推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

基金项目

作者简介

湖北监利人博士生

主要研究方向为地面水资源与地下水资源及环境

推求持水曲线模型参数的简单入渗法

薛绪掌张仁铎

武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉

国家农业信息化工程技术研究中心

北京

中山大学环境科学与工程学院广东

广州

摘要本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律

推求了

用模拟的结果进行拟合其决定系数

为

利用数值模拟数据和实验数据检验该方法将用此方法

结果表明本研究所求得的参数有较高的精度关键词土壤水分渗流运动

参数数值模拟

等和

直接测量土壤水分特征曲线和非饱和土壤导水率的方法

土壤水力特性土壤质地资料被成功地用来预测非饱和土壤水力特性

和

描述非饱和土壤水力特性模型中的参数该方法是在假

等模型中的参

法来推求更多描述土壤水分运动模型中的参数基本理论

水平一维非饱和土壤水分运动建立在

其表达式为

其表达式如下

是土壤饱和体积

方程描述如下

式中

其初始和边界条件其中为土壤初始体积含水率

式中为任意位置

则湿润峰位置的土壤水基质势

很低有

式中为湿润峰

由于

可得

变化的函数表达式

该式右边须乘以一个

参数

式中

当时入渗通量

和湿润峰厚度

此公式相似于表征的水分入渗模型

当土壤湿润峰为时其相对应的土壤水累积入渗量

其中

其中

其中

土壤饱和水

力传导度和土壤饱和体积含水率取

风干土含水量和

根据入渗率和湿润峰之间的关系

?利用迭代法求得可得参数

和

本研究应用程序

模拟中用到列出了土柱长度为

用到

分别为和

体积含水率和土壤饱和导水率和后借助求解

和为了验证所推导的计算

算得到的参数值和输入的参数值进行比较和参数敏感性分析并将参数估计值代入模型中得到的

表土壤类型水力特性参数

土壤???

实验方法年

验室温度控制在土壤为风干散装土系采自北京昌平小汤山国家精准农业基地个土壤剖面层

次和土壤样品自然风干且过表

表供试土壤的基本性质

土壤剖面层次深度有机质团粒结构状况

将各种供试土壤按照装土容重分成

在实验前取自然分干土样利用烘干法测定供试土壤的重

和初始体积含水率

在实验室内进行了传统的的有机

试验土柱是界面直径为将供试土壤按设

计容重分层均匀装入圆筒在实验过程中

结果和讨论

数值分析湿润峰

为了验证其结果将模拟结果点绘在二维坐标中和图

图和图分别描述了

其拟合结果见表

入渗率湿润峰

累积入渗量湿润峰

图入渗时间湿润峰

表

土壤

为拟合累积入渗量与湿润峰的决

定系数

种土壤水分特征曲线估计值和

理论值的比较

渗时间之间的关系系数

和

率

和土壤饱和

导水率

数

和

表其中

的最

大相对误差为

最低则达到了

的最大相对误差为

为了证明估计参数值的

种模拟土壤的水分特征曲

线

数

和

图为参数和和

代入

种模拟

种土壤体积含水率均随土

结果表明由和

表

水力特性参数估计值与理论值的比较

土壤

理论值

计算值

?

?

求解

因此假设条件的正确性非常关为了证明其正确性

置

的导水率

?

在利用

将新方法估计的参数

和代入

为了进行假设条件检验将任意位置

导水率

估计值的比较

种不同土壤水分入渗湿润峰为时任意位置导水率的

湿润峰为

土壤

从图中可知模拟

的导水率和估计的导水率在湿润峰达到的增大呈减

以及基于此假设条件利用简单的水平一维水分入渗法推求模型中

实验验证

有一定程度差异

为供试土壤参数实验测定结果其中参数和为

供试土壤水力特性参数值

土壤

???

图

和图分别描述了供试土壤入渗率

与湿润峰

与湿润峰以及入渗时间

与湿润峰

从表可知

决定系数从

入渗率

湿润峰

累积入渗量

湿润峰

入渗时间

湿润峰

当关系系数和

含水率和土壤饱和导水率

和对于供试土和

的相对误差分别为

参数的相对误差分别为和

正如数值结果所证明

曲线影响不大从图进一步证

供试土壤水分特征曲线实测值与估计值的比较

表

土壤

为拟合累积入渗量与湿润峰的决定系数

结论

本文基于利用简单入渗理论确定非饱和土壤导水力特性的思想假设土壤水动力特性可用

理论基于这些理论实现利用数值模拟和实验数据验证了该方法的

总之应用本文提出

对于广范围的土壤类型水分

参考文献