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1、第一章 农田水分状况 和土壤水分运动,第一节 农田水分状况,第二节 土壤水分运动,第三节 土壤-作物-大气连续体水分运动,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,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,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,一、基本概念,汽态水： 存在于土壤空隙 中的水汽,汽态水(Vapor),吸着水(Hygroscopic water),吸湿水: 紧束在
2、土粒表面， 不能自由移动,薄膜水： 吸附于吸湿水外部， 只能沿土粒表面做 微小的移动,一、基本概念,土粒表面对水分子的吸附力(Adhesion）和水分子之间的粘着力（Cohesion）作用,Adhesion,Cohesion,毛管水（Capillary Water),一、基本概念,毛管水: 受毛管力的作用保 持在土壤中的水分,毛管水的上升高度：,T=surface tension =wetting angle r=radius of pore d=density of water g=gravity,上升毛管水:,地下水在毛管作用下上升并保持在土壤中的水分,悬着毛管水:,当地下水位较低时，降雨
3、或灌溉后因毛管力的作用而保持在土壤里的水分,重力水（Gravitational Water）,一、基本概念,重力水： 受重力支配不能为 土壤所保持的水分,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。,一、基本概念,w=m + s + g,土壤水势,一、基本概念,影响土壤水势的其他因子,温度 气压,一、基本概念,3、土壤含水率 （Soil 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
4、） =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,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,一、基本概念,土壤对水
5、分的吸力：1000MPa0.0001MPa 作物根系对水分的吸力： 1.5 MPa左右 (1 MPa=9.87大气压=100m水柱) 如果水分受土壤的吸力小于1.5 MPa, 作物可吸收利用;如水分受土壤的吸力大于1.5 MPa, 则作物不能吸收利用。 1.5 MPa是有效水和无效水的分界点。,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,一、基本概念,4、土壤水分特征曲线 （Soil water characterist
6、ic curves）,土壤水分特征曲线有滞后现象,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,一、基本概念,土壤水分特征曲线的滞后现象 (Hysteresis),土壤在吸水和脱水过程中的水分特征曲线不相重合的现象,壤土,滞后现象产生的原因主要有： 土壤孔隙的不规则性 Small pores tend to fill first but drain last; Large pores tend drain first but fill last 吸水过程中，空气常被封闭于土壤孔隙中,二、旱作地区农
7、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,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,旱作地区农田水分状况,2、旱作物对农田水分状况的要求,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,旱作地区农田水分状况,3、地面水、地下水、土壤水的
8、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,饱和含水率,田间持水率,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,田间持水率,田间持水率,饱和含水率,饱和含水率,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,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,农田水分过多原因、调节措施,原因: 降水量大; 洪水泛滥; 地下水位过高等。 形成的灾害 洪灾河湖泛滥而形成的灾害。 涝灾
9、降水过多，积水难排，造成灾害。 渍害土壤长期过湿，危害作物生长，造成灾害。 措施： 防洪整治排洪河道，兴算修水库，加固堤防等。 防涝开挖排水河道，修建排涝闸、站等。 防渍开挖田间排水沟，防止过量灌溉等。,农田水分不足的原因、调节措施,原因：降雨少，土壤滞水能力差（山丘区）等。 措施： 灌溉主要措施； 疏松土层切断毛细管，减少土壤蒸发； 地表覆盖用麦桔、地膜覆盖，阻止土壤蒸发； 化学抗旱减少叶面蒸腾。,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,一、土壤水运动的研究概况,1842年 Poiseuille提出毛管
