第六章 包氣帶水

1、第第6 6章章 包氣帶水包氣帶水u 6.1 6.1 包氣帶包氣帶u 6.2 6.2 毛細水和毛細現(xiàn)象毛細水和毛細現(xiàn)象u 6.3 6.3 土壤水勢及其組成土壤水勢及其組成u 6.4 6.4 包氣帶水的分布與運動規(guī)律包氣帶水的分布與運動規(guī)律 u 6.5 6.5 研究包氣帶水的主要領域及其意義研究包氣帶水的主要領域及其意義本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：概念概念地表以下，地下水面以上，未被地表以下，地下水面以上，未被水充滿的巖土層為水充滿的巖土層為包氣帶包氣帶。v特點特點： 巖土空隙未被水充滿巖土空隙未被水充滿 是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì)是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì) v水的存在形式（多樣）水的存在形式（多樣）

2、 結合水、毛細水（支持、懸掛和孔角毛細水）、氣態(tài)結合水、毛細水（支持、懸掛和孔角毛細水）、氣態(tài)水、水、（過路）（過路）重力水重力水v包氣帶的垂直分帶包氣帶的垂直分帶 土壤水帶土壤水帶 毛細水帶（支持毛細水帶毛細水帶（支持毛細水帶、毛細飽和水帶毛細飽和水帶） 中間帶（過渡帶）中間帶（過渡帶）v包氣帶水的包氣帶水的來源來源 大氣降水的入滲、地表水體的滲漏、飽水帶水分上移（大氣降水的入滲、地表水體的滲漏、飽水帶水分上移（毛細水進入包氣帶、地下水蒸發(fā)進入包氣帶）毛細水進入包氣帶、地下水蒸發(fā)進入包氣帶） 6.2.1 概念概念 毛細水毛細水：依靠毛細力而保持在毛細空隙中的水。：依靠毛細力而保持在毛細空隙中

3、的水。 毛細空隙毛細空隙：是巖土中的細小空隙，一般指直徑小于：是巖土中的細小空隙，一般指直徑小于1mm1mm的孔隙或寬度的孔隙或寬度小于小于0.25mm0.25mm的裂隙。的裂隙。 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象：將一根玻璃毛細管插入水中，毛細管內(nèi)的水面即會上升：將一根玻璃毛細管插入水中，毛細管內(nèi)的水面即會上升到一定高度，這便是發(fā)生在固、液、氣三相界面上的毛細現(xiàn)象。到一定高度，這便是發(fā)生在固、液、氣三相界面上的毛細現(xiàn)象。 毛細水類型毛細水類型：1 1、支持毛細水：存在于飽水帶以上并與地下水面相連的毛細空隙、支持毛細水：存在于飽水帶以上并與地下水面相連的毛細空隙中的水。能傳遞靜水壓力，當溫度低于中的水。能傳遞

4、靜水壓力，當溫度低于00時冰結。時冰結。 2 2、懸掛毛細水：存在于包氣帶并與地下水面不相連的毛細空隙中、懸掛毛細水：存在于包氣帶并與地下水面不相連的毛細空隙中的水。呈的水。呈“懸掛懸掛”狀態(tài)，經(jīng)蒸發(fā)后消失。狀態(tài)，經(jīng)蒸發(fā)后消失。3 3、孔角毛細水（觸點毛細水）：顆粒與顆粒接觸處孔隙狹窄地方、孔角毛細水（觸點毛細水）：顆粒與顆粒接觸處孔隙狹窄地方呈點滴狀態(tài)的水。結合緊密，不易移動。呈點滴狀態(tài)的水。結合緊密，不易移動。 6.2.2 毛細現(xiàn)象的實質(zhì)毛細現(xiàn)象的實質(zhì) 毛細現(xiàn)象的產(chǎn)生與表面張力有關。毛細現(xiàn)象的產(chǎn)生與表面張力有關。表面張力：設想在液面上劃一根長表面張力：設想在液面上劃一根長度為度為L的線段，

