土壤水动力学1(77)概要80页PPT

其中f是分布函数，ei是沿第i个方向的微观速度。
.
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04 图像处理和数值建模
流体粒子的运动由流和碰撞组成：
.
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04 图像处理和数值建模
参数c定义为δx/δt，其中δx是晶格间距，δt是时间步长，t是 与运动粘度有关的无量纲弛豫时间
LB方程恢复了下面的宏观Navier-Stokes方程：
.
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i被定义为（0，±1，±1）; 当对i
= 15 ... 18时，i被定义为（±1，0，
±1）。如左图
格子Boltzmann方法中的d3Q19晶格结构
.
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04 图像处理和数值建模
采用D3Q19 LB模型（三维空间中的19个速度方 向）模拟体积为400×400×400三维像素（图片尺寸 1.48×1.48×1.48 mm）的水流量。宏观流体密度ρ和 速度u可以定义为
了20％到30％，并且导致更均匀的孔隙水速度分布。此外，LB模拟结
果表明，试验样品的渗透性和弯曲性具有很强的各向异性，这很难通
过传统的实验来确定。
SR-mCT是获得高分辨率孔结构信息的非破坏性方法，LB方法可直接
应用于该方法。借助GPU并行计算，可以在给定的处理时间内分析更多
的土壤样本。这项研究是首次结合SR-mCT和高性能LB模拟来研究生物
左图还显示了速度分布的多样性
降低，表明生物碳加入也减少了
半对数坐标轴上速度分布的概率密度函数（PdFs）。U，红 土; UB，红土+生物碳; V，黑土; VB，黑土+生物碳。
孤立和死亡孔隙的数量。
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05 结论与讨论
为了计算不同尺度下的渗透率， LB模拟在整个域中心的增量尺度子 域上进行。渗透系数k的模拟结果 如右图所示。对于小尺度（<200） 的黑土样品而言，渗透性未显示在 左图中，因为这些渗透性不能进行 水流模拟。生物碳的加入将土壤渗 透性至少提高了一个数量级。来自 红土对照的两种聚集体（重复）的 模拟渗透性值比来自黑土对照的两 个重复样品的模拟渗透性值更接近。 当 尺 寸 大 于 200 和 300 （ 无 量 纲 ） 或 线 性 尺 寸 分 别 为 0.74 和 1.11mm 时，加入生物碳的红土和没加生物 碳的黑土的透光度几乎相同。

K(m)为非饱和导水率，d/dx
为总水势梯度
(water potential gradient)
非饱和导水率是土壤基质 势的函数。
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非饱和条件下土壤水流的数学表达式 与饱和条件下的类似，二者的区别在 于：
饱和条件下的总水势梯度可用差分形 式，而非饱和条件下则用微分形式：
“冻后聚墒”的多少，主要决定于该土壤的含水量和 冻结的强度。含水量高冻结强度大，“冻后聚墒”
就比较明显。一般对土壤上层增水作用为2－4％左 右。
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第三节 土壤水循环、平衡及有效性
一、农田土壤水分循环及平衡
田间土壤水分平衡示意图，据此可列出其土壤水分平衡的数学表达式 ：
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二、分子扩散与溶质弥散 （一）分子扩散
扩散是指由于分子的不规则热运动即布朗运动引 起的运动, 是一个不可逆过程。 扩散作用常用费克第一定律来表示:
dC J s D0 dx
式中Js为溶质的扩散通量,mol·m-2s-1或kg·m-2s-1；D0为溶质的有效扩散系 数m2·s-1；dC/dx为浓度梯度。
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第六节、土壤水的调控
一、水分高效利用的途径：
合理开采、分配和管理；
减少输水损失； 提高灌溉效率。
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二、土壤水的调控措施 主要包括土壤水的保蓄和调节。 1、耕作措施 秋耕 中耕 镇压等
2、地面覆盖 薄膜覆盖 秸秆覆盖
3、灌溉措施 喷灌、滴灌、渗灌 4、生物节水
W=P+I+U-ET-R-In-D
田间蒸腾和蒸发很难截然分开， 常合在一起，统称蒸散ET。 (evapotranspiration)-一定时间内一 定面积上土壤蒸发和植物蒸腾的总和 。

