从土壤水动力学到流域生态水文学

区域水循环与CO2、N和P等物质循环的耦合
氮（磷）循环与非点源污染密切相关，逐渐成为主要污染源 碳循环与作物生长密切相关，对温室气体减排有重要意义
2.5 土壤水问题应用研究
2.5.1 水文水资源－－ 四水转化概念 四水转化概念 大气水
降水 蒸发 三水——降水 地表水 地下水
地表水
土壤水
SPAC水热传输模拟
Rn
大气
c
λE
Ta
ea ra r1 rC
大叶模型 三个介质 土壤 植物（叶） 大气 两个介面 土壤－植物 植物－大气
Rv
冠层
cv
λE v
T1
ra r1
Tb
eb
e1*
cs
土壤
G
λE s
Rs
r2
T2
r2 rs
e2
水汽压
显热 潜热
温度
2.3.2 SPAC水热传输
SPAC水热传输模拟模型
G
cE0
△H
降雨入渗补给系数 灌溉入渗补给系数 井灌入渗补给系数 潜水蒸发系数 给水度
= Pg / P = Ig / I = Gg / G c = Eg/E0 μ
地下水均 衡参数
机理上是土壤水的饱和－非饱和流
潜水蒸发系数 c ＝Eg/E0 ＝（1－H / Hmax ) n
给水度 μ ＝h / △H
Rechards，1931
2.3 SPAC 水热传输
2.3.1 土壤中水热耦合迁移
常温条件下土壤水热迁移 常温——土壤非冻结 简化——忽略水汽 、一维 水分
k D t z z z
温度
液相 xw cw λw
c
T T t z z
四水——大气水 土壤水 地表水 地下水 五水——降水 土壤水 地表水 地下水 植物水
地下水
转化的观点，机理的认识
2.5.1 水文水资源－－ 地下水资源评价 地下水均 衡
P I G
ET P—降雨 I—渠灌 G—井灌
地下水均衡 μΔH = P + I – (1-) G – cE0 ± Q
αP βI λG
蓝水：径流 （可再利用）
气候变化的流域生态水文响应研究是水文学前沿和热点
流域生态与水文过程之间存在着复杂的相 互作用，气候是二者的主要驱动力之一； 气候变化下的流域生态水文响应研究，必 将促进流域水文学、植被生态学及其他相 关学科的交叉与融合，从而推动水文学研 究的不断深入。
气候 变化
水文 过程
从土壤水动力学到流域生态水文学
From soil hydrodynamics to eco-hydrology
楊大文 清华大学水利系
水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 yangdw@tsinghua.edu.cn
本讲内容
1、前言 2、土壤水动力学的发展
3、流域生态水文学的发展
4、水文学研究方法
5、小结
对 流： q c 弥 散： Dsh c/ z 分子扩散＋机械弥散→水动力弥散 源汇项：S c 液相以外的动态贮存：cs
2.4.2 土壤溶质迁移转化行为
土壤中溶质迁移转化的基本行为 （物理、化学、生物）
根的吸收 — 根的密度、离子浓度差（竞争方程） 挥发 — 在土壤表面以气态形式的损失 降解 — 如农药的水解与微生物的降解 c=c0e –kt、半衰期 ti/2=o.693 / k
地表 (land surface) 非饱和土壤 (unsaturated soil) 地下水 (groundwater)
降水 (precipitation) 截留、蒸发 (interception, evaporation) 入渗、地表径流、蒸发 (infiltration, surface flow, evaporation) (transpiration, soil moisture movement) 地下径流 (groundwater movement)
2.4 土壤中溶质的迁移与转化
2.4.1 土壤溶质迁移转化基本方程
土壤溶质迁移转化的研究背景
环境问题 —— 面源污染 （化肥、农药等） 土壤盐碱化
土壤溶质迁移基本方程
c cs c qc Dsh v. SC t z z z
生育阶段
干物质生产
干物质分配
2.5.3 生态环境——自然生态耗水、水土环境污染
水土环境污染
面源污染与地下水脆弱性评价
降雨径流，污染物迁移转化
生态植被耗水
自然、人为→土壤水环境→自然生态植被
生态植被耗水
河道地表水
土壤水 地下水
2.6 土壤水动力学在流域水文模型中的应用
流域水循环过程 大气 (atmosphere) 树冠 (canopy)
定性→定量 经验→理论 单一→综合、交叉 传统→现代技术（GIS、遥感和计算机模拟)
学科研究方向的背景
教学背景——大学本科专业的主要专业基础 应用背景——水文学、水资源、农田水利、环境与生态
学科研究的应用背景
水文学——陆地水循环的关键环节：降雨径流及土壤水 水资源——地表水、地下水为主的水资源评价 农田灌溉——土壤水的转化与消耗、水资源的有效利用 生态水文学——陆生生态的生态需水和生态用水
河 道 蒸散、下渗、壤中流 (river)
流域水文循环系统概念与水文模型的演变
降雨 I(t)
Q(t)
Βιβλιοθήκη Baidu
输入 I(t)
响应函数
输出 Q(t)
黑箱模型 概念性模型 分布式模型 代表性单元模型 （REW）
技术 支撑
数字流域技术、卫星遥感技术 数字高程、流域自动识别和河网编码，基于数字流域的空间 变异性识别与描述；提供流域水文模型所需的信息
土壤组成 组成比例 比热容 热导率
固相 xs cs λs
气相 xa ca λa
土壤中的多相（水）流 液态水 气态水－水汽 水的相变－潜热－温度－相变 水汽的扩散与迁移
2.3.1 土壤中水热耦合迁移
冻结条件下土壤水热耦合迁移
k i i D t z z z w t
硝化 — 微生物作用下的氧化，NH4+→ NH3－
反硝化 —微生物作用下的还原，NH3－ →N2，NO2 (一级动力学方程） 溶解与沉淀 吸附与解析 — 平衡吸附、动力吸附 (一级动力学方程） 可动水体与非可动水体间的质量迁移
化学动力学反应方程 X+Y→Z Z/t = kXnYm Z/t = kXn n=0、1、2
生态 过程
2. 土壤水动力学的发展
2.1 概述 2.2 土壤水势与土壤水分运动
2.3 SPAC 水热传输
2.4 土壤中溶质的迁移与转化 2.5 土壤水问题应用研究
2.1
概 述
科学 学科 学科分支
流体→液体→水→土壤水
流体动力学→水动力学
→多孔介质水动力学→饱和流、非饱和流 →土壤水动力学（地下水动力学、土壤水动力学） Darcy’s Law, Richards equation 1856 1931 学科研究的发展
1. 前 言
我们的母亲河－－黄河……
黄河源，2005.8
黄河源，2005.8
黄河第一弯
黄河龙羊峡水库，2005.8
西宁市，2005.8
西宁市，2005.8
郑州黄河大桥，1990s
人类文明的发展史，是与自然界斗争的历史。 防治洪水、开发灌溉、航运、水力发电、城市供 水等，人类社会得到了巨大发展。在科技高度发 展的现代文明时代，人类却面临着前所未有的水 资源危机。 华夏文明的发祥地－－黄河几乎变成了一条 干涸的内陆河。
生态水文问题与国家需求
供水安全：我国人均水资源量不足世界平均水平的1/3，北方 地区水资源短缺尤其严重。 粮食安全：农业用水量约占我国总用水量的65%，水资源安全 直接影响到粮食安全。 生态安全：人类对水资源的过度开发威胁自然生态安全。 气候变化：加剧了水资源的短缺，危及供水安全、粮食安全 和生态安全。
水循环是一切水问题的科学基础，生态与水文过程相互作用是流域 水循环的关键环节 绿水：蒸散发
流域水循环决定水资源，影响生态系统； 粮食生产和植被生态维持是水的主要社会与生 态服务功能，也是“绿水”的主要消耗方式；
（不能再利用）
人类活动（如灌溉和水土保持等）直接影响生 态、水文及水资源。
水环境——农业面源污染
2.2 土壤水势与土壤水分运动
2.2.1 土 壤 水的数量、形态和能量 土壤水的数量
土壤含水量（率）——重量、体积
W Mw M Ms 100% 100% Ms Ms
土壤水的形态
吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水

