土壤水動力學(xué)的發(fā)展

1、1. 1. 土壤水動力學(xué)的發(fā)展土壤水動力學(xué)的發(fā)展1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 土壤水勢與土壤水分運動土壤水勢與土壤水分運動1.3 SPAC 1.3 SPAC 水熱傳輸水熱傳輸1.4 1.4 土壤中溶質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化土壤中溶質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化1.5 1.5 土壤水問題應(yīng)用研究土壤水問題應(yīng)用研究1.1 1.1 概概 述述v 科學(xué)科學(xué) 學(xué)科學(xué)科 學(xué)科分支學(xué)科分支流體液體水土壤水流體動力學(xué)水動力學(xué) 多孔介質(zhì)水動力學(xué)飽和流、非飽和流 土壤水動力學(xué)（地下水動力學(xué)、土壤水動力學(xué)）v 學(xué)科研究的發(fā)展學(xué)科研究的發(fā)展定性定量經(jīng)驗理論單一綜合、交叉?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)代技術(shù)（GIS、遙感和計算機模擬)Darcys Law,1

2、856Richards equation1931v 學(xué)科研究方向的背景學(xué)科研究方向的背景教學(xué)背景大學(xué)本科專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)應(yīng)用背景水文學(xué)、水資源、農(nóng)田水利、環(huán)境與生態(tài) v 學(xué)科研究的應(yīng)用背景學(xué)科研究的應(yīng)用背景水文學(xué)陸地水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：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(nóng)田灌溉土壤水的轉(zhuǎn)化與消耗、水資源的有效利用生態(tài)水文學(xué)陸生生態(tài)的生態(tài)需水和生態(tài)用水水環(huán)境農(nóng)業(yè)面源污染1.2.1 土土 壤壤 水的數(shù)量、形態(tài)和能量水的數(shù)量、形態(tài)和能量v 土壤水的形態(tài)土壤水的形態(tài) 吸濕水薄膜水毛管水重力水v 土壤水的數(shù)量土壤水的數(shù)量 土壤含水量（率）重量、體積v 土壤水的能量土壤水的能量勢能勢能土

3、水勢土水勢 單位數(shù)量土壤水具有的勢能單位數(shù)量、標準參考狀態(tài) 重力勢g g = z (Mgz：gz、wg z、z） 壓力勢p p = h 基質(zhì)勢m m （土壤水分特征曲線） 溶質(zhì)勢S S c 、T 溫度勢T 總水勢 g p m s T 100%MMM100%MMWsssw %VVw100 1.2 1.2 土壤水勢與土壤水分運動土壤水勢與土壤水分運動土壤水分特征曲線土壤水分特征曲線土壤水能量與數(shù)量的關(guān)系m達西定律：kq1.2.2 非飽和土壤水流動基本方程非飽和土壤水流動基本方程 qt連續(xù)方程： 基本方程基本方程 kt zkzDzyDyxDxt zkzkzykyxkxtcmmmmmmmmm ckDd

4、dcm Rechards，19311.3.1 土壤中水熱耦合遷移土壤中水熱耦合遷移v 常溫條件下土壤水熱遷移常溫條件下土壤水熱遷移 常溫土壤非凍結(jié) 簡化忽略水汽 、一維水分 zkzDzt溫度zTztTc土壤組成 固相 液相 氣相 組成比例 x s x w x a比熱容 cs cw ca熱導(dǎo)率 s w av 土壤中的多相（水）流土壤中的多相（水）流 液態(tài)水 氣態(tài)水水汽 水的相變潛熱溫度相變 水汽的擴散與遷移 1.3 SPAC 1.3 SPAC 水熱傳輸水熱傳輸1.3.1 土壤中水熱耦合遷移土壤中水熱耦合遷移v 凍結(jié)條件下土壤水熱耦合遷移凍結(jié)條件下土壤水熱耦合遷移 水熱耦合方程 tzkzDztiw

5、i tLzTztTcIII Tt0 zt1土壤中水和冰混合，并伴隨有相變。1.3.2 SPAC水熱傳輸水熱傳輸 v SPAC系統(tǒng)概念系統(tǒng)概念 SPACSoil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip土壤 -0.3 -1.0 bar根 -3 bar葉 -15 bar大氣 -500 barTranspirationEvaporation 連續(xù)體 驅(qū)動力水勢 q = - 1 R1 = - 2 R2 = - 3 R3 = - 4 R4 阻抗 容抗1.3.2 SPAC水熱傳輸水熱傳輸 v SPAC水熱傳輸模擬水熱傳輸模擬 大葉模型大葉模型三個介質(zhì) 土壤 植物（葉

6、） 大氣兩個介面 土壤植物 植物大氣 大氣冠層土壤E sRnRvRsccscvEE vrarar1r1r2rsr2T2TbTaT1eaebe2rCe1*G顯熱 潛熱溫度水汽壓1.3.2 SPAC水熱傳輸水熱傳輸v SPAC水熱傳輸模擬模型水熱傳輸模擬模型 能量平衡能量平衡SVSVSSSVVVSVNCCCEEEECRECRRRR水熱擴散水熱擴散aabpaabpbpvcbpbpssbpSrTTccreecErTTccrreecEvrTTccrreecE1111222土壤土壤水熱遷移水熱遷移zTztTc zkzDzt 1.4.1 土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程v 土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的

