土壤水分特征曲线的测定及经验模型对比

学术研究
(1)Brooks-Corey 模型(1964)(简称 B-C 模型):
于1.66Bar(基质势—1500cm)时,BC模型拟合结果相对于实测值出 现偏移,实测点不能完全落在拟合曲线上。 即对于同一种土壤,BC模 型在不同的基质势区间拟合的效果都是不一样的,VG模型在负压 增大时,曲线偏移并不明显。
7 结果分析
使用RETC软件拟合数据时,选取Brooks—Corey模型、 van Genuchten模型拟合参数,并进行对比,得到拟合结果(见表2)。 从图1、 图2、 图3中可看出,1、 2号土样的两种模型拟合曲线与实 际曲线接近,上下波动不大。 12号粉土的VG、 B-C模型曲线与实际 想接近,但与1、 2号拟合结果相比,其误差最大。 三种土样的同种模型拟合结果,其精确度大小不同,由R2值对比 可看出:VG模型拟合效果粘土(0.99857)好于好于粉土(0.99804)亚粘 土(0.99779);B-C模型拟合效果粘土(0.99799)好于粉土(0.99429)好 于亚粘土(0.98995)。 3种土壤的BC模型拟合水分特征曲线结果可以看出:在负压大
r 1 1 h<0 n m=1s r n 1 ah 是与进气吸力相关的参数,n和m是形状系数。
m
总体上比较三种模型,VG模型拟合效果好于BC模型的拟合效 果。 实验条件环境和操作等方面会对实验结果的准确性产生影响。 同时考虑测定温度对土壤水分特征曲线的影响对实验结果加以校 正。 参考文献:
3
hb h hb S e h h hb 1
式中Se是饱和度,Se=( r )/( s r ), 为体积含水率(cm / cm3), r 和 s 分别为残含含水率和饱和含水率(cm3/cm3),hb为进气 压力值(cm),h为压力水头(cm), 是大于零的正常数。 s 是饱和土 壤含水量, r 是滞留土壤含水量,是进气吸力,为土壤吸力,为形状 系数。 (2)Van Genuchten 模型(1980)(简称 VG 模型):
[7]
5 研究材料
实验样品取自某水文地质环境地质试验场。 样品编号分别为1、 2、 4、 7、 12、 14号(见表1)。
6 实验过程
(1)试验开始前首先检查压力室的密封性能,如无漏气现象,则 压力室可以使用。 (2)对陶土板、 土壤样品进行饱和。 排除陶土板微细 孔中的空气。 (3)将饱和好的陶土板擦去表面多余的水,放入压力室 内。 并测量饱和土样的重量,记录数据。 顶盖安装好并上紧螺丝,确 保压力室不漏气。 (4)给压力室通入气体以增加压力,样品室的压力 由压力表控制,样品在压力的作用下开始释水,并通过压力室出水 孔排出室外,当达到平衡时,土的基质吸力就等于施加的气压力。 (5) 当48小时不再出水时即可认为达到平衡。 在达到平衡后,称量每级吸 力下集水瓶的重量,以便测定其含水量的变化。 依次施加的吸力分别 为0.02、 0.05、 0.10、 0.20、 0.32、 0.54、 0.84、 1.20、 1.66、 2.24、 2.94(单 位:Bar)。 (6)在施加最高一级基质吸力达到稳定后取出土样、 烘干称 重,测定应于最高吸力下的含水量。 绘制基质吸力与含水量关系曲 线即水分特征曲线。
2 水分特征曲线测试方法
(1)直接方法。 分实验室法和田间方法两种方式。 实验室内测定 主要有张力计法、 砂性漏斗法、 压力膜法、 离心机法和热电偶温度计 测定等。 田间原位测定大都用张力计法。 (2)经验公式法。 经验公式法中比较常用的有:Brooks-Corey (1964)模型,van-Genuechten(1980)模型、 Gardner-Russo(1988)模 型等。 (3)间接推求法。 可以分为3类:土壤转换函数方法、 物理—经验 方法、 分形几何方法。 土壤转换函数就是利用已有的土壤基本性质 (如粒径分布、 容重、 有机质含量等)通过某种算法构建起来的预测吸 力与水分含量之间关系的函数[3]。
(2-3)
[1]张蔚榛.土壤水动力学[M].北京:中国水利水电出版社,1996.9. [2]王全九,邵明安,郑纪勇.土壤中水分运动与溶质迁移[M].北京:中 国水利水电出版社,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,黄明斌.土壤物理学[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]刘建立,徐绍辉,刘慧.估计土壤水分特征曲线的间接方法研究进 展[J].水利学报,2004,2,3:268—75．
