水文学原理-第6章 土壤水与下渗
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土壤水及下渗
⑶ 渗透阶段 当土壤孔隙被水充满达到饱和时，水在重力作用下向下运
动，属饱和水流运动。这时，下渗率维持稳定，称稳定下渗率。
2020/12/3
15
4 下渗率和下渗能力
（1）下渗率f 指单位时间内单位面积上渗入土壤中的水量（单位：mm/h
或mm/min）。
（2）下渗能力fp 在充分供水下的下渗率称为下渗能力（单位：mm/h）。下渗
2020/12/3
17
5 天然降雨条件下的下渗过程
（1）i1≥fp，按下渗能力下渗
（2）i2<fp，按降雨强度下渗
（3）fc＜i3＜fp，初期，按雨强下渗；随着下渗水量增加，下渗能 力减小，到雨强大于下渗能力后，按下渗能力下渗。
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6 影响下渗的因素
（1）土壤的构成 （2）土壤含水量 （3）降雨强度及历时 （4）地表坡度及糙率 （间接影响） （5）植被条件及土地利用状况 （间接影响）
2020/12/3
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7 下渗的空间分布
空间分布不均，原因:：
（1）流域中土壤构成的空间分布不同 （2）流域内土壤含水量空间分布不同 （3）降雨在时间空间上分布不均匀 （4）流域内各处地下水位高低不一
对一个流域而言，其下渗过程要比单点复杂得多，在实际工作中 又不可能设立许多测点进行观测，所以多采用概化的方法来描述 下渗的空间变化。
下渗不仅直接决定地面径流量的生成及大小，同时也影响土 壤水和地下潜水的增长，影响土壤中表层流、地下径流的生成和 大小。
下渗是水在分子力、毛细管引力和重力的综合作用下在土壤 中发生的物理过程，是径流形成过程的重要环节之一。
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初期土壤干燥，下渗过程按水分所受的主要作用力不同及运动 特征不同，在水文学中大致可分为三个阶段：
动，属饱和水流运动。这时，下渗率维持稳定，称稳定下渗率。
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4 下渗率和下渗能力
（1）下渗率f 指单位时间内单位面积上渗入土壤中的水量（单位：mm/h
或mm/min）。
（2）下渗能力fp 在充分供水下的下渗率称为下渗能力（单位：mm/h）。下渗
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5 天然降雨条件下的下渗过程
（1）i1≥fp，按下渗能力下渗
（2）i2<fp，按降雨强度下渗
（3）fc＜i3＜fp，初期，按雨强下渗；随着下渗水量增加，下渗能 力减小，到雨强大于下渗能力后，按下渗能力下渗。
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6 影响下渗的因素
（1）土壤的构成 （2）土壤含水量 （3）降雨强度及历时 （4）地表坡度及糙率 （间接影响） （5）植被条件及土地利用状况 （间接影响）
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7 下渗的空间分布
空间分布不均，原因:：
（1）流域中土壤构成的空间分布不同 （2）流域内土壤含水量空间分布不同 （3）降雨在时间空间上分布不均匀 （4）流域内各处地下水位高低不一
对一个流域而言，其下渗过程要比单点复杂得多，在实际工作中 又不可能设立许多测点进行观测，所以多采用概化的方法来描述 下渗的空间变化。
下渗不仅直接决定地面径流量的生成及大小，同时也影响土 壤水和地下潜水的增长，影响土壤中表层流、地下径流的生成和 大小。
下渗是水在分子力、毛细管引力和重力的综合作用下在土壤 中发生的物理过程，是径流形成过程的重要环节之一。
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初期土壤干燥，下渗过程按水分所受的主要作用力不同及运动 特征不同，在水文学中大致可分为三个阶段：
水文学原理 第六章 下渗
a 下渗的三个阶段
渗润阶段： 分子力 渗漏阶段： 毛管力 渗透阶段： 重 力
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
深度(m)
b 下渗过程中的土壤水分剖面
i
含水量(%)
f
s
饱和带
(过渡带)
风
田
饱
