毛乌素沙地土壤水分特征曲线和入渗性能的研究

林业科学研究2004，17（增刊）：9～14

Forest Research

文章编号：1001-1498（2004）增刊-0009-06

毛乌素沙地土壤水分特征曲线和

入渗性能的研究

张强1，孙向阳1*，黄利江2，王涵2，张广才2

（1.北京林业大学水土保持学院，教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室，北京100083；

2.宁夏林业研究所，宁夏银川750004）

摘要：采用张力计法测定了毛乌素沙地低吸力段土壤水分特征曲线，并用θ=aφ-b模型进行了拟合，分析了各层次土壤的持水和供水能力。结果显示：0～20cm的土壤持水能力最差，但供水能力最强，40～60cm的土壤持水能力最强，供水能力一般；当土壤吸力达到0.06～0.08MPa，即土壤容积含水率在1%～3%时，比水容量就已达到了10-1级，标志着土壤水分处于难效水阶段，植物利用比较困难；

在室内采用环刀法测定了沙地土壤水分的入渗率，结果显示：有植被覆盖的试验区的初始入渗率、稳定入渗率和累积入渗量都比无植被覆盖的对照区大，说明该地区植被对土壤水分的消耗影响显著。

关键词：毛乌素沙地；土壤水分特征曲线；入渗率

中图分类号：S152.7文献标识码：A

在干旱、半干旱地区，特别是在沙漠地区，土壤水分是植物生长的主要生态因子之一。在土壤吸力小于0.1MPa的低吸力段所吸持的水分主要受毛管力支配，运动能力强，有效程度高，是土壤水分工作者研究的主要对象。而入渗是沙漠水分循环的重要环节，是地气系统界面的重要现象，也是荒漠生境SPAC系统水分运移的重要过程之一（特别是短时降雨后）。因此，了解土壤在低吸力段条件下的持水和供水能力及地表水的入渗机制，对于干旱区植被恢复建设及经营管理具有重要的指导意义。

1试验区自然概况

毛乌素沙地处于半干旱地区，气候为温带大陆性气候，年平均气温6.4℃，年日照时数2900h，年太阳辐射6568MJ?m-2，年平均降水量360.8mm，分布不均，7—9月降水量占全年降水量的69.5%，且多以暴雨形式在数日内降落，冬季降雪量小于年降水量的2%，降水量年变量达250mm，干旱年份出现率为28.6%，年蒸发量2300mm，湿润度0.3，平均风速3.3m?s-1，大风多出现在4—5月间，以西北风为主，夏季盛行东南风。

收稿日期：2004-05-28

基金项目：教育部优秀青年教师资助项目、人事部留学回国人员科技择优项目重点类课题和国家“十五”西部攻关

专项（2001BA901A34）及北京林业大学研究生院2003年度研究生培养基金项目联合资助

作者简介：张强（1979—），男，辽宁，硕士，主要研究方向：土壤水，电话：010********cn zq98@https://www.wendangku.net/doc/fc14741873.html,

*责任作者：孙向阳（1965—），男，山东，博士，教授，主要研究方向：土壤生态010********xiangyang sun@https://www.wendangku.net/doc/fc14741873.html,

试验地设在毛乌素沙地南缘，位于宁夏盐池县（99o11'～99o21'E ，39o43'～39o47'N ）灌木园一块面积为1250m 2的人工柠条（Caragana intermedia Kuang et H.C.Fu ）林内，柠条株、行距为1.5m ×2m ，

其下有覆盖度不同的油蒿（Artemisia ordosica Krasch.）群落。2

实验方法

2.1

低吸力段土壤水分特征曲线

用自制铁桶（高20cm ，直径30cm ）取原状土，由桶底供水，使土样充分湿润至饱和，然后插

入张力计，并将TDR 探头埋入相同深度处，平衡一昼夜后放置于通风处，让其蒸发脱水，每天

观察张力计读数变化和TDR 测定土壤含水率［1］。张力计读数即为土壤水吸力值，土壤水吸力

与基质势数值相等，符号相反，由此得出低吸力段土壤水分特征曲线。2.2

土壤入渗水量的测定

用大环刀（高20cm ，直径10cm ）取原状土，从上部加水至水层为5cm ，并立一根直尺以便观察水层厚度，开始计时，定时观察水层下降高度（根据大环刀面积换算出入渗水量），而后继

续加水至5cm 高，同时测量水温，待入渗稳定（本试验大约在80min ）后结束实验

［2］

。3结果分析

3.1

土壤水分特征曲线（低吸力段0～0.1MPa ）

土壤水分特征曲线是指土壤水的基质势或土壤水吸力随土壤含水率变化的关系曲线，它表示土壤水的能量和数量间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤持水特性的曲线［3］

。实验采用如下方程进行拟合：

表1土壤低吸力段水分特征曲线方程及相关系数

土壤层次/cm

水分特征曲线

相关系数R 0～20θ=2.563φ-0.8120.97720～40θ=3.712φ-0.6960.98640～60

θ=3.944φ

-0.711

0.984

图1

低吸力段土壤水分特征曲线（脱水曲线）

θ=a φ

-b （1）式子中φ为土壤水吸力，θ为土壤

容积含水量，a 、b 为系数。拟合结果见表1。

土壤水分特征曲线（图1）的高低反映了土壤持水能力的强弱，即曲线越高，持水能力越强；曲线越低，持水能力越弱。从图1可以看出：3个土层中40～60cm 的土壤持水能力最强，而土壤含水率随水势降低的速度最慢；0～20cm 的土壤持水能力最弱，而土壤含水率随水势降低的速度最快；20～40cm 的土壤介于二者之间，但更接近40～60

1林业科学研究第

17卷

cm 的土壤，

说明与40～60cm 的土壤在物理性质方面较为相似。从图1还可以看出，在同一吸力条件下，土壤各个层次所保持的土壤水分的数量是不同的，40～60cm 的土壤保持的土壤水分的数量最大，0～20cm 的土壤保持的土壤水分的数量最少。土壤剖面观察可以清楚地看到柠条和沙蒿的根系在20～60cm 的分布相对较多，这对其抗旱相当有利。但土壤水分数量的多少并不一定代表土壤水分有效性的高低，还要借助土壤比水容量来加以衡量。

过去，人们根据实践经验，把土壤有效水的范围限定在“田间持水量”与“凋萎含水率”之间，现在通常将0.033MPa 作为一般壤质土有效水的上限，而砂质土则约为0.01MPa 。由图1

可以看出，该沙地的田间持水量约为110g ?kg -1，远远小于甘肃几种旱地壤土的232g ?kg -1

（平均值），但当土壤含水量处于田间持水量时，土壤水吸力降低0.01MPa 后，沙地土壤可以释放出接近50g ?kg -1的水量，而甘肃几种旱地壤土只释放出约20g ?kg -1的水量。由此看出，该沙地土壤虽然持水能力较差，但在一定范围内的供水能力是很强的。3.2

