土壤水分特征曲线

土壤水动力学

学院：环境科学与工程学院专业：水土保持与沙漠化防治学号：

姓名：

土壤水分特征曲线的研究与运用

摘要：土壤水的基质势随土壤含水量而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。本文总结并比较分析了前人在土壤水分特征曲线测定方法中的各种模型，其中对Van Genuchten模型的研究较为广泛。但为之在DPS中求解Van Genuchten模型参数和在试验基础上建立的土壤水分特征曲线的单一参数模型结构较为简单，省时省力，可进一步的推广运用。

关键词：土壤水分特征曲线Van Genuchten模型运用

1.土壤水分特征曲线的研究

1.1土壤水分特征曲线的概念

土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力(基质势)之间的关系曲线。它反映了土壤水能量与土壤水含量的函数关系,因此它是表示土壤基本水力特性的重要指标,对研究土壤水滞留与运移有十分重要的作用[1]。

1.2土壤水分特征曲线的意义

土壤水分特征曲线反映的是土壤基质势(或基质吸力)和土壤含水量之间的关系。土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低而不是自身的含水量。如果测得土壤的含水量,可根据土壤水分特征曲线查得基质势值,从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度[2]。

1.3土壤水分特征曲线的测定方法

1.3.1直接法

通过实验方法直接测定土壤水分特征曲线的方法称为直接法。直接法中有众多的实验室和田间方法，如力计法、压力膜法、离心机法、砂芯漏斗法、平汽压法等，而前3种应用最为普遍。①力计法：是土壤通过土杯从力计中吸收水分造成一定的真空度或吸力，当土壤与外界达到平衡时，测出土壤基质势，再测出土杯周围的土壤含水量，不断变更土壤含水量并测相应的吸力，就可完成土壤水分特征曲线的测定。力计法可用于脱水和吸水2个过程，可测定扰动土和原状土的特征曲线，是用于田间监测土壤水分动态变化重要的手段，在实际工作中得到广泛应用。但力计仅能测定低吸力围0～0．08Mpa的特征曲线。②压力膜法：是加压使土壤水分流出，导致土壤基质势降低直到基质势与所加压力平衡为止，测定此时的土壤含水量．通过改变压力逐步获取不同压力下的含水量即可得到水分特征曲线。压力膜法可应用于扰动土和原状土，测定特征曲线的形状与土壤固有的特征曲线相符，可应用于土壤水分动态模拟，但测定周期长，存在着土壤容重变化的问题。③离心机法：测定某吸力下所对应的含水量，原理和实验过程同压力膜法相似，但其压力来源于离心机高速旋转产生的离心力。离心机法可应用于扰动土和原状土，测定周期短。特征曲线的相对形状与土壤固有的特征曲线相符，可用于土壤水分动态模拟。但是离心机仅可测定脱水过程，且在测定过程中土壤容重变化很大，若能对容重的影响进行校正，可望有较高的测定准确度。邵明安(1985)从土壤蒸发试验的预测与实测的含水量的偏离程度初步研究了以上3种方法测定土壤基质势的差别及准确性，结果表明考虑容重变化的离心机法有较高的准确度。④砂芯漏斗法：就是用一个砂芯漏斗和连接悬挂水柱的土板形成

对土样的吸力。它适用于扰动土和原状土，可测定吸水和脱水2个过程，但是只适合在室使用。⑤平汽压法：是根据在一个平衡体系中各相的自由能相等的原理。让土壤水自然蒸发，使其与容器中的水汽达到平衡。只要测出密封容器中的相对湿度和温度，就可计算出19分子土壤水的势值。它要精确测定密封容器中的相对湿度，对恒温、密封条件要求比较高，但是其测定的土水势围较宽[3]。

以上方法在概念上相对清晰，是测定土壤水分特征曲线的常用方法，但费时、费力、费资金，在测定围上也有较大的限制，不能获取整个含水量围的土壤水分特征曲线，在田间测定水分特征曲线时还存在较大的不确定性。