干
间
和
土
持
含
水分传递带
水
水
量
量
湿润带 湿润锋
饱和带 过渡带
（2）湿润锋向下移动的条件是 其上部土层达到饱和含水量
第三节 饱和下渗理论
1、基本方程的建立 establishment of basic equation
受力分析：
（1）土壤表面水层的净水压力； （2）土壤饱和水柱的重力； （3）下渗锋面处的毛管吸力； （4）下渗锋面以下的空气剩余压力。
c
合力：
(infiltration capacity curve)
累积下渗曲线： 从下渗开始至某时刻按下渗能力下渗到土壤中的总水量
(accumulative infiltration capacity curve)
与该时间的关系曲线～
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
3、完全下渗方程的解 solution under whole condition
第一种情况： 扩散率为常数且水力传导度与土壤含水量呈直线关系
2
D k t z2 z
(z,0) i (0,t) s (,t) i
i s i
1 2
erfc(
z 2
kt Dt
渗润阶段： 分子力 渗漏阶段： 毛管力 渗透阶段： 重 力
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
深度(m)
b 下渗过程中的土壤水分剖面
i
含水量(%)
f
s
饱和带
(过渡带)
风
田
饱
干
间
和
土
持
含
水分传递带
水
水
量
量
湿润带 湿润锋
饱和带 过渡带
（2）湿润锋向下移动的条件是 其上部土层达到饱和含水量
第三节 饱和下渗理论
1、基本方程的建立 establishment of basic equation
受力分析：
（1）土壤表面水层的净水压力； （2）土壤饱和水柱的重力； （3）下渗锋面处的毛管吸力； （4）下渗锋面以下的空气剩余压力。
c
合力：
(infiltration capacity curve)
累积下渗曲线： 从下渗开始至某时刻按下渗能力下渗到土壤中的总水量
(accumulative infiltration capacity curve)
与该时间的关系曲线～
第一节 下渗的物理过程
2、下渗机理 mechanism of infiftration
3、完全下渗方程的解 solution under whole condition
第一种情况： 扩散率为常数且水力传导度与土壤含水量呈直线关系
2
D k t z2 z
(z,0) i (0,t) s (,t) i
i s i
1 2
erfc(
z 2
kt Dt
水文学原理CH6 下渗
k 2t ⎤ )⎥ − kθ n 4D ⎥ ⎦
HHU
§2 非饱和下渗理论
3 完全下渗方程的解
第二种情况： 扩散率为常数且水力传导度与土壤含水量非直线关系
∂θ ∂ ⎡ ∂θ ⎤ ∂θ = ⎢ D(θ ) ⎥ + k (θ ) ∂t ∂z ⎣ ∂z ⎦ ∂z θ ( z ,0) = θ 0
此时，D(θ)和k(θ)均不为常数。
HHU
§1 下渗的物理过程
2 下渗机理
下渗曲线是一条递减曲线，根据递减速度的快慢，水分所受作用力及运动特 征，干燥土壤在充分供水条件下的下渗分三个阶段：渗润、渗漏、渗透阶段。
HHU
§1 下渗的物理过程
2 下渗机理 Ⅰ 渗润阶段：主要受分子力作用，入渗水成为薄膜水，当
土壤含水量达到最大分子持水量时结束。此阶段土壤含水量 较小， fp较大，fp随时间递减的速度迅速。
在获得（t，fp）数据后，给fp(t)配以合适的线型和参数。
HHU
§4 经验下渗曲线
1 考斯加柯夫公式：
Fp = at n，f p = nat n −1，a和n为待定参数。 ln( Fp ) = ln(a ) + n ln(t ) 参数确定： (1). 计算不同t时刻的 ln( Fp )与 ln(t ) （2）点绘 ln( Fp ) ~ ln(t )，过点据中心定线，在线上取两点： . n= ln( Fp ) 2 − ln( Fp )1 ln(t ) 2 − ln(t )1 ，确定出n；
θ (0, t ) = θ n θ (∞, t ) = θ 0
下渗曲线：
玻氏变换
z (θ , t ) = η (θ ) t
1 2
1 −1 f p = st 2 2
(完整版)水文学原理(第六章)下渗
§2 非饱和下渗理论 ❖下 渗 曲 线 不 仅 是 下 渗 物 理 过 程 的 定 量 描
述，而且是下渗物理规律的体现。 ❖已提出了三类确定下渗曲线的途径，即非
饱和下渗理论途径、饱和下渗理论途径和 基于下渗试验的经验下渗曲线途径。
