包气带水分特征曲线参数模型及算法分析
包气带水分特征曲线参数模型及算法分析
Van Genuchten模型参数 [5] , 徐绍辉等利用最小二 乘 法和
Picard迭代法相结合拟合 Van Genuchten模型的参数 [6] 。笔
者结合试验实测数据 ,利用非线性无约束算法、非线性最小
二乘法和粒子群优化算法对模型中的参数进行拟合 ,探讨一
种合理的 、有效的包气带水分特征曲线参数的拟合方法 。
为解决与包气带有关的水资源开发利用和生态环境保
护问题 (如土壤沙化、盐渍化和地下水质恶化等问题 ) ,预测
渗流污染质的迁移规律 ,研究包气带水分特征曲线非常重
要。对包气带水分特征曲线问题 ,国内外学者先后提出了一
些数学模型和计算方法 ,比较常用的有 : B rooks2Corey ( 1964)
式中 , a、b是大于零的正常数。在非饱和流动随机描述的应
用中 , Gardner模型由于形式简单 ,是应用最多的。
2 试验方法
为使试验砂样具有针对性 ,试验土样取自渭河与灞河交
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physical background. The influences of different algorithm s on the parameters of Gardner model were little. The whole drainage curve could be
comp letely dep icted with Van Genuchten model. B rooks2Corey model and Gardner2Russo model were not app licable when the water content
哈尔滨地区初冻期包气带土壤垂向水分变化特征试验与分析
哈尔滨地区初冻期包气带土壤垂向水分变化特征试验与分析吕雅洁;戴长雷;常龙艳;李治军【摘要】在我国典型寒区哈尔滨地区,以初冻期的包气带土壤作为研究对象,在对土壤基本性质分析的基础上,利用烘干法测定不同埋深土壤含水率,试验分析得到初冻期土壤剖面含水率大致呈大小—大的变化特点,随着土壤中水分的冻结,土壤中的水分向冻层迁移,冻层中含水率增大较明显.土壤冻结过程强烈依赖于土壤温度,由土壤垂向含水率变化曲线可见:埋深0～20 cm土壤因受到外界降水、蒸发影响土壤含水率变化明显,埋深20～40 cm土壤含水率较其它各层大,埋深40～80 cm的含水率则趋于一致.以此为哈尔滨地区乃至寒区冬季冻结土壤的水分迁移研究提供科学依据.【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2013(004)001【总页数】5页(P12-16)【关键词】初冻期;包气带;含水率;试验;哈尔滨【作者】吕雅洁;戴长雷;常龙艳;李治军【作者单位】黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】P641.21 试验背景与目标土壤水分对土体物理力学指标的影响非常大，在水文、气象和农业科学领域也是必不可少的基本资料[1]。
土壤水分是植物生长发育所必须的因素，土壤水分含量、分布特性是决定植被恢复和重建的重要因素[2]。
哈尔滨市地处欧亚大陆东部，我国东北北部，多年平均气温3.7℃，冬季寒冷干燥且漫长，年平均160d日平均气温低于0℃，每年封冻期自11月下旬开始，翌年4月中旬解冻。
多年平均降水量551.91mm，降雨主要集中在夏秋季节，尤其在7月和8月，市区多年平均蒸发量862 mm[3]。
颗粒组成对包气带水分运动参数的通径分析
颗粒组成对包气带水分运动参数的通径分析刘秀花;王蕊;胡安焱;周培忠【摘要】颗粒结构组成是反映土壤质地的重要特征，决定着土壤的水力参数，进而对热量、水分和化学物质迁移过程起主导作用。
为揭示土壤颗粒组成对水分运动参数的作用效应，通过灌溉前后不同时空野外试验采样、实验室分析，应用相关分析与通径分析相结合的方法，研究了不同深度(0.1~6m)的砂粒、粉粒、粘粒含量对土壤水分运动参数影响。
结果表明：粘粒含量是影响土壤残余含水率(θr)最重要的正作用因子，其次是砂粒含量的负作用；粉粒含量是影响土壤饱和含水率(θs)最大的正作用因子，并对砂粒传递间接的负作用，其次是砂粒含量的负作用，粘粒含量对其没有影响；影响土壤水分特征曲线形状参数α最大的正作用因子是粉粒含量，其次是砂粒含量的负作用和粘粒含量的正作用；影响土壤水分特征曲线形状参数n最大的正作用因子来至于砂粒和粉粒含量，而粘粒含量的正作用也不能忽视；对土壤饱和导水率(ks)影响最大的是砂粒含量的正作用，其次是粉粒含量的正作用和粘粒含量的负作用，同时粘粒含量通过砂粒传递的负作用对其产生影响。
砂粒和粘粒对土壤水分特征曲线形状参数n的影响显著，砂粒对土壤饱和导水率直接影响较大，而粉粒和粘粒分别对土壤饱和含水率、残余含水率影响明显。
表明通径分析能够透过简单相关的表面深入研究自变量与因变量之间的因果关系，揭示各个因素之间的相对重要性和传递影响。
%Soil particle structure reflects the im portant characteristics of soil texture, determines the soil hydraulic parameters, which plays a leading role for heat, moisture and chemical migration process. In order to reveal the effects of soil structure on water movement parameters,we used space-time field test before and after irrigation sampling, laboratory analysis and path analysis method tostudythe influence of soil hydraulic properties on sand, silt and clay content of vadose zone soil by the path analysis. The results showed that the clay content was the most important positive factor affecting the soil residual moisture (θr), and the sand content was the second negative factor. The silt content was the most important positive factor affecting the soil saturated water content (θs)and transferred the indirect negative influence, the sand content was the second negative factor, while clay content had no effect on it. For the soil water characteristic curve shape parameter (a), the silt content was the biggest positive effecting role, followed by the negative effect of sand content and positive action of clay content. The sand and silt contentswere the main positive factors on the soil water characteristic curve shape parameter (n), but the clay content could not be ignored. For the saturated hydraulic conductivity (ks), the sand was the biggest positive factor, followed by the silt of positive factor and negative clay content, and at the same time it transferred the influence to clay content which impacted the saturated hydraulic conductivity. Sand and clay had a significanteffect to the soil water characteristic curve shape parameter n, soil saturated hydraulic conductivity was directly affected by sand (0.91) content, and the silt and clay contents influenced the soil saturated moisture content and residual moisture content (0.89). This indicated that path analysis can reveal the relative importance of various factors, through the simple causal correlationbetween independent and dependent variables.