路基水毀沉陷現(xiàn)象原因

1、研究水毀沉陷等病害的成因由于近幾年路基的水毀現(xiàn)象比較嚴(yán)重，對(duì)于路基中的水分是如何遷移的，及降雨是如何入滲的，在這方面的研究還比較少。為了進(jìn)一步預(yù)防公路路基水毀，沉陷等病害的發(fā)生和為合理的安排路基內(nèi)部的排水系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)，因此對(duì)壓實(shí)路基的水分遷移機(jī)理研究是很有必要的。3.1 土壤水的形態(tài)和能態(tài)一土壤水的形態(tài)天然條件下土壤的各點(diǎn)的含水率因位置和時(shí)間而異。為了區(qū)分不同含水率土壤的水分所具有的不同特征，許多土壤水研究的學(xué)者，把土壤中所含水分按其特征區(qū)分為若干類型，即對(duì)土壤里的水分進(jìn)行形態(tài)分類。 關(guān)于土壤水的形態(tài)分類問題，從已往的一些分類方法看，都大同小異。所有的分類方法的共同之處在與都是按土壤中的水

2、分存在形態(tài)和土壤中所承受的作用力的性質(zhì)及大小來分類的。土壤中水分所承受的作用力常概括為吸附力、吸著力、毛管力和重力。因此存在于土壤中的液態(tài)水?？蓞^(qū)分為一下四種形態(tài)。1 吸濕水單位體積的土壤具有的土壤顆粒表面積很大，因而具有很強(qiáng)的吸附力，能將周圍環(huán)境中的水汽分子吸附于自身表面。這種束縛在土粒表面的水分稱為吸濕水。當(dāng)周圍的水汽飽和時(shí)，土壤吸濕水量最大，此時(shí)相應(yīng)的含水率稱為最大吸濕量或吸濕系數(shù)。2 薄膜水當(dāng)吸濕水達(dá)到最大數(shù)量后，土粒已無足夠力量吸附空氣中的活動(dòng)力較強(qiáng)的水汽分子，只能吸持周圍環(huán)境中處于液態(tài)的水分子。由這種吸著力吸持的水分使吸濕水外面的水膜逐漸加厚，形成連續(xù)的水膜，故稱為薄膜水。薄膜水達(dá)

3、到最大值時(shí)的土壤含水率稱為最大分子持水量。3 毛管水土壤顆粒間細(xì)小的孔隙可視為毛管。毛管中水汽界面為一彎月面，彎月面下的液態(tài)水因表面張力作用而承受吸持力，該力又稱毛管力。土壤中薄膜水達(dá)到最大值后，多余的水分便由毛管力吸持在土壤的細(xì)小孔隙中，稱為毛管水。天然條件下，地下水在毛管力的作用下將沿土壤中的細(xì)小孔隙上升，由此而保持在毛管孔隙中的水分稱為毛管上升水。當(dāng)?shù)叵滤宦癫睾苌顣r(shí)，毛管上升水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能到達(dá)表層土壤，此時(shí)降雨后由毛管力保持在上層土壤細(xì)小孔隙中的水分稱為毛管懸著水。毛管懸著水達(dá)到最大值時(shí)的土壤含水率稱為田間持水量。4 重力水毛管力隨著毛管直徑的增大而減小，當(dāng)土壤孔隙足夠大時(shí)，毛管作用便十分

4、微弱，習(xí)慣上稱土壤中這種較大直徑的孔隙為非毛管孔隙。若土壤的含水量超過了土壤的田間持水量，多余的水分不能為毛管力所吸持，在重力作用下將沿非毛管孔隙下滲，這部分土壤水分稱為重力水。當(dāng)土壤中的孔隙全部為水所充滿時(shí)，土壤的含水率稱為飽和含水率或全蓄水量。上述最大吸濕量、最大分子持水量、田間持水量和全蓄水量，是將土壤水的數(shù)量和形態(tài)聯(lián)系起來的特征含水量，稱為水分常數(shù)。土壤水的形態(tài)分類在國(guó)外已廣為使用，它在土壤水分的研究和生產(chǎn)應(yīng)用中起過積極的作用。但是對(duì)土壤水分的研究?jī)H僅依據(jù)土壤水的形態(tài)分類是很不夠的。首先，土壤水的形態(tài)分類在理論上是不嚴(yán)密的。所以類型的土壤水，事實(shí)上都處于地球的引力場(chǎng)中，可以說都是重力水

