水文學(xué)原理（全套課件下111P）

第五章土壤水土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)及“三相關(guān)系”土壤水的存在形式土壤水的能量狀態(tài)土壤水運動的控制方程第一節(jié)土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)(SoiltextureandStructure)1、土壤的質(zhì)地(Soiltexture)

土壤：陸地表面由礦物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)、水、空氣和生物組成，具 有肥力，能生長植物的未固結(jié)層。

礦物質(zhì)： 土壤礦物質(zhì)是巖 石經(jīng)過風(fēng)化作用形 成的不同大小的礦 物顆粒(砂粒、土粒 和膠粒)。土壤礦物 質(zhì)種類很多，化學(xué) 組成復(fù)雜，它直接 影響土壤的物理、 化學(xué)性質(zhì)，是作物 養(yǎng)分的重要來源。1、土壤的質(zhì)地(Soiltexture)

指土壤中所含的團(tuán)體顆粒(solidparticles)的大小,即粒徑 大小(thesizeofsoilparticles)；定性、定量特性。 定性（qualitative):粗糙的感覺，細(xì)膩的感覺。 定量(quantitative):指土壤中各種不同粒徑的固體顆粒的 組成比例。第一節(jié)土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)(SoiltextureandStructure)第一節(jié)土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)(SoiltextureandStructure)1、土壤的質(zhì)地(Soiltexture)

一般將土壤中的固體顆粒的粒徑分成三種粒徑范圍： 砂粒（sand)、粉粒(silt)和粘粒（clay).

現(xiàn)在還沒有公認(rèn)的粒組或粒級的分類標(biāo)準(zhǔn)，但有兩種可 以接受的分類方法（美國農(nóng)業(yè)部、國際土壤學(xué)會）淤泥膠質(zhì)物

目前所使用的土壤名稱基本上都是根據(jù)土壤中的砂粒、粉粒和粘粒的比重來命名的。土壤質(zhì)地三角形（soiltexturaltriangle)就是確定土壤名稱的工作圖。例題：砂粒：40％粉粒：40％粘粒：20％壤土土壤質(zhì)地三角形2、土壤的結(jié)構(gòu)(SoilStructure)指土壤中固體顆粒的排列方式，排列方向和團(tuán)聚狀況，有時也指土壤中孔隙的幾何形狀及大小。2、土壤的結(jié)構(gòu)(SoilStructure)直到目前為止仍沒有一個測定和定量土壤結(jié)構(gòu)的實際方法。

團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是指近似球形，疏松多孔的小團(tuán)聚體，其直徑約為0.25-10mm。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上最理想的結(jié)構(gòu)。1、土壤的“三相”關(guān)系(threephasesofsoilsystem)土壤是一個“三相”共存的體系：固相(solidphase):固體顆粒(soilparticles)液相(liquidphase):孔隙中的水(waterinporesorvoids)氣相(gaseousphase)：空隙中的空氣(airinporesorvoids)第二節(jié)土壤中的“三相”關(guān)系(“Threephases”)土壤中“三相”關(guān)系概念圖f2、與土壤“三相”有關(guān)的土壤物理量1)2)3)4)

表示土壤中氣、液相比例的物理量孔隙度、孔隙比 表示土壤中固體比例的物理量 固體密度、干容重 表示土壤中液相比例的物理量 質(zhì)量含水率、容積含水率、飽和度 表示土壤中氣相比例的物理量充氣孔隙度ρb==ρs=MsVs固體密度：Ms

