水文地质学基础包气带水.ppt

地下水科学与工程教研室 水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology 第五章 毛细现象和包气带水 5.1 毛细现象和毛细水 5.2 土壤水势及其组成 5.3 包气带水分分布及其运动 5.4 涉及包气带水的主要领域 5.1 毛细现象 回顾：包气带、毛细现象 表面张力f、附加表面压强Pc： 弯曲的液面对液面以内的液体产生附加表面压强Pc，其方向总是指向液体表面的曲率中心方向：凸起的弯液面，对液面内侧的液体产生一个正的表面压强（与大气压强作用于液面的方向一致），凹进的弯液面，对液面内侧的液体附加一个负的表面压强。 负： 正： 5.1 毛细现象 毛细压强：弯液面产生的附加压强。 表面张力所引起的附加表面压强Pc表示为： f=α*L 式中a---- 表面张力系数，dyn/cm, 1dyn=10-5N； R----假想的半球状液面的半径； 第五章 毛细现象和包气带水的运动 拉普拉斯方程： 式中R1、R2----液体表面的两个主要曲率半径。 方程的意义：弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附加表面压强，表面压强与表面张力系数成正比，与表面的曲率半径成反比。当毛细管足够细小时，记其直径D=2r，有 第五章 毛细现象和包气带水的运动 毛细负压：是指凹形弯液面产生的附加压强Pc（真空值），其与大气压强作用于液面的方向相反，是一个负压强。 毛细上升高度/毛细压力水头（hc）：将Pc换算为水柱高度，是一个负的压力水头，可用张力计测定包气带的毛细压力水头。 第五章 毛细现象和包气带水的运动 毛细上升高度与悬挂毛细水 任一点的水头H为 H=Z+hp （饱水带中） H=Z-hc （包气带中） 式中Z----由指定基准面算起的位置高度（位置水头）； hp----测压高度（压力水头）； hc----毛细负压（由毛细力引起的负的压力水头）。 第五章 毛细现象和包气带水的运动 用茹林公式计算毛细水头高度： 式中r----水的密度（1g/cm3）； g----重力加速度(981mm/s2) ； a----表面张力系数，74dyn/cm = 74×10-3N/m =0.074g/cm； D----毛细管直径(mm)。 第五章 毛细现象和包气带水的运动 毛细上升高度与悬挂毛细水 毛细上升高度：是水从地下水面沿岩层毛细管上升的最大高度。 最大毛细上高度Hc与毛细管直径D成反比，颗粒细小，hc越大。 第五章 毛细现象和包气带水的运动 最大毛细上高度Hc （据西林—别克丘林，1958） 第五章 毛细现象和包气带水的运动 5.2土壤水势及其组成 土壤水势：单位数量的水所具有的能量与其在参照状态下所具有的能量差。 高度单位（m/cm）表示单位重量水的水势。 总水势： 重力势：在恒温条件下将单位重量的水从参考基准面移到某一高度z，纯自由水所做的功。 压力势：相对于大气压力所存在的势能差 基质势：由非饱和基质对水的吸附力和毛细力产生。 溶质势：溶液与纯水之间存在的势能差。 5.3 包气带水分分布及其运动 包气带垂向分布: 由地面向下某一深度内含水量为一定值，相当于残余含水量（W0），由结合水、孔角毛细水和部分悬挂毛细水构成，是反抗重力保持于土中的最大持水度。 进入支持毛细水带，含水量向下增高，在潜水面之上有一个含水量饱和的带，称为毛细饱和带。它与潜水有密切水力联系，随潜水面变动而变动毛细负压是含水量的函数：hc=hc(w)。 第五章 毛细现象和包气带水的运动 包气带水分 包气带中渗透系数也是含水量的函数：K=K(w)。 含水量w变小时，K迅速变小。其原因： （1）过水断面减小 （2）流动途径的弯曲程度增加， （3）水流在更细小的孔角通道中流动，阻力大。 第五章 毛细现象和包气带水的运动 包气带水运动的基本定律： 垂向一维非饱和达西定律： 降水按活塞式下渗时，任一时刻t的入渗速率，即垂直渗透流速为： 式中Z-----下渗水的前锋到达深度（位置水头为-Z）。 Z小时，v很大；t增大，z变大，hc/z →0时，v=K。 第五章 毛细现象和包气带水 本章小结 掌握毛细现象的实质、毛细压强、毛细负压、毛细上升高度、毛细上升速度的概念和包气带水的运动规律及其与饱水带水运动规律的不同； 了解表面张力、附加表面压强及表示方法、茹林公式的表达方式、不同土的最大毛细上升高度、包气带水分分布特征。