土壤水动力学SWD2土壤水的数量和能态.ppt
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1、土壤水动力学 (Soil Water Dynamics)第2章 土壤和水的基本概念 (Basic conceptions of soil and water),毛 晓 敏 中国农业大学水利与土木工程学院 Tel: 13621343912 Email: ,第2章 土壤和水的基本概念,土壤物理性质和指标 土壤水的形态与水分常数 土壤水的能态与土水势 土壤水分特征曲线,2.1土壤物理性质和指标,土壤是由矿物质和生物紧密结合的固相、液相和气相三相共存的一个复杂的、多相的、非均匀多孔介质体系。 表征土壤物理性质的指标: 定性指标质地、结构 定量指标 孔隙度、密度、含水率、饱和度等,2.1土壤物理性质和指
2、标,各定量指标的意义、计算方法和相互关系: 土壤密度(particle density)(or比重) s 一般约 2.6-2.7 g/cm3 土壤干容重/bulk density b 湿容重 t 孔隙度n 含水率(体积v、质量w ) 饱和度S,相互关系: 饱和度与体积含水率的关系 S=v/n ( n为土壤孔隙度) 孔隙度和容重的关系 N=1- b /s ( s 为土粒密度) 体积含水率和质量含水率的关系 v = g b /w ( b 为土壤干容重),课堂练习题:,溶液,固体,空气,面积A,D,d,a,b,c,设土粒密度为s,水密度为w 求以下参数的表达式: 体积含水率v 质量含水率g 饱和质量
3、含水率g s 孔隙度n 饱和度w 土壤干容重b,设你要安装一个土柱(柱高60cm,内径40cm)做土柱试验,已经过筛土壤的质量含水率3%,要求安装土柱的设定体积含水率是8%,安装土柱干容重1.8g/cm3,求: 需要往单位质量土体里加多少水才能达到设定体积含水率? 需要装多少克土到土柱内?,课堂练习题:,土壤含水率的测定方法,土壤含水率的表示: 体积含水率:v =Vw /V0 重量(质量)含水率:g =mw /ms 饱和度:w=Vw /Vv 贮水深度:h=Hv (量刚为L),土壤含水率的测定方法,主要测定方法 称重法(烘干法) 核技术测量:中子仪, 射线仪 电磁测量:时域反射仪(TDR) 核磁
4、共振测量 热脉冲测量 遥感测量:大面积地表含水率,称重法(烘干法,直接法): 测定过程:土钻取土,测定土壤湿重m;在105烘箱中烘68h,测定干土重ms。则土壤质量含水率为 g =(mms) /ms 快速烘干方法:酒精燃烧,红外线灯照射 优点:原理简单、测量精度高、设备简单 缺点:耗时长、破坏土体,代表性差(空间变异性影响),中子仪: 原理:快中子、H慢中子,慢中子通量反映H(水)含量 快中子源:放射源(Ra/Am)、Be 体积含水率与记数R的关系: =a R/Rstd +b 优点:原位重复测量 缺点: 确定率定曲线 空间分辨率低 价格,辐射,时域反射仪(TDR): 原理:土壤介电常数与含水率
5、的关系(介电常数:水80;干土5;空气1) 优点:简单 缺点:仪器价格,分辨率低,2.2 土壤水的形态与水分常数,土壤水分常数(soil water constant):根据土壤水分形态不同而定义的土壤特征含水量,如上述最大吸湿量、田间持水量等 农业生产中常用的水分常数: 田间持水量(field (moisture) capacity):农田土壤某一深度内保持吸湿水、膜状水和毛管悬着水的最大水量 凋萎系数(wilting coefficient):土壤中的水分不能被根系吸收、植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率,也称凋萎含水率或萎蔫点 土壤有效含水量(available water conten
6、t of soil):土壤中能被作物吸收利用的水量,即田间持水量与凋萎系数之间的土壤含水量,土壤含水率与水分常数的应用: 估计水分对植物生长的影响 计算灌溉水量 根据土壤水分的动态变化估算腾发量(地面蒸发植物蒸腾),课题问题:,某农田田间持水量为0.18m3/m3, 作物根系层深度1.2m。请问若土壤根区水分降到40%田间持水量即进行灌溉,若要使得灌溉后根系区达到田间持水量的要求,单位面积需要灌溉多少mm水?,2.3 土壤水的能态与土水势,土壤水的能态 土水势的概念及其热力学基础 土水势的分势 重力势 压力势 基质势 溶质势 温度势,2.3.1 土壤水的能态,土壤水的能量 动能:由于土壤水流速
7、很慢,一般可忽略 势能:土水势(对土水系统) 土壤水流动方向:高土水势低土水势 驱动力:土水势差 土水势的标准状态(基准系统):处在一定高度、一定温度、在大气压下的自由水,土水势(Soil water potential):可逆、等温地从特定高度和大气压下的纯水池转移极少量水到土壤中某一点时单位数量纯水所做的功。 土水势的单位系统:,相互关系:T=T/w =g hT T= wT=w g hT,hT= T/g =T/(w g ) 1 m 9.8 J/kg 9.8 kPa,2.3.2 土水势概念的热力学基础,热力学状态变量:体积V、压力P、温度T 热力学第一定律(能量守恒): dQ = dU +
8、PdV + dW 系统吸收热量=系统内能增量+系统对环境的容积功+非容积功 热力学第二定律:自发过程中热只能从高温状态传向低温状态,水只能由高向低流 dQTdS (可逆过程=;不可逆过程) 系统吸收热量温度系统熵值的变化,对于可逆过程,dW =-dU+TdS - PdV 吉布斯(Gibbs)自由能:G=U+PV-TS dG=d(U+PV-TS)=dU+PdV+VdP-TdS-SdT =VdP-SdT -dW =VdP-SdT+dW 在等温、等压条件下: dG=-dW =dW dW环境对系统所做的非容积功 重力所做的功: dWg 土壤基质对水分的吸持力所做的功: dWm 土壤溶液渗透压力所做的功
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