土壤水动力学1(77)
土壤水动力学复习笔记
1、 ；温[1] 土壤水动力学是许多学科的基础，它的研究涉及农田水利学、水文学、地下水文学、水文地质学、土壤物理学、环境科学等学科。
）合理开发和科学管理水资源；2）调控农 田墒情，促进农业节水；3）土壤改良和水土环境的改善。
[2] 土壤各个指标，计算意义，相互关系。
土壤—是由矿物质和生物紧密结合的固相、液相和气相三相共存的一个复杂的、多相的、非均匀多孔介质体系。
定性指标—质地、结构。
定量指标– 孔隙度、密度、含水率、饱和度等。
[3] 含水率。
体积含水率：θ v =Vw /V0 重量（质量）含水率：θ g =mw /ms 饱和度：w=Vw/Vv 贮水深度：h=H θ （量刚为 L ） 主要测定方法：称重法（烘干法） 核技术测量：中子仪， γ 射线仪、电磁测量：时域反射仪(TDR)、核磁共振测量、热脉冲测量、遥感测 量：大面积地表含水率；[4] 水分常数。
吸湿水，束缚在土粒表面的水汽，最大吸湿量（吸湿常数） 薄膜水，吸湿 水外层连续水膜，最大分子持水量，（薄膜水不能被植物吸收时）凋萎系数；毛管水， 土壤孔隙（毛管），水气界面为一弯月面，分毛管上升水、毛管悬着水，田间持水量（毛 管悬着水达到最大），田持；重力水，大孔隙中的水，饱和含水率。
农业生产中常用的 水分常数：田间持水量（field (moisture) capacity ）：农田土壤某一深度内保持吸湿水、 膜状水和毛管悬着水的最大水量。
凋萎系数（wilting coefficient ）：土壤中的水分不能被 根系吸收、植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，也称凋萎含水率或萎蔫点。
土壤有 效含水量（available water content of soil ）：土壤中能被作物吸收利用的水量，即田间持 水量与凋萎系数之间的土壤含水量。
土壤含水率与水分常数的应用：估计水分对植物生 长的影响；计算灌溉水量；根据土壤水分的动态变化估算腾发量（地面蒸发＋植物蒸腾） [5] 土水势(Soil water potential)：可逆、等温地从特定高度和大气压下的纯水池转移极少量水到土壤中某一点时单位数量纯水所做的功。
土壤水分运动
量纲:取决于水头梯度。如果水头梯度取长度比长度则导水率的量纲完全与 通量相同，也是速度的量纲（LT-1），经常使用。其它量纲不直观，应用很 少。
一、饱和土壤中水分运动 Flow of water in saturated soils
影响导水率因素： （1）土壤性质： A.质地： Ks（sand）=10-2~10-3（cm/秒） Ks（clay）=10-4~10-7 （cm/秒） B.结构：饱和导水率取决于能够导水的大孔隙的孔度，并不是取 决于土壤总孔度；田间裂隙、根孔和虫孔都是饱和导水的主要通 道(这些孔道往往在灌水入渗期间成为发生优先流的地方。有结 构土壤饱和导水率大于无结构的土壤。 总孔隙度大的土壤未必是饱和导水率最高的土壤 注意： 由于土壤基模特性的不稳定性，导致实际上土壤饱和 导水率往往不是常数。如土壤中离子代换作用、土壤胀缩过程、 以及封闭气体作用等。饱和导水率是一个常数是理论概念，它建 立在土壤基模特性稳定的基础上。实际上却并不是一个常数。 （2）环境温度：温度会影响到土壤中封闭空气的溶解度、会影响 到土壤中溶质离子溶解度，同样影响到水分的物理性状。所以， 影响到土壤导水率。 （3）流体性质：液体的粘滞系数（viscosity）和密度（fluid density） 也是影响导水率的主要因素。
一、饱和土壤中水分运动 Flow of water in saturated soils
2.达西定律（Darcy’s law) 1856年法国工程师Henri Darcy在Dijon城解决城市人口用水问题时总结发表 了达西定律，他指出：细沙过滤器中水流的速度与其所受的压力差成正比例，而 与过滤器的长度成反比。（达西定律诞生背景） 达西定律表达式： 一维情况下: Q q = A⋅t = − K ∆H ∆Z q : 流速（ flux density ; LT -1） Q ：流量 ( quantity of water ; m 3 ) A：土柱横截面积 ( cross − sec tional area ; m 2 ) t：时间（ time ; s） K ：导水率 ( hydraulic conductivi ty; m/s) ∆H ：压力差（ hydraulic head; m） ，水分移动的驱动力 ∆Z：土柱长度 (column length; m) ∆H ：水势梯度 ( hydraulic gradient ; m / m ) ∆Z “ −”：表示水流的方向由 水势高出流向水势低处
土壤水动力学参数及影响因素分析
土壤水动力学参数及影响因素分析作者：宋城业来源：《农村经济与科技》2020年第16期[摘要]土壤水是农作物生长的主要水源，也是开展农业生产的必备条件之一。
分析土壤水的动力学参数以及相关影响因素对土壤水的水分调控和高效率利用具有重要意义。
[关键词]土壤水;动力学参数;影响因素;分析[中图分类号]S152[文献标识码]A土壤水是水资源的一个不可或缺组成部分，高效率利用土壤水受到有关人员的高度重视。
