第5章毛细现象与包气带水

第五章毛细现象与包气带水的运动学习目的和要求：了解毛细现象及有关理论，掌握土壤水势的概念及有关参数，了解非饱和土壤水运动的基本方程。重点掌握基质势的概念和非饱和土壤水流动的达西定律（或Richards方程）。5．1毛细现象及有关理论毛细现象：将细小的玻璃管插入水中，水会在管中上升一定的高度才停止，这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象。最大毛细上升高度与毛细管直径成反比，颗粒细小的土，最大毛细上升高度也大。有关土壤水分的运动有两种理论：1．毛管理论将土壤看成均匀的或不同管径的毛细管，将土壤水在土壤孔隙中的运动简化为在毛管中的运动进行研究。2．势能理论用在土壤水势基础上推导出的土壤水运动方程，研究土壤水的运动。目前主要用势能理论研究土壤水的运动。5．2土水势1．重力势ψg重力势——是由重力场的存在而引起的，它决定于所讨论的土壤水的高度或垂直位置。单位重量土壤水分的重力势为：ψg＝±z2．压力势ψp压力势——是由于压力场中压力差的存在而引起的。单位重量土壤水分的压力势为：ψp＝h3．基质势ψm(以往常称为毛管势)基质势——土壤水的基质势是由于基质（颗粒）对土壤水分的吸持作用引起的。（1）非饱和土壤水ψm0→基质势用负压水头h来表示：ψm＝h（h0）（称为土壤负压或土壤水张力；（2）饱和土壤水ψm＝04．溶质势ψ溶质势——是土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水分综合作用的结果。土壤水溶液中的溶质对水分子有吸引力，溶质势为一负值，ψs0。5．温度势ψT温度势——是由于温度场的温差而引起的。实际应用中，分析非饱和土壤水分的运动时，土壤水的五个分势中溶质势、温度势一般不考虑，压力势ψp=0。因此，总水势由基质势ψm＝h和重力势ψg＝±z组成：ψ＝ψm+ψg＝h±z5．3有关参数1．土壤水分特征曲线（h-θ）土壤水分特征曲线——土壤水的基质势（负压）是随土壤水含水率（量）而变化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。2．容水度C(θ)（与饱和水的容水度定义不同）容水度——负压水头减小一个单位时，自单位体积土壤中所能释放出来的水体体积。（单位:1/cm，h为一负值)3．扩散度D(θ)扩散度——表示单位含水率梯度下，通过单位面积的土壤水流量。（单位：cm2/min)4．水力传导度K(θ)水力传导度——单位水势梯度时的土壤水分通量（或流速）（单位：cm/min）。注意：a.饱和带K为一常数；b非饱和带K为含水率θ的非线性函数K(θ)（为一增函数）。5．4非饱和土壤水流动的达西定律1931年，Richards将达西定律用于非饱和水流的研究，提出——Richards方程。注意：ψ=h±z，垂直坐标向上为“+”；向下时为“–”。5．5非饱和土壤水运动基本方程1．h方程（负压方程）(垂直坐标z向上为正)2．θ方程（含水率方程）(垂直坐标z向上为正)参考书：1．雷志栋、杨诗秀、谢森传，《土壤水动力学》，北京：清华大学出版社，1988。2．张蔚榛，《地下水与土壤水动力学》，北京：中国水利水电出版社，1996。思考题（略）