二、土壤水的研究概况
研究概况
古希腊：构成自然界的2个元素：土壤，水
但真正的土壤水科学作为研究土壤中物质和能的状态和 运转的科学，却是非常年轻的。它比起土壤学其它分支 的发展，如土壤发生学和土壤化学要晚1或2个世纪。 从1856年达西（Darcy)公式的提出算起，土壤水分的试 验研究也就是150年的历史。 如同其它学科一样，它也经历了一个由经验到理论，由 静态到动态，由定性到定量（数值计算，电子计算机的 发展），由宏观到微观的研究发展过程。
吸湿系数(Hygroscopic Coefficient): 吸湿水达到最大时的土壤含水率。 最大分子持水率： 薄膜水达到最大时的土壤含水率。
凋萎系数（Wilting Point）：
作物产生永久凋萎时的土壤含水率。 田间持水率（Field Capacity）： 悬着毛管水达到最大时的土壤含水率。 饱和含水率（Saturation）：
重量含水量
GRAVIMETRIC WATER CONTENT (GWC)
•GWC = Mw / Ms100%
qg
体积含水量
VOLUMETRIC WATER CONTENT (VWC)
qv
• VWC = Vw / Vt 100% • = Vw / (Vs + Vf) • = GWC BD / DW
第一章 土壤水分研究的回顾和展望
一、土壤水系统简介
土壤水(Soil water, Soil moisture)：存在于土壤孔 隙里的水。 饱和水(Saturated water) ：水全部充满土壤孔隙。 非饱和土壤水(Unsaturated water) ：部分土壤孔隙 被水占据。 隔离水（不动水）(Insulate water or Immobile water)：存在于土壤中封闭孔隙中的水分。

解：先将土壤含水量水w%换算为水v%
初始含水量 水v%=10%×1.2=12%
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田间持水量 水v%=30%×1.2=36% 因水mm= 水v% ×土层厚度 土层厚度=水mm/水v%=10/(0.36-0.12) =41.7（mm）4. 水贮量(方/亩) 1亩地土壤水贮量(方/亩)的计算公式为： 方/亩 =2/3水mm 方/亩=水mm×1/1000×10000/15=2/3水mm 作用：与灌溉水量的表示方法一致，便于计算库容
毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反 映土壤保水能力大小的一个指标。
计算土壤灌溉水量时以田间持水量为指标，既 节约用水，又避免超过田间持水量的水分作为重力水下 渗后抬高地下水位。
4. 毛管持水量(capillary capacity) 毛管上升水达最大量时的土壤含水量。
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土壤 学
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张力计适用范围800/850hPa以下，超过此范围，就有空气进入陶土管而失 效。
旱地作物可吸水的吸力范围多在1000hPa以下，故张力计有一定实用价值。
压力膜法：根据土壤在不同压力下排水的原理测定，可测水吸力1~20bar。
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五、土壤水分特征曲线 (soil water characteristic curve)
2. 容积百分数(bulk volume percent)(水v%)
水v%=水w%×土壤容重
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3. 水层厚度（水mm）
即在一定厚度的土层中，水分的厚度毫米数。
水 mm=水v% × 土层厚度
优点:与气象资料和作物耗水量所用的水分表示 方法一致，便于互相比较和互相换算。

三、土壤水分状况调节 1. 科学合理地灌水 2. 搞好农田基本建设和流域综合治理 3. 采用合理的农艺措施，进行耕作保墒 4. 地面覆盖技术 5. 化学保墒增温剂的应用 6. 排水
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重点难点 4.1土壤水在农业生态系统中的重要性 重点：重点掌握土壤水的重要作用。
吸湿水、膜状水、毛管水、重力水都存在于土壤中，彼此相 互联系，相互转化。如毛管水过量可变为重力水，重力水被 毛管吸收(xīshōu)可变为毛管水。
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二、土壤(tǔrǎng)水分的能量概念
土水势：土壤(tǔrǎng)在各种力 （吸附力、毛管力、重力和静水压 力等）的作用下，势（或自由能） 的变化（主要是降低），称为土水 势。
二、土壤墒情 1．墒情的种类
黑墒：土壤含水量在田间持水量以上。 褐墒：土壤含水量为田间持水量75%以上。 黄墒：土壤含水量为田间持水量的50%~75%。 潮干土：土壤含水量在田间持水量的50%以下。 干土：土壤含水量在萎蔫系数(xìshù)以下。 2. 墒情的判断 ①墒情在空间上的层次性：表墒；底墒；深墒。 ②墒情在时间上的季节性：与气候的季节性以及作物的生长发 育季节密切相关。
重点：重点掌握土壤水的重要作用(zuòyòng)。
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一、土壤水分(shuǐfèn)的表示方法和测定技术 （一）土壤含水量的表示方法
1.质量含水量：土壤中水分(shuǐfèn)的质量占干土重的百分 数。干土重为105℃ ~110℃下的烘干土重。
2. 容积含水量：单位土壤总容积中水分(shuǐfèn)所占的容 积百分数。容积含水量=质量含水量×容重
4.2土壤水的基础知识 重点与难点：土壤含水量的表示方法及区别。 4.3土壤水分研究(yánjiū)的形态学与能态学

