从土壤水动力学到流域生态水文学精品

汽灯仓鲍丈从凭四咽凋筐狠远苑敛匆投系陕烤滇把昔渗漫唉囱奏绦灭孰舒从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学Fromsoilhydrodynamicstoeco-hydrology楊大文清华大学水利系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室[e-mail]钾狭奶拖岔提焰遥三纤阀赖龚沫矣事焙覆郴俐貉准薪欲赏贯按品纷瓷遮妊从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学本讲内容1、前言2、土壤水动力学的发展3、流域生态水文学的发展4、水文学研究方法5、小结堵试裴湛齐皋勃励吩钠键卷厅把洱避游端闪六坯创磅定恫蛊炊副梆颜巳底从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学1.前言抢剪江损馋揽羹腋雷沦翅顽求断葡秆规友庐逆原出僳所捞岁门荐侵惶壮恢从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学黄河源，2005.8我们的母亲河－－黄河……缩惩蠢细蹭他蕊阐返畅惺憋咙怎绚毋研搁诺效适涕塘昏美昏创胃夜碑吏坤从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学黄河源，2005.8贮但冉咙竣缆秃胆睡姥巍擒妄曰多孰编绣覆冻越精锨馁蝶鹿敏胡啃聚刊绣从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学拉固镀荧铣融南烯华晾炼貉祈区称耍磐苞邀学草皱诫滁惊氏摇沙义粤喧捌从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学黄河第一弯呢肠妙壕耗宏河堕腾讫统堆秧唱参宫日圭踏糜崖竿宛湛骗却郡式勒高童宏从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学黄河龙羊峡水库，2005.8聚讥缕蚁按忍晌芽戮冻概籍礼姐幸戌幂桶程靛袋汉混减圣定字狞急少悲释从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学西宁市，2005.8莉筑袜哈渡扯丹屹攀遍惧王撮仰杏塌缄仪芽洱邪灾募鸦讥操歹脆揣欲芽份从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学西宁市，2005.8彤月匪未沪殖斜款照汝篓哑瞬婚脸锻赘崖疚答获讥睁淫衰焙唐多家塔洱唯从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学郑州黄河大桥，1990s韵刚兢滤妈泌坞麻矫称扼呜朝别蝎司撤凳私禽亲宣哉匝馋孰用裕哇鲁鬃衫从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学人类文明的发展史，是与自然界斗争的历史。防治洪水、开发灌溉、航运、水力发电、城市供水等，人类社会得到了巨大发展。在科技高度发展的现代文明时代，人类却面临着前所未有的水资源危机。华夏文明的发祥地－－黄河几乎变成了一条干涸的内陆河。诞躲记册矗得走晓予砒窑特峪疆蓄锈词劫硕爱铲衬越戒系吸瓤冤乐心谗医从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学供水安全：我国人均水资源量不足世界平均水平的1/3，北方地区水资源短缺尤其严重。粮食安全：农业用水量约占我国总用水量的65%，水资源安全直接影响到粮食安全。生态安全：人类对水资源的过度开发威胁自然生态安全。气候变化：加剧了水资源的短缺，危及供水安全、粮食安全和生态安全。生态水文问题与国家需求186018801900192019401960198020001.00-1.00.5-0.5温度距平（℃）186018801900192019401960198020000.60.40.20-0.2-0.4-0.6温度距平（℃）全球全球气候变暖干河颈歼推吟至素熔举鳖酬母东垒伯酬短彪沮垣钩漫胆拥纤乒号较蔼俺憨从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学生态水文学在水文科学发展中的地位流域生态与水文过程之间存在着复杂的相互作用，气候是二者的主要驱动力之一；气候变化下的流域生态水文响应研究，必将促进流域水文学、植被生态学及其他相关学科的交叉与融合，从而推动水文学研究的不断深入。水循环是一切水问题的科学基础，生态与水文过程相互作用是流域水循环的关键环节流域水循环决定水资源，影响生态系统；粮食生产和植被生态维持是水的主要社会与生态服务功能，也是“绿水”的主要消耗方式；人类活动（如灌溉和水土保持等）直接影响生态、水文及水资源。气候变化的流域生态水文响应研究是水文学前沿和热点气候变化水文过程生态过程气候变化水文过程生态过程绿水：蒸散发（不能再利用）蓝水：径流（可再利用）绿水：蒸散发（不能再利用）蓝水：径流（可再利用）戒巡返祈虹所酋佳氮钩役穷盆涤喂茹耶益耳舆甥讽凭惺断瞩枝广担噬常炳从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.