5、；毛細(xì)現(xiàn)象的開始和終止的界線也很難明確的劃定。其次，土壤水的形態(tài)分類僅是一種定性的描述，對(duì)于土壤中水分的分布和運(yùn)動(dòng)的研究無法定量化。例如，所謂吸濕水是不能以液態(tài)水的形式運(yùn)移的，薄膜水是從膜厚處向膜薄處運(yùn)移的，然而都不能定量的描述。即使將土壤孔隙假想為一束毛管，并由此來定量研究其中的水流運(yùn)動(dòng)，也只能用于一些簡(jiǎn)單情況下的土壤水分分析，且結(jié)果很難代表具有復(fù)雜的孔隙通道的土壤中的真實(shí)水流。由于土壤水形態(tài)分類的這些不足之處，近40多年來在理論上和實(shí)踐上沒有取得更大的進(jìn)展。與此相反，自本世紀(jì)三十年代以來，特別是五十年代以后，隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土壤水能態(tài)的研究以及在此基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)物理方法定量研究土壤中

6、水分運(yùn)動(dòng)卻不斷的取得了新進(jìn)展。二土壤水的能態(tài)自然界中的物體都具有能量，而且，普遍的趨勢(shì)是自發(fā)地由能量高的狀態(tài)向能量低的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)化，最終達(dá)到能量平衡的狀態(tài)。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，任一物體所具有的能量由動(dòng)能和勢(shì)能組成。由于水分在土壤孔隙中運(yùn)移很慢，其動(dòng)能一般可忽略不計(jì)。因此，土水勢(shì)土壤水分所具有的勢(shì)能，在決定土壤水分的能態(tài)和運(yùn)動(dòng)上就變得極為重要。任兩點(diǎn)之間土壤水勢(shì)能之差，即土水勢(shì)差，是水分在此兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。土壤水分的勢(shì)能，不可能也沒有必要確定其絕對(duì)數(shù)量。為此，可選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，土壤中任一點(diǎn)的土水勢(shì)大小，可由該點(diǎn)的土壤水分狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)的勢(shì)能差值來定義。一般取一定高度處、某一特定溫度（常溫

7、或與所論土壤水溫度相同）下、承受標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（或當(dāng)?shù)卮髿鈮海┑募冏杂伤ú缓腥苜|(zhì)，不受固相介質(zhì)作用）作為標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)。當(dāng)說到土壤中某一點(diǎn)的土水勢(shì)時(shí)，是指該物理點(diǎn)體積元內(nèi)單位數(shù)量的土壤水分所具有的勢(shì)能，所以土水勢(shì)的單位取決于對(duì)土壤水分單位數(shù)量的規(guī)定方式。1 單位質(zhì)量土壤水的土水勢(shì)，單位為j/g。2 單位容積土壤水的土水勢(shì)，單位是壓強(qiáng)單位pa及atm，bar。3 單位重量土壤水的土水勢(shì)，單位是長(zhǎng)度單位cm（或m）。此即通常所說的水頭，數(shù)值上和以水柱高度表示的壓強(qiáng)值相等。以上三種土水勢(shì)單位中，常用的是后兩種，特別是第三種。三水分遷移研究的理論方法非飽和黃土中水分遷移是一種十分復(fù)雜的物理、化學(xué)作用過程

8、，受多種力和多種能量的控制和制約。當(dāng)人們從土體特性、水分形態(tài)、大氣壓力、地溫梯度、能量均衡等不同的角度來研究時(shí)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)它們有許多不同的表現(xiàn)形式。正因?yàn)槿绱?許多研究者先后提出了多種理論方法。無疑每一種理論的出現(xiàn)，都曾經(jīng)對(duì)非飽和黃土水分遷移的研究起到推動(dòng)作用，做出過貢獻(xiàn)。有些已被眾多的研究人員所接受，成為當(dāng)前研究非飽和黃土水分遷移常用的理論方法，如毛管勢(shì)理論、土水勢(shì)理論、層流理論、濕潤(rùn)鋒面入滲理論等。但是，由于其問題本身的復(fù)雜性，這些常用理論都不同程度的存在著不足之處。了解它們的缺陷，掌握它們存在的問題，對(duì)于正確地運(yùn)用它們來揭示包氣帶水分運(yùn)移的客觀規(guī)律有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。1毛管勢(shì)理論

