水文学原理翻译 11、14、25

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1、土壤水6.1简介一般认为土壤水包括包含在土壤剖面的水分和处于土壤剖面和地下水面之间的不饱和下层 土层中的地面下的水。根据定义，土壤水包含了那些在地面下延伸了数十米甚至数百米的位 于包气带中的水分。同时，浅层土壤剖面吸收、保持湿气的能力普遍具有重要的水文学意义， 在这一章中我们将主要由此进行讨论。在稀薄并且不能渗透的土壤中，降雨会在其表面快速 流动，有时候这会造成腐蚀，因此土壤中总会保持湿气来维持动植物的生长直到下一场雨。 与之相反，深的、可渗透的土壤能吸收并储存大量的水分，这些水分将为它们提供贮存的湿 气来度过干旱时期，并且帮助形成一定形式的河川径流。土壤水的重要性与它在全球水平衡中所占的小总

2、额完全不成比例。这部分是由于土壤水 的平均残留时间相当短（三个月），因此土壤水在一年中会流动更新四次。这有效地将它的 每年的含水量由65*10八3翻四倍变成260*八3立方千米，同时，在很大程度上，土壤重要 性反映了它作为植物水分来源的重要作用。实际上，关于控制水储存的因素和水在土壤中的 运动的知识对于我们理解大范围的水在土壤运动过程是至关重要的，这个过程不仅包括水供 应给植物，也包括了径流的更新、对地表以下水的补充和污染物质的积累。因此，可能由气 候变化引起的土壤水状态的变化会被广泛关注，不管这一变化是自然地还是人为地。因此土 壤水引起了许多不同学科的研究者的兴趣，除了水文学家以外，包括了农

3、学家、气候学家、 护林人员、地貌学家和土木工程师。6.2影响土壤水的土壤的物理性质土壤剖面，即处于土壤中的垂直横断面，一般有一些具有不同物理性质的地层和地表构 成。土壤剖面的性质有诸多因素决定，包括原始亲本材料、发育的时间和当时盛行的气候， 也包括植物和地形等因素。土壤系统有三个方面构成：固相，也称土壤基质，由矿物和多孔介质的有机颗粒构成， 土壤空气的气相和土壤水的液相。更准确地说，因为液相中总是含有一些不溶物质，后者有 时被称为土壤的溶液。土壤水系统相当复杂不只是因为近距离之间土壤性质的复杂多变并且 在一定时间内不会保持不变，也与泥土的膨胀和收缩之类的因素有关，还有植物、动物和人 类带来的压

4、力和扰乱。这些因素是由过去的土壤物理学家根据理想化的媒介”诸如玻 璃珠或者多束毛细管的研究得出。因此，水文学家的挑战是将这些理论上、基于实验的概念 应用到现实情境中。这一章节的目的是为水文学者提供一些土壤水理论中最重要的现象和它 们的实际结果的介绍。在给定体积中的水土壤中所含的水及水在土壤中运动的速度取决于土壤粗密度、土壤矿 物颗粒的大小分布和土壤构造，即这些颗粒的集合体。水分可能占据颗粒结构间的空隙和组 织上的空隙。在高湿气含量下，水的流动以在结构间空隙流动为主导，但当土壤干燥时，这 种流动的重要性将急剧下降。一般而言，颗粒越粗，之间可介入的空隙越大，也使得水分动 移更容易发生。因此沙状的土

5、壤会更大量地排水也比吸水和排水更慢的粘性土更具渗透性。发育完好的生土坯是决定土壤物理和化学性质最重要的粒级。沙和淤泥粒级主要构成石 英和其它经历过化学变化的原生矿物。而相反地，构成许多不同性质的次生矿物的黏土主要 由化学风化产生。一个不同点是黏土颗粒并且有更高比表面。大多数黏土吸附在表面并由不 是黏土构造部分的阳离子在外部平衡，这些阳离子也能被其他阳离子代替。一些类型的黏土 只与相邻的区域有微弱的关联，同时内部的表面也能够参与反应。这对残留物、营养物 质和盐分的释放。水能进入这些区域并使它们分离并延展。许多粘性土在湿润情况下膨胀， 在干旱条件下收缩并出现裂缝，这对土壤多孔的特点和水力性质很重要

6、。土壤的构造由构成结构单元或土壤结构体的原生颗粒决定。这些颗粒会被那些作为土壤 水流重要流道的薄弱平面分开。土壤结构的形成过程和土壤结构的稳定性十分复杂并且取决 于许多因素。在土壤表面，集合体会由于天气和土壤耕种而随着时间的推移而发生变化，但 是在更深的范围内它们将更加稳定。植物对地表土壤结构起到十分重要的作用，因为它们的 根部使颗粒聚合以形成稳定的集合体。举个例子，由于高密度的植物根部位于表面，草地群 落对土壤结构的作用特别显著。土壤结构在简单的几何性质上已经十分多样，并且总是定性 地讨论其外形：粒状、块状、柱状等等，并且不管是不定形的还是坚实地结合在一起的，总 是沿着这样的等级发展。然而，

