地理流的性质,即流的方向、流的速率、流的强度、流的效果等,取决于许多因素,其中一个很重要的因素是在流通道路上所遭遇到的阻力,这种阻抗十分类似于欧姆定律中有关电流的特性,它既取决于地理梯度(相当于电路两端的电动势),也取决于地理阻抗(相当于电路中的电阻)。这种相似类比的结果,使我们有可能依照这种概念去认识地理流。现举出水分在土壤—植物—大气系统中的传输路径,以更深一步地认识地理流(图4-5)。
根据图4-5,将能把水分在系统中的运动性质,从理论解析中加以处理,即建立水这种物质的流动方程。虽然该流动方程是特
指土壤—植物—大气系统的水分流,但是这种揭示具有一定程度的普遍意义。
植物体中水分运动的基本渠道是由根、茎、叶中的木质部导管所提供的,一般说来,这类导管的直径为2~500×10-4厘米。此外,水分运动的渠道还有在根表皮和叶肉中带有宽度为1~100×10-7厘米的细胞壁纤维之间的间隙。当雷诺数较小时,流体运动服从于斯托克斯方程,即在一个通道中水的流动速度V(单位是cm3/cm2·秒)可表示为:
V=-K(gradP ρgradGH-ρFw) (4.3)
式中:K为导管对水的传导度,单位厘米/秒·达因;P为压力;ρ为水的密度;G为重力加速度;H为在地球重力场中的高度;Fw为合成力的代数和,它与φ压力梯度和重力不同,是作用在水流方向上单位物质(水分)质量上的力。
因水的密度ρ接近常数,故上式可以简化为:
V=-Kgradφ (4.4)
式中φ为水分势,它是在标准压力和地球重力场高度时,单位体积的自由水改变到导管状态时所需要的作功数量。公式4-4很容易实行对于导管长度的积分,并且得到:
度。
倘若在水中存在着能扩散的溶质,那么作用于溶质和水分这二者的力都必须考虑。为简化起见,先假定只有一种溶质成分存在于水中,则此时水流(应当是溶液流)的速度为:
V=-K[gradφ-ρs(Fs-Fw)] (4.6)
式中ρs为溶质的密度;Fs为作用于单位体积的、处于水流方向上的溶质的、不同于压力梯度和重力的各种力的代数和。此时的V、φ和ρ就不单单只是水分的、而是溶液的速度、水势和密度。可以很容易把力的差这一项写成:
此处:R为气体常数;T为绝对温度;M为溶质的分子量;as为在(Fs-Fw)的力场中,与位置有关的溶质相对活性。
使用对于渗透压J的近似关系:
并将其代入(4.6)中,得到
上述这种关系一般不可能实行积分,除非在导管中溶质的分布为已知。通过以上对水分流和溶液流的分析,可以认为其基本思路显然也适应于对其他地理流的理解。值得强调的是,只有通过对于流的精确刻划和数学解析,地理系统的性质和行为才能被真正地认识,这正是进行地理流研究的基本出发点。
本文标题:地理流概说(3)
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