Vt

MsVs+Vw+Va干容重：與土壤“三相”有關(guān)的物理量：一般土壤ρs=2.6~2.7g/cm3

fa表示土壤中固相比例的物理量：==度：θs==與土壤“三相”有關(guān)的物理量：fb表示土壤中液相比例的物理量：wsM=M質(zhì)量含水率：ωVw

Vt

VwVs+Vf容積含水率：θ飽和VwVf

VwVw+Va一定要以百分比表示！ωρb

ρw三者關(guān)系：θ=f==充氣孔隙度：fa==與土壤“三相”有關(guān)的物理量：fc表示土壤中氣相比例的物理量：Vf

Vt

Va+VwVa+Vw+Vs孔隙度：孔隙比：Vf

Vs

VfVt?Vfe==Va

Vt

VaVs+Vw+Va一定要以百分比表示！第三節(jié)土壤水的存在形式(SoilWaterClassification)

存于包氣帶中的水稱為土壤水，指吸附于土壤顆粒和存在于土壤孔隙中的水。1、土壤水的定義(definitionofsoilwater)2、土壤水作用力(Forcesgoverningsoilwater)分子力(molecularforce)：土壤顆粒表面的分子對水分子的吸引力稱為分子力。毛管力(capillaryforce)：土壤中的毛管現(xiàn)象引起的力稱為毛管力。重力(gravitationalforce)：土壤中水分受到的地心引力稱為重力。3、土壤水分類(soilwaterclassification)

吸濕水(hygroscopicwater)：由分子力所吸附的水 分稱為吸濕水（31個大氣壓）。

被干燥土粒表面分子引力所強烈吸附的水分表現(xiàn)出固態(tài)水的性質(zhì)，沒有溶解能力，不能移動。3、土壤水分類(soilwaterclassification)薄膜水(filmwater)：由土粒剩余分子力所吸附在吸濕水層外的水膜稱為薄膜水（31—6.25個大氣壓）。3、土壤水分類(soilwaterclassification)

毛管水(capillarywater)：土壤孔隙中由毛管力所持 有的水分稱為毛管水。毛管上升水(Ascendingwaterincapillarytube)：地下水憑借毛管作用 上升進(jìn)入到土壤孔隙中。毛管懸著水(Suspendedwaterincapillarytube)：憑借毛管作用保持 在靠近地面土層中的水分。3、土壤水分類(soilwaterclassification)重力水(Gravitationalwater)：在重力作用下將沿土壤孔隙流動，這部分水稱為重力水。滲透重力水(Percolatinggravitationalwater)：在重力作用下，沿土壤中非毛管孔隙向下滲透的水。支持重力水(Sustainedgravitationalwater)：由地下水所支持而存在于毛管孔隙中的連續(xù)水體或由土層中相對不透水層阻止?jié)B透水繼續(xù)向下而形成的水體。4、土壤水分常數(shù)(soilwaterconstants)

某些特征條件下的土壤含水率，稱為土壤水分常數(shù)。 即對一定質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的土壤來說，各種類型的土壤均均存在一個可能的極限值，稱土壤水分常數(shù)。4、土壤水分常數(shù)(soilwaterconstants)最大吸濕量(hygroscopiccoefficient)：在飽和空氣中，土壤能夠吸附的最大水汽量稱為最大吸濕量。最大分子持水量(maximummolecularmoistureholdingcapacity)：由土粒分子力所結(jié)合的水分的最大量稱為最大分子持水量。

凋萎含水量(wiltingpoint)：植物根系無法從土壤中吸 收水分，開始凋萎，開始枯死時的土壤含水量稱為凋 萎含水量。毛管斷裂含水量(moisturecontentatcapillaryrupture)：毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開始斷裂時的含水量。田間持水量(fieldcapacity)：土壤中所能保持的最大毛管懸著水量。飽和含水量(soilmoisturecontentsaturation)：土壤中所有孔隙被水充滿時的土壤含水量。美國農(nóng)業(yè)部土壤類型田間持水量

