土壤水分特征曲线的测定及经验模型对比

土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比研究研究目标本研究旨在对土壤水分特征曲线VG模型参数求解方法进行对比研究，探讨不同方法的优缺点，并通过对实际数据的拟合和分析，找出最适合的参数求解方法。

方法数据收集从实际农田中选取一定数量的土壤样本，测量其含水量和毛细吸力。

收集足够多的样本以覆盖不同土壤类型和湿度范围。

VG模型简介VG模型是描述土壤水分特征曲线的常用数学模型之一。

该模型基于Van Genuchten 方程，通过拟合参数来描述土壤中含水量与毛细吸力之间的关系。

Van Genuchten方程如下：θ=θr+θs−θr (1+α|ℎ|)n其中， - θ为土壤含水量； - θr为残余含水量； - θs为饱和含水量； - ℎ为毛细吸力； - α和n为VG模型的参数。

参数求解方法对比1.非线性最小二乘法：将VG模型转化为非线性最小二乘问题，通过迭代求解来寻找最优参数。

2.神经网络方法：使用神经网络模型来拟合土壤水分特征曲线，通过训练网络来得到参数。

3.遗传算法：将VG模型参数作为遗传算法的个体，通过进化过程寻找最佳参数组合。

参数求解对比实验1.非线性最小二乘法实验：使用MATLAB等工具，编写非线性最小二乘法的拟合程序，将实际数据带入进行拟合，并记录拟合误差和计算时间等指标。

2.神经网络方法实验：搭建神经网络模型，输入样本数据进行训练，并记录训练误差和计算时间等指标。

3.遗传算法实验：编写遗传算法程序，设置适应度函数、交叉操作和变异操作等参数，并记录迭代次数、收敛速度和计算时间等指标。

发现1.非线性最小二乘法在参数求解过程中需要选择初始值，并且对初始值敏感。

当初始值选择不当时，可能会导致无法收敛或者收敛到局部最优解。

2.神经网络方法在训练过程中需要大量的样本数据和计算资源，并且对网络结构和参数的选择较为敏感。

但是，神经网络能够较好地拟合复杂的土壤水分特征曲线。

3.遗传算法能够通过进化过程全局搜索参数空间，避免陷入局部最优解。

文章编号:1005-8656(2001)02-0028-04两种土壤水分测定资料的对比分析侯　琼,魏学占(内蒙古气象科研所,内蒙古呼和浩特　010051)提　要 针对中子仪测湿精度问题,利用2年的中子仪测湿资料与相同时期土钻法测湿资料进行比较,统计了两种资料的相对偏差、相关系数和离散系数等特征值,分析了各统计特征值的变化特点和时空分布规律,并探讨了产生差异的原因,其结论可为中子仪测湿精度的提高提供参考和思路。

关键词:中子仪;土壤水分;测湿;偏差中图分类号:S152.7　文献标识码:B 土壤含水量是表征土壤水分盈亏的主要指标,也是农田水分平衡和灌溉管理研究中的主要参数,被列为农业气象观测的重要内容。

以往测定方法主要采用取土烘干法,也称土钻法,该方法因耗费时间、人力,破坏土壤结构,深层观测困难等缺点,将逐步被中子仪、TDR等新型测湿技术所取代。

90年代初我国开始普及中子仪测湿法。

气象部门从1996年起在全国部分气象台站推广使用中子仪测定土壤湿度方法,拟代替现用的土钻法。

目前,中子仪测湿法以其数据采集及时准确(相对误差小)、不扰动被测土壤、测定深度不限、田间操作简单、携带方便等优点正被逐步推广。

中子仪测湿原理是由中子源发出的快中子在土壤中主要被水分子中的氢原子核慢化后形成慢中子,通过慢中子探测器测到的计数率与土壤水分含量有较好的线性关系,从而来测定土壤湿度[1]。

但这种线性关系的好坏,因土壤质地、含水量多寡、地表植被状况等因素不同而存在一定差异。

因此,比较不同环境条件下两种测定结果间差异的大小和变化规律,分析产生差异的原因,是提高两种观测资料精度所必须了解和掌握的。

本文根据内蒙古气候土壤特点,利用4个站点1996年7月～1998年7月2年的观测资料,对两种方法的观测结果进行了对比分析,得出一些初步结论,供参考。

1　观测方法利用北京核安核子仪器有限公司生产的CNC503DR型中子水分仪和土钻法同时测定4个不同土壤植被地区的土壤水分含量。

土壤水分测量的几种方法及比较土壤水分测量的几种方法及比较准确测定土壤含水量对指导农业生产和进行土壤水的研究有重要意义，土壤含水量的测定的方法很多，归纳起来有以下几类：（1）烘干法：又称重量测定法，即取土样放入烘箱，烘干至恒重。

