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第一章农田水分状况和土壤水分运动详解

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第一章农田水分状况和土壤水分运动

第一章农田水分状况和土壤水分运动

《农田水利学》习题集第六批一类课程建设水利水电与建筑学院2008年6月25日目录第一章农田水分状况和土壤水分运动 (1)1．1农田土壤有效含水量的计算 (1)1．2土壤入渗水量的计算 (3)第二章作物需水量和灌溉用水量 (4)2．1用“以水面蒸发为参数的需水系数法”求水稻耗水量 (4)2．2用“以产量为参数的需水系数法”求棉花需水量 (5)2．3小麦播前灌水定额计算 (6)第三章灌水方法 (9)3．1灌灌水技术要素计算 (9)3．2沟灌灌水技术要素计算 (9)3．3喷灌强度计算 (10)3．4喷灌均匀系数计算 (11)3．5喷灌灌溉制度计算 (13)3．6固定式喷灌系统规划设计 (13)3．7滴灌设计 (14)第四章灌溉渠道系统 (15)4．1灌区总体规划 (15)4．2渠道水利用系数与渠系水利用系数的计算 (15)4．3灌溉渠道工作制度的拟定 (16)4．4灌溉渠道系统的流量推算 (17)4．5土质渠床渠道断面的水力计算 (21)第六章灌溉水源和取水方式 (23)6．1灌溉取水枢纽型式与位置选择(解题示例) (23)6．2灌溉取水枢纽位置的选择 (27)6．3无坝取水渠首工程的水力计算 (28)第七章田间排水 (30)7．1大田蓄水能力计算 (30)7．2干旱地区防盐地下水排水沟深度与间距的确定 (31)第九章排水沟道系统 (32)9．1用最大排模经验公式计算排水河道的设计流量 (32)第一章 农田水分状况和土壤水分运动1．1农田土壤有效含水量的计算基本资料某冲积平原上的农田，1m 深以内土壤质地为壤土，其空隙率为47％，悬着毛管水的最大含水率为30％，凋萎系数为9.5％，（以上各值皆按整个土壤体积的百分数计），土壤容重为1.40t/m³，地下水面在地面以下7m 处，土壤计划湿润层厚度定为0.8 m 。

要求计算土壤计划湿润层中有效含水量的上、下限，具体要求有：（1）分别用m³/亩，m³/ha 和mm 水深三种单位表示有效含水量的计算结果； （2）根据所给资料，将含水率转换为以干容重的百分比及用空隙率体积的百分比表示（只用m³/亩表示计算结果） 解：土壤计划湿润层有效含水量上限θmax=30％，下限θmin=9.5％ 当土壤含水率以占土壤体积的百分比表示时：θＨＷ＝Ωmax max H W θΩ==667×0.8×30％=160m³/亩=2401m³/ha=240mmmin min H W θΩ==667×0.8×9.5％=50.7m³/亩=760m³/ha=76mm①当土壤含水率以占干土重的百分比表示时：由/H θγγ水土１Ω=W 且θＨＷ＝Ω得土水γγθθ=/所以以占干土重的百分比表示的土壤含水率为==土水γγθθmax/max 30％/1.4=21.4％==土水γγθθmin/min 9.5％/1.4=6.8％②当土壤含水率以占空隙体积的百分比表示时：由//H θn W Ω=且θＨＷ＝Ω得nθθ=//所以以占空隙体积的百分比表示的土壤含水率为==nmax//max θθ30％/47％=63.8％==nmin//min θθ9.5％/47％=20.2％提示：计算土壤含水量的的方法有：当土壤含水率以占土壤体积的百分比表示时θ⋅⋅Ω=H W2) 当土壤含水率以占干土重的百分比表示时θγγ'Ω=水土1H W当土壤含水率以占空隙体积的百分比表示时θ''ΩHn W ＝上列各式中的符号意义如下：W －土壤含水量，以若干面积上的立方米计，当Ω取亩时，则W 之单位为m³/亩； 当Ω取公顷时，则W 之单位为m³/ hm²；Ω－计算面积，一般用亩（667 m²）或公顷（10000 m²），亦可取其他尺寸的面积；H －土壤计划湿润层深度（m ）；θ－按体积比计的土壤含水率，即土壤中的水分体积与整个土壤体积的比值；θ'－按重量比计的土壤含水率，即土壤中的水分重量与干土重量的比值； θ''－按空隙体积比计的土壤含水率，即土壤中的水分体积与空隙体积的比值；土γ－土壤容重（t/ m³）;水γ－水的容重，在一般情况下，纯水的容重为1 t/ m³；N －土壤孔隙率，即土壤中空隙体积与整个土壤体积之比。