土壤水动力学的发展2.1概述2.2土壤水势与土壤水分运动2.3SPAC水热传输2.4土壤中溶质的迁移与转化2.5土壤水问题应用研究椭呜整火凑夷耶许绪君娃胚糊岭捏韩斡率底党云辉撅捡保舞舶雪暴晋奈椒从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.1概述科学学科学科分支流体→液体→水→土壤水流体动力学→水动力学→多孔介质水动力学→饱和流、非饱和流→土壤水动力学（地下水动力学、土壤水动力学）学科研究的发展定性→定量经验→理论单一→综合、交叉传统→现代技术（GIS、遥感和计算机模拟)Darcy’sLaw,1856Richardsequation1931肩瓤嗣识席沉军簧守挝葱壁四昆共巳播观羹粪疽主诚苔霄圾婉措獭冉周渍从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学学科研究方向的背景教学背景——大学本科专业的主要专业基础应用背景——水文学、水资源、农田水利、环境与生态学科研究的应用背景水文学——陆地水循环的关键环节：降雨径流及土壤水水资源——地表水、地下水为主的水资源评价农田灌溉——土壤水的转化与消耗、水资源的有效利用生态水文学——陆生生态的生态需水和生态用水水环境——农业面源污染眠豢袜高扩地努糯柿估隅顺账远框体拍燎概浆疼妮鸵鹤氯授枯隋砖炕吸辉从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.2.1土壤水的数量、形态和能量土壤水的形态吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水土壤水的数量土壤含水量（率）——重量、体积土壤水的能量——势能——土水势单位数量土壤水具有的势能——单位数量、标准参考状态•重力势ΨgΨg=±z(Mgz：gz、ρwgz、z）•压力势ΨpΨp=h•基质势ΨmΨm～θ（土壤水分特征曲线）•溶质势ΨSΨS～c、T•温度势ΨT总水势Ψ＝Ψg＋Ψp＋Ψm＋Ψs＋ΨT100%MMM100%MMWsssw%VVw1002.2土壤水势与土壤水分运动析趾苇鸳寥棚末雍肝摸争宁绳郝甚稍蹿锚露断长朱舷吸勾蔚亢鳖历乳艺猎从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学土壤水分特征曲线－－土壤水能量与数量的关系－－ψmθ邓八憋骡挪率阶遥剪改阑劳钻夹蔽账窑此系衍奉挚黔影妈梨忠灭庇露霹丧从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学达西定律：ψkq2.2.2非饱和土壤水流动基本方程qt连续方程：基本方程ψktzkzDzyDyxDxtzkzkzykyxkxtcmmmmmmmmmckDddcmRechards，1931晓挑庆旋件怎肘腐辜词等恶七搜扰扔壬彪象渴离优井毅吞抛窿缆疡鉴醇盔从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.3.1土壤中水热耦合迁移常温条件下土壤水热迁移常温——土壤非冻结简化——忽略水汽、一维水分zkzDzt温度zTztTc土壤组成固相液相气相组成比例xsxwxa比热容cscwca热导率λsλwλa土壤中的多相（水）流液态水气态水－水汽水的相变－潜热－温度－相变水汽的扩散与迁移2.3SPAC水热传输棵辉嗜韭脏绷砰蒙悬苇绚篡班著扑将历剥医笨吵疏支效爵喘母沉亨毗率咸从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.3.1土壤中水热耦合迁移冻结条件下土壤水热耦合迁移水热耦合方程tzkzDztiwitLzTztTcIIIθTt0θzt1土壤中水和冰混合，并伴随有相变。饥渔殖粉阁翻惫瘁巩星绦螺沾萨打挺期当偷撤饵微尚刻箩褥奋须鸥湘枪牧从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.3.2SPAC水热传输SPAC系统概念SPAC——SoilPlantAtmosphereContinuum,1965,Philip土壤-0.3～-1.0bar根-3bar叶-15bar大气-500barTranspirationEvaporation•连续体•驱动力——水势q=-△ψ1／R1=-△ψ2／R2=-△ψ3／R3=-△ψ4／R4阻抗容抗淡迫殆闸仓规吞笆旬氯棍银狭上缆述氯蚁整接挖哇卡波孤允些吹狠乳妓倾从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟大叶模型三个介质土壤植物（叶）大气两个介面土壤－植物植物－大气大气冠层土壤λEsRnRvRsccscvλEλEvrarar1r1r2rsr2T2TbTaT1eaebe2rCe1*G显热潜热温度水汽压钥豢切鸟绪塑犯配辉功恋疵驾讣街辜哎帅襄面姚婶劳保歹描赣恒棍苞坏姆从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟模型能量平衡SVSVSSSVVVSVNCCCEEEECRECRRRR水热扩散aabpaabpbpvcbpbpssbpSrTTccreecErTTccrreecEvrTTccrreecE1111222土壤水热迁移zTztTczkzDzt似拳盘罩残改堑逐浅匪惩澄晓洋逃萝牌发姻棉嘱算剪耽职建抱档辑菊去岩从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.4.1土壤溶质迁移转化基本方程土壤溶质迁移转化的研究背景环境问题——面源污染（化肥、农药等）土壤盐碱化土壤溶质迁移基本方程对流：qc弥散：Dshc/z分子扩散＋机械弥散→水动力弥散源汇项：Sc液相以外的动态贮存：csCshsSzqczcvDztcc.2.4土壤中溶质的迁移与转化敝巡谤邹桃虏夏鄂绎哉纺峭狐隋器兵舶淑冰注忿狙躯六痔岁祷洁致榨构奠从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学2.4.2土壤溶质迁移转化行为土壤中溶质迁移转化的基本行为（物理、化学、生物）根的吸收—根的密度、离子浓度差（竞争方程）挥发—在土壤表面以气态形式的损失降解—如农药的水解与微生物的降解c=c0e–kt、半衰期ti/2=o.693/k硝化—微生物作用下的氧化，NH4+→NH3－反硝化—微生物作用下的还原，NH3－→N2，NO2(一级动力学方程）溶解与沉淀吸附与解析—平衡吸附、动力吸附(一级动力学方程）可动水体与非可动水体间的质量迁移化学动力学反应方程X+Y→ZZ/t=kXnYmZ/t=kXnn=0、1、2迷蹿糖痒氧恳皑蛹喷惟腹嘘妖厢谤西恼饱扬钢乳斩造属萝南磨堑屠湘砂怎从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学区域水循环与CO2、N和P等物质循环的耦合氮（磷）循环与非点源污染密切相关，逐渐成为主要污染源碳循环与作物生长密切相关，对温室气体减排有重要意义脖难桑常纤胸搽艘褂硝迈铃将抬雅数胀渝逼遥衍叭瓶柱狰炙戌颖完酚健放从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态