水文学原理(第四节)课件

土壤水土壤水(Soil Water)内容提纲土壤的质地、结构土壤的质地、结构土壤中的土壤中的“三相三相”关系关系土壤水的作用力土壤水的作用力土壤水的能量状态土壤水的能量状态土壤水运动的控制方程土壤水运动的控制方程土壤水内容提纲土壤的质地、结构1目标一目标一：理解：理解土壤水的作用力土壤水的作用力目标二目标二：理解土壤水的能量状态理解土壤水的能量状态教学教学目标目标难点一难点一：不同土壤条件下的作用力：不同土壤条件下的作用力难点二难点二：不同土壤条件下的能量状态：不同土壤条件下的能量状态学习学习难点难点降降 雨雨(Precipitation)目标一：理解土壤水的作用力教学目标难点一：不同土壤条件下的作2第一节第一节 土壤的质地、结构土壤的质地、结构（Soil texture and Structure）1 1、土壤的质地、土壤的质地土壤土壤：陆地表面：陆地表面由由矿物质矿物质、有机有机物质物质、水水、空气空气和和生物生物组成，具组成，具有肥力，能生长有肥力，能生长植物的未固结层。植物的未固结层。第一节 土壤的质地、结构1、土壤的质地土壤：陆地表面由矿物3土壤的土壤的质地质地土壤土壤中所含的团体颗粒的大小中所含的团体颗粒的大小,即即粒粒径大小径大小。一般将土壤中的固体颗粒的粒径分成三种。一般将土壤中的固体颗粒的粒径分成三种粒径范围：粒径范围：砂粒、粉粒和粘粒砂粒、粉粒和粘粒。粘粒粘粒粉砂粉砂细砂细砂粗砂粗砂粒径（微粒径（微米）米）1-21-22-202-2020-20020-200200-2000200-20001 1毫米毫米(mm)=1000(mm)=1000微米微米(um)(um)土壤的质地土壤中所含的团体颗粒的大小,即粒径大小。一般将42 2、土壤的、土壤的结构结构第一节第一节 土壤的质地、结构土壤的质地、结构（Soil texture and Structure）指指土壤中固体颗粒的土壤中固体颗粒的排列方式，排列方向排列方式，排列方向和和团聚状况团聚状况，有时也指土壤中孔隙的几何形状及大小。有时也指土壤中孔隙的几何形状及大小。2、土壤的结构第一节 土壤的质地、结构 指土壤中固体5第二节第二节 土壤中的土壤中的“三相三相”关系关系（Three Phases of Soil System）土壤是一个土壤是一个“三相三相”共存的体系：共存的体系：固相固相:固体颗粒固体颗粒液相液相:孔隙中的水孔隙中的水气相气相：孔隙：孔隙中的空气中的空气第二节 土壤中的“三相”关系土壤是一个“三相”共存的体系：6与土壤与土壤“三相三相”有关的土壤物理量有关的土壤物理量表示土壤中固相比例的物理量表示土壤中固相比例的物理量与土壤“三相”有关的土壤物理量表示土壤中固相比例的物理量7表示土壤中液相比例的物理量表示土壤中液相比例的物理量表示土壤中液相比例的物理量8表示土壤中气相比例的物理量表示土壤中气相比例的物理量表示土壤中气相比例的物理量91 1、土壤水、土壤水作用力作用力第三节第三节 土壤水的作用力土壤水的作用力（The Force of Soil Water ）分子力分子力：土壤颗粒表面的分子对水分子的吸引力：土壤颗粒表面的分子对水分子的吸引力重力重力：土壤中水分受到的地心引力：土壤中水分受到的地心引力1、土壤水作用力第三节 土壤水的作用力分子力：土壤颗粒表面10毛管力毛管力：土壤中的毛管现象引起的力。：土壤中的毛管现象引起的力。土壤颗粒间细小的土壤颗粒间细小的连通孔隙连通孔隙可视为可视为毛管毛管。