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1、读书破万卷下笔如有神6.9 土壤中的现场测量除了最强烈的暴雨， 基于土壤表面饱和假定基础上的渗透计算是不合理的，（例如格林安姆特方法） ，理查德方程（方程6.6）的许多解法可以用来深入了解在不同的降雨率情况下水分是如何渗入土壤的（见本章末尾的“深入探讨” ） ，在本章中，迄今为止，已发展成熟的物理原理为我们理解在土壤中发生的过程提供了基础条件，但确实也使其更加复杂了。让我们看看一些在缅因州奥罗诺附近流域土壤中收集到的数据，一个喷水设备设立在土壤表面用来模拟降雨。我们使用张力计测定毛管压力水头，用时域反射技术（TDR）测定含水量，见 6.7 节。在有机土层接近土壤表面（大约在地表以下50mm）进
2、行测量，为期9 个小时。在最开始的4.5小时内，喷水器以每小时11mm的速率向土壤表面喷水，随后将其关闭。最开始土壤的毛管压力水头大约为-0.40m（见图 6.12） ，在开始喷水后的 15分钟至 45 分钟之间，毛管压力水头迅速地增至约-0.15m，表现为一段急剧上升的曲线， 在持续喷洒余下的时间里， 毛管压力水头继续缓慢的增长，鉴于本章我们已建立的原理，这是合理的。由于水渗入土壤并向下移动， 它填补了被空气占据的毛孔， 并且毛管压力负值也不那么大了。图 6.12 在土壤喷洒实验中毛管压力水头和体积含水率。在 0 时刻以 11mm/h,的速率开始喷洒并持续4.5 小时，随后的4.5 小时内，
3、土壤表面和垂直向下方向基本上没有水分消耗。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 读书破万卷下笔如有神土壤水分的测量结果印证了这普遍的图片（图6.12） ，水分含量最初为 26%，并从第 0.5 小时稳步上升到第4.5 小时，水分含量并不像毛管压力水头那样迅速上升，但是，在喷洒停止后，水分含量和毛管压力水头似乎以一种更直接的方式一起变化，先前我们假定降雨量与毛管压力水头存在直接关系， 但出现的并不是我们
4、所期望的水力特征。喷洒实验中土壤水分特征是什么样的呢？我们可以通过直接描绘含水量测量值与毛管压力水头测量值进行对比来回答这个问题。图 6.13 通过喷洒实验确定缅因州土壤有机层的水分特征。在曲线中，水分滞后曲线是显而易见的。由于在喷洒期土壤吸水，y 和 q沿曲线底部共变； 当喷洒停止后， 土壤排水，y 和 q 沿曲线顶部共变。缅因州土壤的水分特征显示了水分滞后曲线（图6.13） ，最初，土壤相对干燥（ y 约为-0.40m，q 约为 26%） ，随着不断喷洒，土壤逐渐变湿， y 迅速增长到约 -0.16m，当这些变化发生时，q 增长期相对很小，从 26%变为 27%，y 下一阶段的改变相对缓慢
5、， 增长到 -0.15m，但是，q 相应大幅增长至 38%，喷洒停止后，含水量和毛管压力水头沿不同的特征曲线共变， 上面定义的湿润土壤曲线的一个分支水分滞后现象就是指取决于土壤干燥或是湿润，在图上使其遵循不同路径的现象。水分滞后现象是如何产生的？这一概念的认识可以通过扩大我们的毛细管类比而得到。考虑一个有灯泡形状扩张的毛细管（图6.14） ，这个解释滞后现象的毛细管比喻常被称为“墨瓶效应”，因为毛细管的形状让给人联想到用于从一个瓶子转移墨水到钢笔中所用名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - -
6、 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 读书破万卷下笔如有神的笔管。图 6.14 带有灯泡形扩张的毛细管的滞后现象。如图（a）所示，管的“含水量”在“吸”水期间仍然很低，这是因为直到毛管压力水头增加到大直径相关值时，水才能进入管的大直径部分；另一方面，如图（b）所示，在“排水”期间，“含水量”仍然很高，直到毛管压力水头下降到小直径管的临界值。假设管的小直径部分可以容纳水量相当于-0.40m 的压力水头，管的大直径部分可以保存相当于-0.15m 压力水头的水量，考虑到图 6.14（a）下对管“湿润”的描述，直到毛管压力水头在灯泡状扩张部分打到-0
7、.15m 时，水才能通过管的大直径部分， 大直径部分能容纳管中大部分的水，注意到管中的“含水量”将会保持在低水平，直到灯泡状部分被水充满，就像这种类比，随着水从低位进入管中，毛管压力谁水头从 -0.40m 增加到 -0.16m,“含水量”则相对变化很小，随着在灯泡状部分的底部毛管压力水头到达-0.15m， “含水量”突然激增，这是因为水可以进入管的灯泡状部分。相反，如果灯泡状部分是满的（图 6.14b，高“含水量”）并且在管中的毛管压力是减小的，因而排空了水管。当灯泡状顶部部分的压力水头减至-0.40m时，管的灯泡状部分将会排干，这是因为水可以容纳在灯泡状以上管的小直径部分，而且水可以容纳在灯
8、泡状以上管的小直径部分，而且水可以保留在管的较高的部分。这种类比表明，对于这种特殊的毛细管，在给定的应用毛管压力水头下，管排水时比同水头吸水时的“含水量”要高。这就是缅因州土壤中观察到的水分滞后形式。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 读书破万卷下笔如有神滞后性并不是这片区域考虑流动时唯一出现复杂的地方，真正的土壤是非均匀的。例如，我们可以考虑垂直土壤性质的变化，不同的土层，不严格的说，土层通常有不
9、同的水力特性，对于缅因州的喷洒实验，毛管压力水头分别在四个不同深度的土壤和四个不同地层测量的，考虑到这些观察，我们看到，在格林安普特模型中，如预想中顺利向下通过土壤湿润峰的进程也被中断（图6.15） 。图 6.15 缅因州四个不同森林土壤地层测定压力水头的喷洒实验。以恒定速率11mm/h，在时间为零时开始喷水，经过4.5 小时候停止，在不同深度压力响应的滞后是由于水分在土壤中向下流动的时间差造成的。 在 Bhs 地层中压力增加到很小的正值，表明水分流入地下 Bs2 地层时被阻止，地下水位建立在C 地层中，因为其基础的材料是具有很低渗透性的冰碛物。我们看一下在 OA 地层以上附近的土壤表层， B
10、hs 地层是下一个最深的，设立在Bhs 地层的毛管压力水头从 -0.45m 到很小的正值，正值毛管压力水头表明渗透层必须设立在水流进入下一更低层Bs2之前的这一层。显然，水流入 Bs2层时存在一种阻碍， 引起水的回流，直到正压力增加了这层的水力梯度。在C 层，正压力水头表明，地下水位饱和深度增加了100mm，随着不同深度的水力特性的改变影响土壤层垂直水分运动。有趣的是，Bs2地层以上水的“回流”很可能是因为 Bs2 地层比 Bhs地层更加粗糙的缘故。 由沉积下来的粗糙地层（在下一节中进一步描述） 所提供的不饱和材料对水流动的阻碍是非常重要的，但并不直观。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -