包气带土壤水的基本理论及测试方法
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农⽥⽔利学基本概念及计算第⼀章§1 农⽥⽔分状况农⽥⽔分:指农⽥中的地表⽔、⼟壤⽔和地下⽔。
地表⽔:地表积⽔。
⼟壤⽔:包⽓带中的⽔分。
地下⽔:饱⽔带中的⽔分(可⾃由流动的⽔体)。
与作物⽣长最密切的是⼟壤⽔。
⼀、⼟壤⽔(⼀)⼟壤⽔分形态⼟壤⽔⼜可分为吸着⽔、⽑管⽔和重⼒⽔等⼏种⽔分形态。
1.吸着⽔(1)吸湿⽔分⼦⼒、紧紧束缚在⼟粒表⾯、不能移动、分⼦状态⽔吸湿⽔达到最⼤时的⼟壤含⽔率称为吸湿系数。
(2)膜状⽔分⼦⼒、束缚在⼟粒表⾯、可沿表⾯移动但不能脱离⼟粒表⾯、液态⽔膜膜状⽔达到最⼤时的⼟壤含⽔率称为最⼤分⼦持⽔率。
2.⽑管⽔对于单个⼟粒,只能依靠分⼦⼒吸附⽔分, 但对于由许多⼟粒集合⽽成的⼟壤,其连续不断的孔隙相当于⽑细管,因此还存在⼀种⽑管⼒,依靠⽑管⼒保持在⼟壤中的⽔分称为⽑管⽔。
按⽔份供给情况不同,分悬着⽑管⽔和上升⽑管⽔。
(1)悬着⽑管⽔灌溉或降⾬后,在⽑管⼒作⽤下保持在上部⼟层中的⽔分。
⼟壤储存⽔的主要形式。
悬着⽑管⽔达到最⼤时的⼟壤含⽔率称为⽥间持⽔率。
(2)上升⽑管⽔在地下⽔位以上附近⼟层中,由于⽑细管作⽤所保持的⽔分。
上升⽑管⽔达到根系,则可被作物吸收利⽤,但地下⽔位不允许上升到根系,以防渍害。
盐碱地区应严格控制地下⽔位,发防发⽣次⽣盐碱化。
3.重⼒⽔⼟壤中超过⽥间持⽔率的那部分⽔为重⼒⽔。
重⼒⽔以深层渗漏的形式进⼊更下的⼟层,或地下⽔。
旱地应避免深层渗漏,以防⽌⽔的浪费和肥料的流失。
⽔⽥保持适宜的深层渗漏是有益的,会增加根部氧分,有利于根系发育。
(⼆)⼟壤⽔分的有效性⼟壤对⽔分的吸⼒:1000MPa—0.0001MPa作物根系对⽔分的吸⼒: 1.5 MPa左右(1 MPa=9.87⼤⽓压=100m⽔柱)如果⽔分受⼟壤的吸⼒⼩于1.5 MPa, 作物可吸收利⽤;如⽔分受⼟壤的吸⼒⼤于1.5 MPa, 则作物不能吸收利⽤。
1.5 MPa是有效⽔和⽆效⽔的分界点。
⼟壤⽔分的有效性可以⽤下图来说明:(图:⼟壤⽔分有效性图)⼆、农⽥⽔分状况(⼀)旱⽥适宜的农⽥⽔分状况不允许地表积⽔⼟壤适宜含⽔率: 凋萎系数~⽥间持⽔率凋萎系数=0.6β⽥地下⽔⽔质较好,则地下⽔位可较⾼, 但⼀下⽔位不能达到根系层。
浅析包气带土壤水变化特征摘要:水文水资源循环系统,是大气降水、地表水、土壤水、地下水的转化系统,而每个子系统其自身变化发展的规律,运用科学的方法深入研究,有助于我们认识自然,从而更好地掌握科学,服务于自然。
本文利用土水势,土壤水分状况,零通量面方法定量计算揭示了土壤水的变化特征,为水资源评价,科学开发探索途径。
关键词:大气降水,地表水,土壤水,地下水,资源,均衡。
1 概述自然界水文循环过程中,水以其不同的形态和能态,相对地存在于大气圈,岩石圈,生物圈等环境,每个阶段形成了大气水、地表水、土壤水、地下水,称为水文水资源循环系统。
对“四水”转化系统的研究,可以正确评价合理利用,科学管理水资源,使有限的水资源在人类社会生活中,获得最大的经济效益和环境效益。
本文通过浅析土壤水的变化特征,“四水”转化机理,为土壤水科学指导农业节水灌溉提供可靠的依据。
2 水文水资源系统大气降水,它是地表水、土壤水、地下水的总的来源,又普遍而深刻地控制着地表水,土壤水和地下水。
降水主要指降雨和降雪,是人类用水的基本来源。
降水资料是分析河流洪枯水情,流域旱情的基础,而大气中的水汽来自海洋的蒸发和散发。
地表水主要指地表迳流,受地形地貌、土壤植被及下垫面条件的共同作用,大气降水一部分转化为地表迳流,绝大部分被土壤拦蓄,入渗转化为地下水,在重力作用下,其中一部分下渗转化为地下水。
土壤水是储存于多孔介质土壤中的那部分水,为非饱和状态,接受大气降水、地表水、地下水及灌溉水的多重补给,主要消耗于地表蒸发和植物蒸腾,在有作物的农田,因作物蒸腾作用,又将土壤水转化为大气降水,显然非饱和状态的土壤水,它的运动变化研究,对农业节水灌溉具有深刻的指导意义。
