第五章 土壤水

1、第五章 土壤水？為下滲做準(zhǔn)備 蒸發(fā)蒸發(fā)蒸散發(fā)蒸散發(fā) 蒸散發(fā)蒸散發(fā) t 降水降水 截留截留 洼蓄洼蓄 下滲下滲 地表徑流地表徑流 壤中流壤中流 地下水流地下水流 深層地下水深層地下水 河道匯流河道匯流 流量歷時(shí)曲線流量歷時(shí)曲線 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 土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程 5.5 土壤水的測(cè)量 重點(diǎn)和難點(diǎn) n土壤水理特性表示方法土壤水理特性表示方法 n土壤水分存在形式及對(duì)應(yīng)的受力土壤水分存在形式及對(duì)應(yīng)的受力 n土壤含水量和土壤水分常數(shù)土壤含水量和土壤水分常數(shù) n土水勢(shì)的構(gòu)成（土水勢(shì)的構(gòu)成（基質(zhì)勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)

2、、壓力勢(shì)、重力勢(shì)）和基質(zhì)勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)、壓力勢(shì)、重力勢(shì)）和 概念概念 n土壤水分特征曲線土壤水分特征曲線，了解土壤水分滯后，了解土壤水分滯后 n土壤水流連續(xù)方程土壤水流連續(xù)方程 n飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程 n非飽和土壤水流的基本微分方程非飽和土壤水流的基本微分方程 n非飽和土壤水分?jǐn)U散方程（理查茲方程）非飽和土壤水分?jǐn)U散方程（理查茲方程） 多孔的介質(zhì)：多孔的介質(zhì)：多孔、疏松的特性多孔、疏松的特性 使得土壤具有傳輸水分、溶質(zhì)的能力。使得土壤具有傳輸水分、溶質(zhì)的能力。 多相物質(zhì)構(gòu)成：多相物質(zhì)構(gòu)成： 由由 有機(jī)成分（腐殖質(zhì)、根系、土壤動(dòng)物、微生物）有機(jī)成分（腐殖質(zhì)、根系、土壤動(dòng)物、微生物）

3、礦物顆粒、礦物顆粒、 三種相態(tài)的水、三種相態(tài)的水、 孔隙空間構(gòu)成。孔隙空間構(gòu)成。 孔孔隙隙由由 氣氣體體填填充充 液液態(tài)態(tài)水水 土土 壤壤 顆顆 粒粒 土壤礦物質(zhì)顆粒和有機(jī)質(zhì)顆粒構(gòu)成土壤礦物質(zhì)顆粒和有機(jī)質(zhì)顆粒構(gòu)成固體骨架固體骨架， 稱為稱為土壤基質(zhì)土壤基質(zhì)（ soil matrix）。 固相骨架：固相骨架： 土壤三相組成固相基質(zhì) 礦物顆粒的化學(xué)組成 由土壤由土壤原生礦物原生礦物和土壤和土壤次生礦次生礦物構(gòu)成，物構(gòu)成， 礦物的化學(xué)組成與巖石類型有關(guān)。礦物的化學(xué)組成與巖石類型有關(guān)。 包括包括 生命體生命體 和和 非生命的有機(jī)質(zhì)。非生命的有機(jī)質(zhì)。 土壤有機(jī)質(zhì)：土壤有機(jī)質(zhì)： 土壤腐殖質(zhì)：土壤腐殖質(zhì)：

4、是是 扣除扣除 未分解和半分解動(dòng)植物殘?bào)w未分解和半分解動(dòng)植物殘?bào)w 及及 微生物體微生物體 以外的以外的 有機(jī)物質(zhì)的總稱。有機(jī)物質(zhì)的總稱。 胡敏酸胡敏酸 、富敏酸、富敏酸 、胡敏素、胡敏素 土壤礦物：土壤礦物： 存在于土壤固相物質(zhì)構(gòu)成的存在于土壤固相物質(zhì)構(gòu)成的孔隙網(wǎng)絡(luò)孔隙網(wǎng)絡(luò)中，中， 由溶質(zhì)與膠體組成的由溶質(zhì)與膠體組成的溶液和懸濁液溶液和懸濁液構(gòu)成。構(gòu)成。 液相 5.1.2 土壤的三相組成土壤的三相組成液相液相 占據(jù)土壤中沒有被液態(tài)水所占據(jù)的土壤空隙。 氣相的體積隨土壤含水量的變化 及土壤通氣性而變化。 氣相氣相 土壤的三相組成氣相孔隙 與大氣成分接近成分成分 5.1.2 土壤中各相的體積與質(zhì)量

5、構(gòu)成 SWATf VVVVV 5.1.3 土壤顆粒大小土壤顆粒大小 土壤質(zhì)地 粉砂土粉砂土 （粉土）（粉土） 壤土壤土 不同粒徑不同粒徑 顆粒混合顆?；旌?均勻，透均勻，透 水性好水性好 粘土粘土 滯水滯水 砂土砂土 粗顆粒粗顆粒 易排水易排水 5.1.3 土壤質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu) 粘土：粘土：粘粒粘粒60% , 60% , 砂粒砂粒45% , 45% , 粉粒粉粒40%80% 80% ，砂粒，砂粒20% 85% 85% ； 砂粒百分含量砂粒百分含量 粘粒百分含量粘粒百分含量 粉粒百分含量粉粒百分含量 土壤質(zhì)地與地形對(duì)應(yīng)的空間分布 粒徑粒徑分布部位分布部位利用特點(diǎn)利用特點(diǎn)宜用性宜用性 礫石 山區(qū)、河漫