【期刊名称】《沈阳农业大学学报》【年(卷),期】2016(047)003【总页数】7页(P320-326)【关键词】颗粒组成;土壤水分运动参数;相关分析;通径分析;包气带【作者】刘秀花;王蕊;胡安焱;周培忠【作者单位】长安大学环境科学与工程学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054;长安大学环境科学与工程学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054;长安大学环境科学与工程学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安710054;国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司，辽宁鞍山114014【正文语种】中文【中图分类】S153刘秀花，王蕊，胡安焱.颗粒组成对包气带水分运动参数的通径分析［J］.沈阳农业大学学报，2016，47（3）：320-326.包气带土壤质地变化复杂，受区域、局部地质条件和环境变化的控制。
包气带土壤水的基本理论及测试方法
包气带土壤水的基本理论及测试方法
毛管断裂含水量（作物生长阻滞含水量, Moisture of Capillary Bond Disruption）
毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水量。 当土壤含水量大于此值时，悬着水就能向土壤水分的消失点 （面）运行（被植物吸收或蒸发）。 小于此值时，连续供水状态遭到破坏，土壤水分为结合水和薄 膜水。水分交换以薄膜水和水汽形式进行。此状态水供给不足， 植被生长受到阻滞。 此值与土壤性质有关，一般为田间持水量的65%，可作为灌溉 水量的下限。 土壤中所有的有效孔隙全部被水充满时的土壤含水量。 从田间持水量到饱和含水量之间的水分，为自由重力水，受重 力作用向下运动。
0 Ws V
e Vv Vs
n p Vv V
e 0 np 1 1 e s e np 1 np
孔隙度
换算关系
包气带土壤水的基本理论及测试方法 三 土壤水分的作用力及存在形式
1、土壤水分的作用力
分子力（吸附力，Molecular Force）：土壤颗粒表面的
土壤中毛管悬着水达到最大时的土壤含水量。
在不受地下水影响条件下所能够稳定的保持的土壤 水分最大数量。
当灌溉超过田间持水量时，只能加深土壤的湿润深
度，而不能增加其含水量，是土壤中作物有效含水 量的上限值。常用来作为灌溉上限和计算灌溉定额 的依据和标准。 是水分下渗的下限。
测定：饱和土壤排水两天后，测得的土壤含水量。
结合水(Adsorption Water)
吸湿水（强结合水）：紧靠颗
粒表面，厚度只有几个分子 (<0.003 m)。与普通水性质不 同，不传递静水压力，没有溶 解能力。100C不蒸发，密度 为1.2-1.4g/cm3。具有很大的粘 滞性、弹性和抗剪强度。
COD污染物在包气带中迁移的HYDRUS-1D模型预测——以某碳酸锂项目为例
Henry、降解速率等，具体参数详见表 2。
表 2 土壤水分特征曲线参数值
溶质 CODMn
K（d m3/g）
Nu（m3/g）
Beta（—）
Henry（—）
S
inkwate （d-1）
r
8.92×10-6
0
1
0
0
4 污染情景设定
4.1 正常状况
正常状况下，为有效防止废水泄露对区域土壤产生影响，进
带结构，根据模拟区水文地质钻孔揭露的地层岩性，厂区在垂向
上将模拟区剖分为 1 层，整个模拟层厚度共计约 107m，在垂向
上对模拟区进行剖分，将包气带按照 0.5m 一层进行剖分，剖分
网格数为 214，单个网格厚度约为 0.5m。
2.3 水文地质参数
根据地质、水文地质条件的分析，结合拟建厂址区岩土工程
0.46 25.8 1.09 9.42 0.5
容 重（g/ m3）
1860000
纵向 弥散 度（m）
4
2.3.2 溶质反应参数
污染物在土壤中的运移受吸附 / 解析作用影响大部分污染
物的吸附符合 Freundlish、Langmuir 等温吸附规律，且以各种形
式存在于土壤环境中的污染物物质，会发生一系列的物理、化
污染物浓度越高 ；距离入渗点越远的位置，污染物浓度越低。在土壤纵剖面上，随着污染物入渗和停止，土壤中污染物的含量
增大后减小。在潜水面上，污染物浓度先增加后减小。
关键词 ：包气带，数值模拟，Hydrus-1D 模型，污染物迁移
中图分类号 ：X131
文献标识码 ：A
文章编号 ：11-5004（2020）15-0146-3
收稿日期 ：2020-08 作者简介 ：任华丽，女，生于 1981 年，汉族，山东人，硕士，工程师，研究方向 ： 环境影响评价。
黄河下游冲积平原典型区包气带土壤水分特征曲线的模型优选
黄河下游冲积平原典型区包气带土壤水分特征曲线的模型优选湛江;李志萍;于小朋
【期刊名称】《人民黄河》
【年(卷),期】2022(44)12
【摘要】土壤水分特征曲线是水文地质学的重要参数,对于研究水文循环、指导农业生产具有重要意义。
土壤水分特征曲线的经验模型是量化该参数的有效途径,但不同经验模型的土壤适用类型和吸力范围有很大不同。
为遴选黄河下游地区包气带土壤的水分特征曲线最优经验模型,以河南省兰考县闫楼乡为黄河下游冲积平原典型区,采集了233个包气带土壤样品,选择了6种经验模型,基于粒子群优化算法,对实测水分特征曲线数据分别进行拟合。
结果表明:6种经验模型的决定系数为
0.8559~0.9998;最终以AIC均值为评价指标,确定了最优模型,其优劣程度为van Genuchten模型>Modified Gardner模型>Biexponential模
型>Fredlund&Xing模型>Brooks Corey模型>Campbell模型。
【总页数】7页(P147-153)
【作者】湛江;李志萍;于小朋
【作者单位】华北水利水电大学地球科学与工程学院;水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心
【正文语种】中文
【中图分类】P512.22;TV211.12
【相关文献】
1.包气带水分特征曲线参数模型及算法分析
2.黑河下游河岸绿洲区包气带土壤水分与植被生长状况的研究
3.黑土区土壤水分特征曲线模拟及模型优选
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5.黄土区典型小流域包气带土壤水同位素特征
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湿空气饱和水蒸汽曲线计算模型的建立与分析
低温与超导第38卷 第5期制冷技术R efrigeration Cryo .&Supercond .V o.l 38 N o .5收稿日期:2010-03-15基金项目:国家自然科学基金(50876059)资助项目。
作者简介:王婷(1986-),女,硕士生,主要从事空气处理系统的数字化设计研究工作。
湿空气饱和水蒸汽曲线计算模型的建立与分析王婷,谷波,邱峰(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240)摘要:湿空气物性的高精度计算中,饱和水蒸汽曲线的计算建模是关键所在。
在对已有的饱和水蒸汽压力公式进行误差分析比较后,得到了G erry 方程误差最小的结论。
为解决计算的连续性问题,重新界定了该方程中冰面及水面方程的分界点。
其次,建立了两种高精度的t -p 公式,可方便直接的计算湿空气露点温度。
最后,分析了饱和蒸汽曲线斜率的意义,推导出它的计算式。
以上建立的湿空气饱和水蒸汽曲线计算模型,不仅具有快速方便的物性计算功能,还提供了准确判定湿空气状态变化的准则。