此时土壤水分中自由态水以蒸汽形式全部散失掉，再称重量从而获得土壤水分含量。

烘干法还有红外法、酒精燃烧法和烤炉法等一些快速测定法。

（2）中子仪法：将中子源埋入待测土壤中，中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。

当快中子与氢原子碰撞时，损失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氢原子就越多，从而慢中子云密度就越大。

中子仪测定水分就是通过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。

（3）γ射线法：与中子仪类似，γ射线透射法利用放射源137Cs 放射出γ线，用探头接收γ射线透过土体后的能量，与土壤水分含量换算得到。

（4）土壤水分传感器法：目前采用的传感器多种多样，有陶瓷水分传感器，电解质水分传感器、高分子传感器、压阻水分传感器、光敏水分传感器、微波法水分传感器、电容式水分传感器等等。

（5）时域反射法：即TDR （Tim e Domain Reflectom e t ry ）法，它是依据电磁波在土壤介质中传播时，其传导常数如速度的衰减取决于土壤的性质，特别是取决于土壤中含水量和电导率。

（6）频域反射法：即FDR （Fr equency Dom a in Reflectometry ）法，该系统是通过测量电解质常量的变化量测量土壤的水分体积含量，这些变化转变为与土壤湿度成比例的毫伏信号。

如英国产的Thetaprobe 水分测量就是利用这项技术，其优点是测量精度高，价格便宜，既可以单点测量也可以多点测量垂直深度的一段剖面。

几种方法的比较：在测定土壤含水量的诸多方法中，烘干法简单直观，但是测量不具备连续性。

并且采样会干扰田间土壤水分的连续性，在田间会留下的取样孔，会切断作物的某些根并影响土壤水分运动；中子仪法可以在原地的不同深度上周期性的反复测定而不破坏土壤，但是仪器的垂直分辨率较差，表层测量困难，且辐射危害健康；γ射线法与中子仪法具有许多相同的优点，且比中子仪的垂直分辨率高，但是γ射线也危害人体健康；传感器法测定土壤水分的精度受传感器的设计、工艺制造等方面的影响，现在还处在进一步研制阶段。

两种模型对土壤水分特征曲线拟合的比较分析朱蔚利;肖自幸;牛健植;邵文伟;张由松;李想;武晓丽;赵玉丽【期刊名称】《湖南农业科学》【年(卷),期】2011(000)017【摘要】土壤水分特征曲线可以表示出土壤水的能量和数量之间的关系.以鹫峰国家森林公园土壤为例,用Van-Genuchten模型和土壤水分特征曲线单一参数模型拟合土壤水分特征曲线,结果表明:Van-Genuchten模型拟合的精度高,参数的物理意义明确,但工作量大；单一参数模型拟合精度比Van-Genuchten模型拟合精度约低一个数量级,但也能较准确地拟合土壤水分特征曲线,并且其参数可反映空间变异性,以及工作量小.两个模型均可用于拟合鹫峰国家森林公园土壤水分特征曲线,可根据不同情况选用.【总页数】5页(P47-51)【作者】朱蔚利;肖自幸;牛健植;邵文伟;张由松;李想;武晓丽;赵玉丽【作者单位】北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083;北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083;北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083;北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083;北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083;北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083;北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083;北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】S152.7【相关文献】1.两种方法对土壤水分特征曲线的拟合及比较 [J], 周强;万荻2.两种方法对土壤水分特征曲线的拟合及比较 [J], 梁晨璟;李春光;赵文娟3.Matlab和神经网络法对土壤水分特征曲线\rVG模型的拟合比较 [J], 郭豪;刘文祥;王超然;黄智刚4.两种模型对土壤水分特征曲线拟合的比较分析 [J], 朱蔚利; 肖自幸; 牛健植; 邵文伟; 张由松; 李想; 武晓丽; 赵玉丽5.三峡山地土壤水分特征曲线及模型拟合 [J], 牛晓彤;刘目兴;易军;吴四平;张君;杨燕因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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，相等。

坐标0点选在陶土头中心，则陶内外溶质势Φs相等。

仪器内外温度相等，温度势ΦT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式中，ΔPD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。

－zS=－Φms＝－ΔPD），则S=P－z如果负压表读数记为P（大于0，即P＝－ΔPD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。

实验内容与设计1. 土样：粘土、砂壤土2. 容重：1.3g/cm3 、1.4g/cm33. 方式：脱湿：配置饱和土样，在室内自然蒸发，测定整个过程中土壤含水率与吸力关系曲线。