3-3

cmcm凋萎含水量

3-3

cmcm有效孔隙率

3-3

cmcm砂土（Sand）0.080.030.43壤質(zhì)砂土（Loamysand）0.150.060.42砂質(zhì)壤土（Sandyloam）0.210.090.4粉砂壤土（Siltloam）0.320.120.46粉砂土（Silt）0.280.080.52壤土（Loam）0.290.140.43砂質(zhì)粘壤土（Sandyclayloam）0.270.170.39粉砂粘壤土（Siltyclayloam）0.360.210.48粘壤土（Clayloam）0.340.210.46砂質(zhì)粘土（Sandyclay）0.310.230.41粉砂粘土（Siltyclay）0.370.250.49粘土（Clay）0.360.270.474、土壤水分常數(shù)(soilwaterconstants)5、土壤水分常數(shù)的水文學(xué)意義(HydrologicalSignificanceofSoilWaterConstants)干燥最大吸濕量凋萎系數(shù)最大分子毛管斷裂田間 持水量含水量持水量

飽和含水量土壤水分常數(shù)

作用力(×104Pa)9800030414761.30.78作用力類型分子 力毛管 力重力土壤水類型吸濕水膜狀水毛管水重力水束縛水自由水≈05、土壤水分常數(shù)的水文學(xué)意義(HydrologicalSignificanceofSoilWaterConstants)干燥最大吸濕量凋萎系數(shù)最大分子毛管斷裂田間飽和 持水量含水量持水量含水量土壤水分常數(shù)下滲快緩慢穩(wěn)定蒸散發(fā)少隨θ增加 而增加蒸散發(fā) 能力稍大一些徑流產(chǎn)生地下徑流無地下徑流 可能產(chǎn)生地表徑流5、土壤水分常數(shù)的水文學(xué)意義(HydrologicalSignificanceofSoilWaterConstants)凋萎含水量(wiltingpoint)田間持水量(fieldcapacity)飽和含水量(soilmoisturecontentsaturation)第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)(EnergyStatusofSoilWater)1、土水勢(soilwaterpotential)——土壤水所具有的勢能，稱為土水勢。標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)：在大氣壓下，與土壤同溫度、具 有固定高度的一個假想純自由水面的儲水池。土水勢分析的關(guān)鍵點：（1）標(biāo)準(zhǔn)參照面的確定（2）正方向的確定第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)(EnergyStatusofSoilWater)1、土水勢(soilwaterpotential)（1）重力勢(gravitationalpotential)將一定數(shù)量的土壤水舉起就要克服重力做功，此即為重力勢。（2）壓力勢(pressurepotential)飽和土壤中任一深度處的水滴，因受到來自其上的水壓力的作用而具有的勢能稱為靜水壓力勢。（3）基模勢(Matricpotential)由分子力和毛管力引起的土水勢稱之和。

第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)

(EnergyStatusofSoilWater)1、土水勢(soilwaterpotential)

總勢：各種分勢的和勢。ψ=ψp+ψgψ=ψm+ψg飽和土壤非飽和土壤土壤水的運動方向總是從總勢大的地方指向總勢小的地方。當(dāng)土壤水總勢梯度不等于零時，土壤水就處于運動狀態(tài)；當(dāng)總勢梯度為零時，土壤水就處于靜止?fàn)顟B(tài)。土水勢

(cm)ABCDEF151515151515ψg71525353521ψp800000ψm00-10-20-20-6DE7cm

10cm 14cm C F 10cm B8cm A1、土水勢(soilwaterpotential)例題：有一“U”形土柱，一端浸泡在水槽中。水槽的水面保持 不變，假定土柱無蒸發(fā)，土柱內(nèi)也無土壤水運動。試確定土 柱中各點的基模勢。2、土壤水分特性曲線(Water-RetentionCharacteristics)脫水過程通常稱基模勢的負(fù)值為吸力ψ，即ψ＝－ψm吸力與土壤含水量的關(guān)系稱為土壤水分特性曲線。不同土壤質(zhì)地，其ψ－θ曲線是不同的；不同土壤結(jié)構(gòu)，其ψ－θ曲線也是不同的。1、飽和水流的達(dá)西公式(Flowinsaturatedsoil-DarcyEquation)第五節(jié)土壤水運動的控制方程2、非飽和水流的達(dá)西公式(Flowinunsaturatedsoil-DarcyEquation)3、非飽和水流運動的基本微分方程(Flowinunsaturatedsoil-ContinuityEquation)