有关数据显示，土壤水动力学参数受到以下几个因素的影响：其一，土壤孔隙度;其二，土壤质地。
相关文献报道，还有学者在分析土壤水动力学参数的相关影响因素之外，建立了土壤水动力学基本方程、土壤水参数估计模型以及土壤水热运动模型等，以期阐述清楚土壤水的主要动力学参数特点，为我国农业生产提供相关数据参考。
1 国内外土壤水的有关研究分析1.1 国内土壤水的有关研究我国有关土壤水的形态学研究理论（以罗戴为代表）在20世纪中期兴起，该理论传人我国之后对我国的土壤水研究起到较大助推作用。
第一次土壤水物理学术讨论会在杭州举行，土壤水能量的有关概念首次进入到我国广大人民群众的视线内，逐渐转变土壤水分的有关研究观念——从定性的形态学观点逐渐转变成定量的连续能量观念。
20世纪80年代初期有关人员引入将土壤、植物和大气看作一个连续整体观念，利用水势将能量指标建立在不同介质之间，为土壤水以及农作物和生态环境之间做协调研究挖掘出新的路径。
20世纪80年代后，随着国内外的土壤水研究交流逐渐增多，我国对土壤水的理论研究和实验研究逐渐取得长足发展，与此同时出现一些关于土壤水研究的著作，如《土壤水动力学》《地下水与土壤水动力学》《土壤水分通量法实验研究》《土壤水热运动模型及其应用》《土壤一植物一大气连续体水分传输理论及其应用》等。
国内土壤水分的有关研究在互联网技术发展的基础上而发展，尤其是求解基本方程归功于计算机技术的应用，使得复杂的问题能够通过数学实验方法加以求解。
土壤水
第五章土壤水根据土壤水分所受的力作用把土壤水分类型分为如下几类：1吸附水，受土壤吸附力作用保持，可分为吸湿水和膜状水2毛管水，受毛管力的作用而保持3重力水，受重力支配，容易进一步向土壤剖面深层运动毛管悬着水：在地下水较深的情况下，降水或灌溉水等地面水进入土壤，借助毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中的水分，它与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤中的一样毛管上升水：借助毛管力由地下水上升进入土壤中的水称为毛管上升水，从地下水面到毛管上升水所能到达的相对高度叫毛管水上升高度田间持水量：土壤毛管悬着水达到最多时的含水量。
在数量上包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水临界深度：指含盐地下水能够上升到达根系活动层并开始危害作物时的埋藏深度土壤水的有效性：土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。
不能被植物吸收利用的水称为无效水，能被植物吸收利用的水称为有效水。
其中因其吸收难易程度不同又可分为速效水和迟效水。
萎蔫系数：当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，它因土壤质地、作物和气候等不同而不同土壤有效水最大含量：通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的下限，土壤持水量视为土壤有效水的上限。
质量含水量：土壤中水分质量与干土质量的比值容积含水量：单位土壤总容积中水分所占的容积百分数Θv=Θm·ρ相对含水量：指土壤含水量占田间持水量的百分数土壤贮水量：一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量水深Dw：指在一定厚度以i的那个面积土壤中所含水量相当于相同面积水层的厚度Dw=Θv·h绝对水体积：一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积，由D w·指定面积土壤水分含量测定1烘干法2中子法3TDR法土壤水的能态土水势：把单位数量纯水可逆地等温地以无穷小量从标准大气压规定水平的水池中移至土壤中某一点所需做功的数量。
土壤水总是从水势高处流向水势低处。
土水势各分势1基质势：由吸附力和毛管力所制约的土水势。
土壤含水量越低，基质势也越低。
土壤水分动力学参数研究与评价
２ 中国 科 学 院 水 利 部 水 土保 持 研 究 所 ，陕 西 扬 凌 ７ １ ０ ． １ ０） ２
摘
要 ：时 国 内外 土 壤 水 舟 动 力 学参 数研 究进 行 概 连 和 分 析 目前研 究 土 壤 水 分 动 力 学 参 数 的 方 法 ， 始 从 开
很 大 ， 少被人 采用 。 ７ 很 在 ０和 ８ 年 代初 ， ０ 人们 主要是 基于 ３个参数 的定 义设计 有 关 的实 验装置 ， 计算 相 对简单 ， 实验 的 工作量 很大 到 了 ８ 年 代 中期 以后 ， 但 ０ 人们 开始利 用前 人测 定 的结 果 ， 在最基本 数 据如 土壤的机 械组 成 等 ， 合 物理模 型 和数 学方法 进行 推导 ； 结 同时考 虑 了土壤 水分 运 动 的滞 后作 用 ， 立 了 建
维普资讯
力 计法 和石膏 法 ） 离 心机 法 、 力膜 法 和压力 室 法 。第 １ 方法 是 在 一定含 水量 下测 定 土壤 的水 吸 、 压 ］ 种 力 ； ３ 方法是 在一 定压 力条件 下测 定 土壤 的含水 量 。 后 种 为 比较上 述 ３种方 法测 定 的结 果 ， 选取 陕西 安 塞 的黄绵 土 （ 轻壤 土 、 容重 １ ５ ｇ ｍ 和 武功 的重 ３ ０ｋ ／ ） 壤土（ 容重 １ ０ ｇ ｍ。作 为供 试 土壤 ， 水分 再分 布 法 （ 国科学 院 土壤 侵蚀 国家重 点 实验 室 ） 离 心 ０ｋ ／ ） ４ 用 中 、