6、灘、沖積扇 孔隙大，跑水，難耕作林果地 沙粒 沖積平原，沙、荒漠接 壤區(qū) 孔隙大、透水性強(qiáng)，養(yǎng) 分少，保水保肥性差 農(nóng)耕地 粉粒 黃土類土壤含量高團(tuán)聚膠結(jié)性差，保水保 肥力較強(qiáng)，易遭趨勢(shì) 耕性好 粘粒 強(qiáng)風(fēng)化區(qū)土壤養(yǎng)分高，團(tuán)聚性強(qiáng)，保 水保肥力強(qiáng)，通氣性差， 易板結(jié) 耕性較 好 土壤 團(tuán)聚體 土壤團(tuán)聚體土壤團(tuán)聚體內(nèi)內(nèi) 和和 團(tuán)聚體團(tuán)聚體 之間之間 是是連通的毛細(xì)孔隙與非毛細(xì)孔隙連通的毛細(xì)孔隙與非毛細(xì)孔隙， 構(gòu)成土內(nèi)水分傳輸?shù)耐ǖ谰W(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成土內(nèi)水分傳輸?shù)耐ǖ谰W(wǎng)絡(luò)。 團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位。團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位。 土壤團(tuán)聚體土壤團(tuán)聚體有利于水分與養(yǎng)份的長(zhǎng)久保持與穩(wěn)定。有利于水分與養(yǎng)份的長(zhǎng)

7、久保持與穩(wěn)定。 土壤結(jié)構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)(soil structure) n土壤固相顆粒很少呈單粒存在，土壤固相顆粒很少呈單粒存在，土壤礦物顆粒與有機(jī)土壤礦物顆粒與有機(jī) 質(zhì)顆粒相互作用，聚積形成大小不同、形狀各異的團(tuán)質(zhì)顆粒相互作用，聚積形成大小不同、形狀各異的團(tuán) 聚體聚體(aggregate)。 n這些這些團(tuán)聚體的組合排列稱為土壤結(jié)構(gòu)，土壤結(jié)構(gòu)是成團(tuán)聚體的組合排列稱為土壤結(jié)構(gòu)，土壤結(jié)構(gòu)是成 土過程的產(chǎn)物土過程的產(chǎn)物。 n不同的土壤及其發(fā)生層都具有一定的土壤結(jié)構(gòu)。不同的土壤及其發(fā)生層都具有一定的土壤結(jié)構(gòu)。 土壤比重、土壤比重、 土壤容重土壤容重 土壤孔隙比、土壤孔隙比、 孔隙度（率）孔隙度（率） 土壤中

8、固體物質(zhì)重量與同體積水的重量比。土壤中固體物質(zhì)重量與同體積水的重量比。 S s M M 同體積水 自然條件下，單位土體體積的干土重量自然條件下，單位土體體積的干土重量(g/cm3）。）。 S b T M V 土壤比重：土壤比重： 土壤容重：土壤容重： 土壤孔隙所占總體積與固體物質(zhì)所占體積之比 土壤孔隙體積與土壤總體積之比，一般0.30.6 土壤孔隙比：土壤孔隙比： 孔隙度（率）：孔隙度（率）： f aW TT V VV n VV f aW SS V VV e VV 典型土壤孔隙度：典型土壤孔隙度： 5.2 土壤水分的作用力及土壤水分存在形式土壤水分的作用力及土壤水分存在形式 水分一旦進(jìn)入土體孔

9、隙網(wǎng)絡(luò)中，就受到水分一旦進(jìn)入土體孔隙網(wǎng)絡(luò)中，就受到 土壤顆粒土壤顆粒吸附力吸附力、 土壤空隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)水土壤空隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)水氣界面氣界面的表面張力的表面張力、 重力、重力、毛細(xì)力毛細(xì)力的作用。的作用。 還受到還受到滲透壓力、粘滯力、大氣壓力滲透壓力、粘滯力、大氣壓力的作用（忽略）。的作用（忽略）。 分子吸附力分子吸附力 ， 又稱為粘附力、附著力又稱為粘附力、附著力 重重 力力 滲透壓力滲透壓力 粘滯力粘滯力 大氣壓力大氣壓力 5.2.1 進(jìn)入土壤的水分受到的力進(jìn)入土壤的水分受到的力 內(nèi)內(nèi) 聚聚 力力 表面張力表面張力 1 重力 土壤水分在地球重力場(chǎng)中受到的地球引力。 賦存在非毛細(xì)空隙（土壤大孔隙或通氣

10、孔隙） 中的水分主要受到重力的作用。 粘粘 附附 力：力： 液體分子與固體分子之間的相互引力 稱為粘附力 或附著力（ Adhesion force） 。 土壤顆粒表面附近的液態(tài)水受到土顆粒 靜電場(chǎng)的作用而受到的力，即粘附力， 在水文學(xué)里稱為分子吸附力。 分子吸附力：分子吸附力： 2 分子吸附力分子吸附力（ Adhesion force） 2 分子吸附力大小分子吸附力大小 分子吸附力的分子吸附力的大小大小及依靠這個(gè)力所保持的及依靠這個(gè)力所保持的水量水量 取決于取決于土壤土壤顆粒大小顆粒大小與土顆粒與土顆粒比表面積比表面積、 土壤土壤膠粒膠粒及土顆粒吸附及土顆粒吸附離子的種類離子的種類。 土壤顆粒

11、土壤顆粒粒徑愈小粒徑愈小、 有機(jī)膠體與粘粒礦物愈多，有機(jī)膠體與粘粒礦物愈多， 土壤顆粒對(duì)土壤水分的吸附力也愈強(qiáng)，土壤顆粒對(duì)土壤水分的吸附力也愈強(qiáng)， 保持的保持的水量也愈多水量也愈多。 3 內(nèi)力內(nèi)力內(nèi)聚力（內(nèi)聚力（cohesive force ） 同類分子間具有的分子間引力稱為內(nèi)聚力。同類分子間具有的分子間引力稱為內(nèi)聚力。 水分子之間借氫鍵而相互吸引的力，水分子之間借氫鍵而相互吸引的力，30MPa 。 作用于液體表面上，單位長(zhǎng)度上的力，稱為表面張力作用于液體表面上，單位長(zhǎng)度上的力，稱為表面張力 3 內(nèi)力表面張力（ surface tension ） 水氣界面處 水分子受力 液體表面附近水分子受到

