第六章-包气带水ppt课件.ppt
第6章 包气带水,毛细现象与毛细水包气带水的分布与运动规律,本章内容：,6.1 毛细现象和毛细水,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。,（a凹形的液面产生负的表面压强；b凸形的液面产生正的表面压强）,6.1.1 毛细现象及其实质,1、毛细现象,Pa,Pa,Pa,Pa,P=Pa,P=Pa,P=Pa-Pc,P=Pa+Pc,Pc,P,P,Pc,6.1.1 毛细现象及其实质,2、毛细实质 毛细现象的产生与表面张力有关。任何液体都有力图缩小其表面的趋势。一个液体总是力求成为球状同容积的液体表面最小的形状。（1）表面张力：设想在液面上划一根长度为 L 的线段，此线段两边的液面，以一定的力 f 相互吸引，力的作用方向平行于液面而与此线段垂直，大小与线段长度成正比，即为表面张力，力的大小表示为：f=L 为表面张力系数，单位为dyn/cm。（1dyn=0.001N/m）,Pa,Pa-Pc,L,f,f,6.1.1 毛细现象及其实质,2、毛细实质（2）附加表面压强（Pc）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（Pc），而这一附加表面压强总是指向液体表面的曲率中心方向：凸起的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个正的表面压强；凹进的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个负的表面压强毛细压强（毛细负压）,2、毛细实质（2）附加表面压强（Pc）大小 半圆球形液面：设想切取一个半径为R的半圆球形液面，液面的圆周状边线上都存在着指向液层内部的表面张力，其合力为 R2，垂直于面积为R2的投影圆面。表面张力所引起的附加表面压强Pc为：,6.1.1 毛细现象及其实质,2、毛细实质（2）附加表面压强（Pc）大小 任何形状的弯液面：任何形状的弯液面所产生的附加表面压强都可以用拉普拉斯公式表示,表面张力系数；R1、R2液体表面的两个主要曲率半径,拉普拉斯公式特殊形式,拉普拉斯公式涵义：弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附加表面压强，附加表面压强与表面张力系数成正比，与表面曲率半径成反比。,（2）附加表面压强（Pc）大小 实际表面压强（P）,平的液面不产生附加表面压强，实际表面压强为P=Pa；液面为凸形时，附加表面压强为正，实际表面压强为P=Pa+Pc；液面为凹形，附加表面压强为负，实际表面压强为P=Pa-Pc;,毛细现象的实质 毛细现象的产生与液体表面张力有关；与液体对固体表面上的湿润程度有关；弯液面在表面张力作用下产生一个指向液面凹液的附加压强 Pc，称毛细负压；R1=R2=D/2 在Pc作用下，液面将上升一定高度 hc，称为毛细上升高度。,6.1.2 毛细附加压强（毛细压力水头）的测定,Z 位置水头（重力势）；hp 压力水头（压力势）,潜水面处的压力水头为零；饱和带地下水面以下的压力水头为正：（h=hp）；非饱和带压力水头为负：（h=-hc）。,（1）饱水带 测量任一点的压力水头用测压管（压力计），H=Z+hp,（2）包气带 用张力计来测定。张力计是一端带有陶土多孔杯的充水弯管，多孔杯充水后透水而不透气。将此多孔杯插入土中，经过一定时间，张力计中的水与土中的水达到水力平衡，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毛细压头hc,（负的压力水头，称为毛细负压）。H=Z-hc,饱和带非饱和带地下水运动时，总水头（总水势）可表示为位置水头（重力势）z和压力水头（压力势）h之和，即H=z+h 饱和带地下水面以下的压力水头为正：（h=hp）；非饱和带压力水头为负：（h=-hc）；潜水面处的压力水头为零。测出任一点的水位（H），就可得知水的流向，从高处流向低处。,6.1.3 毛细上升高度与悬挂毛细水,多孔介质相互连通的孔隙网络可概化为毛细管,计算时注意两点：分两部分：位置水头z、压力水头hp；基准面的选取：z的基准面潜水面（z=0），hp的基准值是大气压（hp=0）,HA=zA+hAHB=zB+hBHC=zC+hCHA=0HB=?HC=?,HB=zB+hB=0+（-hc）=-hc,Hc=zc+hc=hc+（-hc）=0,A：饱水带中的潜水面处；B：包气带位于潜水面处的支持毛细水弯液面处；C：支持毛细水上升，稳定后，底部弯液面处。,6.1.3 毛细上升高度与悬挂毛细水,（1）毛细上升高度,hc：毛细压力水头 毛细压头 毛细上升高度,（1）毛细上升高度,hc：毛细压力水头 毛细压头 毛细上升高度,毛细上升高度与毛细管直径成反正。因此，颗粒细小的土，最大毛细上升高度也大,（2）悬挂毛细水,细粒层次与粗粒层次交互成层时，在一定条件下，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中会保留与地下水面不相连接的毛细水悬挂毛细水。,悬挂毛细水的上端出现弯液面，下端的弯液面可以是凸的、平的或凹的。为什么下端弯液面会出现凸的、平的或凹的？