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1、第第6 6章章 包气带水包气带水u 6.1 6.1 包气带包气带u 6.2 6.2 毛细水和毛细现象毛细水和毛细现象u 6.3 6.3 土壤水势及其组成土壤水势及其组成u 6.4 6.4 包气带水的分布与运动规律包气带水的分布与运动规律 u 6.5 6.5 研究包气带水的主要领域及其意义研究包气带水的主要领域及其意义本章内容：本章内容：概念概念地表以下，地下水面以上，未被地表以下，地下水面以上，未被水充满的岩土层为水充满的岩土层为包气带包气带。v特点特点： 岩土空隙未被水充满岩土空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存介质是固、液、气三相介质并存介质 v水的存在形式（多样）水的存在形式（多样）
2、 结合水、毛细水（支持、悬挂和孔角毛细水）、气态结合水、毛细水（支持、悬挂和孔角毛细水）、气态水、水、（过路）（过路）重力水重力水v包气带的垂直分带包气带的垂直分带 土壤水带土壤水带 毛细水带（支持毛细水带毛细水带（支持毛细水带、毛细饱和水带毛细饱和水带） 中间带（过渡带）中间带（过渡带）v包气带水的包气带水的来源来源 大气降水的入渗、地表水体的渗漏、饱水带水分上移（大气降水的入渗、地表水体的渗漏、饱水带水分上移（毛细水进入包气带、地下水蒸发进入包气带）毛细水进入包气带、地下水蒸发进入包气带） 6.2.1 概念概念 毛细水毛细水：依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水。：依靠毛细力而保持在毛细空隙中
3、的水。 毛细空隙毛细空隙：是岩土中的细小空隙，一般指直径小于：是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm1mm的孔隙或宽度的孔隙或宽度小于小于0.25mm0.25mm的裂隙。的裂隙。 毛细现象毛细现象：将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升：将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。 毛细水类型毛细水类型：1 1、支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙、支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于中的水。能传递
4、静水压力，当温度低于00时冰结。时冰结。 2 2、悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中、悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈的水。呈“悬挂悬挂”状态，经蒸发后消失。状态，经蒸发后消失。3 3、孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方、孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。 6.2.2 毛细现象的实质毛细现象的实质 毛细现象的产生与表面张力有关。毛细现象的产生与表面张力有关。表面张力：设想在液面上划一根长表面张力：设想在液面上划一根长度为度为L的线段，
5、此线段两边的液面的线段，此线段两边的液面，以一定的力相互吸引，力的作用，以一定的力相互吸引，力的作用方向平行于液面而与此线段垂直，方向平行于液面而与此线段垂直，大小与线段长度大小与线段长度 成正比，即为表面成正比，即为表面张力，力的大小表示为：张力，力的大小表示为：f=L 为液体表面张力系数。为液体表面张力系数。弯液面产生的附加压强，称为毛弯液面产生的附加压强，称为毛细压强，记为细压强，记为PC。PC大小大小设想切取一个半径为设想切取一个半径为R的半圆球的半圆球形液面（右图）。在此液面的圆形液面（右图）。在此液面的圆周状边线上都存在着指向液层内周状边线上都存在着指向液层内部的表面张力；表面张力