9、毛管勢(shì)理論最初把土壤孔隙比作一束毛細(xì)管,以后又假定球形土粒成規(guī)則排列所成的孔隙為粗細(xì)相間的念珠狀(葫蘆狀)管道，水分受毛細(xì)作用在毛細(xì)管道中從毛管勢(shì)高的地方流向毛管勢(shì)低的地方。這種理論把包氣帶水分運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力完全歸結(jié)為毛細(xì)力。近半年世紀(jì)以來的研究成果表明，毛管勢(shì)理論存在兩大缺陷，即土壤孔隙形狀的概化嚴(yán)重失實(shí)和水驅(qū)動(dòng)力種類考慮的不全面。顯微照像和計(jì)算機(jī)圖象分析技術(shù)的快速發(fā)展，已顯示出土壤顆粒極少是球形的,土壤孔隙的截面形狀極不規(guī)則，孔隙在各個(gè)方向上連續(xù)所成的管道形狀也極不規(guī)則。因此,假定水分沿管道運(yùn)移的任何理論都失去了客觀實(shí)際的支持。土壤保持水的力除毛管力外還有土粒表面的吸附力，后者要比前者大得多

10、。尤其是在粘性土中更是如此。大家知道，毛細(xì)作用表現(xiàn)較明顯的土壤孔隙低限在13m之間，水分子的直徑約為310-8cm，細(xì)孔隙周圍吸附若干水分子層后，就會(huì)有一部分或全部孔隙被堵塞,使水能借毛管力通過的孔隙變得狹小得多，甚至完全堵死。因此，用毛管力來解釋細(xì)孔隙中水分的運(yùn)移，理論上根據(jù)不足。并且要排出細(xì)孔隙中的水實(shí)際需要的壓力要比由毛細(xì)作用計(jì)算的壓力大得多。2土水勢(shì)理論土水勢(shì)理論是以能量守恒原理和質(zhì)量守恒原理為基礎(chǔ)建立起來的，該理論本身不存在明顯的缺陷，問題出現(xiàn)在對(duì)該理論的過分簡(jiǎn)化。目前,在許多教科書和理論專著中，都把土水勢(shì)定義為基質(zhì)勢(shì)、重力勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)、壓力勢(shì)和溫度勢(shì)5個(gè)分勢(shì)的和。即：在實(shí)際應(yīng)用時(shí),通

11、常作如下的假定：由于溫差存在造成的土壤水分運(yùn)動(dòng)通量相對(duì)是很小的，溫度勢(shì)的作用可忽略，=0；在非飽和帶中土壤孔隙具有連通性，各點(diǎn)所承受的壓力均為大氣壓，故各點(diǎn)附加壓強(qiáng)為零，壓力勢(shì)為零，=0;如果只考慮水在土壤中的運(yùn)動(dòng)，而不涉及土壤向植物根系供水，由于在土壤中不存在半透膜，溶質(zhì)勢(shì)可考慮為零，=0。于是，上式變?yōu)椋?。這個(gè)公式是當(dāng)前研究土壤水運(yùn)移和模擬土壤水運(yùn)動(dòng)最常用的土水勢(shì)表達(dá)式。通過簡(jiǎn)化后的土水勢(shì)公式我們可以看到，在研究土壤水的運(yùn)移時(shí)不考慮溫度勢(shì)、壓力勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)的作用是否合適呢？在絕大多數(shù)情況下，不考慮溶質(zhì)的作用是可以的，但是不考慮溫度和壓力的作用是不合理的，因?yàn)闇囟群蛪毫?duì)非飽和帶水分運(yùn)移能產(chǎn)生

12、顯著的影響 。這個(gè)論點(diǎn)從以下的事實(shí)中可以得到證明：1) 溫度直接影響水的物理、化學(xué)性質(zhì),如粘滯度、表面張力等。當(dāng)土壤含水量一定時(shí)，隨著溫度的升高，水的粘滯度和表面張力均降低，因而水的吸力值也降低，土水勢(shì)上升。這種變化直接影響土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)。2) 土壤中的水分在溫度的影響下，可以從溫度高處流向低處。3) 溫度狀況還決定著水的相變，水的相變?nèi)绻l(fā)生，則會(huì)明顯影響水分的入滲速度和累計(jì)入滲量。此時(shí)，土壤溫度成為熱量平衡及水熱遷移中的一個(gè)重要因素。4) 非飽和土中存在閉塞的未充水的孔隙，其中與土壤水相平衡的氣壓可能不同于大氣壓，由此產(chǎn)生的壓力勢(shì)稱為氣壓勢(shì)。閉塞氣泡及相應(yīng)氣壓勢(shì)的存在，對(duì)田間尤其較深層的