10、理论,1856年达西定律,1897年 L. J.Briggs 土壤水力学,1907年 E.Buckingham提出毛管势的概念,参照热力学和电流运动理论,提出了非饱和运动方程,60年代以后, 势能理论得到广泛应用,1931年 A.Richards将达西定律应用于非饱和水运动,建立了基于势能理论的土壤水 运动方程,50年代以前，毛管理论应用较为广泛,二、土壤水运动的基本方程,达西定律,质量守恒原理,假设4个,微小土体内土壤水运动,达 西 定 律(Darcys Law),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通量。,饱和土壤中，也叫渗透
11、系数,土壤含水率或土壤基质势的函数,流入单元体的质量,质量守恒原理,流出单元体的质量,质量守恒原理,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,微小单元体内质量变化,t,t+dt,质量守恒原理,质量守恒原理,质量守恒原理,Richards方程,根据达西定律有：,而土壤总水势,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,达西定律：,以基质势h为变量的基本方程,以基质势h为变量的基本方程,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,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
12、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,入渗（Infiltration）,蒸发（Evaporation）,土壤水分运动的两种形态,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,入渗现象（Infiltration）,t1,t3,t2,t4,t5,降雨或灌溉水通过土壤表面进入土壤的过程 Process of water entry into the soil through the soil surface,入渗条件下需要求解 的问题,Maximum rate water is absorbed
13、by the soil,Infiltration occurring at less than capacity,入渗总水量,土壤含水率的分布,入渗能 力（Infiltration Capacity） 入渗速度（Infiltration Rate）,Changes in Infiltration Capacity Over Time (Horton, 1933),垂直入渗条件下土壤水运动方程,基本方程：,初始条件：,边界条件：,0,非线性,垂直入渗条件下土壤水运动方程的解,假定：,则有：,得近似解：,0,t1,t2,t3,t4,t5,入渗速度及入渗量的计算,根据达西定律有：,求上述方程的近似解
14、得：,常用的入渗速度及入渗量计算公式,Philip公式（1957）：,Kostiakov公式（1932）：,Horton公式（1933）：,Green-Ampt公式（1911）：,不同降雨（灌水）强度时的入渗,p1,p2,积水或径流,积水或径流,畦灌、淹灌、漫灌时的入渗,不同灌水方法时的土壤入渗问题,有水层的一维运动,喷灌时的入渗,不同灌水方法时的土壤入渗问题,自由入渗,沟灌时的入渗,不同灌水方法时的土壤入渗问题,二维运动,滴灌时的入渗,不同灌水方法时的土壤入渗问题,三维运动,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
15、发 地下水保持不变时的稳定蒸发（入渗） 层状土的蒸发（入渗）,外界蒸发能力,土壤输水能力,表土蒸发及其影响因素,表土迅速风干,基本方程：,初始条件：,边界条件：,表土迅速饱和,地下水埋深较大时，蒸发与入渗条件下一维土壤水运动方程的比较,a,表土迅速风干,表土迅速饱和,地下水埋深较大时，蒸发与入渗条件下一维土壤水运动方程解的比较,t1,t2,t3,t4,t5,0,t1,t2,t3,t4,t5,蒸发强度及蒸发量的计算,与垂直入渗的情况类似，忽略重力项，可得近似解：,降雨或灌水后地下水位迅速下降的情况,基本方程：,初始条件：,上边界条件：,下边界条件：,有蒸发时：,无蒸发时：,降雨或灌水后地下水位迅速下降的情况土壤水运动方程的数值解,蒸发,排水,0.65,B,地下水位迅速下降至1.5m后土壤含水率剖面、表土蒸发和深层排水的变化,地下水位不变时土壤水的稳定蒸发（入渗）,根据达西定律有：,取K（h）=Ksech， 得解：,当h趋近于- 时，有：,稳定蒸发（入渗）时的土壤含水率剖面及土壤输水能力,地下水埋深与土壤最大输水能力(地下水补给量)的关系,无蒸发（入渗）时层状土壤的含水率剖面,砂土,壤土,粘土,蒸发的三条件二因素三阶段三特征： 三个物理条件： 1)必须有不断的能量补给，以满足汽化热的需求； 2）必须存在水汽压梯度，即土面水汽压高于大气水汽压； 3）必须有水分供应。 二
