地質(zhì)大水文地質(zhì)學(xué)課件第6章 包氣帶水

第六章包氣帶水6.1包氣帶水勢(shì)6.2包氣帶水分6.3包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系6.4包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系6.5包氣帶水分運(yùn)動(dòng)6.6本章小結(jié)6.1包氣帶水勢(shì)

>>包氣帶中不同部位水分的能量相對(duì)水平面比較，常以包氣帶水勢(shì)來(lái)表示。

>>包氣帶水勢(shì)是一種衡量包氣帶中水具有的能量的指標(biāo)，是在包氣帶內(nèi)土壤和水的平衡系統(tǒng)中，單位數(shù)量的水在恒溫條件下，移動(dòng)到參照狀況純自由水體所能做的功。

>>參照狀況一般使用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，與包氣帶水具有相同溫度的情況下(或某一特定情況下)，以及在某一固定高度的假想的純自由水體。

>>其必要條件首先是其過(guò)程為可逆的,即表明沒(méi)有因摩擦而發(fā)生能量的損失；第二必需條件是等溫的，即表明沒(méi)有發(fā)生溫度變化，而且轉(zhuǎn)移的量是無(wú)限小，所以剩余包氣帶水分不受轉(zhuǎn)移的影響。式中：ψw—總水勢(shì)，即包氣帶水的總勢(shì)能；ψg--重力勢(shì)；

ψp—壓力勢(shì)，包括基質(zhì)勢(shì)ψc(或稱(chēng)基膜勢(shì))和氣壓勢(shì)ψa；ψs--溶質(zhì)勢(shì)(滲透壓勢(shì))；ψT—溫度勢(shì)。以上各種勢(shì)能，如用單位重量包氣帶水的勢(shì)能表示時(shí)，其單位為Pa。

>>在飽水帶中，水勢(shì)大于參照狀態(tài)的水勢(shì)；在包氣帶中，包氣帶水受毛細(xì)作用和吸附力的限制，水勢(shì)低于參照狀態(tài)的水勢(shì)。包氣帶水勢(shì)是由各分勢(shì)組成的：6.1包氣帶水勢(shì)6.1.1重力勢(shì)

>>物體從基準(zhǔn)面移至某一高于基準(zhǔn)面的位置時(shí)，需要克服由于地球引力而產(chǎn)生的重力作用，因而必須對(duì)物體做功，這種功以重力勢(shì)能的形式儲(chǔ)存于物體中。

>>包氣帶水與其它物體一樣，在基準(zhǔn)面以上Z的單位重量的水所具有的重力勢(shì)能ψg=Z；反之，在基準(zhǔn)面以下Z時(shí)，重力勢(shì)能為ψg=-Z。6.1.2壓力勢(shì)

相對(duì)于大氣壓力所存在的勢(shì)能差為壓力勢(shì)，包括氣壓勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)(或稱(chēng)基膜勢(shì))。6.1.2.1氣壓勢(shì)

>>它是由于包氣帶內(nèi)鄰近空氣的氣壓變化而引起的。

>>在一般情況下，由于空氣的動(dòng)力粘度比水小100倍，空氣的流動(dòng)性遠(yuǎn)大于水的流動(dòng)性，空氣可自由排出和進(jìn)入包氣帶，而且大氣中壓力變化較小，因此在很多情況下人們認(rèn)為有理由可以忽略氣壓勢(shì)。6.1.2.2基質(zhì)勢(shì)

>>在地下水面處，水的壓力勢(shì)為0；

>>在地下水面以下飽和區(qū)的靜水壓力為正值；

>>在地下水面以上非飽和區(qū)水的壓力勢(shì)為負(fù)值，常又被稱(chēng)為“毛管勢(shì)”或“基膜勢(shì)”。這是由于土壤基膜引起的毛管力造成的(因此又稱(chēng)毛細(xì)負(fù)壓)。這種力常將水吸引和束縛在土壤中，使包氣帶水的勢(shì)能低于自由水。6.1.2.3溶質(zhì)勢(shì)(滲透壓勢(shì))

>>溶質(zhì)勢(shì)的產(chǎn)生是由于可溶性物質(zhì)(例如鹽類(lèi))，溶解于土壤溶液中，降低了土壤溶液的勢(shì)能所致。

>>當(dāng)包氣帶土-水系統(tǒng)中，存在半透膜(只允許水流通過(guò)而不允許鹽類(lèi)等溶質(zhì)通過(guò)的材料)時(shí)，水將通過(guò)半透膜擴(kuò)散到溶液中去，這種溶液與純水之間存在的勢(shì)能差為溶質(zhì)勢(shì)，也常稱(chēng)為滲透壓勢(shì)。