毛管中水。毛管中水气界面为一弯月面，弯月面下的气界面为一弯月面，弯月面下的液态水因表面张力液态水因表面张力作用而承受吸持力作用而承受吸持力，该力又称，该力又称毛管力毛管力。毛管力：土壤中的毛管现象引起的力。11毛细现象毛细现象：当水与毛管接触时，：当水与毛管接触时，由于由于管壁对水分子的吸附力管壁对水分子的吸附力大于大于水分子之间的内聚力水分子之间的内聚力，在毛管中，在毛管中形成凹形的弯月面，使液体表面形成凹形的弯月面，使液体表面变大；因表面张力和收缩的作用，变大；因表面张力和收缩的作用，迫使液面又趋向水平，管内液体迫使液面又趋向水平，管内液体随着上升，以减少面积。这样，随着上升，以减少面积。这样，直到直到表面张力向上的拉引力表面张力向上的拉引力与与毛毛管内升高的液柱重量达到平衡时管内升高的液柱重量达到平衡时，管内的液体停止上升，该现象为管内的液体停止上升，该现象为毛细现象。毛细现象。毛细现象：当水与毛管接触时，由于管壁对水分子的吸附力大于水分12土土壤壤水水结合水结合水自由水自由水薄膜水薄膜水吸湿水吸湿水毛管水毛管水重力水重力水毛管悬着水毛管悬着水支持毛管水支持毛管水对水文现象影响不大对水文现象影响不大影响径流形成的重要组分影响径流形成的重要组分2 2、土壤水分、土壤水分类类土结合水自由水薄膜水吸湿水毛管水重力水毛管悬着水支持毛管水对13吸湿水吸湿水：由分子力所吸附：由分子力所吸附的水分（的水分（3131个大气压），个大气压），没有溶解能力，不能移动。没有溶解能力，不能移动。薄膜水薄膜水：由土粒剩余分子：由土粒剩余分子力所吸附在吸湿水层外的力所吸附在吸湿水层外的水（水（316.25316.25个大气压）个大气压）吸湿水：由分子力所吸附的水分（31个大气压），没有溶解能力，14毛管水毛管水：土壤孔隙中由：土壤孔隙中由毛管力毛管力所持有的所持有的水分水分毛管上升水毛管上升水：地下水：地下水凭借毛管作用上升凭借毛管作用上升进入到土壤孔隙进入到土壤孔隙中中毛管悬着水毛管悬着水：凭借：凭借毛管作用保持在靠近地面土层毛管作用保持在靠近地面土层中的中的水分水分重力水重力水：在重力作用下将沿土壤孔隙流动的在重力作用下将沿土壤孔隙流动的水水毛管水：土壤孔隙中由毛管力所持有的水分重力水：在重力作用下将153 3、土壤水分常数土壤水分常数土壤水分常数土壤水分常数某些特征条件下的土壤含水率某些特征条件下的土壤含水率最大吸湿量最大吸湿量：在饱和空气中，土壤能够吸附的最大水汽量：在饱和空气中，土壤能够吸附的最大水汽量。最大分子持水量最大分子持水量：由土粒分子力所结合的水分的最大量。：由土粒分子力所结合的水分的最大量。凋萎含水量凋萎含水量：植物根系无法从土壤中吸收水分，开始凋萎，：植物根系无法从土壤中吸收水分，开始凋萎，开始枯死时的土壤含水量。开始枯死时的土壤含水量。毛管断裂含水量毛管断裂含水量：毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水：毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水量。量。田间持水量：土壤中所能保持的最大毛管悬着水量。田间持水量：土壤中所能保持的最大毛管悬着水量。