第五章土壤水與下滲ppt課件

.,土壤水一、土壤的水理特性二、土壤水的存在形式和分類三、土壤水的水力特性四、土壤水運動的基本方程,第五章土壤水和下滲,.,5.1土壤水學習重點及難點：1.認識土壤水分存在的基本形式；（重點掌握）2.掌握土壤水分常數(shù)的概念（凋萎系數(shù)、田間持水量）。3.了解土壤水勢的存在形式及其達西公式，為后續(xù)的學習打基礎(chǔ)。（難點、了解）,.,土壤的形成過程是：“地殼表面的巖石風化及其搬運的沉積體，接受其所處的環(huán)境因素的作用，而形成具有一定剖面形態(tài)和肥力特征的土壤”。所以土壤形成過程是一組物理、化學與生物化學的組合反應(yīng)。,.,一土壤水1土壤的定義地球表面具有肥力，能生長植物的疏松表層。（from環(huán)境科學大辭典）成因：由巖石風化和母質(zhì)的成土過程綜合作用下形成的，它由礦物質(zhì)、動植物殘體腐蝕產(chǎn)生的有機物質(zhì)以及水分、空氣等固、液、氣三相組成；,.,2包氣帶和飽和帶1）包氣帶的定義：地面以下潛水面以上的地帶，也稱非飽和帶。是大氣水和地表水同地下水發(fā)生聯(lián)系并進行水分交換的地帶；三相系統(tǒng)：土壤顆粒、水分和氣體；,.,2）飽水帶的定義：在地下水面以下，土壤處于飽和含水狀態(tài)，是土壤顆粒與水分的二相系統(tǒng)。,.,3土壤水土壤水：土壤中各種形態(tài)水分的總稱。（環(huán)境科學大辭典）存在于非飽和帶土壤孔隙中及土壤顆粒所吸附的水分。（中國大百科全書）儲存和運移于地表，向下延伸至潛水面以上的土壤水分（包括固態(tài)水、氣態(tài)水和液態(tài)水），稱為土壤水。水文學上土壤水是指存在于包氣帶中的水。,.,土壤的水理特性,1.土壤比重：指土壤中固體物質(zhì)與同體積水的重量比。2.土壤容重：指自然條件下，單位體積中的干土重量。4.土壤重量含水量：5.土壤體積含水量：6.孔隙度：孔隙體積與包括孔隙在內(nèi)的巖土體積之比,.,9,孔隙度的影響因素,與粒徑大小有關(guān)？,.,10,孔隙度的影響因素,顆粒排列方式,最松散排列47.64%,最緊密排列25.95%,.,11,孔隙度的影響因素,分選性分選程度愈差，孔隙度愈小,.,12,常見巖石的孔隙度,矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的47.64%達到70%,.,第二節(jié)土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式,土壤水,.,1）汽態(tài)水,汽態(tài)水：存在于土壤空隙中的水汽,.,2）吸著水,吸濕水:緊束在土粒表面，不能自由移動,薄膜水：吸附于吸濕水外部，只能沿土粒表面做微小的移動,.,3）毛管水,毛管水:受毛管力的作用保持在土壤中的水分,存在形式：氣態(tài)固態(tài)液態(tài)設(shè)想實驗：材料（玻璃珠子、細管）+水（水杯）,.,毛管力上升高度,h水柱高度（cm)d孔隙直徑（mm）,.,土粒,毛管上升水示意圖,地下水位,.,土粒,毛管懸著水示意圖,.,毛管上升水:地下水在毛管力作用下上升并保持在土壤中的水分；毛管懸著水:當?shù)叵滤惠^低時，降雨或灌溉后因毛管力的作用而保持在土壤里的水分。,.,4）重力水,重力水：受重力支配不能被土壤所保持的水分,.,2.土壤含水量及水分常數(shù),.,按運動形態(tài)劃分：,土壤水,汽態(tài)水,吸著水,毛管水,重力水,吸濕水,薄膜水,毛管上升水,毛管懸著水,.,3.土壤水分常數(shù)1)吸濕系數(shù):吸濕水達到最大時的土壤含水率。2)最大分子持水量：薄膜水達到最大時的土壤含水率。3)凋萎系數(shù)：作物產(chǎn)生永久凋萎時的土壤含水率。4)田間持水量：毛管懸著水達到最大時的土壤含水率。