第２７卷第２期 ２０１０年６月 河北工程大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０１．２７ Ｎ０．２ Ｊｕｎ．２Ｏ１０
文章编号：１６７３—９４６９（２０１０）０２一Ｏ０６０—０３
东北黑土区非饱和土壤水分运动数值模拟研究
武海霞 ，张铮 ，王洪义 （１．河北工程大学水电学院，河北邯郸０５６０２１；２．海河水利委员会漳河上游管理局，河北邯郸０５６０００）
摘要：根据非饱和土壤水分运动基本理论，建立一维运动数学模型，采用有限差分法计算，对东 北黑土区非饱和土壤水分一维运动进行数值模拟研究。经Ｗａｒｒｉｃｋ试验验证，模拟结果和实际
测量值的相对误差小于０．００１，该模型可以模拟东北黑土区非饱和土壤水分在垂直剖面上的分 布情况。 关键词：东北黑土区；非饱和；土壤水分运动；数值模拟；有限差分
中图分类号：Ｓ１２７ 文献标识码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ａｒｅａ
ｏｆ ｔｈｅ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ
ＷＵ Ｈａｉ—ｘｉａ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｙｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｈｅｂｅｉ Ｅｎｇｍｅｅｒａ￣ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｂｅｉ Ｈａｎｄａｎ ０５６０２１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ Ｕｐｐｅｒ Ｒｅａｃｈｅｓ ｏｆ Ｒｉｖｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，Ｔｈｅ Ｉ－Ｉａｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ＣｏｍｉｍｌｓｓＪｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｗｅ ｓｅｔ ｕｐ ｔｈｅ ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｔｉｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅＩ．ａｎｄ ａｄｏｐｔ ｔｈｅ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｎ ｗｅ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕ— ｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ａｒｅａ ｉｎ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉ—
了解不饱和土壤的行为 就像潜入我们脚下的新世界 揭开它的秘密的关键一步 是用弗雷德伦德的方法 找出母体的吸积 这种方法类似于用宝图寻找土壤的含水量与其吸积潜力之间的隐藏关系。 母吸吸基本上是土壤的表达方式 "嘿，我可以吸水出自己！" 了解这一点对了解 土壤在不同条件下的存留方式至关重要。 把母性吸吸视为不饱和土壤的超能力，准备被释放出来并揭示其机械秘密！
为了测量土壤的干燥程度，我们使用一种叫做抗辐射计的奇特工具。
这就像一个探测器 我们坚持在地面 我们感兴趣的水平。 探测器有一个小杯子触碰土壤中的水。 当土壤真的干燥时，它把水吸进杯子中，我们可以测量压力以判断土壤的干燥程度。 这有点像用高科技稻草看土壤有多渴！
必须强调，Fredlund在不饱和土壤中测量母体吸附的方法要求仔细注意测距仪的选择和安装，以及准确校准和明智地解释数据。 遵守土壤样品制备和测试程序的标准规程对于保持母体吸附测量的精确性和可靠性至关重要。 只有通过严格运用既定准则和程序，才能确保数据的完整性，并维持调查结果的有效性。
土壤含水量、土水势和土壤水特征曲线的测定
3.1测定意义
严格地讲，土壤含水量应称为土壤含水率，因其所指的是相对于土壤一定质量或容积中的水量分数或百分比，而不是土壤所含的绝无仅绝对水量。
土壤含水量的多少，直接影响土壤的固、液、气三相比，以及土壤的适耕性和作物的生长发育。在农业生产中，需要经常了解田间土壤含水量，以便适时灌溉或排水，保证作物生长对水分需要，并利用耕作予以调控，达到高产丰收的目的。
近几十年来的研究表明，要了解土壤水运动及土壤对植物的供水能力，只有土壤水数量的观念是不够的。举一个直观的例子：如果粘土的土壤含水量为20%，砂土的土壤含水量为15%，两土样相接触，土壤水应怎样移动？如单从土壤水数量的观念，似乎土壤水应从粘土土样流向砂土土样，但事实恰恰相反。这说明，光有土壤水数量的观念，尚不能很好研究土壤水运动及对植物的供水，必须建立土壤水的能量的观念，即土水势的概念。
测定土壤水特征曲线（基质势与土壤含水量之间的关系曲线）需要特别的仪器设备，随着土壤科学的发展，越来越多的基层土壤工作者需要土壤水特征曲线这一基础资料，了解土壤水特征曲线的测定，对今后土壤水特征曲线（不管是自己测定还是由别的单位测定）的应用是有益的。
3.2方法选择的依据
土壤含水量目前常用的方法有：烘干法、中子法、射线法和TDR法（又称时域反射仪法）。后三种方法需要特别的仪器，有的还需要一定的防护条件。
土水势包括许多分势，与土壤水运动最密切相关的是基质势和重力势。重力势一般不用测定，只与被测定点的相对位置有关。测定基质势最常用的方法是张力计法（又称负压计法），可以在田间现场测定。
土壤水特征曲线是田间土壤水管理和研究最基本的资料。通过土壤水特征曲线可获得很多土壤基质和土壤水的数据，如土壤孔隙分布及对作物的供水能力等等。测定土壤水特征曲线最基本的方法是压力膜（板）法，它可以完整地测定一条土壤水特征曲线。
3.3土壤含水量的测定 （烘干法）
土壤饱和含水量测定方法
介绍
土壤的饱和含水量是指土壤中所含水分的最大容量，即当土壤中所有孔隙全部被水填满时的含水量。准确地测定土壤的饱和含水量对于土壤水分管理、灌溉设计和农业生产非常重要。本文将介绍一些常用的土壤饱和含水量测定方法。
利用容器法测定土壤饱和含水量
容器法是一种常用且简单的测定土壤饱和含水量的方法。具体步骤如下：
1. 准备一只干燥的容器，并记录容器的质量。
2. 从待测土壤中取样，保持土壤样品的代表性。
3. 将土壤样品放入容器中，并记录容器和土壤的总质量。
4. 添加足够的水使土壤饱和，将水渗透到土壤的所有孔隙中。
5. 将容器放置在阴凉通风处，待土壤与水达到平衡状态。
6. 将容器和土壤的总质量再次记录下来。
7. 计算土壤饱和含水量的百分比，公式为：(饱和土壤质量 - 干燥容器质量)
/ (干燥容器质量 - 容器和土壤总质量) × 100%。
容器法测定土壤饱和含水量的优点是操作简单，不需要复杂的设备，适用于田间和实验室条件，且结果可靠。然而，由于土壤样品与容器之间的摩擦力和气体溶解在水中的不确定性，容器法在具体的实践中仍需要进行一定的修正。
利用液体置换法测定土壤饱和含水量
液体置换法是一种基于原理的测定土壤饱和含水量的方法。该方法利用土壤中孔隙的体积与待测土壤样品质量的比值来计算土壤饱和含水量。具体步骤如下：
1. 准备一只容器，容器中的液体与土壤无反应且不溶解土壤。
2. 将待测土壤放入容器中，并记录土壤样品的质量。
3. 将液体缓慢地注入容器中，直到土壤完全浸泡在液体中，无气泡产生为止。
4. 记录液体的初始体积。
5. 移除容器中的液体，并记录液体的质量。
6. 填充容器，使液体的体积与初始体积相同。
7. 记录液体的质量。 8. 计算土壤饱和含水量的百分比，公式为：(液体质量 - 初始液体质量) /
(土壤质量 - 初始液体质量 - 补充液体质量) × 100%。