12、 垂直向內(nèi)的表面張力， 導(dǎo)致液體表面有自動(dòng)收縮的趨勢(shì)。 土壤孔隙中土壤孔隙中 水分和空氣的界面為彎液面，水分和空氣的界面為彎液面， 在這個(gè)彎液面下的毛管水在這個(gè)彎液面下的毛管水 承受著一種張力，即毛細(xì)力。承受著一種張力，即毛細(xì)力。 土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象(capillarity) 水分子之間的水分子之間的內(nèi)聚力內(nèi)聚力、 土顆粒與水分子之間的土顆粒與水分子之間的分子吸附力分子吸附力、 以及土壤孔隙內(nèi)以及土壤孔隙內(nèi)水水氣界面的表面張力氣界面的表面張力共同作用共同作用， 產(chǎn)生了毛細(xì)現(xiàn)象。產(chǎn)生了毛細(xì)現(xiàn)象。 2 7.3 10.15 1 9.8 mm rr 毛細(xì)管內(nèi)上升高度毛細(xì)管

13、內(nèi)上升高度 h 2 7.3 10/N m 22cos h gRgr 0 5.2.2 土壤水分存在的形式 束縛水（結(jié)合水）束縛水（結(jié)合水） 吸濕水（強(qiáng)結(jié)合水）吸濕水（強(qiáng)結(jié)合水） 薄膜水（弱結(jié)合水）薄膜水（弱結(jié)合水） 毛毛 管管 水水 毛細(xì)上升水毛細(xì)上升水 毛管懸著水毛管懸著水 重重 力力 水水 1.束縛水（結(jié)合水） 依靠分子吸附力，吸附在土壤顆粒表面的一層水膜依靠分子吸附力，吸附在土壤顆粒表面的一層水膜 吸濕水吸濕水 薄膜水薄膜水 緊靠土粒，吸引力達(dá)幾千上萬個(gè)大氣壓，緊靠土粒，吸引力達(dá)幾千上萬個(gè)大氣壓， 不能自由移動(dòng)，不溶解鹽，不能自由移動(dòng)，不溶解鹽， 不能被植物吸收利用，對(duì)植物生長(zhǎng)意義不大。不

14、能被植物吸收利用，對(duì)植物生長(zhǎng)意義不大。 吸力吸力6.25 31個(gè)大氣壓，性質(zhì)介于自由水與吸個(gè)大氣壓，性質(zhì)介于自由水與吸 濕水之間，可溶解鹽類，可傳遞靜水壓力。濕水之間，可溶解鹽類，可傳遞靜水壓力。 移動(dòng)速度一般為移動(dòng)速度一般為0.20.4mmh， 可從水膜厚的土顆粒向水可從水膜厚的土顆粒向水 膜薄的土顆粒膜薄的土顆粒 遷移，遷移， 可被植物吸收一部分，但不能滿足植物需要可被植物吸收一部分，但不能滿足植物需要 由于毛管力作用而賦存在土壤毛管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的水分由于毛管力作用而賦存在土壤毛管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的水分 毛細(xì)上升水毛細(xì)上升水 毛管懸著水毛管懸著水 2.毛管水 所受土壤吸力為所受土壤吸力為0.08 6.25

15、個(gè)大氣壓，個(gè)大氣壓， 可自由上下左右移動(dòng)，有溶解養(yǎng)分的能力，可自由上下左右移動(dòng)，有溶解養(yǎng)分的能力， 是植物生長(zhǎng)需水中最有效的土壤水分。是植物生長(zhǎng)需水中最有效的土壤水分。 潛水位以下自由重力水潛水位以下自由重力水 在毛管力作用下在毛管力作用下 上升進(jìn)入土壤毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)的水分上升進(jìn)入土壤毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)的水分 毛細(xì)上升水（有一個(gè)凹形液面） 若地下水位上升，若地下水位上升， 毛細(xì)上升水的高度會(huì)隨之上升。毛細(xì)上升水的高度會(huì)隨之上升。 其水分來源于潛水面以下的含水層其水分來源于潛水面以下的含水層 當(dāng)潛水與毛管上升水失去水力聯(lián)系，當(dāng)潛水與毛管上升水失去水力聯(lián)系， 土壤剖面內(nèi)上下聯(lián)通，土壤剖面內(nèi)上下聯(lián)通， 而孔徑不同的

16、毛細(xì)管內(nèi)會(huì)形成而孔徑不同的毛細(xì)管內(nèi)會(huì)形成 上凹形液面與下凸形液面，上凹形液面與下凸形液面， 依靠這兩個(gè)彎曲液面的表面張力差，依靠這兩個(gè)彎曲液面的表面張力差， 而賦存在這個(gè)聯(lián)通的毛細(xì)管的水分。而賦存在這個(gè)聯(lián)通的毛細(xì)管的水分。 毛管懸著水（有上凹形液面與下凸形液面） 與地下水無水力聯(lián)系，與地下水無水力聯(lián)系， 懸吊在土壤上層毛細(xì)孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)懸吊在土壤上層毛細(xì)孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 。 田間持水量（最大毛管懸著水量） 土壤充分飽水后，土壤充分飽水后， 在重力作用下在重力作用下 自然疏干而充分排水后，自然疏干而充分排水后， 依靠毛管力和分子吸附力依靠毛管力和分子吸附力 所保留的水分含量。所保留的水分含量。 這部分水量