第一章 农田水分状况

第一章 农田水分状况

vx K ( ) x
而土壤总水势
h z
h , h , h 1 x x y y z z
h h h K ( ) K ( ) K ( ) K ( ) t x x y y z z z
一、基本概念
土壤水分的有效性
土壤水
无效水 汽态水 吸着水 有效水 毛管水 过剩水 重力水
• 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。
田 间 持 水 率
饱 和 含 水 率
120
160 200
三、水稻地区的农田水分状况
水稻对农田水分状况的要求 ★田面要有适宜的淹灌水层
★地下水位维持适宜的深度
★维持适宜的渗漏强度
四、农田水分状况的调节措施
1、农田水分过多或不足的原因
2、调节措施
农田水分过多原因、调节措施
• 原因: 降水量大; 洪水泛滥; 地下水位过高等。 形成的灾害 洪灾——河湖泛滥而形成的灾害。 涝灾——降水过多，积水难排，造成灾害。 渍害——土壤长期过湿，危害作物生长，造成灾害。 • 措施： 防洪——整治排洪河道，兴算修水库，加固堤防等。 防涝——开挖排水河道，修建排涝闸、站等。 防渍——开挖田间排水沟，防止过量灌溉等。
上升毛管水: 地下水在毛管作用下上升并保持在土壤中 的水分
悬着毛管水:
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

1-1农田土壤水分状况

1-1农田土壤水分状况
• 注：凋萎系数、田间持水量、毛管断裂含水量是我们灌溉排水工程学 里经常用到的水分常数；这三个土壤水分常数是我们以后在农田灌溉 以及灌区管理中经常用到的。
凋萎系数：它是作物可利用水的下限，包括全部的吸湿水和部分薄膜水 。土壤水低于凋萎系数，作物发生永久凋萎。 田间持水量：是在没有地下水顶托的情况下，土壤所能保持的最大含水 量。在生产实践中，常将灌水2d后土壤所能保持的含水率叫田间持水 量。它是毛管水和重力水以及有效水和过剩水的分界线。在灌溉设计 里常作为灌溉的上限。 毛管断裂含水量：土壤中的毛管悬着水因作物吸收和地表蒸发而发生断 裂时的土壤含水量（亦指土壤供水能力下降，而作物吸水发生困难的
第一节 1. 土壤水分的存在形式分类
按态 物划 理分 形
土 壤 水
农田土壤水分状况
固态：土壤冻结时才存在 液态：土壤水分存在的主要形态
气态：未被水分占据的土壤孔隙中，含量少特
毛管水 重力水
上升毛管水 悬着毛管水
吸湿系数：吸湿水的最大值. 凋萎系数：包括全部的吸湿水和部分薄膜水，相当于1.5-2倍吸湿系数 最大分子持水量：薄膜水的最大值。约为2-4倍吸湿系数 田间持水量：毛管水达到最大值。 毛管断裂含水量：毛管悬着水发生断裂时的含水量。 饱和含水量（全持水量）：土壤中所有孔隙都充满水分时的含水量。 重力水：土壤不能保存的水，作物很难利用。
• 饱和水的达西定律：水分在饱和土壤中流动的动 力是土壤水的势能梯度．土壤水流速的大小与土 壤水势梯度成正比，其流向与势能减小的方向相 一致，即
• 式中：q为土壤水流速（单位时间通过单位导水断 面的水量）； K为饱和导水率（单位势能梯度下 的水流通量）
• 但质地和结构不同的土壤当达到某一水分常数时，虽然其含水量各不 相同，但其被土壤所保持的力是相同的，亦即其对植物有效性是相同 的。 • 因此生产实际中常采用土壤相对含水量来表示作物的水分环境。处理 以后，不同土壤的土壤水分常数可以表示相同的土壤水分状况。

