水文学原理-第五章-土壤水

第五章土壤水？——为下渗做准备蒸发蒸散发蒸散发t降水截留洼蓄下渗地表径流壤中流地下水流深层地下水河道汇流流量历时曲线第五章土壤水5.1土壤的水理特性5.2土壤水分的作用力及土壤水分存在形式5.3土壤水的水力特性5.4土壤水运动的基本方程5.5土壤水的测量重点和难点1.土壤水理特性表示方法2.土壤水分存在形式及对应的受力3.土壤含水量和土壤水分常数4.土水势的构成（基质势、溶质势、压力势、重力势）和概念5.土壤水分特征曲线，了解土壤水分滞后6.土壤水流连续方程7.饱和土壤水运动方程8.非饱和土壤水流的基本微分方程9.非饱和土壤水分扩散方程（理查兹方程）5.1.1土壤是多相、多孔的介质——多孔的介质：多孔、疏松的特性使得土壤具有传输水分、溶质的能力。——多相物质构成：由有机成分（腐殖质、根系、土壤动物、微生物）矿物颗粒、三种相态的水、孔隙空间构成。孔隙由气体填充液态水土壤颗粒土壤矿物质颗粒和有机质颗粒构成固体骨架，称为土壤基质（soilmatrix）。固相骨架：5.1.2土壤三相组成——固相基质矿物颗粒的化学组成由土壤原生矿物和土壤次生矿物构成，矿物的化学组成与岩石类型有关。包括生命体和非生命的有机质。土壤有机质：土壤腐殖质：是扣除未分解和半分解动植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。胡敏酸、富敏酸、胡敏素土壤矿物：存在于土壤固相物质构成的孔隙网络中，由溶质与胶体组成的溶液和悬浊液构成。液相5.1.2土壤的三相组成——液相毛管水可分为重力水土壤颗粒所吸附的液态薄膜水占据土壤中没有被液态水所占据的土壤空隙。气相的体积随土壤含水量的变化及土壤通气性而变化。气相5.1.2土壤的三相组成——气相——孔隙与大气成分接近成分5.1.2土壤中各相的体积与质量构成体积体积空气空气土壤颗粒土壤颗粒液态水液态水孔隙度孔隙度土体土体质量质量项目项目SWATfVVVVVSWtMMM忽略忽略5.1.3土壤颗粒大小通常对2.0mm以下土壤颗粒分三级：粘粒、粉粒、砂粒土壤颗粒的表面积总和很大，可吸附其它离子与胶体为什么有砂土、粉土、粘土、壤土之称。由土壤质地决定：砂粒，粉粒和粘粒的相对百分组成所决定，下面看几张土壤剖面土壤质地粉砂土（粉土）壤土不同粒径颗粒混合均匀，透水性好粘土滞水砂土粗颗粒易排水5.1.3土壤质地——土壤结构粘土：粘粒60%,砂粒45%,粉粒40%；粉土：粉粒80%，砂粒20%；砂土:砂粒85%；砂粒百分含量土壤质地与地形对应的空间分布粒径分布部位利用特点宜用性砾石山区、河漫滩、冲积扇孔隙大，跑水，难耕作林果地沙粒冲积平原，沙、荒漠接壤区孔隙大、透水性强，养分少，保水保肥性差农耕地粉粒黄土类土壤含量高团聚胶结性差，保水保肥力较强，易遭趋势耕性好粘粒强风化区土壤养分高，团聚性强，保水保肥力强，通气性差，易板结耕性较好土壤团聚体——soilaggregates土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成团粒，称为土壤团聚体。土壤团聚体5.1.3土壤团聚体土壤团聚体内和团聚体之间是连通的毛细孔隙与非毛细孔隙，构成土内水分传输的通道网络。团聚体是土壤结构的基本单位。土壤团聚体有利于水分与养份的长久保持与稳定。土壤结构(soilstructure)1.土壤固相颗粒很少呈单粒存在，土壤矿物颗粒与有机质颗粒相互作用，聚积形成大小不同、形状各异的团聚体(aggregate)。2.这些团聚体的组合排列称为土壤结构，土壤结构是成土过程的产物。3.不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。5.1.4土壤物理常用指标体积体积空气空气土壤颗粒土壤颗粒液态水液态水孔隙度孔隙度土体土体质量质量项目项目SWATfVVVVVSWtMMM忽略忽略土壤比重、土壤容重土壤孔隙比、孔隙度（率）5.1.4土壤物理常用指标-1土壤中固体物质重量与同体积水的重量比。