17、是不會(huì)在重力作用下流走的最大含水量。這部分水量是不會(huì)在重力作用下流走的最大含水量。 最大毛管懸著水量與產(chǎn)流 當(dāng)土壤水含量當(dāng)土壤水含量 超過最大毛管懸著水量之后超過最大毛管懸著水量之后， 也就是毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)恰好充滿水后，也就是毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)恰好充滿水后， 則則后續(xù)下滲補(bǔ)給的土壤水分后續(xù)下滲補(bǔ)給的土壤水分 不能被毛細(xì)管不能被毛細(xì)管再吸持保留再吸持保留， 多余的水分就在重力的作用下，多余的水分就在重力的作用下， 向深層土壤滲漏向深層土壤滲漏是蓄滿產(chǎn)流的理論基礎(chǔ)。是蓄滿產(chǎn)流的理論基礎(chǔ)。 3.重力水 賦存在土壤非毛管孔隙中，賦存在土壤非毛管孔隙中， 在重力作用下自由移動(dòng)，可傳遞水壓，驅(qū)動(dòng)水分流動(dòng)。在重力作用下

18、自由移動(dòng)，可傳遞水壓，驅(qū)動(dòng)水分流動(dòng)。 能被植物吸收，由于很快滲透到土壤下層，能被植物吸收，由于很快滲透到土壤下層， 不能為植物持續(xù)利用，是地下水的重要來源之一。不能為植物持續(xù)利用，是地下水的重要來源之一。 5.2.3 土壤含水量土壤含水量(soil water content)指標(biāo)指標(biāo) 土壤中水的質(zhì)量與土顆粒總質(zhì)量之比，可大于1.01.0 100% W m S M M 土壤中液態(tài)水所占的體積與土壤總體積之比, 1 15 5 3 30 0 5 50 05 50 0 6 60 0 8 80 0 1 10 00 0 土土壤壤質(zhì)質(zhì)地地與與土土壤壤吸吸濕濕水水和和最最大大吸吸濕濕量量 2.最大分子持水量

19、（最大分子持水量（植物很難利用植物很難利用） 由分子吸附力所能保持的最大水量，由分子吸附力所能保持的最大水量， 包括全部吸濕水和膜狀水。包括全部吸濕水和膜狀水。這這部分水量植物很難利用部分水量植物很難利用 測(cè)定方法測(cè)定方法 利用濾紙除去超出最大分子持水量的其余水分，利用濾紙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。剩下的土壤水分含量就是最大分子持水量。 或用高速離心機(jī)測(cè)得?；蛴酶咚匐x心機(jī)測(cè)得。 3.3.凋萎含水量凋萎含水量 植物植物因缺水因缺水 而開始出現(xiàn)永久凋萎特征而開始出現(xiàn)永久凋萎特征時(shí)的土壤含水量。時(shí)的土壤含水量。 包括全部吸濕水和部分膜狀水。包括全部吸濕

20、水和部分膜狀水。 是作物生長(zhǎng)和發(fā)育最低的水分極限是作物生長(zhǎng)和發(fā)育最低的水分極限 測(cè)定方法 盆栽幼苗法， 或用最大吸濕水量 除以0.68 求得近似值。 4.4.田間持水量（田間持水量（田間含水量田間含水量） 土壤充分飽水后，在重力作用下土壤充分飽水后，在重力作用下 自然疏干而充分排水后，自然疏干而充分排水后， 依靠依靠“毛管力毛管力”和分子吸附力所保留的水分含量。和分子吸附力所保留的水分含量。 這部分水量是不會(huì)在重力作用下流走的最大含水量。這部分水量是不會(huì)在重力作用下流走的最大含水量。 由于吸濕水含量低，由于吸濕水含量低， 可認(rèn)為土壤所能保持的最大毛管懸著水量可認(rèn)為土壤所能保持的最大毛管懸著水量

21、 就是田間含水量。就是田間含水量。 田間含水量是蓄滿產(chǎn)流理論的基礎(chǔ)田間含水量是蓄滿產(chǎn)流理論的基礎(chǔ) 土壤含水量達(dá)到田間含水量值以后，土壤含水量達(dá)到田間含水量值以后， 就開始產(chǎn)生重力水。這時(shí)繼續(xù)下滲的雨水，就開始產(chǎn)生重力水。這時(shí)繼續(xù)下滲的雨水， 將補(bǔ)給潛水，形成地下徑流。將補(bǔ)給潛水，形成地下徑流。 這是蓄滿產(chǎn)流的理論基礎(chǔ)。這是蓄滿產(chǎn)流的理論基礎(chǔ)。 測(cè)定方法測(cè)定方法 在一定面積的小區(qū)內(nèi)，在一定面積的小區(qū)內(nèi)， 土壤充分灌水使之排除土壤空氣達(dá)到飽和后土壤充分灌水使之排除土壤空氣達(dá)到飽和后, , 土壤水逐漸下滲，土壤水逐漸下滲， 直至重力水下滲停止時(shí)，直至重力水下滲停止時(shí)， 分層測(cè)出土壤中的水分含量，分層

22、測(cè)出土壤中的水分含量， 就是田間持水量。就是田間持水量。 田間持水量測(cè)量田間持水量測(cè)量 5.5.毛管斷裂含水量毛管斷裂含水量又稱臨界含水量又稱臨界含水量 濕潤(rùn)土壤在根系吸收及蒸發(fā)過程中逐漸失去水分的進(jìn)程中，濕潤(rùn)土壤在根系吸收及蒸發(fā)過程中逐漸失去水分的進(jìn)程中， 土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)中土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)中 較粗毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)較粗毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開始斷裂開始斷裂， 而而 較細(xì)毛管孔隙中水分保持連續(xù)較細(xì)毛管孔隙中水分保持連續(xù)時(shí)的土壤含水量。時(shí)的土壤含水量。 測(cè)定方法測(cè)定方法 在取樣土柱中做懸著水蒸發(fā)試驗(yàn)在取樣土柱中做懸著水蒸發(fā)試驗(yàn) 土壤含水量土壤含水量小于這個(gè)值時(shí)小于這個(gè)值時(shí)， 土壤水分只能土壤水分只能以

