1试验二、沟灌条件下土壤水分运动

灌溉排水工程学课程教学大纲课程名称：灌溉排水工程学（Irrigation and Drainage Engineering）课程编码：Z106004 总学时/总学分：48/3理论学时/理论学分：40/2.5 实验学时/实验学分：8/0.5 适用专业：农业水利工程开课单位：水利建筑工程学院一、课程性质及目的1、课程性质灌溉排水工程学是农业水利工程专业的专业必修课。

2、课程目的课程教学所需达到的目的主要是使学生掌握农田灌溉排水工程的规划设计理论及方法，其中要求学生了解农田土壤水分的基本知识，非充分灌溉原理与作物水分生产函数，灌排系统管理的基本知识，灌溉排水对环境的影响与评价，灌排工程效益与经济评价，掌握农田土壤水分的基本理论，作物需水量与灌溉制度的确定，灌溉用水量与灌水率的制定，灌水方法与灌水技术；重点掌握灌溉渠道系统流量推算的基本理论，灌溉排水渠道的横纵断面设计的计算方法。

二、课程内容及要求绪论1学时教学要求：要求了解灌溉排水工程学的研究对象和基本内容，我国灌溉排水事业现状及发展趋势，学习本课程的方法。

查阅我国和世界古代灌溉排水工程发展历程相关资料。

采用课堂讲授为主，多媒体课件为辅的教学方法和教学形式。

第一章农田灌溉原理10学时实验6学时教学要求：要求了解农作物对农田水分状况的要求和土壤水分运动的基本原理。

理解土壤—作物—大气连续体水分运动原理，掌握作物需水量、灌溉制度，作物水分生产函数、灌溉用水量与灌水率概念。

掌握农田水分和土壤含水量的表示和测定方法，作物需水量确定，充分灌溉条件下农作物灌溉制度制定、设计灌水率和灌溉用水过程线的方法。

采用课堂讲授为主，多媒体课件为辅的教学方法和教学形式。

实验内容：土壤水势、水分特征曲线测定，测定土壤的饱和含水率、田间持水率、凋萎系数，4学时植物需水量测定，植物的耗水量，2学时第二章灌水方法与灌水技术4学时实验2学时教学要求：了解地面灌水方法，提高地面灌水技术对于节省灌溉水量和增加作物产量的重要性。

土壤水分类型、吸水原理及循环过程水是农业的关键因素，土壤水是土壤的重要组成部分之一，对土壤肥力和作物的生长发育具有重要影响。

因此，保护性耕作技术措施的运用，旨在调节和管理土壤水分状况，以促进作物的稳产、高产。

土壤吸水原理主要由土壤吸附力和毛管力两种作用组成。

土壤水分可分为吸湿水、膜状水、毛管水和重力水四种类型。

其中，吸湿水是土壤吸附水气中水分子的能力，其数量取决于土壤的质地、腐殖质含量和空气湿度。

无效水则是吸湿水中不能被作物吸收利用的部分，其含量可通过烘干法进行测定。

在土壤水循环过程中，土壤的物理、化学和生物学性质都会受到影响。

因此，了解土壤水分类型和吸水原理，对于有效地控制、调节和管理土壤水分状况，以提高作物产量具有重要意义。

土壤中的水分存在着不同的状态，包括膜状水和毛管水。

膜状水是指土粒吸收完大气中的水分子后，仍然存在于土粒表面上的水分。

这种水分具有溶解养分的能力，并且可以缓慢地移动。

当根系与膜状水接触时，根系就可以吸收利用这部分可移动的膜状水。

而毛管水则是指超过最大分子持水量后，保留在土壤中的自由水。

毛管水存在于毛管孔隙中，靠毛管弯曲面力保存。

毛管水又可分为毛管悬着水和毛管上升水两种类型。

毛管悬着水是指保存在大小不同的毛管孔隙中，不与地下水相连接的水分。

田间持水量是土壤在自然条件下所能保持的最大水量，包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水的总和。

毛管悬着水是土壤中最宝贵的有效水，因为它的吸水力很低，很容易被作物根系吸收利用。

田间持水量是一个常数，可以根据作物和土壤的凋萎系数来计算。

在甘肃黄土高原地区，不同土壤的田间持水量变化在22.8%～26.8%之间。

表1-9 土壤质地与田间持水量（华北地区）以下为华北地区不同土壤质地的田间持水量、有效水量和调萎系数。

其中，有效水量指作物生长所需的水分量，调萎系数是指土壤干旱时，作物出现萎蔫的程度。

土壤质地田间持水量（重量%）有效水量（%）调萎系数（%）砂土 10~14 21~24 4~9砂壤土 3~4 4~9 12~20轻壤土 6~9 12~20 13~19中壤土 16~20 22~26 13~22重壤土 4~6 6~10 12~20粘土 10~16 26~28 13~17毛管上升水毛管上升水是指地下水沿着毛细管上升后保持在毛细管孔隙里的土壤水。

