第三章土壤水分3節(jié)

1、主講教師：羅春艷主講教師：羅春艷能源與水利學(xué)院二一四年 九月第三章第三章 土壤水分土壤水分第三節(jié)第三節(jié) 土壤水分運(yùn)動(dòng)土壤水分運(yùn)動(dòng)主要內(nèi)內(nèi)容： 土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng) 土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng) 土壤水入滲與分布土壤水入滲與分布 土壤水分平衡土壤水分平衡第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng) 通過土壤水分運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握通過土壤水分運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握土土壤液態(tài)水及氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)形式；壤液態(tài)水及氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)形式；掌握掌握土壤水土壤水分入滲及再分布過程，分入滲及再分布過程，并了解水分并了解水分平衡原理平衡原理本節(jié)教學(xué)節(jié)教學(xué)目的：第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)本章的重點(diǎn)、難難點(diǎn)：1

2、) 1) 土壤水分入滲及再分布過程土壤水分入滲及再分布過程2) 2) 水分平衡原理水分平衡原理第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)一、土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)一、土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤液態(tài)土壤液態(tài)水的運(yùn)動(dòng)水的運(yùn)動(dòng)一個(gè)土層一個(gè)土層另一個(gè)土層另一個(gè)土層土壤土壤水水勢(shì)梯勢(shì)梯度度高高低低土壤液態(tài)土壤液態(tài)水的運(yùn)動(dòng)水的運(yùn)動(dòng)飽和流飽和流非飽和流非飽和流孔隙全部孔隙全部被水充滿被水充滿重力重力部分孔隙部分孔隙被水充滿被水充滿毛管水毛管水薄膜水薄膜水第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)F 1. 1.飽飽和流飽和流可能出現(xiàn)情況：飽和流可能出現(xiàn)情況： 大量持續(xù)降水和水稻淹灌時(shí)會(huì)出現(xiàn)垂直線下的飽

3、和流大量持續(xù)降水和水稻淹灌時(shí)會(huì)出現(xiàn)垂直線下的飽和流地下泉水涌出屬于垂直向上的飽和流地下泉水涌出屬于垂直向上的飽和流平原水庫庫底周圍可以出現(xiàn)水平方向的飽和流平原水庫庫底周圍可以出現(xiàn)水平方向的飽和流飽和流方向不一定完全單向，大多是多向的復(fù)合流飽和流方向不一定完全單向，大多是多向的復(fù)合流飽和流的推動(dòng)力主要是重力勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度，基飽和流的推動(dòng)力主要是重力勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度，基本上服從飽和狀態(tài)下多孔介質(zhì)的達(dá)西定律本上服從飽和狀態(tài)下多孔介質(zhì)的達(dá)西定律(Darcys law) F 1. 1.飽飽和流LHKQs單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量土壤水通量土壤水通量與土水勢(shì)梯度

4、成正比。與土水勢(shì)梯度成正比。 單向一維單向一維 式中：式中：Q為通量為通量 ；H為總水勢(shì)差；為總水勢(shì)差；L為水流路徑的直線長度；為水流路徑的直線長度；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率；為土壤飽和導(dǎo)水率；“-”表示水流方向與壓力梯度方向相反表示水流方向與壓力梯度方向相反。第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng) 飽和導(dǎo)水率：土壤所有的孔隙都充滿了水時(shí)，水分飽和導(dǎo)水率：土壤所有的孔隙都充滿了水時(shí)，水分向土壤下層或橫向運(yùn)動(dòng)的速度。向土壤下層或橫向運(yùn)動(dòng)的速度。飽和導(dǎo)水率的特點(diǎn)飽和導(dǎo)水率的特點(diǎn) 飽和率是常數(shù)飽和率是常數(shù) 是土壤導(dǎo)水率的是土壤導(dǎo)水率的MAX 主要取決于土壤的質(zhì)地主要取決于土壤的質(zhì)地 和結(jié)構(gòu)。和結(jié)構(gòu)。 沙質(zhì)

5、土沙質(zhì)土 壤質(zhì)土壤質(zhì)土 粘粘質(zhì)土質(zhì)土影響飽和導(dǎo)水率的因素影響飽和導(dǎo)水率的因素 質(zhì)地質(zhì)地 水通量與孔隙半徑水通量與孔隙半徑4次方呈正比。次方呈正比。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 土壤結(jié)皮對(duì)土壤飽和土壤結(jié)皮對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率有顯著的影響。導(dǎo)水率有顯著的影響。有機(jī)質(zhì)含量。有機(jī)質(zhì)含量。粘土礦物種類。粘土礦物種類。第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng) 土壤非飽和流的推動(dòng)力主要是基質(zhì)勢(shì)梯度土壤非飽和流的推動(dòng)力主要是基質(zhì)勢(shì)梯度和重力勢(shì)梯度。它也可用達(dá)西定律來描述。和重力勢(shì)梯度。它也可用達(dá)西定律來描述。dxdKQ)(F 1. 1.非飽和流非飽和流一維垂向非飽和流一維垂向非飽和流為非飽和導(dǎo)水率；)(K為總水勢(shì)梯度dxd第三節(jié)土壤水分

