農(nóng)田水利學(xué)PPT課件

1、第一節(jié) 農(nóng)田水分狀況 一、基本概念 二、旱作地區(qū)的農(nóng)田水分狀況 三、水稻地區(qū)的農(nóng)田水分狀況 四、農(nóng)田水分狀況的調(diào)節(jié)措施 第1頁/共68頁 1 農(nóng)田水分存在的形式 2 土壤水勢 3 土壤含水率 4 土壤水分特征曲線 一、基本概念 第2頁/共68頁一、基本概念地面水土壤水地下水汽態(tài)水吸著水毛管水重力水吸濕水薄膜水上升毛管水懸著毛管水1、農(nóng)田水分存在的形式第3頁/共68頁1、土壤比重（Soil specific gravity）2、土壤容重（Bulk density）3、土壤孔隙度（porosity）4、飽和度（Saturation）土壤物理性質(zhì) 5、濕潤度（Wettability）6、界面張力（I

2、nterfacial tension）7、毛管力8、殘余飽和度（Residual saturation）第4頁/共68頁1、土壤比重（Soil specific gravity） 土壤比重為單位體積的土壤固體物質(zhì)重量與同體積水的重量之比。 一般土壤平均比重為2.65（2.6-2.7）左右。第5頁/共68頁2、土壤容重（Bulk density） 土壤容重為單位原狀土壤體積的烘干土重g/cm3。第6頁/共68頁3、土壤孔隙度（porosity） 單位原狀土壤體積中土壤孔隙體積所占的百分率: 總孔隙度=(1容重/比重) 100%第7頁/共68頁4、飽和度（Saturation） 流體體積與多孔介質(zhì)

3、總體積之比稱為該流體的飽和度。tieVVS第8頁/共68頁5、界面張力（Interfacial tension） 某種流體的內(nèi)在吸引力和流體表面所接觸的另一流體的分子吸引力不同，界面上分子引力因不連續(xù)而導(dǎo)致的引力差。第9頁/共68頁6、濕潤度（Wettability） 當(dāng)兩種非混合流體接觸同一固體表面的情況下，必然有一種流體相比另外一種流體更容易的覆蓋在固體的表面。這種于固體表面覆蓋的難易程度稱為濕潤度。第10頁/共68頁7、毛管力 水于非飽和土壤中流動的主要驅(qū)動力。第11頁/共68頁一、基本概念 2、土壤水勢 （Soil Water Potential） 衡量土壤水能量的指標(biāo)，是在土壤和水的

4、平衡系統(tǒng)中，單位數(shù)量的水在恒溫條件下，移動到參照狀況的純自由水體所能做的功。第12頁/共68頁一、基本概念 w=m + s + g + T總水勢 （Total Potential） 土壤水的總勢能基質(zhì)勢 （Matric Potential）土壤基質(zhì)的吸附力和毛管力所引起的水勢 滲透勢 （Osmotic Potential） 土壤水分中的溶質(zhì)所引起的水勢 重力勢（Gravitational Potential）重力引起的土壤水勢 土壤水勢 溫度勢：溫度引起的土壤水勢 第13頁/共68頁Soil Water Potential第14頁/共68頁第15頁/共68頁一、基本概念 3、土壤含水率 （So

5、il water content） 一定量的土壤中所含水分的數(shù)量 （1）土壤重量含水率（Mass Water Content） =實際水重/烘干土重100(%) （2）土壤容積含水率（Volumetric Water Content） =水分容積/土壤容積100(%) =土壤重量含水率(%)土壤容重 第16頁/共68頁HAW例如，0.8m濕潤層中，懸著毛管水體積含水率為30%，則單位面積的含水量為： mmmmW24024. 03 . 08 . 0HAW（c）體積含水量和重量含水量之間的關(guān)系：（d）單位之間的轉(zhuǎn)換(舉例說明) （b）根據(jù)土壤重量含水率計算壤含水量的方法為： 1m3/畝= 1m3/

6、667m2=1/667m=1/667x1000mm=1.5mm一、基本概念 （a）根據(jù)土壤體積含水率計算土壤含水量的方法為： 第17頁/共68頁土壤水分常數(shù) 吸濕系數(shù)(Hygroscopic Coefficient): 吸濕水達到最大時的土壤含水率 最大分子持水率： 薄膜水達到最大時的土壤含水率 凋萎系數(shù)（Wilting Point）： 作物產(chǎn)生永久凋萎時的土壤含水率 田間持水率（Field Capacity）： 懸著毛管水達到最大時的土壤含水率 飽和含水率（Saturation）： 所有土壤孔隙都為水所充滿時的土壤含水率 一、基本概念 第18頁/共68頁土壤水分的有效性土壤水分的有效性汽態(tài)水