比水容量

土壤水分特征曲线的斜率即比水容量。根据土壤含水量（θ）与基模势（φ）的函数关系，进行复合函数求导，得C （θ）=d θ/d φ（2）式中C （θ）

即为比水容量，单位为mL ?MPa -1?g -1，它标志着当土壤吸力发生变化时土壤能释出或吸入的水量，它是与土壤水贮量和水分对植物有效程度有关的一个重要特性，可以作为土

壤抗旱性的指标［4～6］。由于土壤水分特征曲线是非线形的，所以不同土壤吸力范围内的比水

容量也是不相等的。一般是在低吸力情况下，土壤释出的水量比较多，植物吸水的耗能量也较少；在高吸力情况下，土壤释出的水量减少，植物吸收同样多的水量就要消耗比较多的能量。因此，水分对植物来说是不等效的。将试验区低吸力段水分特征曲线求导，所得各个层次的比水容量见表2。

表2

试验区不同层次土壤的比水容量

mL ?MPa -1?g -1

土壤层次/

cm 土壤吸力/MPa

0.010.020.030.040.050.060.070.080～2039.511.3 5.41 3.22 2.15 1.54 1.179.17×10-120～4019.7 6.13 3.10 1.91 1.319.65×10-1

7.45×10-1 5.95×10-140～60

21.3

6.59

3.32

2.04

1.40

1.03

7.92×10-1

6.32×10-1

由于植物根系吸水和表土蒸发毛管悬着水逐渐减少，较粗的毛管首先排空，使毛管中的水分失去连续性，从而毛管水的运动中断，此时的土壤含水量，称为生长阻滞点。土壤含水量低于此值，作物吸水困难，生长受到阻滞，其值约为田间持水量的60%～70%，可作为植物适宜

湿度的下限。由表2可以看出：在低吸力段，土壤比水容量是随着吸力增大而逐渐降低的，说明即使在最有效的田间持水量到生长阻滞点这一区间内，水分的有效程度也不相等。同时还表明，假如植物以相同的吸力从不同土壤中吸取水分时，由于比水容量的差异，在该吸力下所

能取得的水量也不可能是相等的。庄季屏、吴文强等［7，8］认为各种土壤在低吸力段的比水容

量大致可分为1mL ?MPa -1?g -1和10-1mL ?MPa -1?g -1这两个数量级，当达到10-1级时，基本上标志水分已处于或大致相当于难效的生长阻滞点到凋萎湿度这一区间，由于其活动性低，植物利用已较困难。由表2可见，当达到10-1级时的土壤吸力分别为：0～20cm 为0.08MPa ；20～

1

1增刊张强等：毛乌素沙地土壤水分特征曲线和入渗性能的研究

21林业科学研究第17卷

40cm为0.06MPa；40～60cm为0.07MPa。说明当土壤吸力为0.06～0.08MPa时，植物从土壤中吸收的水分相当少了，可以认为此时植物已受到水分的严重制约，如果这种情况长时间延续下去，植物就有可能因缺水而影响其生长、凋萎甚至死亡。

3.3土壤各层次垂直入渗率的模拟

在毛乌素沙地降雨量小，无地表径流现象，所有降水除经过地表和植物表面蒸发外，全部迅速的入渗到地下。水分在垂直入渗时，其动力是基质势和重力势之和，对此常采用如下方程拟合［9］：

Q/A=I=Mt1/2+Nt+D（3）式中Q/A和I为累积入渗量，t为时间，M、N、D为系数；对I求导得水分入渗率i：

i=1/2Mt-1/2+N（4）将试验地和无植被沙地（对照区）上5个层次的土壤入渗拟合结果见表3：

表3土体各层次入渗拟合方程

地点土壤层次/cm拟合方程相关系数R入渗率i方程

0～20I=8.51t1/2+0.88t+7.2320.9990i=4.25t-1/2+0.88

20～40I=6.41t1/2+1.86t+23.3160.9990i=3.21t-1/2+1.86试验区40～60I=7.32t1/2+1.97t+24.2880.9994i=3.66t-1/2+1.97

60～80I=10.42t1/2+2.05t+15.2630.9996i=5.21t-1/2+2.05

80～100I=8.60t1/2+1.66t+17.7820.9981i=4.30t-1/2+1.66

0～20I=3.27t1/2+1.14t+10.3810.9992i=1.64t-1/2+1.14

20～40I=2.65t1/2+1.20t+7.4470.9990i=1.32t-1/2+1.20对照区40～60I=3.97t1/2+1.35t+14.3840.9990i=1.97t-1/2+1.35

60～80I=7.38t1/2+1.01t+14.0840.9991i=3.69t-1/2+1.01

80～100I=7.57t1/2+1.16t+9.7110.9997i=3.79t-1/2+1.16

降水透过地面向下渗入土壤中的过程叫入渗。在降雨开始时，土壤前期含水量小，加之表土疏松，裂隙，孔隙大，水力坡降大，下渗强度很大，此时的入渗速率称为初始入渗率。当降雨持续时，随着土壤水分不断增加，土壤结构的破坏和胶体的膨胀，土壤湿润厚度的增加而使水力坡降减小，下渗强度则逐渐减少，而在土壤水分达饱和后，下渗强度则降至接近不变的常数，此时的入渗速率称为稳定入渗率。在某一时段内，通过单位土壤表面所渗入的总水量（cm3?cm-2）称为累积入渗量。入渗率（i）随时间而降低的现象是普遍存在的，开始时入渗速率较快，随着时间推移而逐渐变慢，当土体被水分充分饱和后，入渗率将趋于一个稳定的入渗速率，这一稳定入渗速率接近于土壤的饱和导水率［10］。从表3看出：相关系数较大，模拟效果较好；除0～20cm土层外，试验区各个土层的稳定入渗率均比对照区的稳定入渗率大；在相同时间内试验区内土壤的累积入渗量比对照区的大。这是因为在试验区内有比较大的根系和土壤动物的孔道，这些孔道直接导致了稳定入渗率和累积入渗量的增大。从表3还看出：试验区表层土壤的稳定入渗率最小，仅为0.88，这是因为土壤表层有死亡或新生的藓类生物覆盖，产生了结皮现象，这些结皮很大程度上阻碍了水分的入渗。

试验区与对照区各层土壤水分入渗率和时间的关系曲线见图2a、b。图2a、b对比可见：试验区各个层次土壤的初始入渗速率都比对照区的高。这是因为试验区内土壤含水率比较低的

缘故，张万儒等［11］

也做出过相同的结论。经实验测得：试验区内土壤的平均容积含水率为

4.17%，

而对照区内土壤的平均容积含水率为7.26%，这可能是由于对照区没有植被消耗土壤水分及地表的干沙层对土壤蒸发起到了一定的阻碍作用造成的。此外，试验地上存在的根系孔道和虫孔也是导致初始入渗率加大的原因之一。