6、運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng) 飽和條件下的總水勢(shì)梯度可用差分形式，而非包飽和條件下的總水勢(shì)梯度可用差分形式，而非包和條件下則用微分形式：和條件下則用微分形式：非飽和條件下土壤水流的數(shù)學(xué)表達(dá)式與飽非飽和條件下土壤水流的數(shù)學(xué)表達(dá)式與飽和條件下的類似，二者的區(qū)別在于：和條件下的類似，二者的區(qū)別在于：飽和條件下的土壤導(dǎo)水率飽和條件下的土壤導(dǎo)水率Ks對(duì)特定土壤為一常數(shù)，而對(duì)特定土壤為一常數(shù)，而非飽和導(dǎo)水率是土壤含水量或基質(zhì)勢(shì)（非飽和導(dǎo)水率是土壤含水量或基質(zhì)勢(shì)（ m）的函數(shù)。）的函數(shù)。 第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)土壤水吸力和導(dǎo)水率之間的關(guān)系土壤水吸力和導(dǎo)水率之間的關(guān)系 第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分

7、運(yùn)動(dòng)都適合熱力學(xué)第二定律和達(dá)西定律，即水分從能量高向能量低的流都適合熱力學(xué)第二定律和達(dá)西定律，即水分從能量高向能量低的流動(dòng)（水勢(shì)差）。動(dòng)（水勢(shì)差）。相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：土壤飽和流和非飽和流的主要異同點(diǎn)？土壤飽和流和非飽和流的主要異同點(diǎn)？不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：二者土水勢(shì)的組成不同，飽和土壤中。任一點(diǎn)的土水勢(shì)包括重力勢(shì)二者土水勢(shì)的組成不同，飽和土壤中。任一點(diǎn)的土水勢(shì)包括重力勢(shì)和壓力勢(shì)；在非飽和土壤中，無須專門考慮溶質(zhì)勢(shì)、溫度勢(shì)，任一和壓力勢(shì)；在非飽和土壤中，無須專門考慮溶質(zhì)勢(shì)、溫度勢(shì)，任一點(diǎn)的土水勢(shì)只包括重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)。點(diǎn)的土水勢(shì)只包括重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)。導(dǎo)水率不同，在飽和土壤中，由于土壤孔隙全部充水，導(dǎo)水率是

8、常導(dǎo)水率不同，在飽和土壤中，由于土壤孔隙全部充水，導(dǎo)水率是常數(shù)，稱為飽和導(dǎo)水率數(shù)，稱為飽和導(dǎo)水率KsKs或滲透系數(shù)或水力傳導(dǎo)度，在非飽和土壤中或滲透系數(shù)或水力傳導(dǎo)度，在非飽和土壤中，由于部分孔隙被水充填，故非飽和導(dǎo)水率的值低于該土壤的，由于部分孔隙被水充填，故非飽和導(dǎo)水率的值低于該土壤的KsKs，而；而且非飽和導(dǎo)水率是土壤水基質(zhì)勢(shì)或土壤含水量的函數(shù)。而；而且非飽和導(dǎo)水率是土壤水基質(zhì)勢(shì)或土壤含水量的函數(shù)。第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)土壤氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為土壤氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為水汽擴(kuò)散水汽擴(kuò)散和和水汽凝結(jié)水汽凝結(jié)兩種現(xiàn)象兩種現(xiàn)象水汽擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力是水汽壓梯度水汽擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力是水汽壓梯

9、度二、土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)二、土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤水吸力梯度土壤水吸力梯度土壤水勢(shì)梯度土壤水勢(shì)梯度溫度梯度溫度梯度主要推動(dòng)力主要推動(dòng)力高高低低水汽水汽凝結(jié)凝結(jié)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)1、“夜潮夜潮”現(xiàn)象現(xiàn)象多出現(xiàn)于地下水埋深度較淺的多出現(xiàn)于地下水埋深度較淺的“夜潮地夜潮地”。 白天白天由溫度較高表層由溫度較高表層 底層，利于防止蒸發(fā)；底層，利于防止蒸發(fā)； 夜晚夜晚由溫度較高底層由溫度較高底層 表層，利于土壤回潤。表層，利于土壤回潤。第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)2、“凍后聚墑凍后聚墑”現(xiàn)象現(xiàn)象冬季表土凍結(jié)，水汽壓降低，而凍層以下土冬季表土凍結(jié)，水汽壓降低，而凍層以下土層的水汽壓較高，