6、合力部的表面张力；表面张力合力f为为*2R ，作用于垂直于面积为，作用于垂直于面积为R2 的投影圆面。表面张力所引的投影圆面。表面张力所引起的附加表面压强起的附加表面压强PC为：为： 由于表面张力的作用，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加由于表面张力的作用，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强表面压强PC，附加表面压强总是指向液体表面的曲率中心方向。，附加表面压强总是指向液体表面的曲率中心方向。当液面为凸面时，弯液面承受的压强为当液面为凸面时，弯液面承受的压强为P=P0+PC，当液面为凹面时，弯液面承受的压强为当液面为凹面时，弯液面承受的压强为P=P0-PC，6.2.3 毛细负压计算
7、毛细负压计算 毛细管在水中的凹形弯液面产生的附加压强毛细管在水中的凹形弯液面产生的附加压强PC ，是个负压强，称，是个负压强，称为毛细压强（或毛细负压）。凹形弯液面的水，由于表面张力的作用为毛细压强（或毛细负压）。凹形弯液面的水，由于表面张力的作用，要比平的液面小一个相当于，要比平的液面小一个相当于PC的压强；或者说，凹形弯液面下的水的压强；或者说，凹形弯液面下的水存在一个相当于存在一个相当于PC 的真空值。的真空值。 若将若将PC 换算为水柱高度（以换算为水柱高度（以m为单位），并以为单位），并以HC 表示，则：表示，则： 式中：式中：为水的密度，为水的密度，g为重力加速度，为重力加速度，为
8、表面张力系数，为表面张力系数，D为毛细管直径，为毛细管直径，mm。6.2.4 毛细负压测定毛细负压测定 采用张力计测定包气带的毛细压力水头采用张力计测定包气带的毛细压力水头hc。张力计是一端带有陶土。张力计是一端带有陶土多孔杯的冲水弯管，多孔杯充水后透水而不透气。将多孔杯插入土中多孔杯的冲水弯管，多孔杯充水后透水而不透气。将多孔杯插入土中，经过一段时间后，张力计中的水与土中的水达到平衡，在弯管开口，经过一段时间后，张力计中的水与土中的水达到平衡，在弯管开口部分显示一个稳定的水位。由此水位到放置多孔杯处的垂直距离就是部分显示一个稳定的水位。由此水位到放置多孔杯处的垂直距离就是hc ，如下图。，如
9、下图。毛细负压测定示意图毛细负压测定示意图饱水带中任意一点的水头值饱水带中任意一点的水头值 H可表示为：可表示为： HZ十十hp包气带中任意一点的水头值包气带中任意一点的水头值 H可表示为：可表示为： HZ-hc 式中：式中：Z -基准面高度基准面高度(位置水头位置水头)；hp 测压高测压高度度(压力水头压力水头)； hc 毛细负压。毛细负压。若取潜水面为基准，潜水面处任一点饱水带水若取潜水面为基准，潜水面处任一点饱水带水头值为头值为: H=0 ( Z0，hp=o)； 若包气带支持毛细水的弯液面位于潜水面处（若包气带支持毛细水的弯液面位于潜水面处（右图右图B点），则该点上支持毛细水的水头值为：
10、点），则该点上支持毛细水的水头值为： HZ-hc=-hc 6.2.5 支持毛细水上升高度支持毛细水上升高度 B点即比周围潜水面水头低点即比周围潜水面水头低 ，则在此，则在此水头差驱动下，支持毛细水将上升。水头差驱动下，支持毛细水将上升。当支持毛细水弯液面上升到当支持毛细水弯液面上升到 hc处时，处时，弯液面处（图弯液面处（图56，c点）的水头为点）的水头为H0， 此时支持毛细水带的水头与潜此时支持毛细水带的水头与潜水面上重力水水头相等，支持毛细水水面上重力水水头相等，支持毛细水的弯液面即停留于潜水面的上的弯液面即停留于潜水面的上 hc处而处而不再上升。最大毛细上升高度即为不再上升。最大毛细上升
11、高度即为 hc 。最大毛细上升高度与毛细管直径成反最大毛细上升高度与毛细管直径成反比；所以颗粒细土，最大毛细上升高比；所以颗粒细土，最大毛细上升高度也大。度也大。土的最大毛细上升高度土的最大毛细上升高度据西林据西林别克丘林，别克丘林，1958 6.2.6 悬挂毛细水高度悬挂毛细水高度 毛细力与重力的平衡如下图所示，在上层颗粒细而下层颗粒粗的毛细力与重力的平衡如下图所示，在上层颗粒细而下层颗粒粗的层状土中，细粒层中可形成悬挂毛细水。此时，悬挂毛细水的上端均层状土中，细粒层中可形成悬挂毛细水。此时，悬挂毛细水的上端均出现弯液面，下端的弯液面可以是凸的、平的或凹的。出现弯液面，下端的弯液面可以是凸的