5)毛管斷裂含水量：毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開始斷裂時的含水量。6）飽和含水量：所有土壤孔隙都被水所充滿時的土壤含水率。,.,影響因素：土壤質(zhì)地、植物種類、氣候等下表給出了不同質(zhì)地土壤的凋萎系數(shù)參考范圍。,凋萎系數(shù)是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。,凋萎系數(shù),無效孔度=凋萎系數(shù)容重,在形態(tài)上它包括吸濕水、膜狀水和毛管懸著水。當含水量達到田持時，若繼續(xù)供水，并不能使該土體的持水量再增大，而只能進一步濕潤下層土壤。田間持水量是確定灌水量的重要依據(jù)。,影響因素：質(zhì)地、有機質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)、松緊狀況等,水分常數(shù),1.毛細現(xiàn)象及毛細力,第四節(jié)土壤水分運動基本方程,.,衡量土壤水能量的指標，是在土壤和水的平衡系統(tǒng)中，單位數(shù)量的水在恒溫條件下，移動到參照狀況的純自由水體所能做的功。如何定義和計算？例如在飽和的含水層中，如何計算？在非飽和情況下，土水勢由何組成？如何計算？,2.土水勢,.,1)、基質(zhì)勢（也稱：基模勢）土壤顆粒（基質(zhì)）對土壤水的吸附和毛管作用，使土壤水保持在土壤中，統(tǒng)稱為基質(zhì)勢?；|(zhì)勢由吸附勢和毛管勢組成，兩者很難區(qū)分開。,.,自由水(可以自由流動的水，是良好的溶劑和運輸工具)不含基質(zhì)勢，設(shè)為標準參考狀態(tài)（0）。數(shù)值上等于：單位數(shù)量的土壤水分由非飽和土壤中的一點移至標準狀態(tài)，除了土壤基質(zhì)作用外其它各項維持不變，土壤水分所作的功。非飽和土壤水的基質(zhì)勢永遠為負。,.,張力計,例：HBZBhBcZB(-hBc)HB（圖示）如果測得包氣帶中HBHC，水流運動方向為BC；在入滲水流中包氣帶中HBHC，水流運動方向為CB。,.,2)、溶質(zhì)勢（）：土壤溶液中所有形式的溶質(zhì)對土壤水的綜合作用所形成的勢。,.,土壤水溶液對水分子有吸引力，實施上述移動時必須克服這種吸持作用對土壤水做功。也就是說，土壤水中溶質(zhì)的存在，降低水的自由能。所以溶質(zhì)勢s0。,.,3）、壓力勢（也稱：靜水壓力勢）由于壓力場中壓力差的存在而引起的。自由水面以下，土壤水受到靜水壓力作用，所具有的壓力勢能。標準參考狀態(tài)：標準大氣壓,.,對于飽和土壤水，地下水面以下h深處的附加壓強為wgh，由于在地下水面以下，該值大于零；單位容積的壓力勢為p=wgh單位質(zhì)量的壓力勢為p=gh單位重量的壓力勢為（壓力水頭）p=h非飽和土壤水，孔隙連通，各點均為大氣壓，p=0。,.,4）、重力勢土壤水處于重力場中，由于地球引力而使土壤水所具有的勢能稱為重力勢。數(shù)值上等于：將單位數(shù)量的土壤水分從某一點移動到參考狀態(tài)平面處，而其它各項維持不變情況下，土壤水所作的功。數(shù)值大小取決于土壤水所處的高度。,.,參考平面任意，一般可?。汉Ｆ矫?、地面標高、地下水位標高。土壤中垂直坐標為z、質(zhì)量為m的土壤水所具有的重力勢為：Eg=mgz。單位質(zhì)量土壤水的重力勢為：g=gz單位重量土壤水的重力勢（水頭或水位）：g=z,.,5）、溫度勢由于溫度場的溫差所引起的。土壤中任意點土壤水分的溫度是由該點的溫度與標準參考狀態(tài)的溫度之差決定。,.,總土水勢分析一般土壤水運動時，溶質(zhì)勢和溫度勢可以忽略。