從土壤水動(dòng)力學(xué)到流域生態(tài)水文學(xué)(完整版)
【正文】 水的相變－潛熱－溫度－相變 水汽的擴(kuò)散與遷移 SPAC 水熱傳輸 土壤中水熱耦合遷移 ? 凍結(jié)條件下土壤水熱耦合遷移 水熱耦合方程 ? ? ? ?tzkzDztiwi??????????????????? ??????? tLzTztTc III???????????????? ??? θ T t0 θ z t1 土壤中水和冰混合，并伴隨有相變。 華夏文明的發(fā)祥地－－黃河幾乎變成了一條干涸的內(nèi)陸河。 供水安全： 我國(guó)人均水資源量不足世界平均水平的 1/3，北方地區(qū)水資源短缺尤其嚴(yán)重。 SPAC水熱傳輸 ? SPAC系統(tǒng)概念 SPAC——Soil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip 土壤 ～ bar 根 3 bar 葉 15 bar 大氣 500 bar Transpiration Evaporation ? 連續(xù)體 ? 驅(qū)動(dòng)力 ——水勢(shì) q = △ ψ1 ／ R1 = △ ψ2 ／ R2 = △ ψ3 ／ R3 = △ ψ4 ／ R4 阻抗 容抗 SPAC水熱傳輸 ? SPAC水熱傳輸模擬 大葉模型 三個(gè)介質(zhì) 土壤 植物（葉） 大氣 兩個(gè)介面 土壤－植物 植物－大氣 大氣 冠層 土壤 λE s Rn Rv Rs c cs cv λE λE v ra ra r1 r1 r2 rs r2 T2 Tb Ta T1 ea eb e2 rC e1* G 顯熱 潛熱 溫度 水汽壓 SPAC水熱傳輸 ? SPAC水熱傳輸模擬模型 能量平衡 SVSVSSSVVVSVNCCCEEEECRECRRRR???????????????水熱擴(kuò)散 aabpaabpbpvcbpbpssbpSrTTccreecErTTccrreecEvrTTccrreecE???????????????????????????1111222土壤 水熱遷移 ?????????????zTztTc ? ? ? ? ?zkzDzt ???????????????? ???? 土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程 ? 土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的研究背景 環(huán)境問題 —— 面源污染 （化肥、農(nóng)藥等） 土壤鹽堿化 ? 土壤溶質(zhì)遷移基本方程 對(duì) 流： q c 彌 散： Dsh ?c/ ?z 分子擴(kuò)散＋機(jī)械彌散 → 水動(dòng)力彌散 源匯項(xiàng)： S c 液相以外的動(dòng)態(tài)貯存： cs ? ? ? ? ? ?Cshs SzqczcvDztcc ?????????????????? ?? . 土壤中溶質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化 土壤溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化行為 ? 土壤中溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的基本行為 （物理、化學(xué)、生物） ?根的吸收 — 根的密度、離子濃度差（競(jìng)爭(zhēng)方程） ?揮發(fā) — 在土壤表面以氣態(tài)形式的損失 ?降解 — 如農(nóng)藥的水解與微生物的降解 c=c0e –kt、半衰期 ti/2= / k ?硝化 — 微生物作用下的氧化， NH4+→ NH 3－ ?反硝化 —微生物作用下的還原， NH3－ → N2， NO2 (一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程） ?溶解與沉淀 ?吸附與解析 — 平衡吸附、動(dòng)力吸附 (一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程） ?可動(dòng)水體與非可動(dòng)水體間的質(zhì)量遷移 ? 化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程 X+Y→Z ?Z/?t = kXnYm ?Z/?t = kXn n=0、 2 區(qū)域水循環(huán)與 CO N和 P等物質(zhì)循環(huán)的耦合 ? 氮（磷）循環(huán)與非點(diǎn)源污染密切相關(guān)，逐漸成為主要污染源 ? 碳循環(huán)與作物生長(zhǎng)密切相關(guān)，對(duì)溫室氣體減排有重要意義 水文水資源－－ 四水轉(zhuǎn)化概念 ? 四水轉(zhuǎn)化概念 降水 大氣水 土壤水 地下水 地表水 蒸發(fā) 三水 ——降水 地表水 地下水 四水 ——大氣水 土壤水 地表水 地下水 五水 ——降水 土壤水 地表水 地下水 植物水 轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)，機(jī)理的認(rèn)識(shí) 土壤水問題應(yīng)用研究 水文水資源－－ 地下水資源評(píng)價(jià) ? 地下水均 衡 P I G G △ H αP βI λG cE0 ET P—降雨 I—渠灌 G—井灌 地下水均衡 μΔH = ?P + ? I – (1?) G – cE0 177。 Reference: River channel restoration : guiding principles for sustainable projects by Andrew Brookes amp。 生態(tài)演替與水文過程密切相關(guān) ?按照 《 濕地公約 》 定義，沼澤、泥炭地、濕草甸、湖泊、河流、滯蓄洪區(qū)、河口三角洲、灘涂、水庫(kù)、池塘、水稻田以及低潮時(shí)水深淺于 6米的海域地帶等均屬于濕地范疇。生態(tài)水文學(xué)研究對(duì)理解人類以及子孫后代的生存環(huán)境至關(guān)重要。 生態(tài)水文學(xué)原理 ?光學(xué)最優(yōu)性 原理 ： 植冠排列和氣候日照導(dǎo)致碳素同化量達(dá)到最大 ?力學(xué)最優(yōu)性原理： 葉傾角使二氧化碳和水汽的冠層導(dǎo)度達(dá)到最大 ?熱力學(xué)最優(yōu)性原理： 葉片溫度等于光合作用的最適宜溫度 ?水文最優(yōu)性原理： 在氣孔張開時(shí)，土壤水分
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