13、土壤水分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一定的影響。3層流理論為土壤水的運(yùn)移是層流，直接用達(dá)西定律描述非飽和土中的非飽和流既缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也缺乏理論依據(jù)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，由于無法保證用于實(shí)驗(yàn)的土柱中各斷面的含水量、土水勢(shì)梯度大致相同。因此，水的非飽和流動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)(等含水量、等土水勢(shì)梯度的實(shí)驗(yàn))無法實(shí)現(xiàn)。所以，直接移植飽和流的達(dá)西定律用于非飽和流無實(shí)驗(yàn)依據(jù)。另外，非飽和流應(yīng)用達(dá)西定律明顯不妥，理由有四點(diǎn)：一是達(dá)西定律是在恒溫條件下得出的，而非飽和帶不是恒溫地帶，存在較大的地溫梯度。在基質(zhì)勢(shì)與重力勢(shì)達(dá)到近似平衡(除雨季外,全年絕大部分時(shí)間如此)的水分剖面上，地溫場(chǎng)的作用可能是水分運(yùn)移的主要因素。二是達(dá)西定律是在飽和狀

14、態(tài)下得出的實(shí)驗(yàn)定律，水在非飽和黃土中的運(yùn)移不是飽和流。非飽和流動(dòng)與飽和流動(dòng)之間存在明顯的差異：1)當(dāng)土壤一定時(shí)，飽和導(dǎo)水率一般為一常數(shù)，非飽和導(dǎo)水率卻并非常數(shù)，而是非飽和帶含水率或土壤基質(zhì)吸力的函數(shù)；2)土壤中粗大的孔隙無疑是飽和水流良好的通道，而在非飽和流中，當(dāng)土壤水吸力增高到一定值時(shí)，大孔隙水一旦被抽空，則成為不導(dǎo)水的孔隙，土壤導(dǎo)水率急劇下降；3)在整個(gè)非飽和帶地層中，在同一時(shí)刻水分有上行、下移的不同情況存在，且不同截面上水通量并不相等。這是不同于飽和水的重要現(xiàn)象。4濕潤(rùn)鋒面入滲理論濕潤(rùn)鋒面入滲理論自bodman和coleman于20世紀(jì)40年代中期提出之后，一直是解釋入滲水在土壤剖面上分

15、布規(guī)律的常用理論。該理論認(rèn)為，只要補(bǔ)給充足，在入滲的任何時(shí)刻(入滲水到達(dá)潛水面以前)檢查剖面都可以見到：地表數(shù)毫米至1cm左右的飽和層，中部處于飽和非飽和狀態(tài)的傳導(dǎo)層以及最下部的濕潤(rùn)層。濕潤(rùn)層的最前端為一干、濕交界的鋒面，稱作濕潤(rùn)鋒。在濕潤(rùn)鋒處，往往水停滯不前，只有當(dāng)水積蓄到接近飽和時(shí)，濕潤(rùn)鋒才驟然向前推進(jìn)一步，然后又停滯下來繼續(xù)聚水，,過一段時(shí)間再推進(jìn)一步，如脈沖一樣，跳躍式前進(jìn)。但是，眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該理論的描述不一樣。通過大量的入滲模擬試驗(yàn)表明入滲現(xiàn)象與濕潤(rùn)鋒面入滲理論不吻合，入滲水的下移不是齊頭并進(jìn)的，而是沿土體中的大孔隙呈現(xiàn)捷徑式的優(yōu)先入滲方式。這就是近年來興起的非飽和水運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)流

16、理論。優(yōu)勢(shì)流理論認(rèn)為，非飽和帶在整個(gè)入流邊界上接受補(bǔ)給，如果補(bǔ)給充分，水分就會(huì)通過少部分阻力小的大通道作快速運(yùn)移，并且認(rèn)為這種現(xiàn)象不是個(gè)別現(xiàn)象，而是自然界普遍存在的客觀規(guī)律。3.2 土壤水勢(shì)的熱力學(xué)基礎(chǔ) 熱力學(xué)是研究一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的變化與環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ) 土壤水和自然界其他物質(zhì)一樣，不論其處于何種狀態(tài)，都具有一定的內(nèi)能(u)，并因其所處狀態(tài)而不同。系統(tǒng)在變化過程中所做的功（w）可分為兩大類，一類稱為體積功，即因體積漲縮所做的功；另一類稱為非體積功，即各種機(jī)械功。其中體積功等于外部壓力（p）和體積變化（dv）的乘積。因此，系統(tǒng)內(nèi)能的變化可用下式表示： （3-1） 式中：du為系統(tǒng)內(nèi)能u的變化； dq