12、、平的或凹的。 指向液面凹侧的箭头表示毛指向液面凹侧的箭头表示毛细力，由于水柱重心向下的细力，由于水柱重心向下的箭头表示重力，线段长度代箭头表示重力，线段长度代表力的大小表力的大小 。6.3.1 土壤水势土壤水势 土壤水势：土壤水势：是指单位数量的水所具有的能量与其在是指单位数量的水所具有的能量与其在 参照状态下所具参照状态下所具有的能量差。有的能量差。土壤水势土壤水势H:w w总水势，总水势，gg重力势；重力势；pp压力势，包括基质势压力势，包括基质势cc和气压势和气压势aa ；ss溶质势（渗透压势）；溶质势（渗透压势）；t t温度势。温度势。 6.3.2 各势物理意义各势物理意义 重力势：
13、重力势：物体从基准面移至某一高于基准面的位置时，需要克服由于地球引力而产生的重力作用，因而必须对物体做功，这种功以重力势能的形式储存于物体中。 压力势：相对于大气压所存在的势能差。压力势：相对于大气压所存在的势能差。基质势：由非饱和基质对水的吸附力和毛细力产生的。基质势：由非饱和基质对水的吸附力和毛细力产生的。溶质势：溶质势：由于可溶性物质（例如盐类），溶解于土壤溶液中，降低了土壤溶液的势能所致。温度势：温度势：是由包气带中各点温度与以热力学确定的标准参照状态的温度之差所决定的。 实际情况下，基本忽略温度势的存在。研究饱水带时主要考虑重力势和压实际情况下，基本忽略温度势的存在。研究饱水带时主要
14、考虑重力势和压力势，研究包气带时主要考虑重力势和基质势，研究植物根系吸水则需要力势，研究包气带时主要考虑重力势和基质势，研究植物根系吸水则需要考虑考虑 溶质势。溶质势。6.4.1 包气带水分分布包气带水分分布在理想条件下，即在理想条件下，即包气带由均质土包气带由均质土构成，无蒸发无入渗情况下，包气构成，无蒸发无入渗情况下，包气带水水分分布稳定带水水分分布稳定时，含水量的垂时，含水量的垂向分布如图向分布如图c所示。土层含水量的所示。土层含水量的变化从上至下可分：变化从上至下可分：残留含水带、支持毛细水带及毛细残留含水带、支持毛细水带及毛细饱和带。饱和带。 残留含水带残留含水带：由地表向下某：由地
15、表向下某一深度内含水量基本为一定值，称一深度内含水量基本为一定值，称为残留含水量（为残留含水量（ W0），相当于持），相当于持水度。构成土层残留含水量的孔隙水度。构成土层残留含水量的孔隙中的水包括中的水包括结合水、孔隙毛细水与结合水、孔隙毛细水与部分悬挂毛细水部分悬挂毛细水（参见图（参见图a放大图放大图、）、）。包气带水分布图包气带水分布图 支持毛细水带支持毛细水带：土层含水量：土层含水量随着接近潜水面而增高（参见随着接近潜水面而增高（参见图图a放大图）。由连通不同孔放大图）。由连通不同孔隙途径的毛细层的毛细水高度隙途径的毛细层的毛细水高度构成。构成。 毛细饱和带毛细饱和带：支持毛细水带：支持
16、毛细水带的下部，位于潜水面之上，土的下部，位于潜水面之上，土层孔隙充满水，含水量饱和（层孔隙充满水，含水量饱和（体积含水量相当于孔隙度）（体积含水量相当于孔隙度）（参见图参见图a放大图）。放大图）。包气带水分布图包气带水分布图6.4.2 6.4.2 包气带毛细负压（包气带毛细负压（h hc c），渗透系数（），渗透系数（K K）与含水量（）与含水量（w w）间的关系间的关系l W W越小，越小，h hc c越大。越大。 随着含水量的降低，毛细水退缩到孔隙更加细小处，弯液面的曲率增随着含水量的降低，毛细水退缩到孔隙更加细小处，弯液面的曲率增大（曲率半径变小），造成毛细负压的负值更大。大（曲率半径
17、变小），造成毛细负压的负值更大。因此，毛细负压是含水量的函数：因此，毛细负压是含水量的函数：hc=hc(W) l W越小，越小，K越小。越小。在包气带中，渗透系数在包气带中，渗透系数K随着含水量的变小而迅速降低，随着含水量的变小而迅速降低，K也是含水量的函数：也是含水量的函数： K=K（W） 主要原因：主要原因： 含水量降低，实际过水断面随之减小；含水量降低，实际过水断面随之减小； 含水量降低，水流实际流动途径的弯曲度增加；含水量降低，水流实际流动途径的弯曲度增加； 含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流动，阻力增加。含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流动，阻力增加。6.4.3
