土壤水分运动

第二章 土壤水分运动基本方程

如前所述，达西定律是由达西（Darcy，Henry 1856）通过饱和砂柱渗透试验得出，后由Richards（1931）将其扩伸至非饱和水流中，并规定导水率为土壤负压h的函数，即

Hhkq （2-2-1）

式中：H——为水势梯度；

k（h）——为导水率，是土壤负压h的函数；

q ——为水流通量或流速。

Richards方程垂向一维方程为

)1)(( )(zhkzHkqz

注意：H=h±z，垂直坐标向上为“+”；向下时为“–”。

由于k（h）受滞后影响较大，上式仅适用于单纯的吸湿或脱湿过程。若将导水率作为容积含水率函数，即以k（θ）代替人k（h），则可避免滞后作用的影响。

一般说来达西定律对饱和与非饱和水流均可适用，即水流通量与势能梯度成正比。但在饱和土壤中，压力为正值，其总水头包括了由该点在地下水面以下深度来确定的静水压力（正值）和相对于基准面高度来确定的位置水头，总水头为压力水头和位置水头之和，水由总水头高处向低处流动。在非饱和土壤中，基质势为负值，土水势在不考虑溶质势、温度势及气压势时，只包括重力势和基质势。因此，总水头常以负压水头和位置水头之和来表示。

一维Richards方程的几种形式：

根据Dhk（K=C×D）得：

xhkqx)( xDqx)(

yhkqy)( yDqy)(

)1)((zhkqz )]()([kzDqz 第一节 直角坐标系中土壤水分运动基本方程

一、基本方程的推导

土壤水分运动一般遵循达西定律，且符合质量守恒的连续性原理。土壤水分运动基本方程可通过达西定律和连续方程进行推导。

第五章 土壤水

第一节 土壤水的类型及土壤水分含量的测定

第二节 土壤水的能态 第三节土壤水的运动

第一节 土壤水的类型及土壤水分含量的测定

一、土壤水分类型

（一）吸湿水(紧束缚水) 1、定义：由于固体土粒表面的分子引力和静电引力对空气中水汽分子的吸附力而被紧

密保持的水分。

2、性质：其厚度只有2-3个水分子层，无溶解力、不导电、不能自由移动，也不能为

植物利用。

3、大小：决定于土壤质地、腐殖质等影响决定于大气的湿度和温度 当空气相对湿度达95%—100%时,土壤吸湿水量可达最大值，这时称为最大吸湿量。

（二）膜状水(松束缚水)

1．定义：指当吸湿状态土粒与液态水接触时，还可再吸附一层很薄的水膜，称其

为膜状水。

2．性质：其厚度可达到几十个水分子，部分可以被植物吸收利用，移动极为缓慢。 3．大小：决定于土壤的比面以及土壤溶液浓度。

膜状水达最大时的土壤含水量叫最大分子持水量。

（三）毛管水

1、定义：由土壤毛管孔隙的毛管引力所保持的水分，称为毛管水。

2、类型： (1)毛管上升水

定义：指地下水随毛管上升而被保持在土壤中的水分，称为毛管上升水。

最大水量称为毛管持水量。

毛管上升水与地下水位有水压联系：

地下水位适当 作物吸收 地下水位过深 作物不能吸收

地下水位过浅 作物受湿害

（2）毛管悬着水

定义：指在地下水位很深的地区，降雨或灌水之后，由于毛管力保存在土

壤上层中的水分称为毛管悬着水。 当毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量叫田间持水量。

性质：毛管水是土壤中可以移动的、对植物最有效的水分，而且毛管水中还

溶液解有可供植物利用的易溶性养分。

大小：与土壤质地、腐殖质含量及结构状况有关。

（四）重力水 定义：指土壤含水量超过田间持水量时，多余水分受重力支配向下渗透，这部

分水分叫重力水。

土体全部孔隙都充满水，这时土壤含水量叫饱和持水量（全持水量）。

二、土壤含水量的表示方法

2012年1月农机化研究第1期

基于Matlab地表滴灌土壤水分运动的数值模拟

王希望，赵艳，李岩

(河北农业大学信息科学与技术学院，河北保定071001)