1．3.2间接法

由干直接法在实际应用中存在诸多问题，特别是在区域尺度上进行实际问题研究时，这类方法多数是不可行的，甚至是不可能的，因此许多土壤物理学家尝试着用数学表达（经验公式）来描述水分特征曲线，通过估计表达式中的参数来确定土壤水分特征曲线。这种方法称为参数估计法(或间接推求法)。目前比较常用的经验公式有Brooks-Corey(1964)模型、Gardner(1970)模型、Van Genuchten(1980)模型和Gardner-Russo(1988)模型。徐绍辉等对此4个模型的话应性进行了分析，认为Van Genuchten模型无论是对粗质地土壤，还是较粘质地的土壤，其拟合效果均较好；夏卫生等[4]通过对国外土壤水动力学参数研究结果进行分析也得出，该样型不仅拟合效果较好，并能和土壤的机械组成和容重等联系起来，从土壤本身特性上找到其含义。因此，在所有描述土壤水分特征曲线的众多样型中，Van Genuchten模型以其线型与实测数据曲线拟合程度好而得到广泛应用[5]。王小王等[5]人结合了Matlab软件对传统耕作和免耕耕作两种方式下土壤水分特征曲线进行分析,建立相应的Van Genuchten模型,

并对模型进行检验和应用，其他们的结果表明Van Genuchten模型适应性好,可以应用于不同耕作条件下的土壤水分分析。

1.3.3 Van Genuchten模型的研究及其进展

1.3.3.1 Van Genuchten模型

土壤水分特征曲线Van Genuchten模型的具体表达形式

θ= θr+(θS- θr)/〔1+(α·h)n〕m

式中:θ是土壤体积含水量(cm3/cm3);h是压力水头(-cm);θr和θS分别代表土壤的剩余体积含水量和饱和体积含水量(cm3/cm3);α(cm-1)和n是经验拟合参数(或曲线性状参数),而m=1-1/n。为适于目前土壤水分测定方法的习惯,本文以土壤水吸力值(+)代替压力水头(-),以重量含水量(g/g)代替体积含水量(cm3/cm3)来研究此模型的参数求解。由于本文的目的在于研究Van Genuchten模型求参的方法,因此不受所选单位的影响[5]。

1.3.3.2土壤水分特征曲线Van Genuchten模型研究进展

由于Van Genuchten模型得到了广泛的应用，许多科学工作者都对其进行了进一步的研究并发展了一些用以确定Van Genuchten模型的方法。邵明安，王全九等[6-7]基于一维土壤水分运动的Richards方程提出了推求土壤Van Genuchten模型和Brooks模型参数的简单入渗法；王金生等［8］将最小二乘法和非线性单纯形法相结合拟合了Van Genuchten模型参数；徐绍辉等［9］也借助最小二乖法并结合Picard迭代法拟合了砂质粘壤土的Van Genuchten模型参数；春友等［10］也利用单纯形调优法拟合Van Genuchten模型的参数；义长等［11］运用Matlab编程软件对辽西琳溶褐土Van Genuchten模型的参数进行了推导估算。尽管这些方法均得到了较好的拟合结果，但这些方法要么借助

干土柱入渗试验，要么算法需要编程，或者借助于Matlab软件。特别是对于Matlab软件来说，它的功能虽然强大，但其工作界面对我国科学工作者来说较难适应，而且要求非常专业的数学知识和较高的外语水平，算法需要编程，这在一定程度上限制了在国土壤物理领域的应用围，存在着耗时、费力和利用效率低等问题。贤等［12］运用DPS数据处理系统求解Van Genuchten模型中的4个参数，不需要复杂的运算符号和繁琐的数学推导，具有操作简单、求解快速、可读性强的忧点，真正使复杂数学问题实现了“所想即所见，所见即所得”。DPS 数据处理系统提供的麦夸特(Marquardt)算法,以绝对平方和为最小目标,获取待估参数,成功地对Van Genuchten模型的参数进行了求算，与Matlab软件计算的参数值相同具有很高的精度。从实用效果上讲，其工效和通用性有明显的提高。从而为土壤学工作者提供了一条运用数值计算方法的新途径。除此之外，宋孝玉等[13]对于Van Genuchten模型参数较多的情况下，在试验的基础上建立了土壤水分特征曲线的单一参数模型，该模型预测的土壤水分特征曲线与实测土壤水分特征曲线比较接近，且该模型参数少，结构简单，省时省力，可进一步推广应用。