饱和含水量饱和含水量：土壤中所有孔隙被水充满时的土壤含水量：土壤中所有孔隙被水充满时的土壤含水量3、土壤水分常数土壤水分常数某些特征条件下的土壤含水率最大164 4、土壤水分常数土壤水分常数的水文学意义的水文学意义4、土壤水分常数的水文学意义17水文学原理(第四节)课件18第四节第四节 土壤水的能量状态土壤水的能量状态（Energy Status of Soil Water）毛管力毛管力：土壤中的毛管现象引：土壤中的毛管现象引起的力。起的力。土壤颗粒间细小的连通孔隙可土壤颗粒间细小的连通孔隙可视为视为毛管毛管。毛管中水气界面为。毛管中水气界面为一弯月面，弯月面下的液态水一弯月面，弯月面下的液态水因表面张力作用而承受吸持力，因表面张力作用而承受吸持力，该力又称该力又称毛管力毛管力。1 1、毛细现象和毛管力、毛细现象和毛管力第四节 土壤水的能量状态毛管力：土壤中的毛管现象引起的力。19 将毛管力分解为与管壁平行将毛管力分解为与管壁平行的力的力P P以及与管壁垂直的力，其中以及与管壁垂直的力，其中与管壁平行分力是使管内液体上与管壁平行分力是使管内液体上升的有效作用力，其值为：升的有效作用力，其值为：P Pcos cos 使水分上升的作用力为有效使水分上升的作用力为有效作用力作用力P P乘以管之圆周长乘以管之圆周长2r2r，即，即2rcos2rcos。如以如以H H表示毛管水上升达到平表示毛管水上升达到平衡时的水柱高度，则毛管力需要衡时的水柱高度，则毛管力需要克服的重力为：克服的重力为：H Hr r2 2g g 将毛管力分解为与管壁平行的力P以及与管壁垂直的力，其20当毛管力与重力相平衡时，当毛管力与重力相平衡时，毛管水上升达到最高毛管水上升达到最高,即即2rcos=2rcos=Hr2gHr2gH H2cos/rg2cos/rgrr毛管半径，毛管半径，cmcm。液体的密度，液体的密度，kg/mkg/m3 3 gg重力加速度重力加速度 m/sm/s2 2 液体的表面张力液体的表面张力 牛顿牛顿/m/m为弯月面与毛管之间的夹角为弯月面与毛管之间的夹角当毛管力与重力相平衡时，H2cos/rgr毛管半21若取水的密度若取水的密度=1=1，重力加速度，重力加速度g=9.8 m/sg=9.8 m/s2 2，完全，完全湿润湿润=0=0，cos=1cos=1，常温下，常温下=7.410=7.410-2-2 N/mN/m，则，则有近似公式有近似公式毛管力与毛细管半径成反比，毛管力与毛细管半径成反比，毛管愈细毛管力愈大毛管愈细毛管力愈大，毛细上升高度愈高。毛细上升高度愈高。若取水的密度=1，重力加速度g=9.8 m/s2，完全湿润222 2、土壤、土壤水分水分势势根据物理学，根据物理学，机械能机械能包括包括动能动能和和势能势能两种。由于土壤两种。由于土壤水运动很慢，一般可水运动很慢，一般可忽略动能忽略动能，用势能表示土壤水的用势能表示土壤水的能量能量（水土势水土势）。）。水土势水土势在土壤和水的平衡系统中，将单位质量的水在土壤和水的平衡系统中，将单位质量的水移动到标准参考状态的纯自由水体所做的功。移动到标准参考状态的纯自由水体所做的功。2、土壤水分势根据物理学，机械能包括动能和势能两种。由于土壤23势能势能作为一种功，作为一种功，等于等于作用在物体上的作用在物体上的力力和物体在力和物体在力的方向上的方向上移动距离移动距离的的乘积乘积。两点之间的两点之间的势能差势能差可可看作力看作力和和距离增量距离增量的的乘积乘积两点之间的两点之间的势梯度势梯度相当于相当于作用力作用力，负号表示作用力方，负号表示作用力方向指向势能减少的方向。向指向势能减少的方向。