土中水的运动规律土中水的运动规律是指水在土壤中的流动和分布的规律。

土壤中的水分运动是一个复杂的过程，受到多个因素的影响，如土壤类型、土壤孔隙度、水力条件、根系活动以及气候等。

通过研究土中水的运动规律，可以更好地理解水分循环和地下水资源的形成与分布，对水文循环模型的建立和水资源管理具有重要意义。

1. 水分下渗规律土壤中的水分主要通过下渗进入深层土壤或地下水层。

下渗规律取决于土壤的孔隙度和渗透性，水分的下渗速率与土壤孔隙度呈正相关关系。

土壤孔隙度越高，水分下渗的速率越快。

此外，土壤质地也影响下渗规律，例如，砂土的渗透性较好，能够较快地将水分下渗到深层。

2. 土壤中水分的传导规律土壤中的毛细现象是水分在土壤中传导的重要机制之一。

毛细现象是由于土壤颗粒表面的毛细管作用引起的。

水分分子在土壤孔隙中通过毛细现象向上运动，这种运动规律被称为上升运动。

毛细现象的主要影响因素包括土壤颗粒间的间隔距离、土壤颗粒表面的湿度和土壤毛细管的直径。

3. 根系对土壤中水分的摄取规律植物根系是水分在土壤中运动的重要因素之一。

根系通过吸收土壤中的水分供给植物的生长和代谢所需。

根系的分布范围和活动水平会影响水分在土壤中的分布和运动规律。

在干旱季节，植物的根系会向深层土壤迁移，从而增加了土壤中水分的储存量。

4. 土壤中水分的蒸发规律土壤中的水分在受到外界环境的作用下会发生蒸发。

土壤中水分的蒸发过程可以通过温度、湿度和风速等因素来描述。

温度越高，湿度越低，风速越大，土壤中的水分蒸发越快。

此外，土壤表面的覆盖物（如植被）也会影响土壤中水分的蒸发规律，植被的存在可以减缓土壤中水分的蒸发速率。

5. 土壤中水分的径流规律当土壤中的水分超过其持水能力时，多余的水分会以径流的形式流出。

土壤中水分的径流规律受到降雨强度、土壤质地、土壤饱和度和土壤坡度等因素的影响。

降雨强度越大，土壤的饱和度越高，土壤中水分的径流量越大。

综上所述，土中水的运动规律受到多个因素的综合影响。

1试验二、沟灌条件下土壤水分运动试验二、沟灌条件下土壤水分运动规律实验设计2011年07月17日00:08一、实验目的沟灌宽垅作物的地面灌水方法，灌水沟的间距与长度决定于灌水流量。

本实验的目的：1. 在室内土壤模拟沟灌条件，观察沟灌是土壤湿润锋面的扩展过程，认识沟灌条件下土壤水分运动的规律；2. 了解并对比不同人土质的湿润范围；3. 了解灌溉的灌水特点，入渗水量随时间的变化关系；4. 了解非饱和土壤水运动室内实验技术几测试方法。

二、实验设备1. 实验土槽实验在1500*150*20是厘米3的土槽上进行，土槽为钢框架，三侧壤状塑科技，一侧壤装有机玻璃，透过有机玻璃可以观测湿润锋面扩展过程。

槽内如何装填试样视实验安排而定。

看进行匀质土实验，可根据预先制备的土壤（最好选用轻质土，以免实验时间过长）按一定容量分层装填；看进行非匀质土（即层状结构）实验，则按预先设定的土层区结构和各层土壤的容量，逐层填装；为了对比不同土质沟灌时土壤水分运动的差异（如湿润形状和湿润速度的差异），亦可在同一土槽中在中部（75cm处）临时用垂直隔扳分成两部分，分别装填不同质地的试样。