§2 非饱和下渗理论 ❖根据非饱和水流运动方程式导出的下渗方
程的基本形式 ❖对于非饱和土壤，总势必应由基模势和重
❖ 水分传递带：是一个土壤含水量沿深度分布比较均匀、厚 度较大的非饱和土层，其厚度随供水时间的增长不断增 加，土壤含水量介于田间持水量和饱和含水量之间，约为 饱和含水量的60%－80%。
❖ 湿润带：是连接水分传递带和湿润锋的水分带。在这一带 中，土壤含水量沿深度迅速减小，并且在下渗过程中不断 下移。这一带的平均厚度也大体保持不变。
❖ 进入渗漏阶段后，土壤颗粒表面已形成水膜，因此分子力几乎趋于 零，这时水主要在毛管力和重力作用下向土壤中入渗，下渗容量比渗 润阶段明显减小，而且由于毛管力随土壤含水量增加趋于缓慢减小阶 段，所以这阶段下渗容量的递减速度趋缓。
❖ 到了渗透阶段，土壤含水量已达到田间持水量以上，这时不仅分子力 早已不起作用，毛管力也不再起作用了。控制这阶段下渗的作用力仅 为重力。与分子力和毛管力相比，重力只是一个小而稳定的作用力， 所以在渗透阶段，下渗容量必达到一个稳定的极小值，这就是稳定下 渗率。
2 忽略重力作用的下渗方程的解
第一种情况： 扩散率为常数
t
D
2
z 2
(z,0) 0
(0,t) n
(,t) 0
拉氏变换
0 erfc( z )
n 0
2 Dt
下渗曲线：
1
f p (n 0 ) D t 2
§2 非饱和下渗理论
《水文学原理》复习思考题
《水文学原理》思考题第一章绪论1. 水文学主要研究那些内容？水文学是研究地球上水的分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会活动之间的相互关系的学科。
（研究地球上的各种水体的形成、循环和分布，探讨水体的化学和物理性质以及它们队环境的反应，包括它们与生物的关系。
）2. 人类面临的主要水问题有哪些？如何解决？水资源缺水问题：水多了，水少了，水脏了；3. 什么是水文现象？水文现象有哪些基本规律和特性？水文现象；降水，蒸发径流以及河流的结冰封冻等基本规律；1确定性规律；2随机性规律特性；1时程变化的周期性与随机性对立统一；2地区分布的相似性与特殊性对立统一4. 水文学有哪些主要分支学科?1、按应用范畴分：工程水文学、农业水文学、城市水文学、森林水文学2、按研究方法分：水文统计法、随机水文法、地理水文学、实验水文学、同位素水文学，实验水文学，动力水文学，数值水文学，水文测验学；3、按研究对象分：河流水文学、河口水文学、海洋水文学、河口水文学、地下水文学冰川水文学、湿地水文学，环境水文学，生态水文学5. 水文学经历了哪些发展阶段？1萌芽时期；2奠基时期；3时间时期；4现代化时期6. 简述水文学研究的特点水文现象的基本特点1、成因上的自然性和认为性2、时程上的周期性和偶然性3、地域上的相似性和差异性4、运动的同在性和独立性第二章水文循环1. 水有哪些自然属性？社会属性？2. 水循环有哪些环节?降水，蒸散发，下渗，地面径流与地下径流。
2. 研究水文循环有哪几种尺度？1全球水文循环，2流域或区域水文循环，3水—土壤—植物系统水文循环3. 水循环的主要表现形式（水文现象）有哪些？降水，蒸发，径流和下渗4. 全球和流域（区域）水量平衡及方程式。
.全球水量平衡方程：如研究区域为地球上的全部海洋，所取计算时段为年，则某一年的（1）水量平衡方程为：P 洋+R＝E 洋+△Ws 式中P 洋——海洋上某—年的降水量；R——大陆流入海洋的某年径流量；E 洋——海洋上某一年的蒸发量；△W ——海洋某一年的储水增量。
水文学基本原理土壤水和下渗
2 包气带和饱和带
1）包气带的定义：地面以下潜水面以上的地带，也称非饱 和带。是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交 换的地带；三相系统：土壤颗粒、水分和气体；
2）饱和带的定义：在地下水面以下，土壤处 于饱和含水状态，是土壤颗粒与水分的二相 系统。
3 土壤水 土壤水：土壤中各种形态水分的总称。（环境科
机制：毛管力（0.08- 6.25× 105 ）
• h水柱高度（cm) •d孔隙直径（mm）
毛管作用力范围： 0.1-1mm 有明显的毛管作用 0.05-0.1mm 毛管作用较强 0.05-0.005 毛管作用最强 〈0.001mm 毛管作用消失
毛
管
上
升
水分常数
在形态上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。 当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的
持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水 量是确定灌水量的重要依据。