１ ｏ ｊ 。
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土壤水动力学
修订时间：2013年3月太原理工大学博士研究生入学考试专业基础课考试大纲考试科目代码2017考试科目名称土壤水动力学招生学院代码007招生学院名称水利科学与工程学院招生专业代码081500招生专业名称水利工程参考书目1.《土壤水动力学》，雷志栋，杨诗秀，谢森传，清华大学出版社，北京，19882.《土壤物理学》，华孟，王坚，北京农业大学出版社，1993考查要点一、土壤水分的形态和能态1. 土壤水的形态2. 土壤水分运动的能态3. 非饱和土壤流的达西定律4. 非饱和土壤水力传导度5. 土壤水分特征曲线及其应用重点：土水势、土壤水力传导度、土壤水分特征曲线二、土壤水分运动的基本方程1. 土壤的物理点2. 多孔介质水分运动的基本假定3. 直角坐标系下土壤水分运动的基本方程4. 土壤水分运动的其他基本方程5. 土壤水分运动通量法重点：土壤水分运动过程的基本简化和假定、基本方程的变换和适用条件、土壤水分运动通量法。
三、土壤水分入渗1. 土壤入渗过程2. 土壤入渗过程的线性化解析解3. Green-Ampt入渗模型4. 水平渗吸条件下的Philip解5．经验入渗公式与讨论重点：土壤水分入渗过程及其驱动力、线性化解析解和各种经验入渗公式及其适用条件。
四、土壤水分蒸发1. 土壤水分入渗蒸发过程2. 定水位条件下均质土壤的稳定蒸发3. 层状土壤的稳定蒸发4. 非稳定蒸发过程重点：土壤水分入渗蒸发过程及其控制条件、均质土壤的稳定蒸发过程的求解。
五、土壤水分运动参数的测定方法1. 土壤水分运动参数室内测定方法2. 土壤水分运动参数田间测定方法。
第七章 土壤水水分移动与循环
干土重为50克，吸湿水含量为2.5%，则干土重量为多少克?
3、用土水势研究土壤水的优点是什么?土壤水总是从含水
多的地方向含水少地方运动，这种说法正确否?为什么 ?
4、冻后聚墒和夜潮作用的机理是什么? 5、在农业生产上，一次灌足比分次灌好，为什么?
三水动力弥散机械弥散和扩散在土壤中都引起了溶质浓度的混合和分散而且微观流速不易测定弥散与扩散结果也不易区分所以在实际应用中常将两者联合起来称为水动力弥散dzdcdzdc三土壤溶质的动态特性一土壤溶液的总浓度二土壤溶液中的养分浓度三土壤溶液中其它元素浓度一般情况下主要元素的浓度为102104moll微量元素浓度则在106moll以下
H q Ks L
饱和流导水率
(Saturated hydraulic conductivity) 土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤 下层或横向运动的速度。 影响饱和导水率的因素 • 质地 水通量与孔隙半径
4次方呈正比。
•结构 土壤结皮对土壤饱和 导水率有显著的影响。
饱和导水率的特点
田间蒸腾和蒸发很难截 然分开，常合在一起，统称 蒸散ET。 (evapotranspiration)-一定时 间内一定面积上土壤蒸发和 植物蒸腾的总和。
土壤水分平衡简化式为
W=P+I-ET-D
二、土壤水分有效性
（一）土壤—植物—大气连续体 (Soil-plant-atmosphere continuum)
由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。
沙漠植物 在—200 ～—800 万帕时仍 能生存。
（二）土壤水的有效性
土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利 用及其难易程度。 不能被植物吸收利用的水称为无效水，能被 植物吸收利用的水称为有效水。 通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的下限， 当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含 水量， 称为萎蔫系数或萎蔫点。
土壤水环境中污染物运移双点吸附解吸动力学模型
∂C ∂z
⎞ ⎠⎟
−
∂qC ∂z
⎪⎪⎪−kθρ[(1 − ⎨
f
)KdC
−
S2 )] − θλ1C
−
f
ρ Kdλ2C
（1）
⎪⎪S1 = fKdC
⎪ ⎪
∂S2
⎪⎩ ∂t
=
kθ[(1 −
f
)KdC
−
S2 )] − λ3S2
式中：C 为污染物在水相中的浓度；S1 和 S2 分 别为污染物在平衡和非平衡吸附相上的吸附浓度；
（1. 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系, 阜新 123000; 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）
摘 要：在考虑对流弥散、平衡/非平衡双点吸附解吸、微生物降解等情况下，建立了土壤环境中有机污染物迁移转化的动
力学模型，并给出了有限差分解。在此模型的基础上，详细讨论了有机污染物在土壤中的分布规律，并对一阶吸附解吸速率
（7）