17、為投入到系統(tǒng)中的熱； pdv為系統(tǒng)所做的體積功； dw為系統(tǒng)對(duì)其周圍所做的非體積功。熱力學(xué)第二定律為第一定律之補(bǔ)充，指明孤立系統(tǒng)中變化的方向永遠(yuǎn)趨于平衡，其基本點(diǎn)是在自發(fā)過程中，熱只能從高溫狀態(tài)向低溫狀態(tài)變化。根據(jù)熱力學(xué)有關(guān)熵的定義，上式dq可用系統(tǒng)的熵變值（ds）表示。系統(tǒng)在絕對(duì)溫度t時(shí)，由于吸收了熱量dq，而使其熵有所變化。絕對(duì)溫度t（永遠(yuǎn)是正值）和熵s的關(guān)系可用下式表示： （對(duì)可逆過程） (3-2)將（3-2）式代入（3-1）式可得： （3-3）考慮到，土壤是一種獨(dú)立的自然體，因此在這一意義上它是一定的熱力學(xué)系統(tǒng)。將上式（3-3）引入土壤水分力能學(xué)研究，其物理涵義有：（1） 自由流動(dòng)的純

18、水一旦和土壤接觸，可產(chǎn)生熱量交換，因而內(nèi)能增加，其值為tds；（2） 因受土粒吸附引起體積變化（dv）而做功，因而造成內(nèi)能有所損失，其值為pdv；（3） 純水和作為環(huán)境的土壤，還有其非體積功的變換而引起內(nèi)能的變化，其值為dw。 所以，式（3-3）表達(dá)了自由流動(dòng)的純水和土壤接觸變?yōu)橥寥浪螅寥浪c純水的內(nèi)能差值。式中未包括水分組成與重力場(chǎng)的變化。將式（3-3）移項(xiàng)改寫為： （3-4）將式（3-4）兩端各加上 即: (3-5)式 (3-5)中，u + pv ts為吉氏（gibbs）函數(shù)，也稱為吉氏自由能g u + pv ts，或稱等溫等壓位。由此可得出土壤水吉氏自由能的微分方程為： （3-6）

19、經(jīng)典熱力學(xué)主要研究平衡狀態(tài)和可逆過程；但是在自然界平衡狀態(tài)很少出現(xiàn)，自發(fā)過程是趨于不可逆的。為了便于理解土水勢(shì)之源于熱力學(xué)的普遍規(guī)律，可通過對(duì)非體積功與吉氏自由能的關(guān)系加以解釋。在式（3-6）中，dw為系統(tǒng)對(duì)環(huán)境所做的非體積功。那么dw - dw則是環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所做的非體積功。若將土壤水視為系統(tǒng)，土壤視為環(huán)境，那么環(huán)境（土壤）對(duì)系統(tǒng)（水分）所做的功由三部分組成，即重力所做之功dwg；土壤對(duì)水分之吸持力所做之功dwm；以及由于滲透壓力對(duì)水分所做之功dws。這樣式（3-6）可改寫為： （3-7）在式（3-7）中，右端第一項(xiàng)（vdp）代表因壓力變化而引起的自由能增量，在土水勢(shì)中稱應(yīng)力勢(shì)，p；相應(yīng)的第二

20、項(xiàng)為溫度勢(shì)，t；第三項(xiàng)為溶質(zhì)勢(shì)，s；第四項(xiàng)為基質(zhì)勢(shì)，m；最后一項(xiàng)為重力勢(shì)，g。這樣，總的土水勢(shì)為上述五個(gè)分勢(shì)之和，即 （3-8）以上所述即為土水勢(shì)的熱力學(xué)基礎(chǔ)。3.3 土水勢(shì)的分勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)下的土水勢(shì)為零，將單位數(shù)量的土壤水分從標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)移動(dòng)或改變到所論土壤水狀態(tài)時(shí)，如果環(huán)境對(duì)土壤水做了功，則該狀態(tài)下的土水勢(shì)為正；若土壤水對(duì)環(huán)境做了功，則該狀態(tài)下的土水勢(shì)為負(fù)。在數(shù)值上，土水勢(shì)的值與所做的功的值相等。也可以從相反的方向移動(dòng)土壤水所做的功來定義土水勢(shì)：將單位數(shù)量的土壤水從某一狀態(tài)移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)時(shí)，如果環(huán)境對(duì)土壤水做功，該狀態(tài)下的土水勢(shì)為負(fù)值；若土壤水對(duì)環(huán)境做功，則該狀態(tài)下的土水勢(shì)為正值。這