势能作为一种功，等于作用在物体上的力和物体在力的方向上移动距24标准参照状态标准参照状态：在大气压下，与土壤同温度、具在大气压下，与土壤同温度、具有固定高度的一个假想纯自由水面的储水池。有固定高度的一个假想纯自由水面的储水池。土水势分析的关键点土水势分析的关键点：1 1）标准）标准参照面的确定参照面的确定2 2）正方）正方向的确定向的确定标准参照状态：在大气压下，与土壤同温度、具有固定高度的一个25重力势（重力势（g g）指在其他条件不变的情况下，将指在其他条件不变的情况下，将单位数量的土壤水分单位数量的土壤水分从某一点移到参考面处对土壤水所做的功。从某一点移到参考面处对土壤水所做的功。以以单位重量的水为研究对象单位重量的水为研究对象，则重力势可直接用高，则重力势可直接用高度度Z Z表示。表示。重力势（g）以单位重量的水为研究对象，则重力势可直接用高26压力势压力势（p p）饱和土壤中任一深度处的水滴，因饱和土壤中任一深度处的水滴，因受到来自其上的水受到来自其上的水压力的压力的作用作用而具有的势能。而具有的势能。土壤水体积土壤水体积压力差压力差对于处于自由水面以下或土面有积水的土壤水，压力对于处于自由水面以下或土面有积水的土壤水，压力势为正。势为正。压力势（p）土壤水体积压力差对于处于自由水面以下或土面有27 基质基质势势（m m）由由分子力分子力和和毛管力毛管力引起的引起的土水势之和土水势之和。基质势。基质势降降低了土壤水的势能低了土壤水的势能，一般取自由水面为，一般取自由水面为0 0势面，基质势势面，基质势低于低于0 0势面，势面，恒为负值恒为负值。基质势基质势可用可用毛管水上升高度的负值毛管水上升高度的负值表示。表示。基质势基质势是是土壤含水量的函数土壤含水量的函数。基质势（m）28 溶质溶质势势（s s）溶质势溶质势亦称渗透势，是由于溶质颗粒的存在，亦称渗透势，是由于溶质颗粒的存在，降降低了水的自由能低了水的自由能，因而其水势低于纯水的水势，因而其水势低于纯水的水势,这种水这种水势差即为溶质势。因为纯水水势被定为零，所以势差即为溶质势。因为纯水水势被定为零，所以溶质溶质势为负值势为负值。溶质势（s）29总水土势总水土势1 1）非饱和土壤中，）非饱和土壤中，总水土势总水土势=基质势基质势+重力势重力势2 2）在饱和土壤中，）在饱和土壤中，总水土势总水土势=压力势压力势+重力势重力势土壤水的运动方向土壤水的运动方向总是从总是从总势大的地方总势大的地方指向指向总势小总势小的地方的地方。当当土壤水土壤水总势梯度总势梯度00时，土壤水就处于时，土壤水就处于运动状态运动状态。当当土壤水土壤水总势梯度总势梯度=0=0时，土壤水就处于时，土壤水就处于静止状态静止状态。总水土势土壤水的运动方向总是从总势大的地方指向总势小的地方。30例题例题1 1 有有一一“U”“U”形土柱，一端浸泡在水槽中。水槽的水面保持形土柱，一端浸泡在水槽中。水槽的水面保持不变，假定土柱无蒸发，土柱内也无土壤水运动。试确定土柱不变，假定土柱无蒸发，土柱内也无土壤水运动。试确定土柱中各点的水土势。中各点的水土势。例题1 有一“U”形土柱，一端浸泡在水槽中。水槽的水面31例题例题 2 2有两个不同的土壤剖面，均为有两个不同的土壤剖面，均为表层干燥、下层湿润。实测得表层干燥、下层湿润。实测得到到A A点的基质势为点的基质势为-120cm-120cm，B B点点的基质势的基质势-80cm-80cm，C C点的基质势点的基质势-300cm300cm，D D点的基质势点的基质势-80cm-80cm。