初始条件离散为
C
0 j
=
(
S1
)0 j
=
(
S2
)0 j
=
0
（8）
上边界条件离散为
⎧ ⎪
−
⎪
θD 4h
(C1τ
−
C
τ −1
+
C1τ
+1
−
C
τ +1 −1
)
+
⎪ ⎪⎪
vθ 2
(C
τ 0
+1
+
C
τ 0
)
=
vC0
⎨
⎪ ⎪− ⎪
θD 4h
(C1τ
一种改进的土壤水分特征曲线模型及其验证
一种改进的土壤水分特征曲线模型及其验证安乐生;刘春;廖凯华【摘要】土壤水分特征曲线是土壤水分与溶质运移模型必需的输入参数.本文在传统的van Genuchten模型和Campbell模型的基础上,提出了一种基于自适应权重的土壤水分特征曲线改进模型.验证发现,改进模型适用性更强,且能获得更好的模拟效果.特别是,改进模型为一个连续可微函数,能够满足非饱和土壤水流Richards方程数值求解的前提,因而具有较大的推广应用潜力.【期刊名称】《浙江农业学报》【年(卷),期】2015(027)005【总页数】4页(P837-840)【关键词】土壤水分特征曲线;土壤质地;模型;自适应权重【作者】安乐生;刘春;廖凯华【作者单位】安庆师范学院环境工程系,安徽安庆246011;安徽省地矿局326地质队,安徽西庆246003;中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008【正文语种】中文【中图分类】S152.7土壤水分特征曲线是反映土壤持水性、供水性及水分有效性等基本特性的重要曲线，是定量研究土壤水滞留与运移十分重要的土壤水动力学参数之一，对农田土壤污染、溶质运移、墒情监控等具有重要意义[1-3]。
由于土壤水分和能量之间的关系非常复杂，呈高度的非线性，且容易受到多种土壤性质的影响，因此难以从理论上推导出准确的关系式[4]。
目前，人们只能通过构建经验模型来定量描述它们，最为常用的模型有：van Genuchten模型[5]和Campbell模型[6]，后者是Brooks-Corey模型的简化形式(假定残余含水量为0)。
以往大量研究表明，van Genuchten模型在整体表现上要优于其他的经验模型，但由于它本身为“S”型函数，故对于具有明显进气值的土壤适用性较差； Campbell模型对细质地土壤或田间原状土的预测精度往往较低[7-9]。
徐绍辉等[10]通过深入研究，建议应在不同的吸力段选用不同的模型来表征土壤水分特征曲线。
土壤水分溶质动力学(DOC)
博士□基地班硕士□硕博连读研究生□兽医硕士专业学位□学术型硕士☑工程硕士专业学位□农业推广硕士专业学位□全日制专业学位硕士□同等学力在职申请学位□中职教师攻读硕士学位□高校教师攻读硕士学位□风景园林硕士专业学位□西北农林科技大学研究生课程结课论文封面（课程名称：土壤水分溶质动力学）学位课☑选修课☐研究生年级、姓名 XXXXXXX研究生学号 XXXXXXXXXX所在学院（系、部） XXXXX学院 XXXXXXXX专业学科 XXXXXXXXXXXXXXXXXXX任课教师姓名 XXXXXXXX考试日期考试成绩评卷教师签字处作业一要求:1. 用EXCEL文档绘制土壤的水分特征曲线的散点图。
2. 比较土壤的水分特征曲线。
3. 分别用幂函数、BC函数和RETC软件拟合土壤水分特征曲线，并比较三个函数的拟合效果。
4.在土壤的水分特征曲线的散点图的基础上，根据三种函数用实线绘制计算的水分特征曲线，并比较实测值和计算值的差异。
土壤的水分特征曲线的散点图。
(1)土壤水分曲线的特征散点图（2）分别用幂函数、VG函数、BC函数拟合土壤水分特征曲线，并比较三种函数的拟合效果。
土壤水分特征曲线分析：由上述绘制的三种曲线我们可以清晰地看出由VG 函数绘制出来的曲线与由实测值绘制的曲线基本重合，BC函数绘制的曲线稍次之，幂函数绘制的曲线效果最差。
（3）RETC软件中VG函数和BC函数拟合图RETC中VG函数拟合图RETC中BC函数拟合图（4）实验数据和拟合数据如下：作业二作业：用RETC软件拟合下列三种土壤的水分特征曲线并计算土壤非饱和导水率和扩散率，用EXCEL作图比较水分特征曲线的拟合和实测结果。
1．RETC软件中VG函数对三种土壤的拟合（1）Soil 1 RETC中VG函数和BC函数的拟合图Soil 1dry RETC中VG函数拟合图Soil 1dry RETC中BC函数拟合图Soil 1wet RETC中VG函数拟合图Soil 1wet RETC中BC函数拟合图（2）Soil 2 RETC中VG函和BC函数的拟合图Soil 2dry RETC中VG函数拟合图Soil 2dry RETC中BC函数拟合图Soil 2wet RETC中VG函数拟合图Soil 2wet RETC中BC函数拟合图（3）Soil 3 RETC中VG函数和BC函数的拟合图Soil 3dry RETC中VG函数拟合图Soil 3dry RETC中BC函数拟合图Soil 3wet RETC中VG函数拟合图Soil 3wet RETC中BC函数拟合图2.三种土壤的水分特征曲线在Excel中的实测值和拟合图（1）Soid 1 土壤水分特征曲线的拟合图Soid 1 土壤水分特征曲线VG拟合图Soid 1 土壤水分特征曲线BC拟合图（2）Soid 2 土壤水分特征曲线的拟合图Soid 2 土壤水分特征曲线VG拟合图Soid 2 土壤水分特征曲线VG拟合图（3）Soid 3 土壤水分特征曲线的拟合图Soid 3 土壤水分特征曲线VG拟合图Soid 3 土壤水分特征曲线BX拟合图3.三种土壤水分特征曲线在Excel中的对比图三种土壤的水分曲线VG拟合图对比三种土壤的水分曲线BC拟合图对比由以上的对比可知，在拟合过程中方法不同拟合的结果也不同，VG函数拟合的效果比较好。
