土壤液态水运动科普中国-科学百科 2018-04-25 作者:张勇 |
在土壤中存在三种类型的土壤水分运动(soil water movement)——饱和水流、非饱和水流和水汽移动,前两者指土壤中的液态水流动,后者指土壤中气态水的运动。土壤液态水的运动有两种情况,一种是饱和流,即土壤孔隙全部充满水时的水流;另一种是不饱和流,即土壤只有部分孔隙中有水时的水流。
简介
在土壤中存在三种类型的土壤水分运动(soil water movement)——饱和水流、非饱和水流和水汽移动,前两者指土壤中的液态水流动,后者指土壤中气态水的运动。1
土壤液态水的运动
土壤液态水的运动有两种情况,一种是饱和流,即土壤孔隙全部充满水时的水流;另一种是不饱和流,即土壤只有部分孔隙中有水时的水流。
饱和流
饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度,饱和流的运动规律由法国工程师达西通过实验确定。即单位时间内通过单位面积土壤的水量,也就是土壤水通量与土水势梯度成正比。饱和水流不只是垂直地发生,也会发生水平流动、如果把土壤中的饱和水流动简化为一维垂直饱和流,可用下式表示:
式中,q表示单位面积的土壤水通量(cm/h);δH表示总水势差(实际当中一般用厘米水柱表示,单位cm);Ks为水流路径的直线长度(cm);Ka为土壤饱和导水率(cm/h);负号表示土壤水通量指向水势梯度下降的方向。通过土柱的水通量可以用下式计算:
式中A为此土柱的横截面积(cm3);Q为通过该土柱横截面的水通量(cm3/h)。
土壤饱和导水率反映了土壤的饱和渗透性能,任何影响土壤孔隙大小和形状的因素都会影响饱和导水率,因为在土壤孔隙中总的流量与孔隙半径的四次方成正比,所以通过半径为1cm的孔隙的流量相当于通过10000个半径0.1mm的孔隙的流量,显然大孔隙对饱和流的影响最大。土壤质地和结构与导水率有直接关系,砂质土壤通常比细质土壤具自更高的饱和导水率,同样,具有稳定团粒结构的土壤比具有不稳定团粒结构的土壤传导水分要快得多。后者在潮湿时结构就被破坏了,细的黏粒和粉砂粒会阻塞较大孔隙的连接通道,天气干燥时龟裂的细质土壤起初能让水分迅速移动,但过后因这些裂缝膨胀而闭塞起来,可使水的移动减少到最低限度,
土壤中的饱和水流受有机质含量和无机胶体的性质的影响,有机质有助于维持高比例的孔隙。而有些类型的黏粒特别有助于小孔隙的增加,这就会降低土壤导水率,例如,和1:1型的黏粒多的土壤相比较含蒙脱石多的土壤通常具有低的导水率。
在土壤中,有些情况下会出现饱和流,如大量持续降水和稻田淹灌时会出现垂直向下的饱和流;地下泉水涌出属于垂直向上的饱和流;平原水库库底周圈则可能出现水平方向的饱和流。当然以上各种饱和流的方向也不一定完全是单向的,大多数是多向的复合流。
非饱和流
土壤非饱和流的推动力主要是基模势梯度(matrix potential gradient)和重力势梯度。它可用非饱和达西定律来描述。
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为重力势与压力势和的梯度。而非饱和条件下为重力势与基质势和的梯度;饱和条件下的土壤导水率K对特定土壤为一常数,而非饱和导水率是土壤含水量或基质势的函数。土壤水吸力和导水率之间的一般关系,在土壤水吸力为零或接近于零时,也就是饱和水流出现时的吸力,其导水率比在S≥0.1MPa时的导水率大几个数量级。在低吸力水平时,砂质土中的导水率要比黏土中的导水率高些;在在高吸力水平时,则与此相反,这是因为在接近饱和时。沙土中的大孔隙占优势,此时导水率要比黏土的高;而当吸力进一步发展,大孔隙排空时。反而成为水分传导的障碍。而黏土孔隙较小且均匀,在高吸力情况下亦能传导水分,因而比砂土的导水率高。1
本词条内容贡献者为:
张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院
责任编辑:科普云




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