土壤水分特征曲線的測定及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ρ?/h1>
2016-06-02 08:07李金鷗遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì)遼寧營口115007
中國科技縱橫 2016年1期
李金鷗(遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì),遼寧營口 115007)
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土壤水分特征曲線的測定及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ρ?/p>
李金鷗
(遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì),遼寧營口 115007)
【摘 要】土壤水的基質(zhì)勢或土壤水吸力是土壤含水率的函數(shù),它們之間的關(guān)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(shù)量關(guān)系,是反映土壤水分運(yùn)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(biāo),對研究土壤水滯留與運(yùn)移有十分重要的作用。
【關(guān)鍵詞】土壤水分特征曲線 壓力膜儀 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?參數(shù) 擬合
1 研究意義
土壤水分運(yùn)動是陸地水循環(huán)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(chǎn)流計(jì)算、農(nóng)田灌溉與排水設(shè)計(jì)、地下水補(bǔ)給計(jì)算、土壤植物水分定量關(guān)系預(yù)測的基礎(chǔ)[2]。
土壤水分運(yùn)動3個(gè)參數(shù)中以預(yù)測非飽和導(dǎo)水率最為困難，土壤水分特征曲線則最容易得到，準(zhǔn)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(gè)參數(shù)，因此，水分特征曲線的獲取對預(yù)測土壤水分運(yùn)動參數(shù)至關(guān)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(zhì)表
2 水分特征曲線測試方法
(1)直接方法。分實(shí)驗(yàn)室法和田間方法兩種方式。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定主要有張力計(jì)法、砂性漏斗法、壓力膜法、離心機(jī)法和熱電偶溫度計(jì)測定等。田間原位測定大都用張力計(jì)法。
(2)經(jīng)驗(yàn)公式法。經(jīng)驗(yàn)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?？梢苑譃?類：土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)方法、物理—經(jīng)驗(yàn)方法、分形幾何方法。土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)就是利用已有的土壤基本性質(zhì)(如粒徑分布、容重、有機(jī)質(zhì)含量等)通過某種算法構(gòu)建起來的預(yù)測吸力與水分含量之間關(guān)系的函數(shù)[3]。
3 水分特征曲線的影響因素
(1)土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)：相同的含水量下，質(zhì)地越細(xì)，水吸力就愈大，曲線愈陡；反之質(zhì)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(shí)，其持水能力增強(qiáng)；或者，在同一含水量條件下，溫度高時(shí)，吸力較低，而溫度降低時(shí)，則吸力升高。(3)滯后現(xiàn)象：土壤水分特征曲線的滯后作用對任何質(zhì)地的土壤均存在，吸水和脫水過程，負(fù)壓與含水率曲線是不同的。滯后影響的程度不同，土質(zhì)越輕，滯后的影響越大。目前對滯后現(xiàn)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(shù)進(jìn)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(shù)值及相關(guān)系數(shù)
(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(jìn)氣壓力值(cm)，h為壓力水頭(cm)，λ是大于零的正常數(shù)。sθ是飽和土壤含水量，rθ是滯留土壤含水量，是進(jìn)氣吸力，為土壤吸力，為形狀系數(shù)。
(2)Van Genuchten 模型(1980)(簡稱 VG 模型)：
α是與進(jìn)氣吸力相關(guān)的參數(shù)，n和m是形狀系數(shù)。
Brooks-Corey模型形式簡單，便于推求描述土壤水分運(yùn)動模型和確定土壤水分運(yùn)動參數(shù)，對具有較窄孔徑分布的均質(zhì)和各向同性的粗質(zhì)地樣本效果較理想，而對于細(xì)質(zhì)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(jīng)驗(yàn)公式不僅能夠表征整個(gè)壓力水頭范圍內(nèi)的水分特征數(shù)據(jù)，還可方便地利用統(tǒng)計(jì)孔徑分布模型來估計(jì)水力傳導(dǎo)率，因此在土壤水研究中比較流行[7]。適用土壤質(zhì)地范圍比較寬，同時(shí)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(diǎn)，模型對粗質(zhì)地的土壤擬合效果最好。
5 研究材料
實(shí)驗(yàn)樣品取自某水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)試驗(yàn)場。樣品編號分別為1、2、4、7、12、14號(見表1)。
6 實(shí)驗(yàn)過程