土壤水动力学
§2 土壤水分运动线性化方程的入渗解……………………………….36
一、 水平入渗解……………………………………………………… 36
二、 垂直入渗解……………………………………………………… 37
§3 Green－Ampt 模型与δ 函数入渗解………………………………… 37
一、 Green－Ampt Model…………………………………………… 37
5. Water Flow in Soils
张蔚榛主编 D．希勒尔著 华雪，叶和才译 D．希勒尔 著 罗焕灰 等译 华孟 王坚 主编
Tsuyoshi Miyazaki
2
土壤水动力学
绪论
目录
绪论……………………………………………………………………………1 一、什么是土壤水动力学？…………………………………………….1 二、为什么要学习土壤水动力学？…………………………………….1 三、怎样学习土壤水动力学？………………………………………….1
§1 非饱和土壤水流动的达西定律………………………………… 15
§2 土壤水运动的主要参数………………………………………… 17
一、水力传导度…………………………………………………… 17
二、水分扩散度…………………………………………………… 18
三、容水度………………………………………………………… 18
4
土壤水动力学
绪论
二、 单根吸水的土壤水运动模型…………………………………… 57 §4 腾发量的估算……………………………………………………… 59
一、 概述……………………………………………………………… 59 二、 腾发量的估算方法……………………………………………… 59 三、 根据潜在腾发量估算实际腾发量………………………………..62 §5 考虑作物根系吸水时恒温条件下土壤水分运动的模拟………… 62
土壤水动力学SWD7SPAC水分传输
地表以下土壤层：
土壤水动力学SWD7SPAC水分传输
7.4.2 模型求解
1) 冠层温度Tb：二分法求解
2) 冠层水汽压eb、叶面温度Tv、地表热通量G 3) 地表蒸发速率Es、蒸腾速率Ev、根系吸水速率s(z,t) 4) 土壤水热迁移方程：FDM
u 反映土壤水分胁迫对腾发的影响，与根系层土 壤含水率的大小及分布、最大腾发强度有关
u FAO方法：
u 经验公式：如
土壤水动力学SWD7SPAC水分传输
7.2.6 根据水量平衡模型估算腾发量
以上腾发量估算中，计算Ks需 要根系层含水量资料，可根据 水量平衡模型来推算：
ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R
物需水量） u ET——实际腾发量
n 双作物系数法：…
土壤水动力学SWD7SPAC水分传输
n 参考作物腾发量(Reference ET)
u 概念：参照作物腾发量为一种假想的参照作 物冠层（作物高度为0.12m，固定的叶面阻 力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面 开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面 而不缺水的绿色草地）的腾发速率
土壤水动力学SWD7SPAC水分传输
Bowen比法（测定两个高度处的温、湿度）
测定两个高度处的温度和湿度。由：
土壤水动力学SWD7SPAC水分传输
7.2.3 估算腾发量的经验方法
n 主要用于土壤供水充分条件下作物最大腾 发量（作物需水量）或参考作物腾发量的 估算
n 利用蒸发皿资料估算腾发量
u ETmi=αi E0
土壤水动力学SWD7SPAC水分传输
7.2.4 估算腾发量的理论方法
n 紊流扩散法（空气动力学法） n 能量平衡法 n 综合法
土壤水动力学
第一章土壤水的能态——土水势
1.1 概述
自然界中的水是循环运动的,和人类生活关系最密切的是陆地的水循环,在循环过程中,地表一下的水存储和运移在土壤、岩石空隙、岩石裂隙或孔洞中。
当土壤孔隙没有被水充满,土壤中的水分处于非饱和状态时,我们称该土壤区域为非饱和带(或称包气带),称其中的水分为非饱和土壤水。
当水充满了土壤的全部孔隙(含有少许不连通的充气孔隙),土壤中水分处于饱和状态时,该土壤区域称为胞和带(或称饱水带),而称其中的水分为饱和土壤水,即一般所指的地下水。
土壤水和地下水的共同特点是水分均存在于多孔介质的孔隙中,并在其中运动。
土壤作为一种多孔介质是有无数碎散的、形状不规则且排列错综复杂的固体颗粒组成。
多孔介质内孔隙的大小、形状与连通性各不相同,极大地影响着其中流体的性质和运动特征。
例如,将土壤视为小球体的集合,或假想为平行的小扁平体的集合,更多的是将土壤孔隙近似为直径大小不一的一束毛细管。
这些模型,特别是毛管模型,可以用来分析土壤中水分运动的某些现象,但由于这些模型都对真实土壤做了过分的简化和近似,其使用价值甚小。