7、吸著水無效水毛管水有效水重力水過剩水土壤水一、基本概念 第19頁/共68頁第20頁/共68頁Available Water ContentAvailable water content (AWC)=FC-WP Loam, 23% water (in H2O/in soil) at field capacity-7% water at wilting point=16% available water content (or 0.16 in H2O/in soil) In coarse soils (sand, gravel AWC) : Sand, 10% water (in H2O/in s

8、oil) at field capacity 2% water at wilting point=8% available water content (or 0.08” H2O/in soil)第21頁/共68頁Sand at field capacitySand at wilting pointLoam at field capacityLoam at wilting pointAvailable Water Content第22頁/共68頁Available Water ContentSand16%8%24%32%40%Sandy LoamSilt LoamLoamClay LoamCl

9、ayVolumetric Soil Water Content, %Plant Unavailable waterPlant available water第23頁/共68頁一、基本概念 關(guān)于土壤水分的幾點補充 水分的形態(tài)是變化的,可以互相轉(zhuǎn)化的 土壤水分的有效性是從作物能否直接吸收而言,是相對的 田間持水率通常以灌水兩天后土壤所能保持的含水率表示，國外一般以灌水24小時后的土壤含水率表示第24頁/共68頁一、基本概念 4、土壤水分特征曲線 （Soil water characteristic curves） 土壤水分特征曲線有滯后現(xiàn)象 0200400600800100012002040土壤負(fù)

10、壓-h(cm)含水率(%)粘土壤土砂土表示土壤負(fù)壓（基質(zhì)勢）與土壤含水率關(guān)系的曲線 土質(zhì)不同，土壤水分特征曲線不同，或者說土壤水分特征曲線反映了不同土質(zhì)的水力特性 第25頁/共68頁二、旱作地區(qū)農(nóng)田水分狀況 1、幾個概念 2、旱作對農(nóng)田水分狀況的要求 3、不同條件下地面水、地下水、土壤水的轉(zhuǎn)化第26頁/共68頁旱作地區(qū)農(nóng)田水分狀況1、幾個概念干旱（Drought）： 根系吸水不足，植物體水分平衡破壞 大氣干旱 土壤干旱 澇（Waterlogging）： 旱地地面積水超過作物耐淹時間或耐淹深度 漬：土壤水分超過田間持水率，影響土壤通氣 第27頁/共68頁旱作地區(qū)農(nóng)田水分狀況 2、旱作物對農(nóng)田水分

11、狀況的要求地面一般不允許有積水地下水一般不允許上升至根系層內(nèi)根系層允許最大含水率不超過田間持水率，最小含水率不小于凋萎系數(shù)鹽堿土地區(qū)，土壤水溶液濃度不能超過允許最高值第28頁/共68頁旱作地區(qū)農(nóng)田水分狀況 3、地面水、地下水、土壤水的轉(zhuǎn)化地下水位埋深較大，上層土壤干燥時，降雨（或灌溉）入滲對土壤水的補給及降雨（灌水）停止后土壤水分變化過程04080120160200土層深度（cm）含水率（%）飽和含水率田間持水率第29頁/共68頁旱作地區(qū)農(nóng)田水分狀況地下水位埋深較小時，降雨入滲對土壤水的補給及降雨停止后地下水及土壤水分變化過程04080120160200深度z（cm）含水率（%）0408012

12、0160200深度z（cm）含水率（%）田間持水率田間持水率飽和含水率飽和含水率第30頁/共68頁三、水稻地區(qū)的農(nóng)田水分狀況 田面要有適宜的淹灌水層 地下水位維持適宜的深度 維持適宜的滲漏強度水稻對農(nóng)田水分狀況的要求第31頁/共68頁四、農(nóng)田水分狀況的調(diào)節(jié)措施 1、農(nóng)田水分過多或不足的原因2、調(diào)節(jié)措施第32頁/共68頁一、土壤水運動的研究概況 二、土壤水運動的基本方程 三、入滲條件下的土壤水分運動 四、蒸發(fā)條件下土壤水運動 第二節(jié) 土壤水分運動 第33頁/共68頁二、土壤水運動的基本方程達西定律 質(zhì)量守恒原理第34頁/共68頁zvxvyvdydzdxdyyvvyy微小土體內(nèi)土壤水運動z y x

