土壤水动力学的发展解析
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q = - △ψ1 ／R1 = - △ψ2 ／R2 = - △ψ3 ／R3 = - △ψ4 ／R4 阻抗 容抗
Transpiration
大气 -500 bar
Evaporation
叶 -15 bar
根 -3 bar 土壤 -0.3～ -1.0 bar
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC水热传输模拟
• k ψ
t
t
x
D
x
y
D
y
z
D
z
k
z
c
m
t
m
x
k
m
m x
y
k
m
m y
z
k
m
m
z
k
z
m
c d
d m
D
k c
Rechards，1931
1.3 SPAC 水热传输
1.3.1 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 水环境——农业面源污染
1.2 土壤水势与土壤水分运动
1.2.1 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
❖ 土壤水的形态
吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水
W M w 100% M M s 100%
Ms
Ms
Vw 100%
V
❖ 土壤水的能量——势能——土水势
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
Ψg = ± z (Mgz：gz、ρwg z、z）
Ψp = h
❖ 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 ➢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）
Darcy’s Law, Richards equation
❖ 学科研究的发展
1856
1931
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
t
z
D
z
k
z
i w
i t
c T t
z
T z
LI
I
I t
θ θ
土壤中水和冰混合， 并伴随有相变。
t1
t0
z
T
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC系统概念 SPAC——Soil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip
• 连续体 • 驱动力——水势
➢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
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
1.5 土壤水问题应用研究
❖ 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
t
cs
z
Dsh
v.
c z
qc
z
SC
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
1.4.2 土壤溶质迁移转化行为
土壤 水热迁移
c T t
z
T z
t
z
D
z
k
z
水热扩散
ES
c p
e2 r
eb rs
cs
c p
T2 Tb r2
Ev c p e1 eb r1 rc
cv
c p
T1
Tb r1
E c p eb ea ra
c
c p
Tb
Ta ra
1.4 土壤中溶质的迁移与转化
1.4.1 土壤溶质迁移转化基本方程
αP βI λG G cE0
△H
地下水均衡 μΔH = P + I – (1-) G – cE0 ± Q
1.5.1 水文水资源－－ 四水转化概念 ❖ 四水转化概念
大气水
降水
蒸发
地表水
土壤水
地下水
转化的观点，机理的认识
三水——降水 地表水 地下水
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
1.5.1 水文水资源－－ 地下水资源评价 ❖ 地下水均 衡
P IG
ET
P—降雨 I—渠灌 G—井灌
Rn
大气 c
λE
Ta
ea
冠层 cv cs
Rv
ra
ra
λE v
r1
T1
eb r1 rC e1*
Tb
Rs λE s
r2
r2 rs
土壤
G
显热 潜热
T2
e2
温度 水汽压
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
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC水热传输模拟模型
能量平衡
RN RV RS RV CV EV RS CS ES E EV ES C CV CS
水分
t
z
D
z
k
z
温度
c
T t
z
T z
土壤组成 组成比例 比热容
热导率
固相
xs cs λs
❖ 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
液相
xw cw λw
气相
xaLeabharlann Baiduca λa
1.3.1 土壤中水热耦合迁移
❖ 冻结条件下土壤水热耦合迁移
水热耦合方程
• 基质势Ψm Ψm ～θ （土壤水分特征曲线）
• 溶质势ΨS ΨS ～c 、T
• 温度势ΨT
总水势 Ψ＝ Ψg ＋ Ψp ＋ Ψm＋ Ψs ＋ ΨT
土壤水分特征曲线 －－土壤水能量与数量的关系－－
ψm
θ
1.2.2 非饱和土壤水流动基本方程
达西定律： q kψ
连续方程： • q
t
基本方程
1. 土壤水动力学的发展
1.1 概述 1.2 土壤水势与土壤水分运动 1.3 SPAC 水热传输 1.4 土壤中溶质的迁移与转化 1.5 土壤水问题应用研究
1.1 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）
Transpiration
大气 -500 bar
Evaporation
叶 -15 bar
根 -3 bar 土壤 -0.3～ -1.0 bar
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC水热传输模拟
• k ψ
t
t
x
D
x
y
D
y
z
D
z
k
z
c
m
t
m
x
k
m
m x
y
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m y
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k
m
m
z
k
z
m
c d
d m
D
k c
Rechards，1931
1.3 SPAC 水热传输
1.3.1 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 水环境——农业面源污染
1.2 土壤水势与土壤水分运动
1.2.1 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
❖ 土壤水的形态
吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水
W M w 100% M M s 100%
Ms
Ms
Vw 100%
V
❖ 土壤水的能量——势能——土水势
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
Ψg = ± z (Mgz：gz、ρwg z、z）
Ψp = h
❖ 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 ➢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）
Darcy’s Law, Richards equation
❖ 学科研究的发展
1856
1931
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
t
z
D
z
k
z
i w
i t
c T t
z
T z
LI
I
I t
θ θ
土壤中水和冰混合， 并伴随有相变。
t1
t0
z
T
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC系统概念 SPAC——Soil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip
• 连续体 • 驱动力——水势
➢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
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
1.5 土壤水问题应用研究
❖ 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
t
cs
z
Dsh
v.
c z
qc
z
SC
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
1.4.2 土壤溶质迁移转化行为
土壤 水热迁移
c T t
z
T z
t
z
D
z
k
z
水热扩散
ES
c p
e2 r
eb rs
cs
c p
T2 Tb r2
Ev c p e1 eb r1 rc
cv
c p
T1
Tb r1
E c p eb ea ra
c
c p
Tb
Ta ra
1.4 土壤中溶质的迁移与转化
1.4.1 土壤溶质迁移转化基本方程
αP βI λG G cE0
△H
地下水均衡 μΔH = P + I – (1-) G – cE0 ± Q
1.5.1 水文水资源－－ 四水转化概念 ❖ 四水转化概念
大气水
降水
蒸发
地表水
土壤水
地下水
转化的观点，机理的认识
三水——降水 地表水 地下水
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
1.5.1 水文水资源－－ 地下水资源评价 ❖ 地下水均 衡
P IG
ET
P—降雨 I—渠灌 G—井灌
Rn
大气 c
λE
Ta
ea
冠层 cv cs
Rv
ra
ra
λE v
r1
T1
eb r1 rC e1*
Tb
Rs λE s
r2
r2 rs
土壤
G
显热 潜热
T2
e2
温度 水汽压
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
1.3.2 SPAC水热传输
❖ SPAC水热传输模拟模型
能量平衡
RN RV RS RV CV EV RS CS ES E EV ES C CV CS
水分
t
z
D
z
k
z
温度
c
T t
z
T z
土壤组成 组成比例 比热容
热导率
固相
xs cs λs
❖ 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
液相
xw cw λw
气相
xaLeabharlann Baiduca λa
1.3.1 土壤中水热耦合迁移
❖ 冻结条件下土壤水热耦合迁移
水热耦合方程
• 基质势Ψm Ψm ～θ （土壤水分特征曲线）
• 溶质势ΨS ΨS ～c 、T
• 温度势ΨT
总水势 Ψ＝ Ψg ＋ Ψp ＋ Ψm＋ Ψs ＋ ΨT
土壤水分特征曲线 －－土壤水能量与数量的关系－－
ψm
θ
1.2.2 非饱和土壤水流动基本方程
达西定律： q kψ
连续方程： • q
t
基本方程
1. 土壤水动力学的发展
1.1 概述 1.2 土壤水势与土壤水分运动 1.3 SPAC 水热传输 1.4 土壤中溶质的迁移与转化 1.5 土壤水问题应用研究
1.1 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）