目前的趋势不是用微观的方法去研究多孔介质中孔隙的大小、形状和分布以及孔隙空间中流体的流动特征,而是转向用宏观的方法。
宏观方法是在较大尺度范围内研究多孔介质大小及其中水流的平均状况。
此时为了求得一定区域内有关几何要素和运动要素的时空分析,必须首先确定多孔介质的物理点或质点的概念。
所谓多孔介质在数学点P处的物理点,是以P点为质心、体积为ΔV0的体积元(一般取为球体)来表征的。
ΔV0不能太大,否则平均的结果不能代表P点的值;。
土壤水动力学考题以及答案doc
1.土壤水基质势, P14。
土壤水的基质势是由于土壤基质对土壤水分的吸持作用引起的。
单位数量的土壤水分由非饱和土壤中的一点移至标准参考状态, 除了土壤基质作用外其他各项维持不变, 则土壤水所做的功即为该点土壤水分的基质势。
2.土壤水吸力, P18。
3.土壤水吸力是土壤基质势和溶质势的负数, 在研究田间土壤水分运动时, 溶质势一般不考虑, 因此, 一般所说的土壤水吸力指土壤基质的吸力。
4.导水率, P29非饱和土壤的导水率K又称为水力传导度, 由于土壤中部分孔隙为气体所填充, 故其值低于该土壤的饱和导水率。
土壤水扩散率, P38。
非饱和土壤水的扩散率)(θC的比值。
K和比水容量)(θD为导水率)(θ5.比水容量, P196.土壤水分特征曲线斜率的倒数即单位基质势的变化引起的含水量变化, 称为比水容量。
7.稳定蒸发P1338.在蒸发的起始阶段, 表土的蒸发强度不随土壤含水率降低而变化,称为稳定蒸发阶段。
9.土壤水分入渗P77土壤水分入渗是指水分进入土壤的过程。
10.零通量面P5211.土壤中任一点的土壤水分通量由达西定律给出, 当水势梯度时, 该处的通量q＝0, 则称该处的水平面为零通量面ZFP。
土壤入渗特性曲线受哪些因素的影响？各影响因素如何对其产生影响？ P20土壤水分特征曲线受土壤质地、土壤机构、温度和土壤中水分变化的过程等因素的影响。
（1）一般说, 土壤的粘粒含量愈高, 同一吸力条件下土壤的含水率愈大, 或同一含水率下其吸力值愈高。
这是因为土壤中粘粒含量增多会使土壤中的细小孔隙发育的缘故。
（2）土壤愈密实, 则大孔隙数量愈减少, 而中小孔径的孔隙愈增多, 因此, 在同一吸力值下, 干容重愈大的土壤, 相应的含水率一般也要大些。
（3）温度升高时, 水的粘滞性和表面张力下降, 基质势相应的增大, 或说土壤水吸力减小, 在低含水率时, 这种影响表现的更加明显。
（4）对于同一土壤, 即使在恒温条件下, 由土壤脱湿过程和土壤吸湿过程测得的水分特征曲线也是不同的。
土壤水动力学课件
一、土壤水分入渗过程及规律
（三）入渗过程中土壤含水量的垂直分布规律 2. 水分过渡带（区）
在饱和带以下，土壤含水量随深度的增加急剧减小， 形成一个水分过渡带。
3. 传导区
土壤含水量基本上保持在饱和含水量 与田间持水量之间，沿垂线均匀分布，形 成一个传导区，随着供水历时的增长湿润 锋不断下移，水分传导区不断向下延伸， 而土壤含水量则保持在上述数值范围内 （60-80%s），并且这一带毛管势梯度极 小，水分的传输运动主要为重力作用。
一、土壤水分入渗过程及规律
（三）入渗过程中土壤含水量的垂直分布规律 4. 湿润带（区）
是连续湿润锋面与水分传导带的一个含水量随深度 迅速减小的水分带，随着湿润锋的不断下移，使其下 面的干土含水量增加，变为湿润带。
5. 湿润锋
在湿润带的末端，土壤含水量突变，与下 层干土有明显界面，称为湿润锋。
新的认识
一、《土壤水动力学》学习思考问题
•微小单元体建模过程进行了假设与概化，土壤 质地与模型参数关系。 •土壤水运动方程与地下水运动方程的共同点与 区别。 •土壤水动力学在本专业研究现状与实际应用状 况。
一、《土壤水动力学》应用
•水库淹没抬田工程—获得工程设计（土层结构 及相应厚度）施工指标（压实度等） •排涝除渍工程。 •滩涂开发工程。 •盐碱化治理工程
z = 0, t ＞ 0
➢具有地下水埋深不变，即土壤水势为已知的有限土壤剖 面，除初始条件如上所述而外，应将上下边界规定为 Dirchlet条件。
一、土壤水分入渗过程及规律 （四）影响入渗过程的条件
工程造价和工程施工分层方案和各层土质受周围可用土质影响保水保肥保耕作土土壤通气和适度渗漏需要第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状42抬田工程的研究现状亭子口库区农田防护工程保水保土性能室内试验第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状图4大型土柱试验装置42抬田工程的研究现状亭子口库区农田防护工程低地垫高方案第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状图3防护区典型剖面设计52江西省峡江抬田工程关键技术研究技术路线峡江抬田工程关键技术研究抬田区内典型区划分相应的作物种植结构耕作制度灌溉制度作物各生长阶段根系深度土壤水分地下水位等耐渍指标调查类比原位测定分析原状各土层渗透系数密实度含水率模拟水库运行状态下测坑地下水位测试不同土层厚度耕作层粘土层填筑密度填筑含水量渗透系数分析原状土各层物理化学特性粘粒含量现状耕作层犁底层厚度及土壤特性调查测定模拟某填筑方案非水库运行水位耕作作物生长过程调查产量模拟水库运行状态下不同填筑高度形成的测坑