摘要：滴灌条件下土壤水分运动规律是当前农业工程中重要研究领域。基于土壤水运动基本方程，结合作物

根系吸水特点，建立了地表滴灌条件下土壤水分运动二维数学模型。应用Matlab软件，通过数值模拟方法，得出

了VanGenuchten模型的参数值，推导了渗透参数拟合公式，进一步对地表滴灌土壤水分运动过程进行模拟。同

时，利用Matlab强大的绘图功能对拟合曲线与实测数据进行了直观的比较。结果表明，所构建的数学模型对地

表滴灌条件下的土壤水分运动变化具有较好的模拟效果。

关键词：Matlab；地表滴灌；土壤；水分运动

中图分类号：s275．6文献标识码：A文章编号：1003—188X(2012)01—0067—04

0引言

水分在土壤中的运动是影响作物生长的一个主

要方面，对农业灌溉决策管理中实施土壤水分的动态

监测、科学地指导灌溉、提高灌溉精度和农田水分利

用效率及农作物产量有着重要的现实意义…。同时，

地表滴灌具有显著的节水、增产以及提高作物品质的

优势，因而成为农业工程学科的重要研究领域。近年

来，随着非饱和多孔介质中水和溶质运移模拟的进一

步开展，国内外的研究机构陆续开发了一系列数学模

型软件，进行水、溶质、热运移等模型的模拟。例如，

“引等用HYDRUS模拟了地表滴灌条件下的水、氮在

土壤中的运移规律；魏义长”J、彭建平¨1等应用Mat—

lab软件研究了土壤水分特征曲线参数；李晓斌”1等

人运用Matlab进行了土壤水分运移数值模拟。本文

在前人研究的基础上，综合考虑作物根系吸水情况建

立了地表滴灌条件下土壤水分运动方程，应用Matlab

软件编程模拟了地表滴灌条件下土壤水分运动情况，

并与田间实测数据进行直观比对。

1土壤水分运动模型构建

1．1土壤物理参数

土壤持水曲线是研究土壤水力学性质必不可少

２００２年ｌ０月　水　利　学　报　

ＳＨＵＩＬＩ　ＸＵＥＢＡＯ　第ｌ０期　

文章编号：０５５９．９３５０（２００２）１０一ＯＯ４６．０５　

温度影响下土壤水分运动模型　

汪志荣　，张建丰　，王文焰　，冯保平　

（１．西安理工大学水资源研究所，陕西西安７１００４８；２．河海大学水利系，江苏南京２１００９８）　

摘要：根据不同温度条件下的人渗资料，分析了活塞（Ｇｒｅｅｎ．Ａｍｐｔ）公式在温度场中的适用性，认为，Ｇｒｅｅｎ．　Ａｍｐｔ公式适用于温度场影响下的土壤水分运动。温度影响下的土壤水分运动的通量主要依赖于概化区的饱和导　水率、湿润锋处基质势以及温度，其中饱和导水率的温度效应较大，而基质势的温度效应较小，在较轻质地土　壤中可以忽略基质势的温度效应。　关键词：温度；土壤水分；入渗；Ｇｒｅｅｎ．Ａｍｐｔ模型　中图分类号：Ｓ１５２．７　文献标识码：Ａ　

土壤温度的变化直接影响土壤中水分的保持和运动，温度对土壤中许多物理过程都起一定的作　

用，土壤中水、热运移是非常复杂也是非常重要的研究问题。２０世纪以来，国内外学者对土壤中的　

水、热运移的有关问题作了大量定性和定量研究　，并从理论上发展了各种模型，对多孑Ｌ介质中质、　能的运移和转换奠定了基础。土壤中水、热运动是相互影响的，土壤水分运动影响土壤热容量及导热　率，从而影响土壤温度；反过来土壤温度的变化也影响水分运动。近年来，由于实际生产问题的需　

要，如蒸发、覆膜种植等，土壤水盐运移的温度场影响作用引起了越来越多的重视。Ｇｒｅｅｎ．Ａｍｐｔ入渗　

公式简单，并且具有一定的物理模型基础，长期以来受到广泛重视，７０年代以来，Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ入渗公　式被应用于非均质土壤、初始含水量非均一分布的土体、层状土壤、浑水、间歇入渗等情况　］，都　

获得了较好的效果。温度场影响下的Ｇｒｅｅｎ．Ａｍｐｔ形式的适用性值得进行分析和研究，以便从理论上　解释温度场的影响机理。　

Ｉ实验土壤和方法　

实验采用自动供水入渗仪在室内进行，实验过程中保持稳定的水头。实验温度采用高精度温度传