第五節(jié)土壤水運動的控制方程1、飽和水流的達(dá)西公式(Flowinsaturatedsoil-DarcyEquation)?ψ

?xυ=?Ksυ=?Ks?ψ

飽和傳導(dǎo)率Ks與土壤含水量θ無關(guān)。

HenryDarcy (1803-1858)υ=?K(θ)

第五節(jié)土壤水運動的控 制方程2、非飽和水流的達(dá)西公式(Flowinunsaturatedsoil-DarcyEquation)

?ψ

?x

υ=?K(θ)?ψLorenzoA.Richards飽和傳導(dǎo)率K(θ)與土壤含水量θ有關(guān)。(1904-1993)三的方向公式形式相同。假定土壤各向同性，則三各方向K(θ)相同。第五節(jié)土壤水運動的控制方程3、非飽和水流運動的基本微分方程(Flowinunsaturatedsoil-ContinuityEquation)第五節(jié)土壤水運動的控制方程3、非飽和水流運動的基本微分方程(Flowinunsaturatedsoil-ContinuityEquation)第五節(jié)土壤水運動的控制方程++=??(ρwυz)

?z?(ρwυy)

?y?(θρw)

?t?(ρwυx)

?xxzy單位時間內(nèi)，流入控制體的水量-流出控制體的水量=控制體內(nèi)土壤水的改變量=??V?θ

?t[K(θ)]+[K(θ)]+[K(θ)][K(θ)]第五節(jié)土壤水運動的控制方程V=?K(θ)?Φ=??V?θ

?t?Φ ?z

??z?Φ ?y

??y?Φ ?x

??x=?θ

?t?Φ ?z

??z=?θ

?t只考慮垂向時：非飽和水流的達(dá)西公式非飽和水流連續(xù)性方程——非飽和水流控制方程(RichardsEquation)第六章下滲Infiltration6.1下滲的物理過程Physicalprocessofinfiltration6.2非飽和下滲理論講授內(nèi)容Theoryofunsaturatedinfiltration6.3飽和下滲理論Theoryofpondedinfiltration6.4經(jīng)驗下滲曲線Empiricalinfiltrationcurves6.5天然條件下的下滲Infiltrationundernaturalconditions6.1下滲的物理過程6.1.1與下滲有關(guān)的基本概念6.1.2下滲機(jī)理6.1.3下滲能力與土壤水分剖面的關(guān)系6.1.1與下滲有關(guān)的基本概念Basicconceptsrelatedtoinfiltration度方向的變化曲線，又稱土壤含水率垂向分布(Verticaldistributionofsoilθ/ωz1z2moisturecontent)。

z

土壤水分剖面

土壤水分剖面(Soilwater0profile):土壤含水率沿深6.1.1與下滲有關(guān)的基本概念Basicconceptsrelatedtoinfiltration

下滲(Infiltration):水分透過土壤層面沿垂直和 水平方向滲入到土壤中的運動過程。θz垂向下滲t0t1t200水平吸收θ供水區(qū)域x6.1.1與下滲有關(guān)的基本概念Basicconceptsrelatedtoinfiltration下滲率(Infiltrationrate):單位時間通過單位面積的土壤層面滲入到土壤中的水量(mm/min,mm/h)。下滲能力/容量(Infiltrationcapacity):供水充分條件下的下滲率。下滲現(xiàn)象的定量表示：6.1.1與下滲有關(guān)的基本概念Basicconceptsrelatedtoinfiltration下滲曲線(Infiltrationcurve):下滲能力隨時間變化的曲線。0fp累積下滲曲線(Cumulativeinfiltrationcurve):從下滲開始至某時刻按下滲能力下滲到土壤中的總水量與該時間的關(guān)系曲線。0t

tFp~t(累積下滲曲線)

fp~t(下滲曲線)θ不同初始含水量 下滲曲線6.1.2下滲機(jī)理Mechanismofinfiltration0tfp第一階段 第二階段下滲的三個階段下滲的三個階段

