包气带水文地质学-第一章 土壤和水的基本概念
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土壤——是由矿物质和生物紧密结合的固相、液相和气相三 相共存的一个复杂的、多相的、非均匀多孔介质体系。
表征土壤物理性质的指标：定性和定量
➢Texture and Struction ➢Density ➢Porosity ➢Water Content ➢Saturation
Texture 质地；机械组成 Struction 结构；土粒的排列和组合方式
e n=1+e
n e=1−n
孔隙度和容重的关系：
n
=
1
−
ρb ρs
体积含水率与重量含水率的关系：
土壤含水量的测定方法
➢ 称重烘干法（重量含水量） ➢ 中子仪 ➢ 时域反射仪TDR ➢ MP406 ➢ 石膏块
中子仪（neutral probe）
原理：应用氢原子对中子的慢化效应测定土壤含水量。 组成:中子源、慢中子检测器、计数器、电源等部分组成。 优点: ➢ 可以测量土壤从干燥至饱和范围内全部含水量; ➢ 原位测量土壤含水量; ➢ 可以测量任意土壤类型中沿土壤剖面不同深度的土壤含水量; ➢ 方法简便易行。 缺点: ➢ 中子仪测量土壤含水量是以中子源为球心的一个球体范围内土
➢ 测量土壤容积含水量精度达2％—5％； ➢ MP-406使用简单，将探头插入土壤，按动表头按键即可
直接读出土壤含水量。 ➢ MP-406还可测量不同介质的含水量，如测量粮食行业粉
状或颗粒状介质、建筑行业中搅拌料的水分。 ➢ MP—406特征：受土壤含盐量影响小；易于对特殊土壤
进行标定，内置适合于大多数土壤类型的标定曲线；探 头全封闭设计，可埋入土壤使用可接数据采集器进行定 点观测。
体含水量的平均值,受影响球半径的限制,表层30cm难以得到正 确的测量值; ➢ 需要建立适合于当地使用的中子仪标定方程; ➢ 放射源
时域反射仪TDR（土壤水分测量Trase系统）
➢ TDR系统使用时域反射原理(基于电磁脉 冲信号沿探针在土壤中反射时间的长短, 反射时间长短与介质中的水分含量有关)， 精确测量土壤的体积含水量。
➢w —土水势，即土壤总势能( soil water potential) ➢g —重力势(geopotential) ➢m —基质势 (matric potential) ➢p —压力势(pressure potential) ➢s—-溶质势（solute potential) ➢t —-温度势（temperature potential)
石膏块（ gypsum blocks）
➢ 通过测量石膏块内两个电极间的电阻来显示含水量； ➢ 石膏块永久埋入土壤，寿命3-5年； ➢ 适于干燥土壤环境； ➢ 测量范围：3-100kpa。
§2 土壤水的基本物理性质
Basic Physical Properties of Soil Water
一、土壤Leabharlann Baidu的形态（Form state of soil water）
➢ 可同时监测多达256个不同位置和不同深 度的测点，表层探头长15cm-70cm。
➢ TRASE的精度高达2％。 ➢ TRASE已经应用在工业、农业、
建筑业、水利等领域中，用于测 量不同介质的含水量。
精密土壤水分探头(MP406)
➢ 通过测量电介质常数的变化并转换为与土壤含水量成比 例的毫伏信号，可测量土壤体积含水量；
土水势：在土壤和水的平衡系统中，单位数量的 土壤水从某一状态移动到参照状态所做的功。
➢在标准参考状态下土水势为零。 ➢如果系统对土壤水做了功，则该状态的土水势为正； ➢如果土壤水对系统做了功，则该状态下的土水势为负。 ➢饱和带中土水势为正，非饱和带中土水势为负。
土水势的表达形式
w= g +m + p + s+ t
Pipette method
Hydrometer method（液体比重计）
Laser Diffraction Methods
2.0 0.05 0.002
土粒密度（Soil density）： 干容重（Dry bulk density） ： 湿容重（Wet bulk density） ：
孔隙度（porosity）：
气态水
土