第一章 农田水状况和土壤水分运动

第一章 农田水状况和土壤水分运动
土壤水分 吸着水：不能被利用，其上限（最大分 子持水率）以下的水分为无效水。 液态： 毛管水：田间持水率和无效水之间的水， 容易为农作物利用，称为有效水。 重力水：如地下水位高，停留在根系层 的重力水影响土壤的通气，这部分水称 为过剩水。
2、土壤水分常数
吸湿系数: 吸湿水达到最大时的土壤含水率 凋萎系数： 作物产生永久凋萎时的土壤含水率 最大分子持水率： 薄膜水达到最大时的土壤含水率 田间持水率：悬着毛管水达到最大时的土壤含水率 饱和含水率： 所有土壤孔隙都为水所充满时的土壤含水率 不同土壤有效水范围（重量%）
0 40 土层深度（cm） 80 含水率θ（%）
1 2 3
6 5 41 3
2
4 5 6
田 间 持 水 率
120 160
地下水位埋深较大，上层土 壤干燥时，降雨（或灌溉） 入渗对土壤水的补给及降雨 饱 （灌水）停止后土壤水分变 和 含 化过程 水 率
200
地下水位埋深较小时，降雨入渗对土壤水的补给及 降雨停止后地下水及土壤水分变化过程
物耐淹时间或耐淹深度。 渍害：土壤水分超过田间持
水率，影响土壤通气。
旱作物对农田水分状况的要求
•地面一般不允许有积水 •根系层允许最大含 水率不超过田间持 水率，最小含水率 不小于凋萎系数 •地下水一般不允许上升 至根系层内
•盐碱土地区，土壤水溶液浓 度不能超过允许最高值
地面水、地下水、土壤水的转化
优点：可作为判断各种土壤水分能态的统一标准和尺度。
4、土壤水分特征曲线
1200 土壤负压-h(cm) 1000 800 600
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

农田水分状况和土壤水分运动

农田水分状况和土壤水分运动
由于土壤的基质吸力（即弯月面力和吸附力） 对水份的吸持而引起的水份势值的降低，成为 基质势。 一般以纯自由水的水势为零作为参比标准，所 以基质势是负值。 含水量越高，基质势的绝对值越低。 当土壤水分处于饱和状态时，基质势趋于零。 因此，基质势对非饱和土壤的水势运动和保持 有极其重要的作用。
2、压力势（ψp） 、压力势（ψ
毛管上升水的高度与孔隙的半径成反比。 但当孔隙过细时，管壁对水份运动的阻 力增加，因而上升高度反而变小。
4、重力水
当土壤水份超过田间持水量时，多余的水份不 能为毛管所保持而在重力作用下沿着大孔隙向 下渗漏，这部分水就称为重力水。 重力水对作物是有效的，但由于它渗漏很快， 不能被保持，所以对旱作而言是无效的。 当重力水达到饱和，即土壤孔隙全部充满水份 时，土壤的含水量就称为饱和持水量。
4、重力势（ψg） 、重力势（ψ
土壤水由于其所处的位置不同，因重力 影响而产生的势能也不同，有此而产生 的水势称为重力势。 重力势可正可负，它是与参照面相对而 言的。参照面以上的土壤水重力势为正 值，参照面以下的为负值。 通常选择剖面内部或底面边界。
土水势代表土壤水分总的能量水平。土 水势的绝对值越小，土壤水分的能量水 平就越高。 土壤水总是从土水势高（即绝对值）低 处移动。 如果只考虑土壤水分运动，而不考虑植 物对水的吸收，溶质势可以忽略。其余 三个分势和称为水力势： ψh = ψm+ ψp+ ψg
（1）水深（Dw） 指在一定厚度（h）和一定面积土壤中所 含水量相当于同面积水层的厚度。 Dw= θv.h 单位可以用cm或mm，