滲潤階段：分子力

滲漏階段：毛管力

第三階段滲透階段：重力飽和帶飽和含水量水分傳遞帶濕潤帶

濕潤鋒田間持水量深度(m)含水量(%)6.1.2下滲機(jī)理Mechanismofinfiltration

下滲過程中的土壤水分剖面

飽和帶水分傳遞帶濕潤帶濕潤鋒0θnθffp==∫θ0z(θ,t)dθfp==∫θ0z(θ,t)dθ+fc6.1.3下滲能力與土壤水分剖面的關(guān)系RelationshipsbetweeninfiltrationcapacityandsoilwaterprofiledFp

dt

dθndtθnz土壤水分剖面0θ0忽略重力作用：

dFp

dθn

dt dt

考慮重力作用：6.2非飽和下滲理論6.2.1下滲方程的導(dǎo)出6.2.2忽略重力作用的下滲方程的解6.2.3完全下滲方程的解?D(θ)?z??k(θ)?zdφm下滲方程的坐標(biāo)系統(tǒng)k(θ)=6.2.1下滲方程的導(dǎo)出Derivationofinfiltrationequationθz0地面zdθD(θ)=K(θ)

dK(θ)

dθ?z?????θ??θ=?θ

?t非飽和下滲方程：

擴(kuò)散項重力項

擴(kuò)散率(Diffusivity)[D(θ)]=θ(z,0)=θ0?θ

?z?θ

?t

??zθ(0,t)=θnθ(∞,t)=θ0假設(shè)：a忽略重力；

b供水充分，表面無積水；

c均質(zhì)半無限土柱，初始土壤含水量分布均勻。定解問題的構(gòu)成：泛定方程初始條件6.2.2忽略重力作用的下滲方程的解Solutionoftheinfiltrationequationneglectinggravity定解條件上邊界條件下邊界條件?θ?z22=D?θ

?tθ(z,0)=θ0θ(0,t)=θnθ(∞,t)=θ0)

z2Dt=erfc(

θ?θ0θn?θ0Laplace變換12?fp=(θn?θ0)Dπt下滲曲線：6.2.2忽略重力作用的下滲方程的解Solutionoftheinfiltrationequationneglectinggravity

情況一：擴(kuò)散率為常數(shù)=D(θ)?z+?2θ

2

?θ

?tθ(z,0)=θ0θ(0,t)=θnθ(∞,t)=θ012?D(θ)?θ

?z?z

Boltzmann變換

z(θ,t)=η(θ)t1212?stfp=6.2.2忽略重力作用的下滲方程的解Solutionoftheinfiltrationequationneglectinggravity

情況二：擴(kuò)散率隨土壤含水量呈單值變化下滲曲線：?D(θ)?z??k(θ)?z???θ??θ=?θ

?t?z??θ(z,0)=θ0θ(0,t)=θnθ(∞,t)=θ0泛定方程

初始條件上邊界條件下邊界條件6.2.3完全下滲方程的解Solutionofthecompleteinfiltrationequation

定解問題的構(gòu)成：?θ?2θ?t?z)+exp()erfc()??exp(?kt2/4D)?kπt/4Dkt2?2?θ

?z?k

=Dθ(z,0)=θ0θ(0,t)=θnθ(∞,t)=θ0?=

z+kt?2Dt?kz d1?z?kt2?erfc(2Dt

θ?θ0θn?θ0?

