水文學(xué)原理(第四節(jié)1)課件

土壤水(SoilWater)內(nèi)容提綱①土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)②土壤中的“三相”關(guān)系③土壤水的作用力④土壤水的能量狀態(tài)土壤水內(nèi)容提綱①土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)1目標(biāo)一：理解土壤水的作用力目標(biāo)二：理解土壤水的能量狀態(tài)教學(xué)目標(biāo)難點(diǎn)一：不同土壤條件下的作用力難點(diǎn)二：不同土壤條件下的能量狀態(tài)學(xué)習(xí)難點(diǎn)土壤水(SoilWater)目標(biāo)一：理解土壤水的作用力教學(xué)目標(biāo)難點(diǎn)一：不同土壤條件下的作2第一節(jié)土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)（

SoiltextureandStructure

）1、土壤的質(zhì)地土壤：陸地表面由礦物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)、水、空氣和生物組成，具有肥力，能生長(zhǎng)植物的未固結(jié)層。第一節(jié)土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)1、土壤的質(zhì)地土壤：陸地表面由礦物3土壤的質(zhì)地——土壤中所含的團(tuán)體顆粒的大小,即粒徑大小。一般將土壤中的固體顆粒的粒徑分成三種粒徑范圍：砂粒、粉粒和粘粒。粘粒粉砂細(xì)砂粗砂粒徑（微米）1-22-2020-200200-20001毫米(mm)=1000微米(um)土壤的質(zhì)地——土壤中所含的團(tuán)體顆粒的大小,即粒徑大小。一般將4土壤質(zhì)地三角形土壤質(zhì)地三角形5我國(guó)土壤質(zhì)地分類我國(guó)土壤質(zhì)地分類62、土壤的結(jié)構(gòu)第一節(jié)土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)（

SoiltextureandStructure

）指土壤中固體顆粒的排列方式，排列方向和團(tuán)聚狀況，有時(shí)也指土壤中孔隙的幾何形狀及大小。2、土壤的結(jié)構(gòu)第一節(jié)土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)指土壤中固體7第二節(jié)土壤中的“三相”關(guān)系（

ThreePhasesofSoilSystem

）土壤是一個(gè)“三相”共存的體系：固相:固體顆粒液相:孔隙中的水氣相：孔隙中的空氣第二節(jié)土壤中的“三相”關(guān)系土壤是一個(gè)“三相”共存的體系：8與土壤“三相”有關(guān)的土壤物理量表示土壤中固相比例的物理量與土壤“三相”有關(guān)的土壤物理量表示土壤中固相比例的物理量9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10表示土壤中氣相比例的物理量表示土壤中氣相比例的物理量111、土壤水作用力第三節(jié)土壤水的作用力（

TheForceofSoilWater）分子力：土壤顆粒表面的分子對(duì)水分子的吸引力重力：土壤中水分受到的地心引力1、土壤水作用力第三節(jié)土壤水的作用力分子力：土壤顆粒表面12毛管力：土壤中的毛管現(xiàn)象引起的力。土壤顆粒間細(xì)小的連通孔隙可視為毛管。毛管中水氣界面為一彎月面，彎月面下的液態(tài)水因表面張力作用而承受吸持力，該力又稱毛管力。毛管力：土壤中的毛管現(xiàn)象引起的力。13毛細(xì)現(xiàn)象：當(dāng)水與毛管接觸時(shí)，由于管壁對(duì)水分子的吸附力大于水分子之間的內(nèi)聚力，在毛管中形成凹形的彎月面，使液體表面變大；因表面張力和收縮的作用，迫使液面又趨向水平，管內(nèi)液體隨著上升，以減少面積。這樣，直到表面張力向上的拉引力與毛管內(nèi)升高的液柱重量達(dá)到平衡時(shí)，管內(nèi)的液體停止上升，該現(xiàn)象為毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象：當(dāng)水與毛管接觸時(shí)，由于管壁對(duì)水分子的吸附力大于水分14土壤水結(jié)合水自由水薄膜水吸濕水毛管水重力水毛管懸著水支持毛管水對(duì)水文現(xiàn)象影響不大影響徑流形成的重要組分2、土壤水分類土結(jié)合水自由水薄膜水吸濕水毛管水重力水毛管懸著水支持毛管水對(duì)15吸濕水：由分子力所吸附的水分（31個(gè)大氣壓），沒有溶解能力，不能移動(dòng)。薄膜水：由土粒剩余分子力所吸附在吸濕水層外的水（31—6.25個(gè)大氣壓）吸濕水：由分子力所吸附的水分（31個(gè)大氣壓），沒有溶解能力，16毛管水：土壤孔隙中由毛管力所持有的水分毛管上升水：地下水憑借毛管作用上升進(jìn)入到土壤孔隙中毛管懸著水：憑借毛管作用保持在靠近地面土層中的水分重力水：在重力作用下將沿土壤孔隙流動(dòng)的水毛管水：土壤孔隙中由毛管力所持有的水分重力水：在重力作用下將173、土壤水分常數(shù)土壤水分常數(shù)—某些特征條件下的土壤含水率最大吸濕量：在飽和空氣中，土壤能夠吸附的最大水汽量。最大分子持水量：由土粒分子力所結(jié)合的水分的最大量。凋萎含水量：植物根系無法從土壤中吸收水分，開始凋萎，開始枯死時(shí)的土壤含水量。毛管斷裂含水量：毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開始斷裂時(shí)的含水量。田間持水量：土壤中所能保持的最大毛管懸著水量。飽和含水量：土壤中所有孔隙被水充滿時(shí)的土壤含水量3、土壤水分常數(shù)土壤水分常數(shù)—某些特征條件下的土壤含水率最大184、土壤水分常數(shù)的水文學(xué)意義4、土壤水分常數(shù)的水文學(xué)意義19水文學(xué)原理(第四節(jié)1)課件20習(xí)題①根據(jù)土壤水分受力作用把土壤水分為3類，不包括【】A吸附水B毛管水