23、水汽和薄膜水的形式向蒸發(fā)面運(yùn)移以水汽和薄膜水的形式向蒸發(fā)面運(yùn)移。 5.3 土壤水的水力特性土壤水的水力特性 是土壤水分在各種作用力下（或各土水分勢(shì)作用下）的是土壤水分在各種作用力下（或各土水分勢(shì)作用下）的 綜合表現(xiàn)。綜合表現(xiàn)。 粘土粘土 砂土砂土 粘土粘土 砂土砂土 假設(shè)兩種土壤，土壤顆粒粒徑不同，假設(shè)兩種土壤，土壤顆粒粒徑不同， 而含水量相同，讓兩種土壤緊密接觸，而含水量相同，讓兩種土壤緊密接觸， 結(jié)果，質(zhì)地較粗土壤內(nèi)的水分結(jié)果，質(zhì)地較粗土壤內(nèi)的水分 向質(zhì)地較細(xì)的土壤內(nèi)移動(dòng)。向質(zhì)地較細(xì)的土壤內(nèi)移動(dòng)。 說明兩種土壤內(nèi)的水分的能量狀態(tài)不同。說明兩種土壤內(nèi)的水分的能量狀態(tài)不同。 土壤含水量的多少不

24、足以描述土壤水分的整體狀態(tài)土壤含水量的多少不足以描述土壤水分的整體狀態(tài)， 還還需要其它概念來描述它的能量狀態(tài)。需要其它概念來描述它的能量狀態(tài)。 從定性、定量分析計(jì)算水分傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，從定性、定量分析計(jì)算水分傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)， 要引入一個(gè)要引入一個(gè)“水勢(shì)水勢(shì)”概念，來解釋不同作用力下的水分遷移。概念，來解釋不同作用力下的水分遷移。 這個(gè)引進(jìn)的這個(gè)引進(jìn)的“概念概念”應(yīng)該能定性描述土壤水分應(yīng)該能定性描述土壤水分 處于何種強(qiáng)度的束縛狀態(tài)或能量狀態(tài)。處于何種強(qiáng)度的束縛狀態(tài)或能量狀態(tài)。 不同的束縛狀態(tài)，或不同的能量狀態(tài)，不同的束縛狀態(tài)，或不同的能量狀態(tài)， 可大致說明土壤水分在孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)。可大致說

25、明土壤水分在孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)。 引入引入“水勢(shì)水勢(shì)”概念概念 5.3.1 土壤水的能量狀態(tài)勢(shì)能動(dòng)能土壤水的能量狀態(tài)勢(shì)能動(dòng)能 河道中的水具有重力勢(shì)能與動(dòng)能，河道中的水具有重力勢(shì)能與動(dòng)能， 可在這兩種勢(shì)能驅(qū)動(dòng)下，從高處流向低處。可在這兩種勢(shì)能驅(qū)動(dòng)下，從高處流向低處。 則土壤水分也具有勢(shì)能與動(dòng)能。則土壤水分也具有勢(shì)能與動(dòng)能。 土壤水具有的勢(shì)能稱為土水勢(shì)。土壤水具有的勢(shì)能稱為土水勢(shì)。 并且呢，土壤水從土水勢(shì)高處向低處遷移。并且呢，土壤水從土水勢(shì)高處向低處遷移。 土壤孔隙內(nèi)的水分流動(dòng)速度很小，土壤孔隙內(nèi)的水分流動(dòng)速度很小， 可忽略土壤水的動(dòng)能。可忽略土壤水的動(dòng)能。 土水勢(shì)概念（土水勢(shì)概念（ soil

26、 water potential ） 國(guó)際土壤學(xué)會(huì)定義的土水勢(shì)：國(guó)際土壤學(xué)會(huì)定義的土水勢(shì)： 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把單位質(zhì)量的純水從基準(zhǔn)面上，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把單位質(zhì)量的純水從基準(zhǔn)面上， 等溫可逆的移動(dòng)到土壤中某一個(gè)吸水點(diǎn)，等溫可逆的移動(dòng)到土壤中某一個(gè)吸水點(diǎn)， 使之成為土壤水所做的功。使之成為土壤水所做的功。 一般的土水勢(shì)為何是負(fù)值？下面先講一下純水的水勢(shì)一般的土水勢(shì)為何是負(fù)值？下面先講一下純水的水勢(shì) 基準(zhǔn)面上純水的水勢(shì)為零基準(zhǔn)面上純水的水勢(shì)為零 純水純水是不以任何物理或化學(xué)的方式與任何物質(zhì)結(jié)合的水，是不以任何物理或化學(xué)的方式與任何物質(zhì)結(jié)合的水， 完全是自由水完全是自由水。 純水純水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓及與

27、體系同溫度之下在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓及與體系同溫度之下，在基準(zhǔn)面上，在基準(zhǔn)面上， 沒有受到土壤顆粒吸附力，毛細(xì)力、溶質(zhì)分子引力，沒有受到土壤顆粒吸附力，毛細(xì)力、溶質(zhì)分子引力， 壓力的作用，沒有受到任何束縛。壓力的作用，沒有受到任何束縛。 在以上情形下，純水受到力的作用后，就可自由移動(dòng)。在以上情形下，純水受到力的作用后，就可自由移動(dòng)。 因此，以上情況下，純水的水勢(shì)為零。因此，以上情況下，純水的水勢(shì)為零。 5.3.2 為何不飽和土壤的土水勢(shì)為負(fù)值 ? 不飽和土壤中的水分受到各種力的束縛，不飽和土壤中的水分受到各種力的束縛， 與自由的純水相比，與自由的純水相比，其運(yùn)動(dòng)難度比較大其運(yùn)動(dòng)難度比較大。 但但自由的純