（2）绝对水体积（容量）
指一定面积一定厚度土壤所含水量的体 积，量纲为L3。 V方/公顷，
V方/亩
二、土壤水的能态

第一章农田水分状况

第一章农田水分状况

6个大气压 15个大气压 31个大气压
凋萎系数=吸湿系数×（1.5~2） （经验公式）
2、土壤水分常数
❖ 毛管断裂含水率(Md):土壤中 的悬着毛管水因消耗而发生 断裂时的土壤含水率叫毛管 断裂含水率。一般为田间持 水量的65%。
❖最大分子持水率(Ms)： 当薄膜水达到最大时土壤的 含水率叫土壤最大分子持水 率。
主要发生在长江流域、东南沿海、黄 淮平原。
秋涝：多为台风雨造成，主要发 生在东南沿海和华南。
四、农田水分状况的调节
（二）农田水分过少的原因及措施
原因：降雨少，土壤持水能力差等。
形成的灾害： 旱灾——土壤水分不足，不能满足作物需要，使作物体内的水
分平衡遭到破坏，轻则暂时萎蔫，重则干枯死亡。
措施： 灌溉——主要措施； 疏松土层——减少土壤蒸发； 地表覆盖——阻止土壤蒸发； 化学抗旱——减少叶面蒸腾。
适当施肥，补充土壤养分是保证作物正常生长，提高作物产量 的需要，施肥效果与土壤水分状况有密切的关系。 水与植物保护的关系
防治病虫害和消灭杂草是保证作物生长的重要农业技术措施。 一些病虫害的发生和消长与田间水分状况关系密切，合理的灌溉 和排水，可以改善田间小气候，防治病虫害。
一、农田水分存在形式
农田水分状况：指农田地表水、土壤水 和地下水的多少及其在时间上的变化。 •地表水：地表积水。 •土壤水：存在于包气带中的水分。 •地下水：饱水带中的重力水。
渗吸阶段
2、入渗过程
(2) 渗透阶段
随着入渗时间不断延长 、土壤湿润范围扩大，土 壤饱和，土壤基势质接近 于零，这时驱使水分向下 入渗的动力逐步转为重力 ，土壤的入渗速度减小到 一个稳定值，这时就进入 渗透阶段。
渗透阶段
3、入渗影响因素

农田水利学 第一章农田水分运动

水分常数 全持水量或饱和持水量： 土壤全部孔隙都充满水时的土壤含水量 特点：临时存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中的水分，与 土壤养分的淋失有关；往往因水分过多，土壤空气不足， 造成内涝，反而有害于作物生长（多余水）
注
意
上述各种水分类型，彼此密切交错 联结，相互转化，很难严格划分
对于不同质地的土壤上述各种不同 形态水的数值是不等的。请认真比 较它们的大小
三、土壤含水量的测定方法 3、中子法 用中子仪 1）快中子源 镭-铍 2）慢中子探测器。 3）快中子遇H变慢 4）不能测土表土壤，有机质多影响结 果。 5）可定点长期观测。
第二节、土壤水分的能量状态
土壤A 砂土 10% 土壤B 粘土 15%
1907年美土壤物理学家，白金汉，毛管势 1920年美土壤物理学家，加德纳，土壤水分势
4、重力势（g）
重力势（g）是指由重力作用而引起的土 水势变化。 任何时后重力势都存在。高于 参比面时为正，反之为负，参比面处重力势 为0.
第一节 土壤水
土壤水的重要性：
所有的水只有进入土壤转化为土壤水， 才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的 最主要来源。 •土壤水是土壤的最重要组成部分之一。 •土壤水是土壤形成发育的催化剂； •土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。 •盐碱土中，盐分浓度还相当高。 •土壤水实际上是指在105℃温度下从土壤中 驱逐出来的水。
影响因素：质地、有机质含量、结构、松紧状况等
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
水分常数