单点：用16个土样，分别配置指定含水率，测定该含水率下的吸力值，连成特征曲线。

两种方法对土壤水分特征曲线的拟合及比较作者：梁晨璟，李春光，赵文娟来源：《湖北农业科学》 2014年第1期梁晨璟１，李春光２，赵文娟１（１．宁夏大学土木与水利工程学院，银川７５００２１；２．北方民族大学数值计算与工程应用研究所，银川７５００２１）摘要：土壤水分特征曲线是土壤水吸力与含水率之间的关系曲线。

此次试验利用压力膜仪测定银川北部盐渍土的土壤水吸力和含水率。

对土壤水分特征曲线的Ｖａｎ－Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ模型采用Ｍａｔｌａｂ软件和ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件进行拟合。

经过比较和分析后发现，用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件与Ｍａｔｌａｂ软件拟合土壤水分特征曲线精度近似相同，但是ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件对于不懂任何编程语言的人来说操作更为简便。

关键词：土壤水分特征曲线；Ｖａｎ-Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ模型；拟合方法；比较中图分类号：Ｓ１５２．７＋１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０14）01－0056-03ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｗｏＭｅｔｈｏｄｓＦｉｔｔｉｎｇＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＣｕｒｖｅＬIANG Ｃｈｅｎ-ｊｉｎｇ１，ＬI Ｃｈｕｎ-ｇｕａｎｇ２，ＺHAO Ｗｅｎ-ｊｕａｎ１（１．ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，ＮｉｎｇｘｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５００２１，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＢｅｉｆａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５００２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅ describes ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｗａｔｅｒｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｉｎｓｏｉｌ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓａｉｍｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｂｙｕｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅｍｂｒａｎｅａｎａｌｙｚｅｒｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｅｒｎａｒｅａｏｆＹｉｎＣｈｕａｎｓａｌｉｎｅｓｏｉｌ．Ｖａｎ－Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎｍｏｄｅｌｉｓ used ｔｏｆｉｔｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｕｓｅｂｙＭａｔｌａｂａｎｄＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ．Ｂｙｃｏｍｐａｒative ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ waｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｉｔｈａd ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｔｈｅｓａｍｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｆｉｔｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌａｎｄＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｂｕｔｉｔｉｓｍｏｒｅｓｉｍｐｌｅａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｆｏｒｐｅｏｐｌｅｎｏｔｋｎｏｗing ａｎｙｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅｂｙｕｓｉｎｇＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅ；Ｖａｎ-Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎｍｏｄｅｌ；ｆｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ土壤水分特征曲线是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，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征的曲线。

土壤水分特征曲线的4种经验公式拟合研究土壤水分特征曲线是描述土壤水分与各种物理和化学性质之间关系的一种曲线。

它是土壤水分管理和灌溉设计中重要的基础数据，因此对土壤水分特征曲线的研究一直是土壤科学的热点和难点。

本文通过对土壤水分特征曲线的四种经验公式进行拟合研究，探讨不同公式的适用性和拟合精度，为土壤水分管理和灌溉设计提供科学依据。

一、研究背景土壤水分特征曲线是土壤水分管理和灌溉设计中不可或缺的基础数据。

它描述了土壤水分与各种物理和化学性质之间的关系，如土壤含水量、土壤毛细管吸力、土壤孔隙度等。

因此，了解土壤水分特征曲线对于实现精准灌溉和提高农业生产效益具有重要意义。

目前，土壤水分特征曲线的研究主要采用经验公式进行拟合。

常用的经验公式包括van Genuchten模型、Brooks-Corey模型、Kosugi 模型和Campbell模型等。

这些模型基于不同的假设和理论，适用于不同类型的土壤和水分状态。

因此，对不同模型的适用性和拟合精度进行研究，具有重要的理论和实际意义。

二、研究方法本研究采用了四种常用的经验公式，分别是van Genuchten模型、Brooks-Corey模型、Kosugi模型和Campbell模型。

这些模型的具体形式如下：van Genuchten模型：θ = θr + (θs - θr) / [1 + (αh)n]mBrooks-Corey模型：θ = θr + (θs - θr) / [1 + (αh)1/λ]λKosugi模型：θ = θr + (θs - θr) / [1 + (αh)m]1/mCampbell模型：θ = θr + (θs - θr) / [1 + (αh)n]n其中，θ表示土壤含水量，θr表示残余含水量，θs表示饱和含水量，h表示土壤毛细管吸力，α、m、n、λ为拟合参数。