7、这样的描述总是与土壤水文的性质只有略微相关，特别是对 于有结构的粘性土。于是，Bouma建议用示踪法去追踪显示出土壤孔隙中的流道。这些对于土壤性质的宽泛描述为随后的章节奠定基础，随后的章节首先描述了管理储存 土壤水的过程和在理想状态下水的运移，然后是影响土壤湿度和可能出现不自然情境的地区 中土壤水流速的因素。6.3 土壤水的储存在一些新的意见中，Terzaghi注意到如果重力是唯一作用在土壤上的力，那么土壤将会 在每次有雨渗入之后完全排水，因此土壤水将只会在地下水之下被找到。在这样的情况下， 植物的生长将会受到那些降雨非常频繁或者地下水在地表附近的地区的限制。事实上，即使 在干旱时期持续数月甚

8、至数年之久以后之后，自然状态下的土壤总是包含着水分。这说明有 十分强大的力维持着土壤中的湿度。6.3.1保水力主要保持水分的力来自于毛细作用、吸附作用和渗透作用。毛细作用力是由在空气和土 壤水之间的表面张力产生的。液体中的分子之间的相互吸引更强于与空气中的水蒸气分子之 间的吸引，这造成了液体表面的收缩趋势。如果两面的压力刚好相同那么空气与水的接触面 将变得平整，但压力的不同形成弯曲的接触面，内部的压力越强，与弯曲程度相关的凹面也 会更加弯曲。在土壤孔隙的界面中，空气将会受到大气压力，但是水将会处于一个较低压力 的状态下。当水从土壤中抽离，其中交界面的压力差将会上升，使界面更加弯曲，压力差也 只

9、能在更小的气孔中保持。压力差与水的楔形薄膜会使水表面的弯曲程度和水的表面张力随 之变化，与毛细管随着玻璃毛细管的半径在其中上升是同一种方式。在给定粘度和表面张力 下，水的运动在更小的气孔里会更剧烈。因此当土壤中的水分含量下降，大孔的吸力低于小 孔。除了毛细作用力以外，在使极性水分子吸附在固体带电面上的静电力的作用下，液态或 气态的土壤水会被吸附在土壤颗粒的表面。因为只有当非常接近于固体表面时，参与作用的 力才会十分强大，因此只有极薄的水层才会受到作用。不论如何，如果颗粒总表面积大，并 且/或者单位面积带电足够大，一定体积的土壤将会吸收总量足够多的水。在水蒸气状态下， 吸附作用会显著提升降雨少的

10、地区土壤水每日的总变化量以及空气湿度的每日总变化量。特定表面的大小取决于颗粒的大小和形态。当它的颗粒大小减小、颗粒变得更尖锐、扁 平，它的价值将会提升。黏土颗粒大小和有机物质对土壤的特定部分的表面影响最大，小于 0.1 m7g的黏土超过800 m7g的沙子对于延展黏土层的作用，例如蒙脱土。这有助于解释黏 土在延续极久的干旱时期对于水分的强大的保留作用。因此，毛细现象和吸附作用的力都被 视为对土壤施加的压力或者吸力，尽管他们相对重要地依靠土壤结构和土壤含水量吸附力在 黏土中比在沙土中重要，在所有土壤中当水分含量下降时显得更重要。实际上，这些力在平 衡状态中不能被简单的分开估算，因此，在土壤基质中

11、经常用复合效应处理，被称为基质吸 力或者基质势。保持土壤水分你的第三种力是来源于土壤水中的溶解物质引起的渗透压，尽管经常被忽 略，特别是在潮湿的环境中，当不同的溶质集中到具有渗透性的薄膜的时候，渗透压或许十 分重要，这些膜或许在植物根系的表层，使水更难被植物吸收，特别是在盐碱地或者在扩散 阻挡层，比如气孔，允许水汽通过，但是不允许溶质通过，水汽穿过孔隙使得溶液从更稀到 更浓，因为这些阻挡性可溶离子的缺失，将会被渗透以植物动能，使离子达到均匀浓度。 土壤吸收的所有水分是基质作用和渗透作用的总和，前面的研究表明了这些吸收水分的力使 如何随着湿度的变化而变化的，通常来说，土壤有许多形状和大小都变化的

