土壤水分特征曲線的測定及經驗模型對比

李金鷗(遼寧省有色地質局一0四隊,遼寧營口 115007)

?

土壤水分特征曲線的測定及經驗模型對比

李金鷗
(遼寧省有色地質局一0四隊,遼寧營口 115007)

【摘 要】土壤水的基質勢或土壤水吸力是土壤含水率的函數,它們之間的關系曲線稱為土壤水分特征曲線。該曲線反映了土壤水的能量與數量關系,是反映土壤水分運動基本特征的曲線[1]。它是表示土壤基本水力特征的重要指標,對研究土壤水滯留與運移有十分重要的作用。

【關鍵詞】土壤水分特征曲線 壓力膜儀 經驗模型 參數 擬合

1 研究意義

土壤水分運動是陸地水循環的重要組成部分，是地表水與地下水相互作用的紐帶。是降雨—產流計算、農田灌溉與排水設計、地下水補給計算、土壤植物水分定量關系預測的基礎[2]。

土壤水分運動3個參數中以預測非飽和導水率最為困難，土壤水分特征曲線則最容易得到，準確性也最好，方法較多，且通過水分特征曲線模型可以推求其他2個參數，因此，水分特征曲線的獲取對預測土壤水分運動參數至關重要。

圖1 1號土樣各種模型擬合的土壤水分特征曲線

圖2 2號土樣各種模型擬合的土壤水分特征曲線

表1 土樣物理性質表

2 水分特征曲線測試方法

(1)直接方法。分實驗室法和田間方法兩種方式。實驗室內測定主要有張力計法、砂性漏斗法、壓力膜法、離心機法和熱電偶溫度計測定等。田間原位測定大都用張力計法。

(2)經驗公式法。經驗公式法中比較常用的有：Brooks-Corey (1964)模型，van-Genuechten(1980)模型、Gardner-Russo(1988)模型等。

(3)間接推求法。可以分為3類：土壤轉換函數方法、物理—經驗方法、分形幾何方法。土壤轉換函數就是利用已有的土壤基本性質(如粒徑分布、容重、有機質含量等)通過某種算法構建起來的預測吸力與水分含量之間關系的函數[3]。

3 水分特征曲線的影響因素

(1)土壤質地和結構：相同的含水量下，質地越細，水吸力就愈大，曲線愈陡；反之質地越粗，吸力就越小，曲線愈平緩。(2)溫度：在同一吸力條件下，溫度升高，土壤持水量減少，溫度低時，其持水能力增強；或者，在同一含水量條件下，溫度高時，吸力較低，而溫度降低時，則吸力升高。(3)滯后現象：土壤水分特征曲線的滯后作用對任何質地的土壤均存在，吸水和脫水過程，負壓與含水率曲線是不同的。滯后影響的程度不同，土質越輕，滯后的影響越大。目前對滯后現象的解釋存在三種理論，即瓶頸理論[1]、接觸角理論[4]和彎月面延遲形成理論。

4 水分特征曲線模型

本文借助于RETC軟件，選擇具有代表性的BC模型、VG模型，對土壤水分特征曲線中的參數進行擬合，比較擬合效果。

圖3 12號土樣各種模型擬合的土壤水分特征曲線

表2 土樣模型擬合參數值及相關系數

(1)Brooks-Corey 模型(1964)(簡稱 B-C 模型)：

式中Se是飽和度，Se=(θ- rθ )/(θs- rθ )，θ為體積含水率(cm3/ cm3)，rθ和sθ分別為殘含含水率和飽和含水率(cm3/cm3)，hb為進氣壓力值(cm)，h為壓力水頭(cm)，λ是大于零的正常數。sθ是飽和土壤含水量，rθ是滯留土壤含水量，是進氣吸力，為土壤吸力，為形狀系數。

