含水量
含水量(又称水分含量,含湿量)是指某材料中水的多少,该材料可能是指土壤、岩石、陶瓷亦或水果、木头等等。含水量在诸多科技领域中均有广泛应用,它一般用比值来表示,其大小可以从零(完全干燥)到与该材料的孔隙度相同(即含水量达到饱和状态)。含水量通常有体积含水量和重量含水量两种表示方式。
定义
体积含水量θ一般定义如下:
其中是水的体积,是含水物质的总体积。比如,对于土壤来说、和分别是土壤颗粒和植物组成、水以及空气的总体积。
重量含水量[1]如下定义:
其中是水的质量,是物质的总质量,通常采用烘干前的总质量:
然而在木工、地质技术以及土壤科学等领域,分母一般选用烘干后物质总质量:
若要将重量含水量换算为体积含水量,需要将重量含水量乘以物质散比重:
- .
测量
在土壤中
分类和应用
物质中的水可能是吸附在内表面,也可能是被毛细作用力保留在较小孔隙中。在较低湿度下,水的主要保留方式是吸附作用;在较高湿度下,液态水越来越重要,是否依赖于孔隙大小是影响体积的一个重要指标。在木质材料中,低于98%相对湿度时的水几乎都是吸附水。
在生物学领域,吸附水和自由水的生物学应用也迥然不同——物理吸附水很难从生物材料中被分离。物理吸附水是否会被算到含水量中可能会受到用来确定含水量的方法的影响。为了更好地区分自由水和结合水,在讨论时,必须要考虑水的活性。
水分子可能也会和材料紧紧结合在一起,形成结晶水,比如蛋白质结构中的水就是其固定的组成部分。
地球和农业科学
在土壤学、水文学和农业科学中,水含量对地下水补给、农业以及土壤化学都具有重要意义。近来许多研究都致力于更好地预测时空变化中的含水量改变。观测结果表明,水含量的空间差异在半干旱地区一般会随总体含水量的增大而增大,在湿润地区一般随总体含水量的增大而减小,在温带地区在中间湿度时达到最大差异。[7]
以下是四个常用的标准水含量判定与检测标准:
名称 | 符号 | 吸水压力 (J/kg 或 kPa) |
一般含水量 (vol/vol) |
条件 |
---|---|---|---|---|
饱和水含量 | θs | 0 | 0.2–0.5 | 完全饱和土壤;大小相当于有效孔隙度 |
田间持水量 | θfc | −33 | 0.1–0.35 | 下雨或灌溉后2-3天的土壤湿度 |
永久凋萎点 | θpwp or θwp | −1500 | 0.01–0.25 | 植物开始枯萎时的土壤湿度 |
剩余水含量 | θr | −∞ | 0.001–0.1 | 较高吸水压力下的土壤含水量 |
有效含水量θa等于:
- θa ≡ θfc − θpwp
其最小值能达到0.1(砂砾),最大值能达到0.3(泥煤)。
农业
当土壤十分干燥时,水分主要是结合在土壤颗粒上,植物获取量减少,蒸发减少。当含水量低于永久凋萎点时,植物因为无法再吸水而枯萎,完全停止蒸发。当土壤水含量太低,无法保证植物生长时,便造成农业干旱。这是灌溉管理的一个重要研究方向。
参考文献
- T. William Lambe & Robert V. Whitman. . First. John Wiley & Sons, Inc. 1969: 553. ISBN 0-471-51192-7.
- van Genuchten, M.Th. (PDF). Soil Science Society of America Journal. 1980, 44 (5): 892–898 [2016-11-05]. doi:10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x. (原始内容 (PDF)存档于2013-06-18).
- Dingman, S.L. . Second. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall, Inc. 2002: 646. ISBN 0-13-099695-5.
- F. Ozcep; M. Asci; O. Tezel; T. Yas; N. Alpaslan; D. Gundogdu. (PDF). Geophysical Research Abstracts. 2005, 7 [2016-11-05]. (原始内容存档 (PDF)于2016-03-03).
- . [2016-11-05]. (原始内容存档于2017-12-02).
- . [2007-08-22]. (原始内容存档于2007-09-29).
- Lawrence, J. E. & G. M. Hornberger. . Geophys. Res. Lett. 2007, 34 (L20402): L20402. Bibcode:2007GeoRL..3420402L. doi:10.1029/2007GL031382.
进一步阅读
- (PDF), Vienna, Austria: International Atomic Energy Agency: 131, 2008 [2016-11-05], ISSN 1018-5518, IAEA-TCS-30, (原始内容存档 (PDF)于2017-12-15)