21、兩種定義的結(jié)果是完全一致的，因此可取其中任一種。以下將對(duì)土壤水的土水勢(shì)各分勢(shì)分別進(jìn)行討論。1 重力勢(shì)g重力勢(shì)是由于重力場(chǎng)的存在而引起的，它決定于所論土壤水的高度或垂直位置。一般是以地下水位或地表為參比零位。所以重力勢(shì)可以永遠(yuǎn)當(dāng)成是正值或零。將單位數(shù)量的土壤水分從某一點(diǎn)移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)平面處，而其他各項(xiàng)均維持不變時(shí)，土壤水所做的功即為該點(diǎn)土壤水的重力勢(shì)。當(dāng)垂直坐標(biāo)選定后，土壤中坐標(biāo)為z，質(zhì)量為m的土壤水所具有的重力勢(shì)eg為： eg mgz （3-10）由上式可知單位質(zhì)量土壤水的重力勢(shì)為： g gz (3-11)也即是只要基準(zhǔn)面確定，就可確定相應(yīng)的重力勢(shì)。2 壓力勢(shì)p壓力勢(shì)是由于壓力場(chǎng)中壓力差的

22、存在而引起的。所定義的標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)下的壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓或當(dāng)?shù)卮髿鈮?。若土壤中任一點(diǎn)的土壤水分所受壓力不同于參考狀態(tài)下的大氣壓，則說該點(diǎn)存在一個(gè)附加壓強(qiáng)p。單位數(shù)量的土壤水分由該點(diǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)，其他各項(xiàng)維持不變，僅由于附加壓強(qiáng)的存在土壤水分所做的功稱為該點(diǎn)的應(yīng)力勢(shì)。當(dāng)土壤水分的體積為v，壓力差或附加壓強(qiáng)為p的土壤水分的壓力勢(shì)ep為： ep vp （3-12）對(duì)于飽和土壤水，地下水面以下深度h處的附加壓強(qiáng)為wgh。因此，該點(diǎn)單位質(zhì)量土壤水分的壓力勢(shì)為 p gh （3-13）單位容積土壤水分的壓力勢(shì)為 p wgh （3-14）單位重量土壤水分的壓力勢(shì)為 p h （3-15）所以對(duì)于飽和土壤水，其

23、壓力勢(shì)p0。對(duì)于非飽和土壤水，考慮到通氣孔隙的連通性，各點(diǎn)所承受的壓力均為大氣壓，故各點(diǎn)附加壓強(qiáng)為零，因而，各點(diǎn)壓力勢(shì)p0。當(dāng)非飽和土壤中存在有閉塞的未充水孔隙時(shí)，其中與土壤水相平衡的氣壓可能不同于大氣壓，由此產(chǎn)生的壓力勢(shì)稱為氣壓勢(shì)，閉塞氣泡及相應(yīng)氣壓勢(shì)的存在，對(duì)土壤水分狀況有一定的影響，值得進(jìn)一步研究。不過，目前研究土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)一般都沒有考慮此項(xiàng)。另外，在實(shí)驗(yàn)室的條件下，將非飽和土樣置于氣壓高于大氣壓的密閉容器中時(shí)，土壤水具有正的壓力勢(shì)。3 基質(zhì)勢(shì)m土壤水的基質(zhì)勢(shì)是由于土壤基質(zhì)對(duì)土壤水分的吸持作用引起的。土體中的吸力由基質(zhì)吸力和滲透吸力組成，在非飽和土中，收縮膜承受大于水壓力uw的空氣壓力

24、ua，壓力差（uauw）稱為基質(zhì)吸力，土壤基質(zhì)對(duì)土壤水分吸持的機(jī)理非常復(fù)雜，但可概括為吸附作用和毛管作用。參考狀態(tài)是以自由水為標(biāo)準(zhǔn)的，自由水不含有土壤基質(zhì)的作用。單位數(shù)量的土壤水分由非飽和土壤中的一點(diǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)，除了土壤基質(zhì)作用外其他各項(xiàng)維持不變，則土壤所做的功即為該點(diǎn)土壤水分的基質(zhì)勢(shì)。所做的功實(shí)際為負(fù)值，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)上述移動(dòng)時(shí)，為了反抗土壤基質(zhì)的吸持作用必須對(duì)土壤水做功。由此可知非飽和土壤水的基質(zhì)勢(shì)永遠(yuǎn)為負(fù)值，即m0；飽和土壤水的基質(zhì)勢(shì)m0。土壤基質(zhì)對(duì)水分吸持作用的大小與土壤中所含水量的多少有關(guān)，因此，非飽和土壤水的基質(zhì)勢(shì)m是土壤含水率的函數(shù)。由于土壤基質(zhì)對(duì)水分吸持作用的復(fù)雜性，目前還不能

