土壤水动力学的发展解析

生态环境学报 2009, 18(3): 1182-1188 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@基金项目：中国科学院知识创新重要方向基金项目资助(KZCX2-YW-306)；国家自然科学基金项目资助(40672112)作者简介：肖德安（1981年生），男，博士，研究方向为主要从事土壤水、地下水环境地球化学研究。

E-mail: xiaodean@ *通讯作者：E-mail: wangshijie@ 收稿日期：2009-03-16土壤水研究进展与方向评述肖德安1, 2，王世杰1*1. 中国科学院地球化学研究所//环境地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550002；2. 中国科学院研究生院，北京 100039摘要：土壤水与大气水、地表水、地下水和植被有着紧密的联系，是水资源中最重要和最复杂的部分。

为了给农业生产、生态恢复、环境治理以及水资源合理利用提供有效的理论指导，国内外已经有了较多关于土壤水的研究成果。

在综述土壤水研究的进展和已有成果基础上，重点分析了当前在土壤水研究方向上所存在的问题。

以往的土壤水研究较多集中于其物理性质，如水分含量及利用、土壤水盐分及其运移规律、土壤水动力学及数学模拟模型研究、土壤水水量计算及水平衡研究等，而对其化学性质的研究和认识较为不足，特别是其地球化学特征的研究更是较少。

然而土壤水的地球化学特征同样是决定着土壤水的运移规律的重要因素，但目前此方向的研究只有土壤水同位素地球化学研究。

由于土壤水取样困难，土壤水元素地球化学和与环境污染有关的土壤水地球化学研究也仍然较少。

因此，今后应当加强对土壤水地球化学特征的研究，并逐步提高实验技术和积累研究经验，以期能更全面地揭示土壤水的本质特征及其运移规律。

关键词：土壤水；物理性质；地球化学；进展；研究方向中图分类号：S152.7 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2009）03-1182-07土壤水是指地表面以下至地下水面（潜水面）以上土壤层中的水分，也称为非饱和带土壤水[1]。