7、研究背景土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的研究背景 環(huán)境問題環(huán)境問題 面源污染面源污染 （化肥、農(nóng)藥等）（化肥、農(nóng)藥等） 土壤鹽堿化土壤鹽堿化v 土壤溶質(zhì)遷移基本方程土壤溶質(zhì)遷移基本方程 對 流： q c彌 散： Dsh c/ z 分子擴散機械彌散水動力彌散源匯項：S c液相以外的動態(tài)貯存：csCshsSzqczcvDztcc.1.4 1.4 土壤中溶質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化土壤中溶質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化1.4.2 土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化行為土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化行為v 土壤中溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的基本行為土壤中溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的基本行為 （物理、化學(xué)、生物） 根的吸收 根的密度、離子濃度差（競爭方程）揮發(fā) 在土壤表面以氣態(tài)形式的損失降解 如農(nóng)藥的水

8、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(xué)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(xué)方程）可動水體與非可動水體間的質(zhì)量遷移 v 化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)方程化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)方程 X+YZ Z/t = kXnYm Z/t = kXn n=0、1、2 l 氮（磷）循環(huán)與非點源污染密切相關(guān)，逐漸成為主要污染源l 碳循環(huán)與作物生長密切相關(guān)，對溫室氣體減排有重要意義1.5.1 水文水資源水文水資源 四水轉(zhuǎn)化概念四水轉(zhuǎn)化概念v 四水轉(zhuǎn)化概念四水轉(zhuǎn)化概念 降水大氣水土壤

9、水地下水地表水蒸發(fā)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(zhuǎn)化的觀點，機理的認識轉(zhuǎn)化的觀點，機理的認識1.5 1.5 土壤水問題應(yīng)用研究土壤水問題應(yīng)用研究1.5.1 水文水資源水文水資源 地下水資源評價地下水資源評價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 降雨入滲補給系數(shù) = Pg / P 灌溉入滲補給系數(shù) = Ig / I 井灌入滲補給系數(shù) = Gg / G 潛水蒸發(fā)系數(shù) c = Eg/E0 給水度 v 地下水均地下水均 衡參數(shù)衡參數(shù)

10、機理上是土壤水的飽和非飽和流 E0潛水蒸發(fā)系數(shù) c Eg/E0 （1H / Hmax ) nH1EgH2H3給水度 h / H 1.5.2 糧食與作物作物耗水與產(chǎn)量糧食與作物作物耗水與產(chǎn)量 v 作物水分生產(chǎn)函數(shù)作物水分生產(chǎn)函數(shù)1inaaiimmiYETYETJensen模型模型l 作物生產(chǎn)量與其生長期內(nèi)的蒸騰量成正比。冬小麥生長模擬模型冬小麥生長模擬模型 熱、溫度 生理發(fā)育時間 光周期反應(yīng) 熱效應(yīng) 春化作用 光、輻射 光合作用 CO2、溫度、水分、氮素 呼吸作用 生物量 葉面積指數(shù) 生育階段生育階段干物質(zhì)生產(chǎn)干物質(zhì)生產(chǎn)干物質(zhì)分配干物質(zhì)分配1.5.2 糧食與作物作物耗水與產(chǎn)量糧食與作物作物耗水與

11、產(chǎn)量1.5.3 生態(tài)環(huán)境生態(tài)環(huán)境自然生態(tài)耗水、水土環(huán)境污染自然生態(tài)耗水、水土環(huán)境污染水土環(huán)境污染面源污染與地下水脆弱性評價面源污染與地下水脆弱性評價降雨徑流，污染物遷移轉(zhuǎn)化降雨徑流，污染物遷移轉(zhuǎn)化生態(tài)植被耗水 自然、人為自然、人為土壤水環(huán)境土壤水環(huán)境自然生態(tài)植被自然生態(tài)植被河道地表水地下水土壤水生態(tài)植被耗水1.6 1.6 土壤水動力學(xué)在流域水文模型中的應(yīng)用土壤水動力學(xué)在流域水文模型中的應(yīng)用流域水循環(huán)過程流域水循環(huán)過程降水 (precipitation)截留、蒸發(fā) (interception, evaporation)入滲、地表徑流、蒸發(fā)(infiltration, surface flow, evaporation)蒸散、下滲、壤中流(transpiration, soil moisture movement)地下徑流 (groundwater movement)大大氣氣 (atmosphere)樹冠樹冠 (canopy)地表地表 (land surface)非飽和土壤非飽和土壤(unsaturated soil)地下水地下水 (groundwater)河道河道 (river)流域水文循環(huán)系統(tǒng)概念與水文模型的演變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單元模型代表性單元模型（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數(shù)字流域技術(shù)、衛(wèi)星遙感