第五章 土壤水？为下渗做准备蒸发蒸散发蒸散发t降水截留洼蓄下渗地表径流壤中流地下水流深层地下水河道汇流流量历时曲线第五章 土壤水5.1 土壤的水理特性5.2 土壤水分的作用力及土壤水分存在形式5.3 土壤水的水力特性5.4 土壤水运动的基本方程5.5 土壤水的测量重点和难点n土壤水理特性表示方法n土壤水分存在形式及对应的受力n土壤含水量和土壤水分常数n 土水势的构成（基质势、溶质势、压力势、重力势）和概 念n土壤水分特征曲线，了解土壤水分滞后n 土壤水流连续方程n 饱和土壤水运动方程n 非饱和土壤水流的基本微分方程n 非饱和土壤水分扩散方程（理查兹方程）5.1.1 5.1.1 土壤是多相、多孔的介质土壤是多相、多孔的介质 多孔的介质：多孔、疏松的特性使得土壤具有传输水分、溶质的能力。多相物质构成：由 有机成分（腐殖质、根系、土壤动物、微生物）矿物颗粒、三种相态的水、孔隙空间构成。土壤矿物质颗粒和有机质颗粒构成固体骨架，称为土壤基质（ soil matrix）。固相骨架 ：5.1.2 5.1.2 土壤三相组成固相基质矿物颗粒的化学组成由土壤原生矿物和土壤次生矿物构成，矿物的化学组成与岩石类型有关。包括 生命体 和 非生命的有机质。土壤有机质 ：土壤腐殖质 ：是 扣除 未分解和半分解动植物残体及 微生物体 以外的 有机物质的总称。胡敏酸 、富敏酸 、胡敏素土壤矿物：存在于土壤固相物质构成的孔隙网络中，由溶质与胶体组成的溶液和悬浊液构成。液相5.1.2 土壤的三相组成液相毛管水毛管水可分为可分为 重力水重力水土壤颗粒所吸附的土壤颗粒所吸附的液态薄膜水液态薄膜水占据土壤中没有被液态水所占据的土壤空隙。气相的体积随土壤含水量的变化及土壤通气性而变化。气相5.1.2 5.1.2 土壤的三相组成气相孔隙与大气成分接近成分5.1.2 土壤中各相的体积与质量构成5.1.3 土壤颗粒大小通常对通常对2.0mm2.0mm以下土壤颗粒分三级：粘粒、粉粒、砂粒以下土壤颗粒分三级：粘粒、粉粒、砂粒土壤颗粒的土壤颗粒的表面积总和很大表面积总和很大，可吸附其它离子与胶体，可吸附其它离子与胶体为什么有砂土、粉土、粘土、壤土之称。为什么有砂土、粉土、粘土、壤土之称。 由土壤质地决定：由土壤质地决定：砂粒，粉粒和粘粒的砂粒，粉粒和粘粒的相对百分组成所相对百分组成所 决定决定，下面看几张土壤剖面，下面看几张土壤剖面土壤质地粉砂土（ 粉土）壤土不同粒径 颗粒混合 均匀，透 水性好粘土滞水砂土粗颗粒易排水5.1.3 土壤质地土壤结构粘土：粘粒60% , 砂粒80% ，砂粒85% ；砂粒百分含量粘粒百分含量粉粒百分含量土壤质地与地形对应的空间分布粒径分布部位利用特点宜用性砾石 山区、河漫滩、冲积 扇孔隙大，跑水，难耕作 林果地沙粒 冲积平原，沙、荒漠 接壤区孔隙大、透水性强，养 分少，保水保肥性差农耕地粉粒 黄土类土壤含量高团聚胶结性差，保水保 肥力较强，易遭趋势耕性好粘粒 强风化区土壤养分高，团聚性强，保 水保肥力强，通气性差 ，易板结耕性较 好土壤团聚体土壤团聚体 soil aggregatessoil aggregates土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成团粒，称为土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成团粒，称为 土壤团聚体。土壤团聚体。土壤团聚体5.1.3 5.1.3 土壤团聚体土壤团聚体土壤团聚体内 和 团聚体 之间是连通的毛细孔隙与非毛细孔隙，构成土内水分传输的通道网络。团聚体是土壤结构的基本单位。土壤团聚体有利于水分与养份的长久保持与稳定。土壤结构(soil structure)n土壤固相颗粒很少呈单粒存在，土壤矿物颗粒与有机质颗粒相互作用，聚积形成大小不同、形状各异的团聚体(aggregate)。