由表3可知，除0～20cm 外，试验区的稳定入渗率在1.66～2.05mm ?min -1之间，

按照蒋定生

［12］

对黄土高原土壤入渗率的划分，本地区属于高入渗速率区。由模拟方程可以算出试验区各层前30min 的累积入渗量分别为80.333、114.330、123.559、133.720、114.800mm ，与陈丽华［13］在晋西黄土地区水土保持林地的实验结果比较，本地区入渗性能较好。由图2a 可知：试验区的入渗速率在前10min 随时间而降低的幅度比较大，10min 之后变化则相当平缓。周择福［14］

对不同林地所做的相关实验表明：30min 后进入缓慢入渗阶段，从而再次表明了本地区具有良好的入渗性能，即使有较大的降雨量也不会发生地表径流，雨水会迅速入渗补充到地下水。

图2b 对照区各层入渗率和时间的关系曲线

图2a 试验区各层入渗率和时间的关系曲线

4讨论

（1）土壤水分特征曲线通常仅能反映持水量的多寡，如果结合低吸力段的水容量进行研究，就能较正确地评价土壤的持水性能和水分的有效程度；本地区持水能力弱，但供水能力强，土壤吸力在0.06～0.08MPa 时是植物能否有效利用水分抵抗旱情的关键点。

（2）根据测定，试验区（人工柠条林）的土壤入渗性能要优于对照区（无植被覆盖沙地）的，前10min 为迅速入渗阶段，以后为缓慢入渗阶段。当降雨量足够大时，雨水可迅速下渗补给

到地下水。

（3）鉴于本地区特点，造林时应选择抗旱能力强的树种，如柠条；由于土壤含水量平均值较

小，仅为4.17%，所以植苗造林时密度不宜过大，适当增加草本植物的覆盖度［15］

。参考文献：

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3

1增刊

张强等：毛乌素沙地土壤水分特征曲线和入渗性能的研究

41林业科学研究第17卷

［3］徐良富，李洪建，刘太维.晋西北砖窑沟流域几种主要土壤的持水特性［J］.土壤通报，1994，25（5）：199～200

［4］张景略，苗付山.黄泛平原不同质地土壤的持水特性［J］.土壤学报，1985，22（4）：350～355

［5］姚其华，陈明亮.湖北省几种主要旱地土壤水分特性的研究［J］.华中农业大学学报，1989，9（1）：80～85

［6］陈志雄，汪仁真.中国几种主要土壤的持水性质［J］.土壤学报，1979，16（3）：277～281

［7］庄季屏，王伟.土壤低吸力段持水性能及其与早期土壤干旱的关系研究［J］.土壤学报，1986，23（4）：306～313

［8］吴文强.北京西山地区人工林土壤水分特性的研究［D］.北京：北京林业大学，2002

［9］杨跃军.黄泛区泡桐林地土壤水分特点及其S-P系统中的水分关系研究［D］.北京：北京林业大学，2000

［10］华孟，王坚.土壤物理学———附实验指导［M］.北京：北京农业大学出版社，1993：106～110

［11］张万儒，庞鸿宾，杨承栋，等.卧龙自然保护区植物生长季节森林土壤水分状况［J］.林业科学研究，1990，3（2）：103～112［12］蒋定生，黄国俊.黄土高原土壤入渗速率的研究［J］.土壤学报，1986，23（40）：299～302

［13］陈丽华，余新晓.晋西黄土地区水土保持林地土壤入渗性能的研究［J］.北京林业大学学报，1995，17（1）：42～46

［14］周择福，洪玲霞.不同林地土壤水分入渗和入渗模拟的研究［J］.林业科学，1997，33（1）：9～17

［15］廖汝棠，张文军.毛乌素流动沙地适宜植被覆盖率研究（2.沙生植物的水分关系与适宜种植规模）

［A］.见：毛乌素沙地开发

［C］.呼和浩特：内蒙古大学出版社，1992：93～97整治研究中心.毛乌素沙地开发整治研究中心研究文集（第一集）

Studies on Soil Water Characteristic Curves and Infiltration Capability

of Maowusu Sandy Soil

ZHANG Qiang1，SUN Xiang-yang1，YU Wei-ping2，HUANG Li-jiang2（1.Beijing Forestry University，Beijing100083，China；2.Ningxia Forestry Institute，Yinchuan750004，Ningxia，China）Abstract：The soil water characteristic curves and infiltration capability of Maowusu sandy soil were studied in Yanchi County，Ningxia Hui Autonomous Region，so as to provide a scientific basis for vegetation recovery and soil water management.The soil water characteristic curves of Maowusu sandy soil were measured with tensome-ters and then simulated with the modelθ=aφ-b.The highest water supplying capacity and the lowest water holding capacity were found in the soil layer of0～20cm and the opposite result in the soil layer of40～60cm. The water capacity reached10-1level at soil suction of0.06～0.08MPa，which indicated that soil water was not available for plant uptaking.The infiltration capacity was measured with ring swords in lab，and the original infiltration rate，stable infiltration rate and cumulative infiltration amount were found to be higher in the experi-mental plots with vegetation cover than that of exposed plots.Thus，drought-resistant tree species，such as Cara-gana korshinskii，with low planting density，were suggested to be used for vegetation recovery in the local area. Key words：sandy soil，soil water characteristic curves，infiltration rate