非飽和土壤中：重力勢和基質(zhì)勢飽和土壤中：重力勢和壓力勢,土壤水流總是由位置高處向位置低處流動，對嗎,.,.,水的流動方向不僅與位置高度有關(guān)，而且取決于土壤的干濕程度，不能籠統(tǒng)地說水由位置高處流向位置低處，流動唯一遵循的原則是土水勢高處向土水勢低處運移。,.,總土水勢的表示方法（單位）：可統(tǒng)一用水柱高度表示。勢能為標量，只有大小沒有方向，可進行代數(shù)運算。勢能的梯度具有方向，土壤水總是向勢能減小的方向運動，即向負梯度方向運動。,.,3.土壤水分特征曲線,土壤水分特征曲線表示土壤水的能量和數(shù)量之間的關(guān)系，是研究土壤水分的保持和運動所用到的反映土壤水分基本特性的曲線。,.,3.土壤水分特征曲線,土壤水分特征曲線有滯后現(xiàn)象,粘土,壤土,砂土,表示土壤負壓（基質(zhì)勢）與土壤含水率關(guān)系的曲線,土質(zhì)不同，土壤水分特征曲線不同，或者說土壤水分特征曲線反映了不同土質(zhì)的水力特性,.,土壤水分特征曲線的滯后現(xiàn)象,土壤在吸水和脫水過程中的水分特征曲線不相重合的現(xiàn)象,壤土,滯后現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要有：土壤孔隙的不規(guī)則性吸水過程中，空氣常被封閉于土壤孔隙中,吸水,釋水,.,（1）基本概念a.均質(zhì)土壤b.非均質(zhì)土壤c.各向同性d.各向異性,4.土壤水流動的基本方程,.,51,均質(zhì)（非均質(zhì)）：含水介質(zhì)大小是否相同各向同性（異性）：含水介質(zhì)在不同方向上的導水能力是否相同,.,(2)飽和土壤水流動的達西定律：,.,（3）非飽和土壤水流動的達西定律理查茲(Richards)1931年用實驗證明，非飽和土壤水流也符合達西定律：,.,54,達西定律,HenriDarcy（18031858）法國Dijon人于1856年提出著名的達西定律，標志著地下水水文學學科的正式形成,.,55,達西定律,實驗過程中水頭始終保持不變,.,56,滲透流速V,滲透流速與水力梯度的一次方成正比，所以達西定律也稱為線性滲透定律滲透流速是一假想流速，是假設(shè)水流通過整個巖層斷面時所具有的虛擬的平均流速。研究地下水水量時，只關(guān)心流量，而不關(guān)系具體每個水質(zhì)點的運移軌跡。,.,57,水力梯度I,水力梯度I為沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透長度的比值。水力梯度可以理解為水流通過單位長度滲透路徑為克服摩擦阻力所耗失的機械能。計算水力梯度I時，水頭差必須與相應(yīng)的滲透途徑相對應(yīng)。,.,58,滲透系數(shù)（水力傳導率）K,滲透系數(shù)為水力梯度等于1時的滲透流速，一般采用m/d，或cm/s為單位當I一定時，巖層的K愈大，則V也愈大，Q大滲透系數(shù)可定量說明巖石的滲透性能，滲透系數(shù)越大，巖石的透水能力超強。,.,59,滲透系數(shù)（水力傳導率）K,滲透系數(shù)K的大小巖石性質(zhì)，空隙特性水體物理性質(zhì)：密度、粘滯性等,.,60,粘土,粉土,砂土,礫石,.,該式與飽和水流的達西定律形式上相同，但含義和特點不同。兩者水的流動都是由水勢差而引起，但兩者的組成不同:飽和水流總勢（通常稱水頭）由重力勢和壓力勢構(gòu)成；非飽和流總勢（土水勢）由重力勢和基質(zhì)勢構(gòu)成，水的流動唯一遵循的原則是土水勢高處向土水勢低處運移。,.,飽和土壤滲透系數(shù)可認為是常數(shù)，而非飽和土壤的滲透系數(shù)（導水率）是土水勢或含水量的函數(shù)，它隨著含水量的減小而降低。,.,.,思考題：1.論述土壤水的存在形式及其特性。2.解釋：土壤含水率、最大吸濕量、最大分子持水量、凋萎系數(shù)、田間持水量、上升毛管水、懸著毛管水。3.在非飽和土壤水中哪些土水勢占優(yōu)？