5、此線段兩邊的液面的線段，此線段兩邊的液面，以一定的力相互吸引，力的作用，以一定的力相互吸引，力的作用方向平行于液面而與此線段垂直，方向平行于液面而與此線段垂直，大小與線段長度大小與線段長度 成正比，即為表面成正比，即為表面張力，力的大小表示為：張力，力的大小表示為：f=L 為液體表面張力系數(shù)。為液體表面張力系數(shù)。彎液面產(chǎn)生的附加壓強，稱為毛彎液面產(chǎn)生的附加壓強，稱為毛細壓強，記為細壓強，記為PC。PC大小大小設想切取一個半徑為設想切取一個半徑為R的半圓球的半圓球形液面（右圖）。在此液面的圓形液面（右圖）。在此液面的圓周狀邊線上都存在著指向液層內(nèi)周狀邊線上都存在著指向液層內(nèi)部的表面張力；表面張力

6、合力部的表面張力；表面張力合力f為為*2R ，作用于垂直于面積為，作用于垂直于面積為R2 的投影圓面。表面張力所引的投影圓面。表面張力所引起的附加表面壓強起的附加表面壓強PC為：為： 由于表面張力的作用，彎曲的液面將對液面以內(nèi)的液體產(chǎn)生附加由于表面張力的作用，彎曲的液面將對液面以內(nèi)的液體產(chǎn)生附加表面壓強表面壓強PC，附加表面壓強總是指向液體表面的曲率中心方向。，附加表面壓強總是指向液體表面的曲率中心方向。當液面為凸面時，彎液面承受的壓強為當液面為凸面時，彎液面承受的壓強為P=P0+PC，當液面為凹面時，彎液面承受的壓強為當液面為凹面時，彎液面承受的壓強為P=P0-PC，6.2.3 毛細負壓計算

7、毛細負壓計算 毛細管在水中的凹形彎液面產(chǎn)生的附加壓強毛細管在水中的凹形彎液面產(chǎn)生的附加壓強PC ，是個負壓強，稱，是個負壓強，稱為毛細壓強（或毛細負壓）。凹形彎液面的水，由于表面張力的作用為毛細壓強（或毛細負壓）。凹形彎液面的水，由于表面張力的作用，要比平的液面小一個相當于，要比平的液面小一個相當于PC的壓強；或者說，凹形彎液面下的水的壓強；或者說，凹形彎液面下的水存在一個相當于存在一個相當于PC 的真空值。的真空值。 若將若將PC 換算為水柱高度（以換算為水柱高度（以m為單位），并以為單位），并以HC 表示，則：表示，則： 式中：式中：為水的密度，為水的密度，g為重力加速度，為重力加速度，為

8、表面張力系數(shù)，為表面張力系數(shù)，D為毛細管直徑，為毛細管直徑，mm。6.2.4 毛細負壓測定毛細負壓測定 采用張力計測定包氣帶的毛細壓力水頭采用張力計測定包氣帶的毛細壓力水頭hc。張力計是一端帶有陶土。張力計是一端帶有陶土多孔杯的沖水彎管，多孔杯充水后透水而不透氣。將多孔杯插入土中多孔杯的沖水彎管，多孔杯充水后透水而不透氣。將多孔杯插入土中，經(jīng)過一段時間后，張力計中的水與土中的水達到平衡，在彎管開口，經(jīng)過一段時間后，張力計中的水與土中的水達到平衡，在彎管開口部分顯示一個穩(wěn)定的水位。由此水位到放置多孔杯處的垂直距離就是部分顯示一個穩(wěn)定的水位。由此水位到放置多孔杯處的垂直距離就是hc ，如下圖。，如