C重力水D毛管懸著水②土壤中對(duì)植物最有效的水分是【】A吸濕水B毛管水C重力水習(xí)題①根據(jù)土壤水分受力作用把土壤水分為3類，不包括【】21第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)（

EnergyStatusofSoilWater）毛管力：土壤中的毛管現(xiàn)象引起的力。土壤顆粒間細(xì)小的連通孔隙可視為毛管。毛管中水氣界面為一彎月面，彎月面下的液態(tài)水因表面張力作用而承受吸持力，該力又稱毛管力。1、毛細(xì)現(xiàn)象和毛管力第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)毛管力：土壤中的毛管現(xiàn)象引起的力。22

將毛管力分解為與管壁平行的力P以及與管壁垂直的力，其中與管壁平行分力是使管內(nèi)液體上升的有效作用力，其值為：P＝σcosθ使水分上升的作用力為有效作用力P乘以管之圓周長(zhǎng)2πr，即2πrσcosθ。如以H表示毛管水上升達(dá)到平衡時(shí)的水柱高度，則毛管力需要克服的重力為：H×πr2×ρg將毛管力分解為與管壁平行的力P以及與管壁垂直的力，其23當(dāng)毛管力與重力相平衡時(shí)，毛管水上升達(dá)到最高,即2πrσcosθ=H×πr2×ρgH＝2σcosθ/rρgr——毛管半徑，cm。ρ——液體的密度，kg/m3

g——重力加速度m/s2

σ——液體的表面張力牛頓/mθ——為彎月面與毛管之間的夾角當(dāng)毛管力與重力相平衡時(shí)，H＝2σcosθ/rρgr——毛管半24若取水的密度ρ=1000kg/m3，重力加速度g=9.8m/s2，完全濕潤(rùn)θ=0，cosθ=1，常溫下σ=7.4×10-2N/m，則有近似公式毛管力與毛細(xì)管半徑成反比，毛管愈細(xì)毛管力愈大，毛細(xì)上升高度愈高。

若取水的密度ρ=1000kg/m3，重力加速度g=9.8m252、土壤水分勢(shì)根據(jù)物理學(xué)，機(jī)械能包括動(dòng)能和勢(shì)能兩種。由于土壤水運(yùn)動(dòng)很慢，一般可忽略動(dòng)能，用勢(shì)能表示土壤水的能量（水土勢(shì)）。水土勢(shì)—在土壤和水的平衡系統(tǒng)中，將單位質(zhì)量的水移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)的純自由水體所做的功。標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)：在大氣壓下，與土壤同溫度、具有固定高度的一個(gè)假想純自由水面的儲(chǔ)水池。土水勢(shì)分析的關(guān)鍵點(diǎn)：1）標(biāo)準(zhǔn)參照面的確定2）正方向的確定2、土壤水分勢(shì)根據(jù)物理學(xué)，機(jī)械能包括動(dòng)能和勢(shì)能兩種。由于土壤26勢(shì)能作為一種功，等于作用在物體上的力和物體在力的方向上移動(dòng)距離的乘積。兩點(diǎn)之間的勢(shì)能差可看作力和距離增量的乘積兩點(diǎn)之間的勢(shì)梯度相當(dāng)于作用力，負(fù)號(hào)表示作用力方向指向勢(shì)能減少的方向。勢(shì)能作為一種功，等于作用在物體上的力和物體在力的方向上移動(dòng)距27重力勢(shì)（ψg）指在其他條件不變的情況下，將單位數(shù)量的土壤水分從某一點(diǎn)移到參考面處對(duì)土壤水所做的功。以單位重量的水為研究對(duì)象，則重力勢(shì)可直接用高度Z表示。重力勢(shì)（ψg）以單位重量的水為研究對(duì)象，則重力勢(shì)可直接用高28壓力勢(shì)（ψp）飽和土壤中任一深度處的水滴，因受到來自其上的水壓力的作用而具有的勢(shì)能。土壤水體積壓力差對(duì)于處于自由水面以下或土面有積水的土壤水，壓力勢(shì)為正。壓力勢(shì)（ψp）土壤水體積壓力差對(duì)于處于自由水面以下或土面有29