重力水 支持毛细水
壤 液态水
水
毛细水 孔角毛细水
的 形 态
固态水
悬挂毛细水
强结合水(吸湿水） 结合水
弱结合水(薄膜水)
二、土壤水的能态 （Energy State of Soil Water）
• 土壤水和自然界其他物体一样，含有不同数量和形式的能。而且，普遍的趋 势是自发的由能量高的状态向能量低的状态运动或转化，最终达到能量平衡 的状态。由于水分在土壤孔隙中运移慢，其动能一般可以忽略。因此，土壤 水所具有的势能——土水势，在决定土壤水分的能态和运动上变得极为重要。 任何两点间土壤水势能之差，即土水势差，就是该两点间土壤水分运动的驱 动力。
• 土壤水的形态划分是对土壤水的一种定性描述，这种定性描述很难用于定量 地研究复杂条件下，土壤孔隙中水分运动的规律，并且在理论上也是不严密 的，而对土壤水的能态的认识和研究，大大促进了能够运用数学物理方法， 借助电子计算机，对复杂的土壤水分运动进行定量的分析和研究。
§3 土水势 （Soil Water Potential）
• 土水势的确定，不可能也没有必要确定其绝对数量，更重要的是土壤中不同 部分水的势能的相对水平。为此，可以选定一个标准参考状态，土壤中任何 一点的土水势大小，可由该点的土壤水分状态与标准参考状态的势能差值来 定义。一般地，选取一定高度处、某一特定温度（常温或与所讨论土壤水温 相同）下，承受标准大气压（或当地大气压）的纯自由水体（不含有溶质、 不受固相介质作用）作为标准参考状态。
n
=
Vf Vt
孔隙比（Void
ratio）：e
=
Vf Vs
质量含水率（Water Content, Mass Basis）：
体积含水率（Water Content, Volume Fraction）：
饱和度（Water Saturation or Degree of Saturation）：
孔隙度与孔隙比的关系：
第一章 土壤和水的基本概念 Chapter1: Basic Conceptions of Soil
and Water
• §1 土壤的基本物理性质 • §2 土壤水的基本物理性质 • §3 土水势 • §4 水分特征曲线
§1 土壤的基本物理性质 Basic Physical Properties of Soil
表征土壤物理性质的指标：定性和定量
➢Texture and Struction ➢Density ➢Porosity ➢Water Content ➢Saturation
Texture 质地；机械组成 Struction 结构；土粒的排列和组合方式
e n=1+e
n e=1−n
孔隙度和容重的关系：
n
=
1
−
ρb ρs
体积含水率与重量含水率的关系：
土壤含水量的测定方法
➢ 称重烘干法（重量含水量） ➢ 中子仪 ➢ 时域反射仪TDR ➢ MP406 ➢ 石膏块
中子仪（neutral probe）
原理：应用氢原子对中子的慢化效应测定土壤含水量。 组成:中子源、慢中子检测器、计数器、电源等部分组成。 优点: ➢ 可以测量土壤从干燥至饱和范围内全部含水量; ➢ 原位测量土壤含水量; ➢ 可以测量任意土壤类型中沿土壤剖面不同深度的土壤含水量; ➢ 方法简便易行。 缺点: ➢ 中子仪测量土壤含水量是以中子源为球心的一个球体范围内土
➢ 测量土壤容积含水量精度达2％—5％； ➢ MP-406使用简单，将探头插入土壤，按动表头按键即可
直接读出土壤含水量。 ➢ MP-406还可测量不同介质的含水量，如测量粮食行业粉
状或颗粒状介质、建筑行业中搅拌料的水分。 ➢ MP—406特征：受土壤含盐量影响小；易于对特殊土壤
进行标定，内置适合于大多数土壤类型的标定曲线；探 头全封闭设计，可埋入土壤使用可接数据采集器进行定 点观测。
体含水量的平均值,受影响球半径的限制,表层30cm难以得到正 确的测量值; ➢ 需要建立适合于当地使用的中子仪标定方程; ➢ 放射源
时域反射仪TDR（土壤水分测量Trase系统）
➢ TDR系统使用时域反射原理(基于电磁脉 冲信号沿探针在土壤中反射时间的长短, 反射时间长短与介质中的水分含量有关)， 精确测量土壤的体积含水量。