A A、C C两点与下参考面距离均为两点与下参考面距离均为200cm200cm，B B、D D两点与参考面的距两点与参考面的距离均为离均为100cm100cm，试分析两个不同，试分析两个不同土壤水分剖面中的水流方向。土壤水分剖面中的水流方向。ABCD100cm100cm例题 2有两个不同的土壤剖面，均为表层干燥、下层湿润。实测得32设参考面土水势为设参考面土水势为0 0，各点的总势能为：，各点的总势能为：土壤剖面中的土壤剖面中的水是从水是从A A点流向点流向B B点点，由由D D点流向点流向C C点点。设参考面土水势为0，各点的总势能为：土壤剖面中的水是从A点流333 3、土壤水分、土壤水分特性曲线特性曲线土壤水分特性曲线土壤水分特性曲线反映基质势与土壤含水率之间关反映基质势与土壤含水率之间关系的曲线。系的曲线。湿化过程线湿化过程线：吸水过程中，土壤水分基质势随含水率：吸水过程中，土壤水分基质势随含水率的变化曲线。的变化曲线。干化过程线干化过程线：对饱和后的同一土壤进行干化，得到的：对饱和后的同一土壤进行干化，得到的土壤水分基质势随含水率的变化曲线。土壤水分基质势随含水率的变化曲线。3、土壤水分特性曲线土壤水分特性曲线反映基质势与土壤含水率34土壤水力特性的滞后现象土壤水力特性的滞后现象指湿化过程的含水率随基质指湿化过程的含水率随基质势的变化落后于干化过程。势的变化落后于干化过程。土壤含水率越大土壤含水率越大，分子，分子力与毛管力越小，基质势力与毛管力越小，基质势越小。越小。土壤含水率越小土壤含水率越小，分子，分子力与毛管力越大，基质势力与毛管力越大，基质势越大。越大。同一含水率下同一含水率下，脱水过，脱水过程基质势大于吸水过程。程基质势大于吸水过程。土壤水力特性的滞后现象指湿化过程的含水率随基质势的变化落后于35不同土壤质地不同土壤质地，其，其曲线是不同的曲线是不同的不同土壤结构不同土壤结构，其，其曲线也是不同的曲线也是不同的不同土壤质地，其曲线是不同的36第五节第五节 土壤水运动的控制方程土壤水运动的控制方程（Equation of Soil Water Flow）n土壤水运动土壤水运动主要指土壤水中主要指土壤水中液态水液态水的流动。的流动。n土壤物理特性土壤物理特性在空间各个方向上都相同在空间各个方向上都相同时称为时称为均质土壤均质土壤，否则，称为否则，称为非均质土壤非均质土壤。n土壤孔隙体积全部被水充满时土壤孔隙体积全部被水充满时，称为，称为饱和土壤饱和土壤；反之，称；反之，称为为非饱和土壤非饱和土壤。n饱和土壤饱和土壤为为土粒土粒和和水水组成的二相物质系统。在饱和状态下，组成的二相物质系统。在饱和状态下，土壤水在土壤水在重力势重力势和和压力势压力势作用下产生饱和水流运动，属于作用下产生饱和水流运动，属于自由重力水渗流自由重力水渗流。第五节 土壤水运动的控制方程土壤水运动主要指土壤水中液态水371 1、土壤水流的连续方程、土壤水流的连续方程物质守恒定律物质守恒定律单位时间内，流入控单位时间内，流入控制体的水量制体的水量-流出控流出控制体的水量制体的水量=控制体控制体内土壤水的改变量内土壤水的改变量1、土壤水流的连续方程物质守恒定律38 设想设想从非饱和土壤中取出一个微分体，由于土壤水的运从非饱和土壤中取出一个微分体，由于土壤水的运动，在动，在dtdt时段内从时段内从x