第一章农田水分状况和土壤运动


不同灌水方法时的土壤入渗问题
喷灌条件下的入渗
自由入渗
不同灌水方法时的土壤入渗问题
二 维 运 动
沟灌条件下的入渗
二、土壤水分运动
2．蒸发条件下土壤水分运动
(1)无地下水位补给条件下的土壤水分蒸发
蒸发过程中一般可分为三个阶段： 第一阶段是稳定蒸发阶段；
二、土壤水分运动
1．入渗条件下土壤水分运动 （3）入渗时土壤剖面含水量的计算 在灌水和雨量稍大的降雨过程中，地表形成薄水层，当假定 地下水埋深较大，且剖面土壤含水率均匀分布时，土壤的入 渗可视为垂直一维入渗问题，其定解条件写为：
不同灌水方法时的土壤入渗问题
畦灌、淹灌、漫灌时的入渗
有水层的一维运动
2. 土壤水分常数
④饱和含水量（全持水量）：土壤所有孔隙全部 充满水分时的含水量． 此时，土壤通气性差，不利于旱作物生长发 育．它常做为表示土壤水分饱和度的标准，是计 算淹灌稻田各种水量的依据．
第一节 农田水分状况
一、农田水分存在的基本形式
2. 土壤水分常数
不同类型土壤的水分常数是不同的，其主要决定于 土壤的质地和结构状况。 一般情况下，质地和结构相近的土壤，它们的各种 水分常数大体相近；但质地和结构不同的土壤当达到 某一水分常数时，虽然其含水量各不相同，但其被土 壤所保持的力是相同的，亦即其对植物有效性是相同 的。 一般土壤质地粘重，有机质含量高，结构良好的土 壤保蓄的水分较多，其土壤水分常数值也相应较高。
第一节 农田水分状况
一、农田水分存在的基本形式
3. 土壤水分对作物的有效性
土壤水分有效性是指土壤水分是否可被作物吸收利用，及 其被利用的难易程度。
土壤水分对作物有效性的高低，主要取决于它存在的状态、 性质和数量，以及作物吸水力和土壤吸水力之差。

第一章1-农田土壤水分状况

离处，以免发生渍害或盐碱化。
二、农田水分状况
（二）水稻地区适宜的农田水分状况 n 传统采用淹灌法. 缺水地区应推广控制灌溉等节水
灌溉技术。 n 除晒田期，地面维持适宜的水层深度或湿润度； n 地下水位不宜过高, 应保证一定的深层渗漏.
二、农田水分状况
（三）农田水分状况的调节 1．农田水分过多的原因及措施 • 原因: 降水量大; 洪水泛滥; 地下水位过高等. • 形成的灾害：洪灾；涝灾；渍害 • 措施：
入渗条件下的土壤水分运动
2、方程
zD zK z t
3、初始条件、边界条件
4、菲利普求得：
入渗速度：
i
S 2
1
t2
i（f 单位：mm/h）
入渗总量：
1
I St2 i f t
（单位：mm）
入渗条件下的土壤水分运动
i f ——稳定入渗率，相当于渗透系数
s——吸水率，与土壤含水率有关, 系。
5、土壤水分入渗规律（图）：
防洪——整治排洪河道，兴修水库，加固堤防 等。 防涝——开挖排水河道，修建排涝闸、站等。 防渍——开挖田间排水沟，防止过量灌溉等。
二、农田水分状况
（三）农田水分状况的调节 2．农田水分过少的原因及调节措施 • 原因：降雨少，土壤持水能力差等。 • 措施：
灌溉——主要措施； 疏松土层——减少土壤蒸发； 地表覆盖——阻止土壤蒸发； 化学抗旱——减少叶面蒸腾。
膜状水 1.5
吸湿水 3.1 1000
饱和含水率
过剩水 土
田间持水率
壤
有效水 有
最大分子持水率
效
难有效水 凋萎系数
持
无效水 水
吸湿系数 含水率为0 无效水
率