➢w —土水势，即土壤总势能( soil water potential) ➢g —重力势(geopotential) ➢m —基质势 (matric potential) ➢p —压力势(pressure potential) ➢s—-溶质势（solute potential) ➢t —-温度势（temperature potential)
石膏块（ gypsum blocks）
➢ 通过测量石膏块内两个电极间的电阻来显示含水量； ➢ 石膏块永久埋入土壤，寿命3-5年； ➢ 适于干燥土壤环境； ➢ 测量范围：3-100kpa。
§2 土壤水的基本物理性质
Basic Physical Properties of Soil Water
一、土壤Leabharlann Baidu的形态（Form state of soil water）
➢ 可同时监测多达256个不同位置和不同深 度的测点，表层探头长15cm-70cm。
➢ TRASE的精度高达2％。 ➢ TRASE已经应用在工业、农业、
建筑业、水利等领域中，用于测 量不同介质的含水量。
精密土壤水分探头(MP406)
➢ 通过测量电介质常数的变化并转换为与土壤含水量成比 例的毫伏信号，可测量土壤体积含水量；
土水势：在土壤和水的平衡系统中，单位数量的 土壤水从某一状态移动到参照状态所做的功。
➢在标准参考状态下土水势为零。 ➢如果系统对土壤水做了功，则该状态的土水势为正； ➢如果土壤水对系统做了功，则该状态下的土水势为负。 ➢饱和带中土水势为正，非饱和带中土水势为负。
土水势的表达形式
w= g +m + p + s+ t
Pipette method
Hydrometer method（液体比重计）
Laser Diffraction Methods
2.0 0.05 0.002
土粒密度（Soil density）： 干容重（Dry bulk density） ： 湿容重（Wet bulk density） ：
孔隙度（porosity）：
气态水
土
重力水 支持毛细水
壤 液态水
水
毛细水 孔角毛细水
的 形 态
固态水
悬挂毛细水
强结合水(吸湿水） 结合水
弱结合水(薄膜水)
二、土壤水的能态 （Energy State of Soil Water）
• 土壤水和自然界其他物体一样，含有不同数量和形式的能。而且，普遍的趋 势是自发的由能量高的状态向能量低的状态运动或转化，最终达到能量平衡 的状态。由于水分在土壤孔隙中运移慢，其动能一般可以忽略。因此，土壤 水所具有的势能——土水势，在决定土壤水分的能态和运动上变得极为重要。 任何两点间土壤水势能之差，即土水势差，就是该两点间土壤水分运动的驱 动力。
• 土壤水的形态划分是对土壤水的一种定性描述，这种定性描述很难用于定量 地研究复杂条件下，土壤孔隙中水分运动的规律，并且在理论上也是不严密 的，而对土壤水的能态的认识和研究，大大促进了能够运用数学物理方法， 借助电子计算机，对复杂的土壤水分运动进行定量的分析和研究。
§3 土水势 （Soil Water Potential）
• 土水势的确定，不可能也没有必要确定其绝对数量，更重要的是土壤中不同 部分水的势能的相对水平。为此，可以选定一个标准参考状态，土壤中任何 一点的土水势大小，可由该点的土壤水分状态与标准参考状态的势能差值来 定义。一般地，选取一定高度处、某一特定温度（常温或与所讨论土壤水温 相同）下，承受标准大气压（或当地大气压）的纯自由水体（不含有溶质、 不受固相介质作用）作为标准参考状态。
n
=
Vf Vt
孔隙比（Void
ratio）：e
=
Vf Vs
质量含水率（Water Content, Mass Basis）：
体积含水率（Water Content, Volume Fraction）：
饱和度（Water Saturation or Degree of Saturation）：
孔隙度与孔隙比的关系：
第一章 土壤和水的基本概念 Chapter1: Basic Conceptions of Soil
and Water
• §1 土壤的基本物理性质 • §2 土壤水的基本物理性质 • §3 土水势 • §4 水分特征曲线
§1 土壤的基本物理性质 Basic Physical Properties of Soil