水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率

第21卷第6期2007年12月水土保持学报Jour nal of Soil and Water Co nser vationV ol.21N o.6D ec.,2007　两种非饱和导水参数推求方法在紫色土上的应用程冬兵,蔡崇法*(华中农业大学资源与环境学院,武汉430070)摘要:土壤非饱和导水参数的难于获取,限制了非饱和水流数值模拟技术的实际应用。

本研究选择颇具代表性的土壤水分特征曲线推求法和简单入渗法两种方法,分别推求不同质地紫色土导水参数,并进行了分析比较。

结果显示,土壤水分特征曲线推求法和简单入渗法,推求的非饱和导水率与计算值均具有较好的一致性。

鉴于土壤水分特征曲线的易测优势和简单入渗法实验简便省时特点,采用这两种方法进行紫色土非饱和导水参数的推求或预报是可行的。

关键词:紫色土;　非饱和导水率;　水分特征曲线;　简单入渗法中图分类号:S152.7 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2007)06-0143-04Application of Two Methods of Estimating Soil Hydraul ic Properties on Purple SoilCHENG Dong-bing,CAI Chong-fa(College of Resource and Environment,H uaz hong A gr icultural U niver sity,W uhan430070)Abstract:Soil unsaturated hy draulic properties w ere not available,w hich restricted the technology of unsaturated hydraulic simulation to be applied to the field.In this research two representative m ethods of estimating soil hydraulic properties based on soil w ater retention curve and simple infiltration w ere em ploy ed,and unsaturated hydraulic properties w ere estimated and compared by these tw o methods for different textural purple soils.The results show ed that the unsaturated conductivities estimated by soil w ater retention curve and simple infiltration w ere in good ag reem ent with calculated unsaturated conductivities.Because of the advantage of measuring easily for soil w ater retention curve and the characters of simple ex periment and time-saving for the simple infiltration, these tw o methods being em ploy ed to estimating purple soil unsaturated hy draulic properties w ere feasible.Key words:purple soil;　unsaturated conductivity;　soil w ater retention curve;　simple infiltration研究评价土壤水分运移状况及建立水分运动模型,简易准确获取水动力学参数是前提,尤其是非饱和导水率[1]。

第33卷第1期1997年1月 林 业 科 学SC IEN TIA SILV AE SIN ICAE V o l.33,N o.1J a n.,1997不同林地土壤水分入渗和入渗模拟的研究*周择福 洪玲霞(中国林业科学研究院林业研究所　北京　100091) (中国林业科学研究院资源信息研究所　北京　100091)摘　要　由达西定理和能量守恒原理推导了土壤水分入渗的数学模型,水平土柱法实测了模型中的基本运动参数:土壤水分扩散率D(θ),推求了土壤水分非饱和导水率K(?,经过计算机用有限差分法模拟了六块不同林地的土壤水分入渗过程,实地试验检验了模拟结果。

结果表明计算的累积入渗量和入渗率与实测值非常一致。

经过模拟结果绘制的入渗时水分随时间变化的剖面图,形象地反映了不同林地的土壤水分入渗的全过程。

关键词　土壤水分入渗,动态模拟,不同林地类型土壤水分入渗过程和渗透能力决定了降雨进程再分配中的地表迳流和土壤储水性,在干旱、半干旱地区,林业发展的主要途径是充分有效地利用自然降水、减少地表迳流、增加土壤水分。

因此,土壤水分入渗的研究在干旱半干旱地区较为重要。

多年来,该研究逐步深入。

研究途径可分为两类:纯经验公式和半理论、半经验公式。

随着计算机技术和数学——物理建模技术的发展,利用数学——物理的原理,建立数学模型,然后应用计算机技术进行数值模拟,再经实验验正模拟结果,解决实际问题,减少大量的田间试验,提高试验精度。

