第三章土壤水分3节

1、主讲教师：罗春艳主讲教师：罗春艳能源与水利学院二一四年 九月第三章第三章 土壤水分土壤水分第三节第三节 土壤水分运动土壤水分运动主要内内容： 土壤液态水运动土壤液态水运动 土壤气态水运动土壤气态水运动 土壤水入渗与分布土壤水入渗与分布 土壤水分平衡土壤水分平衡第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动 通过土壤水分运动的学习，使学生掌握通过土壤水分运动的学习，使学生掌握土土壤液态水及气态水的运动形式；壤液态水及气态水的运动形式；掌握掌握土壤水土壤水分入渗及再分布过程，分入渗及再分布过程，并了解水分并了解水分平衡原理平衡原理本节教学节教学目的：第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动本章的重点、难难点：1

2、) 1) 土壤水分入渗及再分布过程土壤水分入渗及再分布过程2) 2) 水分平衡原理水分平衡原理第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动一、土壤液态水运动一、土壤液态水运动土壤液态土壤液态水的运动水的运动一个土层一个土层另一个土层另一个土层土壤土壤水水势梯势梯度度高高低低土壤液态土壤液态水的运动水的运动饱和流饱和流非饱和流非饱和流孔隙全部孔隙全部被水充满被水充满重力重力部分孔隙部分孔隙被水充满被水充满毛管水毛管水薄膜水薄膜水第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动F 1. 1.饱饱和流饱和流可能出现情况：饱和流可能出现情况： 大量持续降水和水稻淹灌时会出现垂直线下的饱

3、和流大量持续降水和水稻淹灌时会出现垂直线下的饱和流地下泉水涌出属于垂直向上的饱和流地下泉水涌出属于垂直向上的饱和流平原水库库底周围可以出现水平方向的饱和流平原水库库底周围可以出现水平方向的饱和流饱和流方向不一定完全单向，大多是多向的复合流饱和流方向不一定完全单向，大多是多向的复合流饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，基饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，基本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律(Darcys law) F 1. 1.饱饱和流LHKQs单位时间内通过单位面积土壤的水量单位时间内通过单位面积土壤的水量土壤水通量土壤水通量与土水势梯度

4、成正比。与土水势梯度成正比。 单向一维单向一维 式中：式中：Q为通量为通量 ；H为总水势差；为总水势差；L为水流路径的直线长度；为水流路径的直线长度；Ks为土壤饱和导水率；为土壤饱和导水率；“-”表示水流方向与压力梯度方向相反表示水流方向与压力梯度方向相反。第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动 饱和导水率：土壤所有的孔隙都充满了水时，水分饱和导水率：土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下层或横向运动的速度。向土壤下层或横向运动的速度。饱和导水率的特点饱和导水率的特点 饱和率是常数饱和率是常数 是土壤导水率的是土壤导水率的MAX 主要取决于土壤的质地主要取决于土壤的质地 和结构。和结构。 沙质

5、土沙质土 壤质土壤质土 粘粘质土质土影响饱和导水率的因素影响饱和导水率的因素 质地质地 水通量与孔隙半径水通量与孔隙半径4次方呈正比。次方呈正比。结构结构 土壤结皮对土壤饱和土壤结皮对土壤饱和导水率有显著的影响。导水率有显著的影响。有机质含量。有机质含量。粘土矿物种类。粘土矿物种类。第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动 土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度。它也可用达西定律来描述。和重力势梯度。它也可用达西定律来描述。dxdKQ)(F 1. 1.非饱和流非饱和流一维垂向非饱和流一维垂向非饱和流为非饱和导水率；)(K为总水势梯度dxd第三节土壤水分

6、运动第三节土壤水分运动 饱和条件下的总水势梯度可用差分形式，而非包饱和条件下的总水势梯度可用差分形式，而非包和条件下则用微分形式：和条件下则用微分形式：非饱和条件下土壤水流的数学表达式与饱非饱和条件下土壤水流的数学表达式与饱和条件下的类似，二者的区别在于：和条件下的类似，二者的区别在于：饱和条件下的土壤导水率饱和条件下的土壤导水率Ks对特定土壤为一常数，而对特定土壤为一常数，而非饱和导水率是土壤含水量或基质势（非饱和导水率是土壤含水量或基质势（ m）的函数。）的函数。 第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动土壤水吸力和导水率之间的关系土壤水吸力和导水率之间的关系 第三节土壤水分运动第三节土壤水分

7、运动都适合热力学第二定律和达西定律，即水分从能量高向能量低的流都适合热力学第二定律和达西定律，即水分从能量高向能量低的流动（水势差）。动（水势差）。相同点：相同点：土壤饱和流和非饱和流的主要异同点？土壤饱和流和非饱和流的主要异同点？不同点：不同点：二者土水势的组成不同，饱和土壤中。任一点的土水势包括重力势二者土水势的组成不同，饱和土壤中。任一点的土水势包括重力势和压力势；在非饱和土壤中，无须专门考虑溶质势、温度势，任一和压力势；在非饱和土壤中，无须专门考虑溶质势、温度势，任一点的土水势只包括重力势和基质势。点的土水势只包括重力势和基质势。导水率不同，在饱和土壤中，由于土壤孔隙全部充水，导水率是