地下水埋深对水稻各生长阶段可能产生的渍害程度野外调查与现场试验室内实验抬田区原状指标调查试验抬田工程填筑高度及各层填筑厚度密度等指标确定小区模拟试验测坑模拟试验室内实验模拟并测试不同土层厚度耕作层粘土层填筑密度填筑含水量渗透系数确定保水及控制含水率剖面观测并取耕作层厚度粘土层土样进行室内实验测试小区测坑试验填土各土层土样保水保肥粘粒含量抬田工程前后各项指标时间空间尺度监测数据库抬田工程技术经济评价制定抬田工程规范发表论文申请专利抬田工程申报奖项图图44抬田工程关键技术研究的技术路线第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状第六章土壤水分的入渗入渗infiltration蒸发evaporation水循环入渗infiltration蒸发evaporation蒸腾transpiration田间土壤水循环的两种形态一土壤水分入渗过程及规律入渗是水分进入土壤的过程
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二、土壤水的研究概况
研究概况
古希腊：构成自然界的2个元素：土壤，水
但真正的土壤水科学作为研究土壤中物质和能的状态和 运转的科学，却是非常年轻的。它比起土壤学其它分支 的发展，如土壤发生学和土壤化学要晚1或2个世纪。 从1856年达西（Darcy)公式的提出算起，土壤水分的试 验研究也就是150年的历史。 如同其它学科一样，它也经历了一个由经验到理论，由 静态到动态，由定性到定量（数值计算，电子计算机的 发展），由宏观到微观的研究发展过程。
吸湿系数(Hygroscopic Coefficient): 吸湿水达到最大时的土壤含水率。 最大分子持水率： 薄膜水达到最大时的土壤含水率。
凋萎系数（Wilting Point）：
作物产生永久凋萎时的土壤含水率。 田间持水率（Field Capacity）： 悬着毛管水达到最大时的土壤含水率。 饱和含水率（Saturation）：
重量含水量
GRAVIMETRIC WATER CONTENT (GWC)
•GWC = Mw / Ms100%
qg
体积含水量
VOLUMETRIC WATER CONTENT (VWC)
qv
• VWC = Vw / Vt 100% • = Vw / (Vs + Vf) • = GWC BD / DW
第一章 土壤水分研究的回顾和展望
一、土壤水系统简介
土壤水(Soil water, Soil moisture)：存在于土壤孔 隙里的水。 饱和水(Saturated water) ：水全部充满土壤孔隙。 非饱和土壤水(Unsaturated water) ：部分土壤孔隙 被水占据。 隔离水（不动水）(Insulate water or Immobile water)：存在于土壤中封闭孔隙中的水分。
先流问题），从点面区域
新理论、新技术的应用：地质统计学理论，分形理论，
测试技术，3S技术等
三、土壤水的研究趋向
我国： 虽在土壤水分领域开展了许多工作，但用数学物理方法定 量研究土壤中的水分、溶质和热量的运移问题，处于初级 阶段。
过去以单一的研究土壤水分较多，发展用系统的、动态的 理论和方法把土壤-植物-大气作为一个连续体进行研究， 另外研究土壤-植物关系为中心的农田土壤水分最优调控 问题。 我国大部分地区水资源相当紧缺，粮食生产对调节农田水 分的要求愈来愈高，了解农田土壤水分的变化规律很重要 ，如蒸发、入渗不仅对农田土壤水分有影响，而且也牵涉 地下水利用和降水入渗等问题。
各种土壤水分形态及特征（二）
毛管水的物理解释
表面张力作用
水分子相互间的粘着力 （Cohesion）与毛管（土粒）表 面对水的吸附力（Adhesion）的 共同作用
毛管水的上升高度：毛管 力与重力的作用结果 πr2hdg=2πrTcosα
r
T α
h
上升毛管水：地下水在毛管作用下上升并保 持在土壤中的水分。 悬着毛管水：当地下水位较深时，降雨或灌 溉后因毛管力的作用而保持在土壤里的水分。 重力水（Gravitational Water）：受重力 支配不能为土壤所保持的水分。
参考期刊
1. Soil Science J. （美国，土壤科学杂志） 2. Water Resour. Res.（美国，水资源研究） 3. Soil Sci.Sco.Am.J. （美国，土壤学会杂志） 4. Trans. ASAE(Soil and Water) （美国农业工程，土壤和水） 5. Journal of Hydrology （美国，水文学杂志） 6. 水利学报 7. 土壤学报 8. 农业工程学报 9. 水科学进展 10. 灌溉排水学报
二、土壤水的研究概况
研究概况
1931年理查兹（Richards）在用能量概念研究土壤水的基础 上对达西定律进行了推广，使其适用于非饱和土壤，大大推 动了土壤水的动态研究，也使土壤水运动的数学模拟得到了 发展。 近几十年来，土壤水的研究已成为土壤物理学中一个重要分 支，一个最活跃的领域。随着电子计算机的大量应用和各学 科的相互渗透，非饱和土壤水运动的研究发生了由经验到理 论，从定性到定量的深刻变化，从而形成相对独立的一个领 域——土壤水动力学。 土壤水分的研究已成为土壤物理、农田水利、水文学等众多 学科领域的前沿课题。如国家自然科学基金委员会的自然科 学发展战略的报告中，自然地理和土壤学科均把土壤圈（或 地表）物质（水、热、盐）循环和能量转换列为优先资助领 域。水利学科中的地表水、土壤水、地下水三水之间的转化 规律、SPAC水分传输理论等列为优先研究。