用这一方法研究土壤水分入渗已经在农业和水利部门取得了很大的成功,推动了农田水利土壤水分研究的向前发展[1]。

但是,此项研究在林业,特别在干旱、半干旱地区的不同林地尚属空白。

因此,本文就此问题进行了研究。

1　土壤水分入渗模型的建立及边界条件的确定 由Darcy定律和能量守恒原理推导的土壤水分运动方程反映了土壤水分运动的基本规律,其方程为: θt=z D(θ)θz±K(θ)z(1)式中:θ为土壤容积含水量(cm3/cm3);D(θ)为土壤水分扩散率(cm3/cm3);K(θ)非饱和导水率(cm/min);z为土壤水分入渗的深度(cm);K(θ)/z为由土壤水的重力势引起的水分变化,水流方向与所取坐标访向一致取+,否则为-。

试验题目：水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率 1 试验目的和测定原理1.1 试验目的掌握利用水平土柱法测定土壤水扩散率D(θ)的方法。

该法是利用一个半无限长水平土柱的吸渗试验资料，结合解析法求得的计算公式，最后计算求出D(θ)值。

1.2 实验原理做一个厚度较小（小于10cm ）的水平土柱，长度为100cm 左右，使密度均一，且有均匀的初始含水率。

在土柱进水端维持一个接近饱和的稳定边界含水率，并使水分在土柱中作水平吸渗运动，忽略重力作用，作为一维水平流动其微分方程和定解条件为a ()t bD x x θθθθθθθ∂∂∂∂∂∂⎧⎡⎤⎪⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩＝＝＝式（b ）中为初始条件，即土柱有均匀的初始含水率a θ。

式（c ）为进水端的边界条件，即土柱始端边界含水率始终保持在b θ（接近饱和导水率）。

方程（a ）在上述定解条件下，求出其解析解，即可以得出()D θ的计算公式。

该方程为非线性偏微分方程，求解比较困难。

采用Boltzmann 变换，将其转化成偏微分方程求解。

Boltzmann 变换如下：方程a 可改写为以距离坐标x(θ，t)为因变量的基本方程即：⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂-θχθθχ/)(D t (1) 假定此方程的解是变量分离的，即)()(t s θηχ= 将其代入以х为因变量的基本方程中，整理后结果为：χ>0 t=0 χ=0 t>0(a)(b) (c)⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=θθηθθθηd d D d d dt t ds t s )(/)()(1)()( (2) 上式左端只随t 变化，右端只随θ变化。

该式对任意的t 与θ都成立，则等式的两端必为同一常数，假定为A,故⎥⎦⎤⎢⎣⎡-θθηθθθηd d D d d )(/)()(1＝A (3)=dtt ds t s )()( A (4) 对式（4）积分的结果为[]211)(2)(c t A t s +=（1c 为积分常数）将此式代回（2）得，[]211)(2)(c t A +=θηχ引入参数λ，令)()2(21θηλA =于是211)(c t +=λχ （5） 由b ，c 的条件得：0)(0=θλ ，11/)(c χθλ=由此可知1c 必须为0，即1c ＝0将此代入（5）中，则得到21)(),(tt θλθχ=即为Boltzmann 变换将分别对t 和θ求导，其结果代入方程（1）整理后得到求解土壤水分运动的常微分方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=))((2)(θλθθθθλd d D d d 假设λ与 θ的关系是连续光滑的曲线，则必然有i θθ=，0=λθd d 时， 对上式积分，得)()(2)(θλθθθθλθθd d D d i-=⎰即是含水量θ随时间和坐标x 得变化关系 解出()D θ值计算公式为：a ()d 1d 2d D θθθθθ⎰＝－λ（）λ（d ）式中，λ为Boltzmann 变换的参数，21t χλ=。

土壤水分溶质动力学实验报告实验目的通过水平土柱以及垂直土柱入渗实验，了解水分的入渗过程、入渗特性，以及用水平土柱入渗法测定土壤水分扩散率的方法，利用垂直入渗实验测定土壤饱和导水率的方法。