x方向进入该微分体的水质量为：方向进入该微分体的水质量为：从该微分体中流出的水质量为：从该微分体中流出的水质量为：设想从非饱和土壤中取出一个微分体，由于土壤水的运动，39在在x x方向上净进入该微分体的水质量为以上两方向上净进入该微分体的水质量为以上两项之项之差差在x方向上净进入该微分体的水质量为以上两项之差40土体的土体的净入流量净入流量等于等于土体水量变化土体水量变化土壤容积含水率土体的净入流量等于土体水量变化土壤容积含水率412 2、土壤水的运动方程、土壤水的运动方程Henry Darcy(1803-1858)一维饱和水流的一维饱和水流的达西公式达西公式渗透系数，反映土壤透渗透系数，反映土壤透水特性水特性水力坡度（单位水力坡度（单位距离水头损失）距离水头损失）总水头（总势）总水头（总势）流程流程2、土壤水的运动方程Henry Darcy一维饱和水流的达西42非饱和水流的达西公式非饱和水流的达西公式 在在非饱和水流时非饱和水流时，由于土壤中有空气存在，有效过水面，由于土壤中有空气存在，有效过水面积随含水率减小而减少，积随含水率减小而减少，渗透系数不是一个常数渗透系数不是一个常数，而是随土，而是随土壤含水量的变化而变化，壤含水量的变化而变化，是土壤含水量的函数是土壤含水量的函数。非饱和水流的达西公式 在非饱和水流时，由于土壤中有空气43非饱和土壤中，总势为基质势与重力势之和。非饱和土壤中，总势为基质势与重力势之和。土壤水土壤水的流向的流向以以总势梯度的方向确定总势梯度的方向确定。如果。如果垂直方向梯度为零垂直方向梯度为零，便是，便是水平流水平流；若；若水平方向含水平方向含水率均一水率均一，其，其势梯度为零势梯度为零，则是，则是垂向水流垂向水流（下渗（下渗或蒸发时的土壤水运动）。或蒸发时的土壤水运动）。非饱和土壤中，总势为基质势与重力势之和。土壤水的流向44水平流垂向水流垂向水流水平流垂向水流453 3、均质土壤非饱和水流的基本微分方程、均质土壤非饱和水流的基本微分方程均质土壤三维非饱和水流运动的基本微分方程均质土壤三维非饱和水流运动的基本微分方程可联解连续方程式和运动方程式得到。可联解连续方程式和运动方程式得到。3、均质土壤非饱和水流的基本微分方程均质土壤三维非饱和水流运464 4、饱和水流的基本微分方程、饱和水流的基本微分方程当含水率达到饱和时，当含水率达到饱和时，代入非饱和土壤水流基本微分方程，变为代入非饱和土壤水流基本微分方程，变为因毛管势为因毛管势为0 0，总势等于重力势，总势等于重力势，K K为渗透系数，故有为渗透系数，故有4、饱和水流的基本微分方程当含水率达到饱和时，代入非饱和土壤47课程小结课程小结 理解降雨基本要素的概念；理解降雨基本要素的概念；掌握降雨特征表示方法，流域降雨掌握降雨特征表示方法，流域降雨量计算方法，降雨、水文资料的插补方量计算方法，降雨、水文资料的插补方法，以及不同方法的使用条件。法，以及不同方法的使用条件。课程小结 理解降雨基本要素的概念；48思考题与作业思考题与作业 已知窟野河流域温家川水文站已知窟野河流域温家川水文站20132013年的月降年的月降雨资料（雨资料（mmmm）,请绘制该年度降雨过程线及降雨量请绘制该年度降雨过程线及降雨量累积曲线。累积曲线。2013年年1月月2月月3月月4月月5月月6月月7月月8月月9月月10月月11月月12月月1.21.42.95.220.5146.6131.1111.442.26.27.11.2思考题与作业 已知窟野河流域温家川水文站2049