水文学原理(第五章 土壤水与下渗1)

实际水重 100% 干土重
例1 ：土壤烘干前湿重为95g，烘干后重79g，求质量含
水量。
（2）土壤容积含水率
水分容积 100% 土壤容积 土壤含水量(重量%) 土壤容重
（3）蓄水深度
水层厚度 土层厚度 土壤含水量（容积%）
例3： 如某土层厚度为10cm，容积含水量为25％， 求水深。
4）、重力势
土壤水处于重力场中，由于地球引力而使土
壤水所具有的势能称为重力势。
数值上等于：将单位数量的土壤水分从某一
点移动到参考状态平面处，而其它各项维持不变
情况下，土壤水所作的功。数值大小取决于土壤 水所处的高度。
参考平面任意，一般可取：海平面、地面标
高、地下水位标高。
土壤中垂直坐标为z、质量为m的土壤水所具
土壤水分特征曲线的滞后现象
1200
壤土
土壤负压-h(cm) 1000 800 600 400 200 0 20 40 含水率θ(%)
•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 •滞后现象产生的原因主要有：
吸水 释水
★ 土壤孔隙的不规则性 ★ 吸水过程中，空气常被封闭 于土壤孔隙中
4. 土壤水流动的基本方程
1）汽态水
汽态水：
存在于土壤空隙 中的水汽
2）吸着水
薄膜水：
吸湿水:
紧束在土粒表面， 不能自由移动
吸附于吸湿水外部， 只能沿土粒表面做 微小的移动
土 粒
膜状水示意图
膜状水移动示意图
3）毛水
毛管水: 受毛管力的作用保 持在土壤中的水分
存在形式：气态 固态 液态 设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）
2. 土壤含水量及水分常数
紧束缚水，吸湿水达到最大→吸湿系数
吸湿水
松束缚水，薄膜水达到最大→最大分子持 水量 薄膜水 毛管水
有效水（容易 被植物吸收利 用的）
按运动形态划分：
汽态水
吸着水 土壤水 毛管水 重力水 毛管上升水 毛管悬着水
吸湿水 薄膜水
第三节
土壤含水率及水分常数
1.定义:一定量的土壤中所含水分的数量。 （1）土壤重量含水率
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；
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。
置高处流向位置低处，流动唯一遵循的原则是
土水势高处向土水势低处运移。
总土水势的表示方法（单位）：可统一用水
柱高度表示。
势能为标量，只有大小没有方向，可进行代 数运算。 势能的梯度具有方向，土壤水总是向势能减 小的方向运动，即向负梯度方向运动。
3.土壤水分特征曲线
土壤水分特征曲线表示土壤水的能量 和数量之间的关系，是研究土壤水分的保
自由水面以下，土壤水受到静水压力作用，
所具有的压力势能。
标准参考状态：标准大气压
对于饱和土壤水，地下水面以下h深处的附加 压强为wgh，由于在地下水面以下，该值大于零；
单位容积的压力势为p= wgh 单位质量的压力势为p= gh 单位重量的压力势为（压力水头）p= h 非饱和土壤水，孔隙连通，各点均为大气压， p=0。
不同质地和耕作条件下的田间持水量 （m%）
土壤质地 砂土 砂壤土 轻壤土 中壤土 重壤土 粘土 二合土 耕后 田间持水量
10-14 13-20 20-24 22-26 24-28 28-32 25
紧实
21
3 土壤含水量测定
1）. 称重法: 2）.张力计法
3）. 电阻法
4）. 中子法
5）. r-射线法
持和运动所用到的反映土壤水分基本特性
的曲线。
3.土壤水分特征曲线
1200 土壤负压-h(cm) 1000 800 600 400 200 0 20 40 含水率θ(%)
砂土
壤土
粘土
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 土壤水分特征曲线有滞后 现象
萎蔫系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。
无效孔度 = 凋萎系数×容重
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
第三节 土壤水 第五章 土壤水和下渗
一、土壤的水理特性 二、土壤水的存在形式和分类 三、土壤水的水力特性 四、土壤水运动的基本方程
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。（难点、了解）
饱和情况下，土水势由何组成？如何计算？
1)、基质势（也称：基模势） m
土壤颗粒（基质）对土壤水的吸附和毛管作 用，使土壤水保持在土壤中，统称为基质势。 基质势由吸附势和毛管势组成，两者很难区 分开。
自由水(可以自由流动的水，是良好的溶剂和运输工具) 不含基质势，设为标准参考状态（0）。 数值上等于：单位数量的土壤水分由非饱和土 壤中的一点移至标准状态，除了土壤基质作用 外其它各项维持不变，土壤水分所作的功。 非饱和土壤水的基质势永远为负。
分析一般土壤水运动时，溶质势和温度势可以忽略。
g m p
非饱和土壤中：重力势和基质势
g m
饱和土壤中：重力势和压力势
g p
土壤水流总是由位置高处向位置低处流动，对吗
水的流动方向不仅与位置高度有关，而且 取决于土壤的干湿程度，不能笼统地说水由位
6）. 驻波比法
7）. 光学测量法
8）. 时域反射法
第四节 土壤水分运动基本方程
1.毛细现象及毛细力
2R 2 Pc 2 R R
2.土水势
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。如何定义和
计算？例如在饱和的含水层中，如何计算？在非
2.土壤容重：指自然条件下，单位体积中的干土重量。
3.土壤孔隙比：指土壤中孔隙体积与固体体积之比。
4.孔隙率：指孔隙体积与总体积之比。
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
固态水：冬季土壤冻结时存在 气态水：存在于土壤、空气中
土壤水
吸湿水 受土粒分子引力 薄膜水 毛管悬着水 液态水受毛管力作用 支持毛管水 自由重力水 受重力作用 支持重力水
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。
土壤的水理特性
1.土壤比重：指土壤中固体物质与同体积水的重量比。
流总势（通常称水头）由重力势和压力势构成；非饱和流总势
（土水势）由重力势和基质势构成，水的流动唯一遵循的原则 是土水势高处向土水势低处运移。
饱和土壤渗透系数可认为是常数，而非饱和
土壤的渗透系数（导水率）是土水势或含水量的 函数，它随着含水量的减小而降低。
思考题： 1.论述土壤水的存在形式及其特性。 2.解释：土壤含水率、最大吸湿量、最大分子持水量、凋萎系 数、田间持水量、上升毛管水、悬着毛管水。
土粒 地下水位
毛 管 悬 着 水 示 意 图
土粒
均质土包气带水分分布