28、水可以進(jìn)入不飽和土壤自由的純水可以進(jìn)入不飽和土壤， 說明說明自由水的勢(shì)能比不飽和土壤水的勢(shì)能大自由水的勢(shì)能比不飽和土壤水的勢(shì)能大， 所以不飽和土壤水的勢(shì)能就小于零，是負(fù)值。所以不飽和土壤水的勢(shì)能就小于零，是負(fù)值。 土壤含水量愈低，土壤含水量愈低， 土壤中水分受到的分子吸附力和毛管力之和就愈大，土壤中水分受到的分子吸附力和毛管力之和就愈大， 則土水勢(shì)在量值上就表現(xiàn)的愈負(fù)。則土水勢(shì)在量值上就表現(xiàn)的愈負(fù)。 土水勢(shì)單位 n 土壤水分被土顆粒吸附和毛細(xì)管束縛的能力或勢(shì)能狀土壤水分被土顆粒吸附和毛細(xì)管束縛的能力或勢(shì)能狀 態(tài)。壓力態(tài)。壓力 / 壓強(qiáng)的量綱單位壓強(qiáng)的量綱單位 n 常用的土水勢(shì)單位有常用的土水勢(shì)

29、單位有 m 、KPa， MPa 等等 5.3.3 土水分勢(shì) 基質(zhì)勢(shì)基質(zhì)勢(shì) = 毛管勢(shì)毛管勢(shì) + 吸附勢(shì)吸附勢(shì) 溶質(zhì)勢(shì)（滲透式）溶質(zhì)勢(shì)（滲透式） 重力勢(shì)重力勢(shì) 壓力勢(shì)壓力勢(shì) msgp 土壤水分受到土壤水分受到土壤固體顆粒骨架（土壤基質(zhì)）土壤固體顆粒骨架（土壤基質(zhì)）的作用，的作用， 也就是受到毛細(xì)力與分子吸附力的作用，也就是受到毛細(xì)力與分子吸附力的作用， 分別產(chǎn)生毛管勢(shì)與吸附勢(shì)，分別產(chǎn)生毛管勢(shì)與吸附勢(shì)， 基質(zhì)勢(shì)限制水分運(yùn)移，因此小于零。基質(zhì)勢(shì)限制水分運(yùn)移，因此小于零。 基質(zhì)勢(shì)基質(zhì)勢(shì)小于零小于零 毛細(xì)力與分子吸附力難以測(cè)量，二者難以分開。毛細(xì)力與分子吸附力難以測(cè)量，二者難以分開。 但可在一起通過土壤

30、張力計(jì)測(cè)量出來，但可在一起通過土壤張力計(jì)測(cè)量出來， 這兩種作用力產(chǎn)生的勢(shì)能統(tǒng)稱為基質(zhì)勢(shì)。這兩種作用力產(chǎn)生的勢(shì)能統(tǒng)稱為基質(zhì)勢(shì)。 溶質(zhì)勢(shì)或滲透勢(shì)溶質(zhì)勢(shì)或滲透勢(shì)小于零小于零 土壤溶液中的離子土壤溶液中的離子 吸引水分子而定向排列，吸引水分子而定向排列， 從而抑制土壤中水分的活動(dòng)能力，從而抑制土壤中水分的活動(dòng)能力， 這種由溶質(zhì)分子吸引力作用這種由溶質(zhì)分子吸引力作用 而產(chǎn)生的作用勢(shì)稱為溶質(zhì)勢(shì)。而產(chǎn)生的作用勢(shì)稱為溶質(zhì)勢(shì)。 這種土水分勢(shì)限制土壤水分運(yùn)移，因此小于零。這種土水分勢(shì)限制土壤水分運(yùn)移，因此小于零。 土壤水分位于某一高度位置所具有的勢(shì)能，土壤水分位于某一高度位置所具有的勢(shì)能， 是受到地球吸引而具有的

31、一種內(nèi)能。是受到地球吸引而具有的一種內(nèi)能。 重力勢(shì)重力勢(shì)大于零大于零 對(duì)于土壤水重力勢(shì)來說，對(duì)于土壤水重力勢(shì)來說， 其基準(zhǔn)面一般是土壤表面其基準(zhǔn)面一般是土壤表面 或土壤表面下某一個(gè)深度處。或土壤表面下某一個(gè)深度處。 土壤飽和或地面出現(xiàn)水層時(shí)， 自由水面以下的土壤水 受到從其上方傳遞下來的靜水壓力， 由此引起的作用勢(shì)稱為靜水壓勢(shì)。 壓力勢(shì)壓力勢(shì)大于零大于零 飽和土壤水才具有壓力勢(shì)飽和土壤水才具有壓力勢(shì) 土水勢(shì)正值土水勢(shì)正值 0 土水勢(shì)負(fù)值土水勢(shì)負(fù)值 參考面參考面 重力勢(shì)與壓力勢(shì)重力勢(shì)與壓力勢(shì) 基質(zhì)勢(shì)基質(zhì)勢(shì) 溶質(zhì)勢(shì)溶質(zhì)勢(shì) 土水分勢(shì)量值分布示意圖 飽和土壤與非飽和土壤的水勢(shì)飽和土壤與非飽和土壤的水勢(shì)

32、 含水量含水量 = = 孔隙度孔隙度, , 土水勢(shì)土水勢(shì) 0 0 重力勢(shì)、壓力勢(shì)驅(qū)動(dòng)水分運(yùn)重力勢(shì)、壓力勢(shì)驅(qū)動(dòng)水分運(yùn) 移移 基質(zhì)勢(shì)在水分運(yùn)移中不考慮基質(zhì)勢(shì)在水分運(yùn)移中不考慮 含水量含水量 孔隙度孔隙度, , 土水勢(shì)土水勢(shì) 0 0 基質(zhì)勢(shì)與重力勢(shì)驅(qū)動(dòng)水分運(yùn)移基質(zhì)勢(shì)與重力勢(shì)驅(qū)動(dòng)水分運(yùn)移 水分特征曲線滯后 在土壤吸水和釋水過程中由于土壤空氣的作用在土壤吸水和釋水過程中由于土壤空氣的作用 和固、液而接觸角不同的影響，和固、液而接觸角不同的影響， 實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線不是一個(gè)單值函數(shù)曲線。實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線不是一個(gè)單值函數(shù)曲線。 實(shí)測(cè)得到下面的情況：實(shí)測(cè)得到下面的情況： 相同吸力下的土壤水含量，相同吸力