重量含水量
GRAVIMETRIC WATER CONTENT (GWC)
•GWC = Mw / Ms100%
qg
体积含水量
VOLUMETRIC WATER CONTENT (VWC)
qv
• VWC = Vw / Vt 100% • = Vw / (Vs + Vf) • = GWC BD / DW
二、土壤水的研究概况
研究概况
1931年理查兹（Richards）在用能量概念研究土壤水的基础 上对达西定律进行了推广，使其适用于非饱和土壤，大大推 动了土壤水的动态研究，也使土壤水运动的数学模拟得到了 发展。 近几十年来，土壤水的研究已成为土壤物理学中一个重要分 支，一个最活跃的领域。随着电子计算机的大量应用和各学 科的相互渗透，非饱和土壤水运动的研究发生了由经验到理 论，从定性到定量的深刻变化，从而形成相对独立的一个领 域——土壤水动力学。 土壤水分的研究已成为土壤物理、农田水利、水文学等众多 学科领域的前沿课题。如国家自然科学基金委员会的自然科 学发展战略的报告中，自然地理和土壤学科均把土壤圈（或 地表）物质（水、热、盐）循环和能量转换列为优先资助领 域。水利学科中的地表水、土壤水、地下水三水之间的转化 规律、SPAC水分传输理论等列为优先研究。
所有土壤孔隙都为水所充满时的土壤含水率。
土壤水分常数
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
土壤水分状况：干 大气压：1000 105 ℃ 土壤 下 水分 烘 干 常数 土 31 15～16 吸 凋 湿 萎 系 系 数 数
湿
的土 0 引水 力之 全间
6.25 1/3 1/10 毛 最 毛 管 田 大 管 断 间 持 分 持 水 子 裂 持 水 含 水 量 持 量 水 量 水 量 量 毛管悬着水 吸湿水 膜状水 重力水 毛管上升水 难有效水 无效水 易有效水 多余水 65％田持 灌水下限

毛管悬着水：当地下水位较深，不受地 下水影响，靠毛管力将降雨或流水保持 在土壤土层。
田间持水量：毛管悬着水达到最大时的 土壤含水量。是农田土壤保持的最大水 量，是旱地土壤灌溉的上限（质地，腐 殖质）。
4、土壤重力水
土壤水分含量超过田间持水量，过量水 分不能被毛管吸持，而在重力作用下沿 大孔隙向下渗漏成为多余的水。
胶体表面带电形成的静电场，水分子定向排列---有效距离长，但作用力弱，受比表面积，胶粒及吸附离子种类的影响）；
凋萎系数：当土壤水分受到的吸引力超过1.
土壤含水量超过最大分子持水量后，水分可以自由移动，靠毛管力保持在土壤孔隙中的水分称为毛管水。
凋 萎 系 数 ： 当 土 壤 水 分 受 到 的 吸 引 力 超 过 土粒孔隙水和空气界面上的弯月面力（土壤承受着一种张力---毛管力）。
物需水临界期：某一生育期土壤缺水， 对作物产量影响最为严重。 土壤水分含量影响作物对养分的吸收。
地表覆盖？
土壤水分调节 （增强入渗、控制蒸发）
1、控制地表径流，增强土壤水分入渗 调整土壤结构，合理灌溉，提高土壤水和
灌溉水的利用率 据作物生长需水特性考虑灌溉定额及时间。 方法：畦灌，喷灌，滴灌，沟灌等。
土粒孔隙水和空气界面上的弯月面力（土壤承受着 一种张力---毛管力）。
二、土壤水分的类型和性质
吸湿水
膜状水
毛管水
1、土壤吸湿水
固相土粒依其表面的分子引力和静电引 力从大气和土壤空气中吸附气态水，附 着在土粒表面成单分子或多分子层，称 土壤吸湿水。
特点：受土粒的吸力大，排列紧密，不 能自由移动，无效水（当空气相对湿度 94~98%时，达最大值称最大吸湿量）
2、减少土壤水分蒸发
有机肥的使用和以水控肥，减少蒸发 Ψw＝Ψm＋Ψp＋Ψs＋Ψg 指土壤水的基质势或土壤水吸力与含水量的关系曲线。 毛管持水量：毛管支持水达到最大，包括吸湿水，膜状水，毛管上升水。