关键词:湿空气;饱和水蒸汽压力;露点温度Calculation m ode ling of t he w ater vapor sat uration curve of m oist air and its ana l y sisW ang T i ng ,G u Bo ,Q i u Feng(Institute of R e frigera ti on and Cryogen i cs Eng i neering ,Shangha i Ji ao t ong U n i v ers it y ,Shangha i 200240,Ch i na)Abstrac t :In high-precision ca lculati ng mo ist air properties ,ca lcu l a ti on mode l of t he wa ter vapo r sa t uration cu rve ofm o ist air i s the key .T h i s paper co m pa red e rrors o f d ifferent for m ulas o f the w ater vapor saturati on pressure w hich w ere a lready presen -ted ,and the error o fG erry equation w as t he least .Fo r t he accuracy and conti nu ity o f t he m ode ,l the div i ding po i nt bet ween G erry s 'ice equation and liquid equation w as rede fi ned .T hen ,t wo types o f r i gorous t -p for m ulas w ere deve loped for computi ng dew po i nt te mperature .F i na ll y ,the significance o f the sl ope o f the satura ti on curve w as ana l y zed ,and t he sl ope s 'f o r mu la is derived .T he calculati on m ode l estab lished above cou l d no t only calcu late mo ist a ir properti es qu i ckly and accurate ly ,but a lso prov ide a for m ulati on discr i m i nati ng state change pro cesses o f mo ist air .K eyword s :M o i st a ir ,W ate r vapo r satura ti on pressure ,D ew po i nt te m perature1 引言在采暖通风、空调制冷和干燥等技术[1-3]中,湿空气是最常用的工质。
第6章 包气带水
包气带中，渗透系数K随着含水量的降低而迅速减小。其原因
有三： a) 含水量降低，实际过水断面随之减小； b) 含水量降低，水流实际流动途径的弯曲程度增加； c) 含水量降低，水流在更细小的孔隙（孔角）通道中流动 的阻力增大。 所以，包气带中渗透系数K与含水量W也是呈非线性关系：
K = K(W)
3.2
水量W0。这部分水与支持毛细水和潜水没有联系(图4-7a)。 b) 在潜水面之上有一个含水量饱和（体积含水量等于孔隙 度）的带，即毛细饱和带(图4-7b) 。 c) 以上两带之间, 含水量随深度增加而升高。
毛 细 深 负 压 度 (cm)
(cm)
含 水 量 (体 积 %)
W0 Ws
①
支 持 毛 细 水 带
hc Z vt K (W ) Z
即得到
hc vt K ( 1) Z
从以上入渗速率的表达式可以看出： a) 入渗初期，Z 值很小，水力梯度J → ∞，故入 渗速率vt 很大； b) 随着时间的推移， Z 变大，(hc/Z) →0，从而 J→1，则J ≈K ，即入渗速率vt 趋于定值K；
理想条件下包气带水的运动规律
包气带水的非饱和流动，仍可用Darcy定律来描述。假设降
水入渗补给均质包气带，在地表形成一极薄层（其厚度可忽略），
则入渗可视为一维垂直活塞式下渗（入渗水的湿锋面整体向下移 动）运动，即
H vt K (W ) Z
当入渗水的前锋面到达深度Z时，位置水头为-Z ，前锋弯 液面造成的毛细压力水头hc为，则任一时刻t的垂向流速（入渗 速率）为：
3.1.2
包气带的毛细负压水头变化特征
包气带中，毛细负压水头随着含水量的变小而负值变大。
因为随着含水量的降低，毛细水退缩到孔隙更加细小处，从
地质大水文地质学课件第6章 包气带水
>>在饱水带中，水势大于参照状态的水势；在包气带中，包气 带水受毛细作用和吸附力的限制，水势低于参照状态的水势。包 气带水势是由各分势组成的：
式中：ψw—总水势，即包气带水的总势能； ψg--重力势； ψp—压力势，包括基质势ψc(或称基膜势)和气压势ψa； ψs--溶质势(渗透压势)； ψT—温度势。
图5-7 均质包气带水分分布
>>由此往下，进入支持毛 细水带，土壤含水量随着接 近潜水面而增大。支持毛细 水带是在毛细力作用下，水 分从潜水面上升形成的(图 5-7)。因此，它与潜水面有 密切的水力联系，随潜水面 的变动而变动。
>>在潜水面之上有一个含 水量饱和(体积含水量等于 孔隙度)的带，称为毛细饱 和带。
6.4 包气带渗透系数与含水量的关系
>>在饱水带中，任一特定的均质岩层，渗透系数K是常数。
>>溶质势的产生是由于可溶性物质(例如盐类)，溶解于土 壤溶液中，降低了土壤溶液的势能所致。
>>当包气带土-水系统中，存在半透膜(只允许水流通过而 不允许盐类等溶质通过的材料)时，水将通过半透膜扩散到溶 液中去，这种溶液与纯水之间存在的势能差为溶质势，也常 称为渗透压势。
>>当包气带土-水系统中，不存在半透膜时，这一现象并不 明显影响整个包气带水的流动，一般可以不考虑。但在植物 根系吸水时，水分吸入根内要通过半透性的根膜，土壤溶液 的势能必须高于根内势能，否则植物根系将不能吸水，甚至 根茎内水分还被土壤吸取。
具有的重力势能ψg=Z；反之，在基准面以下Z时，重力势能为 ψg=-Z。
6.1.2 压力势
相对于大气压力所存在的势能差为压力势，包括气压势和基 质势(或称基膜势)。
第六章包气带水水文地质学基础
附加表面压强的产生：
设想切取一个半径为R 的半圆球形液面。 显然,在液面的圆周状 边线上都存在着指向液层 内部的表面张力；其合力 为α·2πR,垂直于面积为 πR2的投影圆面。
表面张力引起的附加表面压强为：
2R 2 Pc 2 R R
弯液面下的液体实际承受到的表面压强（实际 表面压强）等于大气压强P0与附加表面压强Pc之和 ，即： P = P 0 + Pc
与毛细势；
• 饱水带任一点的压力水头是个定值,包气带的 压力水头是含水量的函数；
• 饱水带的渗透系数是个定值,包气带的渗透系
数随含水量的降低而迅速变小的函数。
降水入渗补给包气带分为：
• 活塞式入渗——piston infiltration/
diffusion infiltration，即下渗水流犹如
R1=R2=r，则得：
2 Pc r 4 Pc D
二、毛细负压及其测定方法
凹形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强, 称为毛细负压。 凹形弯液面的水,由于表面张力的作用,要比
平的液面小一个相当于Pc的压强；或者说,凹形弯
液面下的水存在一个相当于Pc的真空值。
• 简单实验:
使两个玻璃圆 球保持一定间隙,然 后向此间隙滴水,可 看到两个圆球在接
6.2 土壤水势及其组成
• 3.基质势：是由非饱和基质对水的吸附力和毛细力 产生的。此力将水束缚在土壤中，使土壤水的势能 低于自由水。 只存在于包气带固、气、液三相并存时存在； 大小与岩性、含水量状况有关； 饱和带的基质势为零。
6.2 土壤水势及其组成
• 4.溶质势：溶质势是由于溶质溶于水后，因溶质对 水分子的吸引力，降低了土壤溶液的势能，当土-水 系统中存在半透膜（只允许水通过不允许盐类通过 ）时，水将通过半透膜扩散到溶液中去，这种溶液 与纯水之间存在的势能差即溶质势（也称渗透势） 。它恒为负，只有在半透膜存在情况下才起作用， 但土壤中一般不存在半透膜，因此溶质势不显著影 响水分运动。植物根系存在不完全半透膜，因此考 虑植物根系吸水问题是必须考虑溶质势，且只有当 土壤溶液的势能高于根内势能时，植物根系才能吸 收土壤水，否则不能吸水甚至反被土壤吸水。
包气带水的主要特征
包气带水的主要特征
包气带水是指在地下水系统中，水和气体共存的一种状态。
其主要特征包括：
1. 水和气体共存：包气带水是由水和气体（通常是空气）组成的系统，水以液态存在，而气体则以气态存在。
水和气体同时存在于地下，形成一种特殊的水气界面。
2. 存在气泡：在包气带水中，水分子形成微小的气泡，气泡呈现分散的形态。
这些气泡通常呈现球形或椭圆形，大小可以从几微米到数毫米不等。
3. 水的饱和度变化：包气带水中的水饱和度通常是不稳定的，会受到温度、压力和孔隙结构等因素的影响而发生变化。