本研究采用了基于最小二乘法的拟合方法，利用MATLAB软件进行数据处理和拟合计算。

力计法测定土壤水分特征曲线一、实验LI 的及耍求L I:壤水分特征曲线：表示在半衡条件下,上壤水的能量和数量 Z 间的关系.它是山实测I:壊水堆模势 £相应的 得 到的土壤水在脱水（「燥）和吸水（湿润）过程中的水分特征曲线■因为 土壤水的滞后現象.得到的两条曲线并不完全相同,分别是脱水曲线 和吸水曲线。

实践屮必须;i 总 血区别应用。

木实验II 的在于确定高基模势（低吸力范围（0〜・0・08MPa ））的 脱水曲线和吸水曲线・2・要求：通过木次实验•耍求学生学会利用张力计法测定土壤水分特征 曲线,初步『解I:壤含水量和匕壤基质势Z 间的内在关系。

壤屮.要E«紧缺g 触°从那力彳观点來分 il 与土填肩件 个累统.这木索统中张力“山的水通过 称膜）9I 填孔隙屮的水相联通「在平術过程门有少址郎 上爪或从上瑰盜进內头内 ■ ”达到忡:时，上壤水的花学势（“刊）勺张力计内水的（几）相家即：如=如 _ 0在不伽温度彫响时•得=从+ %+必+必九厂疋♦叫式中：・住标准状态F 纯自由水的化学如几屮八 土壤水压力孙：0. • 土壤堆松如屮R > I ：壤水溶质孙：帜•怅力计中水的溶质势: 化•水的密度（在匕・峙范围内假定不发生变化）。

P ,张力计内水承受的压力. 实验原理在平衛过卅门行少朮忍歆二、实验原理p. =1个人气压在此悄形下：T是张力计表头I：的读数•称之为上壤水张力是上壤基模势相反的数，上壤水张力&1EVLI•壊水与张力il 内水中溶质通过水的交换达到平衡而内外溶质势相等即：=进而得到：…严打取P- = lg/cm3,则皿方卅变为：所以张力计4系统达到平衡艸测级的圧hmt模如张加11妙承或购压力在物泌上壤基模毎时加低F二入夬气压,必俄有空气通过陶头和压力讣水银或水往压力汁不断地扩散到张力讣中去, 这赴因为气体在不同压力F在溶液中的溶解度不同和分压不同图1・I堆水分特術曲线图2•上壤水分特征囱线测定装賈张力计系统平衡时.在有捷模势心在时土壤水压力外S五、注意事项．按图 2 安装水分特征曲线测定装置，加入300克水银。

土壤水分特征曲线的测定及经验模型对比作者：李金鸥来源：《中国科技纵横》2016年第01期【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。