影响因素：质地、有机质含量、结构、松紧状况等
土壤质地
不同质地和耕作条件下的田间持水量 （m%）
砂土
砂壤土 轻壤土 中壤土 重壤土 粘土
松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类
第二节 土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式
土壤水
固态水：冬季土壤冻结 时存在
气态水：存在于土壤、空气中
受土粒分子引力吸薄湿膜水水 液态水受毛管力作用毛支管持悬毛着管水水
受重力作用自支由持重重力力水水
Hale Waihona Puke 1）汽态水Dw =（10×25％）＝2.5(cm)＝25(mm) （4）相对含水量
膜状水示意图
毛
管
上
升
水
示
土粒
意
水 文 学 原 理(六下渗)shui综述
f p f c ( f 0 f c )e
水量与该时间的关系曲线～
土壤水分剖面
土壤含水率沿深度方向的变化曲线称为土 壤水分剖面，它描述了土壤含水率在深度 方向上的分布情况，故又称土壤含水率垂 向分布。 根据土壤水分剖面，可以计算出土壤中任 一土层，以水深计的含水量。 土壤水分剖面在时间上是变化的，并且这 种变化与下渗和蒸(散)发的关系密切。
条件： a 忽略重力；b 供水充分，表面无积水；
c 均质半无限土柱，初始土壤含水量分布均匀
定解问题的构成：
[ D( ) ] t z z ( z,0) 0
泛定方程 初始条件 边界条件
(0, t ) n ( , t ) 0
§2 非饱和下渗理论
d m d dK ( ) / d k ( ) D( ) K ( )
[D( ) ] k ( ) t z z z
D ( ) 为扩散率， 当滞后作用不明显时，在一定的土壤含水
量范围内，可用经验公式来表示:
§2 非饱和下渗理论
2 忽略重力作用的下渗方程的解
2 D 2 k t z z ( z ,0) 0
(0, t ) n ( , t ) 0
0 1 z kt kz z kt erfc( ) exp( )erfc( ) n 0 2 d 2 Dt 2 Dt
1 2
下渗曲线：
1 f p st 2
1 2
土壤吸收度：
§2 非饱和下渗理论 虽然求得的下渗方程具体形式不同，但可 以看出 f p 均为 t 的函数。
1 2
表明在忽略重力作用的条件下，无论扩散 率是常数还是变数，下渗容量均随时间 t 递
水文学原理第六章下渗
下渗累计曲线 F(t)~t
下渗曲线 f(t)~t
初始下渗速率 f0
在下渗最初阶段， 下渗速率具有较大的数值，称为初始下渗速率f0 相同土样，初始含水量不同，土壤初始下渗率不同
稳定下渗速率 fc
随下渗进程进行， 进入土壤的水量不断增加， 而土壤水下渗速率不断减小， 减小的速率呈现先快后慢的趋势。
下渗累计曲线 F(t)~t
下渗曲线 f(t)~t
当土壤孔隙充满水，达到田间含水量，直至土壤饱和时， 下渗率就逐步递减到一个稳定的常值 fc ， 这个值就是稳定下渗速率。
剩余下渗率
f(t) 剩 余 下 渗 率 ft-fc
fc
土壤某一时刻的下渗率f(t) 与稳定下渗率 fc 的差值。
表示土壤当前的下渗率离稳定下渗率的差值。
过渡带， 5cm 左右
在饱和带之下，土壤含水量随深度的增加，而急剧减少， 形成一个水分过渡带。
过渡带的厚度不大，一般在 5 cm 左右。
水分传递带
位于过渡带之下，含水量沿垂线分布比较均匀， 含水量在数值上大致是饱和含水量的60-80％左右。 这个带内水分的传递运行主要依靠重力， 基质势梯度比较小。
第六章为何是下渗
蒸发 蒸散发
蒸散发
截留
降水
洼蓄 下渗
壤中流 地下水流
河道汇流
地表径流
深层地下水
t
流量历时曲线
P67 公式6-16，印刷错误，少一个“+”号
第六章 下渗（infiltration ）
§ 6.1 下渗的物理过程
三阶段（水分受力和运动特征） 下渗过程中，土壤水垂向分布规律 下渗结束后，土壤剖面内水分再分配 土壤下渗率和下渗能力
在这个过程中，湿润锋面向下迁移， 也就使得使得湿润锋面以下的土壤不断获得水分， 使得湿润带的厚度增加。
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2、毛管水移动速度较快，能及时满足作物根系吸水要求 3、毛管水具有溶解、输送养料的能力，满足作物对养料的需
求 4、是地下水和作物根层水分间的桥梁 毛管水含量影响因素：土壤质地、结构、地下水含量
2020年2月1日
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吸湿水