填土厚度为140cm，在中部挖出梯形或三角形面的灌水沟（见图（试）5-1）。

在同一槽中进行两种土质对比实验时，灌水沟挖在两侧边具其断面为前述的一半（见图（试）5-2）为了标记不同时刻土壤湿润范围，在有机玻璃一侧应标有刻度。

2. 供水装置为使灌水过程中维持一定的灌水沟水位，在灌水沟上方装设自动供水箱（亦称马立奥特瓶），水箱进气管的高程即为灌水沟的水位高程，供水箱自动补充灌水沟中由于水量入渗而减少的水量，故灌水沟渗水量的多少可以通过测读供水箱水位变化值换标求得。

3. 土壤含水率的测量在实验过程中，不可能采用取土烘干法测量土壤含水率，只能通过间接的方法进行测定，有条件时可采取r射线衰减法或其他电测方法定时测定土壤含水率，较简单可行的方法是采用张力计，通过测定土壤负压而换称为土壤含水率，目前在实验室中常用的是直管式或U型管式水银张力计，其结构见图（试）5-3（a）5-3(b)。

第五章降雨和灌水入渗条件下土壤水分运动第一节水向土中入渗过程一、概述降雨和灌水入渗是田间水循环的重要环节，与潜水蒸发一样，是水资源评价和农田水分状况调控的重要依据。

水渗入土壤的强度主要取决于降雨或灌水的方式和强度以及土壤渗水性能。

如果土壤渗水性能较强，大于外界供水强度，则入渗强度主要决定于外界供水强度，在入渗过程中土壤表面含水率随入渗而逐渐提高，直至达到某一稳定值。

如果降雨或灌水强度较大，超过了土壤渗水能力，入渗强度就决定于土壤的入渗性能，这样就会形成径流或地表积水。

这两种情况可能发生在入渗过程的不同阶段，如在稳定灌溉强度（例如喷灌）下，开始时灌溉强度小于土壤入渗能力，入渗率等于灌溉强度；但经过一定时间后，土壤入渗能力减少，灌水强度大于土壤入渗能力，于是产生余水，如图2－5－ 1所示的降雨或灌水条件下的入渗过程。

开始时入渗速率较高，以后逐渐减小。

土壤的入渗能力随时间而变化，与土壤原始湿度和土壤水的吸力有关，同时也与土壤剖面上土质条件、结构等因素有关。

一般来说，开始入渗阶段，土壤入渗能力较高，尤其是在入渗初期，土壤比较干燥的情况，然后随土壤水的入渗速率逐渐减小，最后接近于一常量，而达到稳定入渗阶段。

在较干旱的条件下，土壤表层的水势梯度较陡。

所以，入渗速率较大，但随着入渗水渗入土中，土壤中基模吸力下降。

湿润层的下移使基模吸力梯度减小。

在垂直入渗情况下，如供水强度较大，使土壤剖面上达到饱和，当入渗强度等于土壤饱和水力传导度时，将达到稳定入渗阶段。

如供水强度较小，小于饱和土壤水力传导度时，达到稳定入渗阶段的入渗强度将等于该湿度条件下的非饱和土壤水力传导度。

入渗过程中，土壤剖面上水分分布与土表入渗条件有关。

根据 Coleman和Bodman 的研究，当均质土壤地表有积水入渗时，典型含水率分布剖面可分为四个区，即表层有一薄层为饱和带，以下是含水率变化较大的过渡带，其下是含水率分布较均匀的传导层，以下是湿润程度随深度减小的湿润层，该层湿度梯度越向下越陡，直到湿润锋。

《农业水资源利用与管理》课程教学大纲Utilization and management of agricultural water resources一、课程基本信息（一）知识目标农业水资源利用与管理是一门研究农业水资源特征、农田水分状况和有关地区水情的变化规律及其调节措施、消除水旱灾害和利用水资源为发展农业生产而服务的科学。

其基本任务是通过各种工程措施，调节和改变农田水分状况及其有关的地区水利条件，以促进农业生产的发展。

本课程的教学目的是使学生掌握农业水资源量分析方法，掌握灌溉排水的基本理论和灌排技术、灌排系统规划设计方法及地区水利规划的基本知识和方法等。

（二）能力目标通过理论教学，能对区域水资源量进行分析，能根据水源条件选择合理的取水方式，能进行引水工程的水利计算；能进行灌区灌排系统的规划布置。

为土地规划、土地整治工程规划设计打下基础。

（三）素质目标培养学生爱岗敬业、勤奋好学、细心踏实、思维敏锐、勇于创新、科学认真的职业精神。

三、基本要求（一）了解了解我国水资源利用状况、我国农田水利事业和世界灌溉与排水的发展概况；了解灌溉水源、水质标准、农用小型蓄水工程的类型及组成、取水方式的类型。

（二）理解理解水循环规律和地表水、地下水资源分析方法；理解农田水分状况和土壤水分运动的基本原理；理解作物需水量和灌溉用水量的计算方法；理解灌水方法的类型、特点及使用条件；理解田间排水的形式和作用。