SsMM同体积水自然条件下，单位土体体积的干土重量(g/cm3）。SbTMV土壤比重：土壤容重：土壤孔隙所占总体积与固体物质所占体积之比土壤孔隙体积与土壤总体积之比，一般0.3～0.6土壤孔隙比：孔隙度（率）：faWTTVVVnVVfaWSSVVVeVV5.1.4土壤物理常用指标-2典型土壤孔隙度：土壤类型孔隙度田间持水率毛管孔隙度与总孔隙度之比砂土砂壤土壤土粘土重粘土0.30~0.400.40~0.450.45~0.500.50~0.550.55~0.600.35~0.500.40~0.650.50~0.700.65~0.800.75~0.855.2土壤水分的作用力及土壤水分存在形式水分一旦进入土体孔隙网络中，就受到土壤颗粒吸附力、土壤空隙网络内水—气界面的表面张力、重力、毛细力的作用。还受到渗透压力、粘滞力、大气压力的作用（忽略）。分子吸附力，又称为粘附力、附着力重力渗透压力粘滞力大气压力5.2.1进入土壤的水分受到的力外力内力内聚力三种力导致毛细现象，产生毛细力表面张力1重力土壤水分在地球重力场中受到的地球引力。赋存在非毛细空隙（土壤大孔隙或通气孔隙）中的水分主要受到重力的作用。粘附力：液体分子与固体分子之间的相互引力称为粘附力或附着力（Adhesionforce）。土壤颗粒表面附近的液态水受到土颗粒静电场的作用而受到的力，即粘附力，在水文学里称为分子吸附力。分子吸附力：2分子吸附力（Adhesionforce）2分子吸附力大小分子吸附力的大小及依靠这个力所保持的水量取决于土壤颗粒大小与土颗粒比表面积、土壤胶粒及土颗粒吸附离子的种类。土壤颗粒粒径愈小、有机胶体与粘粒矿物愈多，土壤颗粒对土壤水分的吸附力也愈强，保持的水量也愈多。3内力——内聚力（cohesiveforce）不同水分子的氢原子与氧原子相互吸引排列，在水分子间形成氢键，产生一定的内聚力。氧原子的电负性比氢原子的大，电子云偏向于氧原子，氧原子端带部分负电荷，氢原子端带部分正电荷；这样，同类分子间具有的分子间引力称为内聚力。水分子之间借氢键而相互吸引的力，30MPa。作用于液体表面上，单位长度上的力，称为表面张力3内力——表面张力（surfacetension）水气界面处水分子受力液体表面附近水分子受到垂直向内的表面张力，导致液体表面有自动收缩的趋势。4毛细力土壤孔隙中水分和空气的界面为弯液面，在这个弯液面下的毛管水承受着一种张力，即毛细力。土壤孔隙网络内的毛细现象(capillarity)水分子之间的内聚力、土颗粒与水分子之间的分子吸附力、以及土壤孔隙内水—气界面的表面张力共同作用，产生了毛细现象。液面为何弯曲？液柱为何上升或下降?附加压强？毛细管中液柱的高度如何求？27.310.1519.8mmrr毛细管内上升高度h27.310/Nm22coshgRgr05.2.2土壤水分存在的形式束缚水（结合水）吸湿水（强结合水）薄膜水（弱结合水）毛管水毛细上升水毛管悬着水重力水1.束缚水（结合水）依靠分子吸附力，吸附在土壤颗粒表面的一层水膜吸湿水薄膜水紧靠土粒，吸引力达几千～上万个大气压，不能自由移动，不溶解盐，不能被植物吸收利用，对植物生长意义不大。吸力6.25～31个大气压，性质介于自由水与吸湿水之间，可溶解盐类，可传递静水压力。移动速度一般为0.2～0.4mm／h，可从水膜厚的土颗粒向水膜薄的土颗粒迁移，可被植物吸收一部分，但不能满足植物需要由于毛管力作用而赋存在土壤毛管网络内的水分毛细上升水毛管悬着水2.毛管水所受土壤吸力为0.08～6.25个大气压，可自由上下左右移动，有溶解养分的能力，是植物生长需水中最有效的土壤水分。潜水位以下自由重力水在毛管力作用下上升进入土壤毛细网络的水分毛细上升水（有一个凹形液面）若地下水位上升，毛细上升水的高度会随之上升。其水分来源于潜水面以下的含水层当潜水与毛管上升水失去水力联系，土壤剖面内上下联通，而孔径不同的毛细管内会形成上凹形液面与下凸形液面，依靠这两个弯曲液面的表面张力差，而赋存在这个联通的毛细管的水分。