水的饱和度表示水的含量与其在岩石或土壤中所占空间的比例。
4. 水和气体的交换：在包气带水中，水和气体之间会进行扩散和交换。
水分子和气体分子之间存在压力差和浓度差，从而促使两者的交换。
5. 影响地下水的运动和质量：包气带水对地下水的运动和质量具有重要的影响。
它可以影响地下水的流动速度、水质的变化和污染物的迁移等。
总之，包气带水是地下水系统中的一种特殊状态，具有水和气体共存、存在气泡、水饱和度变化、水和气体的交换等特征。
对于地下水的管理和保护具有重要的意义。
包气带土壤水分滞留特征研究
2000年2月水 利 学 报SHU IL I XU EBAO第2期收稿日期:1999208206基金项目:国家自然科学基金项目(49872083);教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金资助文章编号:055929350(2000)022*******包气带土壤水分滞留特征研究王金生1 杨志峰1 陈家军1 王志明2(11北京师范大学环境科学研究所,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100875;21中国辐射防护研究院,山西 太原 030006)摘要:在水资源开发利用与水环境保护方面,包气带土壤水分滞留曲线非常重要.本文在Van 经验公式基础上,建立了吸湿与脱湿曲线,将最小二乘法与非线性单纯形法相结合,确定了4个待求参数的获取方法;并探索了滞留曲线在数值模拟中的使用.用现场试验资料检验了求包气带土壤水分特征参数方法的有效性,同时对4种土质的脱湿与吸湿试验进行了模拟计算.结果表明:本文采用的求水分滞留曲线的方法快捷、方便,对试验数据的模拟较好.关键词:包气带;吸湿曲线;脱湿曲线;滞留;非饱和水力渗透系数中图号:TV12113 文献标识码:A为解决与包气带有关的水资源开发利用和生态环境保护问题(如制定节水灌溉、排水规划设计、治理土壤沙化、盐渍化和地下水水质恶化以及农药污染、防止植被衰退等),预测渗流带污染质的迁移,研究土壤的包气带水分滞留特征非常重要.作为土壤水分滞留基础的土壤水分特征曲线问题,国外学者先后提出了一些数学模型和计算方法,其中,较典型是Van 闭合解析式(简称Van 公式)[1].近年来,Van 公式已成功地用于包气带水流数值[2—4]研究中.然而对土壤水分滞留特征多限于定性描述[5—7],定量描述的仅见Huyakorn [8].本文在Van 公式的基础上,建立吸湿与脱湿的滞留曲线,采用最小二乘法与非线性单纯形法相结合,模拟水分滞留曲线中4个独立待求的特性参数,该方法明显优于Van [1]推荐的求土壤水分参数的图解法.1 包气带土壤水分滞留特征111 包气带土壤水分特征曲线与渗透系数曲线 包气带地下水通过土壤界面入渗与蒸发的运动十分活跃,倍受学者关注.Brooks 和Corey [9](1964)利用闭合解析式得到了能较准确预测非饱和水流渗透系数的模型.但该模型,当基质势处于负值时,在土壤水分特征曲线上存在一个不连续点,导致饱和一非饱和流的数值解不易收敛.Mualem [10](1976)在土壤水分曲线已知的前提下,得出非饱和流渗透系数的表达式.Van 以Mualem 为基础得出的水分特征曲线的闭合解析式为:θ(h )=θr +θs -θr[1+(α|h -h a |)n ]m (m =1-1/n ,0<m <1)(1)式中θ为土壤体积含水量(cm 3/cm 3);h 为基质势(cm );θs 和θr 分别表示土壤的饱和与残余含水量(均无量纲);h a 为进气基质势(cm );α(1/cm )、n 和m 为待定的特性参数.含水量与渗透系数的关系曲线:K (θ)=S 1/2[1-(1-S 1/m )m]2・K s(2)式中K(θ)为非饱和渗透系数(cm/d);K s为饱和渗透系数(cm/d);S是有效饱和度(无量纲),在不考虑水分滞留作用影响时,由下式表示:S=θ-θrθs-θr(3) 若用基质势表示非饱和渗透系数,采用下式:K(h)={1-(αh)n-1[1+(αh)n]-m}2[1+(αh)n]m/2・K s(4)图1 土壤吸湿与脱湿的滞留曲线112 包气带土壤水分滞留曲线 然而,地下水在包气带中运动是一个非常复杂的水动力过程.受毛管效应的影响,包气带土壤在吸湿(或称湿润)与脱湿(或称干燥)条件下,含水量与基质势之间表现为不同的关系.从前人[5—7]的研究可知,地下水在包气带运动过程中,受蒸发与入渗的影响,在基质势作用下,土壤中出现交替的吸湿与脱湿,滞留起重要作用,该作用使得土壤从饱和状态排泄所需的基质势比土壤再湿润过程的要高.如图1所示.尽管吸湿与脱湿两条土壤含水量曲线常出现滞留现象,但式(2)不含α值,表明土壤不同的水分特征曲线,在θr、θs和n相同、α不同的情况下,可以获得相同的渗透系数曲线.由于滞留,θ不能用单一的关系曲线来描述,要用一族介于脱湿与吸湿曲线之间的关系曲线来表示.土壤在任一点的含水量,在非饱和流动期间不仅是基质势的函数,而且也与整个土壤的吸湿与脱湿历史过程有关.为了模拟滞留作用,采用式(1)表示θ关系形式,修正该式,使之适应不同的脱湿与吸湿曲线.对式(1)中的θ,用不同的α、n和m值表示,以反映吸湿与脱湿的变化.用上标w和d分别表示吸湿与脱湿,θ曲线描述为:θw=θwr+(θs-θw r)[1+(αw|h-h a|)nw]-mwh<h aθsh≥h a 吸湿过程(5)θd=θdr+(θs-θd r)[1+(αd|h-h a|)nd]-mdh<h aθsh≥h a 脱湿过程(6) 在式(5)和式(6)中,θw和θd分别表示吸湿与脱湿状态下的含水量;不考虑h和h a的负号.参数α、n和m分别是脱湿、吸湿两种状态下的特性参数,意义同式(1),并有:αw≥αd,θw≤θ≤θd.为了简化计算公式,定义:θwr=θd r=θr,n w=n d=n,w w=m d=m=1-1/n,式(5)、(6)可写成:S w=θw-θrθs-θr=[1+(αw|h-h a|)n]-m h<h a1h≥h a 吸湿过程(7)S d=θd-θrθs-θr=[1+(αd|h-h a|)n]-m h<h a1h≥h a 脱湿过程(8)式中S w和S d分别表示吸湿与脱湿状态下的饱和度.2 参数的获取通过简化,土壤包气带滞留特征曲线中有4个独立的待定参数θs,θr,α(αw,αd可看作一个值,只是脱湿与吸湿的两种情况不同而已)和n,这些参数的获取有下面的方法.饱和含水量(θs)可以通过实验测定[11].残余含水量(θr)的获取比较困难,虽然可以通过试验测定,比如测定极干土壤的水分,但θr并非常规测定的参数.当然,在没有确定的或实验测得的θr值的情况下,也可将现有含水量外推到较低的程度来表示θr.这种θr的测定与外推均带一定的人为性.定义θr为:梯度(dθ/dh)等于0的含水量(除去θ接近θs的区域,在此区内梯度也等于0).若将稳定枯竭点上的基质势(h=-15000cm)所对应的含水量作为θr,可以满足实际需要.即使如此,在细颗粒的土壤中,h继续大幅度下降,仍导致土壤水的进一步析出.对大多数土壤而言,此时的θ变化并不重要.事实上,这些变化与式(1)所确定的θ曲线的一般形状变化不一致,并有可能使残余含水量本身的概念失效.也可用图形法[1]获取θr值,但当测定值较少时,该方法非常复杂.当获得θs和θr值后,可以根据图形法估算α和n.但图形法操作比较烦琐.下面推荐一种最小二乘法与非线性单纯形法相结合确定参数的方法.用该方法可以同时计算θr、α和n值,并在参数计算过程中,得到整个土壤水分特征曲线.其做法是:设不同基质势下的土壤含水量的实测值与计算值分别为θ3i和θi(i=1,2,…,N),要求|θ3i-θi|的N个误差在平方和最小的意义下,使得实测值与计算值最佳拟合,也就是式(1)中的参数θr、α和n应使下列方程达到最小值E=1N6Ni=1(θ3i-θi)2(9)式中N为实测含水量的个数;用式(1)表示θi,则E是关于θr、α和n的函数.为使E达到最小值,将E作为目标函数,采用无约束的非线性单纯形优化法[12]进行计算,通过寻优,便得到了实测值与计算值最佳拟合条件下的θr、α和n值.在计算过程中,需要给出θr、α和n的取值范围.将获得θr、α和n参数与测定的饱和渗透系数和饱和含水量代入到式(2)中便可求出非饱和渗透系数.3 数值模拟滞留曲线的应用在数值模拟计算中,怎样使用滞留曲线,要根据野外条件确定.从宏观上讲,在不考虑热运动和水气运动时,包气带水分运移主要受降水入渗与蒸发排泄的影响.降水期,地表水下渗,基质势随土壤含水量增大而减小,对土壤来说,这一过程为吸湿过程.在非降水解,土壤含水量随地表水分不断蒸发而减小,土壤基质势随之增大,这一过程为脱湿过程.鉴于此,含水量在两条滞留曲线之间随时间变化,用什么曲线表征水分运动特征,只能在模拟过程中实现.在包气带水分运移的数值模拟中,首先确定研究区每个单元属于滞留曲线的哪个过程,是从脱湿到吸湿,还是从吸湿到脱湿的转化.为达到该目的,将一个虚定的θs和θr值代入到式(7)和(8)中.然后,在调整转换点吸湿和脱湿曲线.