12、气孔，那些大的 出入通道将空在低吸力段而那些狭窄的通道将空在较高吸力段，土壤水分的吸力和湿度的关 系是理解土壤水的特征的基础。6.3.2 土壤水分特征如果缓慢增长的吸力被用于完全饱和的土壤，空气水的界面会降低到土壤以下，保持土壤水 的基质力将会生效。首先，大气孔将会在低吸力段空缺，然而狭窄的气孔用更大的曲率去支 持空气水汽的界面，将不会空直到更大的吸力被强加。土壤吸力和土壤中剩余的水量的关系能通过土芯在实验室被实验性地确定，这个函数就是我 们所熟知的水分特征函数，不同类型土壤的水分特征例子在图表6.2中显示，弯曲的形状和 气孔尺寸的分布有关。通常来说，沙质的土壤比泥质的土壤显出更加弯曲的关系，

13、因为大部 分气孔都会相对变大，当它们空了之后就会有很少的水分还存有，泥质土壤的气孔尺寸分布 得相对较广泛，所以有相对均匀的斜率，水分吸收机制随着吸力的变化而变化，在吸力低的 情况下，主要依靠表面毛细现象的拉力作用，加强气孔尺寸的分布和土壤结构；在吸力高的 情况下，水分吸收主要靠吸附作用，材料的结构和具体表面影响吸附作用的增加，由于大数 量的气孔和较大的吸附作用，在相同吸力作用下，泥质土壤较其他类型的土壤含有更多的水 分。当增加的吸力第一次应用于饱和水分的土壤，几乎没有水会被释放出去，细质材料比如黏土 的临界吸引力明显比有较大孔径的粗砂质要大，然而，因为后者经常有较均匀的孔径，他们 的水分特征显

14、示进入空气的现象比细质土壤明显。事实上，用来排水的吸力与孔径呈负相关，即水分特征的斜率，具体或差分水量，能被 用来预测土壤中有效孔径的分布，如果逐渐增大的吸力用于土壤样本，在吸力增加的情况下， 排除样本中的水的体积代表这些孔隙所占有的体积，他们的直径与吸力范围一致，做类似的 估算必须记住，在高吸力段吸附力而不是表面张力占主导地位，由于扭曲的通道经常穿过其 间，同一时间内并不是所有一定大小孔径的孔隙都是空的，一个充满水的大孔隙被许多小孔 隙包围，大孔隙不会先干除非小孔隙先干，空气才会穿过大孔隙，这种现象能导致水分特征 的猛增，特别是在低吸力段，鲍马指出，这种方法和通过薄层的微形态分析获得的尺寸分

15、布 比通过被湿润的而非被干燥的土壤样本获得的水分特征更适用。6.3.3滞后作用使用水分特征曲线的一个重要局限就是在给定吸力的条件下主要依据吸力值和土壤中 已存的水分，干燥的土壤比重新润湿的土壤特征系数要大，由于之前土壤中存有的水分到影 响现在的平衡状态的现象叫做滞后作用。强吸力下的空气孔比那些充满水分的气孔滞后作用 大部分体现在低吸力和粗结构的土壤中。滞后作用被一系列因素影响，包括气孔几何形状的 复杂性，存在的空气，收缩和膨胀和温度梯度，滞后作用的两个重要原因:墨水瓶效应和接 触角效应这两种行为都是基于气孔行为形成的，前者的效果来自强吸力能使空气进入狭窄的 气孔，使气孔变得更干燥，比进入湿润的

16、气孔更容易，对于大气孔而言，这个结果被空气与 水的接触界面的曲率控制。接触角效应由于液体表面与土壤固体的接触角将会变大当接触界 面变大相对于缩小时，所以当期与强吸力结合在干燥时相对于湿润时，特定的水分含量倾向 于变大，已存在的空气将会减少；刚润湿的土壤的水分含量在实验条件下不能达到真正的平 衡将会引发或者加强滞后作用，水分含量在零吸力条件下或许只有多气孔总量的百分之七十 到百分之八十，但是随着时间的变化将会增加因为水流的取代和水中空气的解离。在细颗粒黏土中，湿润或者干燥将伴随着收缩或者膨胀，这将会导致气孔尺寸的变化和 总体体积密度的变化，增强特定吸力条件下不同体积的水分含量而非稳定的板状基质，

17、水分 从板状颗粒的孔隙流出，颗粒将会运动得更紧密，从而减小总体积，在一些情况下，当薄片 移动得更紧，他们将会重新定位，即使随后又润湿，他们也不可能回到原来的位置，由于在 体积水分含量较低的情况下。黏土的收缩和膨胀不仅反映了黏土的水分含量和吸力，而且反 映了薄层的排斥力和吸引力的相互作用，这些被水溶液中溶质的结构和浓度以及黏土的类型 影响。滞后作用被杰恩斯用许多方法模拟扫描曲线所验证，将会应用于边界湿润和干燥曲线已 知的土壤中，然而在实践中，准确的估算水分特征曲线还存在许多问题，滞后作用经常被忽 略，尽管气孔尺寸的分布与湿润曲线密切相关，干燥曲线更容易实验性地建立和经常应用， 因此，水分特征经常指水分曲线的重新定位。