（三）掌握渠道灌溉系统、管道灌溉系统的组成与规划设计；掌握喷灌和微灌系统的组成及设计。

四、教学内容与学时分配绪论1学时第一节水资源的概念第二节变化中的世界之水第三节我国的节水农业与水资源的可持续利用知识点：水资源的概念、水资源利用、我国的节水农业现状。

本章小结：本章主要介绍了水资源概念的由来和水资源开发利用的发展过程。

使学生了解我国的农田水利事业的发展概况和作用，理解水资源利用与保护的重要性，以及我国进行节水农业的必要性。

实验一 土壤渗吸实验一、实验目的(1) 观测积水条件下土壤入渗过程，掌握累积入渗量和湿润峰变化规律； (2) 了解评价土壤入渗能力的指标，观察渗吸速度随时间变化规律；(3) 使用考斯加科夫入渗公式拟合函数关系曲线，通过实验资料求得土壤水分入渗参数； (4) 熟悉相关实验装置的工作原理及测试方法。

二、实验原理考斯加可夫根据野外实测资料分析，发现入渗强度（渗吸速度）与时间之间呈指数关系，其形式为：i t ＝i 1×t -a （1）式中：i t ——入渗开始后时间t 的入渗速度；i 1——在第一个单位时间土壤的渗透系数，相当于t ＝l 时的土壤入渗速度； a —入渗指数。

对公式（1）取对数得：lgi t ＝lgi 1-a·lgt （2）实测的lgi t ，lgt 点应成直线关系，取t=1时的i 值为i 1，该直线的斜率为a 。

计算时t a ，t b 时刻对应i a ，i b ，代入下式得：ba ba t t i i a lg lg lg lg --=（3）若已知i 1，a 值也可以按下述方法推求，有式（1）积分得：ata tt ai dt t i idt I ---===⎰⎰110101 （4）I 为时间t 内总入渗量（累积入渗量），由实测数据得出，由于i 1已知，故a 可以求出，该法的缺点是很难测定第一个单位时间的入渗速率。

在Exel 表格中输入时间和累积入渗量实测数据，使用指数函数拟合曲线，可快速得到相应的参数。

在土壤吸渗实验中，实验土柱会经历自由入渗、顶托入渗、渗透这3个过程，自由入渗阶段初始入渗率极大，随时间推移入渗量逐渐减小；本实验仪器难以观测出顶托入渗阶段影响；进入渗透阶段，入渗率基本稳定，其入渗速率接近于渗透速度。

三、实验设备直径5cm ，装土高度11.5cm 圆形土柱、截面面积15cm 2，高25cm 的供水马氏瓶、秒表、托盘天平、烧杯、量筒、滤纸、直尺、接渗瓶、土样。

§2 土壤水分运动
土壤水分运动的两种途径：毛管理论、水势理论。

毛管理论仅适用于对一些简单的问题分析。

水势理论则是根据在土壤水势基础上推导出的扩散方程，研究土壤的水分运动。

这种方法理论严谨，适用于各种边界条件，因而具有广阔的应有前景。

一、土壤水运动基本方程
在一般情况下，达西定律同样适用于非饱和土壤水分运动。

根据达西定律和质量守恒原则，可推导出水壤水运动基本方程。

土壤水运动基本方程的两种形式：式（1-11）和式（1-14。

在初始条件和边界条件已知的情况下，可求解式（1-11）和式（1-14），得各点土壤含水率（或负压）和土壤水流量的计算公式，或用数值计算法，直接计算各点土壤含水率（或负压）和土壤水流量。

二、入渗条件下土壤水分运动
除雨和灌水入渗是补给农田水分的主要来源。

教材中针对地面已形成一薄水层情况，推导了如下基本公式：
（1）剖面含水率分布，式（1-19'）
（2）入渗速度公式，式（1-20）
（3）入渗速度挖计算公式，式（1-21）
（3）在单间t内入渗入总量计算公式，式（1-21'）
菲利普根据严格的数学推导，由一维土壤水运动方程，推导出了入渗速度的近似计算式，式（1-22），以及t时间内总入渗量计算公式，式（1-23）。

我国习惯采用考斯加可夫经营公式计算入渗速度和入渗水量。

即式（1-25）和式(1-26）。

本课程专门安排了一个实验来验证考斯大林加可夫公式。