为了从吸湿到脱湿的转换,用θ3s值替换θs:θ3s =θΔ-θr[1-S d(hΔ)]S d(hΔ)(10)式中θΔ和hΔ是转换点的含水量和基质势;S d(hΔ)是h=hΔ时,式(8)右端计算出的饱和度.同样,从脱湿到吸湿的转换,用θ3r值替换θr值:θ3r =θΔ-θSS w(hΔ)1-S w(hΔ)(11)式中S w(hΔ)是h=hΔ时式(7)右端计算出的饱和度.模拟计算中,采用一个指针变量k i,检查每一个单元是脱湿还是吸湿,计算θ3s值和θ3r值的适应性.当单元i吸湿时,可记为+1,脱湿时记为-1.在每个时段结束时用下式判断每个单元是否需要转换:h t-Δt i- h t ik i>δh(12)式中δh是基质势的迭代收敛精度; hi是单元i中结点的平均基质势.当需要转换时结点所在的单元就要继续计算θS 和θr ,以便确定新的曲线,直到收敛为止.4 计算实例表1 华北某黄土区包气带不同深度的物理特性岩性样品个数深度m 干容重ρg/cm3孔隙度%K scm/d 黄土190～21121～114342～4929100黄土状亚砂土92～91116～113545～520111亚粘土99～181138～114733～420115黄土状亚粘土918～281151～116035～410110411 华北某黄土区包气带不同深度的含水量的数值模拟 在华北半干旱黄土区采集原状土样46个,其物理特性见表1.利用压力板法(用110～1000kPa 的压力)测量的数据用2节描述的方法计算了28m 厚包气带的水分特征参数.同时根据现场试验孔内中子水分计两年多观测含水量的结果,采用包气带水流模型WAT ERM [4]模拟计算,获得水分特征曲线参数见表2,二者比较接近.表2 华北某黄土区包气带不同方法水分特征曲线参数对比深度/m压力板法试验数据模拟计算现场测定数值模拟θsθr n α,1/cm θsθr nα,1/cm 010—210014601102111010065014572011094212153010064210—910014801112114010043014817011135117680010043910—18100140011511990100390140290115081196390100421810—2810013901151187010021013963011159116100010023图2 粘土滞留曲线测定与模拟412 西北某干旱区包气带不同岩性滞留曲线的模拟 对西北某地粘土、粉壤土、细砂和砾石四种不同岩性的沉积物的脱湿与吸湿试验进行模拟计算,所获得的参数见表3,试验与模拟对比见表421,表422.表3 西北某干旱区包气带滞留曲线参数岩性αdαw θsθrn1/cm m 3/m 3无量纲粉壤土0100101013013630105341241粘土01020010350141001124110731细砂01014010150137701074416144砾石01021010240127501052310265表421 西北某干旱区包气带脱湿与吸湿条件下h 2θ试验与模拟对比(一)类型h/kPa0153710203050100130粉壤土θ脱湿吸湿013630134701279011650109501081010690105901054试验013630136101304012100107701060010540105301053模拟013620134001269011410108201069010610105601053试验013630135801258011560106601057010540105301053模拟表422 西北某干旱区包气带脱湿与吸湿条件下h 2θ试验与模拟对比(二)类型h/kPa1510204080100130细砂θ砾石θ脱湿吸湿脱湿吸湿0137701330011460110601092010830107901076试验0138001318011600108701073010700107001070模拟0137401326011310109201089010810107801074试验0138001325011360107701071010700107001070模拟0127201173010930107401066010610105901057试验0127101191011020106501055010530105301052模拟0126801167010810106901062010560105401052试验0126801165010880106101054010530105201052模拟 试验结果表明:粘土水分运动具有明显的滞后性,颗粒较粗的细砂和砾石滞留现象不十分明显.模拟计算表明:用式(5)和(6)能较好地模拟粘土的滞留特性,如图2所示;细砂和砾石拟合效果略逊,粘土的αw=1175αd,其它几种岩性有αw=(111-112)αd的关系.5 结论11土壤非饱和水力渗透系数(K),是水资源开发利用、水环境保证与性能或风险评价中的重要参数.用Van经验公式能较好地描述基质势(h)与K的关系.最小二乘法与非线性单纯形法相结合,能解释压力仪法测定的θ-h对应关系,得出Van公式中的残余含水量θr、特性参数α和n,该方法方便快捷,容易操作.21以土壤水分特征曲线为基础,建立的吸湿与脱湿曲线,能较好地描述土壤水分滞留特征.土壤水分滞留曲线有4个独立的参数,用上述方法同样可以获得这些参数.在野外使用时,可以通过观测天然含水量与相关水文参数的时空分布,用数值法模拟滞留曲线.考虑土壤水的滞留问题时,需在解方程的迭代过程中,增加吸湿与脱湿的转换点和判断式.31上述方法对不同地区和岩性的试验数据模拟效果较好.模拟计算表明:用式(5)和(6)能较好地模拟粘土的滞留特性,细砂和砾石拟合效果略逊,粘土的αw=1175αd,其它几种岩性有αw= (111-112)αd的关系.致谢:本文在撰写过程中,得到了林学钰院士的帮助,特此感谢!参 考 文 献:[1] Van G enuchten M.T.A Closed2form 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soil with different characteristics is performed.The results show that the algo2rithm to acquire the water characteristic curves adopted in this paper is convenient to use and possessesgood fitting effect to test data.K ey w ords:aerated zone;imbibition curve;drainage curve;hysteresis;unsaturated hydraulic conduc2tivity简讯全国堤防加固技术研讨会在南昌召开1999年12月15日至18日,全国堤防加固技术研讨会在南昌举行.研讨会由水利部国际合作与科技司、建设与管理司和中国水利学会联合主办,中国水利水电科学研究院、江西省水利厅承办,共收到论文167篇.来自全国科研机构、全军防汛抢险工程技术研究中心、大学、流域委及各省水利厅、以及施工企业、建材生产厂家的代表近300余人参加了会议.、建设与管理司副司长俞衍升、中国水利学会副理事长郑守仁、中国水科院院长高季章、副院长贾金生及江西省水利厅厅长刘政民出席了会议.董哲仁致开幕词,中国水利学会常务副秘书长黄林泉主持大会.大会选择“堤防加固技术”这一主题,切中了水利部的工作中心,是当前政府部门“重中之重”的任务,同时也是全国水利界共同关注的焦点.与会代表从“堤防除险加固技术进展”、“超薄型堤下连续墙施工设备与技术在长江干堤基础防渗中的应用”、“装配式箱型结构堵口技术初探”、“长江堤防崩岸机理及工程措施探讨”、“洪水渗透时河堤内渗流的实测与分析”、“四面六边透水框架群护岸技术”、“瞬变电磁法探测堤防渗漏”等方面提交并宣讲了最新研究的成果报告.会议期间,专家们就江河干堤的勘测设计、堤防的防渗与地基处理、堤防崩岸护坡的治理、堤身的加固、堤防隐患的探测等问题,分组进行了广泛深入的学术交流.研讨会还组织了科技展览,展览的内容紧紧围绕本次大会的主题,有12个国内科研院所和国内外有关企事业单位前来参展.展览利用录像、计算机演示等手段,充分反映了堤防加固的各项新技术、新工艺、新材料和新方法.研讨会于18日落下帷幕,原水利部总工朱尔明到会并致闭幕词.(李 磊供稿)。
包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响_林丹
