农田水分状况与土壤水分运动PPT课件下载推荐.pptx
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在吸湿水外部,沿土粒表面作极小的移动。
最大分子持水率,毛管水在毛管作用下土壤所能保持的水分,或在重力作用下,不易排除的水分超出吸着水的部分上升毛管水(地下水位的影响)悬着毛管水(灌水入渗),水沿着毛管上升,毛管作用力范围:
0.1-1mm有明显的毛管作用0.05-0.1mm毛管作用较强0.05-0.005mm毛管作用最强0.001mm毛管作用消失,土粒,毛管上升水示意图,地下水位,借助于毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中的水分,它与来自地下水上升的毛管水并不相连,好像悬挂在上层土壤中一样,故称之为毛管悬着水。
毛管悬着水,悬着毛管水,田间持水量,毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量,通常作为灌溉水量定额的最高指标。
在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。
田间持水量的大小,主要受质地、有机质含量、结构、松紧状况等的影响。
灌水23天后,土壤所能保持的水量。
土壤所有孔隙都充满水时的含水量,也称为土壤全持水量。
土壤饱和含水量,重力水土壤中超出毛管含水率的水分,在重力的作用下易排除(根系活动层)。
灌水太多时,降雨太多时,二、土壤水分含量的表示方法,
(一)质量含水量(m),100,2,W1W2,W,n,
(二)容积含水量(v)V=n(三)相对含水量(%),土壤相对含水量土壤含水量,田间持水量,(三)土壤贮水量,2、水方(m3),10Dw,V方/公顷,V方/亩2/3Dw,1、水深(DW)DW=Vh或,n,i,Dw,1001h,i1mm,土壤水的有效性,无效水小于最大分子持水率的水分,即汽态水与吸着水为无效水凋萎系数:
当土壤含水率降至吸湿系数的1.5-2.0倍时,作物吸水很困难,将会凋萎。
此时的含水率称为凋萎系数有效水:
介于凋萎系数和田持之间的毛管水。
从土壤水的能态来分析,土壤A砂土10%,土壤B粘土15%,水流向何方嗧,从土壤水的能态来分析,土壤水的能量概念:
自然界的物体都具有能量,而且普遍的趋势是自发地由能量高的状态向能量低的状态运动,最终达到能量平衡。
任一物体所具有的能量由动能和势能组成,由于水分在土壤孔隙中的运移速度很慢,其动能一般可忽略不计。
因此,土壤水分所具有的能量即只考虑势能用土水势来表示。
土水势决定了土壤水分的能态和运动!
20cm,10cm,排水,饱和土壤中水分的能量(水压),水可从土壤中排出,说明饱和土壤中的水势(或水压)大于大气压,其水压或土水势为正值,非饱和土壤中水分的能量,非饱和土壤中水分不能自由排除,但可将自由水吸取。
说明非饱和土壤中的水压小于大气压,其能量(土水势)为负值或负压,或称为吸力(土水势的绝对值)。
土壤含水率越低,吸力越大(土水势越低),土水势的单位:
可用压力的单位表示,即:
巴(bar),千帕(KPa),兆帕(MPa)1巴(bar)0.987个大气压=10m100KPa1MPa=1000KPa=10(bar),土水势的构成,总水势基质势渗透势重力势压力势基质势:
由土壤基质的吸附力和毛管力所引起,为负值。
饱和土壤中的基质势为零,即只有非饱和土壤中才存在。
重力势:
由重力引起的水势,其正负与基准线有关。
压力势:
为静水压力引起,为正值。
地下水位以下才有压力势渗透势(或溶质势):
由土壤溶液中的溶质所引起。
为负值。