>>當(dāng)包氣帶土-水系統(tǒng)中，不存在半透膜時(shí)，這一現(xiàn)象并不明顯影響整個(gè)包氣帶水的流動(dòng)，一般可以不考慮。但在植物根系吸水時(shí)，水分吸入根內(nèi)要通過(guò)半透性的根膜，土壤溶液的勢(shì)能必須高于根內(nèi)勢(shì)能，否則植物根系將不能吸水，甚至根莖內(nèi)水分還被土壤吸取。

>>所以，土壤中含鹽量較大時(shí)，例如土壤溶液的溶質(zhì)勢(shì)達(dá)到-14.5×105Pa，即使土壤濕度較高(基膜勢(shì)為-0.5×105Pa)，植物根系無(wú)法從土壤中吸水，該水勢(shì)相當(dāng)于永久凋萎水勢(shì)。為此，溶質(zhì)勢(shì)在研究植物根系和土壤水的相互作用中，具有重要作用。6.1.2.4溫度勢(shì)

>>除以上各種勢(shì)能形態(tài)外，還存在溫度勢(shì)。

>>溫度勢(shì)是由包氣帶中各點(diǎn)溫度與以熱力學(xué)確定的標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)的溫度之差所決定的。

>>目前在分析土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度勢(shì)作用常被忽略。6.1.2.5小結(jié)

>>各種包氣帶水勢(shì)能中，研究液態(tài)水在包氣帶中運(yùn)動(dòng)時(shí)，溶質(zhì)勢(shì)、氣壓勢(shì)和溫度勢(shì)一般可不考慮，主要考慮基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)。

>>在飽水帶中，土壤水具有的壓力勢(shì)是靜水壓力，為正值。其總水勢(shì)以總水頭H表示可寫(xiě)作：H=h+Z

>>對(duì)于包氣帶水，在不考慮氣壓勢(shì)、溫度勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)的情況下，總水勢(shì)由基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)組成：Ψw=Ψc+Z第六章包氣帶水6.1包氣帶水勢(shì)6.2包氣帶水分6.3包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系6.4包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系6.5包氣帶水分運(yùn)動(dòng)6.6本章小結(jié)6.2包氣帶的水分分布在理想條件下，即包氣帶是由均質(zhì)土構(gòu)成的，無(wú)蒸發(fā)與入滲流，包氣帶水分分布穩(wěn)定時(shí)，土壤含水量的分布見(jiàn)圖5-7所示。

>>由地表向下某一深度內(nèi)含水量為一定值，相當(dāng)于殘余含水量。構(gòu)成殘余含水量的水包括結(jié)合水、孔角毛細(xì)水、部分懸掛毛細(xì)水，是反抗重力保持于包氣帶中的最大持水度。這部分水與其下的支持毛細(xì)水及潛水不發(fā)生水力聯(lián)系。圖5-7均質(zhì)包氣帶水分分布

>>由此往下，進(jìn)入支持毛細(xì)水帶，土壤含水量隨著接近潛水面而增大。支持毛細(xì)水帶是在毛細(xì)力作用下，水分從潛水面上升形成的(圖5-7)。因此，它與潛水面有密切的水力聯(lián)系，隨潛水面的變動(dòng)而變動(dòng)。>>在潛水面之上有一個(gè)含水量飽和(體積含水量等于孔隙度)的帶，稱(chēng)為毛細(xì)飽和帶。圖5-7均質(zhì)包氣帶水分分布第六章包氣帶水6.1包氣帶水勢(shì)6.2包氣帶水分6.3包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系6.4包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系6.5包氣帶水分運(yùn)動(dòng)6.6本章小結(jié)>>包氣帶水勢(shì)與包氣帶含水量的關(guān)系，主要表現(xiàn)為毛細(xì)負(fù)壓隨含水量的變化。

>>包氣帶中毛細(xì)負(fù)壓隨著含水量的變小而變大。

>>這是因?yàn)殡S著含水量的降低，毛細(xì)水退縮到孔隙更加細(xì)小處，彎液面的曲率增大(曲率半徑變小)，造成毛細(xì)負(fù)壓更大。

>>因此，毛細(xì)負(fù)壓是含水量的函數(shù)：hc=hc(W)6.3包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系第六章包氣帶水6.1包氣帶水勢(shì)6.2包氣帶水分6.3包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系6.4包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系6.5包氣帶水分運(yùn)動(dòng)6.6本章小結(jié)6.4包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系