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１． Ｓ ｔ ａ Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ Ｂ ｉ ｏ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｖ Ｇ ｅ ｏ Ｃ ｈ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｏ Ｇ ｅ ｏ Ｗ ｕ ｈ Ｃ ｈ ｉ ３ ０ ｔ ｅ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ ｌ ｏ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｌ ｏ ｎ ａ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ， ａ ｎ ０ ７ ４， ｎ ａ ４ ｙ ｆ ｇ ｆ ｙ ｇ ｙ ｇ ｙ， ｙ
，Ｈ ， ： Ａ ｂ ｓ ｅ ｂ ｅ ｉ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｖ ａ ｄ ｏ ｓ ｅ ｚ ｏ ｎ ｅ（ ８． ０－２ １． ０ｍ） ａ ｔ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｅ ｎ ｕ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ｅ ｄ ｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ａ ｍ ｌ ｅ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｄ ｅ ｅ － ｇ ｇ ｐ ｐ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｖ ａ ｄ ｏ ｓ ｅ ｚ ｏ ｎ ｅ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｉ ｌ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｓ ａ ｍ ｌ ｅ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｂ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｅ ｎ ｉ ｎ ｏ ｓ ｔ ｕ ｄ ｌ ｚ ｅ ｄ ｔ － ｐ ｇ ｐ ｐ ｙ ｇ ｙ ｙ ，ｗ ｓ ｕ ｒ Ｒ Ｅ Ｔ Ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｍ ｕ ａ ｌ ｅ ｍ－ｖ ａ ｎ Ｇ ｅ ｎ ｕ ｃ ｈ ｔ ｅ ｎ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｕ ｓ ｉ ｎ ｅ Ｐ ｌ ａ ｔ ｅ Ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｔ ｏ ａ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ｅ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ｅ ｒ ｅ ｆ ｉ ｔ ｔ ｅ ｄ ｂ － ｇ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｅ ． Ｕ ｎ ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｈ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｗ ａ ｒ ｆ ｉ ｔ － ｙ ｙ ｇ ｇ ｐ ｐ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｉ ｌ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｅ ｎ ｉ ｎ ｖ ａ ｄ ｏ ｓ ｅ ｚ ｏ ｎ ｅ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｄ ａ ｒ ｃ ｓ ｅ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｉ ｔ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｄ ｙ ｑ ｇ ｇ ｐ ｇ ／ ｔ ｉ ｍ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ２ ５－２ ４ ０ｍｍ ａ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｔ ｈ ｏ ｆ ８． ０－２ １． ０ｍ． Ｉ ｆ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｈ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ａ ｔ ｓ ａ ｍ ｌ ｉ ｎ ｙ ｐ ｇ ｐ ｙ ， ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｓ ａ ｍ ｅ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｓ ｈ ｏ ｕ ｌ ｄ ａ ｌ ｓ ｏ ｏ ｆ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｄ ｅ ｃ ｌ ｉ ｎ ｅ ｗ ａ ｓ ｆ ａ ｓ ｔ ａ ｔ ａ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ｈ ｈ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｐ ｙ ， ｈ ａ ｖ ｅ ｌ ａ ｒ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｈ ａ ｓ ｌ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｉ ｌ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ． Ｓ ｏ ｉ ｌ ｈ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｆ ｉ ｌ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｃ ｈ ａ ｎ ｅ ｇ ｇ ｐ ｙ ｙ ｐ ｐ ｇ ， ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｅ ｄ ｌ ｉ ｎ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｎ ｆ ｉ ｌ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ． ｄ ｅ ｃ － ｇ ｇ ｐ ｇ ： ； ； ； ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｄ ｅ ｅ ｖ ａ ｄ ｏ ｓ ｅ ｚ ｏ ｎ ｅ ｓ ｏ ｉ ｌ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｒ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ Ｒ Ｅ Ｔ Ｃ Ｄ ａ ｒ ｃ ｓ ｅ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｉ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ． ， 为满足农业 、 生活和工业 用水需求 ， 近几十年来 ， 人们大量开采山前平原浅层 地下水 ， 导致区域水位持续大幅度下降 ， 多处出现水 位降落漏斗 ， 漏斗 中 心 水 位 埋 深 可 达 ５ 该地 ０ 多 米．
水分特征曲线
水分特征曲线
水分特征曲线，也被称为土壤水分特征曲线或土壤持水曲线，描述的是非饱和水流压力水头（或吸力）与土壤含水量之间的关系。
它是土壤水分物理基本特性之一，反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数。
水分特征曲线可反映不同土壤的持水和释水特性，也可从中了解给定土类的一些土壤水分常数和特征指标。
土壤水的基质势（或土壤水吸力）随土壤含水量的变化而变化，这种关系曲线就是水分特征曲线。
一般来说，该曲线以土壤含水量Q（以体积百分数表示）为横坐标，以土壤水吸力S（以大气压表示）为纵坐标。
土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低，而不是自身的含水量。
