第一章-2农田水利学.ppt

1、第一章第一章 农田水分状况农田水分状况 和土壤水分运动和土壤水分运动 第一节第一节 农田水分状况农田水分状况第二节第二节 土壤水分运动土壤水分运动第三节第三节 土壤植物大气连续体水分运动土壤植物大气连续体水分运动第一节第一节 农田水分状况农田水分状况 一、基本概念一、基本概念 二、旱作地区的农田水分状况二、旱作地区的农田水分状况 三、水稻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四、农田水分状况的调节措施 1 1 农田水分存在的形式农田水分存在的形式 2 2 土壤水势土壤水势 3 3 土壤含水率土壤含水率 4 4 土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 一、基本概念一、

2、基本概念 一、基本概念地面水地面水土壤水土壤水地下水地下水汽态水汽态水吸着水吸着水毛管水毛管水重力水重力水吸湿水吸湿水薄膜水薄膜水上升毛管水上升毛管水悬着毛管水悬着毛管水1、农田水分存在的形式、农田水分存在的形式1、土壤比重（、土壤比重（Soil specific gravity）2、土壤容重（、土壤容重（Bulk density）3、土壤孔隙度（、土壤孔隙度（porosity）4、饱和度（、饱和度（Saturation）土壤物理性质土壤物理性质 5、湿润度（、湿润度（Wettability）6、界面张力（、界面张力（Interfacial tension）7、毛管力、毛管力8、残余饱和度（、

3、残余饱和度（Residual saturation）1、土壤比重（、土壤比重（Soil specific gravity）土壤比重为单位体积的土壤固体物质重量与同土壤比重为单位体积的土壤固体物质重量与同体积水的重量之比。体积水的重量之比。一般土壤平均比重为一般土壤平均比重为2.65（2.6-2.7）左右。）左右。2、土壤容重（、土壤容重（Bulk density）土壤容重为单位原状土壤体积的烘干土重土壤容重为单位原状土壤体积的烘干土重g/cm3。3、土壤孔隙度（土壤孔隙度（porosity）单位原状土壤体积中土壤孔隙体积所占的百分率单位原状土壤体积中土壤孔隙体积所占的百分率:总孔隙度总孔隙度=

4、(1容重容重/比重比重)100%4、饱和度（、饱和度（Saturation）流体体积与多孔介质总体积之比称为该流体的饱流体体积与多孔介质总体积之比称为该流体的饱和度。和度。tieVVS5、界面张力（、界面张力（Interfacial tension）某种流体的内在吸引力和流体表面所接触的另一某种流体的内在吸引力和流体表面所接触的另一流体的分子吸引力不同，界面上分子引力因不连续而流体的分子吸引力不同，界面上分子引力因不连续而导致的引力差。导致的引力差。6、湿润度（、湿润度（Wettability）当两种非混合流体接触同一固体表面的情况下，当两种非混合流体接触同一固体表面的情况下，必然有一种流体相

5、比另外一种流体更容易的覆盖在固必然有一种流体相比另外一种流体更容易的覆盖在固体的表面。这种于固体表面覆盖的难易程度称为湿润体的表面。这种于固体表面覆盖的难易程度称为湿润度。度。7、毛管力、毛管力 水于非饱和土壤中流动的主要驱动力。水于非饱和土壤中流动的主要驱动力。一、基本概念 2 2、土壤水势、土壤水势 （Soil Water Potential）衡量土壤水能量的指标，是在土壤和水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，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

6、+T T总水势总水势（Total Potential）土壤水的总势能土壤水的总势能基质势基质势（Matric Potential）土壤基质的吸附力和土壤基质的吸附力和毛管力所引起的水势毛管力所引起的水势 渗透势渗透势（Osmotic Potential）土壤水分中的溶质所引土壤水分中的溶质所引起的水势起的水势 重力势（重力势（Gravitational Potential）重力引起的重力引起的土壤水势土壤水势 土壤水势土壤水势 温度势温度势：温度引起的土壤：温度引起的土壤水势水势 Soil Water Potential一、基本概念 3 3、土壤含水率、土壤含水率 （Soil water co

7、ntent）一定量的土壤中所含水分的数量一定量的土壤中所含水分的数量（1）土壤重量含水率（）土壤重量含水率（Mass Water Content）=实际水重实际水重/烘干土重烘干土重100(%)（2）土壤容积含水率（）土壤容积含水率（Volumetric Water Content）=水分容积水分容积/土壤容积土壤容积100(%)=土壤重量含水率土壤重量含水率(%)土壤容重土壤容重 HAW例如，例如，0.8m0.8m湿润层中，悬着毛管水体积含水率为湿润层中，悬着毛管水体积含水率为30%30%，则单位面积的含水量为：，则单位面积的含水量为：mmmmW24024.03.08.0HAW（c）体积含水