估算畦灌土壤入渗参数的线性回归法

估算畦灌土壤入渗参数的线性回归法 王维汉1,2，缴锡云1，彭世彰1，马海燕1,2 （1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2. 河海大学现代农业工程系，南京 210098) 摘要：将畦灌地表水深与水流推进距离按指数函数进行非线性最小二乘拟合，并根据水量平衡原理提出了估算土壤入 渗参数的线性回归法。实例计算表明：地表水深与水流推进距离之间呈现较好的指数函数关系；线性回归法估算土壤 入渗参数计算工作量较小，计算精度较高。 关键词：入渗参数；畦灌；地表水深；线性回归法 土壤入渗特性是影响地面灌溉过程的一个十分重要的因素。土壤入渗参数的估算是地面灌溉研究中的一个重要内容。早在1956年，Haise就提出了利用筒测仪来测量土壤入渗参数，但由于入渗过程的时空变异性很大[1-2]，土壤入渗参数常常难以准确估算。国内外学者对估算土壤入渗参数进行了大量研究，提出了多种计算方法。 Elliott和Walker[3](1982)针对沟灌提出了估算土壤入渗参数的两点法，需要分别观测水流前锋推进到沟长中点和沟末端的时间及沟首过流断面面积，在水量平衡的基础上估算入渗参数。两点法需要观测的数据少，计算简单，但计算结果精度往往不够。Maheshwari[4](1988)首次将优化技术应用到土壤入渗参数的估算中，通过测量水流推进过程和畦首地表水深的变化过程来计算土壤入渗参数。这种方法(以下简称M法)适用于任何入渗模型，精度较高，使用较为广泛，但计算量偏大。Shepard[5](1993)提出了估算土壤入渗参数的一点法，该方法需要测量水流推进到沟末端的时间和沟中的平均过水面积来计算土壤入渗参数，但它只适用于Philip入渗模型，从而其应用受到一定的限制。Esfandiari[6](1997)对M法进行改进，提出了利用水流推进资料和沿沟长若干点地表水深资料采用模式搜索技术来估算土壤入渗参数的方法，但同样是存在计算量较大的问题。 国内学者也提出了许多估算土壤入渗参数的计算方法。王文焰[7](1993)提出了利用两个畦田的水流推进消退过程来估算土壤入渗参数的方法。费良军[8](1999)提出了利用畦灌水流的地表水深资料及水流推进过程来估算土壤入渗参数的方法。这两种方法都需要至少观测两个畦田的灌水资料才能估算土壤入渗参数，精度较高，但试验工作量较大，且不便于评价入渗模型的合理性。缴锡云[9](2001)对M法的计算方法进行了改进(以下简称M-J法)，张新民[10](2005)又对M法的计算方法做了改进(以下简称M-Z法),这两种改进减少了一定的试验工作量，但计算量较大的问题仍算存在。 综上所述，在以上估算土壤入渗参数的方法中，两点法、M法等采用地表储水形状系数计算地表储水量，但当畦田长度较长时(大于100m)，地表储水形状系数变化较大，会给计算带来较大误差[11]。本文依据水位传感器观测的地表水深资料，规避地表储水形状系数，提出计算精度较高的线性回归法，来估算土壤入渗参数。 1理论分析 1.1水量平衡方程式建立 x，地表水面线与入渗水量分布曲线如图1所示。 在畦灌地表水流推进过程中，对应于推进距离 a 基金项目：河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金资助项目（2005405811）；河海大学科技创新基金资助项目（2084－40401105） 作者简介：王维汉（1981—），男，河南南阳市人，在读博士研究生，从事节水灌溉理论与技术研究。 通讯作者：缴锡云（1962—），男，河北文安县人，博士，教授，主要从事节水灌溉理论与技术研究。

土壤的入渗特性及渗吸速度测定_灌排工程学

第一部分 课程实验及指导 实验一：土壤的入渗特性及渗吸速度测定 一、实验目的 土壤渗吸速度是反映土壤透水性能的重要指标，它是农田水量平衡计算的重要依据。旱田在进行地面灌溉时，灌溉水在重力作用下自地表逐渐向下湿润。为保证最有效地利用灌溉水，既要使计划湿润层得到均匀的灌溉 水，又不产生多余的水量向深层渗漏，必须了解水向土中入渗的规律。 二、实验设备 渗吸速度测试仪、量杯、秒表等。 三、实验过程 1．取自然风干土碾碎过筛，要求碎块不大于2毫米，测筒底铺滤纸，装土至给定深度，适当沉实，再盖滤纸。 2．在量杯内灌水，并关闭放水管和通气管（如图所示），放在支架上。 3．实验开始时同时完成：掀动计时秒表，迅速使测试仪中土样上建立水层2厘 米。 图1-1-1土壤入渗特性实验装置 4．实验开始后，定时记载量杯中水量读数，时间间隔初期较短，以后逐渐加大。并填写表1-1-1： 表1-1-1 土壤入渗特性测定记录表 四、实验原理 在地面形成一定水层的入渗称为有压入渗，对于均质土的入渗强度，已有若干计算公 式，菲利普根据严格的数学推导，求的解析解为： f i t s i += -2/12 （1-1-1）

i —t 时刻的入渗强度； s —与土壤初始含水率有关的特性常数，称为吸水率； i f —稳定入渗率，即饱和土壤渗透系数。 考斯加可夫根据野外实测资料分析，发现入渗强度（渗吸速度）与时间之间呈指数关系，其形式为： α-=t i i 1 （1-1-2） 式中 i 1—第一个单位时间的入渗强度； α—反映土壤性质与入渗初始时土壤含水率的经验常数。 饱和与非饱和土壤水分运动均服从达西定律，所不同者，在饱和情况下，认为渗透系数是常数；而在非饱和情况下，渗透系数是变量，其值随土壤含水率而异，含水率越低，渗透系数越大。 五、实验要求 1．根据水室断面和测筒断面，求出△t 时间内测筒下渗的水量。 2．求出各时段平均入渗速度v 。 3．用坐标纸点绘渗吸速度随时间变化过程线。 4．分析确定供水开始时土壤渗吸速度i f 、渗吸系数及透水指数α值。 5．填写实验报告。 六、思考题 利用菲利普公式和考斯加可夫公式求s 或i 1时，讲选取第一个单位时刻的i 值，如何理解这第一个单位时刻的意思？它是根据i 的取值单位还是绘图时的取值单位？

