第五章 土壤水

将补给潜水，形成地下径流。
—— 这是蓄满产流的理论基础。
毛管孔隙度与 土壤类型 砂土 砂壤土 壤土 粘土 重粘土 孔隙度 田间持水率 总孔隙度之比
0.30~0.40 0.40~0.45 0.45~0.50 0.50~0.55 0.55~0.60
0.12~0.20 0.17~0.30 0.24~0.35 0.35~0.45 0.45~0.55
第五章 土壤水？——为下渗做准备
蒸发 蒸散发
截留 蒸散发
洼蓄 降水
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
第五章 土壤水
5.1 土壤的水理特性 5.2 土壤水分的作用力及土壤水分存在形式 5.3 土壤水的水力特性 5.4 土壤水运动的基本方程 5.5 土壤水的测量
重点和难点
1. 2.
0.35~0.50 0.40~0.65 0.50~0.70 0.65~0.80 0.75~0.85
田间持水量测量
测定方法 在一定面积的小区内，
土壤充分灌水使之排除土壤空气达到饱和后,
超过最大毛管悬着水量之后，
也就是毛细管网络恰好充满水后，
则后续下渗补给的土壤水分
不能被毛细管再吸持保留，
多余的水分就在重力的作用下，
向深层土壤渗漏——是蓄满产流的理论基础。
3.重力水
赋存在土壤非毛管孔隙中，
在重力作用下自由移动，可传递水压，驱动水分流动。
能被植物吸收，由于很快渗透到土壤下层， 不能为植物持续利用，是地下水的重要来源之一。
上凹形液面与下凸形液面， 依靠这两个弯曲液面的表面张力差， 而赋存在这个联通的毛细管的水分。
田间持水量（最大毛管悬着水量）
土壤充分饱水后， 在重力作用下 自然疏干而充分排水后，
依靠毛管力和分子吸附力
所保留的水分含量。 这部分水量是不会在重力作用下流走的最大含水量。
最大毛管悬着水量与产流
当土壤水含量
潜水位以下自由重力水
在毛管力作用下
上升进入土壤毛细网络的水分 若地下水位上升， 毛细上升水的高度会随之上升。 其水分来源于潜水面以下的含水层
毛管悬着水（有上凹形液面与下凸形液面）
与地下水无水力联系， 悬吊在土壤上层毛细孔隙网络内 。
当潜水与毛管上升水失去水力联系， 土壤剖面内上下联通，
而孔径不同的毛细管内会形成
5.2.3 土壤含水量(soil water content)指标
重量含水量： 土壤中水的质量与土颗粒总质量之比，可大于1.0
MW m 100% MS
体积含水量： 土壤中液态水所占的体积与土壤总体积之比,<1.0
VW v VT
饱和含水量： 土壤孔隙完全被水充满状态下的含水量,等于孔隙度
取决于土壤颗粒大小与土颗粒比表面积、
土壤胶粒及土颗粒吸附离子的种类。 土壤颗粒粒径愈小、 有机胶体与粘粒矿物愈多， 土壤颗粒对土壤水分的吸附力也愈强， 保持的水量也愈多。
3 内力——内聚力（cohesive force ）
同类分子间具有的分子间引力称为内聚力。 水分子之间借氢键而相互吸引的力，30MPa 。 氧原子的电负性比氢原子的大，
毛细管内上升高度 h
2 2 cos h gR g r
7.3 10 N / m
2
0
2 7.3 1 0.15 mm 1 9.8 r r
5.2.2 土壤水分存在的形式
束缚水（结合水） 吸湿水（强结合水）
薄膜水（弱结合水）
毛细上升水 毛 管 水
sat n
Vf VT
土壤水分常数
最大吸湿水量 最大分子持水量 土壤水分常数
凋萎含水量
田间持水量 毛管断裂含水量
5.2.4 土壤水分常数
1.最大吸湿水量及其测定方法（完全不能为植物利用 ） 完全干燥的土壤从饱和水汽的空气中 吸收气态水的最大数量。这部分水量完全不能为植物利用
土壤质地与土壤吸湿水和最大吸湿量 砂 土 轻壤土 中壤土 粉砂质粘壤土 5~15 >15 15~30 30~50 25~40 50~60 60~80 80~100
项目 土壤颗粒 液态水 体积 质量
空气 孔隙度
土体
VS
MS
VWLeabharlann MWVA忽略Vf
VT
Mt
5.1.4 土壤物理常用指标-1
土壤比重： 土壤中固体物质重量与同体积水的重量比。
s
MS M同体积水
土壤容重： 自然条件下，单位土体体积的干土重量(g/cm3）。
MS b VT
5.1.4 土壤物理常用指标-2
土壤水理特性表示方法 土壤水分存在形式及对应的受力
3.