一、土壤水分入渗过程及规律
（三）入渗过程中土壤含水量的垂直分布规律 2. 水分过渡带（区）
在饱和带以下，土壤含水量随深度的增加急剧减小， 形成一个水分过渡带。
3. 传导区
土壤含水量基本上保持在饱和含水量 与田间持水量之间，沿垂线均匀分布，形 成一个传导区，随着供水历时的增长湿润 锋不断下移，水分传导区不断向下延伸， 而土壤含水量则保持在上述数值范围内 （60-80%s），并且这一带毛管势梯度极 小，水分的传输运动主要为重力作用。
一、土壤水分入渗过程及规律
（三）入渗过程中土壤含水量的垂直分布规律 4. 湿润带（区）
是连续湿润锋面与水分传导带的一个含水量随深度 迅速减小的水分带，随着湿润锋的不断下移，使其下 面的干土含水量增加，变为湿润带。
5. 湿润锋
在湿润带的末端，土壤含水量突变，与下 层干土有明显界面，称为湿润锋。
新的认识
一、《土壤水动力学》学习思考问题
•微小单元体建模过程进行了假设与概化，土壤 质地与模型参数关系。 •土壤水运动方程与地下水运动方程的共同点与 区别。 •土壤水动力学在本专业研究现状与实际应用状 况。
一、《土壤水动力学》应用
•水库淹没抬田工程—获得工程设计（土层结构 及相应厚度）施工指标（压实度等） •排涝除渍工程。 •滩涂开发工程。 •盐碱化治理工程
z = 0, t ＞ 0
➢具有地下水埋深不变，即土壤水势为已知的有限土壤剖 面，除初始条件如上所述而外，应将上下边界规定为 Dirchlet条件。
一、土壤水分入渗过程及规律 （四）影响入渗过程的条件
工程造价和工程施工分层方案和各层土质受周围可用土质影响保水保肥保耕作土土壤通气和适度渗漏需要第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状42抬田工程的研究现状亭子口库区农田防护工程保水保土性能室内试验第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状图4大型土柱试验装置42抬田工程的研究现状亭子口库区农田防护工程低地垫高方案第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状图3防护区典型剖面设计52江西省峡江抬田工程关键技术研究技术路线峡江抬田工程关键技术研究抬田区内典型区划分相应的作物种植结构耕作制度灌溉制度作物各生长阶段根系深度土壤水分地下水位等耐渍指标调查类比原位测定分析原状各土层渗透系数密实度含水率模拟水库运行状态下测坑地下水位测试不同土层厚度耕作层粘土层填筑密度填筑含水量渗透系数分析原状土各层物理化学特性粘粒含量现状耕作层犁底层厚度及土壤特性调查测定模拟某填筑方案非水库运行水位耕作作物生长过程调查产量模拟水库运行状态下不同填筑高度形成的测坑地下水埋深对水稻各生长阶段可能产生的渍害程度野外调查与现场试验室内实验抬田区原状指标调查试验抬田工程填筑高度及各层填筑厚度密度等指标确定小区模拟试验测坑模拟试验室内实验模拟并测试不同土层厚度耕作层粘土层填筑密度填筑含水量渗透系数确定保水及控制含水率剖面观测并取耕作层厚度粘土层土样进行室内实验测试小区测坑试验填土各土层土样保水保肥粘粒含量抬田工程前后各项指标时间空间尺度监测数据库抬田工程技术经济评价制定抬田工程规范发表论文申请专利抬田工程申报奖项图图44抬田工程关键技术研究的技术路线第一部分国内外相关浸没和抬田工程技术发展研究现状第六章土壤水分的入渗入渗infiltration蒸发evaporation水循环入渗infiltration蒸发evaporation蒸腾transpiration田间土壤水循环的两种形态一土壤水分入渗过程及规律入渗是水分进入土壤的过程