吸着水
毛管水
重力水
植物根系能吸 收的有效水 凋萎含水量 田间持水量
土壤水分状况与土壤质地的关系
关于土壤水分的几点补充
水分的形态是变化的，可以互相转化的。
土壤水分的有效性是从作物能否直接吸收而 言，是相对的。 土壤水分常数随土质而变化。
田间持水率通常以灌水两天后土壤所能保持 的含水率表示，国外一般以灌水24小时后的 土壤含水率表示。
三、土壤水的研究趋向
目前土壤水分研究方面的发展趋向可以归纳以下几点：
实验室（机理）野外大田（调控） 由单纯、孤立研究土壤水分运动和保持土壤-植物-大
气系统（SPAC）水分传输土壤圈
由单纯的研究土壤圈水分运动（循环）研究水、热、
溶质（养分）的运动和耦合
由均质土壤非均质或层状土壤（大孔隙流、指流等优
四、土壤水动力学的研究内容
作为土壤水关系的研究，主要包括以下内容：
土壤水分的存在形式及其对作物的有效性 土壤水分运动的基本原理和过程（入渗和蒸发）
土壤中溶质和热量运移的基本方程
土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分传输 土壤水分的动态预报 土壤水分运动参数的测定技术 土壤特性的空间变异性及土壤水分问题的标定 田间土壤水分管理
• DW = 水的密度（density of water）
贮水深度H
Depth equivalent of soil water 单位面积（A）和厚度（h）土体中所含 的水量相当于同面积上水层的厚度：
•H = h· Ａ· qv／Ａ = h· q(cm)=10 h· q(mm)
饱和度W
Degree of saturation W是指土壤中水的体积与孔隙体积的 比值，表示孔隙被水充满的程度：
Va
质量
空气
Ma ?0
Vf
Vw
水
固相
Mw
PD = Ms / Vs
Mt
Vt
Vs
Ms
土壤容重
BULK DENSITY (BD)
• BD = Ms / Vt = Ms / (Va + Vw + Vs) • 沙质土壤 >>粘质土壤 • 变化范围[1.1 - 1.9 g/cm3]
体积
Va
质量
空气
Ma ?0
• W = Vw ／ V f = Vw／(Va+Vw)
（一）土壤含水量的测定
土壤含水量是进行灌溉试验必测的项目，它是计算作物 需水量或耗水量以及确定灌水时间和灌水量的重要指标。土 壤含水量可用重量含水率（或称土壤绝对含水率）表示，也 可用容积（体积）含水率和土壤相对含水率表示。 土壤重量含水率(%) =实际水重/烘干土重×100(%) 土壤容积含水率=土壤重量含水率(%) ×土壤容重 土壤相对含水率（%）=土壤含水率(%) /田间持水量(%) 在灌溉试验中土壤水分控制的上、下限常用土壤相对含水 率表示。
Soil Water Dynamics
主讲：曹红霞 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院
土壤水动力学
☞ 参考书目：
1. 雷志栋等编《土壤水动力学》，清华大学出版社，1988. 2. 《地下水与土壤水动力学》,张蔚榛主编,中国水利水电出版 社 3. D. 希勒尔著，华孟等译，土壤和水-物理原理与过程，农业 出版社，1982. 4. 《土壤溶质运移》，李韵珠等编著，科学出版社 5. 物理的土壤学（中译本）, 6. D.Hillel著，罗焕杰等译，土壤水动力学的计算机模拟，农 业出版社，1979. 7. 康绍忠等编，《农业水管理学》，中国农业出版社，1996. 8. Soil Water, Nielson等著，1985. 9. 秦耀东主编《土壤物理学》，高等教育出版社，2002。
Vf
Vw
水
固相
Mw Mt
BD = Ms / Vt
BD = Ms / (Va +Vw +Vt)
Vt
Vs
Ms
土壤孔隙度
POROSITY
• P = 1.0 – 土壤容重(BD)/土壤比重(PD) = V f / Vt = (Va + Vw) / (Va + Vw + Vs) •土壤的范围 [40 - 75 %]
吸湿水：紧束 在土粒表面， 不能自由移动 薄膜水：吸附于 吸湿水外部，只 能沿土粒表面做 微小的移动
吸着水的物理解释
土粒表面对水分子的吸附 力（Adhesion）和水分子 之间的粘着力（Cohesion） 作用
各种土壤水分形态及特征（二）
毛管水（Capillary Water) 受毛管力的 作用保持在土壤中的 水分
四、土壤水动力学的研究内容
研究内容：
以土壤中水分的能态为基础，研究非饱和土壤中水分以及与 此有关的溶质和热量运移问题的学科。
课程目的：
搞清土壤水分的运动和演变规律，地表水、土壤水-地下水 之间的转化关系，土壤-植物-大气连续体之间的水分传输问 题，科学预测土壤水分的动态变化，进行有效的土壤水分管 理。 所以土壤水动力学的研究对水文(Hydrology)、农田水利（ Irrigation and Drainage）、水资源（Water Resources）、 水土保持（Soil and water conservation）、农业土壤、生态 和环境等部门都是很需要的。