如果测得土壤的含水量，可根据土壤水分特征曲线查得基质势值，从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度。
在实际工作中，土壤水分特征曲线最好通过实验求得，因为影响水分特征曲线的主要因素有土壤性质、结构、温度以及水分变化过程（吸湿过程或脱湿过程）等。
同时，由于测定方法所需时间较长，尤其是低势能段（以吸附力作用为主），水分移动较慢，其能量平衡时间较长，测定的精度也并不十分理想，所以许多学者提出土水势与土
壤湿度变化间的经验公式，但这些经验公式只能在特定的条件下才可使用，并无普遍使用价值。
总的来说，水分特征曲线是理解和研究土壤水分动态和植物水分关系的重要工具。
水分特征曲线
水分特征曲线全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：水分特征曲线是指在一定的温度下，样品中含水量与相对湿度之间的关系曲线。
水分特征曲线是食品、农产品、建筑材料等领域常用的重要参数，它可以帮助我们了解材料的吸放湿性能，从而指导产品的贮存、运输和使用。
水分特征曲线实际上反映的是材料与水分子之间的物理吸附作用。
在高湿度下，由于材料表面和水分子之间的氢键能力，可以形成吸附水层；在低湿度下，则主要是由于吸附水分子的扩散能力。
研究水分特征曲线可以帮助我们了解材料的吸水性能以及对湿度的敏感程度。
水分特征曲线通常由含水量和相对湿度两个变量组成，通过实验方法确定。
实验的基本原理是将一定量的样品暴露在不同的湿度环境中，在一定的时间后测量其含水量，然后根据测量结果绘制水分特征曲线。
通过此曲线，我们可以了解材料在不同湿度下的吸放湿性能，从而合理地选择贮存条件、改进包装材料，保障产品的质量和安全。
水分特征曲线对于各个行业都具有重要的应用价值。
在食品工业中，水分特征曲线可以帮助我们了解食品原料吸水膨胀的情况，从而指导生产工艺和保质期的控制。
在建筑材料行业，水分特征曲线可以帮助我们了解材料的吸水性能，从而指导建筑材料的选择和使用。
在农产品领域，水分特征曲线可以帮助我们了解作物的贮存条件和质量损失情况，从而指导农产品的贮存处理。
水分特征曲线是一项重要的实验技术，可以帮助我们了解材料的吸放湿性能，指导产品的生产和贮存。
通过对水分特征曲线的研究，我们可以更好地掌握材料与水分子之间的相互作用规律，为不同行业的生产提供科学依据，提高产品的质量和竞争力。
【2000字】第二篇示例：水分特征曲线是描述土壤水分保持性能的曲线，是反映土壤水分特征和土壤物理性质的重要指标之一。
水分特征曲线反映了土壤固有孔隙结构、形态及其对毛细吸力带来的影响，是水分运移和转移的基础。
水分特征曲线通常用含水量和毛细吸力来描述。
土壤中的水分主要存在于三种状态：毛细吸力作用下的毛细水、重力作用下的准附着水和自由水。
包气带土壤水的基本理论及测试方法
饱和含水量(Saturation Capacity)
土壤中所有的有效孔隙全部被水充满时的土壤含水量。 从田间持水量到饱和含水量之间的水分，为自由重力水，受重力作用向下运动。 地下水面以下土壤含水量处于饱和状态。
包气带土壤水的基本理论及测试方法
3、土壤水分的有效性
指土壤水分能否被作物吸收利用及其吸收利用的难易程度。 其有效性取决于水分存在的形态、性质、数量、分配情况，以及作物吸水力。 一般：下限-凋萎系数，上限-田间持水量。
包气带土壤水的基本理论及测试方法
包气带土壤水的基本理论及测试方法
包气带土壤水的基本理论及测试方法
毛管水的物理化学性质已具备一般自由水的特点。可在毛细力的作用下运动， 具有溶解化学组份的能力。
毛管上升高度
湿润现象
表面张力
湿润角 毛细作用 曲率半径
P (1 1)
r1 r2
P 2
r
r R
c os
包气带土壤水的基本理论及测试方法
毛管内外的压强差 毛管上升高度
Pc
2
cos
R
hc
2 cos g(w a)R
e Vv Vs
n p Vv V
np
e 1 e
1
0 s
e np 1 np
包气带土壤水的基本理论及测试方法
三 土壤水分的作用力及存在形式
1、土壤水分的作用力
分子力（吸附力，Molecular Force）：土壤颗粒表面的分子和离子对 水分的吸力。与比表面成正比。紧靠土粒表面的分子吸力很大，向 外迅速减弱。
固体颗粒
水文地质学 第五章__毛细现象与包气带水的运动
第五章 毛细现象与包气带水的运动参考书：1）雷志栋、杨诗秀、谢森传，《土壤水动力学》，北京：清华大学出版社，1988。
2）张蔚榛，《地下水与土壤水动力学》，北京：中国水利水电出版社，1996。
3）张瑜芳，土壤水动力学，武汉水利电力大学研究生教材，1987。
5．1 毛细现象及有关理论毛细现象：将细小的玻璃管插入水中，水会在管中上升一定的高度才停止，这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象。
按毛管理论，毛管负压为：DP c α4=，换算为负压水头（水柱高度）： DgD g P h c c 03.04≈==ραρ 式中：ρ––––水的密度，等于1g/cm 3； g ––––重力加速度，等于981cm/s 2；α––––表面张力系数，取74dyn/cm （74×10-3N/m ）； D ––––毛管直径，单位为mm ；h c ––––毛管负压水头，以水柱高度表示，单位为m 。
最大毛细上升高度与毛细管直径成反比，颗粒细小的土，最大毛细上升高度也大。
自然界中的物体都具有能量，而且普遍的趋势是自发地由能量高的状态向能量低的状态运动或转化，最终达到能量平衡状态。
经典物理学认为，任一物体所具有的能量由动能和势能组成。
由于水分在土壤孔隙中运动的很慢，其动能一般可忽略不计，因此：土水势––––土壤水分所具有的势能，在决定土壤水分的能态和运动上就变的极为重要。
任两点之间土壤水势能之差，即土水势差，是水分在这两点之间运动的驱动力。
有关土壤水分的运动有两种理论：1）毛管理论：将土壤看成均匀的或不同管径的毛细管，将土壤水在土壤孔隙中的运动简化为在毛管中的运动进行研究。
毛管理论清楚易懂，20世纪50年代以前应用比较广泛，目前仍有一定的实际意义，适用于对简单问题的分析。
2）势能理论：用在土壤水势基础上推导出的土壤水运动方程，研究土壤水的运动。
该理论比较严谨，可适用于各种边界条件，特别是随着计算机和数值计算的应用，使得土壤水运动的研究取得很大的进展。
第6章 包气带水
力 f 相互吸引，力的作用方向平行于液面而与此线段垂直，大小与线段
长度成正比，即为表面张力，力的大小表示为： f = αL α为表面张力系数，单位为dyn/cm。（1dyn=1×N）
一、毛细现象及其实质
2、毛细实质
（2）附加表面压强（Pc） 表面张力的作用，弯曲的液面 将对液面以内的液体产生附加表 面压强（ Pc ），而这一附加表面
迅速，主要是因为支持毛细水发挥了重要作用。 3、环境污染问题：在地下水浅埋地区的污染质运移过 程中，毛细水发挥了重要作用。
饱和带—非饱和带地下水运动时，总水头（总水势）可表示为位置 水头（重力势）z和压力水头（压力势）h之和，即H=z+h 饱和带地下水面以下的压力水头为正：（h=hp）；非饱和带压力水 头为负：（h=-hc）；潜水面处的压力水头为零。
测出任一点的水位（H），就可得知水的流向，从高处流向低处。
三、毛细上升高度与悬挂毛细水
一、包气带水的垂向分布特征
毛细水饱和带与饱水带异同 1、相同点：两者均为孔隙被水饱和，水运动可用达西定律描述 2、不同点： （1）毛细饱和带与饱水带分别为表面张力和重力 （2）饱水带中，任一特定的均质土层，渗透系数 K 是常数； 包气带中，渗透系数 K 随含水量降低而迅速变小， K 也是 含水量的函数： K= K（W）。渗透系数与含水量呈非线性关系。 原因是：①含水量降低，实际过水断面随之减少；
三、包气带水运动的基本定律
用达西定律分析：水由B至B’，毛细水的运动 V=I K，假设K不变。
=0
=ZB` –hc`
讨论：
三、包气带水运动的基本定律
毛细上升速度： （1）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐 渐减慢，
直到停止。
（2）毛细空隙：越大，毛细上升速度越小；毛细空隙越小， 毛细上升速度越大 （3）毛细水可以上升的最大高度hmax，就等于该毛细管可 以产生的最大毛细压力水头hc。
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was close to saturated state or they had discontinuity at air2entry value. Among different algorithm s, Van Genuchten model had less difference
and B rooks2Corey model and Gardner2Russo model had more difference. The error of fitting by nonlinear regression analysis was least and that