实验方法和步骤1、土壤样品准备：样品风干、磨细、过筛等。

2、装土柱：分层次将一定容重的土壤装填在土柱中。

3、入渗实验：在土壤入渗过程中，观测不同时间土壤湿润峰的迁移，不同时间的入渗水量，入渗结束后测定不同层次土壤含水量。

实验结果分析（1）用EXCEL绘制土壤累积入渗量曲线，土壤入渗速率曲线、湿润锋的迁移与时间的平方根曲线、土壤水分在剖面分布曲线，分析土壤的入渗特性。

（2）计算土壤水分扩散率，绘制扩散率与含水量曲线。

计算土壤饱和导水率。

一、水平土柱入渗实验1、实验目的在熟练掌握水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率原理的基础上了解土壤水平入渗特性，确定入渗条件下湿润锋x和时间t之间的关系，了解入渗条件下土壤累积入渗量曲线以及数学表达式，在此基础上,计算土壤的入渗速率以及数学表达式，同时得到土壤水扩散率D(θ)的关系，并绘制相应的图表。

2、实验要求水平土柱（长30cm），是由直径5cm，厚度为2cm的单环组装形成的，土柱装土土壤为老师事先准备好的沙壤土，控制装土容重为1.4g/cm3。

水平入渗过程中，进水端的水位由马氏瓶控制。

入渗过程中，观测不同时间的累积入渗量以及湿润锋的距离。

实验结束后，用烘干法分层测定土壤重量含水率，计算体积含水率。

3、实验方法与步骤（1）土壤样品准备：样品风干，磨细、过筛（孔径2 mm）；（2）装土柱：在内径为5cm的水平实验土槽底部垫上滤纸，然后将实验用土按设计容重 1.4g/cm3的标准分层装入水平土槽中，为保证土的均匀性，我们将土按2cm高度分层装入；（3）在马氏瓶中装入一定量的水，将下部进气阀和出水阀关闭；（4）用橡皮输水管将马氏瓶的出水口与水平土槽进水口相连，然后打开马氏瓶顶部的加水孔的橡皮塞和出水阀，同时将水平槽的排气孔打开，给水平土槽下部的水室进行排气和充水，保证水能够均匀的入渗；（5）水室充满水后，立即将马氏瓶加水孔和水平土柱的排气孔密封，打开马氏瓶下部的进气阀，将水平土柱放平，让水平土柱中心轴与马氏瓶的进气阀相平，这样才能保证水平入渗在无压条件下进行，同时，打开秒表开始计时，并记下马氏瓶上的刻度数；（6）按照先疏后密的原则进行连续观测，每记下时间和马氏瓶上的刻度数，达到稳定入渗时，停止实验，然后打开水平土槽，将其中的土按2cm长度分层装入事先准备好的的铝盒中，然后称重，并放入烘箱进行烘干、承重。

推求土壤非饱和运动参数的方法硕士生：景为学科专业名称：土壤学研究方向：土壤水分动力学指导教师：邵明安研究员准确获取能代表田间土壤条件的土壤水分运动参数（土壤水分特征曲线（或比水容重C）、土壤导水率K和土壤水分扩散率D）是模拟土壤中水和溶质运动的基础。

三个参数中，以预测非饱和导水率最为困难，原因之一在于直接测定困难。

对土壤水分运动参数空间变异性认识的加深将有助于预报田间水分和溶质迁移过程，也有助于完善参数确定的方法，使之更具普遍性。

在以往的研究中，已有许多直接测定或间接推求这些参数的方法。

本文选取了其中的三种代表方法，以实测水分特征曲线作为标准进行比较，评价各自的优缺点及适应范围。

三种方法是：(1)实测土壤水分特征曲线；(2)用简单入渗法推求van Genuchten水分特征曲线模型中的参数α和n,通过实测饱和导水率Ks，结合导水率模型而获得非饱和导水率K；(3) 根据土壤水分水平和垂直再分布过程直接推求非饱和导水率K和扩散率D。

研究结果表明：1．四种非扰动土壤饱和导水率具很大的差别，其半方差随间距加大而增加，但很快达到一个稳定值,此值即为其变异性的空间尺寸，沙土、黑垆土的空间尺寸为2m，黄绵土的为2.24m，娄土的则更小。