8、常导水率不同，在饱和土壤中，由于土壤孔隙全部充水，导水率是常数，称为饱和导水率数，称为饱和导水率KsKs或渗透系数或水力传导度，在非饱和土壤中或渗透系数或水力传导度，在非饱和土壤中，由于部分孔隙被水充填，故非饱和导水率的值低于该土壤的，由于部分孔隙被水充填，故非饱和导水率的值低于该土壤的KsKs，而；而且非饱和导水率是土壤水基质势或土壤含水量的函数。而；而且非饱和导水率是土壤水基质势或土壤含水量的函数。第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动土壤气态水的运动表现为土壤气态水的运动表现为水汽扩散水汽扩散和和水汽凝结水汽凝结两种现象两种现象水汽扩散运动的推动力是水汽压梯度水汽扩散运动的推动力是水汽压梯

9、度二、土壤气态水运动二、土壤气态水运动土壤水吸力梯度土壤水吸力梯度土壤水势梯度土壤水势梯度温度梯度温度梯度主要推动力主要推动力高高低低水汽水汽凝结凝结第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动1、“夜潮夜潮”现象现象多出现于地下水埋深度较浅的多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地夜潮地”。 白天白天由温度较高表层由温度较高表层 底层，利于防止蒸发；底层，利于防止蒸发； 夜晚夜晚由温度较高底层由温度较高底层 表层，利于土壤回润。表层，利于土壤回润。第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动2、“冻后聚墒冻后聚墒”现象现象冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土层的水汽压较高，

10、于是下层水汽不断向冻层层的水汽压较高，于是下层水汽不断向冻层集聚、冻结、使冻层不断加厚，其含水量有集聚、冻结、使冻层不断加厚，其含水量有所增加，这就是所增加，这就是“冻后聚墒冻后聚墒”现象。现象。 “冻后聚墒冻后聚墒”的多少，主要决定于该土壤的含的多少，主要决定于该土壤的含水量和冻结的强度。含水量高冻结强度大，水量和冻结的强度。含水量高冻结强度大，“冻后聚墒冻后聚墒”就比较明显。一般对土壤上层就比较明显。一般对土壤上层增水作用为增水作用为24左右左右 。第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动 入渗是指液态水进入土壤的过程，通常指水自土表垂直向下入渗是指液态水进入土壤的过程，通常指水自土表垂直向下

11、进入土壤的过程，但也不排斥如沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程，但也不排斥如沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程。进入土壤的过程。 三、土壤水入渗与分布三、土壤水入渗与分布1. 土壤入渗（土壤入渗（soil water infiltration) 入渗入渗 降水或灌水进入土壤的而数量降水或灌水进入土壤的而数量供水以后或来年作物利用的深层水的储量供水以后或来年作物利用的深层水的储量山区、丘陵或坡地，还决定着地表径流和山区、丘陵或坡地，还决定着地表径流和流入土内水分两者的数量分配流入土内水分两者的数量分配第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动a.对于地面平整及下层质地均一的土壤对于地面平整及下

12、层质地均一的土壤 水进入土壤影响因素：水进入土壤影响因素：一是供水速率，一是供水速率，二是土壤的入渗能力二是土壤的入渗能力 (入渗速率infiltration rate)三、土壤水入渗与分布三、土壤水入渗与分布第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动供水速率供水速率三、土壤水入渗与分布三、土壤水入渗与分布土壤的入渗能力土壤的入渗能力供水速率供水速率2010-205-101-51最初入渗速率：最初入渗速率：Initial infiltration rate稳定入渗速率：稳定入渗速率：stable infiltration rate 所以无论表土下是砂土层还是细土层，在不断入渗中最初能使所以无论表土下

13、是砂土层还是细土层，在不断入渗中最初能使上层土壤先积蓄水，以后才下渗。上层土壤先积蓄水，以后才下渗。第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动土壤水 入渗过程结束后，水在重力和吸力梯度和温度梯度的影响下在土壤中向下移动重新分布的过程称为土壤水分再分布 2.土壤水再分布土壤水再分布第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动土壤剖面上层释水，下层吸水，经一段时间起初吸水的地方又逐渐释水。造成含水量与基质势的非单值关系。土壤水的再分布，对研究植物从不同深度土层吸水有较大意土壤水的再分布，对研究植物从不同深度土层吸水有较大意义。某一土层水的损失，不完全是植物吸水所致，还与上、义。某一土层水的损失，不完全是植物吸水

14、所致，还与上、下层水的再分布有关。下层水的再分布有关。第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动2.土壤水再分布土壤水再分布地下水埋深较浅时，土壤水通过剖面上的再分布可能达到地下水，从而补给地下水，促使地下水位抬高，或者随着地下水流侧向排到它处，称为土壤水的渗漏土壤水分的来源土壤水分的来源 土壤水分土壤水分大气降水大气降水灌溉水地下水上升和大气中水汽的凝地下水上升和大气中水汽的凝结也是土壤水分的来源。结也是土壤水分的来源。四、土壤水分平衡四、土壤水分平衡第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动第三节土壤水分运动土壤土壤植物植物大气连续体大气连续体(SPAC)(1)土壤水来源土壤水来源(收入收入) 降水(P)，灌水(I)，上行水(U)(2)土壤损失土壤损失(支出支出) 土面蒸发土面蒸发(E)(E)，叶面蒸腾，叶面蒸腾(T)(T)，冠层截留，冠层截留(In)(In)，地表径流，地表径流(R)(R)，下渗水，下渗水(D)(D)，计算时段初、末土体储水量之差，计算时段初、末土体储水量之差W ，土壤，土壤水分平衡表达式如下：水分平衡表达式如下： W=W=（P+I+UP+I+U）（E+T+R+In+DE+T+R+In+D） 蒸发和蒸腾合称蒸散（蒸发和蒸腾合称蒸散（ETET）。）。 地区水量平衡：收入地区水量平衡：收入降水，支出降水，支出地面径流和蒸散，即地面径流