自由移动的水分。当土壤中水分超过土粒吸引力和毛管的作用范围，多余的水就会在重力的作用下运动。特点：具有一般液体的性质，可传递压力；可被植物吸收；不易保存在包气带中；地下水的重要补给来源。包气带土壤水的基本理论及测试方法土壤含水量的影响因素土壤特性：组成、结构水文气象因素：降水、蒸发等环境因素：植被、人为因素等四、土壤含水量及水分常数包气带土壤水的基本理论及测试方法1、土壤含水量的表示方法土壤重量含水率定义：同一土样中，水分的重量Ww占干土（粒）重量的百分比。公式：特点：容易求得，(W-Ws)/Ws；相对含量，不同类型土壤间难以进行比较，与土壤的含水量和干容重有关。%100s包气带土壤水的基本理论及测试方法土壤容积含水率定义：单位容积的土壤中，水分含量所占的比例。公式：特点：表示土壤所含水分绝对量的大小，广泛应用；计算或测试较为困难；W与转换关系：通常把含水率成为含水量%100VVww0包气带土壤水的基本理论及测试方法2、土壤水分常数表示土壤水分形态和性质的土壤含水量的特征值称为土壤水分常数。主要有：最大吸湿量(MaximumHygroscopicity)：在饱和空气中，土壤能吸收的最大水汽量。表示土壤吸着气态水的能力。这部分水分不能被作物吸收。土壤质地细砂土壤质沙土沙壤土轻壤土中壤土粘土重粘土泥炭土最大吸湿量(%)0.031.11.42.13.05.46.518.4包气带土壤水的基本理论及测试方法最大分子持水量(SoilMoistureRetention)由土粒分子力所结合的水分的最大量，即薄膜水达到最大厚度时的土壤含水量。一般土壤是最大吸湿量的2—4倍。凋萎含水量（凋萎系数、凋萎湿度,wiltingpercentage,wiltingcoefficient,wiltingmoisturecontent）植物无法从土壤中吸收水分，从而开始永久凋萎时的土壤含水量。植物根系的吸力：15个大气压。大于凋萎含水量的水分是参与水分交换的有效水量。实践中，凋萎含水量是土壤最大吸湿量的1.5-2倍。包气带土壤水的基本理论及测试方法田间持水量(土壤最大持水量，FieldCapacity)土壤中毛管悬着水达到最大时的土壤含水量。在不受地下水影响条件下所能够稳定的保持的土壤水分最大数量。当灌溉超过田间持水量时，只能加深土壤的湿润深度，而不能增加其含水量，是土壤中作物有效含水量的上限值。常用来作为灌溉上限和计算灌溉定额的依据和标准。是水分下渗的下限。测定：饱和土壤排水两天后，测得的土壤含水量。包气带土壤水的基本理论及测试方法毛管断裂含水量（作物生长阻滞含水量,MoistureofCapillaryBondDisruption）毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水量。当土壤含水量大于此值时，悬着水就能向土壤水分的消失点（面）运行（被植物吸收或蒸发）。小于此值时，连续供水状态遭到破坏，土壤水分为结合水和薄膜水。水分交换以薄膜水和水汽形式进行。此状态水供给不足，植被生长受到阻滞。此值与土壤性质有关，一般为田间持水量的65%，可作为灌溉水量的下限。饱和含水量(SaturationCapacity)土壤中所有的有效孔隙全部被水充满时的土壤含水量。从田间持水量到饱和含水量之间的水分，为自由重力水，受重力作用向下运动。地下水面以下土壤含水量处于饱和状态。包气带土壤水的基本理论及测试方法3、土壤水分的有效性指土壤水分能否被作物吸收利用及其吸收利用的难易程度。其有效性取决于水分存在的形态、性质、数量、分配情况，以及作物吸水力。一般：下限-凋萎系数，上限-田间持水量。包气带土壤水的基本理论及测试方法包气带土壤水的基本理论及测试方法包气带土壤水的基本理论及测试方法包气带土壤水的基本理论及测试方法五、土壤水水力特性根据土壤水的形态分类研究土壤水有缺陷，它仅仅是一种定性描述：分类理论上不严密：如各种形态的水都是重力水结合水、毛细水和重力水的界限无法明确划定无法进行水分运动的定量研究，造成近三十年来该方面研究没有更大的进展。从土壤水能态的角度研究土壤水分运动在上世纪五十年代以后取得了长足的进展。包气带土壤水的基本理论及测试方法自然界的所有物体都具有能量，而且普遍的趋势是自发地由能量高的状态向能量低的状态运动或转化，并最终趋于平衡状态。物体的机械能量＝动能＋势能土壤水运动，可忽略？势能：单位质量的物质从已知点移动到另一个特定点所需要做的功。为了描述土壤水的状态及其运动，引入势的概念。土壤水所具有的势能称为土水势。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？包气带土壤水的基本理论及测试方法1、土水势在标准大气压下，将单位水量的土壤水从标准参考状态（定义土水势为0）等温地、可逆地移动到另一土壤水状态，土壤水所作的功。规定：环境对土壤水做功，土水势为负；土壤水对环境作功，土水势为正。[举例]将一定量土壤水从低处移动到高处，克服重力做功；将一定量的结合水移动到自由水状态，需要克服土壤颗粒对水分子的吸力。土水势的种类：重力势、基质势、压力势、溶质势、温度势等包气带土壤水的基本理论及测试方法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or水位）：g=z包气带土壤水的基本理论及测试方法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0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。包气带土壤水的基本理论及测试方法基质势土壤颗粒（基质）对土壤水的吸附和毛管作用，吸引和束缚着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。