农田水利学PPT课件

1、第一节 农田水分状况 一、基本概念 二、旱作地区的农田水分状况 三、水稻地区的农田水分状况 四、农田水分状况的调节措施 第1页/共68页 1 农田水分存在的形式 2 土壤水势 3 土壤含水率 4 土壤水分特征曲线 一、基本概念 第2页/共68页一、基本概念地面水土壤水地下水汽态水吸着水毛管水重力水吸湿水薄膜水上升毛管水悬着毛管水1、农田水分存在的形式第3页/共68页1、土壤比重（Soil specific gravity）2、土壤容重（Bulk density）3、土壤孔隙度（porosity）4、饱和度（Saturation）土壤物理性质 5、湿润度（Wettability）6、界面张力（I

2、nterfacial tension）7、毛管力8、残余饱和度（Residual saturation）第4页/共68页1、土壤比重（Soil specific gravity） 土壤比重为单位体积的土壤固体物质重量与同体积水的重量之比。 一般土壤平均比重为2.65（2.6-2.7）左右。第5页/共68页2、土壤容重（Bulk density） 土壤容重为单位原状土壤体积的烘干土重g/cm3。第6页/共68页3、土壤孔隙度（porosity） 单位原状土壤体积中土壤孔隙体积所占的百分率: 总孔隙度=(1容重/比重) 100%第7页/共68页4、饱和度（Saturation） 流体体积与多孔介质

3、总体积之比称为该流体的饱和度。tieVVS第8页/共68页5、界面张力（Interfacial tension） 某种流体的内在吸引力和流体表面所接触的另一流体的分子吸引力不同，界面上分子引力因不连续而导致的引力差。第9页/共68页6、湿润度（Wettability） 当两种非混合流体接触同一固体表面的情况下，必然有一种流体相比另外一种流体更容易的覆盖在固体的表面。这种于固体表面覆盖的难易程度称为湿润度。第10页/共68页7、毛管力 水于非饱和土壤中流动的主要驱动力。第11页/共68页一、基本概念 2、土壤水势 （Soil Water Potential） 衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水的

4、平衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状况的纯自由水体所能做的功。第12页/共68页一、基本概念 w=m + s + g + T总水势 （Total Potential） 土壤水的总势能基质势 （Matric Potential）土壤基质的吸附力和毛管力所引起的水势 渗透势 （Osmotic Potential） 土壤水分中的溶质所引起的水势 重力势（Gravitational Potential）重力引起的土壤水势 土壤水势 温度势：温度引起的土壤水势 第13页/共68页Soil Water Potential第14页/共68页第15页/共68页一、基本概念 3、土壤含水率 （So

5、il water content） 一定量的土壤中所含水分的数量 （1）土壤重量含水率（Mass Water Content） =实际水重/烘干土重100(%) （2）土壤容积含水率（Volumetric Water Content） =水分容积/土壤容积100(%) =土壤重量含水率(%)土壤容重 第16页/共68页HAW例如，0.8m湿润层中，悬着毛管水体积含水率为30%，则单位面积的含水量为： mmmmW24024. 03 . 08 . 0HAW（c）体积含水量和重量含水量之间的关系：（d）单位之间的转换(举例说明) （b）根据土壤重量含水率计算壤含水量的方法为： 1m3/亩= 1m3/

6、667m2=1/667m=1/667x1000mm=1.5mm一、基本概念 （a）根据土壤体积含水率计算土壤含水量的方法为： 第17页/共68页土壤水分常数 吸湿系数(Hygroscopic Coefficient): 吸湿水达到最大时的土壤含水率 最大分子持水率： 薄膜水达到最大时的土壤含水率 凋萎系数（Wilting Point）： 作物产生永久凋萎时的土壤含水率 田间持水率（Field Capacity）： 悬着毛管水达到最大时的土壤含水率 饱和含水率（Saturation）： 所有土壤孔隙都为水所充满时的土壤含水率 一、基本概念 第18页/共68页土壤水分的有效性土壤水分的有效性汽态水