2．土壤水分再分布实验表明，用三种函数拟合湿润锋湿度与平均湿度的关系时，以指数函数拟合计算的比水容重值与实测值最为吻合，尤其是沙土、黄绵土、娄土。

3．利用简单入渗法估计van Genuchten水分特征曲线模型模型中的参数时，α和n值推求的准确度就主要取决于S值测定的准确度，而S的准确测定较易实现，由此可断定简单入渗法的准确性较高。

4．在三种推求导水参数的方法中，水分再分布方法准确性较差，但它无需测定水分特征曲线即可直接得到土壤导水参数K和D，是一种非常简便的方法，尤其适宜于黄土高原沙土导水参数的测定；由简单入渗法获得的水分特征曲线与实测值吻合最好，随着质地变细，拟合效果更好，适合于黄土高原黄绵土、黑垆土和娄土导水参数的测定，而且还解决了Van Genuchten模型中参数不唯一的问题，实验简便，省时（约需2天），计算简单，结果准确，具有很大的优越性。

2011年1月农业机械学报第42卷第1期用水平土柱估算土壤入渗性能和水分布简化模型方法*毛丽丽 雷廷武(中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083)摘要 在对G reen Ampt 修正模型研究的基础上,根据水量平衡原理,提出了在水平土柱试验供水量、土壤初始与饱和含水率、土壤含水率线性分布假定的基础上计算土壤入渗性能的简化模型方法。

用本研究提出的简化算法计算得到的土壤入渗性能与其他方法得到的结果非常接近。

将该简化方法计算得到的土壤含水率分布与实测值进行比较表明,平均误差为4 18%,证明该方法估算的土壤含水率分布与实测值非常接近。

结果表明该方法可以较为准确地估算土壤入渗性能在时间上及含水率在空间上的分布,能方便地应用到相关研究与应用中。

关键词:水平土柱 G reen Ampt 入渗模型 土壤含水率 修正模型中图分类号:S152 7+2文献标识码:A文章编号:1000 1298(2011)01 0049 05Si m plifiedM ethod for SoilW ater D istributi on and I nfiltrability Esti m ationsM ao Lili Le iT i n g wu(College of H ydraulic and C ivil Eng ineering,China A gricu ltural University,Beijing 100083,China )Abst ractA si m p lified m athe m atic m odel w as for m ed to esti m ate the so il infiltrab ility fro m the tota l w ater supply ,the i n iti a l and sat u ra ted soilw ater con tent and the li n ear assumpti o n o f the so ilw ater distribution based on the study o f m od ified Green Ampt mode l and the m ass/w ater balance pri n c i p le .The so il i n filtrability esti m ated w ith t h is ne w si m p lified m e t h od is ver y close to the values calcu lated w it h the other m ethods .Co m parisons w ere m ade bet w een the predicted and m easured so il w ater d istri b u ti o n .The average relati v e err o r w as 4 18%w hich verified that the predicted one w as ver y close to the m easured val u es .The results sho w ed that the ne w l y suggested m odel cou l d pred ict the soilw ater distri b ution a l o ng the horizontal so il co l u m n as a function of ti m e very accurate l y .This ne w m ode l i s read il y applicab le to the re lated stud i e s and applicati o ns .It has g reat i m po rtance for the study o f hydrolog ic circulationstud ies .K ey w ords H orizontal so il co l u m n ,G reen Am pt infiltration m ode,l So ilw ater con ten,t M od ifiedm ode l收稿日期:2009 12 10 修回日期:2010 01 06*国家自然科学基金资助项目(40635027)作者简介:毛丽丽,博士生,主要从事农业水土工程研究,E ma i :l l eoa m@126.co m通讯作者:雷廷武,教授,博士生导师,主要从事农业水土工程研究,E m ai:l dd ragon @pub li c3.b ta .net .cn引言土壤入渗过程是水文循环中的重要环节。