入滲模擬結(jié)果對(duì)土壤水分特征曲線高吸力段的敏感性分析

王輝 繳錫云 王欣

摘要：針對(duì)非飽和土壤水分特征曲線傳統(tǒng)測量方法上對(duì)儀器精度要求高、耗時(shí)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(duì)入滲模擬結(jié)果的影響。針對(duì)黏土的土壤水分特征曲線，設(shè)計(jì)了正負(fù)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(gè)典型時(shí)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(shí)，對(duì)于土壤入滲數(shù)值模擬結(jié)果無顯著影響，因此，對(duì)土壤水分特征曲線高吸力段的試驗(yàn)精度要求可適當(dāng)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(hào)： S271文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0328-02

收稿日期：2013-09-11

基金項(xiàng)目：國家公益性行業(yè)（水利）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201301014）；水利部“948”項(xiàng)目（編號(hào)：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(xué)科研究中的重要過程[1]，是一種重要的土壤水分運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算的基礎(chǔ)資料[2-3]。劉建立等[4]、王攀等[5]、夏達(dá)忠等[6]認(rèn)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(yàn)，得到了普遍認(rèn)可的試驗(yàn)方法，對(duì)于土壤水分特征曲線的物理意義研究已比較深入。試驗(yàn)測定中試驗(yàn)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，且對(duì)于低含水率高吸力區(qū)，試驗(yàn)測量有困難，然而現(xiàn)實(shí)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(yàn)直接測定，其中多數(shù)的測量方法由于對(duì)試驗(yàn)儀器精密度要求較高，測試耗時(shí)長，成本較高而受到限制，同時(shí)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(yàn)的精度和范圍，并分析其對(duì)土壤入滲模擬結(jié)果的影響。若結(jié)果表明土壤入滲對(duì)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(yàn)中就可以避開試驗(yàn)測量上的困難。本研究對(duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行了不同程度的偏離并得到相應(yīng)的VG模型參數(shù)，對(duì)不同參數(shù)均進(jìn)行了土壤水分入滲模擬，并對(duì)比模擬結(jié)果，以期探明土壤水分特征曲線精度對(duì)土壤入滲結(jié)果的影響。

1材料與方法

1.1供試土樣

試驗(yàn)土樣采集于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)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(dǎo)水率函數(shù)和擴(kuò)散率函數(shù)[8-9]，將土壤機(jī)械組成和容重輸入RETC軟件[10]，求得van Genuchten模型的各個(gè)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(dá)式為：

將上述曲線定義為標(biāo)準(zhǔn)曲線，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)土壤入滲進(jìn)行模擬。為了進(jìn)行敏感性分析，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線作偏離設(shè)計(jì)。為了針對(duì)土壤水分特征曲線高吸力段進(jìn)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(duì)不同含水率條件下的吸力進(jìn)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(gè)參數(shù)θr、θs、α、n針對(duì)同一種土樣，其θr與θs均可通過試驗(yàn)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(jìn)行參數(shù)反演[12]，結(jié)果見表1。

由表1分析可知，對(duì)于同一種土樣，含水率對(duì)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(duì)于吸力大于100 cm水柱的土壤水分特征曲線段的試驗(yàn)精度要求可適當(dāng)放寬。

參考文獻(xiàn)：

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[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(xué)，1991（4）：47-48.

[4]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）：68-76.

[5]王攀，李遠(yuǎn)，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(xué)會(huì). 河南地球科學(xué)通報(bào)2011年卷：下冊(cè). 鄭州：河南省地質(zhì)學(xué)會(huì)，2011：398-401.

[6]夏達(dá)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(shí)驗(yàn)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.