13、 dxxvvxxdzzvvzz第35頁/共68頁zvxvyvdydzdxz y x dxdzdtvydydzdtxvdydxdtvzdydxdtvdxdzdtvdydzdtvmzyxi流入單元體的質(zhì)量質(zhì)量守恒原理第36頁/共68頁流出單元體的質(zhì)量dydxdtdzzvvdxdzdtdyyvvdydzdtdxxvvmzzyyxxo)()()(質(zhì)量守恒原理dydzdxdyyvvyyz y x dxxvvxxdzzvvzzdydzdtdxxvvxx)(dydxdtdzzvvzz)(dxdzdtdyyvvyy)(第37頁/共68頁dydxdtvdxdzdtvdydzdtvmzyxidydxdtdzzvv

14、dxdzdtdyyvvdydzdtdxxvvmzzyyxxo)()()(dxdydzdtzvyvxvmmmzyxoi)(1流入和流出單元體的質(zhì)量差流入流出質(zhì)量差質(zhì)量守恒原理第38頁/共68頁dxdydzdttm2微小單元體內(nèi)質(zhì)量變化tt+dt質(zhì)量守恒原理第39頁/共68頁)(zvyvxvtzyx質(zhì)量守恒原理21mmdxdydzdtzvyvxvmzyx)(1dxdydzdttm2質(zhì)量守恒原理第40頁/共68頁達 西 定 律(Darcys Law)xKvx)(yKvy)(zKvz)(第41頁/共68頁水力傳導(dǎo)度(Hydraulic Conductivity)單位水頭差作用下，單位斷面積上流過的水流

15、通量。nssKK)()(bhahKn|)(chseKhK)(飽和土壤中，也叫滲透系數(shù)飽和土壤中，土壤含水率或土壤基質(zhì)勢的函數(shù) 第42頁/共68頁)(zvyvxvtzyxRichards方程根據(jù)達西定律有：1,zhzyhyxhxzKzhKzyhKyxhKxt)()()()(zh而土壤總水勢xKvx)(zKzyKyxKxt)()()(第43頁/共68頁zhzhyhyhxhxh,hKD)()(zKzhKzyhKyxhKxt)()()()(zKzDzyDyxDxt)()()()(以含水率為變量的基本方程定義擴散度：單位含水率梯度下，通過單位面積的土壤水流量第44頁/共68頁xhhKxKvx)()(yh

16、hKyKvy)()()1)()(zhhKzKvz達西定律：以基質(zhì)勢h為變量的基本方程第45頁/共68頁thhtzhKzhhKzyhhKyxhhKxt)()()()(zhKzhhKzyhhKyxhhKxthhC)()()()()(以基質(zhì)勢h為變量的基本方程hhC)(定義容水度：壓力水頭下降一個單位時，單位體積土壤釋放出來的水體積第46頁/共68頁不同形式的土壤水運動方程的適用條件 以含水率為變量的基本方程：1）均質(zhì)土壤 2）全剖面為非飽和流動以基質(zhì)勢h為變量的基本方程：1）層狀土壤 2）飽和-非飽和流 第47頁/共68頁基本方程求解 解析解 數(shù)值解SWMS-2D Hydrus-2D第48頁/共6

17、8頁土壤水分運動的兩種形態(tài)入滲（Infiltration）蒸發(fā)（Evaporation）第49頁/共68頁入滲（Infiltration）蒸發(fā)（Evaporation）土壤水分運動的兩種形態(tài)第50頁/共68頁入滲條件下土壤水分運動 入滲現(xiàn)象 入滲條件下需要求解的問題 入滲條件下土壤水分運動方程的求解 入滲速度的計算第51頁/共68頁入滲條件下需要求解 的問題Maximum rate water is absorbed by the soilInfiltration occurring at less than capacity 入滲總水量 土壤含水率的分布 入滲能力（Infiltration

18、Capacity） 入滲速度（Infiltration Rate）第52頁/共68頁土壤的入滲強度降雨強度，灌水方式和強度土壤的滲水性能 入滲能力（Infiltration Capacity） 入滲速度（Infiltration Rate）第53頁/共68頁Changes in Infiltration Capacity Over Time (Horton, 1933) TimeInfiltration Capacity第54頁/共68頁Factors Affecting Infiltration Capacity Soil Compaction Slope Cracks Cultivation Vegetation Soil Moisture Temperature Soil Porosity Crusting Soil Type 第55頁/共68頁蒸發(fā)條件下土壤水分運動 土壤蒸發(fā)過程及影響因素 地下水埋深較大，表土迅速風(fēng)干時的蒸發(fā) 降雨或灌水后地下水迅速下降時的蒸發(fā) 地下水保持不變時的穩(wěn)定蒸發(fā)（入滲）第56頁/共68頁表土蒸發(fā)與土壤含水率關(guān)系外界蒸發(fā)能力土壤輸水能力表土蒸發(fā)及其影響因素1.00.5c 含水率(%)0000,ba00/,第57頁/共6