毛管悬着水（有上凹形液面与下凸形液面）与地下水无水力联系，悬吊在土壤上层毛细孔隙网络内。田间持水量（最大毛管悬着水量）土壤充分饱水后，在重力作用下自然疏干而充分排水后，依靠毛管力和分子吸附力所保留的水分含量。这部分水量是不会在重力作用下流走的最大含水量。最大毛管悬着水量与产流当土壤水含量超过最大毛管悬着水量之后，也就是毛细管网络恰好充满水后，则后续下渗补给的土壤水分不能被毛细管再吸持保留，多余的水分就在重力的作用下，向深层土壤渗漏——是蓄满产流的理论基础。3.重力水赋存在土壤非毛管孔隙中，在重力作用下自由移动，可传递水压，驱动水分流动。能被植物吸收，由于很快渗透到土壤下层，不能为植物持续利用，是地下水的重要来源之一。5.2.3土壤含水量(soilwatercontent)指标土壤中水的质量与土颗粒总质量之比，可大于1.0100%WmSMM土壤中液态水所占的体积与土壤总体积之比,1.0WvTVV土壤孔隙完全被水充满状态下的含水量,等于孔隙度重量含水量：体积含水量：饱和含水量：fsatTVnV土壤水分常数最大吸湿水量最大分子持水量凋萎含水量田间持水量毛管断裂含水量土壤水分常数5.2.4土壤水分常数1.最大吸湿水量及其测定方法（完全不能为植物利用）完全干燥的土壤从饱和水汽的空气中吸收气态水的最大数量。这部分水量完全不能为植物利用将风干的土样放在盛有10％硫酸钾溶液的封闭干燥器中，使土壤吸收水汽，达到稳定平衡后，测其土壤含水量。土壤质地砂土轻壤土中壤土粉砂质粘壤土泥炭吸湿水(g/kg) 5~15 15~3025~40 60~80 180~220最大吸湿量(g/kg) 15 30~5050~60 80~100  —土壤质地与土壤吸湿水和最大吸湿量2.最大分子持水量（植物很难利用）由分子吸附力所能保持的最大水量，包括全部吸湿水和膜状水。这部分水量植物很难利用测定方法利用滤纸除去超出最大分子持水量的其余水分，剩下的土壤水分含量就是最大分子持水量。或用高速离心机测得。3.凋萎含水量植物因缺水而开始出现永久凋萎特征时的土壤含水量。包括全部吸湿水和部分膜状水。是作物生长和发育最低的水分极限测定方法—盆栽幼苗法，或用最大吸湿水量除以0.68求得近似值。4.田间持水量（田间含水量）土壤充分饱水后，在重力作用下自然疏干而充分排水后，依靠“毛管力”和分子吸附力所保留的水分含量。这部分水量是不会在重力作用下流走的最大含水量。由于吸湿水含量低，可认为土壤所能保持的最大毛管悬着水量就是田间含水量。田间含水量是蓄满产流理论的基础土壤含水量达到田间含水量值以后，就开始产生重力水。这时继续下渗的雨水，将补给潜水，形成地下径流。——这是蓄满产流的理论基础。土壤类型孔隙度田间持水率毛管孔隙度与总孔隙度之比砂土砂壤土壤土粘土重粘土0.30~0.400.40~0.450.45~0.500.50~0.550.55~0.600.35~0.500.40~0.650.50~0.700.65~0.800.75~0.850.12~0.200.17~0.300.24~0.350.35~0.450.45~0.55测定方法在一定面积的小区内，土壤充分灌水使之排除土壤空气达到饱和后,土壤水逐渐下渗，直至重力水下渗停止时，分层测出土壤中的水分含量，就是田间持水量。田间持水量测量5.毛管断裂含水量——又称临界含水量湿润土壤在根系吸收及蒸发过程中逐渐失去水分的进程中，土壤孔隙网络中较粗毛管悬着水的连续状态开始断裂，而较细毛管孔隙中水分保持连续时的土壤含水量。测定方法——在取样土柱中做悬着水蒸发试验土壤含水量小于这个值时，土壤水分只能以水汽和薄膜水的形式向蒸发面运移。5.3土壤水的水力特性是土壤水分在各种作用力下（或各土水分势作用下）的综合表现。粘土砂土粘土砂土假设两种土壤，土壤颗粒粒径不同，而含水量相同，让两种土壤紧密接触，结果，质地较粗土壤内的水分向质地较细的土壤内移动。说明两种土壤内的水分的能量状态不同。土壤含水量的多少不足以描述土壤水分的整体状态，还需要其它概念来描述它的能量状态。从定性