农田水分状况汇总

农田水分状况系指农田地面水、土壤水和地下水的多少及其在时间上的变化。

一切农田水利措施，归根结底都是为了调节和控制农田水分状况，以改善土壤中的气、热和养分状况，并给农田小气候以有利的影响，达到促进农业增产的目的。

因此，研究农田水分状况对于农田水利的规划、设计及管理工作都有十分重要的意义。

第一节农田水分状况一、农田水分存在的形式农田水分存在三种基本形式，即地面水、土壤水和地下水，而土壤水是与作物生长关系最密切的水分存在形式。

土壤水按其形态不同可分为汽态水、吸着水、毛管水和重力水等。

（1）汽态水系存在于土壤空隙中的水汽，有利于微生物的活动，故对植物根系有利。

由于数量很少，在计算时常略而不计。

（2）吸着水包括吸湿水和薄膜水两种形式：吸湿水被紧束于土粒表面，不能在重力和毛管力的作用下自由移动；吸湿水达到最大时的土壤含水率称为吸湿系数。

薄膜水吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面进行速度极小的移动；薄膜水达到最大时的土壤含水率，称为土壤的最大分子持水率。

（3）毛管水毛管水是在毛管作用下土壤中所能保持的那部分水分，亦即在重力作用下不易排除的水分中超出吸着水的部分。

分为上升毛管水及悬着毛管水，上升毛管水系指地下水沿土壤毛细管上升的水分。

悬着毛管水系指不受地下水补给时，上层土壤由于毛细管作用所能保持的地面渗入的水分（来自降雨或灌水）。

（4）重力水土壤中超出毛管含水率的水分在重力作用下很容易排出，这种水称为重力水。

在这几种土壤水分形式之间并无严格的分界线，其所占比重视土壤质地、结构、有机质含量和温度等而异。

可以假想在地下水面以上有一个很高(无限长)的土柱，如果地下水位长期保持稳定，地表也不发生蒸发入渗，则经过很长的时间以后，地下水面以上将会形成一个稳定的土壤水分分布曲线。

这个曲线反映了土壤负压和土壤含水率的关系，亦即是土壤水分特征曲线（见图1-1），这一曲线可通过一定试验设备确定。

在土壤吸水和脱水过程中取得的水分特征曲线是不同的，这种现象常称为滞后现象。

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第三章 灌水方法............................................................................................................. 9 3．1 灌灌水技术要素计算........................................................................................ 9 3．2 沟灌灌水技术要素计算.................................................................................... 9 3．3 喷灌强度计算.................................................................................................. 10 3．4 喷灌均匀系数计算...........................................................................................11 3．5 喷灌灌溉制度计算.......................................................................................... 13 3．6 固定式喷灌系统规划设计.............................................................................. 13 3．7 滴灌设计.......................................................................................................... 14
第六章 灌溉水源和取水方式....................................................................................... 23 6．1 灌溉取水枢纽型式与位置选择(解题示例)................................................... 23 6．2 灌溉取水枢纽位置的选择.............................................................................. 27 6．3 无坝取水渠首工程的水力计算...................................................................... 28
第七章 田 间 排 水............................................................................................... 30 7．1 大田蓄水能力计算.......................................................................................... 30 7．2 干旱地区防盐地下水排水沟深度与间距的确定.......................................... 31
第二章 作物需水量和灌溉用水量................................................................................. 4 2．1 用“以水面蒸发为参数的需水系数法”求水稻耗水量 .................................... 4 2．2 用“以产量为参数的需水系数法”求棉花需水量 ............................................ 5 2．3 小麦播前灌水定额计算.................................................................................... 6
第四章 灌溉渠道系统................................................................................................... 15 4．1 灌区总体规划.................................................................................................. 15 4．2 渠道水利用系数与渠系水利用系数的计算.................................................. 15 4．3 灌溉渠道工作制度的拟定.............................................................................. 16 4．4 灌溉渠道系统的流量推算.............................................................................. 17 4．5 土质渠床渠道断面的水力计算.....................................................................设
水利水电与建筑学院 2008 6 25
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第一章 农田水分状况和土壤水分运动......................................................................... 1 1．1 农田土壤有效含水量的计算............................................................................ 1 1．2 土壤入渗水量的计算........................................................................................ 3