9、下圖。毛細負壓測定示意圖毛細負壓測定示意圖飽水帶中任意一點的水頭值飽水帶中任意一點的水頭值 H可表示為：可表示為： HZ十十hp包氣帶中任意一點的水頭值包氣帶中任意一點的水頭值 H可表示為：可表示為： HZ-hc 式中：式中：Z -基準面高度基準面高度(位置水頭位置水頭)；hp 測壓高測壓高度度(壓力水頭壓力水頭)； hc 毛細負壓。毛細負壓。若取潛水面為基準，潛水面處任一點飽水帶水若取潛水面為基準，潛水面處任一點飽水帶水頭值為頭值為: H=0 ( Z0，hp=o)； 若包氣帶支持毛細水的彎液面位于潛水面處（若包氣帶支持毛細水的彎液面位于潛水面處（右圖右圖B點），則該點上支持毛細水的水頭值為點

10、），則該點上支持毛細水的水頭值為： HZ-hc=-hc 6.2.5 支持毛細水上升高度支持毛細水上升高度 B點即比周圍潛水面水頭低點即比周圍潛水面水頭低 ，則在此，則在此水頭差驅動下，支持毛細水將上升。水頭差驅動下，支持毛細水將上升。當支持毛細水彎液面上升到當支持毛細水彎液面上升到 hc處時，處時，彎液面處（圖彎液面處（圖56，c點）的水頭為點）的水頭為H0， 此時支持毛細水帶的水頭與潛此時支持毛細水帶的水頭與潛水面上重力水水頭相等，支持毛細水水面上重力水水頭相等，支持毛細水的彎液面即停留于潛水面的上的彎液面即停留于潛水面的上 hc處而處而不再上升。最大毛細上升高度即為不再上升。最大毛細上升高

11、度即為 hc 。最大毛細上升高度與毛細管直徑成反最大毛細上升高度與毛細管直徑成反比；所以顆粒細土，最大毛細上升高比；所以顆粒細土，最大毛細上升高度也大。度也大。土的最大毛細上升高度土的最大毛細上升高度據(jù)西林據(jù)西林別克丘林，別克丘林，1958 6.2.6 懸掛毛細水高懸掛毛細水高度度 毛細力與重力的平衡如下圖所示，在上層顆粒細而下層顆粒粗的毛細力與重力的平衡如下圖所示，在上層顆粒細而下層顆粒粗的層狀土中，細粒層中可形成懸掛毛細水。此時，懸掛毛細水的上端均層狀土中，細粒層中可形成懸掛毛細水。此時，懸掛毛細水的上端均出現(xiàn)彎液面，下端的彎液面可以是凸的、平的或凹的。出現(xiàn)彎液面，下端的彎液面可以是凸的、

12、平的或凹的。 指向液面凹側的箭頭表示毛指向液面凹側的箭頭表示毛細力，由于水柱重心向下的細力，由于水柱重心向下的箭頭表示重力，線段長度代箭頭表示重力，線段長度代表力的大小表力的大小 。6.3.1 土壤水勢土壤水勢 土壤水勢：土壤水勢：是指單位數(shù)量的水所具有的能量與其在是指單位數(shù)量的水所具有的能量與其在 參照狀態(tài)下所具參照狀態(tài)下所具有的能量差。有的能量差。土壤水勢土壤水勢H:w w總水勢，總水勢，gg重力勢；重力勢；pp壓力勢，包括基質(zhì)勢壓力勢，包括基質(zhì)勢cc和氣壓勢和氣壓勢aa ；ss溶質(zhì)勢（滲透壓勢）；溶質(zhì)勢（滲透壓勢）；t t溫度勢。溫度勢。 6.3.2 各勢物理意義各勢物理意義 重力勢：重

13、力勢：物體從基準面移至某一高于基準面的位置時，需要克服由于地球引力而產(chǎn)生的重力作用，因而必須對物體做功，這種功以重力勢能的形式儲存于物體中。 壓力勢：相對于大氣壓所存在的勢能差。壓力勢：相對于大氣壓所存在的勢能差?；|(zhì)勢：由非飽和基質(zhì)對水的吸附力和毛細力產(chǎn)生的。基質(zhì)勢：由非飽和基質(zhì)對水的吸附力和毛細力產(chǎn)生的。溶質(zhì)勢：溶質(zhì)勢：由于可溶性物質(zhì)（例如鹽類），溶解于土壤溶液中，降低了土壤溶液的勢能所致。溫度勢：溫度勢：是由包氣帶中各點溫度與以熱力學確定的標準參照狀態(tài)的溫度之差所決定的。 實際情況下，基本忽略溫度勢的存在。研究飽水帶時主要考慮重力勢和壓實際情況下，基本忽略溫度勢的存在。研究飽水帶時主要考