(1)試驗(yàn)開始前首先檢查壓力室的密封性能，如無漏氣現(xiàn)象，則壓力室可以使用。(2)對陶土板、土壤樣品進(jìn)行飽和。排除陶土板微細(xì)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(nèi)。并測量飽和土樣的重量，記錄數(shù)據(jù)。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(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，土的基質(zhì)吸力就等于施加的氣壓力。(5) 當(dāng)48小時(shí)不再出水時(shí)即可認(rèn)為達(dá)到平衡。在達(dá)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(zhì)吸力達(dá)到穩(wěn)定后取出土樣、烘干稱重，測定應(yīng)于最高吸力下的含水量。繪制基質(zhì)吸力與含水量關(guān)系曲線即水分特征曲線。
7 結(jié)果分析
使用RETC軟件擬合數(shù)據(jù)時(shí)，選取Brooks—Corey模型、van Genuchten模型擬合參數(shù)，并進(jìn)行對比，得到擬合結(jié)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(shí)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(shí)際想接近，但與1、2號擬合結(jié)果相比，其誤差最大。
三種土樣的同種模型擬合結(jié)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(jié)果可以看出：在負(fù)壓大于1.66Bar(基質(zhì)勢—1500cm)時(shí)，BC模型擬合結(jié)果相對于實(shí)測值出現(xiàn)偏移，實(shí)測點(diǎn)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(zhì)勢區(qū)間擬合的效果都是不一樣的，VG模型在負(fù)壓增大時(shí)，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(shí)驗(yàn)條件環(huán)境和操作等方面會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。同時(shí)考慮測定溫度對土壤水分特征曲線的影響對實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以校正。
參考文獻(xiàn):
[1]張蔚榛.土壤水動力學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,1996.9.[2]王全九,邵明安,鄭紀(jì)勇.土壤中水分運(yùn)動與溶質(zhì)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(xué)[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(jì)土壤水分特征曲線的間接方法研究進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào),2004,2,3:268—75．
李金鷗(遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì),遼寧營口 115007)
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土壤水分特征曲線的測定及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ρ?/p>
李金鷗
(遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì),遼寧營口 115007)
【摘 要】土壤水的基質(zhì)勢或土壤水吸力是土壤含水率的函數(shù),它們之間的關(guān)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(shù)量關(guān)系,是反映土壤水分運(yùn)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(biāo),對研究土壤水滯留與運(yùn)移有十分重要的作用。
【關(guān)鍵詞】土壤水分特征曲線 壓力膜儀 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?參數(shù) 擬合
1 研究意義
土壤水分運(yùn)動是陸地水循環(huán)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(chǎn)流計(jì)算、農(nóng)田灌溉與排水設(shè)計(jì)、地下水補(bǔ)給計(jì)算、土壤植物水分定量關(guān)系預(yù)測的基礎(chǔ)[2]。
土壤水分運(yùn)動3個(gè)參數(shù)中以預(yù)測非飽和導(dǎo)水率最為困難，土壤水分特征曲線則最容易得到，準(zhǔn)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(gè)參數(shù)，因此，水分特征曲線的獲取對預(yù)測土壤水分運(yùn)動參數(shù)至關(guān)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(zhì)表
2 水分特征曲線測試方法
(1)直接方法。分實(shí)驗(yàn)室法和田間方法兩種方式。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定主要有張力計(jì)法、砂性漏斗法、壓力膜法、離心機(jī)法和熱電偶溫度計(jì)測定等。田間原位測定大都用張力計(jì)法。
(2)經(jīng)驗(yàn)公式法。經(jīng)驗(yàn)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?？梢苑譃?類：土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)方法、物理—經(jīng)驗(yàn)方法、分形幾何方法。土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)就是利用已有的土壤基本性質(zhì)(如粒徑分布、容重、有機(jī)質(zhì)含量等)通過某種算法構(gòu)建起來的預(yù)測吸力與水分含量之間關(guān)系的函數(shù)[3]。