水分子可通过,溶质离子不能通过,在盐碱土壤中,即是土壤很湿,作物任会因缺水而枯萎,或位能,负,正,基准线水分运动达到稳定,所以各点得总势均为0,土壤水的能态与形态的关系,或土水势与土壤含水率之间的关系:
用土壤水分特征曲线表示或称作PF曲线,用土壤水吸力表示土壤水分的方便性(相同含水率,但土壤不同,土壤水分的有效性不同)几个关键含水率相应的土水势值:
永久凋萎点:
15bar田间持水量:
-0.3bar,土壤水的有效状态,0.3-0.5,15,土壤水分特征与土壤质地的关系,二、旱作物对农田水分状况的要求,特点:
根系层土壤的含水率要保持适当;
允许的平均最大(不是适宜)含水率,一般为根系吸水层土壤的田间持水率,最小含水率不应低于作物适宜的土壤含水率下限指标;
通常地面不允许积水。
地面水与地下水的转换原理,降雨或灌溉,土壤表层逐渐饱和,下层土壤含水率增加,超出田持的水在重力的,作用下向下移动,降雨停止后土壤水分再分布,降雨或灌水后不同深度土层的湿润过程(地下水位距地面较深时),地面水与地下水的转换原理,可使地下水位上升,可能使耕层毛管水增加,也可能造成渍害,降雨或灌水后不同深度土层的湿润过程(地下水埋深较小时),地下水位不允许上升至根系吸水层内农田的地面水和地下水必须适时适量地转化为作物根系吸水层的土壤水分,才能被作物吸收利用。
因此地下水位必须维持在根系吸水层以下一定深度处,此时地下水可通过毛细管作用上升至根系吸收层,供作物利用。
二、旱作物对农田水分状况的要求(续),干旱,当植物根部从土壤中吸收的水分来不及补给叶面蒸腾时,便会使植物体内水分不断减小,特别是叶片的水分迅速降低,而影响植物体水分平衡和协调,这种现象称为干旱,干旱的原因,大气干旱:
由于大气的温度过高和相对湿度过低,阳光过强,或遇到干热风造成植物蒸腾耗水过大,会使根系吸水速度不能满足蒸腾需要。
土壤干旱:
当土壤含水率过低,植物根系从土壤中所能吸取的水量难于满足叶面蒸腾的消耗,影响作物的生长,三、水稻地区的农田水分状况,水稻是喜湿好水作物;
栽培技术和灌溉方法与旱作物不同,因此稻田水分存在的形式与旱作农田水分存在的形式也不相同;
传统上,水稻采用淹灌方法,故田面经常(除烤田外)有水层存在。
三、水稻地区的农田水分状况,保持适宜的浅水层,不仅能对稻田水分及养分的供应提供良好的条件;
而且还能调节和改善水稻生长环境条件,如温、热及田间小气候等状况。
但过深的水层(不合理的灌溉或降雨过多造成的)对水稻的生长也是不利的,特别是长期的深水淹浸,更会引起水稻减产,甚至死亡。
因此,灌溉水层上下限的确定,对水稻生产具有重要的实际意义。
通常根据作物品种、生育阶段、自然环境及人为条件由经验来确定。
水稻节水灌溉,近几年来,安徽、江苏、山东、湖南、四川、湖北、广西等省通过试验逐步形成了“浅水灌溉”、“间歇灌溉”、“浅、晒、湿”灌溉、“浅、晒、深、湿”等节水型灌溉方式,薄水插秧,浅水育秧,分蘖前期湿润,分蘖后期晒田,四、农田水分状况的调节措施,在自然条件下农田水分状况与作物需水是不相适应的,农田水分会出现过多或水分不足的现象。
农田水分过多的原因,降雨量过多河流、湖泊水侵入农田(山东、天津)典型低洼、地下水位上升(珠江三角洲)出流不畅(雁北),农田水分不足的原因,降雨量不足(西北)降雨形成的地表径流大量流失(黄土高原)土壤保水能力差,水分大量渗漏蒸发量大(新疆),调节措施,农田水分不足时:
灌溉、蓄水保墒,农田水分过多时:
排水,名词解释,干旱:
农田水分不足或蒸腾过大,造成植物生长受到损害。
涝:
地面积水渍:
地下水位过高洪灾:
河流泛滥,五、农田水分循环,根区土壤水量平衡,W=(P+M+K)-(E+T+D),K,PM,T,E,根区,W,D,第二节农田土壤水分运动,目的与用途:
在降雨、灌溉、作物耗水的过程中,土壤水分是经常变化的,比如降雨或灌溉后,土壤水分到底增加了多少?