)?+kθn4D???erfc(2(θn?θ0)k

26.2.3完全下滲方程的解Solutionofthecompleteinfiltrationequation

情況一：擴(kuò)散率為常數(shù)且水力傳導(dǎo)度與土壤含水 量呈直線關(guān)系Laplace變換下滲曲線：

fp=?D(θ)?z??k(θ)?zs?1/2???θ??θ=θ(z,0)=θ0?θ

?t?z??θ(0,t)=θnθ(∞,t)=θ02tfp=+(A+k(θ0))1/2+f2tz(θ,t)=f1t6.2.3完全下滲方程的解Solutionofthecompleteinfiltrationequation

情況二：擴(kuò)散率不為常數(shù)且水力傳導(dǎo)度與土壤含水量非直線關(guān)系下滲曲線：?exp(?kt2/4D)kt2?s?1/212?fp=(θn?θ0)Dπt1212?stfp=??fp=

)?+kθn4D???erfc(?k2πt/4D(θn?θ0)k

22tfp=+(A+k(θ0))6.2非飽和下滲理論:小結(jié)Summary下滲曲線：6.3飽和下滲理論Energystatusofsoilwater6.3.1下滲基本方程的建立

Establishmentofthebasicinfiltrationequations6.3.2下滲曲線的導(dǎo)出Derivationoftheinfiltrationcurve基本假定：下滲鋒面以上土壤含水量達(dá)到飽和，以下仍為初始土壤含水量；濕潤鋒向下移動的條件是其上部土層達(dá)到飽和含水量。6.3.1下滲基本方程的建立Establishmentofthebasicinfiltrationequations0

zθ0t1t2

t3

t4θn

概化的濕潤鋒移動受力分析：

土壤表面水層的凈水壓力； 土壤飽和水柱的重力； 下滲鋒面處的毛管吸力； 下滲鋒面以下的空氣剩余壓力。合力：H=hp+l+Hc?(p?p0)6.3.1下滲基本方程的建立EstablishmentofthebasicinfiltrationequationlhpP0PHc濕潤鋒濕潤鋒上的作用力6.3.1下滲基本方程的建立dldt)Hc

l=Ks(1+l+Hc

lfp=KsEstablishmentofthebasicinfiltrationequations

動力方程：水量平衡方程：

fp=(θn?θ0)dldt)Hc

l=Ks(1+l+Hc

lfp=Ksfp=Ks+0.5KsHc(θn?θ0)t?1/2=Ks+At?1/2動力方程：水量平衡方程：fp=(θn?θ0)KsHc(θn?θ0)

Fpfp=Ks+6.3.2下滲曲線的導(dǎo)出DerivationoftheinfiltrationcurveGreen-AmptEquationa?212tfp=科斯加柯夫公 式：6.4經(jīng)驗下滲曲線Empiricalinfiltrationcurves

基本思路：對通過觀測實際問題取得的下滲資料，選配合適 的函數(shù)形式，并率定其中的參數(shù)，從而求得相應(yīng)的下滲曲線?；纛D公式：?ktfp=fc+(f0?fc)e菲利普公式：ptf+fc=?12a26.5天然條件下的下滲

6.5.1均勻雨強時的下滲

6.5.2變雨強時的下滲6.5.3非均質(zhì)土壤中的下滲

6.5.4坡度對下滲的影響

6.5.5下滲的影響因素6.5.1均勻雨強時的下滲Infiltrationprocesswithconstantrainfallintensityt0情況一：降雨強度大于初始下滲能力

若i≥fp0，則整個下滲過程均按下滲能力下滲

fp

i

fp0

R F6.5.1均勻雨強時的下滲Infiltrationprocesswithconstantrainfallintensity情況二：降雨強度小于穩(wěn)定下滲率

若i≤fc，則整個下滲過程均按雨強下滲

fptFfcitt06.5.1均勻雨強時的下滲Infiltrationprocesswithconstantrainfallintensity情況三：降雨強度大于穩(wěn)定下滲率而小于初始下滲能力

若fc<i<fp0，則先按雨強下滲，后按下滲能力下滲

fp

是t0時刻嗎？

i累積下滲量(mm)下滲率(mm/min)100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.00150累積下滲量曲線