4.
土壤含水量和土壤水分常数
土水势的构成（基质势、溶质势、压力势、重力势）和 概念
5.
6. 7. 8. 9.
土壤水分特征曲线，了解土壤水分滞后
土壤水流连续方程 饱和土壤水运动方程 非饱和土壤水流的基本微分方程 非饱和土壤水分扩散方程（理查兹方程）
测定方法 利用滤纸除去超出最大分子持水量的其余水分， 剩下的土壤水分含量就是最大分子持水量。 或用高速离心机测得。
3.凋萎含水量
植物因缺水 而开始出现永久凋萎特征时的土壤含水量。
包括全部吸湿水和部分膜状水。
是作物生长和发育最低的水分极限
测定方法 — 盆栽幼苗法， 或用最大吸湿水量 除以0.68 求得近似值。
重力、毛细力的作用。
还受到渗透压力、粘滞力、大气压力的作用（忽略）。
5.2.1 进入土壤的水分受到的力
内 聚 力
内力
表面张力 分子吸附力 重 力 三种力导致毛细现象，产生毛细力 ， 又称为粘附力、附着力
外力
渗透压力 粘滞力 大气压力
1 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。
1.
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(aggregate)。
2.
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。
3.
不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构。
5.1.4 土壤物理常用指标 土壤比重、 土壤容重
土壤孔隙比、 孔隙度（率）
砾石 山区、河漫滩、冲积扇 孔隙大，跑水，难耕作 林果地 沙粒 冲积平原，沙、荒漠接 孔隙大、透水性强，养 农耕地 壤区 分少，保水保肥性差 粉粒 黄土类土壤含量高 粘粒 强风化区土壤 团聚胶结性差，保水保 耕性好 肥力较强，易遭趋势 养分高，团聚性强，保 耕性较 水保肥力强，通气性差，好 易板结
土壤团聚体—— soil aggregates
5.1.2 土壤的三相组成——液相 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
5.1.2 土壤的三相组成——气相——孔隙 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。
0.30~0.40 0.40~0.45 0.45~0.50 0.50~0.55 0.55~0.60
0.35~0.50 0.40~0.65 0.50~0.70 0.65~0.80 0.75~0.85
5.2 土壤水分的作用力及土壤水分存在形式
水分一旦进入土体孔隙网络中，就受到 土壤颗粒吸附力、 土壤空隙网络内水—气界面的表面张力、
水气界面处 水分子受力
导致液体表面有自动收缩的趋势。
4
土壤孔隙中
毛细力
水分和空气的界面为弯液面，
在这个弯液面下的毛管水
承受着一种张力，即毛细力。
土壤孔隙网络内的毛细现象(capillarity)
液面为何弯曲？
液柱为何上升或下降 ?
附加压强 ？
毛细管中液柱的高度如何求 ？
水分子之间的内聚力、 土颗粒与水分子之间的分子吸附力、 以及土壤孔隙内水—气界面的表面张力共同作用， 产生了毛细现象。
电子云偏向于氧原子，
氧原子端带部分负电荷， 氢原子端带部分正电荷；这样， 不同水分子的氢原子与氧原子
相互吸引排列，
在水分子间形成氢键，产生一定的内聚力。
3 内力——表面张力（ surface tension ）
作用于液体表面上，单位长度上的力，称为表面张力 液体表面附近水分子受到
垂直向内的表面张力，
2
分子吸附力（ Adhesion force）
土壤颗粒表面附近的液态水受到土颗粒 分子吸附力：
静电场的作用而受到的力，即粘附力， 在水文学里称为分子吸附力。
粘 附 力：液体分子与固体分子之间的相互引力
称为粘附力 或附着力（ Adhesion force） 。
2 分子吸附力大小
分子吸附力的大小及依靠这个力所保持的水量
毛管悬着水
重 力 水
1.束缚水（结合水）
依靠分子吸附力，吸附在土壤颗粒表面的一层水膜
吸湿水 紧靠土粒，吸引力达几千～上万个大气压， 不能自由移动，不溶解盐，
不能被植物吸收利用，对植物生长意义不大。
薄膜水 吸力6.25 ～ 31个大气压，性质介于自由水与吸 湿水之间，可溶解盐类，可传递静水压力。
移动速度一般为0.2～0.4mm／h，
成分 与大气成分接近
5.1.2 土壤中各相的体积与质量构成
项目 土壤颗粒 液态水 体积 质量
空气 孔隙度
土体
VS
MS
VW
MW
VA
忽略
Vf
VT
Mt
5.1.3 土壤颗粒大小
通常对2.0mm以下土壤颗粒分三级：粘粒、粉粒、砂粒