水分特征曲线的测定

土壤水特征曲线的测定[压力膜（板）法] 土壤水特征曲线是土壤水管理和研究最基本的资料，是非饱情况下，土壤水分含量与土壤基质势之间的关系曲线。完整的土壤水特征曲线应由脱湿曲线和吸湿曲线组成，即土壤由饱逐步脱水，测定不同含水量情况下的基质势，由此获得脱湿曲线；另外，土壤可以由气干逐步加湿，测定不同含水量情况下的基质势，由此获得吸湿曲线。这两条曲线是不重合的，我们把这种现象称为土壤水特征曲线的滞后作用。通常情况下，由于吸湿曲线较难测定，且在生产与研究中常用脱湿曲线，所以只讨论脱湿曲线的测定。 土壤水特征曲线反映了非饱和状态下土壤水的数量和能量之间的关系，如果不考虑滞后作用，通过土壤水特征曲线可建立土壤含水量和土壤基质势之间的换算关系。这样做，有时会带来一定的误差，但在大多数情况下，一场降雨或灌溉后，总是有很长时间的干旱过程，在这种情况下，由脱湿曲线建立的两参数之间的换算关系有一定可靠性。 如果将土壤孔隙概化为一束粗细不同的毛细管。在土壤饱和时，所有的孔隙都充满水，而在非饱和情况下，只有一部分孔隙充满水。通过土壤水特征曲线可建立土壤基质势与保持水分的最大土壤孔隙的孔径的函数关系，由此可推算土壤孔径的分布。必须指出，由于我们将土壤孔隙概化为一束粗细不同的毛细管，与实际土壤孔隙不完全相同，因此称为实效孔径分布。 土壤水特征曲线的斜率反映了土壤的供水能力，即基质势减少一定量时土壤能施放多少水量，这在研究土壤与作物关系时有很大作用。 测定原理 如图所示，将土样置于多孔压力板上，多孔压力板根据其孔径大小分为不同规格，压力板孔径大的承受较小的气压，孔径小的能承受较大的气压。将压力板和土样加水共同饱和，将压力板置于压力容器内，加压，这时有水从土样中排出，并保持气压不变，等不再有水从土样中排出，打开容器，测定土样水分含量。如所加气压值为P(Mpa)，土壤基质势为ψm，则 ψm =－P ，调整气压，继续实验，由此获得土壤基质势为ψm和其对应的土壤含水量θ V 由此获得若干对（ψm，θ ），将这些测定值点绘到直角坐标系中，根据这些散 V 点可求得土壤水特征曲线。 3.5.1仪器及设备 压力膜（板）水分提取器，如图所示；压力板由压力膜（板）水分提取器厂家提供，压力板直径约30㎝左右，根据压力板承受压力的大小，分为0.1Mpa,0.3Mpa,0.5Mpa,1.0Mpa,1.5MPa（1bar,3bar,5bar,10bar,15bar,bar为非标准量纲，厂家印在压力板上）；土环，几十个，高1㎝，直径5㎝左右（土环直径不严格限制）。土环一般用铜制成，也有铝制的或橡胶制的；压力泵或高压气源；铝盒，用于土壤含水量测定；瓷盘；多孔板饱和时用；粗的定性滤纸；皮筋。 3.5.2测定步骤 制备土样。按土壤实际容重将以剔除杂物（碎石、根须等）的土壤填入土环中，注意土环下部垫一层粗滤纸，用皮筋固定，也可在田间现场取样，方法类似土壤容重取样，只是土环底部要垫一层滤纸，用皮筋固定。如果要测定一条完整的土壤水特征曲线，样品数量应在60个以上。

土壤水特征曲线

研究生课程论文封面 课程名称土壤水动力学 教师姓名 研究生姓名 研究生学号 研究生专业 所在院系 类别: 日期: 2012 年1月7 日

评语 对课程论文的评语: 平时成绩：课程论文成绩： 总成绩：评阅人签名： 注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。

水分特征曲线测定实验报告 1 实验的目的要求 理解水分特征曲线的含义，掌握水分特征曲线的测定方法，以及比较不同土壤水分特征曲线的特点。 2 实验的原理 土壤水的基质势（或土壤吸力）与土壤含水量之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线或土壤持水曲线（soil water retention function ）。土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。各种土壤的水分特征曲线均需由实验测定。 水分特征曲线仪主要由陶土头、集气管、压力传导管、水银测压计（由玻璃管和水银槽组成）、观测板以及样品容器组成，其结构如图1所示。 图1 水分特征曲线仪结构图 1.样品容器； 2.陶土头； 3.集气管； 4.压力传导管； 5.水银测压计； 6.观测板； 7.水银槽 陶土头是仪器的传感部件，由具有均匀微细孔隙的陶土材料制成，当仪器内充满水使陶土头被水饱和时，陶土头管壁就形成张力相当大的一层水膜，陶土头与土壤充分接触后，土壤水与其内部的水体通过陶土头建立了水力联系，在一定的压差范围内，水分和溶质可以通过陶土头管壁，而气体则不能通过，即所谓透水不透气。因此，如果陶土头内外之间存在压力差，水分就会发生运动，直至内外压力达到平衡为止。这时，通过水银压力表测定的负压值就是陶土头所在位置土壤水的基质势。 陶土头所在位置的压力水头（基质势或负压）的计算公式为： w m w m m h h h h h h --=-+-=6.12)(6.13 式中h 为压力水头，h m 为压力表中水银柱高度（以水银槽水银液面为基准面），h m 是水银槽液面到陶土头中心位置的垂直距离。

土壤入渗速度测定实验

实验一 土壤入渗速度的测定实验 一、实验目的 1．测定特土壤的垂直入渗特性曲线。 2．掌握测定土壤吸渗和入渗速度的操作方法。 二、实验原理 考斯加可夫公式：i t ＝i 1t -a ---------------------------- (1) i t ——入渗开始后时间t 的入渗速度； i 1——在第一个单位时间土壤的渗透系数，相当于t ＝l 时的土壤下渗速度； a —指数。 对公式（1）取对数得 lgi t ＝lgi 1-a·lgt ----------------------- (2) 实测的lgi t ，lgt 点应成直线关系，取t=1时的i 值，极为i 1，该直线的斜率为a 值。 计算时t a ，t b 时刻对应i a ，i b ，代入下式得 b a b a t t i i a lg lg lg lg --= ----------------------- (3) 若已知i 1，a 值也可以按下述方法推求，有式（1）积分得 a t a t t a i dt t i idt I ---= ==??110 10 1 ----------------------- (4) I 为时间t 内总入渗量（累积入渗量），由实测数据得出，由于i 1已知，故a 可以求出。该法的缺点时很难测定第一个单位时间的入渗强度。 三、实验设备 1．土壤入渗仪：一套； 2．秒表：一只 3．量筒、滤纸、烧杯 4．排水管 5．接渗瓶 四、实验步骤

1．装土：将玻璃管从入渗仪上取下，底部放入一片滤纸，然后装土，在装土期间，用木棒稍捣，要求土样均匀，装土至玻璃管即可，再在土样上部放入一张滤纸，把玻璃管与入渗仪连接好。 2．加水：关闭水阀，打开排气阀，用烧杯向加水槽加水，使量桶里的水位到达到一定刻度处，然后关闭排气阀。 3．建立水头开始实验：用烧杯迅速向玻璃管加水至玻璃管上标线，水头建立后，立即打开供水阀，同时打开秒表计时，三者要求同时进行，动作要迅速、准确、细心。 4．记数：实验开始后秒表不能中断，要求每隔1分钟1次，共读10次，再每隔2分钟读1次，共读10次，再每隔3分钟读1次，共读5次，以后每隔5分钟读1次，直到两相邻时段内，读数差值相等，说明土壤入渗已经达到稳定，即停止实验，记录项目为记录表中的第l项和第2项。 土壤非饱和垂直入渗率测定表 日期：土质：垂直入渗仪横断面面积(mm2): 马氏瓶横断面面积(mm2):

