大家好 我是清华大学
水利系吕华芳
今天给大家讲解地下水
文中的经典教学实验
土壤水分特征曲线的测定
土壤中的水分是联系地表水
与地下水的纽带
是陆地植物赖以生存的源泉
因此对它的研究非常必要
也具有重要的现实意义
定性或者定量的描述分析
土壤中水分的运动与保持
主要用到的参数包括土壤
含水率 基质势 给水度
入渗率 导水率 扩散率等
这些参数的准确性
决定与这些参数相关的
土壤水分运动模型的可靠性
而其中用来表征土壤水分
含量与土壤基质势及土壤
吸力的关系曲线 我们把它
叫做土壤水分特征曲线
它是分析土壤水运动
最基本的资料之一
同时也是获取其它水分常数
和土壤水运动参数的基础
这条曲线在地下水文学的
研究中非常非常重要
但是目前无法从理论的
角度去推导
只能以实验的方法去获得
市场上有不少测定土壤水分
特征曲线的装置和仪器
它们测定的范围和使用的条件
都不相同 主要包括离心机法
压力板法 动态露点等温线法
而其中张力计是最简单最直观的
一种方法 也是最适合于做教学
实验的方法 其测定的吸力的
范围只有不到0.1兆帕
但是这个吸力却能反映田间
通常水分含量下土壤的基质势
又因张力计可以直接测定田间
土壤水吸力 因此在田间被广泛采用
本实验的目的就是在实验室条件下
利用张力计法进行土壤吸力的测定
再利用称重法进行土壤含水率的测定
从而绘制出土壤水分特征曲线
让同学们对土壤水含量
与土壤吸力的关系
有一个直观的感性认识
并锻炼实际动手的能力
实验数据处理及报告编写的能力
下面 让我们一起看一看
张力计的组成及原理
陶土头 集气管和负压表
集气管是收集仪器内真空所用
负压表用来读取负压
量程为100厘巴
分度值为2厘巴
张力计的各组成部分及连接在
使用过程中一定要牢固密封不漏气
使用的时候需要先要对张力计
进行排气处理及密封性测试
排气处理前我们首先要准备好
煮沸冷却后的无气泡水和注射管
我们用注射管将无气泡水
灌入到集气管中
灌满水以后将盖子拧紧
张力计倒立 拍打张力计的
各个部分 使其中的水泡溢出来
最后 将集气管中所有的气泡
集中到张力计的顶部
然后再将盖子打开
再用注射器将集气管灌满水
如此 反复进行多次
确认集气管中的气泡完全排出
可将张力计静滞到空气中
进行密封性测试
由于陶土头是多孔的透水介质
其孔径很细 在透水的过程中
会在其内壁形成一层水膜
阻止空气的进入
但当外界吸力足够大时
就会吸破水膜 空气进入
测量失效 我们把这个时候的
吸力称作陶土头的进气值
我们要求陶土头的进气值
在1bar以上
在此前提下其透水性越大越好
通常情况下张力计在空气中
静止4小时 负压表的读数
能达到80厘巴左右
就认为张力计的密封性
是良好的 可以用作实验测定
我们将经过密封性测试的
张力计再次充满水放入到
无气泡水中备用
实验的过程中我们用有机
玻璃罐盛放实验土样
实验罐高12厘米 内经10厘米
罐底均匀的钻有1.5毫米的小孔
以备任何饱和土样所用
此外实验过程中还需要用到烘箱
天平 土钻等其它工具
课堂上我们就不一一陈述
接下来我们看一看实验原理
张力计插入到土样后
张力计中的纯自由水经过
陶土头壁与土壤水就建立
水利联系 在非饱和土样中
仪器中的纯自由水的水势
总是高于土壤水的水势
因此 仪器中的自由水
就会通过陶土头进入到土壤中
但因陶土材料孔径细小
孔隙中形成的水膜
不能使空气透过
因而会在仪器的集气管中
形成一定的真空度
由仪器上的负压表读出
当仪器内外的试值趋于平衡时
仪器中水的总水势与土壤中的
土水势应该是相等的
土水势完整的表达式包括基质势
压力势 溶质势 重力势和温度势
陶土头为多孔透水材料
但并非半透膜
故溶质也能通过
因此 达到平衡的时候
陶土头内外溶液的浓度相等
故它们的溶质势相等
仪器内外温度相等
因而温度势相等
我们将坐标原点选在
陶土头的中心部分
则陶土头中心内外重力势相等
因此 平衡式就可以简化为
土壤中水的基质势加土壤水的
压力势等于仪器内自由水的
基质势加压力势
但在非饱和土壤中
土壤所受到的压力为大气压
因此它的压力势为零
仪器中的自由水无基质势存在
因此仪器中自由水的基质势为零
因此平衡式又可以简化为
如下的表达式
即土壤的基质式等于自由水
受到的压力势 如前所述
我们把坐标原点放在陶土头的
中心部分 则该部分自由水
受到的压力势包括两个部分
一是集气管中的负压
另一部分则是埋在土壤中的
陶土头管中心与土面以上
负压表之间的静水压力
我们定义土壤水吸力为
土壤基质势的负值
因而土壤水吸力的表达式如下
我们将负压表的读数计为p
p1大于0 则土壤水吸力
就可以通过以下的方程式得到
这就是我们的实验原理