n这些团聚体的组合排列称为土壤结构，土壤结构是成土过程的产物。n不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。5.1.4 5.1.4 土壤物理常用指标土壤物理常用指标土壤比重、 土壤容重土壤孔隙比、 孔隙度（率）5.1.4 5.1.4 土壤物理常用指标土壤物理常用指标-1-1土壤中固体物质重量与同体积水的重量比。自然条件下，单位土体体积的干土重量(g/cm3）。 土壤比重：土壤容重 ：土壤孔隙所占总体积与固体物质所占体积之比土壤孔隙体积与土壤总体积之比，一般0.30.6土壤孔隙比：孔隙度（率） ：5.1.45.1.4 土壤物理常用指标土壤物理常用指标-2-2典型土壤孔隙度：5.2 土壤水分的作用力及土壤水分存在形式水分一旦进入土体孔隙网络中，就受到土壤颗粒吸附力、土壤空隙网络内水气界面的表面张力、重力、毛细力的作用。还受到渗透压力、粘滞力、大气压力的作用（忽略） 。分子吸附力 ， 又称为粘附力、附着力重 力渗透压力粘滞力大气压力5.2.1 进入土壤的水分受到的力外力外力内力内力内 聚 力三种力导致毛细现象，产生毛细力三种力导致毛细现象，产生毛细力表面张力1 重力土壤水分在地球重力场中受到的地球引力。赋存在非毛细空隙（土壤大孔隙或通气孔隙） 中的水分主要受到重力的作用。粘 附 力： 液体分子与固体分子之间的相互引力称为粘附力 或附着力（ Adhesion force） 。土壤颗粒表面附近的液态水受到土颗粒静电场的作用而受到的力，即粘附力，在水文学里称为分子吸附力。分子吸附力 ： 2 分子吸附力（ Adhesion force） 2 分子吸附力大小分子吸附力的大小及依靠这个力所保持的水量取决于土壤颗粒大小与土颗粒比表面积、土壤胶粒及土颗粒吸附离子的种类。土壤颗粒粒径愈小、有机胶体与粘粒矿物愈多，土壤颗粒对土壤水分的吸附力也愈强，保持的水量也愈多。3 内力内聚力（cohesive force ）不同水分子的氢原子与氧原子不同水分子的氢原子与氧原子相互吸引排列，相互吸引排列，在水分子间形成氢键，产生一定的内聚力。在水分子间形成氢键，产生一定的内聚力。氧原子的电负性比氢原子的大，氧原子的电负性比氢原子的大，电子云偏向于氧原子，电子云偏向于氧原子，氧原子端带部分负电荷，氧原子端带部分负电荷，氢原子端带部分正电荷；这样，氢原子端带部分正电荷；这样，同类分子间具有的分子间引力称为内聚力 。 水分子之间借氢键而相互吸引的力，30MPa 。作用于液体表面上，单位长度上的力，称为表面张力3 内力表面张力（ surface tension ）水气界面处 水分子受力液体表面附近水分子受到垂直向内的表面张力，导致液体表面有自动收缩的趋势 。4 4 毛细力毛细力土壤孔隙中水分和空气的界面为弯液面，在这个弯液面下的毛管水承受着一种张力，即毛细力。土壤孔隙网络内的毛细现象(capillarity)水分子之间的内聚力、土颗粒与水分子之间的分子吸附力、以及土壤孔隙内水气界面的表面张力共同作用，产生了毛细现象。 液面为何弯曲？液面为何弯曲？液柱为何上升或下降液柱为何上升或下降 ? ?附加压强附加压强 ？毛细管中液柱的高度如何求毛细管中液柱的高度如何求 ？毛细管内上升高度 h5.2.2 土壤水分存在的形式束缚水（结合水）吸湿水（强结合水）薄膜水（弱结合水）毛 管 水毛细上升水毛管悬着水重 力 水1.束缚水（结合水）依靠分子吸附力，吸附在土壤颗粒表面的一层水膜吸湿水薄膜水紧靠土粒，吸引力达几千上万个大气压，不能自由移动，不溶解盐，不能被植物吸收利用，对植物生长意义不大 。 吸力6.25 31个大气压，性质介于自由水与吸湿水之间，可溶解盐类，可传递静水压力。 移动速度一般为0.20.4mmh，可从水膜厚的土颗粒向水 膜薄的土颗粒 迁移，可被植物吸收一部分，但不能满足植物需要由于毛管力作用而赋存在土壤毛管网络内的水分毛细上升水毛管悬着水2.