7、吸着水无效水毛管水有效水重力水过剩水土壤水一、基本概念 第19页/共68页第20页/共68页Available Water ContentAvailable water content (AWC)=FC-WP Loam, 23% water (in H2O/in soil) at field capacity-7% water at wilting point=16% available water content (or 0.16 in H2O/in soil) In coarse soils (sand, gravel AWC) : Sand, 10% water (in H2O/in s

8、oil) at field capacity 2% water at wilting point=8% available water content (or 0.08” H2O/in soil)第21页/共68页Sand at field capacitySand at wilting pointLoam at field capacityLoam at wilting pointAvailable Water Content第22页/共68页Available Water ContentSand16%8%24%32%40%Sandy LoamSilt LoamLoamClay LoamCl

9、ayVolumetric Soil Water Content, %Plant Unavailable waterPlant available water第23页/共68页一、基本概念 关于土壤水分的几点补充 水分的形态是变化的,可以互相转化的 土壤水分的有效性是从作物能否直接吸收而言,是相对的 田间持水率通常以灌水两天后土壤所能保持的含水率表示，国外一般以灌水24小时后的土壤含水率表示第24页/共68页一、基本概念 4、土壤水分特征曲线 （Soil water characteristic curves） 土壤水分特征曲线有滞后现象 0200400600800100012002040土壤负

10、压-h(cm)含水率(%)粘土壤土砂土表示土壤负压（基质势）与土壤含水率关系的曲线 土质不同，土壤水分特征曲线不同，或者说土壤水分特征曲线反映了不同土质的水力特性 第25页/共68页二、旱作地区农田水分状况 1、几个概念 2、旱作对农田水分状况的要求 3、不同条件下地面水、地下水、土壤水的转化第26页/共68页旱作地区农田水分状况1、几个概念干旱（Drought）： 根系吸水不足，植物体水分平衡破坏 大气干旱 土壤干旱 涝（Waterlogging）： 旱地地面积水超过作物耐淹时间或耐淹深度 渍：土壤水分超过田间持水率，影响土壤通气 第27页/共68页旱作地区农田水分状况 2、旱作物对农田水分

11、状况的要求地面一般不允许有积水地下水一般不允许上升至根系层内根系层允许最大含水率不超过田间持水率，最小含水率不小于凋萎系数盐碱土地区，土壤水溶液浓度不能超过允许最高值第28页/共68页旱作地区农田水分状况 3、地面水、地下水、土壤水的转化地下水位埋深较大，上层土壤干燥时，降雨（或灌溉）入渗对土壤水的补给及降雨（灌水）停止后土壤水分变化过程04080120160200土层深度（cm）含水率（%）饱和含水率田间持水率第29页/共68页旱作地区农田水分状况地下水位埋深较小时，降雨入渗对土壤水的补给及降雨停止后地下水及土壤水分变化过程04080120160200深度z（cm）含水率（%）0408012

12、0160200深度z（cm）含水率（%）田间持水率田间持水率饱和含水率饱和含水率第30页/共68页三、水稻地区的农田水分状况 田面要有适宜的淹灌水层 地下水位维持适宜的深度 维持适宜的渗漏强度水稻对农田水分状况的要求第31页/共68页四、农田水分状况的调节措施 1、农田水分过多或不足的原因2、调节措施第32页/共68页一、土壤水运动的研究概况 二、土壤水运动的基本方程 三、入渗条件下的土壤水分运动 四、蒸发条件下土壤水运动 第二节 土壤水分运动 第33页/共68页二、土壤水运动的基本方程达西定律 质量守恒原理第34页/共68页zvxvyvdydzdxdyyvvyy微小土体内土壤水运动z y x

13、 dxxvvxxdzzvvzz第35页/共68页zvxvyvdydzdxz y x dxdzdtvydydzdtxvdydxdtvzdydxdtvdxdzdtvdydzdtvmzyxi流入单元体的质量质量守恒原理第36页/共68页流出单元体的质量dydxdtdzzvvdxdzdtdyyvvdydzdtdxxvvmzzyyxxo)()()(质量守恒原理dydzdxdyyvvyyz y x dxxvvxxdzzvvzzdydzdtdxxvvxx)(dydxdtdzzvvzz)(dxdzdtdyyvvyy)(第37页/共68页dydxdtvdxdzdtvdydzdtvmzyxidydxdtdzzvv