为解决与包气带有关的水资源开发利用和生态环境保
护问题 (如土壤沙化、盐渍化和地下水质恶化等问题 ) ,预测
渗流污染质的迁移规律 ,研究包气带水分特征曲线非常重
要。对包气带水分特征曲线问题 ,国内外学者先后提出了一
些数学模型和计算方法 ,比较常用的有 : B rooks2Corey ( 1964)
physical background. The influences of different algorithm s on the parameters of Gardner model were little. The whole drainage curve could be
comp letely dep icted with Van Genuchten model. B rooks2Corey model and Gardner2Russo model were not app licable when the water content
1 模型概述
1. 1 Brooks2Corey模型 B rooks和 Corey于 1964年利用闭
合解析式得到了能较准确预测非饱和水流渗透系数的模型 ,
绝大多数土壤持水特征在较低吸力下可用此模型来描述 。
其函数表达式为 [1] :
θ
-
θ r
θ s
-
θ r
=
γ
hb , h < hb h
(1)
θ( h) =θs , h ≥ hb
13222
安徽农业科学 2009年
界处的细砂 (砂样的粒径在 0. 075 ～0. 250 mm 的含量为 52% ,粒径在 0. 250～0. 500 mm的含量为 46% ) ,试验过程中 通过控制干容重的方法使土体的孔隙比为一定值 。试验装 置使用李俊亭老师设计的非等温等压包气带参数测定仪 ,试 验装置的截面直径 60 cm,高 110 cm,分别安装有负压计、温 度计、FDR含水率测量仪以及加热装置 ,具体见图 1。试验 砂样均匀装入试验装置内 ,测定脱湿曲线。
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2009, 37 ( 27) : 13221 - 13223
责任编辑 罗芸 责任校对 况玲玲
包气带水分特征曲线参数模型及算法分析
赵贵章 ,侯莉莉 ,李云良 ,王才川 ,姚珂君 ,朱 欢 (长安大学环境科学与工程学院 ,陕西西安 710054)
rated zone. [Method ] Combining with experimental measured data, the parameters of the model were fitted by nonlinear unconstrained algo2
rithm , nonlinear least square method and particle swarm op tim ization algorithm. [ Result] Among the parameters of fitting by nonlinear regres2
0.
349,显然脱离了物理背景 ;非线性回归分析拟合
Van
Genuchten模型中的参数 α显然脱离物理背景。不
同算法对 Gardner模型中参数影响不大。Van Genuchten模型能完整地刻画整个脱湿曲线 , B rooks2Corey模型和 Gardner2Russo模型在含
水率接近饱和状态时不适用或在进气值处存在不连续。Van Genuchten模型在不同算法之间的差别较小 , B rooks2Corey模型和 Gardner2
数 [7] ,一般为进气值的倒数 ,具有确定的物理背景 。在对
B rooks2Corey模型采用非线性回归分析、优化算法拟合的参
数
Param eter M odels of W a ter Reten tion Curve in Un sa tura ted Zone and Ana lysis on The ir A lgor ithm s ZHAO Gu i2zhang et a l ( College of Environmental Science and Engineering; Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710054) Abstract [ Objective ] The purpose was to find a reasonable and effective fitting method for the parameters of water retention curve in unsatu2
和参数的拟合方法 ,文中采用较为常用的 B rooks2Corey模型、 Van Genuchten模型、Gardner模型 ,参数拟合利用非线性最小 二乘法法、非线性回归分析以及优化算 法 (粒 子 群 算法 ( PSO) ) 。展开两个方面的讨论 ,即不同算法相同模型之间的 比较、相同算法不同模型之间的比较。结果检验主要采用相关 系数、协方差以及标准均方差 (RMSE)。实测的非饱和带水分 特征曲线见图 2。不同模型不同算法的参数拟合值见表 1。
好 ,成为土壤物理领域最为普遍使用的描述土壤水分特征曲
线的通用方程。缺点是模型中的参数较多 ,且参数拟合属于
非线线性问题 ,不易获得。
1. 3 Gardner模型 W. R. Gardner (1970)提出了体积水分
含量 θ与压力水头 h之间的关系式为 [3 - 4] :
h = aθ- b
(3)
图 1 非等温等压包气带参数测定 F ig. 1 Param eters m ean sura tion of the un sa tura ted zone under
non isotherma l and non isoton ic
3 结果与分析 为了研究非饱和带水分特征曲线经验模型公式的选取
图 2 实测包气带水分特征曲线
Russo模型在不同算法之间的差别较大。非线性回归分析拟合的误差最小 ,优化算法次之。 [结论 ] 非饱和带水分特征曲线参数模型的
选用不能脱离参数的物理背景 。
关键词 包气带 ;水分特征曲线 ;模型 ;参数 ;算法
中图分类号 S11 + 9 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611 (2009) 27 - 13221 - 03
sion
analysis
and
op tim ization
a lgo rithm
of B rooks2Corey model,
θ r
values of
fitting were
0.
830
and
0.
349
resp.
and they were obviously divor2
ced from physical background. The parameterα of fitting by nonlinear regression analysis of Van Genuchten model was obviously divorced from
of fitting by op tim ization algorithm was secondary. [ Conclusion ] The selection of parameter model of water retention curve in unsaturated zone
could not be divorced from physical background. Key words Unsaturated zone; W ater retention curve; Model; Parameters; A lgorithm s
模型 [1] 、Van Genuchten ( 1980 ) 模 型 [2] 和 Gardner ( 1970 ) 模
型 [3 - 4] 。上述模型中参数较多 ,且参数拟合属于非线性问
题 ,常用的最小二乘拟合方法常会遇到求解停止或参数为负
的问题 。王 金 生 等将 最 小 二 乘 法 和 单 纯 形 法 相 结 合 拟 合
连续的 ,因此不能很好地描述接近饱和时的水分特征数据。
1. 2 Van Genuchten模型 Van以 Mualem为基础得出的水
分特征曲线的闭合解析式为 [2] :
θ( h)
=
θ r
+ [1
+
θ s
-
θ r
(α | h - ha
|)n
]m
(2)
式中 ,θ是体积含水量
(L3
/L3
)Hale Waihona Puke ,θs和θ r
Van Genuchten模型参数 [5] , 徐绍辉等利用最小二 乘 法和
Picard迭代法相结合拟合 Van Genuchten模型的参数 [6] 。笔
者结合试验实测数据 ,利用非线性无约束算法、非线性最小
二乘法和粒子群优化算法对模型中的参数进行拟合 ,探讨一
种合理的 、有效的包气带水分特征曲线参数的拟合方法 。