毛管上升水:
地下水在毛管力作用下上升并保持在土 壤中的水分； 毛管悬着水: 当地下水位较低时，降雨或灌溉后因毛
管力的作用而保持在土壤里的水分。
4）重力水
重力水：
受重力支配不能被 土壤所保持的水分
有的重力势为：Eg=mgz。
单位质量土壤水的重力势为：g=gz 单位重量土壤水的重力势（水头或水位）：
g= z
5）、温度势 t
由于温度场的温差所引起的。土壤中任意点 土壤水分的温度是由该点的温度与标准参考状态 的温度之差决定。
总土水势
g m p s t

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 意 图
土粒 地下水位
毛 管 悬 着 水 示 意 图
土粒
2.土壤水分常数
1)吸湿系数: 吸湿水达到最大时的土壤含水率。
2)最大分子持水量：薄膜水达到最大时的土壤含水率。
3)凋萎系数：作物产生永久凋萎时的土壤含水率 。

机制：毛管力（0.08- 6.25× 105 ）
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
• h水柱高度（cm)
0.05-0.005 毛管作用最强 〈0.001mm 毛管作用消失
•d孔隙直径（mm）
毛 管 上 升 水 示 意 图
2)、溶质势（ s）：土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水 的综合作用所形成的势。
m
土壤水溶液对水分子有吸引力，实施
上述移动时必须克服这种吸持作用对土壤
水做功。也就是说，土壤水中溶质的存在，