不同干密度砾石土的土-水特征曲线规律及拟合分析

不同干密度砾石土的土-水特征曲线规律及拟合分析 发表时间：2015-01-08T17:02:44.807Z 来源：《价值工程》2014年第8月下旬供稿作者：黄靖 [导读] 非饱和土是目前土力学领域的研究方向，而土-水特征曲线SWCC（Soil-Water Characteristic Curve）是近年国内外研究的热点。 黄靖淤HUANG Jing曰罗启迅于LUO Qi-xun （淤昆明理工大学津桥学院，昆明650106；于四川大学水利水电学院，成都610065） （淤Oxbridge College，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650106，China； 于College of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China） 摘要：利用SWC-150 Fredlund 土-水特征曲线压力仪，对不同干密度的砾石土进行土-水特征试验，探讨不同干密度下土-水特征曲线(SWCC)的变化规律；采用四种不同的拟合方程对试验所得的土-水特征曲线通过最小二乘法进行拟合，获得了拟合参数及残差平方和。通过残差平方和剂曲线形状对比，Fredlund & Xing 四参数方程的拟合效果最好。 Abstract: SWC-150 Fredlund Soil-Water Characteristic Cell is used to test the soil-water characteristic curve (SWCC) of gravelly clayeysoils with different densities to discuss the change rule of SWCC. Using least-square method, SWCC is fitted by four fitting tri-parametermodel, the parameters and residual sum of squares of the model are discussed. Through the residual sum of squares and curve shapes, thefitting effect of Fredlund & Xing four parameter equation is best. 关键词：土-水特征曲线；干密度；试验；拟合 Key words: soil-water characteristic curve；dry density；test；fitting 中图分类号：TU44 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）24-0067-03 0 引言 非饱和土是目前土力学领域的研究方向，而土-水特征曲线SWCC（Soil-Water Characteristic Curve）是近年国内外研究的热点。土-水特征曲线是描述非饱和土中吸力与饱和度或含水率之间关系的曲线。实验研究表明，非饱和土的性状与其土-水特征曲线存在密切的联系，根据土-水特征曲线可以推导出非饱和土的抗剪强度[1]，体应变[2]、渗透系数[2]。因此，土-水特征曲线是描述土的非饱和（持水）特性的一个关键曲线。 总的来说，目前对非饱和土的土-水特征曲线的研究多集中在粉土、粘性土及黄土，而对含粗粒粘性土的研究、尤其是对砾石土的研究很少。 国内工程实践表明，高土石坝采用砾石土作为心墙防渗料已成为发展趋势，砾石土作为高土石坝防渗体的主体，其土水特征曲线的深入研究是非常必要的。为了研究不同干密度下砾石土的土-水特征曲线的影响，本文对6种不同干密度土样进行土-水特征试验，探究不同干密度下土-水特征曲线(SWCC)的变化规律，并采用Gardner 方程，Van Genuchten 方程，Fredlund&Xing 三参数方程，Fredlund & Xing 四参数方程利用matlab 软件，通过最小二乘法对土-水特征曲线试验点进行拟合，获得了土水特征曲线的模型参数，选出拟合的最优模型。 1 试验方法 1.1 试验土样 本次试验选取了内径D 为38 mm，高度H 为31.5 mm的环刀进行土样的制备。试样的直径D 和高度H 与粗粒土最大粒径dmax 有密切关系，通常采用D/dmax= 5 的关系对超出粒径范围的颗粒采用等量替代法进行处理。根据上述关系及试验原土料，本次试验中dmax 取5 mm，按比例等质量替换粒径大于5 mm 的土[3]。选取国内某高土石坝砾石土心墙料的粘土性质和掺砾比进行试验。土样中粘土比重 Gs=2.71，液限wL=33.4豫，塑限wP=19.6豫，塑性指数IP=13.8，定名为低液限粘土（CL）。采用的掺砾比为50%，超径砾石采用一级等量替代。试验采用的砾石土的颗粒组成见表1，级配曲线见图1，按《土工试验规程》（SL237-1999）定名为粘土质砾。 1.2 试验仪器 试验采用的是加拿大GCTS 公司生产的SWC-150Fredlund 土-水特征曲线压力仪。其原理是对装有含水土样的压力容器施加一定的气压力，迫使土样水分渗出达到平衡；利用轴平移技术使土样的基质吸力等于施加的气压力，然后测量此时的土样含水率，从而获得土样的土-水特征曲线。该仪器所用的高进气值陶土板通过用于密封的环氧树脂粘合在特制套环中，试验时陶土板嵌入底座的凹槽，凹槽内壁由O 型圈密封。凹槽底部刻有一组蛇形槽，用于冲刷陶土板底部附着的气泡。试样的含水率可通过测定两个体变管中的排水量算出。 1.3 试验方案 为了对比分析不同干密度的土-水特征曲线的变化规律，在基质吸力施加范围0~450 kPa 内，采用6 个不同干密度籽d 的土样在竖向应力为0 kPa 条件下进行试验，籽d 分别为1.897 g·cm-3，2.046 g·cm-3，2.065 g·cm-3，2.187 g·cm-3，2.194 g·cm-3，2.216 g·cm-3。

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

土壤离心机测量土壤水分特征曲线的方法及应用意义

土壤离心机测量土壤水分特征曲线的方法及应用意义 土壤水分特征曲线一般也叫做土壤特征曲线或土壤pF曲线，它表述了土壤水势（土壤水吸力）和土壤水分含量之间的关系。通常土壤含水量Q以体积百分数表示，土壤吸力S以大气压表示。由于在土壤吸水和释水过程中土壤空气的作用和固、液而接触角不同的影响，实测土壤水分特征曲线不是一个单值函数曲线。 用非线性函数表示土壤水分特征曲线与渗透系数变化的理论模型有Van Genuchten模型 (V-G模型)、Brooks-Corey模型等。这些理论模型的参数需要通过对土壤水分特征曲线的 观测加以确定。 土壤水分特征曲线是重要的土壤水力性质参数之一： 土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的,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，属于土壤的基本物理性质，是研究土壤水动力学性质比不可少的重要参数，对研究土壤水运动及其溶质运移有重要作用，在生产实践中具有重要意义。 已有的土壤水分特征曲线测定方法主要包括负压计法、砂性漏斗法、压力仪法、离心机法等。土壤的渗透系数也随含水率变化,表现为曲线关系。 以土壤吸力表示土壤水分的状态，干燥的土壤对土壤水分的吸力强，湿润的土壤对水分的吸力弱，所以用土壤对水分吸力的大小，在一定范围内可以表示土壤水分状态和土壤水势。土壤吸力一般用大气压表示，干燥土壤的吸水极强，可达几千甚至上万个大气压，为了书写方便起见，一般用与大气压相当的水柱高度的厘米数（负值）对数来表示，称pF。 检测土壤水分特征pF曲线高速冷冻离心机HR21M