10、于是下層水汽不斷向凍層層的水汽壓較高，于是下層水汽不斷向凍層集聚、凍結(jié)、使凍層不斷加厚，其含水量有集聚、凍結(jié)、使凍層不斷加厚，其含水量有所增加，這就是所增加，這就是“凍后聚墑凍后聚墑”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 “凍后聚墑凍后聚墑”的多少，主要決定于該土壤的含的多少，主要決定于該土壤的含水量和凍結(jié)的強(qiáng)度。含水量高凍結(jié)強(qiáng)度大，水量和凍結(jié)的強(qiáng)度。含水量高凍結(jié)強(qiáng)度大，“凍后聚墑凍后聚墑”就比較明顯。一般對(duì)土壤上層就比較明顯。一般對(duì)土壤上層增水作用為增水作用為24左右左右 。第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng) 入滲是指液態(tài)水進(jìn)入土壤的過程，通常指水自土表垂直向下入滲是指液態(tài)水進(jìn)入土壤的過程，通常指水自土表垂直向下

11、進(jìn)入土壤的過程，但也不排斥如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進(jìn)入土壤的過程，但也不排斥如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進(jìn)入土壤的過程。進(jìn)入土壤的過程。 三、土壤水入滲與分布三、土壤水入滲與分布1. 土壤入滲（土壤入滲（soil water infiltration) 入滲入滲 降水或灌水進(jìn)入土壤的而數(shù)量降水或灌水進(jìn)入土壤的而數(shù)量供水以后或來年作物利用的深層水的儲(chǔ)量供水以后或來年作物利用的深層水的儲(chǔ)量山區(qū)、丘陵或坡地，還決定著地表徑流和山區(qū)、丘陵或坡地，還決定著地表徑流和流入土內(nèi)水分兩者的數(shù)量分配流入土內(nèi)水分兩者的數(shù)量分配第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)a.對(duì)于地面平整及下層質(zhì)地均一的土壤對(duì)于地面平整及下

12、層質(zhì)地均一的土壤 水進(jìn)入土壤影響因素：水進(jìn)入土壤影響因素：一是供水速率，一是供水速率，二是土壤的入滲能力二是土壤的入滲能力 (入滲速率infiltration rate)三、土壤水入滲與分布三、土壤水入滲與分布第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)供水速率供水速率三、土壤水入滲與分布三、土壤水入滲與分布土壤的入滲能力土壤的入滲能力供水速率供水速率2010-205-101-51最初入滲速率：最初入滲速率：Initial infiltration rate穩(wěn)定入滲速率：穩(wěn)定入滲速率：stable infiltration rate 所以無論表土下是砂土層還是細(xì)土層，在不斷入滲中最初能使所以無論表土下

13、是砂土層還是細(xì)土層，在不斷入滲中最初能使上層土壤先積蓄水，以后才下滲。上層土壤先積蓄水，以后才下滲。第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)土壤水 入滲過程結(jié)束后，水在重力和吸力梯度和溫度梯度的影響下在土壤中向下移動(dòng)重新分布的過程稱為土壤水分再分布 2.土壤水再分布土壤水再分布第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)土壤剖面上層釋水，下層吸水，經(jīng)一段時(shí)間起初吸水的地方又逐漸釋水。造成含水量與基質(zhì)勢(shì)的非單值關(guān)系。土壤水的再分布，對(duì)研究植物從不同深度土層吸水有較大意土壤水的再分布，對(duì)研究植物從不同深度土層吸水有較大意義。某一土層水的損失，不完全是植物吸水所致，還與上、義。某一土層水的損失，不完全是植物吸水

14、所致，還與上、下層水的再分布有關(guān)。下層水的再分布有關(guān)。第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)2.土壤水再分布土壤水再分布地下水埋深較淺時(shí)，土壤水通過剖面上的再分布可能達(dá)到地下水，從而補(bǔ)給地下水，促使地下水位抬高，或者隨著地下水流側(cè)向排到它處，稱為土壤水的滲漏土壤水分的來源土壤水分的來源 土壤水分土壤水分大氣降水大氣降水灌溉水地下水上升和大氣中水汽的凝地下水上升和大氣中水汽的凝結(jié)也是土壤水分的來源。結(jié)也是土壤水分的來源。四、土壤水分平衡四、土壤水分平衡第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)第三節(jié)土壤水分運(yùn)動(dòng)土壤土壤植物植物大氣連續(xù)體大氣連續(xù)體(SPAC)(1)土壤水來源土壤水來源(收入收入) 降水(P)，灌水(I)，上行水(U)(2)土壤損失土壤損失(支出支出) 土面蒸發(fā)土面蒸發(fā)(E)(E)，葉面蒸騰，葉面蒸騰(T)(T)，冠層截留，冠層截留(In)(In)，地表徑流，地表徑流(R)(R)，下滲水，下滲水(D)(D)，計(jì)算時(shí)段初、末土體儲(chǔ)水量之差，計(jì)算時(shí)段初、末土體儲(chǔ)水量之差W ，土壤，土壤水分平衡表達(dá)式如下：水分平衡表達(dá)式如下： W=W=（P+I+UP+I+U）（E+T+R+In+DE+T+R+In+D） 蒸發(fā)和蒸騰合稱蒸散（蒸發(fā)和蒸騰合稱蒸散（ETET）。）。 地區(qū)水量平衡：收入地區(qū)水量平衡：收入降水，支出降水，支出地面徑流和蒸散，即地面徑流