【摘要】岩土工程论文帮写土壤水动力学参数对指导农业生产、水利和水保工程设计是必不可少的。本文运用RETC软件,由土壤机械组成和容重推导出van Genuchten模型的土壤持水曲线方程和土壤传导率方程,然后再对土壤持水曲线方程进行求导得出土壤比水容量方程,最后用实测结果进行验证。结果表明,土壤含水量θ(h)、土壤导水率K(h)计算值与测定值的相对误差均随着水势的降低而减小,土壤含水量的相对误差较土壤导水率低,且均小于10%,土壤导水率的相对误差范围在18%~39%。因此,运用RETC软件推导出的土壤水动力学参数还是可行的。
【关键词】淋溶褐土; RETC;土壤持水曲线;土壤导水率;土壤水扩散率；水动力学参数
土壤水动力学参数主要包括水分特征曲线、导水率或扩散率[1]。过去人们主要借助实测方法获得,但实测耗时长,人力、物力和财力消耗大。其结果对于一个特定的、小面积的田块还足够准确,具备一定的代表性,而对于一个大面积区域,由于土壤空间变异性的存在,通过实测获得足够准确的参数和常数几乎是不可了能,也是不必要的。近20多年来随着电子计算机技术的进步,人们通过大量的资料统计分析,现已可根据容易测定的土壤物理性质(主要是机械组成和容重、有机质含量)估算出土壤水动力学参数[2],其估算公式(模型)完全可以满足区域生产和工程设计的需要。本文运用RETC软件[3]对辽西淋溶褐土的土壤水动力学参数进行推导估算,并进行实测验证推导结果,旨在为土壤水动力学研究提供科学依据。
1 材料与方法
1•1 样品采集和测定
1•1•1 样品来源 样品采自中国科学院沈阳应用生态研究所干旱农业试验基地。该基地位于辽西低山丘陵易旱区中部,属于温带半干旱向半湿润过渡地带,大陆性季风气候,一年四季分明,干湿变化明显。土壤类型为淋溶褐土,母质为黄土和黄土冲积物及一部分变质岩系的残积物,黄土厚度3~5m。
1•1•2 样品测定项目及方法 土壤机械组成:吸管法;土壤容重:环刀法;土壤水动力学参数;现场定位观测法;土壤水势: EQ15平衡式土壤水势张力计(0~-15000cmH2O) (德国Ecomatik公司);土壤体积含水量: TRIME-IT高精度土壤水分测试仪(0%~100%) (德国IMKO GmbH公司)。
具体方法是选取有代表性的3个10m×10m平整小区,周围用土埂围起来,埂下埋设1•5m深塑料布使小区与周围隔离,在小区中心深度为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm分别埋设一套张力计和水分含量测试仪,同时用环刀法测容重和采混合样测定机械组成。探头埋设好后,对小区进行24h以上淹灌,使张力计的读数为0,即达饱和状态,停止灌水;然后让土壤表面自然蒸发,雨天盖上防雨棚防止雨水进入。最后,通过数据采集系统(HL20,台湾玖廷企业股份有限公司)定期读取土壤水势和土壤水分含量值。
1•2 RETC的理论依据
1•2•1 土壤转换函数 在实际工作中,由于土壤水动力学参数如饱和导水率KS、非饱和导水率k(h)和土壤持水曲线θ(h)等田间资料很难获取,于是国内外的土壤学家们相继开始了利用容易获取的土壤基本性质预测很难直接测定的土壤水动力学参数的研究。国外学者Childs早在1940年就注意到土壤物理性质影响土壤水分特性[2],特别是20世纪70年代末以来,许多学者在研究土壤水动力学参数与土壤基本理化性质关系方面作了大量的工作[3,4],从而建立了研究土壤水动力学参数的一种新方法—PTFs法(Pedo-Transfer Functions,土壤转换函数)。
PTFs法是用统计模型由土壤基本性质预测土壤水动力学参数的方法。即由己知的土壤水动力学参数集和与之对应的土壤基本理化性质建立多元回归方程,用此回归方程可由土壤基本理化性质预测土壤的水分运动参数。土壤转换函数用到的土壤理化性质主要是土壤质地,即土壤砂粒、粉粒和黏粒的百分含量,有些PTFs函数还包含土壤容重、土壤有机质、土壤黏土矿物含量和土壤结构性质。
国内学者对土壤转换函数也从不同方面进行的研究。其中夏卫生等[5]通过用实测和土壤转换函数推导方法对水分特征曲线进行了研究,认为van Genuchten模型拟合效果好。徐绍辉等[6]也同样得出了对粗质地的土壤,如砂壤土,用van Genuchten模型来拟合水分特征曲线比较合适。
目前由土壤质地,即土壤砂粒、粉粒和黏粒的百分含量以及土壤容重等土壤物理性质完成土壤转化函数功能的软件是RETC,它提供了非常快捷的土壤转换函数功能。