501000.002.001.003.005.004.00015050100

時間(min)時間(min)

下滲率曲線tfpiAB

Ct0tpDE6.5.1均勻雨強時的下滲Infiltrationprocesswithconstantrainfallintensity

情況三：降雨強度大于穩(wěn)定下滲率而小于初始下滲能力6.5.2變雨強時的下滲Infiltrationprocesswithvariablerainfall-intensity6.5.3非均質(zhì)土壤中的下滲Infiltrationinheterogeneoussoils

情況一：土壤質(zhì)地上粗下細(xì)對下滲的影響界面濕粗細(xì)-1000飽和度(%)

0基模勢界面干粗細(xì)-1000飽和度(%)

0基模勢積水6.5.3非均質(zhì)土壤中的下滲Infiltrationinheterogeneoussoils

情況二：土壤質(zhì)地上細(xì)下粗對下滲的影響細(xì)很粗-1000飽和度(%)

0基模勢細(xì)很粗-1000飽和度(%)

0基模勢積水前積水后6.5.3非均質(zhì)土壤中的下滲Infiltrationinheterogeneoussoils情況三：土壤質(zhì)地由上至下逐漸變細(xì)對下滲的影響-1000飽和度(%)

0基模勢jOzKsKsjj6.5.4坡度對下滲的影響Impactsoftopographicslopeoninfiltrationiα

icosαα

isinα

αi土壤中膠質(zhì)的含量土壤中的化學(xué)、生物作用地面覆蓋物及耕作溫度作用空氣含量水質(zhì)6.5.5下滲的影響因素Factorsinfluencinginfiltration第七章蒸發(fā)與散發(fā)Chapter7EvaporationandTranspiration

7.1蒸發(fā)現(xiàn)象及其控制條件Evaporationphenomenonanditsgoverningconditions7.2水面蒸發(fā)講授內(nèi)容Evaporationfromopenwatersurface7.3土壤蒸發(fā)Soilevaporation7.4植物散發(fā)Transpiration7.5流域蒸散發(fā)Watershedevapotranspiration7.1蒸發(fā)現(xiàn)象及其控制條件7.1.1與蒸發(fā)有關(guān)的基本概念7.1.2蒸發(fā)分類7.1.3控制蒸發(fā)的條件7.1.1與蒸發(fā)有關(guān)的基本概念Basicconceptsrelatedtoevaporation蒸發(fā)(Evaporation)：水分子從物體表面（蒸發(fā)面），向大氣逸散的現(xiàn)象。凝結(jié)(Condensation)：水汽分子從空氣中返回水面的現(xiàn)象。蒸發(fā)潛熱(Latentheatofevaporation)：蒸發(fā)必須消耗能量，單位水量蒸發(fā)到空氣中所需的能量。凝結(jié)潛熱(Latentheatofcondensation)：凝結(jié)要釋放能量，單位水量從空氣中凝結(jié)返回水面釋放的能量。7.1.1與蒸發(fā)有關(guān)的基本概念Basicconceptsrelatedtoevaporation蒸發(fā)率(Evaporationrate):單位時間內(nèi)通過單位蒸發(fā)面逸散到大氣中的水分子數(shù)與從大氣返回到蒸發(fā)面的水分子數(shù)之差值（當(dāng)為正值時），稱蒸發(fā)率。一般用mm/dormm/a表示。7.1.2蒸發(fā)分類Classificationofevaporation

根據(jù)蒸發(fā)面類型分

類：

水面蒸發(fā)(Evaporationfromopenwatersurface)土壤蒸發(fā)(Soilevaporation)植物散發(fā)(Planttranspiration)冰雪蒸發(fā)(Evaporationfromice-snowsurface)流域蒸散發(fā)

