土壤水动力学的发展

1、1. 1. 土壤水动力学的发展土壤水动力学的发展1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 土壤水势与土壤水分运动土壤水势与土壤水分运动1.3 SPAC 1.3 SPAC 水热传输水热传输1.4 1.4 土壤中溶质的迁移与转化土壤中溶质的迁移与转化1.5 1.5 土壤水问题应用研究土壤水问题应用研究1.1 1.1 概概 述述v 科学科学 学科学科 学科分支学科分支流体液体水土壤水流体动力学水动力学 多孔介质水动力学饱和流、非饱和流 土壤水动力学（地下水动力学、土壤水动力学）v 学科研究的发展学科研究的发展定性定量经验理论单一综合、交叉传统现代技术（GIS、遥感和计算机模拟)Darcys Law,1

2、856Richards equation1931v 学科研究方向的背景学科研究方向的背景教学背景大学本科专业的主要专业基础应用背景水文学、水资源、农田水利、环境与生态 v 学科研究的应用背景学科研究的应用背景水文学陆地水循环的关键环节：降雨径流及土壤水水资源地表水、地下水为主的水资源评价农田灌溉土壤水的转化与消耗、水资源的有效利用生态水文学陆生生态的生态需水和生态用水水环境农业面源污染1.2.1 土土 壤壤 水的数量、形态和能量水的数量、形态和能量v 土壤水的形态土壤水的形态 吸湿水薄膜水毛管水重力水v 土壤水的数量土壤水的数量 土壤含水量（率）重量、体积v 土壤水的能量土壤水的能量势能势能土

3、水势土水势 单位数量土壤水具有的势能单位数量、标准参考状态 重力势g g = z (Mgz：gz、wg z、z） 压力势p p = h 基质势m m （土壤水分特征曲线） 溶质势S S c 、T 温度势T 总水势 g p m s T 100%MMM100%MMWsssw %VVw100 1.2 1.2 土壤水势与土壤水分运动土壤水势与土壤水分运动土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线土壤水能量与数量的关系m达西定律：kq1.2.2 非饱和土壤水流动基本方程非饱和土壤水流动基本方程 qt连续方程： 基本方程基本方程 kt zkzDzyDyxDxt zkzkzykyxkxtcmmmmmmmmm ckDd

4、dcm Rechards，19311.3.1 土壤中水热耦合迁移土壤中水热耦合迁移v 常温条件下土壤水热迁移常温条件下土壤水热迁移 常温土壤非冻结 简化忽略水汽 、一维水分 zkzDzt温度zTztTc土壤组成 固相 液相 气相 组成比例 x s x w x a比热容 cs cw ca热导率 s w av 土壤中的多相（水）流土壤中的多相（水）流 液态水 气态水水汽 水的相变潜热温度相变 水汽的扩散与迁移 1.3 SPAC 1.3 SPAC 水热传输水热传输1.3.1 土壤中水热耦合迁移土壤中水热耦合迁移v 冻结条件下土壤水热耦合迁移冻结条件下土壤水热耦合迁移 水热耦合方程 tzkzDztiw

5、i tLzTztTcIII Tt0 zt1土壤中水和冰混合，并伴随有相变。1.3.2 SPAC水热传输水热传输 v SPAC系统概念系统概念 SPACSoil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip土壤 -0.3 -1.0 bar根 -3 bar叶 -15 bar大气 -500 barTranspirationEvaporation 连续体 驱动力水势 q = - 1 R1 = - 2 R2 = - 3 R3 = - 4 R4 阻抗 容抗1.3.2 SPAC水热传输水热传输 v SPAC水热传输模拟水热传输模拟 大叶模型大叶模型三个介质 土壤 植物（叶

6、） 大气两个介面 土壤植物 植物大气 大气冠层土壤E sRnRvRsccscvEE vrarar1r1r2rsr2T2TbTaT1eaebe2rCe1*G显热 潜热温度水汽压1.3.2 SPAC水热传输水热传输v SPAC水热传输模拟模型水热传输模拟模型 能量平衡能量平衡SVSVSSSVVVSVNCCCEEEECRECRRRR水热扩散水热扩散aabpaabpbpvcbpbpssbpSrTTccreecErTTccrreecEvrTTccrreecE1111222土壤土壤水热迁移水热迁移zTztTc zkzDzt 1.4.1 土壤溶质迁移转化基本方程土壤溶质迁移转化基本方程v 土壤溶质迁移转化的

