土壤水分特征曲线的测定及经验模型对比
【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
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。
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]。
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。
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[7]。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。
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（见表一）。
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。
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。
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：
[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.