入渗深度是多少?
作物耗水时,不同深度的土壤水分到底还有多少?
土壤水分变化过程确定的方法,有两种方法来决定田间实测,用公式来计算:
f(t,x,y,z),一、达西定律(饱和土壤中),通过土壤的水流大小与水头梯度和导水率成比例,其运动方向与水头梯度的方向一致,L,H,vqk,HL,q-单位时间内通过单位横截面的流量,或称为水流通量。
k-导水率,对于饱和土壤,一般称为渗透系数;
-水头梯度,L,H,L,二、达西定律在非饱和土壤中的应用假定达西定律同样适用于非饱和土壤水分运动,则在水平和垂直方向的水流通量可分别写成:
式中:
qx、qy、qz分别为沿x、y、z轴的水流通量;
为土壤的总水势,仅考虑重力势和基质势,即=h+z,其中h为基质势水头,取决于土壤的干湿状况;
而位置水头z则取决于参考面的位置。
K()为土壤的非饱和导水率,,则分别为x,y,z方向的水势梯度。
及xyz,x,y,x,x,x,qk,x,vqk(),v,y,vzqzk,L,vqkH,三、二维非饱和土壤水分运动方程的推导,设土壤水在垂直平面上发生二维运动,取微小体积dx、dz(垂直xz平面厚度为1),vx,z,vvzxdzz,vvxdxx,vdx,dz,x,z,dz,v,z,v,z,z,dx,v,x,x,vx,则在x方向进入与流出微小体积的水量差为:
在z方向进入与流出微小体积的水量差为,xx,vx,dxdz1vxdxdz,vxdz1vx,zz,z,z,vz,dzdz1vzdxdz,vdx1v,vx,z,vvzxdzz,vvxdxx,vdx,dz,x,z,dz,v,z,v,z,z,dx,v,x,x,vx,则两个方向进入与流出微小体积的水量差为:
(vxdxdzvzdxdz)xz而单位时间内土壤体积中水量的变化量为:
t,dxdz1,vx,z,vvzxdzz,vvxdxx,vdx,dz,x,z,dz,v,z,v,z,z,dx,v,x,x,vx,根据质量守恒定律,上述两式应相等,从而得到土壤水流的连续性方程:
txz,vz,vx,txz,qz,qx,或:
将达西定律的代入上述方程,则有,达西定律:
txkxzkz,因为=h+z,代入上式得:
khkhktxxzzz上式即为非饱和土壤水运动的基本方程式,z,y,x,x,x,x,qk,qk,qk(),vx,v,y,vz,土壤水分运动方程的其它表示形式
(1)由于:
xzz,x,hh;
hh,令DKh,代入上述原方程DDKtxxzzz,土壤水分运动方程的其它表示形式
(2),由于土壤含水率与土壤基质势h之间存在着函数关系,且有,hC(h)h,thtt代入上述原方程C(h)h(K(h)h)(K(h)h)K(h)txxzzz,在初始条件和边界条件已知的情况下,可根据这些定解条件求解各点土壤含水率或土壤水的流量。
DDKtxxzzz,四、入渗条件下土壤水运动,目的:
降雨和灌水时水分向土壤中入渗,入渗速度、一定时段内的累计入渗量、入渗后水分在土壤剖面上的分布是确定灌水定额、制定灌水计划的依据。
方法:
应用上述方程进行理论计算经验公式法,1.入渗时土壤剖面含水率的理论计算,在灌水和雨量稍大的降雨过程中,地表形成薄水层,假定:
地下水埋深较大剖面初始土壤含水率均匀分布时土壤的入渗可视为垂直一维入渗问题。
z,K(),tz(D()z),t=0,=0,t0,z=0,=,s,t0,z,=0,0为入渗前的初始含水率;
s为地面处的饱和含水率,其定解条件写为:
初始条件,边界条件,求解结果
(1),经过特定的线性化处理,上述方程的解析解为:
(z,t)=0+,2,s0,erfc(,2Dt,Kz,2Dt,zKtzKt,)+eDerfc(),
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