7、研究背景土壤溶质迁移转化的研究背景 环境问题环境问题 面源污染面源污染 （化肥、农药等）（化肥、农药等） 土壤盐碱化土壤盐碱化v 土壤溶质迁移基本方程土壤溶质迁移基本方程 对 流： q c弥 散： Dsh c/ z 分子扩散机械弥散水动力弥散源汇项：S c液相以外的动态贮存：csCshsSzqczcvDztcc.1.4 1.4 土壤中溶质的迁移与转化土壤中溶质的迁移与转化1.4.2 土壤溶质迁移转化行为土壤溶质迁移转化行为v 土壤中溶质迁移转化的基本行为土壤中溶质迁移转化的基本行为 （物理、化学、生物） 根的吸收 根的密度、离子浓度差（竞争方程）挥发 在土壤表面以气态形式的损失降解 如农药的水

8、解与微生物的降解 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 微生物作用下的还原，NH3 N2，NO2 (一级动力学方程）溶解与沉淀吸附与解析 平衡吸附、动力吸附 (一级动力学方程）可动水体与非可动水体间的质量迁移 v 化学动力学反应方程化学动力学反应方程 X+YZ Z/t = kXnYm Z/t = kXn n=0、1、2 l 氮（磷）循环与非点源污染密切相关，逐渐成为主要污染源l 碳循环与作物生长密切相关，对温室气体减排有重要意义1.5.1 水文水资源水文水资源 四水转化概念四水转化概念v 四水转化概念四水转化概念 降水大气水土壤

9、水地下水地表水蒸发三水降水 地表水 地下水四水大气水 土壤水 地表水 地下水五水降水 土壤水 地表水 地下水 植物水转化的观点，机理的认识转化的观点，机理的认识1.5 1.5 土壤水问题应用研究土壤水问题应用研究1.5.1 水文水资源水文水资源 地下水资源评价地下水资源评价v 地下水均地下水均 衡衡 PI GGHPI GcE0ET P降雨 I渠灌 G井灌 地下水均衡H = P + I (1-) G cE0 Q 降雨入渗补给系数 = Pg / P 灌溉入渗补给系数 = Ig / I 井灌入渗补给系数 = Gg / G 潜水蒸发系数 c = Eg/E0 给水度 v 地下水均地下水均 衡参数衡参数

10、机理上是土壤水的饱和非饱和流 E0潜水蒸发系数 c Eg/E0 （1H / Hmax ) nH1EgH2H3给水度 h / H 1.5.2 粮食与作物作物耗水与产量粮食与作物作物耗水与产量 v 作物水分生产函数作物水分生产函数1inaaiimmiYETYETJensen模型模型l 作物生产量与其生长期内的蒸腾量成正比。冬小麦生长模拟模型冬小麦生长模拟模型 热、温度 生理发育时间 光周期反应 热效应 春化作用 光、辐射 光合作用 CO2、温度、水分、氮素 呼吸作用 生物量 叶面积指数 生育阶段生育阶段干物质生产干物质生产干物质分配干物质分配1.5.2 粮食与作物作物耗水与产量粮食与作物作物耗水与

11、产量1.5.3 生态环境生态环境自然生态耗水、水土环境污染自然生态耗水、水土环境污染水土环境污染面源污染与地下水脆弱性评价面源污染与地下水脆弱性评价降雨径流，污染物迁移转化降雨径流，污染物迁移转化生态植被耗水 自然、人为自然、人为土壤水环境土壤水环境自然生态植被自然生态植被河道地表水地下水土壤水生态植被耗水1.6 1.6 土壤水动力学在流域水文模型中的应用土壤水动力学在流域水文模型中的应用流域水循环过程流域水循环过程降水 (precipitation)截留、蒸发 (interception, evaporation)入渗、地表径流、蒸发(infiltration, surface flow, evaporation)蒸散、下渗、壤中流(transpiration, soil moisture movement)地下径流 (groundwater movement)大大气气 (atmosphere)树冠树冠 (canopy)地表地表 (land surface)非饱和土壤非饱和土壤(unsaturated soil)地下水地下水 (groundwater)河道河道 (river)流域水文循环系统概念与水文模型的演变黑箱模型黑箱模型概念性模型概念性模型分布式模型分布式模型代表性单元模型代表性单元模型（REW）水文模型水文模型取得突破取得突破的可能性的可能性数字流域技术、卫星遥感