水 文 学 原 理(五土壤水1)

§1 土壤的质地结构及"三相"关系 土壤的质地结构及"三相"
土壤中的"三相"关系: 土壤中的"三相"关系:
固体颗粒,土壤水, 固体颗粒,土壤水,空气
§1 土壤的质地结构及"三相"关系 土壤的质地结构及"三相"
与土壤"三相"有关的物理量: 与土壤"三相"有关的物理量:
a 表示土壤中固相比例的物理量: 表示土壤中固相比例的物理量:
固体密度: 固体密度:
ρ s = M s Vs
ρs = 2.6 ~ 2.7g / cm3 一般土壤
干 容 重:
Ms Ms ρb = = Vt Vs + Vw + Va
§1 土壤的质地结构及"三相"关系 土壤的质地结构及"三相"
b 表示土壤中液相比例的物理量: 表示土壤中液相比例的物理量:
质量含水率: 质量含水率: ω
§2 土壤水的存在形态
毛管水: 毛管水: 由毛管作用保持在土壤毛管孔隙中的水
毛管上升水:地下水凭借毛管作用上升进入到土壤孔隙中 毛管上升水: 毛管悬着水:凭借毛管作用保持在靠近地面土层中的水分 毛管悬着水:
§2 土壤水的存在形态
重力水: 重力水: 在重力作用下能自由在土壤中运动的水
渗透重力水:在重力作用下,沿土壤中非毛管孔隙向下渗透的水 渗透重力水:在重力作用下, 支持重力水: 支持重力水:由地下水所支持而存在于毛管孔隙中的连续水体或
(此时植物开始永久性凋萎) 此时植物开始永久性凋萎)
毛管断裂含水量: 毛管悬着水的连续状态开始断裂时的土壤含水量 毛管断裂含水量: 田间持水量: 田间持水量: 土壤中毛管悬着水达到最大时的土壤含水量 饱和含水量: 饱和含水量: 土壤中全部孔隙都被水充满时的土壤含水量
§2 土壤水的存在形态
4 土壤水分常数的水文学意义
§3 土壤水的能量状态
1 土水势
——土壤水所具有的势能, ——土壤水所具有的势能,称为土水势 土壤水所具有的势能
标准参照状态: 在大气压下,与土壤同温度, 标准参照状态: 在大气压下,与土壤同温度,具有固定高度的一个
假想纯自由水面的储水池. 假想纯自由水面的储水池.
土水势分析的关键点: 1 标准参照面的确定 土水势分析的关键点:
= M
wHale Waihona Puke Baidu
M
s
Vw Vw 容积含水率: 容积含水率: θ = = Vt Vs + V f
饱 和
Vw Vw = 度: θ s = V f Vw + Va
一定要以百分比表示! 一定要以百分比表示!
§1 土壤的质地结构及"三相"关系 土壤的质地结构及"三相"
c 表示土壤中气相比例的物理量: 表示土壤中气相比例的物理量:
§3 土壤水的能量状态
例题:有一"U"形土柱 一端浸泡在水槽中.水槽的水面保持不变, 形土柱, 例题:有一"U"形土柱,一端浸泡在水槽中.水槽的水面保持不变,假
定土柱无蒸发,土柱内也无土壤水运动.试确定土柱中各点的基模势. 定土柱无蒸发,土柱内也无土壤水运动.试确定土柱中各点的基模势.
D 10cm 14cm C F 10cm B 8cm A 7cm
§1 土壤的质地结构及"三相"关系 土壤的质地结构及"三相"
例题: 例题: 砂粒:40% 砂粒:40% 粉粒:40% 粉粒:40% 粘粒:20% 粘粒:20%
壤 土
土壤质地三角形
§1 土壤的质地结构及"三相"关系 土壤的质地结构及"三相"
土壤结构: 土壤结构:
土壤中固体颗粒的排列方式,排列方向和团聚状态, 土壤中固体颗粒的排列方式,排列方向和团聚状态,有时也指 土壤孔隙的几何形状和大小. 土壤孔隙的几何形状和大小.