地下水是储存于多孔介质含水层的那部分水,为饱和状态,它是城市供水、工农业供水的主要来源,蕴藏着地质环境演化的丰富信息。
除降水入渗补给,潜水蒸发,根系吸收蒸腾,人为开采,又通过渗流涌出地下水转化为河川基流,河川地表水迳流渗入转化为地下水流。
第六章 包气带水参考书:1)雷志栋、杨诗秀、谢森传,《土壤水动力学》,北京:清华大学出版社,1988。
2)张蔚榛,《地下水与土壤水动力学》,北京:中国水利水电出版社,1996。
3)张瑜芳,土壤水动力学,武汉水利电力大学研究生教材,1987。
6.1 毛细现象和毛细水毛细现象:将细小的玻璃管插入水中,水会在管中上升一定的高度才停止,这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象。
按毛管理论,毛管负压为:DP c α4=DgD g P h c c 03.04≈==ραρ 式中:ρ––––水的密度,等于1g/cm 3; g ––––重力加速度,等于981cm/s 2;α––––表面张力系数,取74dyn/cm (74×10-3N/m ); D ––––毛管直径,单位为mm ;h c ––––毛管负压水头,以水柱高度表示,单位为m 。
最大毛细上升高度与毛细管直径成反比,颗粒细小的土,最大毛细上升高度也大。
毛细玻自然界中的物体都具有能量,而且普遍的趋势是自发地由能量高的状态向能量低的状态运动或转化,最终达到能量平衡状态。
经典物理学认为,任一物体所具有的能量由动能和势能组成。
由于水分在土壤孔隙中运动的很慢,其动能一般可忽略不计,因此:土水势––––土壤水分所具有的势能,在决定土壤水分的能态和运动上就变的极为重要。
任两点之间土壤水势能之差,即土水势差,是水分在这两点之间运动的驱动力。
有关土壤水分的运动有两种理论:1)毛管理论:将土壤看成均匀的或不同管径的毛细管,将土壤水在土壤孔隙中的运动简化为在毛管中的运动进行研究。
毛管理论清楚易懂,20世纪50年代以前应用比较广泛,目前仍有一定的实际意义,适用于对简单问题的分析。
2)势能理论:用在土壤水势基础上推导出的土壤水运动方程,研究土壤水的运动。
该理论比较严谨,可适用于各种边界条件,特别是随着计算机和数值计算的应用,使得土壤水运动的研究取得很大的进展。
在土壤水运动研究方面具有广阔的前景。
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地下水质量单组分评价,按照《地下水质量标准》(GB/T 14848—93)所列指标,划分为五类,代号与类别代号相同,不同类别标准值相同时,从优不从劣。
例如挥发性酚,I类和II类标准值均为0.001 mg/L,如水质分析的结果为0.001 mg/L,则应定为I类,而不应定为II类。
地下水质量评价以地下水水质调查分析资料或水质监测资料为基础,可采用标准指数法、污染指数法和综合评价方法。
1.标准指数法地下水质量分类指标限值按《地下水质量标准》(GB/T 14848—93)执行。
(1) 对评价标准为定值的水质参数,其标准指数法公式为:P=^- (3-35)Si式中:卩丨——标准指数;q——水质参数i的监测浓度值;Sr.水质参数i的标准浓度值。
(2) 对于评价标准为区间值的水质参数(如pH值),其标准指数式为:TOzP^l pH,•彡7 时 (3-36)PH 7.0 —PHsd P 1pPE = PH/ 7 0 pH,. >7 时 (3-37)PH pHsu-7.0 P 丨式中:PpH——pH,的标准指数; pH,——/点实测pH值; pHsu——标准中pH值的上限值; pHsd——标准中pH值的下限值。
评价时,标准指数>1,表明该水质参数已超过了规定的水质标准,指数值越大,超标越严重。
2. 污染指数法对照项目所在地区地下水的背景值或对照值,对地下水污染现状进行评价。
方法与标准指数法相同。
(1) 对于对照值为定值的水质参数,其污染指数法公式为:P{=^ (3-38)$式中:P,——污染指数;q——水质参数i的监测浓度值;^——水质参数/的对照值浓度值。