王輝 繳錫云 王欣

摘要：針對非飽和土壤水分特征曲線傳統(tǒng)測量方法上對儀器精度要求高、耗時長、成本高的問題，研究了土壤水分特征曲線高吸力段誤差對入滲模擬結(jié)果的影響。針對黏土的土壤水分特征曲線，設(shè)計了正負共8種高吸力段的偏離情況，利用數(shù)值模擬方法分析土壤入滲過程，得到累積入滲過程、濕潤鋒發(fā)展過程和4個典型時刻的土壤水分分布。結(jié)果表明，土壤水分特征曲線在吸力大于100 cm部分存在不超過±20%的偏差時，對于土壤入滲數(shù)值模擬結(jié)果無顯著影響，因此，對土壤水分特征曲線高吸力段的試驗精度要求可適當放寬。

關(guān)鍵詞：土壤水分特征曲線；VG模型；敏感性分析；數(shù)值模擬

中圖分類號： S271文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0328-02

收稿日期：2013-09-11

基金項目：國家公益性行業(yè)（水利）科研專項（編號：201301014）；水利部“948”項目（編號：201230）。

作者簡介：王輝（1989—），男，碩士研究生，從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail：793486691@qq.com。

通信作者：繳錫云，博士，教授，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Tel：（025）83787913；E-mail：xyjiao@hhu.edu.cn。土壤入滲是灌溉排水、水土保持、水文等學科研究中的重要過程[1]，是一種重要的土壤水分運動過程。土壤水分特征曲線是反映土壤水分與吸力之間函數(shù)關(guān)系的曲線，是土壤水分運動模擬計算的基礎(chǔ)資料[2-3]。劉建立等[4]、王攀等[5]、夏達忠等[6]認為可通過土壤的物理結(jié)構(gòu)來推求土壤水分特征曲線。關(guān)于土壤水分特征曲線已有很多人做過試驗，得到了普遍認可的試驗方法，對于土壤水分特征曲線的物理意義研究已比較深入。試驗測定中試驗設(shè)備對試驗結(jié)果影響較大，且對于低含水率高吸力區(qū)，試驗測量有困難，然而現(xiàn)實意義還有待商榷。目前，土壤水分特征曲線主要通過大量的室內(nèi)或現(xiàn)場試驗直接測定，其中多數(shù)的測量方法由于對試驗儀器精密度要求較高，測試耗時長，成本較高而受到限制，同時土壤空間變異性的存在亦限定了測量方法的應(yīng)用與精確度[7]。因此有必要比較各種試驗的精度和范圍，并分析其對土壤入滲模擬結(jié)果的影響。若結(jié)果表明土壤入滲對土壤水分特征曲線高吸力段精度的敏感性不高，則今后的試驗中就可以避開試驗測量上的困難。本研究對土壤水分特征曲線進行了不同程度的偏離并得到相應(yīng)的VG模型參數(shù)，對不同參數(shù)均進行了土壤水分入滲模擬，并對比模擬結(jié)果，以期探明土壤水分特征曲線精度對土壤入滲結(jié)果的影響。

1材料與方法

1.1供試土樣

試驗土樣采集于河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山研究基地，1.0 m深度上的均勻混合樣，土壤質(zhì)地為黏土。室內(nèi)實驗根據(jù)設(shè)計土壤容重1.25 g/cm3配制土樣。經(jīng)SEDIMA4-12土壤粒徑分析儀分析，得到土樣的土壤機械組成：沙粒3.69%、粉粒7.29%、黏粒89.02%。

1.2模型參數(shù)及參數(shù)反演

采用van Genuchten模型擬合土壤水分特征曲線、導水率函數(shù)和擴散率函數(shù)[8-9]，將土壤機械組成和容重輸入RETC軟件[10]，求得van Genuchten模型的各個參數(shù)[10-11]：θr=0115 8，θs =0.531 5，α=0.022 9，n=1.191 4，m=0.160 7，ks=0.010 4 cm/min。故土壤水分特征曲線表達式為：

將上述曲線定義為標準曲線，并以此為基礎(chǔ)，對土壤入滲進行模擬。為了進行敏感性分析，對標準曲線作偏離設(shè)計。為了針對土壤水分特征曲線高吸力段進行分析，設(shè)定從0到100 cm吸力水頭范圍內(nèi)保持吸力及含水率不變，在大于 100 cm 吸力范圍內(nèi)對不同含水率條件下的吸力進行偏離，分別偏離±20%、±15%、±10%、±5%，得出偏離后的吸力與含水率關(guān)系曲線。吸力偏離±20%的土壤水分特征曲線如圖1，其他類似。

模型（1）中的4個參數(shù)θr、θs、α、n針對同一種土樣，其θr與θs均可通過試驗測得，故可設(shè)為定值，即θr=0.115 8，θs=0.531 5；參數(shù)α與n隨曲線的偏移而變化，應(yīng)用規(guī)劃求解的方法進行參數(shù)反演[12]，結(jié)果見表1。

由表1分析可知，對于同一種土樣，含水率對應(yīng)的吸力值越大則α越大、n越小，α與n呈此消彼長的關(guān)系。

2不同參數(shù)條件下的土壤入滲模擬

3結(jié)論

土壤水分特征曲線在大于100 cm的吸力范圍內(nèi)偏離不超過±20%情況下，入滲模擬結(jié)果無顯著性差異，因此，對于吸力大于100 cm水柱的土壤水分特征曲線段的試驗精度要求可適當放寬。

參考文獻：

[1]雷志棟，胡和平，楊詩秀. 土壤水研究進展與評述[J]. 水科學進展，1999（3）：311-318.

[2]郭鳳臺，遲藝俠，程東娟，等. 土壤水分特征曲線試驗研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2006，4（2）：47-48.

[3]李開元，李玉山. 土壤水分特征曲線的意義及其應(yīng)用[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學，1991（4）：47-48.

[4]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）：68-76.

[5]王攀，李遠，王金定. 應(yīng)用RETC軟件擬合土壤水分特征曲線的結(jié)果及分析[C]//河南省地質(zhì)學會. 河南地球科學通報2011年卷：下冊. 鄭州：河南省地質(zhì)學會，2011：398-401.

[6]夏達忠，張行南，賈淑彬，等. 基于土壤物理特性的土壤水分特征曲線推求方法[J]. 實驗室研究與探索，2010，29（10）：18-20，61.

[7]Eching S O，Hopmans J W. Optimization of hydraulic functions from transient outflow and soil water pressure data[J]. Soil Science Society of America Journal，1993，57（5）：1167-1175.