1 研究意义
土壤水分运动是陆地水循环的重要组成部分,是地表水与地下 水相互作用的纽带。 是降雨—产流计算、 农田灌溉与排水设计、 地下 水补给计算、 土壤植物水分定量关系预测的基础[2]。 土壤水分运动3个参数中以预测非饱和导水率最为困难,土壤 水分特征曲线则最容易得到,准确性也最好,方法较多,且通过水分 特征曲线模型可以推求其他2个参数,因此,水分特征曲线的获取对 预测土壤水分运动参数至关重要。
12 号（粉土） Brooks—Corey 模 型 0.0004 0.85467 0.55667 0.12087 0.99429 van Genuchten 模型 0.00387 2.47287 0.56793 0.15233 0.99804
n
R
2
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China Science & Technology Overview
Brooks-Corey模型形式简单,便于推求描述土壤水分运动模 型和确定土壤水分运动参数,对具有较窄孔径分布的均质和各向同 性的粗质地样本效果较理想,而对于细质地土壤和未扰动的原状土 通常精度较差
[5 6]
。
van Genuchten 提出的经验公式不仅能够表征整个压力水头 范围内的水分特征数据,还可方便地利用统计孔径分布模型来估计 水力传导率,因此在土壤水研究中比较流行 。 适用土壤质地范围比 较宽,同时可以使饱和土壤吸力为0,符合吸湿过程中土壤吸力变化 特点,模型对粗质地的土壤拟合效果最好。
3 水分特征曲线的影响因素
(1)土壤质地和结构:相同的含水量下,质地越细,水吸力就愈 大,曲线愈陡;反之质地越粗,吸力就越小,曲线愈平缓。 (2)温度:在 同一吸力条件下,温度升高,土壤持水量减少,温度低时,其持水能 力增强;或者,在同一含水量条件下,温度高时,吸力较低,而温度降 图 1 1 号土样各种模型拟合的土壤水分特征曲线 低时,则吸力升高。 (3)滞后现象:土壤水分特征曲线的滞后作用对任 何质地的土壤均存在,吸水和脱水过程,负压与含水率曲线是不同 的。 滞后影响的程度不同,土质越轻,滞后的影响越大。 目前对滞后 现象的解释存在三种理论,即瓶颈理论[1]、 接触角理论[4]和弯月面延 迟形成理论。
4 水分特征曲线模型
本文借助于RETC软件,选择具有代表性的BC模型、 VG模型, 对土壤水分特征曲线中的参数进行拟合,比较拟合效果。 图 2 2 号土样各种模型拟合的土壤水分特征曲线 表 1 土样物理性质表
编号 1号 2号 4号 7号 12 号 14 号 野外定名 亚粘土 粘土 粘土 亚粘土 粉土 粘土 含水率% 0.3208 0.4000 0.4059 0.3536 0.3912 0.3500 取样深度/m 8.3-8.5 9.4-9.5 10.4-10.6 12-12.0 18.7-18.9 20.6-20.8 干密度 g/cm 1.226 1.203 1.132 1.160 1.208 1.228
3
图 3 12 号土样各种模型拟合的土壤水分特征曲线
表 2 土样模型拟合参数值及相关系数
土样编 号 参数值 1 号（亚粘土） Brooks—Corey 模 型 0.02498 0.44263 0.55000 0.98995
2016年1月上 第01期 总第229期
2 号（粘土） van Genuchten 模型 0.01114 1.59085 0.54500 0.99779 Brooks—Corey 模 型 0.07766 0.19550 0.61000 0.99799 van Genuchten 模型 0.06084 1.20638 0.60961 0.99857
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学术研究
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土壤水分特征曲线的测定及经验模型对比
李金鸥 (辽宁省有色地质局一 0 四队,辽宁营口 115007)
【摘 要】 土壤水的基质势或土壤水吸力是土壤含水率的函数,它们之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线。 该曲线反映了土壤水的能量与数 量关系,是反映土壤水分运动基本特征的曲线[1]。 它是表示土壤基本水力特征的重要指标,对研究土壤水滞留与运移有十分重要的作用。 【关键词】 土壤水分特征曲线 压力膜仪 经验模型 参数 拟合