1•2•2 van Genuchten模型和RETC软件 Mualem在1976年推导出一个简化模型,试图采用室内土样试验得到的饱和导水率Ks和持水数据(θ,h)来估测土壤的非饱和导水率K(θ)。van Genuchten在1980年将其导出的水分特征曲线形式与Mualem模型相结合,得出了特定解析形式的van Genuchten模型[4]
θh=θr+θs-θr[1+|αh|n]m(1)
K(h) =Ks1-|ah|n-1[1+|ah|n]-m2[1+|ah|n]m/2(2)
式中:θ是体积含水量(cm3cm-3);h是负压力水头(-cmH2O);K为土壤水传导率(cm d-1);下标r和s分别代表剩余和饱和;α(cm-1)和n(-)是经验适合参数(或曲线性状参数),而m=1-1/n。
在众多描述土壤持水曲线的模型中, van Genuchten模型以其线型与实测数据曲线相似程度好、参数意义明确而受到广泛运用。然而, van Genuchten模型的参数较多,且参数拟合属于非线性问题,常用的最小二乘法拟合法常会遇到求解停止或参数为负的问题。为此shao等[7]应用水流方程的解析解,结合水平土柱试验测算van Genuchten模型的参数;王金生等[8]将最小二乘法和非线性单纯形法相结合拟合van Genuchten模型的参数;徐绍辉等[9]借助最小二乘法,结合Picard迭代法拟合了砂质黏壤土的van Genuchten模型的参数;李春友等[10]利用单纯形调优法也成功地拟合了van Genuchten模型的参数;Young等[11]利用修改的上渗法,结合实验室实验和HYDRUS-1D进行了参数估算,等等。以上这些改进方法要么借助土柱入渗实验,要么其算法程序需要使用者自己编程,较费时、费力、利用效率低。
Simunek和van Genuchten等编制RETC软件克服了以上问题,从而提供了求解此5个参数的简捷方法[3]。用户只需输入土壤质地等级,或砂粒、粉粒、黏粒的百分含量,以及容重、33kPa及1500kPa压力条件下土壤水分含量就可得知van Genuchten模型中的5个参数θr、θs、α、n和Ks,参见图1所示。
有了这5个参数就可方便地得到土壤持水曲线方程和土壤水传导率方程,然后再由土壤持水曲线方程求导便可得知土壤比水容方程;由D=K/C可推导出土壤水扩散率方程。还可运用土壤持水曲线方程,根据特定土水势值计算出土壤水分的一系列常数,如土壤饱和含水量(h=0 cmH2O)、土壤田间持水量(h=-300cmH2O)、土壤凋萎含水量(h=-15000cmH2O)等。
2 土壤水动力学参数的推导及验证
2•1 土壤机械组成和容重测定结果 对试验基地3块不同质地的土壤(编号为A、B、C)分别进行采样,测定其机械组成和容重,结果见表1。
2•2 土壤动力学参数模型的5个拟合参数的推导 由表1的土壤机械组成和容重,运用软件RETC,就可得知van Genuchten土壤持水曲线模型和土壤导水率模型中5个参数θr、θs、α、n和Ks,结果见表2。
2•3 土壤动力学参数方程的建立 把表2的参数,代入式(1)就可得出3土样的土壤持水曲线
有了土壤持水曲线(θ(h))、导水率(K(h))及比水容量(C(h))就可建立土壤水分运动方程,对土壤水分运动规律进行研究,还可方便地运用以上方程编制程序而供节水灌溉自动化管理等之用。
2•4 土壤水动力学参数的验证 将实测试验基地3块不同质地土壤水动力学参数的结果和计算值进行比较,不同土壤水势条件下土壤水分含量和导水率的实测值和计算值比较结果见图2、3,图例中c代表计算值,m代表实测值。
从图2、3可以清楚地看到,不同土壤水势条件下土壤水分含量的计算值和实测值基本重合,但事实上,计算值和实测值二者之间是有较大误差的,误差到底有多大还需要进行下面的误差分析。方法是以实测值为真值,计算在同一土壤水势下的土壤水分含量、导水率与实测值(真值)的相对误差,结果见图4。
从图4可以看出,土壤含水量θ(h)、土壤导水率K(h)计算值的相对误差均随着水势的降低而减小;土壤含水量的相对误差较土壤导水率低,且均小于10%;土壤导水率的相对误差范围在18%~39%。这可能是土壤导水率的实测结果本身重复性较差而造成的,因在本研究中其重复测定结果的相对误差往往也超过30%以上,而土壤的机械组成和容重的重复测定结果的相对误差则均小于10%。
3 结论与讨论
利用土壤转换函数推导土壤水动力学参数,并借助数学,方法便捷,尽管其计算结果和实测值还有较大的误差,但这是由于土壤水动力学参数的实测结果受影响因素太多。因此,在目前其实测值误差还较大条件下,运用土壤转换函