2.土壤水分特征曲线的运用

2.1可进行基质势和含水量的相互换算

根据土壤水分特征曲线可将土壤湿度换算为土壤基质势,依据基质势可判断土壤水分对作物的有效程度。也可以将基质势换算为含水量,根据土壤水分特征曲线可查得田间持水量、凋萎湿度和相应的有效水围[2]。

2.2表示比水容量

土壤水分特征曲线的斜率(纵坐标为含水量,横坐标为基质势)或其倒数(纵坐标为基质势,横坐标为含水量),即单位基质势变化所引起含水量的变化,称之为比水容量或水容量。比水容量是衡量土壤水分对植物的有效性和反映土壤持水性能的一个重要指标。如果作物以相同的能量吸水,在不同基质势下从各种土壤中所吸收的水量因比水容量不同而形成很大的差别,比水容量愈高,作物吸水量愈大，一般比水容重在高基质势段高于低基质势段。在高基质势段轻质地土壤的比水容量高于重质地的土壤，而在低基质势段却低于重质地的土壤[2]。

2.3可间接反映土壤空隙的分布

土壤空隙分布主要由颗粒组成和土壤土壤结构决定，土壤水分特征曲线受颗粒组成的影响。若土壤中空隙设想为各种孔径的圆形毛管，那么水吸力S和毛孔直径d关系可简单表示为

S=4σ/d

式中σ为水的表面粘力系数，室温条件下一般为75×10-5N/cm，若吸力的单位为Pa，空隙直径为mm，则空隙直径d和吸力S的关系可表示为d=300/S，由此公式计算出的孔径称为当量孔径或有效孔径。由此可分析土壤通气和透水、土壤水分的吸持、移动以及作物吸收的难易程度。

2.4可判断土壤质地状况和土壤水分在吸力段的分布状况

只要作出土壤水分特征曲线的图，就可以直观的判断有效水的吸力程度。

参考文献

[1]来剑斌，王全九.土壤水分特征曲线模型比较分析［J］.水土保持学报，2003,17（1）：137-140

[2] 开元,玉山.土壤水分特征曲线的意义及应用［J］.农业科学,1991,(4):47-48

[3] 周丽明,王亮,王琳琳,广烈. 土壤水分运动参数研究[J].现代农业科技，2009，（4）：136—138

[4]夏卫生，雷廷武，贤，纪根，英华.土壤水分特征曲线的推算［J］.土壤学报，2003,40（2）：311-315

[5] 王小华,贾克力,景辉.Van Genuchten模型在土壤水分特征曲线拟合分析中的应用［J］，干旱地区农业研究,2009,27(2):179-183

[6] 邵明安,王全九.推求土壤水分运动参数的简单入渗法Ι.理论分析［J］.土壤学报,2000,37（1）:9-16

[7] 邵明安,王全九.推求土壤水分运动参数的简单入渗法Ⅱ.理论分析［J］.土壤学报,2000,37(2):1-8

[8] 王金生,志峰.家军.包气带土壤水分滞留特征研究［J］.水利学报,2000,1(2):1-6

[9] 徐绍辉,家宝.求土壤水力特征的一种迭代法［J］.土壤学报,2000,37(3):271-274

[10] 春友,任理,保国.利用优化法算Van Genuchten方程参数［J］.水利学进展,2001,12(4):473-478