14、慮重力勢和壓力勢，研究包氣帶時主要考慮重力勢和基質(zhì)勢，研究植物根系吸水則需要力勢，研究包氣帶時主要考慮重力勢和基質(zhì)勢，研究植物根系吸水則需要考慮考慮 溶質(zhì)勢。溶質(zhì)勢。6.4.1 包氣帶水分分布包氣帶水分分布在理想條件下，即在理想條件下，即包氣帶由均質(zhì)土包氣帶由均質(zhì)土構成，無蒸發(fā)無入滲情況下，包氣構成，無蒸發(fā)無入滲情況下，包氣帶水水分分布穩(wěn)定帶水水分分布穩(wěn)定時，含水量的垂時，含水量的垂向分布如圖向分布如圖c所示。土層含水量的所示。土層含水量的變化從上至下可分：變化從上至下可分：殘留含水帶、支持毛細水帶及毛細殘留含水帶、支持毛細水帶及毛細飽和帶。飽和帶。 殘留含水帶殘留含水帶：由地表向下某：由地表

15、向下某一深度內(nèi)含水量基本為一定值，稱一深度內(nèi)含水量基本為一定值，稱為殘留含水量（為殘留含水量（ W0），相當于持），相當于持水度。構成土層殘留含水量的孔隙水度。構成土層殘留含水量的孔隙中的水包括中的水包括結合水、孔隙毛細水與結合水、孔隙毛細水與部分懸掛毛細水部分懸掛毛細水（參見圖（參見圖a放大圖放大圖、）、）。包氣帶水分布圖包氣帶水分布圖 支持毛細水帶支持毛細水帶：土層含水量：土層含水量隨著接近潛水面而增高（參見隨著接近潛水面而增高（參見圖圖a放大圖）。由連通不同孔放大圖）。由連通不同孔隙途徑的毛細層的毛細水高度隙途徑的毛細層的毛細水高度構成。構成。 毛細飽和帶毛細飽和帶：支持毛細水帶：支持毛

16、細水帶的下部，位于潛水面之上，土的下部，位于潛水面之上，土層孔隙充滿水，含水量飽和（層孔隙充滿水，含水量飽和（體積含水量相當于孔隙度）（體積含水量相當于孔隙度）（參見圖參見圖a放大圖）。放大圖）。包氣帶水分布圖包氣帶水分布圖6.4.2 6.4.2 包氣帶毛細負壓（包氣帶毛細負壓（h hc c），滲透系數(shù)（），滲透系數(shù)（K K）與含水量（）與含水量（w w）間的關系間的關系l W W越小，越小，h hc c越大。越大。 隨著含水量的降低，毛細水退縮到孔隙更加細小處，彎液面的曲率增隨著含水量的降低，毛細水退縮到孔隙更加細小處，彎液面的曲率增大（曲率半徑變小），造成毛細負壓的負值更大。大（曲率半徑變

17、小），造成毛細負壓的負值更大。因此，毛細負壓是含水量的函數(shù)：因此，毛細負壓是含水量的函數(shù)：hc=hc(W) l W越小，越小，K越小。越小。在包氣帶中，滲透系數(shù)在包氣帶中，滲透系數(shù)K隨著含水量的變小而迅速降低，隨著含水量的變小而迅速降低，K也是含水量的函數(shù)：也是含水量的函數(shù)： K=K（W） 主要原因：主要原因： 含水量降低，實際過水斷面隨之減?。缓拷档?，實際過水斷面隨之減小； 含水量降低，水流實際流動途徑的彎曲度增加；含水量降低，水流實際流動途徑的彎曲度增加； 含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流動，阻力增加。含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流動，阻力增加。6.4.3 6