8、量和重量含水量之间的关系：体积含水量和重量含水量之间的关系：（d）单位之间的转换）单位之间的转换(举例说明举例说明)（b）根据土壤重量含水率计算壤含水量的方法为：）根据土壤重量含水率计算壤含水量的方法为：1m3/亩亩=1m3/667m2=1/667m=1/667x1000mm=1.5mm一、基本概念（a）根据土壤体积含水率计算土壤含水量的方法为：）根据土壤体积含水率计算土壤含水量的方法为：土壤水分常数土壤水分常数 吸湿系数吸湿系数(Hygroscopic Coefficient):吸湿水达到最大时的土壤含水率吸湿水达到最大时的土壤含水率 最大分子持水率：最大分子持水率：薄膜水达到最大时的土壤含

9、水率薄膜水达到最大时的土壤含水率 凋萎系数（凋萎系数（Wilting Point）：）：作物产生永久凋萎时的土壤含水率作物产生永久凋萎时的土壤含水率 田间持水率（田间持水率（Field Capacity）：）：悬着毛管水达到最大时的土壤含水率悬着毛管水达到最大时的土壤含水率 饱和含水率（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所有土壤孔隙都为水所充满时的土壤含水率 一、基本概念 土壤水分的有效性土壤水分的有效性汽态水吸着水无效水毛管水有效水重力水过剩水土壤水一、基本概念 Available Water ContentAvailable water cont

10、ent(AWC)=FC-WP Loam,23%water(in H2O/in soil)at field capacity-7%water at wilting point=16%available water content(or 0.16 in H2O/in soil)In coarse soils(sand,gravel AWC):Sand,10%water(in H2O/in soil)at field capacity 2%water at wilting point=8%available water content(or 0.08”H2O/in soil)Sand at fiel

11、d capacitySand at wilting pointLoam at field capacityLoam at wilting pointAvailable Water ContentAvailable Water ContentSand16%8%24%32%40%Sandy LoamSilt LoamLoamClay LoamClayVolumetric Soil Water Content,%Plant Unavailable waterPlant available water一、基本概念 关于土壤水分的几点补充关于土壤水分的几点补充 水分的形态是变化的水分的形态是变化的,可以

12、互相转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土壤水分的有效性是从作物能否直接吸收而言,是相对的是相对的 田间持水率通常以灌水两天后土壤所能保持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，国外一般以灌水含水率表示，国外一般以灌水24小时后的土壤小时后的土壤含水率表示含水率表示一、基本概念 4、土壤水分特征曲线、土壤水分特征曲线（Soil water characteristic curves）土壤水分特征曲线有滞土壤水分特征曲线有滞后现象后现象 0200400600800100012002040土壤负压-h(cm)含水率(%)粘土壤土砂土表示土壤负压（基质势）表示

13、土壤负压（基质势）与土壤含水率关系的曲线与土壤含水率关系的曲线 土质不同，土壤水分特土质不同，土壤水分特征曲线不同，或者说土壤征曲线不同，或者说土壤水分特征曲线反映了不同水分特征曲线反映了不同土质的水力特性土质的水力特性 二、旱作地区农田水分状况二、旱作地区农田水分状况 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 1、几个概念、几个概念干旱（干旱（Drought）：）：根系吸水不足，植物体水分平衡破坏根系吸水不足，植物体水分平衡破坏 大气干旱大气干旱 土壤干旱土壤干旱 涝（涝（Waterlogging）：）：旱地地面积水超过作物

14、耐淹时间或耐淹深度旱地地面积水超过作物耐淹时间或耐淹深度 渍：渍：土壤水分超过田间持水率，影响土壤通气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旱作地区农田水分状况 2 2、旱作物对农田水分状况的要求、旱作物对农田水分状况的要求地面一般不允许有积水地面一般不允许有积水地下水一般不允许上升地下水一般不允许上升至根系层内至根系层内根系层允许最大含根系层允许最大含水率不超过田间持水率不超过田间持水率，最小含水率水率，最小含水率不小于凋萎系数不小于凋萎系数盐碱土地区，土壤水溶液浓盐碱土地区，土壤水溶液浓度不能超过允许最高值度不能超过允许最高值旱作地区农田水分状况 3 3、地面水、地下水