3 水分特征曲線的影響因素
(1)土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)：相同的含水量下，質(zhì)地越細(xì)，水吸力就愈大，曲線愈陡；反之質(zhì)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(shí)，其持水能力增強(qiáng)；或者，在同一含水量條件下，溫度高時(shí)，吸力較低，而溫度降低時(shí)，則吸力升高。(3)滯后現(xiàn)象：土壤水分特征曲線的滯后作用對任何質(zhì)地的土壤均存在，吸水和脫水過程，負(fù)壓與含水率曲線是不同的。滯后影響的程度不同，土質(zhì)越輕，滯后的影響越大。目前對滯后現(xiàn)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(shù)進(jìn)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(shù)值及相關(guān)系數(shù)
(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(jìn)氣壓力值(cm)，h為壓力水頭(cm)，λ是大于零的正常數(shù)。sθ是飽和土壤含水量，rθ是滯留土壤含水量，是進(jìn)氣吸力，為土壤吸力，為形狀系數(shù)。
(2)Van Genuchten 模型(1980)(簡稱 VG 模型)：
α是與進(jìn)氣吸力相關(guān)的參數(shù)，n和m是形狀系數(shù)。
Brooks-Corey模型形式簡單，便于推求描述土壤水分運(yùn)動模型和確定土壤水分運(yùn)動參數(shù)，對具有較窄孔徑分布的均質(zhì)和各向同性的粗質(zhì)地樣本效果較理想，而對于細(xì)質(zhì)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(jīng)驗(yàn)公式不僅能夠表征整個(gè)壓力水頭范圍內(nèi)的水分特征數(shù)據(jù)，還可方便地利用統(tǒng)計(jì)孔徑分布模型來估計(jì)水力傳導(dǎo)率，因此在土壤水研究中比較流行[7]。適用土壤質(zhì)地范圍比較寬，同時(shí)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(diǎn)，模型對粗質(zhì)地的土壤擬合效果最好。
5 研究材料
實(shí)驗(yàn)樣品取自某水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)試驗(yàn)場。樣品編號分別為1、2、4、7、12、14號(見表1)。
6 實(shí)驗(yàn)過程
(1)試驗(yàn)開始前首先檢查壓力室的密封性能，如無漏氣現(xiàn)象，則壓力室可以使用。(2)對陶土板、土壤樣品進(jìn)行飽和。排除陶土板微細(xì)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(nèi)。并測量飽和土樣的重量，記錄數(shù)據(jù)。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(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，土的基質(zhì)吸力就等于施加的氣壓力。(5) 當(dāng)48小時(shí)不再出水時(shí)即可認(rèn)為達(dá)到平衡。在達(dá)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(zhì)吸力達(dá)到穩(wěn)定后取出土樣、烘干稱重，測定應(yīng)于最高吸力下的含水量。繪制基質(zhì)吸力與含水量關(guān)系曲線即水分特征曲線。
7 結(jié)果分析
使用RETC軟件擬合數(shù)據(jù)時(shí)，選取Brooks—Corey模型、van Genuchten模型擬合參數(shù)，并進(jìn)行對比，得到擬合結(jié)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(shí)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(shí)際想接近，但與1、2號擬合結(jié)果相比，其誤差最大。
三種土樣的同種模型擬合結(jié)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(jié)果可以看出：在負(fù)壓大于1.66Bar(基質(zhì)勢—1500cm)時(shí)，BC模型擬合結(jié)果相對于實(shí)測值出現(xiàn)偏移，實(shí)測點(diǎn)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(zhì)勢區(qū)間擬合的效果都是不一樣的，VG模型在負(fù)壓增大時(shí)，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(shí)驗(yàn)條件環(huán)境和操作等方面會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。同時(shí)考慮測定溫度對土壤水分特征曲線的影響對實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以校正。
參考文獻(xiàn):
[1]張蔚榛.土壤水動力學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,1996.9.[2]王全九,邵明安,鄭紀(jì)勇.土壤中水分運(yùn)動與溶質(zhì)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(xué)[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(jì)土壤水分特征曲線的間接方法研究進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào),2004,2,3:268—75．
