第六章  包气带水

包气带是固液气相同时存在打复杂系统。

包气带：大气水和地表水同饱和带地下水进行水分与能量交换的枢纽，是地表污染物进入地下水的通道。

6.1 毛细现象和毛细水

6.1.1  毛细现象的实质

毛细现象：将细小的玻璃管插入水中，水会在管中上升到一定高度才停止，便是固液气三相界面上产生的毛细现象。

弯液面产生的附加压强称毛细压强，同样记为Pc，在此液面的圆周状边线上都存在着作用于液层的表面张力，其合力为α2πR，垂直于面积为πR2。表面张力所引起的pc＝α2πR/πR2＝2α/R

当毛细管不是圆形时，形成的弯液面并非圆球面，任何形状的弯液面所产生的Pc用拉普拉斯公式

Pc＝α（1/R1+1/R2）R1  R2为弯液面的两个主要曲率半径。

将半径为R的毛细管插入水中，毛细管中的水形成凹形弯液面，并上升一个高度h。当毛细管为圆形足够细时，弯液面接近半圆球形面，即R1=R2＝R时Pc=4α/D  D为毛细圆管直径。

6.1.2 毛细负压及其测定方法 

毛细负压：水在孔隙中经常形成凹形弯液面，产生的Pc与大气压强作用于液面的方向相反。

若将Pc换算为水柱高度，即毛细上升高度或毛细压力水头，用hc表示，单位m

hc=Pc/ρg＝4α/ρgD≈0.03/D

式中表示毛细上升高度hc与毛细管直径成反比，称茹林定律。

在研究饱和带－非饱和地下水运动时，总水头统一表示为位置水头z和压力水头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。

6.1.3  毛细上升高度与悬挂毛细水

多孔介质中相互联通的孔隙网络可概化为毛细管。若取潜水面为基准面，则潜水面处水头值为：H＝z+hp＝0（z＝0  hp＝0）

6.2 土壤水势及其组成

土壤水势：单位数量的水具有的能量与其在参照状态下所具有的能量差。

总水势包括重力势  压力势  基质势  溶质势。

重力势：在恒温条件下将单位重要的水从参考基准面移到某一高度，纯自由水所做的功。重力势的大小与基准面的位置有关。

相对于大气压力所存在的势能差为压力势，潜水面处压力势为零，潜水面以下饱和带的压力势为正，潜水面以上的压力势为负，称为毛细管势和基质势。

基质势：非饱和基质对水的吸附力和毛细力产生的。其大小与岩性  含水量状况有关。饱和带的基质势为零。

溶质势：由于溶质溶于水后，因溶质对水分子的吸引力，降低了土壤溶液的势能。

溶质势（渗透势）：当土－水系统中存在半透膜时，水将通过半透膜扩散到溶液中去，这种溶液与纯水之间存在的势能差。溶质势恒为负值。

一般研究饱水带时主要考虑重力势和压力势，研究包气带主要考虑重力势和基质势，研究植物根系吸水考虑溶质势。

6.3包气带水的分布与运动规律

6.3.1包气带水的垂直向分布特征

在潜水面之上有一个含水量饱和的带，称为毛细饱和带。支持毛细水带是在毛细力作用下，水分从潜水面上升形成的，因此它与潜水面有密切的水力联系，随潜水面变动而变动。支持毛细水带中含水量向深部逐渐增加以达到饱和的原因是因为土中孔隙实际上是由大小不一的孔隙通道构成的网络，细小的孔隙通道毛细上升高度大，较宽大的孔隙通道毛细上升高度小。最宽大的孔隙通道也被支持毛细水充满的范围，便是毛细饱和带。

包气带中毛细负压水头hc（绝对值）随着含水量的变小而变大，是含水量的函数：hc=hc(W)

随着含水量降低，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），造成毛细负压水头hc（绝对值）更大。饱水带中，任一 特定的均质土层，渗透系数K是常数；但在包气带中，非饱和渗透系数K是含水量的函数，随含水量降低而迅速变小：K=k(w)

原因是：（1）含水量降低，实际过水断面随之减少；（2）含水量降低，水流实际流动途径弯曲程度增加；（3）含水量降低，水流在更窄小的孔隙通道中流动，阻力增加。包气带的渗透系数与含水量呈非线性关系。