土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析新疆农业大学2011,34(5):437~441 JournalofXinjiangAgriculturalUniversity文章编号:1007—8614(2011)05—0437—05土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析刘洪波.,张江辉,虎胆?吐马尔白,白云岗(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐830052;2.新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐830049)摘要:采用负压汁对砂壤土试样进行了土壤水吸力和对应含水量的测量,并分别运用RETC软件和Matlab软件对不同水分处理土壤水分特征曲线VG模型进行了拟合计算,然后将拟合值与实测数据进行对比分析.结果表明.Matlab和RETC软件均可用于土壤水分特征曲线VG模型的参数求解,Matlab 软件比RETC软件拟合的误差小,拟合效果明显优于RETC软件,RETC软件对极端干旱区砂石占绝对比重的砂壤土拟合效果不佳.关键词:RETC;Matlab;Van—Genuchten模型;土壤水分特征曲线中图分类号:$274.1文献标识码:A ContrastAnalysisonSoilWaterCharacteristicCurveofVGModelParametersLIUHong—bo,ZHANGJiang—hui,Hudan.Tumaerbai,BAIYun—gang.(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity, Uru—mqi830052,China;2.XinjiangResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Uru mqi830049,China)Abstract:Water—absorbingpowerandcorrespondingwatercontentofsandyloamsamplesweremeasured withnegativepresureandVGmode1ofsoi1watercharacteristiccurvewithdifferentwaterwe reaccordably calculatedwithRETCsoftwareandMatlabsoftwarerespectively,thenthecontrastanalysis wasconductedonfittingvalueandmeasureddata.TheresultshowedthatbothMatlabandRETCsoftwaresca nbeusedtOsolvetheparametersofVGmodelofsoi1watercharacteristiccurve,Matlabhaslessfittinge rrorsthanRETCsoftware,itsfittingeffectswerebetterthanthatofRETCsoftware.RETCsoftwareperf ormedits poorfittingeffectonabsoluteproportionofsandyloamintheextremelyaridregion. Keywords:RETC;Matlab;V an—Genuchtenmodel;soilwatercharacteristiccurve士壤水分特征曲线表示土壤水在非饱和状态下能态与数量问的关系,它是分析土壤水运动的最基本的资料之一,同时也是获取其他土壤水分常数和土壤水动力参数的基础.用负压式张力计法测定土壤水分特征曲线虽然范围有一定的限度,但是它结构简单,使用方便,而且能直接在田间测量,并且能用来指示灌溉,所以应用比较广泛【卜.目前,尚不能根据土壤的基本性质从理论上分析得出土壤水的基质势与含水率的关系,因此主要采用实测结果拟收稿日期:基金项目:通讯作者:合经验模型的方法测定水分特征曲线,常用的经验模有Broods—Corey模型,Gardner模型,V anGenu—chten模型(简称VG模型)和Gardner—Russo模型.目前,对Broods—Corey模型和Gardner—Russo模型国内仅做了少量研究l4-7],而国内外使用最为普遍的描述土壤水分特征曲线的是VG模型_1引,通过Matlab和RETC软件推导出实验土壤的土壤水分曲线,并认为RETC软件较Matlab软件拟合的误差小,拟合效果优于Matlab软件.李春友等口1532010—05—21国家科技支撑计划项目(2011BAD29B05);新疆维吾尔自治区科技攻关项目(200931105);水利部公益性行业科研专项(201001066)张江辉,E—mail:**************438新疆农业大学通过优化方法,阻尼最小二乘法以及遗传算法等不同方法推求了VG方程的参数,并且大部分的研究土壤质地为粘土,砂土或壤土等,而对于极端干旱区的砂壤土现有的研究甚少,本研究尝试对该地区使用RETC和Matlab软件提供的有关函数完成VG模型中4个参数的求解.1材料与方法1.1试验条件试验地点位于新疆吐鲁番地区鄯善县新疆葡萄瓜果开发研究中心试验基地(北纬42.91.,东经9O.30.);海拔419m.年降雨量25.3mm,年蒸发量2751mm,≥10℃积温为4522.6～5548.9℃,全年日照时数2900～3100h,平均日较差为14.3～15.9.C,最大可达17.0～26.6℃,无霜期192～224d.土壤质地主要为砾石沙壤土.葡萄品种为无核白,1981年定植,树龄28a,大沟定植,东西走向,沟长54m,沟宽1.0～1.2rn,沟深0.5m左右;株距约1.2～1.5m,行距3.5In;栽培方式为小棚架栽培,棚架前端高1.5m,后端高0.8ITI.1.2试验设计试验采用地面滴灌灌溉方式,设高水X(14775ITI./hm),中水X2(7950m./hm)和低水X.(5850m./hm)3个不同的水分处理,每个处理设2个重复,每个试验处理小区面积0.028hm.1.3试验内容与方法1.3.1土壤水势土壤水势利用DLS一1I负压计测定20,3O,50cm土层负压.1.3.2土壤含水率土壤含水率采用TRIM—IPH中子仪测定,在2010年7月2O日至7月26日8:O0观测不同处理0～2O,20～4O,40～60,60～80,8O～100cm深度上的田间土壤含水率.2结果与分析2.1VG模型VG模型由美国学者V anGenuchten于1980年提出,其表达式为:+式中:为体积含水率(cm./cm.);0,为残留含水率(cm./cm.);0为饱和含水率(cm./cm.);h为负压(cmH.O);a,,为经验拟合参数(或曲线性状参数);m一1—1/n.2.2实验数据对试验地随机定点,用环刀对3个不同取样点的0～20cm和20~40cm的土壤进行取样,进行容重的测定,结果表明0～20cm的土壤容重是1.40g/cm.,而20～40cm的土壤容重是1.15g/cm.(表1).其土壤水吸力与土壤含水量实测值具体结果见表2.2.3RETC和Matlab软件拟合土壤水分特征曲线RETC软件由USSL(美国盐改中心)开发,可用来分析非饱和土壤水分和水力传导特性.