18、6.4.3 包气带水运动规律包气带水运动规律1、运动定律、运动定律 包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。作一维垂直下渗运动时，包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为：渗透流速可表示为： 2、运动速度运动速度 降水入渗补给均质包气带，在地表形成一极薄水层（其厚度可忽略），则降水入渗补给均质包气带，在地表形成一极薄水层（其厚度可忽略），则当活塞式下渗水的前锋到达深度当活塞式下渗水的前锋到达深度Z处时，位置水头为处时，位置水头为-Z（取地面为基准，向上（取地面为基准，向上为正），前锋处弯液面造成的毛细压力水头为为正），前锋处弯液面造成的毛细压力水头为h
19、c 则任一时刻则任一时刻t的入渗速率，即的入渗速率，即垂向渗透流速为：垂向渗透流速为： 入渗初期，入渗初期，Z 很小，很小，hc / Z 值很大，入渗速度很大；值很大，入渗速度很大； t 增大，增大，Z 增大，增大， hc / Z 0，VtK。0()(1)ccctZhZhhVKKKZZZ 3 3、包气带水和饱水带水运动的差异、包气带水和饱水带水运动的差异（1)1)包气带存在毛细负压或基质势，但饱水带不存在包气带存在毛细负压或基质势，但饱水带不存在（2)2)包气带任一点的压力水头是含水量的函数，但稳定流条件下饱水带任包气带任一点的压力水头是含水量的函数，但稳定流条件下饱水带任一点的压力水头是定值
20、。一点的压力水头是定值。（3 3）包气带的渗透系数水含水量的降低急剧变小，但饱水带的渗透系数一）包气带的渗透系数水含水量的降低急剧变小，但饱水带的渗透系数一般不变般不变6.5 6.5 包气带的研究领域及其意义包气带的研究领域及其意义6.5.1 6.5.1 研究包气带的领域研究包气带的领域研究包气带领域的学科主要有：水文地质学、水文学、土壤物理学、研究包气带领域的学科主要有：水文地质学、水文学、土壤物理学、农田水利学、环境科学与工程、岩土工程等。农田水利学、环境科学与工程、岩土工程等。包气带是水文循环的重要环节，水文学家和水文地质学家通常研究大包气带是水文循环的重要环节，水文学家和水文地质学家通
21、常研究大气降水气降水- -地表水地表水- -土壤水土壤水- -地下水的相互转化关系。地下水的相互转化关系。环境科学与工程领域研究包气带，主要是查明污染物在包气带的输运、环境科学与工程领域研究包气带，主要是查明污染物在包气带的输运、转化与归宿机理。转化与归宿机理。岩土工程领域研究包气带，主要是研究非饱和土的物理力学和物理化岩土工程领域研究包气带，主要是研究非饱和土的物理力学和物理化学性质，为岩土工程建设服务。学性质，为岩土工程建设服务。6.5.2 6.5.2 水文地质意义水文地质意义1 1、地下水面之上的支持毛细水的垂向运动，影响着地下水面接受入渗补给、地下水面之上的支持毛细水的垂向运动，影响着
22、地下水面接受入渗补给和受蒸发降低的作用过程，对地下水面形状及地下水流方向和速度也有较和受蒸发降低的作用过程，对地下水面形状及地下水流方向和速度也有较大影响。大影响。l 支持毛细水不仅在垂向上传递静水压力，而且在横向上也传递静水压力支持毛细水不仅在垂向上传递静水压力，而且在横向上也传递静水压力并发生渗流运移，支持毛细水含水量的大小控制着渗流通量的大小及渗流并发生渗流运移，支持毛细水含水量的大小控制着渗流通量的大小及渗流速度的大小；速度的大小；l 在两河渠间无入渗补给的潜水稳定运动条件下，支持毛细水通过饱水带在两河渠间无入渗补给的潜水稳定运动条件下，支持毛细水通过饱水带得到补给并与排水河渠发生水力
23、联系，进行横向运移。得到补给并与排水河渠发生水力联系，进行横向运移。l 在土坝渗流和农田灌溉中，土的颗粒很细，毛细饱水带厚度很大，其中在土坝渗流和农田灌溉中，土的颗粒很细，毛细饱水带厚度很大，其中的横向渗流水不可忽视。的横向渗流水不可忽视。2 2、 在地下水位埋藏很浅处，地下水对降水的反应较为在地下水位埋藏很浅处，地下水对降水的反应较为 迅速，主要是因为迅速，主要是因为支持毛细水发挥了重要作用。支持毛细水发挥了重要作用。3 3、 环境污染问题：在地下水浅埋地区的污染质运移过程中，毛细水发挥环境污染问题：在地下水浅埋地区的污染质运移过程中，毛细水发挥了重要作用。了重要作用。6.5 6.5 包气带的研究领域及其意义包气带的研究领域及其意义思考题：思考题：1、毛细现象的实质？、毛细现象的实质？2、毛细力的计算及如何测定？、毛细力的计算及如何测定？3、包气带水和饱水带水的差异？、包气带水和饱水带水的差异？