25、從理論上導(dǎo)出基質(zhì)勢(shì)的定量關(guān)系，只能在田間或在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。4 溶質(zhì)勢(shì)s溶質(zhì)勢(shì)是土壤溶液中所有形式的溶質(zhì)對(duì)土壤水分的綜合作用。由于參考狀態(tài)是以不含有溶質(zhì)的純水作為標(biāo)準(zhǔn)的，當(dāng)土壤中任一點(diǎn)的土壤水含有溶質(zhì)時(shí)，該點(diǎn)土壤水分便具有一定的溶質(zhì)勢(shì)。單位數(shù)量的水分從土壤中一點(diǎn)移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)時(shí)，其他各項(xiàng)維持不變，僅由于土壤水溶液中溶質(zhì)的作用，土壤水所做的功即為該點(diǎn)土壤水分的溶質(zhì)勢(shì)。土壤水溶液中的溶質(zhì)對(duì)水分子有吸引力，實(shí)施上述移動(dòng)時(shí)必須克服這種吸持作用對(duì)土壤水做功，因此，溶質(zhì)勢(shì)亦為負(fù)值，即s0。5 溫度勢(shì)t 溫度勢(shì)由于溫度場(chǎng)的溫差所引起的。土壤中任一點(diǎn)土壤水分的溫度勢(shì)由該點(diǎn)的溫度與標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)的溫度之差所

26、決定土壤水勢(shì)中溫度勢(shì)的確定及其在土壤水分析中的應(yīng)用，是一個(gè)還需進(jìn)一步研究的課題。通常認(rèn)為，由于溫差的存在而造成的土壤水分運(yùn)動(dòng)通量相對(duì)而言是很小的，所以在分析土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度勢(shì)的作用常被忽略。土壤中溫度的分布和變化對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響是多方面的，有些大大超過了溫度勢(shì)的本身的作用。例如，通過溫度對(duì)水的物理化學(xué)性質(zhì)（如粘滯性、表面張力及滲透壓等）的影響，從而影響到基質(zhì)勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)的大小及土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)。溫度狀況還決定著水的相變。另一方面，土壤中的水分狀況在很大程度上決定著土壤的熱特性參數(shù)；水的相變?nèi)绻l(fā)生，則成為熱量平衡中的一個(gè)重要因素。因此，實(shí)際問題中，更為重要的是土壤中水熱遷移的互相交叉和耦

27、合的影響。6 總水勢(shì)總的土水勢(shì)為上述五個(gè)分勢(shì)之和，即3.4 土壤水動(dòng)力學(xué)基本方程土壤水的運(yùn)動(dòng)主要是指液態(tài)的流動(dòng)。在一定條件下，土壤水也可以氣態(tài)形式流動(dòng)。液態(tài)水的流動(dòng)可以在飽和狀態(tài)下流動(dòng)，也可以在非飽和狀態(tài)下流動(dòng)。黃土高原廣大地區(qū)，除地下水埋藏深度淺的河谷盆地，且具有灌溉條件的地區(qū)之外，由于地下水埋藏很深，地下水不參與土壤水循環(huán)與平衡過程，在大多數(shù)情況下土壤多處于非飽和狀態(tài)，特別是在旱作條件下，土壤水的運(yùn)動(dòng)則純屬非飽和流問題。尤其對(duì)于壓實(shí)黃土路基中的水更屬于非飽和流問題。飽和流和非飽和流各具自身的特點(diǎn)。就水分流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力而言，飽和流為重力勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度；而非飽和流的驅(qū)動(dòng)力為基質(zhì)勢(shì)梯度和重力勢(shì)

28、梯度。就導(dǎo)水率而言，飽和流的導(dǎo)水率為一常數(shù)，而非飽和流的導(dǎo)水率則是基質(zhì)勢(shì)和含水量的函數(shù)。盡管非飽和流和飽和流之間存在著差異，但就水流而言，它們都服從于達(dá)西定律。1 非飽和土壤水流動(dòng)的達(dá)西定律處于非飽和狀態(tài)下的土壤水和飽和土壤水一樣，也遵循熱力學(xué)第二定律，水分從水勢(shì)高處自發(fā)的向水勢(shì)低處運(yùn)動(dòng)。一般認(rèn)為，適用于飽和水流動(dòng)的達(dá)西定律在很多情況下也同樣適用于非飽和土壤水分流動(dòng)。最早將達(dá)西定律引入非飽和土壤水流動(dòng)的是richards(1931)。非飽和流動(dòng)的達(dá)西定律可表示為： q = - k(m) 或 q = - k() （3-16）雖然上式的形式與飽和流動(dòng)的達(dá)西定律相同，但水勢(shì)和導(dǎo)水率卻有不同的含義和特

