土壤水动力学的发展

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1.3SPAC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）

学科研究的发展定性→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)Darcy’sLaw,1856Richardsequation1931

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1.2.1土壤水的数量、形态和能量

土壤水的形态

吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水

土壤水的数量

土壤含水量（率）——重量、体积

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ΨgΨg=±z(Mgz：gz、ρwgz、z）压力势ΨpΨp=h

基质势ΨmΨm

～θ（土壤水分特征曲线）溶质势ΨSΨS

～c、T

温度势ΨT

总水势Ψ＝Ψg

＋Ψp

＋Ψm＋Ψs

＋ΨT

1.2土壤水势与土壤水分运动土壤水分特征曲线－－土壤水能量与数量的关系－－ψmθ达西定律：1.2.2非饱和土壤水流动基本方程连续方程：

基本方程Rechards，19311.3.1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、一维水分温度土壤组成固相液相气相组成比例xs

xwxa比热容cs

cwca热导率λsλwλa

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1.3SPAC水热传输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θTt0θzt1土壤中水和冰混合，并伴随有相变。1.3.2SPAC水热传输SPAC系统概念

SPAC——SoilPlantAtmosphereContinuum,1965,Philip土壤-0.3～-1.0bar根-3bar叶-15bar大气-500barTranspirationEvaporation

连续体驱动力——水势

q=-△ψ1／R1=-△ψ2／R2=-△ψ3／R3=-△ψ4／R4

阻抗容抗1.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟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－大气大气冠层土壤λE

sRnRvRsccscvλEλE

vrarar1r1r2rsr2T2TbTaT1eaebe2rCe1*G显热潜热温度水汽压1.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟模型能量平衡水热扩散土壤水热迁移1.4.1土壤溶质迁移转化基本方程

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对流：qc弥散：Dshc/z分子扩散＋机械弥散→水动力弥散源汇项：Sc液相以外的动态贮存：cs1.4土壤中溶质的迁移与转化1.4.2土壤溶质迁移转化行为

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）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=kXnYmZ/t=kXnn=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1.5.1水文水资源－－四水转化概念

四水转化概念

降水大气水土壤水地下水地表水蒸发三水——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转化的观点，机理的认识1.5土壤水问题应用研究1.5.1水文水资源－－地下水资源评价

地下水均衡

PIGG△HαPβIλGcE0ET

P—降雨I—渠灌G—井灌地下水均衡μΔH=P+I–(1-)G–cE0±

Q

降雨入渗补给系数=Pg/P

灌溉入渗补给系数

=Ig/I

井灌入渗补给系数=Gg/G

潜水蒸发系数

c=Eg/E0

给水度

μ

地下水均衡参数

机理上是土壤水的饱和－非饱和流

E0潜水蒸发系数

c＝Eg/E0

＝（1－H/Hmax)nH1EgH2H3给水度

μ＝h/△H

1.5.2粮食与作物－－作物耗水与产量

作物水分生产函数Jensen模型

作物生产量与其生长期内的蒸腾量成正比。冬小麦生长模拟模型生育阶段干物质生产干物质分配1.5.2粮食与作物－－作物耗水与产量1.5.3生态环境——自然生态耗水、水土环境污染水土环境污染面源污染与地下水脆弱性评价降雨径流，污染物迁移转化生态植被耗水

自然、人为→土壤水环境→自然生态植被河道地表水地下水土壤水生态植被耗水1.6土壤水动力学在流域水文模型中的应用流域水循环过程降水(precipitation)截留、蒸发

(interception,evaporation)入渗、地表径流、蒸发(infiltration,surfaceflow,evaporation)蒸散、下渗、壤中流(transpiration,soilmoisturemovement)地下径流

(groundwatermovement)大气

(atmosphere)树冠

(canopy)地表(landsurface)非饱和土壤(unsaturatedsoil)地下水(groundwater)河道

(river)流域水文循环系统概