15、、土壤水的转化、地面水、地下水、土壤水的转化地下水位埋深较大，上层土地下水位埋深较大，上层土壤干燥时，降雨（或灌溉）壤干燥时，降雨（或灌溉）入渗对土壤水的补给及降雨入渗对土壤水的补给及降雨（灌水）停止后土壤水分变（灌水）停止后土壤水分变化过程化过程04080120160200土层深度（cm）含水率（%）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降雨停止后地下水及土壤水分变化过程04080120160200深度z（cm）含水率（%）04080120160200深度z（cm）含水

16、率（%）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三、水稻地区的农田水分状况 田面要有适宜的淹灌水层田面要有适宜的淹灌水层 地下水位维持适宜的深度地下水位维持适宜的深度 维持适宜的渗漏强度维持适宜的渗漏强度水稻对农田水分状况的要求水稻对农田水分状况的要求四、农田水分状况的调节措施四、农田水分状况的调节措施 1、农田水分过多或不足的原因、农田水分过多或不足的原因2、调节措施、调节措施一、土壤水运动的研究概况一、土壤水运动的研究概况 二、土壤水运动的基本方程二、土壤水运动的基本方程 三、入渗条件下的土壤水分运动三、入渗条件下的土壤水分运动 四、蒸发条件下土壤水运动四、蒸发条

17、件下土壤水运动 第二节第二节 土壤水分运动土壤水分运动 二、土壤水运动的基本方程二、土壤水运动的基本方程达西定律达西定律 质量守恒原理质量守恒原理zvxvyvdydzdxdyyvvyy微小土体内土壤水运动微小土体内土壤水运动z y x dxxvvxxdzzvvzzzvxvyvdydzdxz y x dxdzdtvydydzdtxvdydxdtvzdydxdtvdxdzdtvdydzdtvmzyxi流入单元体的质量流入单元体的质量质量守恒原理流出单元体的质量流出单元体的质量dydxdtdzzvvdxdzdtdyyvvdydzdtdxxvvmzzyyxxo)()()(质量守恒原理dydzdxdyy

18、vvyyz y x dxxvvxxdzzvvzzdydzdtdxxvvxx)(dydxdtdzzvvzz)(dxdzdtdyyvvyy)(dydxdtvdxdzdtvdydzdtvmzyxidydxdtdzzvvdxdzdtdyyvvdydzdtdxxvvmzzyyxxo)()()(dxdydzdtzvyvxvmmmzyxoi)(1流入和流出单元体的质量差流入和流出单元体的质量差流入流入流出流出质量差质量差质量守恒原理dxdydzdttm2微小单元体内质量变化微小单元体内质量变化tt+dt质量守恒原理)(zvyvxvtzyx质量守恒原理质量守恒原理21mmdxdydzdtzvyvxvmzyx)

19、(1dxdydzdttm2质量守恒原理达达 西西 定定 律律(Darcys Law)xKvx)(yKvy)(zKvz)(水力传导度水力传导度(Hydraulic Conductivity)单位水头差作用下，单位断面积上流过的水流单位水头差作用下，单位断面积上流过的水流通量。通量。nssKK)()(bhahKn|)(chseKhK)(饱和土壤中，也叫渗透系数饱和土壤中，也叫渗透系数饱和土壤中，饱和土壤中，土壤含水率或土壤基质势的函数土壤含水率或土壤基质势的函数)(zvyvxvtzyxRichards方程方程根据达西定律有：根据达西定律有：1,zhzyhyxhxzKzhKzyhKyxhKxt)()

20、()()(zh而土壤总水势而土壤总水势xKvx)(zKzyKyxKxt)()()(zhzhyhyhxhxh,hKD)()(zKzhKzyhKyxhKxt)()()()(zKzDzyDyxDxt)()()()(以含水率以含水率为变量的基本方程为变量的基本方程定义扩散度：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单位含水率梯度下，通过单位面积的土壤水流量xhhKxKvx)()(yhhKyKvy)()()1)()(zhhKzKvz达西定律：达西定律：以基质势以基质势h为变量的基本方程为变量的基本方程thhtzhKzhhKzyhhKyxhhKxt)()()()(zhKzhhKzyhhKyx