29、點(diǎn)。首先，飽和土壤水和非飽和土壤水的運(yùn)動(dòng)盡管都是由于水勢(shì)差的存在而引起的，但對(duì)于飽和土壤水，任一點(diǎn)的土水勢(shì)包括重力勢(shì)g和壓力勢(shì)p，它們分別由該點(diǎn)相對(duì)參考平面的高度和地下水面以下的深度來確定。對(duì)于飽和土壤水，習(xí)慣上用水頭h表示水勢(shì)，即總水頭等于位置水頭和壓力水頭之和，水由總水頭高處向總水頭低處流動(dòng)。對(duì)于非飽和土壤水，當(dāng)無須專門考慮溶質(zhì)勢(shì)s、溫度勢(shì)t以及氣壓勢(shì)時(shí)，任一點(diǎn)的土水勢(shì)只包括重力勢(shì)g和基質(zhì)勢(shì)m。若以單位的重量的土壤水計(jì)，水勢(shì)單位用水頭表示，那么，非飽和土壤水的總水頭就等于位置水頭和基質(zhì)勢(shì)水頭（或稱負(fù)壓水頭）之和。前者取決于相對(duì)參考平面的高度，后者取決于土壤的干濕程度。對(duì)于非飽和土壤水，不能

30、籠統(tǒng)的說水由位置高處流向位置低處，或水由濕處移向干處，流動(dòng)遵循的唯一原則是自土水勢(shì)高處向土水勢(shì)低處運(yùn)移。其次，非飽和土壤水流動(dòng)和飽和土壤水流動(dòng)的另一重要區(qū)別在于導(dǎo)水率。當(dāng)土壤處于飽和狀態(tài)時(shí)，全部孔隙都充滿了水，因而具有較高的導(dǎo)水率值，且為常數(shù)。非飽和土壤的導(dǎo)水率k又稱為水力傳導(dǎo)度，由于土壤中部分孔隙為氣體所填充，故其值低于該土壤的飽和導(dǎo)水率。不僅如此，非飽和土壤水的導(dǎo)水率k還是土壤水基質(zhì)勢(shì)或含水率的函數(shù)，記為k(m) 或k()。2 非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)基本方程達(dá)西定律是多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)所應(yīng)滿足的方程。質(zhì)量守恒是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化普遍遵循的原理，將質(zhì)量守恒原理具體應(yīng)用在多孔介質(zhì)中的流體運(yùn)動(dòng)即為連續(xù)方程

31、。達(dá)西定律和連續(xù)方程相結(jié)合便導(dǎo)出了描述土壤水分運(yùn)動(dòng)的基本方程。研究只限于固相骨架不變形的多孔介質(zhì)。設(shè)在土壤水分流動(dòng)的空間內(nèi)任取一點(diǎn)（x、y、z），并以該點(diǎn)為中心取無限小的一個(gè)平行六面體。六面體的邊長(zhǎng)分別為x、y、z，且和相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行，如圖所示： 圖3-1 直角坐標(biāo)系中的單元體現(xiàn)分析自t至t+t時(shí)間內(nèi)單元體的水體質(zhì)量守恒問題。設(shè)單元體中心土壤水分運(yùn)動(dòng)通量在三個(gè)方向上的分量分別為qx、qy、qz，水的密度為。取平行于坐標(biāo)平面yoz的二個(gè)側(cè)面abcd和abcd，其面積為yz。自左邊界面abcd流入的土壤水分通量為，在t時(shí)間內(nèi)由此界面流入單元體內(nèi)的土壤水質(zhì)量為：， 自右邊界面abcd流出的土壤水分

32、通量為，在t時(shí)間內(nèi)由此界面流出單元體的土壤水質(zhì)量為： ，因此，沿x軸方向流入單元體和流出單元體的土壤水分質(zhì)量之差為，同理，可以寫出沿y軸方向和沿z 軸方向流入單元體和流出單元體的土壤水分質(zhì)量之差 ， ，這樣，在時(shí)間內(nèi)，流入和流出單元體的土壤水分質(zhì)量差總計(jì)為 在單元體內(nèi)，土壤水分的質(zhì)量為，如前為體積含水率。由于固相骨架不變形，即x、y、z不隨時(shí)間改變。根據(jù)質(zhì)量守恒原理的物理意義，在單位時(shí)間內(nèi)凈入流量（或凈出流量）必與同一單位時(shí)間內(nèi)土體內(nèi)變化的含水量相等。因此，時(shí)間內(nèi)單元體內(nèi)土壤水分質(zhì)量的變化量為，單元體內(nèi)土壤水分質(zhì)量的變化，是由流入單元體和流出單元體的水分質(zhì)量之差造成的。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，兩者在數(shù)值上是相等的，由此可得出土壤水分運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程為： （3-17）或表示成 （3-18）或記為，稱為（）的散度。