基質(zhì)勢(shì)（ψm）由分子力和毛管力引起的土水勢(shì)之和。基質(zhì)勢(shì)降低了土壤水的勢(shì)能，一般取自由水面為0勢(shì)面，基質(zhì)勢(shì)低于0勢(shì)面，恒為負(fù)值?；|(zhì)勢(shì)可用毛管水上升高度的負(fù)值表示?；|(zhì)勢(shì)是土壤含水量的函數(shù)?；|(zhì)勢(shì)（ψm）30

溶質(zhì)勢(shì)（ψs）溶質(zhì)勢(shì)亦稱滲透勢(shì)，是由于溶質(zhì)顆粒的存在，降低了水的自由能，因而其水勢(shì)低于純水的水勢(shì),這種水勢(shì)差即為溶質(zhì)勢(shì)。因?yàn)榧兯畡?shì)被定為零，所以溶質(zhì)勢(shì)為負(fù)值。溶質(zhì)勢(shì)（ψs）31總水土勢(shì)1）非飽和土壤中，總水土勢(shì)=基質(zhì)勢(shì)+重力勢(shì)2）在飽和土壤中，總水土勢(shì)=壓力勢(shì)+重力勢(shì)土壤水的運(yùn)動(dòng)方向總是從總勢(shì)大的地方指向總勢(shì)小的地方。當(dāng)土壤水總勢(shì)梯度≠0時(shí)，土壤水就處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)土壤水總勢(shì)梯度=0時(shí)，土壤水就處于靜止?fàn)顟B(tài)?？偹羷?shì)土壤水的運(yùn)動(dòng)方向總是從總勢(shì)大的地方指向總勢(shì)小的地方。32習(xí)題①當(dāng)土壤水分不飽和時(shí)，以下指標(biāo)為零的是【】A基質(zhì)勢(shì)B壓力勢(shì)C重力勢(shì)D溶質(zhì)勢(shì)②當(dāng)土壤水分飽和時(shí)，以下指標(biāo)為零的是【】A基質(zhì)勢(shì)B壓力勢(shì)C重力勢(shì)D溶質(zhì)勢(shì)習(xí)題33習(xí)題有一“U”形土柱，一端浸泡在水槽中。水槽的水面保持不變，假定土柱無蒸發(fā)，土柱內(nèi)也無土壤水運(yùn)動(dòng)。試確定土柱中各點(diǎn)的水土勢(shì)。習(xí)題有一“U”形土柱，一端浸泡在水槽中。水槽的水面保34習(xí)題有兩個(gè)不同的土壤剖面，均為表層干燥、下層濕潤(rùn)。實(shí)測(cè)得到A點(diǎn)的基質(zhì)勢(shì)為-120cm，B點(diǎn)的基質(zhì)勢(shì)-80cm，C點(diǎn)的基質(zhì)勢(shì)-300cm，D點(diǎn)的基質(zhì)勢(shì)-80cm。A、C兩點(diǎn)與下參考面距離均為200cm，B、D兩點(diǎn)與參考面的距離均為100cm，試分析兩個(gè)不同土壤水分剖面中的水流方向。?A?B?C?D100cm100cm習(xí)題有兩個(gè)不同的土壤剖面，均為表層干燥、下層濕潤(rùn)。實(shí)測(cè)得到35設(shè)參考面土水勢(shì)為0，各點(diǎn)的總勢(shì)能為：土壤剖面中的水是從A點(diǎn)流向B點(diǎn)，由D點(diǎn)流向C點(diǎn)。設(shè)參考面土水勢(shì)為0，各點(diǎn)的總勢(shì)能為：土壤剖面中的水是從A點(diǎn)流363、土壤水分特性曲線土壤水分特性曲線—反映基質(zhì)勢(shì)與土壤含水率之間關(guān)系的曲線。濕化過程線：吸水過程中，土壤水分基質(zhì)勢(shì)隨含水率的變化曲線。干化過程線：對(duì)飽和后的同一土壤進(jìn)行干化，得到的土壤水分基質(zhì)勢(shì)隨含水率的變化曲線。3、土壤水分特性曲線土壤水分特性曲線—反映基質(zhì)勢(shì)與土壤含水率37土壤水力特性的滯后現(xiàn)象指濕化過程的含水率隨基質(zhì)勢(shì)的變化落后于干化過程。土壤含水率越大，分子力與毛管力越小，基質(zhì)勢(shì)越小。土壤含水率越小，分子力與毛管力越大，基質(zhì)勢(shì)越大。同一含水率下，脫水過程基質(zhì)勢(shì)大于吸水過程。土壤水力特性的滯后現(xiàn)象指濕化過程的含水率隨基質(zhì)勢(shì)的變化落后于38