毛细力与重力关系,指向液面凹侧的箭头表示毛细力，由于水柱重心向下的箭头表示重力，线段长度代表力的大小,（2）悬挂毛细水,1、土壤水势有关概念（1）土壤水势（Soil water potential）：是指在包气带内土壤和水的平衡系统中，将单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状况纯自由水所能做的功。是一种衡量包气带中水具有的能量的指标。（2）参照状况：一般使用纯自由水在参考大气压（标准大气压下）、参考温度（与包气带水具有相同温度）、参考高度下（基准面）的状态。在参照状态下,土水势为零。（3）表述方法：用高度单位（如cm或m）表示单位重量的水势。地下水总是有总水势较高处流向总水势较地处，沿渗流方向总水势递减。,6.2 土壤水势及其组成,2、土壤水势的组成,6.2 土壤水势及其组成,2、包气带水势组成（1）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而做功。在基准面以上z的单位重量的水所具有的重力势能g=z；反之，在基准面以下z时，重力势能为g=-z。（2）压力势和基质势 相对于大气压力（参考零点）所存在的势能差为压力势。在地下水面处，水的压力势为0；在地下水面以下饱和区的静水压力为正值；在地下水面以上非饱和区水的压力势为负值。基质势是由非饱和基质（土壤）对水吸附力和毛细力产生的。将水束缚于土壤中，使土壤水的势能低于自由水。,6.2 土壤水势及其组成,（3）溶质势（渗透压势）将单位水量从一个平衡土-水系统移到没有溶质的、其它状态都与其相同的另一个系统时所能作的功。,6.2 土壤水势及其组成,纯水的溶质势等于零，含有各种溶质的土壤水溶液，溶质势为负值。,在研究地下水运动时，饱和带主要考虑重力势和压力势，包气带主要考虑重力势和基质势。,6.2 土壤水势及其组成,6.3 包气带水的分布与运动规律,6.3.1 包气带水的垂向分布特征,6.3.1 包气带水的垂向分布特征,毛细水饱和带与饱水带异同 1、相同点：两者均为孔隙被水饱和，水运动可用达西定律描述 2、不同点：（1）毛细饱和带与饱水带分别为表面张力和重力（2）饱水带中，任一特定的均质土层，渗透系数 K 是常数；包气带中，渗透系数 K 随含水量降低而迅速变小，K 也是含水量的函数：K=K（W）。渗透系数与含水量呈非线性关系。原因是：含水量降低，实际过水断面随之减少；含水量降低，水流实际流动途径的弯曲程度增加；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。,6.3.2 包气带水运动的基本定律,1、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，渗透流速可表示为：,2、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），则当活塞式下渗水的前锋到达深度 z 处时，位置水头为-z（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-hc则任一时刻t的入渗速率，即垂向渗透流速为：,地面基准面,Z,-hc,3、特点 包气带水的运动，与饱水带的运动相比，有以下三点不同：（1）饱水带存在重力势与压力势，包气带同时存在重力势与毛细势（基质势）；（2）饱水带某点的压力水头与含水量无关，包气带的压力水头则是含水量的函数；（3）饱水带的渗透系数是个定值，包气带的渗透系数随含水量的降低而变小。,用达西定律分析：水由B至B，毛细水的运动 V=I K，假设K不变。,=0,=ZB hc,讨论：,6.3.2 包气带水运动的基本定律,在B点,6.3.2 包气带水运动的基本定律,毛细上升速度：（1）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐 渐减慢，直到停止。（2）毛细空隙：越大，毛细上升速度越小；毛细空隙越小，毛细上升速度越大（3）毛细水可以上升的最大高度hmax，就等于该毛细管可以产生的最大毛细压力水头hc。,6.3.3 包气带水的数量与能量关系,土壤水负压（或基质势）表征包气带土壤水的能量状态。土壤含水量表征土壤水的数量。土壤水分特征曲线或持水曲线反映了土壤水的能量与数量关系，呈非线性关系。土壤含水量越大，负压绝对值越小。,6.3.3 包气带水的数量与能量关系,土壤水分特征曲线不是一个单值函数曲线（实际）相同负压下，土壤水分含量 排水状态 吸水状态 存在着排水滞后现象。排水状态取决于孔喉直径（较小孔径）排水困难 吸水状态取决于孔腹直径 吸水容易,6.3.4 重力疏干给水度的讨论(自学）,6.3.5 包气带（毛细）水运动的水文地质意义,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。许兆义：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速度的大小；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联系，进行横向运移。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。,6.3.5 包气带（毛细）水运动的水文地质意义,2、在地下水位埋藏很浅处，地下水对降水的反应较为迅速，主要是因为支持毛细水发挥了重要作用。3、环境污染问题：在地下水浅埋地区的污染质运移过程中，毛细水发挥了重要作用。,6.4 涉及包气带水的主要研究领域,自学。,