在飽和土壤水中哪些水勢占主導地位？,下滲,學習提綱：一、了解下滲的概念；二、掌握下滲的物理過程（重點）1.下滲過程的階段劃分；2.下滲水的垂向分布；3.下滲要素；4.天然條件下的下滲（難點）,5.2下滲,一下滲1定義：指水從地表滲入土壤和地下的運動過程。,2意義影響土壤水和地下水動態(tài)，直接決定壤中流和地下徑流的組成，而且影響河川徑流的組成；下滲是將地表水與地下水，土壤水聯(lián)系起來的紐帶，是徑流形成過程、水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)。,3.下滲要素,(1)供水強度(2)下滲率：又稱下滲強度。指單位面積上在單位時間內(nèi)滲入土壤中的水量；（單位：mm/h，mm/min）；(3)下滲能力：又稱下滲容量，指充分供水條件下的下滲率；,（4）下滲曲線（5）累積下滲量,在某一時間段內(nèi)，累積入滲的水量。,(6)穩(wěn)定下滲率：簡稱穩(wěn)滲，隨著下滲作用的不斷進行，土壤含水量的增加，下滲率逐漸遞減，遞減的趨勢也是先快后慢，當下滲鋒面進行到一定深度后，下滲率趨于穩(wěn)定的常數(shù)，此時稱為穩(wěn)定下滲率。,（7）下滲率與下滲能力下滲率的變化規(guī)律可用數(shù)學模式表示：如霍頓公式：,二下滲過程,（一）下滲過程的階段劃分：依據(jù)：在重力，分子力和毛管力的綜合作用下的綜合平衡過程。,1濕潤階段：降水初期，若土壤干燥，下滲水主要受分子力的作用，被土壤吸附吸濕水薄膜水。當土壤含水量達到最大分子持水量時，開始向下一階段過渡。,2滲漏階段：隨著土壤含水量的不斷增大，分子力逐漸被毛管力所取代，水在孔隙中做不穩(wěn)定流動，并逐漸充填土壤孔隙，直到基本達到飽和。,3滲透階段：在土壤孔隙被水充滿達到飽和狀態(tài)時，水分主要受重力作用呈穩(wěn)定流動。滲漏：濕潤階段+滲漏階段（非飽和水流運動）；滲透：飽和水流運動；,（二）下滲過程中土壤水分動態(tài)及分布規(guī)律,三下滲理論與經(jīng)驗公式1.理查茲(Richards)1931年用實驗證明，非飽和土壤水流也符合達西定律：,2.飽和土壤水流動的達西定律：,四自然條件下的下滲,1下滲與雨強的關(guān)系1）當，入滲過程受入滲能力制約，（A線所示）；（土壤入滲能力控制）,2）當，下滲過程受降水過程制約，（B線所示）；（供水控制）,3）當，剛開始降雨全部滲入土壤，隨降雨時間的延長，入滲率逐漸減小，（按曲線C，D）；,思考題：一次降雨過程中，下滲是否總是按下滲能力進行？為什么？,.,83,降水入滲補給機制,活塞式入滲均勻的砂土層濕潤鋒逐漸向下推進,捷徑式入滲（優(yōu)先流入滲）空隙大小懸殊，多裂隙通道土壤新水可超前老水到達潛水面入滲水不必全部補充包氣帶水分虧缺，即可下滲至潛水面,1）土壤特性：組成（顆粒大小）、結(jié)構(gòu)、前期含水量等；具體為：粒度與下滲率成正比；團粒結(jié)構(gòu)在降水初期下滲率大，但后期遇水膨脹后減小下滲率；前期含水量與下滲率呈反比。,2、影響下滲的因素,3）流域植被、地形條件的影響地表特征：地形、植被、河網(wǎng)密度、地下水埋深等；地形：地形坡度小有利于存留降雨，從而增加下滲量。植被：阻滯地面徑流，增加下滲時間；根系及腐殖質(zhì)使土壤松軟透水，有利于下滲。,2）降水特性的影響降水強度、歷時、降水時程分配及降水空間分布；連續(xù)性：間歇降水可使下滲能力有一定的恢復；降水時程：同樣降水量，先大后小有利于下滲，而先小后大，有利于徑流產(chǎn)生。,4）人類活動的影響人類活動對下滲的影響，既有增大的一面，也有抑制的一面。,2下滲的空間分布,1）流域中土壤性質(zhì)的空間分布不同，沿垂向的分布也常呈現(xiàn)非均勻結(jié)構(gòu)；2）降雨開始時的含水量空間分布不同；3）一場降雨在空間和時間上分布不均