土壤机械动力学土壤机械动力学是土力学中的一个分支，它主要研究土壤在不同载荷作用下的变形和破坏规律。

在土木工程中，土壤机械动力学是非常重要的，因为它涉及到工程土壤的稳定性和承载能力，对土体的基础和建筑物的设计都有重要影响。

土壤机械动力学研究的对象是土壤，而土壤是由颗粒、空隙和水组成的多相介质。

在土壤中，颗粒通过重力作用相互堆积，形成了土体的骨架结构，空隙则是颗粒之间的空隙，可以用来储存水和气体。

因为土壤中的颗粒和空隙数量非常庞大，所以为了研究其力学行为，需要采用统计力学的方法，将其看作一个连续体。

从力学的角度来看，土壤可以分为两种类型：粘性土和非粘性土。

粘性土的颗粒之间有较强的吸附力和结合力，因此可以承受一定的剪切应力。

非粘性土的颗粒之间只有惯性力和重力，不具有结合力，因此一旦受到剪切应力就会破裂。

在土体被外力作用下，其内部颗粒的结构会发生变化，产生应力和应变，这些变化都可以用来描述土壤机械动力学的行为。

土壤的力学特性主要与其体积、形状、颗粒大小和形态、含水量等因素有关。

其中，含水量是影响土壤力学行为最为重要的因素之一。

在含水量较低时，土壤的强度和刚度都比较高；而在含水量增加时，土壤的强度和刚度会逐渐下降，最终导致土体的液化和塌陷。

因此，在土壤工程中，需要对不同含水量的土壤进行力学特性的研究和分析。

土壤在机械动力学中的研究主要包括以下方面：1. 土壤的变形特性：土壤在受到外力作用后会发生弹性变形和塑性变形。

弹性变形是指土壤在受到外力作用后能够恢复原来的形态，而塑性变形则是指土壤在受到外力后无法恢复原来的形态。

塑性变形使得土体的承载能力下降，因此需要在设计土体结构时加以考虑。

2. 土壤的强度特性：土壤的强度是指土体在受到外力作用时的抵抗能力。

不同类型的土壤具有不同的强度特性，比如粘性土的强度和非粘性土的强度就有很大的差异。

在设计土体结构时，需要根据土壤的强度特性确定其承载能力和安全系数。

3. 土壤的液化特性：液化是指土壤在受到外力作用后失去承载能力，产生明显的液化现象。

土壤侵蚀动力学及防治方法土壤是地球表面最重要的自然资源之一，它在维持生态系统的平衡和支持农业生产方面起着关键作用。

然而，由于自然因素和人为活动的影响，土壤侵蚀已成为全球性的环境问题。

了解土壤侵蚀动力学并采取有效的防治方法对保护土壤资源、维持生态平衡至关重要。

土壤侵蚀动力学是指土壤松散物质在水、风等外力作用下从一个地方运动到另一个地方的过程。

土壤侵蚀动力学研究了土壤侵蚀的发生机制、过程和规律，对于制定科学有效的土壤侵蚀防治策略至关重要。

土壤侵蚀的主要动力包括水力、风力和重力。

水力侵蚀是最常见的土壤侵蚀形式，包括径流冲刷和雨滴冲击。

丰富的降雨和坡度陡峭是水力侵蚀的主要促进因素。

风力侵蚀主要发生在干旱地区，土壤颗粒通过风力的携带和碰撞而移动。

重力侵蚀主要发生在山体坡度陡峭、地震、山体滑坡等自然灾害情况下，土壤松散物被重力作用下滑移动。

土壤侵蚀不仅会直接损失土壤资源，还会导致水质污染、河流冲淤、洪灾、干旱等一系列环境问题。

因此，采取有效的防治措施对于减轻土壤侵蚀的影响至关重要。

一种常见的土壤侵蚀防治方法是植被保护。

植被能够起到很好的固土保水作用，减缓水流速度并减少土壤冲刷。

合理的植被覆盖可以防止土壤暴露在雨滴和风力冲蚀下，同时根系也能牢固地将土壤束缚在地表。

因此，合理的植被保护是预防水力和风力侵蚀的重要手段。

水土保持措施也是重要的土壤侵蚀防治方法之一。

建设有效的水土保持工程，例如梯田、沟沟坎坎等，能够在一定程度上抵御水力冲刷和重力侵蚀。

这些工程能够分散和减缓水流速度，降低土壤冲刷的力度。

同时，水土保持工程还可以收集雨水并提供潜水补给，维持地下水位稳定。

农业管理措施也可以有效减少土壤侵蚀。

合理安排农作物种植结构、优化耕作方法、合理施肥和管理农田排水等措施，能够减少土壤暴露在外力之下的机会，保持土壤的完整性。

此外，合理的农田排水系统能够减少水涝和积水，防止土壤表面的水流冲刷和侵蚀。

除了以上几种方法，还有一些修复和防治土壤侵蚀的新技术和方法不断涌现。

土壤水分运移模拟研究进展随着气候变化和人类活动的影响，土壤水分的运移对环境和农业生产具有重要的影响。

因此，土壤水分运移模拟成为了国内外研究的热点之一。

本文将对土壤水分运移模拟的研究进展进行综述。

一、模型分类目前，土壤水分运移模拟模型主要可以分为两大类：物理模型和统计模型。

物理模型是通过对各种动力学方程以及天文、地理、气象等数据进行数学描述，再通过计算来模拟水分运移的过程。

统计模型则是通过大量的实测数据进行拟合，建立关于土壤及其水分运移的统计模型，并通过模型参数进行预测。

二、模型应用1. 水资源管理土壤水分运移模拟对于水资源管理具有很大的帮助，可以通过模型对空间和时间上的水分分布进行研究，为水资源的开发利用提供科学依据。

2. 农业生产土壤水分对于农业生产具有重要的影响，特别是在干旱和半干旱地区。