33、下的土壤水含量， 釋水狀態(tài)要比吸水狀態(tài)大，釋水狀態(tài)要比吸水狀態(tài)大， 這種現(xiàn)象就是水分特征曲線滯后。這種現(xiàn)象就是水分特征曲線滯后。 5.3.5土壤水分滯后 同一土壤在吸水過程和釋水過程中，同一土壤在吸水過程和釋水過程中， 呈現(xiàn)為多條不重合的土壤水分特征曲線，呈現(xiàn)為多條不重合的土壤水分特征曲線， 土壤這種性質(zhì)反映土壤含水土壤這種性質(zhì)反映土壤含水 量和土水勢(shì)平衡關(guān)系中的量和土水勢(shì)平衡關(guān)系中的 滯后現(xiàn)象，滯后現(xiàn)象， 也就是含水量經(jīng)變動(dòng)也就是含水量經(jīng)變動(dòng) 再返回原來的含水量時(shí)，再返回原來的含水量時(shí)， 所對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)不同。所對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)不同。 滯后作用的四個(gè)解釋 n土壤中封閉空氣，影響含水量與土水勢(shì)的

34、平衡關(guān)系，土壤中封閉空氣，影響含水量與土水勢(shì)的平衡關(guān)系， n土壤孔隙幾何形狀和大小不均一，產(chǎn)生土壤孔隙幾何形狀和大小不均一，產(chǎn)生“瓶頸作用瓶頸作用” n土壤吸濕與脫濕時(shí)，水與礦物表面的接觸角有差異土壤吸濕與脫濕時(shí)，水與礦物表面的接觸角有差異 n土壤濕脹與干縮產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)變化。土壤濕脹與干縮產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)變化。 5.4 土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程 2、 飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程（飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程（達(dá)西定律達(dá)西定律） 3、 非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程（非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程（不飽和土壤滲透系數(shù)不飽和土壤滲透系數(shù)） 4、 非飽和土壤水基本微分方程（非飽和土壤水基本微分方程（土壤水分?jǐn)U散土壤水分?jǐn)U散） 1

35、、 土壤單元體水流連續(xù)方程（土壤單元體水流連續(xù)方程（水量平衡方程水量平衡方程） 5.4.1 土壤水流連續(xù)方程推導(dǎo) 典型單元立方體典型單元立方體 REV ：representative element volume W水量變化量水量輸入水量輸出 在土壤水分流場(chǎng)坐標(biāo)系中，在土壤水分流場(chǎng)坐標(biāo)系中， 取一個(gè)單位體積的土壤立方體，取一個(gè)單位體積的土壤立方體， 三個(gè)邊長(zhǎng)分別為三個(gè)邊長(zhǎng)分別為dxdx，dy dy , , dz dz 。 研究流入流出這個(gè)立方體的水量。研究流入流出這個(gè)立方體的水量。 這個(gè)立方體稱為單元立方體。這個(gè)立方體稱為單元立方體。 x y z dz dy dx x W xx VVdx dy

36、dzdt x x V dydzdt 單元體在X方向上的水量變化 Vx 是水流沿著X方向流動(dòng)的平均速度 - xx WV dxdydzdt x y W 單元體在Y軸方向上的水量變化 Vy 是水流沿著Y方向流動(dòng)的平均速度 - yy WVdx dy dz dt y 單元體在Z軸方向上的水量變化 z W Vz 是水流沿著是水流沿著Z方向流動(dòng)的平均速度方向流動(dòng)的平均速度 - zz WVdx dy dz dt z 進(jìn)出單元體各個(gè)方向的水量變化量之和 - xx WVdxdydzdt x - yy WVdxdydzdt y - zz WVdxdydzdt z xyz WWWW - xyz WVVVdxdydzd

37、t xyz 體積含水量變化引起的水量變化 單位時(shí)段單位時(shí)段 dt 內(nèi)，內(nèi)， 單元體內(nèi)的水量變化量單元體內(nèi)的水量變化量 可用微分方程表示為：可用微分方程表示為： t Wdx dy dz dt 是土壤體積含水量 單元體的體積為 1 5.4.1 單元體的水流連續(xù)方程 - xyz WVVVdxdydzdt xyz Wdxdydzdt t 0 y xz V VV xyzt 稱為土壤單元體的水流運(yùn) 則簡(jiǎn)化成 動(dòng)連續(xù)方程 可忽略水密度的變化可忽略水密度的變化 對(duì)裝在薄壁鐵桶內(nèi)的勻質(zhì)砂土做水分垂直下滲試驗(yàn)，對(duì)裝在薄壁鐵桶內(nèi)的勻質(zhì)砂土做水分垂直下滲試驗(yàn)， 得到飽和土壤內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)的達(dá)西定律得到飽和土壤內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)的

38、達(dá)西定律 Qx = ? QV A V 水流量 流速 橫截面積 d VKK i ds lds hd 流程 水頭損失 5.4.2 飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)方程達(dá)西試驗(yàn) 達(dá)西實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果 起始時(shí)間起始時(shí)間觀測(cè)時(shí)間觀測(cè)時(shí)間 水量水量水力梯度水力梯度流速流速 d VKK i ds 達(dá)西試驗(yàn)結(jié)果達(dá)西定律 垂直滲透垂直滲透 流過砂土柱的水量流過砂土柱的水量 與砂土柱的橫截面積成正比，與水力梯度與砂土柱的橫截面積成正比，與水力梯度 i 成正比。成正比。 還涉及到一個(gè)飽和滲透系數(shù)（飽和水力傳導(dǎo)度）還涉及到一個(gè)飽和滲透系數(shù)（飽和水力傳導(dǎo)度） =水流量 流速 橫截面積 d QKAK i A ds 水力梯度：是單位