毛管水所受土壤吸力为0.08 6.25个大气压，可自由上下左右移动，有溶解养分的能力，是植物生长需水中最有效的土壤水分。潜水位以下自由重力水在毛管力作用下上升进入土壤毛细网络的水分毛细上升水（有一个凹形液面）若地下水位上升，毛细上升水的高度会随之上升。其水分来源于潜水面以下的含水层当潜水与毛管上升水失去水力联系， 土壤剖面内上下联通，而孔径不同的毛细管内会形成上凹形液面与下凸形液面，依靠这两个弯曲液面的表面张力差，而赋存在这个联通的毛细管的水分。毛管悬着水（有上凹形液面与下凸形液面）与地下水无水力联系，悬吊在土壤上层毛细孔隙网络内 。田间持水量（最大毛管悬着水量）土壤充分饱水后，在重力作用下自然疏干而充分排水后，依靠毛管力和分子吸附力所保留的水分含量。这部分水量是不会在重力作用下流走的最大含水量。最大毛管悬着水量与产流当土壤水含量超过最大毛管悬着水量之后，也就是毛细管网络恰好充满水后，则后续下渗补给的土壤水分不能被毛细管再吸持保留，多余的水分就在重力的作用下，向深层土壤渗漏是蓄满产流的理论基础。3.重力水赋存在土壤非毛管孔隙中，在重力作用下自由移动，可传递水压，驱动水分流动。能被植物吸收，由于很快渗透到土壤下层，不能为植物持续利用，是地下水的重要来源之一。5.2.3 土壤含水量(soil water content)指标土壤中水的质量与土颗粒总质量之比，可大于1.0土壤中液态水所占的体积与土壤总体积之比, 0重力势、压力势驱动水分运 移 基质势在水分运移中不考虑含水量 孔隙度, 土水势 0基质势与重力势驱动水分运移水分特征曲线滞后在土壤吸水和释水过程中由于土壤空气的作用 和固、液而接触角不同的影响， 实测土壤水分特征曲线不是一个单值函数曲线。实测得到下面的情况： 相同吸力下的土壤水含量， 释水状态要比吸水状态大， 这种现象就是水分特征曲线滞后。 5.3.5土壤水分滞后同一土壤在吸水过程和释水过程中，呈现为多条不重合的土壤水分特征曲线，土壤这种性质反映土壤含水 量和土水势平衡关系中的 滞后现象，也就是含水量经变动 再返回原来的含水量时， 所对应的土壤水势不同。滞后作用的四个解释n 土壤中封闭空气，影响含水量与土水势的平衡关系，n 土壤孔隙几何形状和大小不均一，产生“瓶颈作用”n 土壤吸湿与脱湿时，水与矿物表面的接触角有差异n 土壤湿胀与干缩产生了结构变化。5.4 土壤水运动的基本方程2、 饱和土壤水运动方程（达西定律）3、 非饱和土壤水运动方程（不饱和土壤渗透系数）4、 非饱和土壤水基本微分方程（土壤水分扩散）1、 土壤单元体水流连续方程（水量平衡方程）5.4.1 土壤水流连续方程推导典型单元立方体 REV ：representative element volume在土壤水分流场坐标系中，取一个单位体积的土壤立方体，三个边长分别为dx，dy , dz 。研究流入流出这个立方体的水量。这个立方体称为单元立方体。单元体在X方向上的水量变化Vx 是水流沿着X方向流动的平均速 度单元体在Y轴方向上的水量变化Vy 是水流沿着Y方向流动的平均速 度单元体在Z轴方向上的水量变化Vz 是水流沿着Z方向流动的平均速 度进出单元体各个方向的水量变化量之和体积含水量变化引起的水量变化单位时段 dt 内，单元体内的水量变化量 可用微分方程表示为： 是土壤体积含水量单元体的体积为 1 5.4.1 单元体的水流连续方程可忽略水密度的变化对装在薄壁铁桶内的匀质砂土做水分垂直下渗试验，得到饱和土壤内水流运动的达西定律Qx5.4.2 饱和土壤水流运动方程达西试验达西实验观测数据记录及结果起始时间观测时间 水量水力梯度流速试验发现，对同一横截面积的饱和砂土柱来说，试验发现，对同一横截面积的饱和砂土柱来说，水流渗透速度与其水头损失量之比是一个定值水流渗透速度与其水头损失量之比是一个定值KK，这个定值称为饱和水力传导系数或饱和渗透系数。这个定值称为饱和水力传导系