土壤水分运移模拟可以帮助农业生产者制定合理的灌溉方案，提高土地的水分利用效率。

3. 土地利用规划土壤水分运移模拟可以结合土地利用规划，为土地的合理利用提供科学依据。

模型可以为土壤肥力、植物生长等提供数据，对决策者制定科学的土地利用规划有很大的帮助。

三、模型发展趋势随着数据采集技术、计算机技术的不断进步，土壤水分运移模拟模型的精度和可靠性得到进一步提高。

同时，建立多元、全球、分配化的大尺度土壤水分运移模型已经成为一个新的研究热点，将为生态系统保护和气候变化研究提供科学依据。

总之，土壤水分运移模拟模型已经成为当下研究的热点之一，其在气候变化、农业生产和水资源管理等方面具有重要应用价值。

模型发展的趋势是向多元化、全球化、分配化发展，对生态环境的保护和气候变化问题的研究具有重要作用。

岩土工程中的地下水动力学模拟岩土工程是研究土壤和岩石力学性质，并应用这些性质来设计和建造地下结构的工程学科。

在岩土工程中，地下水是一个重要的因素，地下水动力学模拟是研究和模拟地下水在地下运动和变化过程的方法。

本文将介绍岩土工程中的地下水动力学模拟的应用和意义。

一、地下水动力学模拟的意义地下水动力学模拟在岩土工程中有着重要的意义。

首先，地下水动力学模拟可以模拟地下水流动的变化，预测地下水位的升降和洪涝灾害的发生。

这对于地下结构的设计和建造具有指导作用，可以避免地下水对结构的影响。

其次，地下水动力学模拟可以评估地下水资源的利用潜力和可持续性，为水资源管理和规划提供参考。

此外，地下水动力学模拟还可以预测地下水质量的变化，指导地下水污染的防治措施。

二、地下水动力学模拟的方法在岩土工程中，地下水动力学模拟通常使用数值模拟方法。

数值模拟方法通过建立数学模型，将地下水系统的物理过程用方程描述，并通过计算机进行求解。

常用的数值模拟方法有有限差分法、有限元法和边界元法。

这些方法根据模型的需要和计算资源的限制，选择合适的离散方法和数值求解算法。

同时，地下水动力学模拟还需要大量的地下水数据进行校验和验证，因此数据采集和处理也是模拟中的重要环节。

三、地下水动力学模拟的应用地下水动力学模拟在岩土工程中的应用十分广泛。

首先，地下水动力学模拟可以用于地下水资源的管理和规划。

通过模拟地下水的流动和变化，可以评估地下水资源的开发潜力和可持续性。

其次，地下水动力学模拟可以用于地下结构的设计和施工。

通过模拟地下水对结构的影响，可以预测地下水位的升降和地下结构的稳定性。

此外，地下水动力学模拟还可以用于预测地下水污染的扩散和传输，指导地下水污染的防治措施。

地下水动力学模拟在岩土工程的各个领域都有着重要的应用，对于岩土工程的研究和实践具有重要的意义。

四、地下水动力学模拟的挑战和发展趋势虽然地下水动力学模拟在岩土工程中的应用较为成熟，但仍存在一些挑战。

土壤水运动的基本理论与方法土壤水运动是指水在土壤中运动的过程。

了解土壤水运动的基本理论与方法可以帮助我们更好地理解土壤水分的分布与变化规律，为土壤水资源的保护与合理利用提供科学依据。

本文将从土壤水运动的基本理论和主要方法两个方面进行介绍。

一、土壤水运动的基本理论1.黏土颗粒堆积模型黏土颗粒在土壤中的堆积模型被用于解释土壤水运动的基本机制。

根据相对黏土颗粒之间的间距，可以将土壤水分的运动分为两种：毛管吸力运动和渗滤运动。

毛管吸力运动是指在小于0.1毫米的土壤颗粒间隙中，由于颗粒表面张力作用，水分能够被吸引并向上运动。

渗滤运动是指在大于0.1毫米的土壤颗粒间隙中，水分受到重力作用而向下运动。

2.土壤水分势理论土壤水分势理论是描述土壤水分状态的理论基础。

通过测定土壤颗粒间的水势差，可以了解土壤中水分的自由能。

其中，毛管水势是指由毛细管作用产生的土壤水分势，重力水势是指由重力作用产生的土壤水分势，压力水势是指由土壤微生物代谢、根系呼吸等作用产生的土壤水分势。

土壤水势与土壤水分的运动速率和方向有着密切的关系。

3.土壤水分运动方程土壤水分运动方程是描述土壤水分运动过程的数学模型。

常用的水分运动方程有Richards方程和扩散方程。

Richards方程是描述非饱和土壤水分运动的方程，它考虑土壤孔隙中的土壤毛管吸力效应和渗透性。

扩散方程是描述饱和土壤水分运动的方程，它假设土壤中的水分运动符合扩散规律。

这些方程可以通过实验数据拟合得到，并用于模拟土壤中水分的运动。

二、土壤水运动的主要方法1.定量测定土壤水分含量测定土壤水分含量是土壤水运动研究的基础工作。

常用的土壤水分测定方法有重量法、压缩法和电导率法等。

重量法是通过称重分析测定土壤样品的湿重和干重的差值，计算得到土壤水分含量。

压缩法是利用压缩仪测定土壤样品的体积变化，进而计算土壤水分含量。

电导率法是通过测定土壤样品中电导率的变化，间接判断土壤水分含量。

2.水分运动模拟实验水分运动模拟实验是研究土壤水分运动规律的有效方法之一、该方法通过控制水分势差、土壤类型等条件，模拟不同场景下的土壤水分运动过程，实时监测水分运动速率和方向，并对土壤水分运动方程进行验证和修正。