(2)Van Genuchten 模型(1980)(簡稱 VG 模型)：

α是與進氣吸力相關的參數，n和m是形狀系數。

Brooks-Corey模型形式簡單，便于推求描述土壤水分運動模型和確定土壤水分運動參數，對具有較窄孔徑分布的均質和各向同性的粗質地樣本效果較理想，而對于細質地土壤和未擾動的原狀土通常精度較差[5 6]。

van Genuchten 提出的經驗公式不僅能夠表征整個壓力水頭范圍內的水分特征數據，還可方便地利用統計孔徑分布模型來估計水力傳導率，因此在土壤水研究中比較流行[7]。適用土壤質地范圍比較寬，同時可以使飽和土壤吸力為0，符合吸濕過程中土壤吸力變化特點，模型對粗質地的土壤擬合效果最好。

5 研究材料

實驗樣品取自某水文地質環境地質試驗場。樣品編號分別為1、2、4、7、12、14號(見表1)。

6 實驗過程

(1)試驗開始前首先檢查壓力室的密封性能，如無漏氣現象，則壓力室可以使用。(2)對陶土板、土壤樣品進行飽和。排除陶土板微細孔中的空氣。(3)將飽和好的陶土板擦去表面多余的水，放入壓力室內。并測量飽和土樣的重量，記錄數據。頂蓋安裝好并上緊螺絲，確保壓力室不漏氣。(4)給壓力室通入氣體以增加壓力，樣品室的壓力由壓力表控制，樣品在壓力的作用下開始釋水，并通過壓力室出水孔排出室外，當達到平衡時，土的基質吸力就等于施加的氣壓力。(5) 當48小時不再出水時即可認為達到平衡。在達到平衡后，稱量每級吸力下集水瓶的重量，以便測定其含水量的變化。依次施加的吸力分別為0.02、0.05、0.10、0.20、0.32、0.54、0.84、1.20、1.66、2.24、2.94(單位：Bar)。(6)在施加最高一級基質吸力達到穩定后取出土樣、烘干稱重，測定應于最高吸力下的含水量。繪制基質吸力與含水量關系曲線即水分特征曲線。

7 結果分析

使用RETC軟件擬合數據時，選取Brooks—Corey模型、van Genuchten模型擬合參數，并進行對比，得到擬合結果(見表2)。

從圖1、圖2、圖3中可看出，1、2號土樣的兩種模型擬合曲線與實際曲線接近，上下波動不大。12號粉土的VG、B-C模型曲線與實際想接近，但與1、2號擬合結果相比，其誤差最大。

三種土樣的同種模型擬合結果，其精確度大小不同，由R2值對比可看出：VG模型擬合效果粘土(0.99857)好于好于粉土(0.99804)亞粘土(0.99779)；B-C模型擬合效果粘土(0.99799)好于粉土(0.99429)好于亞粘土(0.98995)。

3種土壤的BC模型擬合水分特征曲線結果可以看出：在負壓大于1.66Bar(基質勢—1500cm)時，BC模型擬合結果相對于實測值出現偏移，實測點不能完全落在擬合曲線上。即對于同一種土壤，BC模型在不同的基質勢區間擬合的效果都是不一樣的，VG模型在負壓增大時，曲線偏移并不明顯。

總體上比較三種模型，VG模型擬合效果好于BC模型的擬合效果。

實驗條件環境和操作等方面會對實驗結果的準確性產生影響。同時考慮測定溫度對土壤水分特征曲線的影響對實驗結果加以校正。

參考文獻:

[1]張蔚榛.土壤水動力學[M].北京:中國水利水電出版社,1996.9.[2]王全九,邵明安,鄭紀勇.土壤中水分運動與溶質遷移[M].北京:中國水利水電出版社,2007.4.

[3]van Genuchten M Th,Leij F J,Lund L J(eds．)．Proc．Int．Workshop on Indirect Methods for Estimatingt he Hydraulic Proeprties of Unsaturatedo Sils[M],University of Claifonria,Rivesride,CA, 1992．

[4]邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學[M].高等教育出版社,2006.11.

[5]Leij F,Russell W B,LeschSM,Closed—form expressions for water retention and conductivity data LJJ,Ground Water,1997,35 (5):848—858．

[6]van Genuchten M Th,LeijFJ,YatesSR,The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils [R].USEPARepotr600/2—91/065．U．S．Environmenatl Protection Agency,Ada,Oklahoma,1991．

[7]劉建立,徐紹輝,劉慧.估計土壤水分特征曲線的間接方法研究進展[J].水利學報,2004,2,3:268—75．