21、hhKxthhC)()()()()(以基质势以基质势h为变量的基本方程为变量的基本方程hhC)(定义容水度：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不同形式的土壤水运动方程的适用条件适用条件 以含水率以含水率为变量的基本方程：为变量的基本方程：1）均质土壤）均质土壤 2）全剖面为非饱和流动）全剖面为非饱和流动以基质势以基质势h为变量的基本方程：为变量的基本方程：1）层状土壤）层状土壤 2）饱和）饱和-非饱和流非饱和流 基本方程求解基本方程求解 解析解 数值解SWMS-2D Hydrus-2D土

22、壤水分运动的两种形态土壤水分运动的两种形态入渗（入渗（Infiltration）蒸发（蒸发（Evaporation）入渗（入渗（Infiltration）蒸发（蒸发（Evaporation）土壤水分运动的两种形态土壤水分运动的两种形态入渗入渗条件下土壤水分运动条件下土壤水分运动 入渗现象入渗现象 入渗条件下需要求解的问题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条件下土壤水分运动方程的求解 入渗速度的计算入渗速度的计算入渗条件下需要求解入渗条件下需要求解 的问题的问题Maximum rate water is absorbed by the soilInfiltration

23、 occurring at less than capacity 入渗总水量入渗总水量 土壤含水率的分布土壤含水率的分布 入渗能力（入渗能力（Infiltration Capacity）入渗速度（入渗速度（Infiltration Rate）土壤的入渗强度土壤的入渗强度降雨强度，灌水方式和强度降雨强度，灌水方式和强度土壤的渗水性能土壤的渗水性能 入渗能力入渗能力（Infiltration Capacity）入渗速度入渗速度（Infiltration Rate）Changes in Infiltration Capacity Over Time(Horton,1933)TimeInfiltrat

24、ion CapacityFactors Affecting Infiltration Capacity Soil Compaction Slope Cracks Cultivation Vegetation Soil Moisture Temperature Soil Porosity Crusting Soil Type 蒸发蒸发条件下土壤水分运动条件下土壤水分运动 土壤蒸发过程及影响因素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发降雨或灌水后地下水迅速下降时的蒸发 地下水保持不变时的稳定蒸发（入渗）地下

25、水保持不变时的稳定蒸发（入渗）表土蒸发与土壤含水率关系表土蒸发与土壤含水率关系外界蒸发能力外界蒸发能力土壤输水能力土壤输水能力表土蒸发及其影响因素表土蒸发及其影响因素1.00.5c 含水率(%)0000,ba00/,同一土壤质地情况下条件下，潜在蒸发强度越大，则临界含水率值也越大同一土壤质地情况下条件下，潜在蒸发强度越大，则临界含水率值也越大临界含水率的变化临界含水率的变化相同的外界蒸发条件，土壤粘性越大，则临界含水率值也越小相同的外界蒸发条件，土壤粘性越大，则临界含水率值也越小一、一、SPAC系统的基本概念系统的基本概念 二、根系吸水率二、根系吸水率 三、有根系吸水条件下的土壤水三、有根系吸

26、水条件下的土壤水运动运动 第三节第三节 土壤土壤-植物植物-大气连续体大气连续体（SPAC）水分运动的概念）水分运动的概念 SPAC系统的基本概念系统的基本概念1966年，年，Philp提出提出Soil-Plant-Atmosphere Continuum（SPAC）系统的概念）系统的概念土壤、植物、大气作为一个土壤、植物、大气作为一个连续体连续体 各部分的水分运移都受势能各部分的水分运移都受势能的支配的支配根系吸水根系吸水植物体输水植物体输水植物体蒸腾植物体蒸腾SPAC系统中的水分运移系统中的水分运移恒定流情况下恒定流情况下SPAC系统水流通量系统水流通量441332211RRRRq 分别为

27、土壤与根表分别为土壤与根表面、根表面与根导管、根导管与叶面、叶面、根表面与根导管、根导管与叶面、叶面与大气之间的势能差面与大气之间的势能差R1，R2，R3，R4分别为各流段的水流分别为各流段的水流阻抗阻抗4321,不同条件下不同条件下SPACSPAC系统中水势的分布系统中水势的分布SPAC系统的主要研究内容系统的主要研究内容 根系吸水率根系吸水率作物腾发量作物腾发量有根系吸水存在时的土壤水分运动有根系吸水存在时的土壤水分运动有根系吸水时的土壤水分运动基本方程有根系吸水时的土壤水分运动基本方程SzhKzhhKzthhC)()()(SzKzDzt)()(SPAC系统能量分配和计算关系图系统能量分配和计算关系图nsnpnRRR系统能量平衡：系统能量平衡：冠层能量平衡：冠层能量平衡：地表层能量平衡：地表层能量平衡：LTHRpnpGLEHRsns