>>在飽水帶中，任一特定的均質(zhì)巖層，滲透系數(shù)K是常數(shù)。

>>在包氣帶中，滲透系數(shù)K隨著含水量的變小而迅速降低，K也是含水量的函數(shù)：

K=K(W)

>>主要原因在于：*土壤含水量降低，實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝娑S之減少；

*土壤含水量降低，水的實(shí)際流動(dòng)途徑的彎曲程度增大；*土壤含水量降低，水在更窄小的孔角通道及孔隙中流動(dòng)，阻力增大。

*在毛細(xì)飽和帶，土壤含水量飽和，其滲透系數(shù)為常量，等于飽水帶中的滲透系數(shù)。因此，滲透系數(shù)K與含水量呈非線(xiàn)性關(guān)系。第六章包氣帶水6.1包氣帶水勢(shì)6.2包氣帶水分6.3包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系6.4包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系6.5包氣帶水分運(yùn)動(dòng)6.6本章小結(jié)6.5.1包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)

>>包氣帶水的非飽和流動(dòng)，仍可用達(dá)西定律描述。

>>作一維垂直下滲運(yùn)動(dòng)時(shí)，滲流速度可表示為：6.5包氣帶水分運(yùn)動(dòng)

>>初期Z很小，水力梯度→∞，因此，V→∞；隨著t增大，Z變大，那么→1，則V=K。

>>降雨入滲補(bǔ)給均質(zhì)包氣帶，在地表形成一個(gè)極薄的水層(其厚可忽略)，則當(dāng)活塞式下滲水的前峰達(dá)到深度Z處時(shí)，位置水頭為-Z(取地面為基準(zhǔn)，向上為正)，前鋒處彎液面造成的毛細(xì)壓力水頭為-hc，則任一時(shí)刻t的入滲速率，即垂向滲流速度為：6.5.2包氣帶中支持毛細(xì)水的運(yùn)動(dòng)

>>用達(dá)西定律Vc=KI分析水由B→C毛細(xì)水的運(yùn)動(dòng)：

*那么：

ZB=0，ZC=ZC>0；

HB=ZB+0=0，HC=ZC+(-hc)；

*所以，

I=(HB-HC)/(ZB-ZC)

=(hc-ZC)/(-ZC)；

*則

>>毛細(xì)管插入水中瞬間時(shí)刻：ZC→0，那么，I→∞，而K不變，則V→∞；>>隨著毛細(xì)水上升，ZC逐漸增大，(hC/ZC)-1逐漸變小，則I逐漸變小，那么上升速度V逐漸變?。?gt;>ZC→hC時(shí)，(hc/ZC)-1→0，I→0，那么V→0，毛細(xì)上升停止。6.5.3小結(jié)

包氣帶水的運(yùn)動(dòng)與飽水帶水的運(yùn)動(dòng)相比，有以下三點(diǎn)不同：

>>飽水帶只有重力勢(shì)；

包氣帶則有重力勢(shì)、毛細(xì)勢(shì)；

>>飽水帶任一點(diǎn)水頭隨水位變化；

包氣帶水頭則是含水量的函數(shù)；

>>飽水帶的滲透系數(shù)是個(gè)定值；

包氣帶滲透系數(shù)隨含水量的降低而變小。第六章包氣帶水6.1包氣帶水勢(shì)6.2包氣帶水分6.3包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系6.4包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系6.5包氣帶水分運(yùn)動(dòng)6.6本章小結(jié)6.6本章小結(jié)6.6.1學(xué)習(xí)要求

>>掌握包氣帶水勢(shì)的組成及其各自的含義；>>理解包氣帶內(nèi)水分的垂向分布特點(diǎn)；>>理解包氣帶水勢(shì)與含水量的關(guān)系、滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系；>>理解包氣帶水分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)；

>>掌握包氣帶水分運(yùn)動(dòng)與飽水帶水分運(yùn)動(dòng)的不同。6.6.2習(xí)題(1)當(dāng)潛水水位下降時(shí)，支持毛細(xì)水和懸掛毛細(xì)水的運(yùn)動(dòng)有什么不同特點(diǎn)？(2)均質(zhì)包氣帶中巖石的滲透系數(shù)隨著