HHU
第五章
土壤水
本 章 内 容
1 2 3 4
土壤的质地结构及"三相" 土壤的质地结构及"三相"关 系 土壤水的存在形态 土壤水的能量状态 土壤水运动的控制方程
§1 土壤的质地结构及"三相"关系 土壤的质地结构及"三相"
土壤质地: 土壤质地:
组成土壤的固体颗粒的主要粒径或粒径的范围. 组成土壤的固体颗粒的主要粒径或粒径的范围.
z x y
(θρ w ) ( ρ wυ x ) ( ρ wυ y ) ( ρ wυ z ) = + + t x y z
单位时间内,流入控 单位时间内, 制体的水量 - 流出控 制体的水量= 制体的水量= 控制体 内土壤水的改变量
r θ = υ t
§4 土壤水运动的控制方程
3 非饱和水流运动的基本微分方程
孔隙度: 孔隙度:
Va + Vw f = = Vt Va + Vw + Vs Vf
e= Vf Vs = Vf Vt V f
孔隙比: 孔隙比:
Va Va = 充气孔隙度: 充气孔隙度: f a = Vt Vs + Vw + Va
§2 土壤水的存在形态
1 土壤水作用力
分子力: 分子力: 土壤颗粒表面的分子对水分子的吸引力称为分子力 毛管力: 由于浸润性液体表面张力作用引起的水分在土壤毛 毛管力:
到周围水分对它的压力作用所具有的势能
基模势( potential): 基模势(matric potential): 由分子力和毛管力引起的土水势
§3 土壤水的能量状态
总 势: 各种分势的和势
饱和土壤 非饱和土壤
ψ = ψ p +ψ g
ψ = ψ m +ψ g
土壤水的运动方向总是从总势大的地方指向总势小的地方. 土壤水的运动方向总是从总势大的地方指向总势小的地方. 当土壤水总势梯度不等于零时,土壤水就处于运动状态; 当土壤水总势梯度不等于零时,土壤水就处于运动状态; 当总势梯度为零时,土壤水就处于静止状态. 当总势梯度为零时,土壤水就处于静止状态.
由土层中相对不透水层阻止渗透水继续向下而形成的水体
§2 土壤水的存在形态
3 土壤水分常数
——某些特征条件下的土壤含水率, ——某些特征条件下的土壤含水率,称为土壤水分常数 某些特征条件下的土壤含水率
最大吸湿量: 饱和空气中, 最大吸湿量: 饱和空气中,干燥土壤的吸湿水达到最大时的土壤含水量 最大分子持水量: 膜状水达到最大数量时所对应的土壤含水量 最大分子持水量: 凋萎系数: 土壤颗粒对水分子的吸力为15个大气压时的土壤含水量 凋萎系数: 土壤颗粒对水分子的吸力为15个大气压时的土壤含水量
V = K (θ ) Φ
θ = V t
θ Φ Φ Φ = [ K (θ ) ]+ [ K (θ ) ] + [ K (θ ) ] t x x y y z z
只考虑垂向时: 只考虑垂向时:
θ Φ = [ K (θ ) ] t z z
HHU
www.hhu.edu.cn
�
Ψ
§4 土壤水运动的控制方程
1 非饱和土壤的达西定律
饱和土壤达西定律: 饱和土壤达西定律:
ψ υ = K s x
υ = K s ψ
§4 土壤水运动的控制方程
非饱和土壤达西定律: 非饱和土壤达西定律:
ψ υ = K (θ ) x
υ = K (θ ) ψ
§4 土壤水运动的控制方程
2 非饱和水流的连续性方程
细管中上升的力称为毛管力
重
力: 地球引力对水分产生的作用力称为重力
§2 土壤水的存在形态
2 土壤水类型
吸湿水: 吸湿水: 被干燥土粒表面分子引力所强烈吸附的水分
表现出固态水的性质,没有溶解能力,不能移动 表现出固态水的性质,没有溶解能力,
§2 土壤水的存在形态
膜状水: 在吸湿水外层, 膜状水: 在吸湿水外层,被土粒剩余分子力所吸持的水膜
2 正方向的确定
§3 土壤水的能量状态
重力势( potential): 重力势(gravitational potential): 要把一定数量的土壤水分举
起而克服重力所作的功
静水压力势(pressure potential): 饱和土壤中的水分,因受 potential): 饱和土壤中的水分, 静水压力势(
土水势 (cm)
E
A
B
C
D
E
F
ψ
15 7 8 0
15 15 0 0
15 25 0 -10
15 35 0 -20
15 35 0 -20
15 21 0 -6
ψg
ψp
ψm
§3 土壤水的能量状态
2 土壤水分特性曲线
——吸力与土壤含水量的关系, ——吸力与土壤含水量的关系,称为土壤水分特性曲线 吸力与土壤含水量的关系