土壤水動力學的發展

1.土壤水動力學的發展1.1概述1.2土壤水勢與土壤水分運動1.3SPAC水熱傳輸1.4土壤中溶質的遷移與轉化1.5土壤水問題應用研究1.1概述

科學學科學科分支流體→液體→水→土壤水流體動力學→水動力學→多孔介質水動力學→飽和流、非飽和流→土壤水動力學（地下水動力學、土壤水動力學）

學科研究的發展定性→定量經驗→理論單一→綜合、交叉傳統→現代技術（GIS、遙感和計算機模擬)Darcy’sLaw,1856Richardsequation1931

學科研究方向的背景教學背景——大學本科專業的主要專業基礎應用背景——水文學、水資源、農田水利、環境與生態

學科研究的應用背景水文學——陸地水循環的關鍵環節：降雨徑流及土壤水水資源——地表水、地下水為主的水資源評價農田灌溉——土壤水的轉化與消耗、水資源的有效利用生態水文學——陸生生態的生態需水和生態用水水環境——農業面源污染1.2.1土壤水的數量、形態和能量

土壤水的形態

吸濕水－薄膜水－毛管水－重力水

土壤水的數量

土壤含水量（率）——重量、體積

土壤水的能量——勢能——土水勢

單位數量土壤水具有的勢能——單位數量、標準參考狀態

重力勢ΨgΨg=±z(Mgz：gz、ρwgz、z）壓力勢ΨpΨp=h

基質勢ΨmΨm

～θ（土壤水分特征曲線）溶質勢ΨSΨS

～c、T

溫度勢ΨT

總水勢Ψ＝Ψg

＋Ψp

＋Ψm＋Ψs

＋ΨT

1.2土壤水勢與土壤水分運動土壤水分特征曲線－－土壤水能量與數量的關系－－ψmθ達西定律：1.2.2非飽和土壤水流動基本方程連續方程：

基本方程Rechards，19311.3.1土壤中水熱耦合遷移

常溫條件下土壤水熱遷移

常溫——土壤非凍結簡化——忽略水汽、一維水分溫度土壤組成固相液相氣相組成比例xs

xwxa比熱容cs

cwca熱導率λsλwλa

土壤中的多相（水）流

液態水氣態水－水汽

水的相變－潛熱－溫度－相變水汽的擴散與遷移1.3SPAC水熱傳輸1.3.1土壤中水熱耦合遷移

凍結條件下土壤水熱耦合遷移

水熱耦合方程θTt0θzt1土壤中水和冰混合，并伴隨有相變。1.3.2SPAC水熱傳輸SPAC系統概念

SPAC——SoilPlantAtmosphereContinuum,1965,Philip土壤-0.3～-1.0bar根-3bar葉-15bar大氣-500barTranspirationEvaporation

連續體驅動力——水勢

q=-△ψ1／R1=-△ψ2／R2=-△ψ3／R3=-△ψ4／R4

阻抗容抗1.3.2SPAC水熱傳輸SPAC水熱傳輸模擬大葉模型三個介質土壤植物（葉）大氣兩個介面土壤－植物植物－大氣大氣冠層土壤λE

sRnRvRsccscvλEλE

vrarar1r1r2rsr2T2TbTaT1eaebe2rCe1*G顯熱潛熱溫度水汽壓1.3.2SPAC水熱傳輸SPAC水熱傳輸模擬模型能量平衡水熱擴散土壤水熱遷移1.4.1土壤溶質遷移轉化基本方程

土壤溶質遷移轉化的研究背景環境問題——面源污染（化肥、農藥等）土壤鹽堿化

土壤溶質遷移基本方程對流：qc彌散：Dshc/z分子擴散＋機械彌散→水動力彌散源匯項：Sc液相以外的動態貯存：cs1.4土壤中溶質的遷移與轉化1.4.2土壤溶質遷移轉化行為

土壤中溶質遷移轉化的基本行為

（物理、化學、生物）

根的吸收—根的密度、離子濃度差（競爭方程）揮發—在土壤表面以氣態形式的損失降解—如農藥的水解與微生物的降解

c=c0e–kt、半衰期ti/2=o.693/k硝化—微生物作用下的氧化，NH4+→NH3－反硝化—微生物作用下的還原，NH3－→N2，NO2(一級動力學方程）溶解與沉淀吸附與解析—平衡吸附、動力吸附(一級動力學方程）可動水體與非可動水體間的質量遷移

化學動力學反應方程X+Y→Z

Z/t=kXnYmZ/t=kXnn=0、1、2區域水循環與CO2、N和P等物質循環的耦合氮（磷）循環與非點源污染密切相關，逐漸成為主要污染源碳循環與作物生長密切相關，對溫室氣體減排有重要意義1.5.1水文水資源－－四水轉化概念

四水轉化概念

降水大氣水土壤水地下水地表水蒸發三水——降水地表水地下水四水——大氣水土壤水地表水地下水五水——降水土壤水地表水地下水植物水轉化的觀點，機理的認識1.5土壤水問題應用研究1.5.1水文水資源－－地下水資源評價

地下水均衡

PIGG△HαPβIλGcE0ET

P—降雨I—渠灌G—井灌地下水均衡μΔH=P+I–(1-)G–cE0±

Q

降雨入滲補給系數=Pg/P

灌溉入滲補給系數

=Ig/I

井灌入滲補給系數=Gg/G

潛水蒸發系數

c=Eg/E0

給水度

μ

地下水均衡參數

機理上是土壤水的飽和－非飽和流

E0潛水蒸發系數

c＝Eg/E0

＝（1－H/Hmax)nH1EgH2H3給水度

μ＝h/△H

1.5.2糧食與作物－－作物耗水與產量

作物水分生產函數Jensen模型

作物生產量與其生長期內的蒸騰量成正比。冬小麥生長模擬模型生育階段干物質生產干物質分配1.5.2糧食與作物－－作物耗水與產量1.5.3生態環境——自然生態耗水、水土環境污染水土環境污染面源污染與地下水脆弱性評價降雨徑流，污染物遷移轉化生態植被耗水

自然、人為→土壤水環境→自然生態植被河道地表水地下水土壤水生態植被耗水1.6土壤水動力學在流域水文模型中的應用流域水循環過程降水(precipitation)截留、蒸發

(interception,evaporation)入滲、地表徑流、蒸發(infiltration,surfaceflow,evaporation)蒸散、下滲、壤中流(transpiration,soilmoisturemovement)地下徑流

(groundwatermovement)大氣

(atmosphere)樹冠

(canopy)地表(landsurface)非飽和土壤(unsaturatedsoil)地下水(groundwater)河道

(river)流域水文循環系統概