它可以很方便的实现土壤转换函数功能,即根据土壤的颗粒级配中砂粒,粉粒,粘粒的百分含量以及土壤容重等土壤物理性质数据,可直接输出V an—Genuchten 模型中的4个参数.由于饱和含水率0已由实验得到,故为已知值.将表1中土壤颗粒级配参数输入到RETC软件中,拟合得到其余+3参数值在0～20cm土层深度时0,一0.0441,0/一0.0376和视一1.6592,在20~40cm土层深度时0,-----0.0472,口一0.0395及一1.5643,并将通过实验已知的0～20cm和20～40cm饱和含水率0===24.5和0一19.9分别代人VG模型公式(1)中,得RETC拟合公式,(2)式为O～20cm,(3)式为20~40cm:=:=0.0441+(2)_--0.0472q-㈦对VG模型中的参数求解只需调用Matlabl1I¨中非线性曲线拟合函数lsqcurvefit求解非线性最小二乘问题,给出参数值区间,并给出初始值,即.=Eo1.100.O04];初始迭代值,由于m一1—1/>0,所以要求>1表1试验土壤颗粒级配Table1Theparticlesizedistributionoftestsoil0～2O20～4015.0112.161.401.15第5期刘洪波,等:土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析439 z一Fo100.004];待定参数的下界.一F55111;待定参数的上界函数根据最小二乘原理进行自动迭代求解.然后利用实测数据就可确定VG模型中的0…0a和4个参数.通过编程得到拟合参数在0～20cm土层深度时0一O.2438,0,一O.0228,a—O.0251和,2—1.2583,在20~40cm土层深度时0一0.1993,0,一O.0118,口:==0.2219及一1.1751,并将通过实验已知的O～20cm和2O～40cm饱和含水率一24.5和0一19.9分别代人VG模型公式(1)中,得到Matlab拟合公式,(4)式为O～20cm,(5)式为2O～40cm:_0.0228+(4)O_O.0118+(5)将RETC软件和Matlab软件拟合的曲线与实测数据绘制在同一坐标系中(图1,图2).两种求参方法所得到的曲线存在明显差异(图1,图2),在O～2Ocm深度上,Matlab拟合值与实测值较接近,其重合程度要明显优于RETC拟合曲线,在2O～4Ocm深度上,Matlab在x和x水分处理上拟合优于RETC,但x.处理上RETC拟合值与实测值更为接近.对RETC和Matlab软件拟合的曲线进行残差分析(-h3).通过残差分析,可明显看出Matlab软件拟合效果优于RETC软件.O实测值*RETc拟合值"-~-Matlab拟合值一一皿旺I1抽磷_H一一噩I1*抽磷土壤水吸力(em)土壤水吸力(em)土壤水吸力(em)x.处理x处理x处理图1O～2ocm深度不同水分处理拟合土壤水分特征曲线比较Fig.1Comparisionofthefittingsoilwatercharacteristiccurvein0—20cmdepthwaterdifferentwatertreatments440新疆农业大学2011钲一一皿删抽磷0实测值*RETc拟合值-~-Matlab拟合值2蔓tt一一皿硎*缸磷土壤水吸力(cm)土壤水吸力(cm)x,处理x处理图220~40cm深度不同水分处理拟合土壤水分特征曲线比较土壤水吸力(cm)X处理Fig.2Comparisonofthefittingsoilwatercharacteristiccurvein2O一40cmdepthwithdifferentwatertreatments表3同软件拟合值残差分析Table3Analysisontheresidualerrorfittedwithdifferentsoftware第5期刘洪波,等:土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析4413小结运用RETC软件和Matlab软件对土壤水分特征曲线VG模型中4个参数进行了拟合,表明RETC和Matlab软件进行土壤水分特征曲线VG模型的参数求解是可行的.从两种求参方法看,RETC软件操作步骤简单,计算精度高,无需编程;Matlab软件数值运算功能强大,对用户的编程能力有一定的要求;从拟合结果看,Matlab软件拟合结果明显优于RETC软件,这与王薇_l..和范严伟_】的研究结果存在差异,主要原因是他们所试验土壤质地为黏壤土和粉沙壤土,在RETC软件中可以得到更精确的参数,从而得到与实测值误差更小的拟合值,而本研究试验土壤虽为砂壤土,但砾石占有一定比重,使拟合参数本身存在一定偏差,进而导致拟合曲线与实测值差异较大.参考文献:[1]李玉琪.负压计测定土壤水分的应用分析[J].中国农村水利水电,1999(3):18—19.[2]刘思春,王国栋,朱建楚,等.负压式土壤张力计测定法改进及应用[J].西北农业,2002,11(2):29—33.E3]王凤新,康跃虎.用负压计拟定滴灌马铃薯灌溉计划的方法研究I-J].干旱地区农业研究.2005,23(3):58—64. [4]韩祥伟,邵明安,王全九.简单人渗法在确定Brooks Corey水分特征曲线模型参数中的应用研究[J].土壤,2006,43(3):506—508.[5]邹朝望,薛绪掌,张仁铎.基于两组负水头入渗数据推求Brooks—Corey模型中的参数[J].农业工程,2006,22(8):1—6[6]马东豪,王全九.用Brooks—Corey模型确定两流区模型参数_J].土壤,2006,43(2):209—214.[7]邹朝望,薛绪掌,张仁铎.推求Gardner—Russo持水曲线模型参数的简单人渗法[J].水利,2006,37(9): 1114—112O.[8]魏义长,刘作新,康玲玲.辽西淋溶褐土土壤水动力学参数的推导及验证[J].水利,2004(3):81—86.[9]彭建平,邵爱军.基于Matlab方法确定VG模型参数[J].水文地质工程地质,2006(6):25—28.[1O]王薇,孟杰,虎胆?吐马尔白.RETC推求土壤水动力学参数的室内试验研究[J].河北农业大学,2008,31(1):99—102,106.[11]范严伟,邓燕,王波雷.土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比研究口].人民黄河,2008,30(15):49—5O.E12]王小华,贾克力,刘景辉,等.V anGenuchten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.E13]V anGenuchtenMTh.Aclosed—fromequationfor predictingthehydraulicconductivityofunsaturatedsoils[J].SoilSci.Soc.Amj.,1980,44(5):892—898.[14]李春友,任理,李保国.利用优化方法求算V anGenu—chten方程参数[J].水科学进展,2001,12(4):473—478. [15]马英杰,虎胆?吐马尔白,沈冰.利用阻尼最小二乘法求解V anGenuchten方程参数I-J].农业工程,2005,2l(8):179—180.。