薄膜水 毛管水
紧束缚水，吸湿水达到最大→吸湿系数
松束缚水，薄膜水达到最大→最大分子持水 量
粘粒 强风化区土壤
养分高，团聚性强，保水 耕性较 保肥力强，通气性差，易 好 板结
2020年2月1日
13
④土壤结构 土壤固相颗粒很少呈单粒存在，土壤矿物颗粒与有机质颗粒
相互作用，聚积形成大小不同、形状各异的团聚体。这些团 聚体的组合排列称为土壤结构，土壤结构是成土过程的产物。 不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。 土壤团聚体：土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成 团粒，称为土壤团聚体。 团聚体是土壤结构的基本单位。土壤团聚体有利于水分与养 份的长久保持与稳定。 土壤团聚体内和团聚体之间是连通的毛细孔隙与非毛细孔隙， 构成土内水分传输的通道网络。
2020年பைடு நூலகம்月1日
7
液相存在于土壤固相物质构成的孔隙网络中，由溶质与胶体 组成的溶液和悬浊液构成。
毛管水
可分为
重力水
土壤颗粒所吸附的液态薄膜水
气相占据土壤中没有被液态水所占据的土壤空隙。气相的体积 随土壤含水量的变化及土壤通气性而变化。成分与大气成分接 近。
2020年2月1日
8
②土壤中各相的体积与质量构成
2.膜状水所受的土粒表面分子引力较小，能在土粒表面缓慢移动
3.膜状水可以被植物吸收利用，但不能满足作物需求，只有根系 周围的膜状水才能被植物吸收
膜状水含量影响因素：土壤质地、有机质含量 土壤质地越粘重，膜状水含量越高
2020年2月1日
24
（3）毛管水：由于毛管力作用而赋存在土壤毛管网络内的水分 所受土壤吸力为0.08～ 6.25个大气压，可自由上下左右移动， 有溶解养分的能力，是植物生长需水中最有效的土壤水分。包括 毛管上升水、毛管悬着水
土壤的持水力与作物的吸水力基本相等，作物吸收不到水分， 是作物可利用水量的下限
【最大分子持水量】：膜状水的水膜达到最大厚度时的土壤含水 量。 包括全部吸湿水和全部膜状水，受力0.63MPa 。
2020年2月1日
33
【毛管断裂含水量】（生长阻滞含水量）：当土壤中的悬着毛管 水因作物吸收和土表蒸发而发生断裂时的土壤含水量。相当于 全部吸湿水、膜状水和部分悬着毛管水。
2020年2月1日
10
③土壤颗粒大小、质地
通常对2.0mm以下土壤颗粒分三级：粘粒、粉粒、砂粒 土壤颗粒的表面积总和很大，可吸附其它离子与胶体。 为什么有砂土、粉土、粘土、壤土之称：由土壤质地决定：砂 粒，粉粒和粘粒的相对百分组成所决定，下面看几张土壤剖面
2020年2月1日
11
粘土 滞水
砂土 粗颗粒 易排水
体积 VS
VW
VA
Vf
质量
M S 16
MW
忽略
土体 VT
Mt
土壤孔隙比： 土壤孔隙所占总体积与固体物质所占体积之比
e Vf Va VW
VS
VS
孔隙度（率）：土壤孔隙体积与土壤总体积之比，一般0.3～0.6
n Vf Va VW
VT
VT
项目 土壤颗粒 液态水 空气 孔隙度 土体
体积 VS
【上升毛管水】是指土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的 毛管水，即地下水沿着土壤毛管系统上升并保持在土壤中的那一部 分水分（与地下水有直接联系）。
毛
管
上
升
水
土粒
示
意
地下水位 图 2020年2月1日
上升毛 管水达 到最大 时的含 水量为 毛管持 水量
25
毛
②毛管悬着水（有上凹形液面与下 管
凸形液面）
项目 土壤颗粒 液态水 空气 孔隙度
体积 VS
质量
MS
VW
VA
Vf
MW 忽略
土体 VT
Mt
2020年2月1日
9
土壤总容积(Vt)是土壤中固体颗粒的容积与土壤中各种大小孔 隙容积的总和。Vt= Vs+V+V式中， Vt为土壤固体颗粒容积， V为土壤空气容积， V为土壤水容积。 土壤孔隙的数量一般用孔隙度(简称孔度)表示。即单位土壤容 积内各种大小孔隙容积(V+V)所占的百分数，它表示土壤中 各种大小孔隙度的总和。
2020年2月1日
3
（2）包气带和饱和带 包气带的定义：地面以下潜水面以上的地带，也称非饱和带。 是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带； 三相系统：土壤颗粒、水分和气体； 饱和带的定义：在地下潜水面以下，土壤处于饱和含水状态， 是土壤颗粒与水分的二相系统。
2020年2月1日
4