怎样用离心机法测土壤水分特征曲线? 用土壤离心机测土壤水分特征曲线方法：去取原状土或者扰动土,在不同转速和时间下测量含水量做水分特征曲线即可。根据离心机实测试验数据,分析不同质地土壤水分特征曲线变化趋势。相同离心力下，随着黏粒含量增加,最佳离心时间变长。 用离心机法测土壤水分特征曲线意义： 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，可根据土壤水分土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。 土壤水分特征曲线可反映不同土壤的持水和释水特性，也可从中了解给定土类的一些土壤水分常数和特征指标。曲线的斜率倒数称为比水容量，是用扩散理论求解水分运动时的重要参数。曲线的拐点可反映相应含水量下的土壤水分状态，如当吸力趋于0时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量；饱和含水量和田间持水量间的差值，可反映土壤给水度等。故土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤水、进行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。 土壤水分特征曲线主要有以下几方面的应用： 1.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成土壤基质势，依据基质势可判断土壤水分对作物的有效度。也可将基质势换算成含水量，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范围。土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，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重要指标。 2.表示比水容重。 土壤水分特征曲线斜率的倒数，即单位基质势变化所引起含水量的变化，称之为比水容重，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重要指标。 3.可以间接反映土壤孔隙的分布。 若将土壤中的孔隙设想为各种孔径的圆形毛细管，那么S和毛细管直径d的关系可简单的表示为S=4σd。式中σ为水的表面张力系数，室温条件下一般为75×105N/cm。应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时，水分特征曲线是不可缺少的重要参数。 4.可以判断土壤质地状况和土壤水分在吸力段的分布状况。 曲线的拐点可反映相应含水量下的土壤水分状态，如当吸力趋于0 时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量；饱和含水量和田间持水量间的差值，可反映土壤给水度等。故土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动、调节利用土壤水、进行土壤改良等方面的最重要和最基本的工具。

降雨和灌水入渗条件下土壤水分运动2.docx

第五章降雨和灌水入渗条件下土壤水分运 动 第一节水向土中入渗过程 一、概述 降雨和灌水入渗是田间水循环的重要环节，与潜水蒸发一样，是水资源评价和农田水分 状况调控的重要依据。 水渗入土壤的强度主要取决于降雨或灌水的方式和强度以及土壤渗水性能。如果土壤渗水性能较强，大于外界供水强度，则入渗强度主要决定于外界供水强度，在入渗过程中土壤表面含水率随入渗而逐渐提高，直至达到某一稳定值。如果降雨或灌水强度较大，超过了土壤渗水能力，入渗强度就决定于土壤的入渗性能，这样就会形成径流或地表积水。这两种情况可能发生在入渗过程的不同阶段，如在稳定灌溉强度（例如喷灌）下，开始时灌溉强度小于土壤入渗能力，入渗率等于灌溉强度；但经过一定时间后，土壤入渗能力减少，灌水强度大于土壤入渗能力，于是产生余水，如图2－5－ 1所示的降雨或灌水条件下的入渗过程。开始时入渗速率较高，以后逐渐减小。土壤的入渗能力随时间而变化，与土壤原始湿度和土壤 水的吸力有关，同时也与土壤剖面上土质条件、结构等因素有关。一般来说，开始入渗阶段，土壤入渗能力较高，尤其是在入渗初期，土壤 比较干燥的情况，然后随土壤水的入渗速率逐 渐减小，最后接近于一常量，而达到稳定入渗 阶段。 在较干旱的条件下，土壤表层的水势梯度 较陡。所以，入渗速率较大，但随着入渗水渗 入土中，土壤中基模吸力下降。湿润层的下移 使基模吸力梯度减小。在垂直入渗情况下，如 供水强度较大，使土壤剖面上达到饱和，当入 渗强度等于土壤饱和水力传导度时，将达到稳 定入渗阶段。如供水强度较小，小于饱和土壤 水力传导度时，达到稳定入渗阶段的入渗强度将等于该湿度条件下的非饱和土壤水力传导 度。 入渗过程中，土壤剖面上水分分布与土表入渗条件有关。根据 Coleman和Bodman 的研 究， 当均质土壤地表有积水入渗时，典型含水率分布剖面可分为四个区，即表层有一薄层为饱和带，以下是含水率变化较大的过渡带，其下是含水率分布较均匀的传导层，以下是湿润程度随深度减小的湿润层，该层湿度梯度越向下越陡，直到湿润锋。随着入渗时间延续，传导层 会不断向深层发展，湿润层和湿润锋也会下移，含水率分布曲线逐渐变平缓。

土壤入渗实验报告

一、实验目的 1．加深对土壤渗吸速度变化的一般规律的了解。 2．了解土壤质地对土壤渗吸速度的影响。 3．掌握土壤渗吸速度的常规测定方法及装置原理。 二、实验设备 水在土壤中入渗分为有压入渗和无压入渗。如漫灌、畦灌和沟灌都属于有压入渗。喷灌、滴灌属于无压入渗。本试验是模拟有压入渗条件下，土壤渗吸速度的测定。 本试验为室内试验，试验装置如图4-1-1。试验仪器大体分为由两部分，即试样渗吸桶和供水马氏瓶。双环入渗试验的外环外径为15cm，内径14cm；内环的外径直径10cm，内径直径9cm，高15cm。安装后要求内环环顶端与渗吸筒齐平，下端插入土内10cm。试验桶正上方为自动供 水箱（即为马氏瓶），使内环保持稳定的水层深度。供水马氏瓶外径6cm，内 径5cm。此外再配备秒表、水桶、水勺和刮土板等试验用具。 三、实验方法及步骤 1．实验准备工作 a．人员分工 每组实验人员3～5人，其中一人计时兼指挥，一人读取供水水位数 值，一人加水，其余人员做记录和观察渗吸规律。 b．准备工作 和内环一并称重， （1）测量试样桶容积V，按欲模拟土壤干容重 干 M。 计算出干土重' （2）将筛网贴紧桶底铺好，然后开始填装。土样一般分5～6次填装， 均匀夯实，层间要“打毛”。土样全部装好后用刮板刮平表面，最后将马 氏瓶安装好待用。 (3) 关闭供水箱（马氏瓶）的出水口，向水箱内注水，然后用胶塞密 封注水进水口。图4-1-1 试验装置示意图 (4) 在试样图环内表层铺塑料薄膜，向环内注入约5cm深的水层，打 开供水箱开关，用注射器抽水，直至马氏瓶能正常供水（目的是调节马氏瓶）。 (5) 检查秒表是否正常及回零位。 (6) 记录供水箱原始水位读数。 2. 实验方法及步骤 试验人员必须精力集中，认真负责，在统一指挥下，分工协作，作好记录。 a．迅速抽取塑料薄膜，并开始记时水位数值。 b．读取第一分钟末供水箱的水位，按试验要求读取水位数值。 c．实验至渗吸速度稳定后(即每两次水位读数差相同)，实验结束。 3. 注意事项 a．供水箱出水口必须淹没在内环水面以下0.5～1.0cm。 b．水位读数要读取每分钟末的数值，该数是计算渗吸规律重要的参数之一。 c．试验开始时迅速向外环加水至0.5～1.0cm时，使内外环水位大致保持相同水深，但外环加水不计入总量。 d．内环的供水量，由水箱上的标尺读数换算获取。 四、试验原理及资料分析整理