土壤水分特征曲线的4种经验公式拟合研究土壤水分是土壤中最重要的物理指标之一，对于土壤的生态环境和农业生产都具有重要的影响。

而土壤水分特征曲线则是描述土壤水分变化规律的重要工具之一。

本文将从土壤水分特征曲线的定义、意义和研究方法等方面进行探讨，重点介绍了四种经验公式在土壤水分特征曲线拟合中的应用。

一、土壤水分特征曲线的定义土壤水分特征曲线是描述土壤中各种水分状态下水分势与含水量之间关系的曲线。

通俗来说，就是通过测量不同含水量下土壤的水势，然后将其绘制成一条曲线，以反映土壤水分状态的变化规律。

土壤水分特征曲线通常由三条曲线组成，即吸力曲线、含水量曲线和水势曲线。

二、土壤水分特征曲线的意义土壤水分特征曲线的研究对于农业、生态环境和水资源管理等方面都具有重要的意义。

首先，土壤水分特征曲线可以用来评价土壤的水分状况，为农业生产提供依据。

其次，土壤水分特征曲线还可以用来研究土壤水分的储存和运移规律，为生态环境保护提供科学依据。

最后，土壤水分特征曲线还可以用来研究土壤水资源的开发和利用，为水资源管理提供参考。

三、土壤水分特征曲线的研究方法土壤水分特征曲线的研究方法主要包括实验法和模型拟合法两种。

其中，实验法是通过野外或室内实验直接测量土壤水分在不同含水量下的水势，然后绘制出土壤水分特征曲线。

而模型拟合法则是通过对已有数据进行统计分析和模型拟合，来推导出土壤水分特征曲线的参数。

四、四种经验公式在土壤水分特征曲线拟合中的应用四种经验公式分别是Van Genuchten模型、Brooks-Corey模型、Campbell模型和Kosugi模型。

这些经验公式都是通过对实验数据进行统计分析和模型拟合得到的，可以用来拟合土壤水分特征曲线，并推导出相应的参数。

其中，Van Genuchten模型是最常用的一种模型，其公式为：θ=θr+(θs-θr)/(1+(α|ψ|)^n)^m其中，θ表示土壤含水量，θs表示土壤孔隙度，θr表示土壤残余含水量，α表示吸力参数，ψ表示土壤水势，n和m为拟合参数。

土壤水分特征曲线的4种经验公式拟合研究土壤是生态系统的重要组成部分，其水分特征是影响土壤水分管理和作物生长的重要因素。

土壤水分特征曲线是描述土壤水分含量与土壤水势之间关系的曲线，是土壤水分特性的重要指标。

本文将介绍四种经验公式对土壤水分特征曲线的拟合研究。

一、土壤水分特征曲线的基本概念土壤水分特征曲线是描述土壤水分含量与土壤水势之间关系的曲线，通常用土壤含水量（土壤干重与湿重之差）与土壤水势（土壤中水分的势能）之间的关系图来表示。