Vw 100% V
土壤水的能量——势能——土水势
c
m m m m k m k m k m k m z y z t x x y z
d d m D k c
c I T T LI I t z z t
水热耦合方程
土壤中水和冰混合， 并伴随有相变。
θ
θ
t1
t0
z
T
2.3.2 SPAC水热传输
SPAC系统概念 SPAC——Soil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip
Eg H1 H2 H3
E0
2.5.2 粮食与作物－－作物耗水与产量
作物水分生产函数 Jensen模型
ETai Ya Ym i 1 ETmi
n

i
作物生产量与其生长期内的蒸腾量成正比。
2.5.2 粮食与作物－－作物耗水与产量
冬小麦生长模拟模型
CO2、温度、水分、氮素 光、辐射 光合作用 生物量 呼吸作用 光周期反应 热、温度 热效应 春化作用 生理发育时间 叶面积指数
土壤水分特征曲线 －－土壤水能量与数量的关系－－
ψm
θ
2.2.2 非饱和土壤水流动基本方程
达西定律：
q kψ
基本方程
连续方程：
q t
k ψ t
k D D D t x x y y z z z c m
单位数量土壤水具有的势能——单位数量、标准参考状态 • 重力势Ψg • 压力势Ψp • 基质势Ψm • 溶质势ΨS • 温度势ΨT 总水势 Ψg = ± z
(Mgz：gz、ρwg z、z）
Ψp = h Ψm ～θ （土壤水分特征曲线） ΨS ～c 、T Ψ＝ Ψg ＋ Ψp ＋ Ψm＋ Ψs ＋ ΨT
0.6 0.4
温 度 0.2 距 0 平 （ ℃ -0.2 ）
-0.4 -0.6
全球气候变暖
全 球
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
1.0
温 度 0.5 距 0 平 （ -0.5 ℃ ）
-1.0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
生态水文学在水文科学发展中的地位
水热扩散
R N RV RS RV CV EV
c p e 2 e b E S r rs
c s c p T2 Tb r2
能量平衡
R S C S E S
E EV E S
C CV C S
c p e1 eb Ev r1 rc
• 连续体 • 驱动力——水势
q = - △ψ1 ／R1 = - △ψ2 ／R2 = - △ψ3 ／R3 = - △ψ4 ／R4 阻抗 容抗
Transpiration 大气 -500 bar
叶 -15 bar Evaporation
根 -3 bar
土壤 -0.3～ -1.0 bar
2.3.2 SPAC水热传输
c v c p T1 Tb r1
土壤 水热迁移
c
T T t z z
c p e b e a E ra
c c p Tb Ta ra
k D t z z z