14、dxdzdtdyyvvdydzdtdxxvvmzzyyxxo)()()(dxdydzdtzvyvxvmmmzyxoi)(1流入和流出单元体的质量差流入流出质量差质量守恒原理第38页/共68页dxdydzdttm2微小单元体内质量变化tt+dt质量守恒原理第39页/共68页)(zvyvxvtzyx质量守恒原理21mmdxdydzdtzvyvxvmzyx)(1dxdydzdttm2质量守恒原理第40页/共68页达 西 定 律(Darcys Law)xKvx)(yKvy)(zKvz)(第41页/共68页水力传导度(Hydraulic Conductivity)单位水头差作用下，单位断面积上流过的水流

15、通量。nssKK)()(bhahKn|)(chseKhK)(饱和土壤中，也叫渗透系数饱和土壤中，土壤含水率或土壤基质势的函数 第42页/共68页)(zvyvxvtzyxRichards方程根据达西定律有：1,zhzyhyxhxzKzhKzyhKyxhKxt)()()()(zh而土壤总水势xKvx)(zKzyKyxKxt)()()(第43页/共68页zhzhyhyhxhxh,hKD)()(zKzhKzyhKyxhKxt)()()()(zKzDzyDyxDxt)()()()(以含水率为变量的基本方程定义扩散度：单位含水率梯度下，通过单位面积的土壤水流量第44页/共68页xhhKxKvx)()(yh

16、hKyKvy)()()1)()(zhhKzKvz达西定律：以基质势h为变量的基本方程第45页/共68页thhtzhKzhhKzyhhKyxhhKxt)()()()(zhKzhhKzyhhKyxhhKxthhC)()()()()(以基质势h为变量的基本方程hhC)(定义容水度：压力水头下降一个单位时，单位体积土壤释放出来的水体积第46页/共68页不同形式的土壤水运动方程的适用条件 以含水率为变量的基本方程：1）均质土壤 2）全剖面为非饱和流动以基质势h为变量的基本方程：1）层状土壤 2）饱和-非饱和流 第47页/共68页基本方程求解 解析解 数值解SWMS-2D Hydrus-2D第48页/共6

17、8页土壤水分运动的两种形态入渗（Infiltration）蒸发（Evaporation）第49页/共68页入渗（Infiltration）蒸发（Evaporation）土壤水分运动的两种形态第50页/共68页入渗条件下土壤水分运动 入渗现象 入渗条件下需要求解的问题 入渗条件下土壤水分运动方程的求解 入渗速度的计算第51页/共68页入渗条件下需要求解 的问题Maximum rate water is absorbed by the soilInfiltration occurring at less than capacity 入渗总水量 土壤含水率的分布 入渗能力（Infiltration

18、Capacity） 入渗速度（Infiltration Rate）第52页/共68页土壤的入渗强度降雨强度，灌水方式和强度土壤的渗水性能 入渗能力（Infiltration Capacity） 入渗速度（Infiltration Rate）第53页/共68页Changes in Infiltration Capacity Over Time (Horton, 1933) TimeInfiltration Capacity第54页/共68页Factors Affecting Infiltration Capacity Soil Compaction Slope Cracks Cultivation Vegetation Soil Moisture Temperature Soil Porosity Crusting Soil Type 第55页/共68页蒸发条件下土壤水分运动 土壤蒸发过程及影响因素 地下水埋深较大，表土迅速风干时的蒸发 降雨或灌水后地下水迅速下降时的蒸发 地下水保持不变时的稳定蒸发（入渗）第56页/共68页表土蒸发与土壤含水率关系外界蒸发能力土壤输水能力表土蒸发及其影响因素1.00.5c 含水率(%)0000,ba00/,第57页/共6