（3）土壤水 土壤水：土壤中各种形态水分的总称。（环境科学大辞 典） 存在于非饱和带土壤孔隙中及土壤颗粒所吸附的水分。 （中国大百科全书） 储存和运移于地表，向下延伸至潜水面以上的土壤水分 （包括固态水、气态水和液态水），称为土壤水。 水文学上土壤水是指存在于包气带中的水。
吸湿水达到最 大时的含水量 为吸湿系数
受土壤表面分子的强烈吸引,为无效水，不能被植物吸收利用 具有固态水的性质：密度大，热容量小，冰点低，没有溶解能
力，不能自由移动，只能在高温下气化。 影响吸湿水含量的因素
（1）土壤空气湿度：土壤空气湿度愈大，吸湿水愈多，土壤空 气湿度达到饱和时，吸湿水达到最大
VW
VA
Vf
VT
2020年2月1日
质量
M S 17
MW
忽略
Mt
2、土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式
作用力： 分子吸附力（主要）：土壤颗粒表面附近的液态水受到土 颗粒静电场的作用而受到的力，即粘附力（液体分子与固体 分子之间的相互引力），在水文学里称为分子吸附力。 重力：土壤水分在地球重力场中受到的地球引力。赋存在 非毛细空隙（土壤大孔隙或通气孔隙）中的水分主要受到重 力的作用。 毛管力
下渗过程的阶段划分； 下渗水的垂向分布； 下渗要素； 天然条件下的下渗（难点）
2020年2月1日
2
一、土壤水的存在形式 1、土壤的水理性质 （1）土壤的定义
地球表面具有肥力，能生长植物的疏松表层。（from《环境科 学大辞典》）
成因：由岩石风化和母质的成土过程综合作用下形成的，它由 矿物质、动植物残体腐蚀产生的有机物质以及水分、空气等固、液、 气三相组成；
2020年2月1日
重力水：
受重力支配不能被 土壤所保29 持的水分
二、土壤含水量与水分常数 1、土壤含水量：单位土体中所含水分的数量
(1)重量含水量m ：单位质量土壤中所含有的水分数量。
土壤含水量（重量%）=（原土壤重-烘干土重）100% /烘 干土重
m (m水 m干土 ) 100%
注：基数用烘干土，不能用原状土，便于相互比较
一般以一定厚度土层中所含的水层深度来表示土壤所含水量， 称为土壤蓄水量。
水层厚度（mm）= 土层厚度（mm）* v
2020年2月1日
31
【土壤水的相对含量】：指土壤含水量占田间持水量或全持 水量的百分数
旱地土壤相对含水量
%
土壤含水量 田间持水量
100 %
水田土壤相对含水量
%
土壤含水量 全持水量
2020年2月1日
6
液态水
固相 固相骨架：土壤矿物质颗粒和有机 质颗粒构成固体骨架，称为土壤基质
（ soil matrix）。
土壤矿物：由土壤原生矿物和土壤 次生矿物构成，矿物的化学组成与岩 石类型有关。 土壤有机质：包括生命体和非生命 的有机质。 土壤腐殖质：是扣除未分解和半分 解动植物残体及微生物体以外的有机 物质的总称。胡敏酸 、富敏酸 、胡 敏素
100 %
2020年2月1日
32
2.土壤水分常数：指每种土壤各种类型水分达到最大量的含水量。
【吸湿系数】：干土从相对湿度接近饱和的空气中吸收水汽的最 大量，即吸湿水达到最大量时的土壤含水量 。 包括全部吸湿水，受力3.1MPa
【凋萎系数】：植物产生永久凋萎时的土壤含水量。 包括全部吸湿水和部分膜状水。受力1.5MPa
有效水（容易 被植物吸收利 用的）
2020年2月1日
28
（4）重力水
【重力水】当土壤含水量超过土壤吸持水分的能力时，多余的水分由于 不能为毛管引力所保持，在重力的作用下通过大孔隙向下流失，这种受 重力作用而下移的水分称为重力水 分类：自由重力水和支持重力水
【自由重力水】：在重力作用下，直接进入地下水层， 成为地下水补给来源的水分 【支持重力水】：在重力作用下，向下移动的水分被 不透水层阻挡并停留在不透水层上成为滞水，这部分 水分叫做支持重力水
第六章 土壤水与下渗
一
土壤水的存在形式
二
土壤含水率与水分常数
三
土壤水分运动基本方程
四
下渗的物理过程
五
下渗理论与公式
六
影响下渗的因素
2020年2月1日
1
学习重点及难点： 1、认识土壤水分存在的基本形式；（重点掌握） 2、掌握土壤水分常数的概念（凋萎系数、田间持水量）。 3、了解土壤水势的存在形式及其达西公式，为后续的学习打 基础。（了解） 4、了解下渗的概念； 5、掌握下渗的物理过程（重点）
悬 着
【悬着毛管水】是指不受地下水 水
源补给影响的毛管水，即当大气降水
示 意
或灌溉后借毛管力而保持在土壤中的 图
水分。（与地下水无关）
土粒
悬着毛管水达到最大时的含水量为田间持 水量
求 4、是地下水和作物根层水分间的桥梁 毛管水含量影响因素：土壤质地、结构、地下水含量
2020年2月1日
27
吸湿水
薄膜水 毛管水
紧束缚水，吸湿水达到最大→吸湿系数
松束缚水，薄膜水达到最大→最大分子持水 量