18、.4.3 包氣帶水運動規(guī)律包氣帶水運動規(guī)律1、運動定律、運動定律 包氣帶水的非飽和流動，仍可用達西定律描述。作一維垂直下滲運動時，包氣帶水的非飽和流動，仍可用達西定律描述。作一維垂直下滲運動時，滲透流速可表示為：滲透流速可表示為： 2、運動速度運動速度 降水入滲補給均質(zhì)包氣帶，在地表形成一極薄水層（其厚度可忽略），降水入滲補給均質(zhì)包氣帶，在地表形成一極薄水層（其厚度可忽略），則當活塞式下滲水的前鋒到達深度則當活塞式下滲水的前鋒到達深度Z處時，位置水頭為處時，位置水頭為-Z（取地面為基準，向（取地面為基準，向上為正），前鋒處彎液面造成的毛細壓力水頭為上為正），前鋒處彎液面造成的毛細壓力水頭為hc

19、 則任一時刻則任一時刻t的入滲速率，的入滲速率，即垂向滲透流速為：即垂向滲透流速為： 入滲初期，入滲初期，Z 很小，很小，hc / Z 值很大，入滲速度很大；值很大，入滲速度很大； t 增大，增大，Z 增大，增大， hc / Z 0，VtK。0()(1)ccctZhZhhVKKKZZZ 3 3、包氣帶水和飽水帶水運動的差異、包氣帶水和飽水帶水運動的差異（1)1)包氣帶存在毛細負壓或基質(zhì)勢，但飽水帶不存在包氣帶存在毛細負壓或基質(zhì)勢，但飽水帶不存在（2)2)包氣帶任一點的壓力水頭是含水量的函數(shù)，但穩(wěn)定流條件下飽水帶任包氣帶任一點的壓力水頭是含水量的函數(shù)，但穩(wěn)定流條件下飽水帶任一點的壓力水頭是定值。

20、一點的壓力水頭是定值。（3 3）包氣帶的滲透系數(shù)水含水量的降低急劇變小，但飽水帶的滲透系數(shù)一）包氣帶的滲透系數(shù)水含水量的降低急劇變小，但飽水帶的滲透系數(shù)一般不變般不變6.5 6.5 包氣帶的研究領域及其意義包氣帶的研究領域及其意義6.5.1 6.5.1 研究包氣帶的領域研究包氣帶的領域研究包氣帶領域的學科主要有：水文地質(zhì)學、水文學、土壤物理學、研究包氣帶領域的學科主要有：水文地質(zhì)學、水文學、土壤物理學、農(nóng)田水利學、環(huán)境科學與工程、巖土工程等。農(nóng)田水利學、環(huán)境科學與工程、巖土工程等。包氣帶是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，水文學家和水文地質(zhì)學家通常研究大包氣帶是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，水文學家和水文地質(zhì)學家通常

21、研究大氣降水氣降水- -地表水地表水- -土壤水土壤水- -地下水的相互轉化關系。地下水的相互轉化關系。環(huán)境科學與工程領域研究包氣帶，主要是查明污染物在包氣帶的輸運、環(huán)境科學與工程領域研究包氣帶，主要是查明污染物在包氣帶的輸運、轉化與歸宿機理。轉化與歸宿機理。巖土工程領域研究包氣帶，主要是研究非飽和土的物理力學和物理化巖土工程領域研究包氣帶，主要是研究非飽和土的物理力學和物理化學性質(zhì)，為巖土工程建設服務。學性質(zhì)，為巖土工程建設服務。6.5.2 6.5.2 水文地質(zhì)意義水文地質(zhì)意義1 1、地下水面之上的支持毛細水的垂向運動，影響著地下水面接受入滲補給、地下水面之上的支持毛細水的垂向運動，影響著地下水面