在土壤中，水分的含量和水势之间存在着一定的关系，即水分含量越高，土壤水势越低，反之亦然。

二、四种经验公式的介绍1. Van Genuchten经验公式Van Genuchten经验公式是一种常用的土壤水分特征曲线拟合方法，其表达式为：θ = θr + (θs - θr) / [1 + (αh)n]m其中，θ为土壤含水量，θr为残留含水量，θs为饱和含水量，h为土壤水势，α为尺度因子，n和m为形状参数。

2. Brooks-Corey经验公式Brooks-Corey经验公式是一种简化版的Van Genuchten经验公式，其表达式为：θ = θr + (θs - θr) / [(h / h0)-b]其中，θ、θr和θs的含义同Van Genuchten经验公式，h为土壤水势，h0为参考水势，b为形状参数。

3. Kosugi经验公式Kosugi经验公式是一种改进的Van Genuchten经验公式，其表达式为：θ = θr + (θs - θr) / [1 + (αh)n]m / exp[-(h / hc)p] 其中，θ、θr、θs、h、α、n和m的含义同Van Genuchten经验公式，hc为临界水势，p为形状参数。

4. Campbell经验公式Campbell经验公式是一种基于土壤物理学原理的土壤水分特征曲线拟合方法，其表达式为：θ = θr + (θs - θr) / [1 + (αh)n]m / [1 + (βh)m]n 其中，θ、θr、θs、h、α、n、m和β的含义分别为：θ为土壤含水量，θr为残留含水量，θs为饱和含水量，h为土壤水势，α为尺度因子，n和m为形状参数，β为湿度因子。

几种典型土壤水分特征曲线模型分析作者：唐凯来源：《农业与技术》2017年第03期摘要：从分析土壤水分特征曲线的影响因子入手，通过结合现有国内、外研究成果，总结了几种典型的土壤水分特征曲线的模型，并且对它们进行了简单的对比分析。

关键词：土壤水分特征；典型；模型中图分类号：S731 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170106001引言几十年来[1-6]，为了确定水分特征曲线人们不断投入精力发展相关的测定方法，从这些方法的类型来看主要为2类：直接测定法，如Brooks-Corey模型、vanGenuchten模型、Campbell 模型、Mualem模型等，其中Brook-Corey模型和vanGenuchten模型得到了广泛应用；间接推求法，主要是通过估算土壤物理特性实现的。

1 土壤水分特征曲线的影响因子1.1 质地土壤质地对土壤水分特征曲线的影响在目前来看是最大的。

土壤颗粒的粗细，决定了颗粒的表面积大小，颗粒越粗，它的表面积越大，形成的孔隙就会越大，这样的土壤对水的吸持能力就会明显减小。

1.2 结构对土壤水分特征曲线的影响也很大的是土壤的结构。

当土壤团聚比较好，同时数量较多的状态，曲线的表现为先平缓上升后急速上升。

对水分特征曲线的影响，在土壤结构上分析主要是因为孔隙的状况的不同。

1.3 容重水分特征曲线受容重的影响主要是因为容重增大时，土壤孔隙数量同时减少，从而导致饱和含水量降低，与此同时接近饱和含水量酸的斜率也会明显增大。

2 土壤水分特征曲线的模型类别利用土水势和相对含水量的幂函数关系建立经验模型，此类有Rawls模型、Campbell模型等；采用最小二乘法回归模拟，主要通过土壤体积含水量与土壤的颗粒分布的关系来实现；采用经验物理模型的方法来实现，代表的有 Brooks-Corey模型等；通过土壤结构的自相似特性，来确定土壤结构分形维数，通过分型特征推导出的模型，包含有一定物理含义，如Tyler-Wheatcraft模型等。

土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析
刘洪波;张江辉;虎胆·吐马尔白;白云岗
【期刊名称】《新疆农业大学学报》
【年(卷),期】2011(034)005
【摘要】采用负压计对砂壤土试样进行了土壤水吸力和对应含水量的测量,并分别运用RETC软件和Matlab软件对不同水分处理土壤水分特征曲线VG模型进行了拟合计算,然后将拟合值与实测数据进行对比分析.结果表明,Matlab和RETC软件均可用于土壤水分特征曲线VG模型的参数求解,Matlab软件比RETC软件拟合的误差小,拟合效果明显优于RETC软件,RETC软件对极端干旱区砂石占绝对比重的砂壤土拟合效果不佳.
【总页数】5页(P437-441)
【作者】刘洪波;张江辉;虎胆·吐马尔白;白云岗
【作者单位】新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐830052;新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐830049;新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐830049;新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐830052;新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐830049
【正文语种】中文
【中图分类】S274.1
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