粘粒 强风化区土壤
养分高，团聚性强，保水 耕性较 保肥力强，通气性差，易 好 板结
2020年2月1日
13
④土壤结构 土壤固相颗粒很少呈单粒存在，土壤矿物颗粒与有机质颗粒
相互作用，聚积形成大小不同、形状各异的团聚体。这些团 聚体的组合排列称为土壤结构，土壤结构是成土过程的产物。 不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。 土壤团聚体：土壤颗粒通过有机质、水等胶结在一起，形成 团粒，称为土壤团聚体。 团聚体是土壤结构的基本单位。土壤团聚体有利于水分与养 份的长久保持与稳定。 土壤团聚体内和团聚体之间是连通的毛细孔隙与非毛细孔隙， 构成土内水分传输的通道网络。
2020年பைடு நூலகம்月1日
7
液相存在于土壤固相物质构成的孔隙网络中，由溶质与胶体 组成的溶液和悬浊液构成。
毛管水
可分为
重力水
土壤颗粒所吸附的液态薄膜水
气相占据土壤中没有被液态水所占据的土壤空隙。气相的体积 随土壤含水量的变化及土壤通气性而变化。成分与大气成分接 近。
2020年2月1日
8
②土壤中各相的体积与质量构成
2.膜状水所受的土粒表面分子引力较小，能在土粒表面缓慢移动
3.膜状水可以被植物吸收利用，但不能满足作物需求，只有根系 周围的膜状水才能被植物吸收
膜状水含量影响因素：土壤质地、有机质含量 土壤质地越粘重，膜状水含量越高
2020年2月1日
24
（3）毛管水：由于毛管力作用而赋存在土壤毛管网络内的水分 所受土壤吸力为0.08～ 6.25个大气压，可自由上下左右移动， 有溶解养分的能力，是植物生长需水中最有效的土壤水分。包括 毛管上升水、毛管悬着水
土壤的持水力与作物的吸水力基本相等，作物吸收不到水分， 是作物可利用水量的下限
【最大分子持水量】：膜状水的水膜达到最大厚度时的土壤含水 量。 包括全部吸湿水和全部膜状水，受力0.63MPa 。
2020年2月1日
33
【毛管断裂含水量】（生长阻滞含水量）：当土壤中的悬着毛管 水因作物吸收和土表蒸发而发生断裂时的土壤含水量。相当于 全部吸湿水、膜状水和部分悬着毛管水。
2020年2月1日
10
③土壤颗粒大小、质地
通常对2.0mm以下土壤颗粒分三级：粘粒、粉粒、砂粒 土壤颗粒的表面积总和很大，可吸附其它离子与胶体。 为什么有砂土、粉土、粘土、壤土之称：由土壤质地决定：砂 粒，粉粒和粘粒的相对百分组成所决定，下面看几张土壤剖面
2020年2月1日
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粘土 滞水
砂土 粗颗粒 易排水
体积 VS
VW
VA
Vf
质量
M S 16
MW
忽略
土体 VT
Mt
土壤孔隙比： 土壤孔隙所占总体积与固体物质所占体积之比
e Vf Va VW
VS
VS
孔隙度（率）：土壤孔隙体积与土壤总体积之比，一般0.3～0.6
n Vf Va VW
VT
VT
项目 土壤颗粒 液态水 空气 孔隙度 土体
体积 VS
【上升毛管水】是指土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的 毛管水，即地下水沿着土壤毛管系统上升并保持在土壤中的那一部 分水分（与地下水有直接联系）。
毛
管
上
升
水
土粒
示
意
地下水位 图 2020年2月1日
上升毛 管水达 到最大 时的含 水量为 毛管持 水量
25
毛
②毛管悬着水（有上凹形液面与下 管
凸形液面）
项目 土壤颗粒 液态水 空气 孔隙度
体积 VS
质量
MS
VW
VA
Vf
MW 忽略
土体 VT
Mt
2020年2月1日
9
土壤总容积(Vt)是土壤中固体颗粒的容积与土壤中各种大小孔 隙容积的总和。Vt= Vs+V+V式中， Vt为土壤固体颗粒容积， V为土壤空气容积， V为土壤水容积。 土壤孔隙的数量一般用孔隙度(简称孔度)表示。即单位土壤容 积内各种大小孔隙容积(V+V)所占的百分数，它表示土壤中 各种大小孔隙度的总和。
2020年2月1日
3
（2）包气带和饱和带 包气带的定义：地面以下潜水面以上的地带，也称非饱和带。 是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带； 三相系统：土壤颗粒、水分和气体； 饱和带的定义：在地下潜水面以下，土壤处于饱和含水状态， 是土壤颗粒与水分的二相系统。
2020年2月1日
4
（3）土壤水 土壤水：土壤中各种形态水分的总称。（环境科学大辞 典） 存在于非饱和带土壤孔隙中及土壤颗粒所吸附的水分。 （中国大百科全书） 储存和运移于地表，向下延伸至潜水面以上的土壤水分 （包括固态水、气态水和液态水），称为土壤水。 水文学上土壤水是指存在于包气带中的水。