39、流程上的水頭損失水力梯度：是單位流程上的水頭損失 當(dāng)水力梯度為1.0 時(shí)，飽和土壤水的水流速度 土壤孔隙充滿水后， 衡量水分透過土壤快慢的能力的一個(gè)指標(biāo) 飽和土壤滲透系數(shù)K的含義 K的意義：的意義： K的大小表示的大小表示 V K ds 低高 米 秒 的量綱米 秒 米 米 典型土壤的飽和滲透系數(shù)K 土壤類型土壤類型滲透系數(shù)滲透系數(shù)(cm/s)(cm/s)滲透系數(shù)滲透系數(shù)(m/d)(m/d) 粘土粘土0.0000010.0000010.0008640.000864 粘壤土粘壤土0.00010.0001 0.0864 0.0864 密實(shí)砂壤土密實(shí)砂壤土0.00010.00010.00050.000

40、50.08640.4320.08640.432 粘性砂土粘性砂土0.00010.00010.0020.0020.08641.7280.08641.728 細(xì)砂土細(xì)砂土0.0010.0010.0050.0050.8644.320.8644.32 粗砂土粗砂土0.010.010.050.058.6443.28.6443.2 砂卵石砂卵石0.020.0886.417.2886.4 影響土壤飽和滲透系數(shù)的因素 n土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地 n孔隙度大小孔隙度大小 n孔隙大小，形狀，連通程度，孔隙類型孔隙大小，形狀，連通程度，孔隙類型 n水體的粘滯性，密度，溫度水體的粘滯性，密度，溫度 n土

41、壤有機(jī)質(zhì)含量土壤有機(jī)質(zhì)含量 n人類活動(dòng)人類活動(dòng) 達(dá)西定律的適用條件達(dá)西定律的適用條件 n達(dá)西定律是在水流流速較小的情形下得到的，達(dá)西定律是在水流流速較小的情形下得到的， n當(dāng)水流流速增加到一定程度，當(dāng)水流流速增加到一定程度， 滲透水量不能用達(dá)西方程描述。為何，流態(tài)決定。滲透水量不能用達(dá)西方程描述。為何，流態(tài)決定。 粗粒土粗粒土 細(xì)粒土細(xì)粒土（1）細(xì)砂土細(xì)砂土 （2）顆粒極細(xì)粘土）顆粒極細(xì)粘土 判斷是否適用達(dá)西定律判斷是否適用達(dá)西定律雷諾數(shù)雷諾數(shù) n由水流狀態(tài)（層流與紊流 ）所決定 n水流狀態(tài)用雷諾數(shù)判別， n 小于等于10.0，可用達(dá)西公式。 r vd N u 5.4.3 均質(zhì)土壤非飽和土壤水

42、運(yùn)動(dòng)方程 n不飽和土壤水在穩(wěn)定流狀態(tài)下，也可用達(dá)西定律不飽和土壤水在穩(wěn)定流狀態(tài)下，也可用達(dá)西定律 n但不飽和土壤水滲透系數(shù)但不飽和土壤水滲透系數(shù)K不是定值不是定值 n不飽和土壤水的滲透速度？不飽和土壤水的滲透速度？ 飽和土壤水運(yùn)動(dòng)描述 - s d VK d 飽和 gP ds是水分傳輸路徑長(zhǎng)度 sm 不飽和土壤水運(yùn)動(dòng)描述 ( ) ss dd VKK dd 不飽和 ( )( )KKfK 不飽和飽和 不飽和土壤水主要受分子吸附力、毛細(xì)力的作用，不飽和土壤水主要受分子吸附力、毛細(xì)力的作用， 基質(zhì)勢(shì)是驅(qū)動(dòng)水分運(yùn)移主要驅(qū)動(dòng)力，其次是重力勢(shì)?；|(zhì)勢(shì)是驅(qū)動(dòng)水分運(yùn)移主要驅(qū)動(dòng)力，其次是重力勢(shì)。 類似于類似于達(dá)西定

43、律達(dá)西定律，用不飽和滲透系數(shù)，用不飽和滲透系數(shù) K K不飽和 不飽和 來量化不飽和土壤內(nèi)的水分運(yùn)移來量化不飽和土壤內(nèi)的水分運(yùn)移 5.4.3 均質(zhì)土壤不飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程 sxz(2)dddyd (1) s d VK d xy ddd VKKKK dddz xy ddd VKKKK dddz 0 smms ， x - x d VK d y - y d VK d - xy ddd VKKKK dddz 均質(zhì)土壤不飽和土壤水運(yùn)動(dòng)各個(gè)方向上的流速 z - z d VKK d 5.4.4 非飽和土壤水流的基本微分方程非飽和土壤水流的基本微分方程 （2）代入（）代入（1），）， 得到非飽和土壤水流的基本微分方程得到非飽和土壤水流的基本微分方程: VVV + =0(1) txyz ddd KKKK txdxydyzdz -(2) xy ddd VKKKK dddz 非飽和土壤水流的基本微分方程的求解非飽和土壤水流的基本微分方程的求解 二要確定二要確定 之間之間 的關(guān)系。的關(guān)系。( ) ( ) K 是非線性多維二階偏微分程，難以準(zhǔn)確求解。是非線性多維二階偏微分程，難以準(zhǔn)確求解。 很多情況下在簡(jiǎn)化條件下求解。很多情況下在簡(jiǎn)化條件下求解。 ddd KKKK txdxydyzdz 一要確定一要確定 之間的關(guān)系，