土壤水分特征曲线测定

土壤水分特征曲线测定实验 一、实验原理 土壤水分特征曲线（又称持水曲线，见图1）是土壤含水量与土壤水吸力的关系曲线，该曲线能够间接反映土壤孔隙大小的分布，分析不同质地土壤的持水性和土壤水分的有效性等，在水文学、土壤学等学科的研究与实践中都具有重要作用。目前，负压计法是测量土壤水吸力最简单、最直观的方法，而时域反射仪（TDR）是测量土壤体积含水率的最常用、最便捷的方法之一。 图1 土壤水分特征曲线 （一）负压计 负压计由陶土头、腔体、集气管和真空（负压）表等部件组成（见图2）。陶土头是仪器的感应部件，具有许多微小而均匀的孔隙，被水浸润后会在孔隙中形成一层水膜。当陶土头中的孔隙全部充水后，孔隙中水就具有张力，这种张力能保证水在一定压力下通过陶土头，但阻止空气通过。将充满水且密封的负压计插入不饱和土样时，水膜就与土壤水连接起来，产生水力上的联系。土壤系统的水势不相等时，水便由水势高处通过陶土头向水势低处流动，直至两个的系统的水势平衡为止。总土水势包括基质势、压力势、溶质势和重力势。由于陶土头为多孔透水材料，溶质也能通过，因此内外溶质势相等，陶土头内外重力势也相等。非饱和土壤水的压力势为零，仪器中无基质，基质势为零。因此，土壤水的基质势便可由仪器所示的压力（差）来量度。非饱和土壤水的基质势抵于仪器里的压力势，土壤就透过陶土头向仪器吸水，直到平衡为止。因为仪器是密封的，仪器中就产生真空，这样仪器内负压表的读数这就是土壤的吸力。土壤水吸力与土壤水基质势在数值上是相等的，只是符号相反，在非饱和土壤中，基质势为负值，吸力为正值。

图2 负压计结构图 （二）TDR 土壤水分对土壤介电特性的影响很大。自然水的介电常数为80.36，空气介电常数为1，干燥土壤为3~7之间。这种巨大差异表明，可以通过测量土壤介电性质来推测土壤含水量。时域反射仪以一对平行棒（也叫探针）作为导体，土壤作为电介质，输出的高频电磁波信号从探针的始端传播到终端，由于终端处于开路状态，脉冲信号被反射回来。通过电磁波沿探针来回传播的时间可以计算土壤表观介电常数，介电常数与土壤含水量之间的函数关系而得到土壤含水量。 对相同的土壤在不同的土壤湿度条件下测量一系列（土壤含水量θ，土壤水吸力S）的值，便可绘制土壤水分特征曲线，然后用S（θ）经验公式拟合观测数据。 二、实验材料和仪器 1.土样（室外取土） 2.蒸馏水（实验室通过冷凝装置制备） 3.装土容器（底部有孔） 4.负压计 5.便携式TDR（TDR300，见图3） 图 3 TDR300土壤水分仪

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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 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]。 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]。 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，如张力计法、压力膜法、离心机法、砂芯漏斗法、平衡水汽压法等，而前3种应用最为普遍。①张力计法：是土壤通过陶土杯从张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，再测出陶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。张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。但张力计仅能测定低吸力范围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陶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，但是只适合在室内使用。⑤平衡水汽压法：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范围较宽[3]。

土壤水分特征曲线测定实验

土壤水分特征曲线测定实验 实验原理 张力计插入土样后，张力计中的纯自由水经过陶土壁与土壤水建立了水力联 系。在非饱和土壤中，仪器中的自由水的势值总是高于土壤水的势值，因 此，仪器中的自由水就会透过陶土管进入土壤，但因陶土材料孔隙细小，孔 隙中形成的水膜不能使空气通过，而只能让水或溶质液通过（但如果压力过 高水膜破裂，空气就会透过，这时的压力称为透气值），因而在仪器内形成 一定的真空度，由仪器上的负压表读出。最后当仪器内外的势值趋于平衡 时，仪器中水的总水势Φwd与土壤中土水势Φws应该相等，即： Φwd＝Φws 土水势的完整表述为： Φ=Φm+Φp+Φs+Φg+ΦT 因为陶土管为多孔透水材料，并非半透膜，故溶质也能通过，最后达到内外 溶液浓度相等，内外溶质势Φs相等。仪器内外温度相等，温度势ΦT相 等。坐标0点选在陶土头中心，则陶土头中心的内外重力势Φg相等。这样 仪器中和土壤中的总势平衡可表述为： Φmd＋Φpd＝Φms＋Φps 式中，Φps为土壤水的压力势，Φms为土壤水的基质势，Φpd为仪器内自 由水的压力势，Φmd为仪器内自由水的基质势。 在非饱和土壤中，土壤水所受的压力为大气压（基准状态），故Φps应为 零，又仪器中自由水无基质势存在，故Φmd亦为零，所以： Φms＝Φpd＝ΔP D+z 式中，ΔP D为负压表显示的负压值（小于0），z为埋藏在土中的陶土管中 心与土面以上负压表之间的静水压力即水柱高，（向上为正，大于0）。即 可得到土壤水的基质势。按定义土壤水吸力为基质势的负值，因而即可测得 吸力值。 S=－Φms＝－ΔP D－z 如果负压表读数记为P（大于0，即P＝－ΔP D），则S=P－z 另外，在计算土样中水分的变化时，还应考虑集气管中水分的变化量。

土壤水分特征曲线(研究)综述

土壤水分特征曲线（研究）综述 卢常磊（学号：1001064113） （系别：农学系专业：种子科学与工程班级：一班） 前言：土壤水的基质势（或土壤水吸力）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比不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。几十年来，人们投入了大量的精力来发展确定该曲线的方法，这些方法归纳起来可分为两大类：一类是直接测定法，另一类是间接推算法（或参数估计法）。这些方法各有优缺点，而在生产实践中有的方法几乎没有实际应用价值。基于这一点，本文针对这些方法以及近年来发展的新方法进行了比较和综述。 关键词：土壤水分特征曲线 van Genuchten模型 1.土壤水分特征曲线 1.1概念土壤水的基质势（或 土壤水吸力）随土壤含水量的变化而 变化，其关系曲线称为土壤水分特征 曲线，英文名称为soil water characteristic curve。在实际中人 们也使用土壤持水曲线或土壤pF曲 线。一般，该曲线以土壤含水量Q（以 体积百分数表示）为横坐标，以土壤 水吸力 S（以大气压表示）为纵坐标。 如右图是一不同质地土壤水分特征曲线图。 1.2意义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，可根据土壤水分土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。 1.3应用土壤水分特征曲线主要有以下几方面的应用［1］：①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成土壤基质势，依据基质势可判断土壤水分对作物的有效度。也可将基质势换算成含水量，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范围。②表示比