吸湿水达到最 大时的含水量 为吸湿系数
受土壤表面分子的强烈吸引,为无效水，不能被植物吸收利用 具有固态水的性质：密度大，热容量小，冰点低，没有溶解能
力，不能自由移动，只能在高温下气化。 影响吸湿水含量的因素
（1）土壤空气湿度：土壤空气湿度愈大，吸湿水愈多，土壤空 气湿度达到饱和时，吸湿水达到最大
VW
VA
Vf
VT
2020年2月1日
质量
M S 17
MW
忽略
Mt
2、土壤水分的作用力和土壤水分的存在形式
作用力： 分子吸附力（主要）：土壤颗粒表面附近的液态水受到土 颗粒静电场的作用而受到的力，即粘附力（液体分子与固体 分子之间的相互引力），在水文学里称为分子吸附力。 重力：土壤水分在地球重力场中受到的地球引力。赋存在 非毛细空隙（土壤大孔隙或通气孔隙）中的水分主要受到重 力的作用。 毛管力
下渗过程的阶段划分； 下渗水的垂向分布； 下渗要素； 天然条件下的下渗（难点）
2020年2月1日
2
一、土壤水的存在形式 1、土壤的水理性质 （1）土壤的定义
地球表面具有肥力，能生长植物的疏松表层。（from《环境科 学大辞典》）
成因：由岩石风化和母质的成土过程综合作用下形成的，它由 矿物质、动植物残体腐蚀产生的有机物质以及水分、空气等固、液、 气三相组成；
2020年2月1日
重力水：
受重力支配不能被 土壤所保29 持的水分
二、土壤含水量与水分常数 1、土壤含水量：单位土体中所含水分的数量
(1)重量含水量m ：单位质量土壤中所含有的水分数量。
土壤含水量（重量%）=（原土壤重-烘干土重）100% /烘 干土重
m (m水 m干土 ) 100%
注：基数用烘干土，不能用原状土，便于相互比较
一般以一定厚度土层中所含的水层深度来表示土壤所含水量， 称为土壤蓄水量。
水层厚度（mm）= 土层厚度（mm）* v
2020年2月1日
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【土壤水的相对含量】：指土壤含水量占田间持水量或全持 水量的百分数
旱地土壤相对含水量
%
土壤含水量 田间持水量
100 %
水田土壤相对含水量
%
土壤含水量 全持水量
2020年2月1日
6
液态水
固相 固相骨架：土壤矿物质颗粒和有机 质颗粒构成固体骨架，称为土壤基质
（ soil matrix）。
土壤矿物：由土壤原生矿物和土壤 次生矿物构成，矿物的化学组成与岩 石类型有关。 土壤有机质：包括生命体和非生命 的有机质。 土壤腐殖质：是扣除未分解和半分 解动植物残体及微生物体以外的有机 物质的总称。胡敏酸 、富敏酸 、胡 敏素
100 %
2020年2月1日
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2.土壤水分常数：指每种土壤各种类型水分达到最大量的含水量。
【吸湿系数】：干土从相对湿度接近饱和的空气中吸收水汽的最 大量，即吸湿水达到最大量时的土壤含水量 。 包括全部吸湿水，受力3.1MPa
【凋萎系数】：植物产生永久凋萎时的土壤含水量。 包括全部吸湿水和部分膜状水。受力1.5MPa
有效水（容易 被植物吸收利 用的）
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（4）重力水
【重力水】当土壤含水量超过土壤吸持水分的能力时，多余的水分由于 不能为毛管引力所保持，在重力的作用下通过大孔隙向下流失，这种受 重力作用而下移的水分称为重力水 分类：自由重力水和支持重力水
【自由重力水】：在重力作用下，直接进入地下水层， 成为地下水补给来源的水分 【支持重力水】：在重力作用下，向下移动的水分被 不透水层阻挡并停留在不透水层上成为滞水，这部分 水分叫做支持重力水
第六章 土壤水与下渗
一
土壤水的存在形式
二
土壤含水率与水分常数
三
土壤水分运动基本方程
四
下渗的物理过程
五
下渗理论与公式
六
影响下渗的因素
2020年2月1日
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学习重点及难点： 1、认识土壤水分存在的基本形式；（重点掌握） 2、掌握土壤水分常数的概念（凋萎系数、田间持水量）。 3、了解土壤水势的存在形式及其达西公式，为后续的学习打 基础。（了解） 4、了解下渗的概念； 5、掌握下渗的物理过程（重点）
悬 着
【悬着毛管水】是指不受地下水 水
源补给影响的毛管水，即当大气降水
示 意
或灌溉后借毛管力而保持在土壤中的 图
水分。（与地下水无关）
土粒
悬着毛管水达到最大时的含水量为田间持 水量