(Watershed evaporation)7.1.3控制蒸發(fā)的條件Conditionsgoverningevaporation供水條件(Watersupplyconditions):蒸發(fā)面存儲的水分的多少。能量條件(Energyconditions):蒸發(fā)面上水分子獲得能量的多少。動力條件(Dynamicconditions):水汽輸送條件。水汽分子擴(kuò)散(Moleculardiffusion)對流作用(Convection)平流作用(空氣紊動)(Turbulentdiffusion)7.1.3控制蒸發(fā)的條件Conditionsgoverningevaporation蒸發(fā)能力(Evaporationcapacityorpotentialevaporation)：在充分供水條件下，單位時間通過單位蒸發(fā)面逸散到大氣中的水分子數(shù)與從空氣中返回到蒸發(fā)面的水分子數(shù)之差值（當(dāng)為正值時）稱為蒸發(fā)能力。7.2水面蒸發(fā)7.2.1影響水面蒸發(fā)的因素7.2.2水面蒸發(fā)的確定7.2.1影響水面蒸發(fā)的因素Factorsinfluencingevaporationfromopenwatersurface氣象因素(Meteorologicalfactors)太陽輻射(Solarradiation)溫度(Temperature)濕度(Humidity)氣壓(Airpressure)風(fēng)速(Windvelocity)7.2.1影響水面蒸發(fā)的因素Factorsinfluencingevaporationfromopenwatersurface水體因素(Waterbodyrelatedfactors)水面大小(Watersurfacearea)水面形狀(Shapeofwaterbody)水深(Waterdepth)水質(zhì)(Waterquality)?理論途徑(Theoreticalmethods)7.2.2水面蒸發(fā)的確定Estimationofevaporationfromopenwatersurface

?器測法(Instrumentalmeasurement)

熱量平衡法

(Energybalancemethod)

空氣動力學(xué)法(Aerodynamicmethod)

混合法

(Hybridmethod)

水量平衡法

(Waterbalancemethod)?經(jīng)驗途徑(Empiricalmethods)器測法(Instrumentalmeasurement)7.2.2水面蒸發(fā)的確定Estimationofevaporationfromopenwatersurface

20cm口徑蒸發(fā)器80cm口徑套盆蒸發(fā)器E601蒸發(fā)器

20m2和100m2的大型蒸發(fā)池

蒸發(fā)器觀測的數(shù)值不能直接作為大水體的水面蒸發(fā)值，必須乘以一折算系數(shù)。折算系數(shù)與蒸發(fā)器類型、自然環(huán)境、季節(jié)變化等因素有關(guān)。實際工作中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙崪y資料分析。20cm口徑蒸發(fā)器7.2.2水面蒸發(fā)的確定Estimationofevaporationfromopenwatersurface7.2.2水面蒸發(fā)的確定EstimationofevaporationfromopenwatersurfaceE601蒸發(fā)器確定水面蒸發(fā)的理論途徑(Theoreticalmethods)利用氣象或水文觀測資料間接推算蒸發(fā)量。7.2.2水面蒸發(fā)的確定EstimationofevaporationfromopenwatersurfaceE==7.2.2水面蒸發(fā)的確定Estimationofevaporationfromopenwatersurface

確定水面蒸發(fā)的理論途徑(Theoreticalmethods)

——熱量平衡法(Energybalancemethod)

Qn?Qh+Qv?Qe=Qθ

Bowen比：R=QhQe

QeρwLQn+Qv?Qθ

ρwL(1+R)E=f(S,ta)S:日照；ta:氣溫7.2.2水面蒸發(fā)的確定Estimationofevaporationfromopenwatersurface確定水面蒸發(fā)的理論途徑(Theoreticalmethods)——空氣動力學(xué)法(Aerodynamicmethod)主要考慮飽和差d和風(fēng)速u對水面蒸發(fā)的影響。E=f(d,u)(QnΔ+rEa)

1Δ+rE=7.2.2水面蒸發(fā)的確定Estimationofevaporationfromopenwatersurface

確定水面蒸發(fā)的理論途徑(Theoreticalmethods)

——混合法(Hybridmethod)

彭曼公式(Penman’sequation)S2