第6章 土壤水分运动参数的测算分析

第六章 土壤水分运动参数的测 定与计算
土壤水分运移参数包括：C(m), K(m) or K()，D()
• 土壤含水率的测定方法——称重法（土钻 法）、中子法、 射线法、TDR……
• 负压测定方法——负压计（水柱型、水银 柱型、真空表型、数字型……）
6.1 土壤水分特征曲线的测定
6.1.1负压计法
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
出土壤水扩散率 D 。
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.1测定原理
均质一维水平土壤中水分运动的定解问题可描述为 （半无限）：
(tx,0)x
D(
i
)
x
(0,t) s
(,t) i
x0 t0 t0
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.1测定原理
采用Boltzmann变换（(x,t) xt 1/ 2），原定解问题变为：
2
d d i
d
d
D(
)
d d
s
0
2
d
d
D(
)
d d
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.1测定原理
对上式自 i 至 积分，得
1
d
D( ) d
2 i
d
D( ) 1
d
i
2 d d
由不同的x, t ~ D( )
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.2测定方法
为了使土柱进水端的含水率保持不变，进水端水室可 采用马利奥特（Mariote）瓶供水装置。这种装置能自动 补水，使供水水位保持不变，并能测量出补水量。在试验 结束时，从湿润锋开始迅速取土，测出土柱的含水率分布。
b
m
s
s
的形式时，Campbell推导出K的表达式如下：
K (
)
Ks
s
B
以上两式中： s 为进气值；b为拟合参数；B = 2b + 2 + p；
p为经验常数；Childs取p = 0；Jackson及Campbell取p = 1；
Ghosh[1976]取p = 1 - 0.5b。
c. van Genuchten公式（van Genuchten [1980]）
对两层土柱，
RH
L1 K1
L1 K2
对
N
层土柱， RH
N j 1
Lj Kj
由此， Jw
H RH
H N Lj
，为了与达西定律相对应，上式可改写为：
K j1 j
N
Jw
Lj
j 1
N Lj
K j1 j
H
N
Lj
j 1
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
N
Lj
定义 Keff
j 1
N Lj
, Keff
K j1 j
称为多层土壤的有效导水率。
由此，对多层土壤，类似达西定律的形式为：
Jw Keff
H
N
Lj
j 1
6.4 非饱和导水率的测定与计算
6.4.1 间接法计算非饱和导水率
（1）通过水分特征曲线计算非饱和导水率
a. Jackson [1972]公式
p
K i
K
s
i s
m (2 j 1 2i) mj 2
被破坏。
低吸力下的悬挂水柱法
6.1 土壤水分特征曲线的测定
6.1.3压力板法
通过细管的水停止流动后，土水势达到平衡。取细 管内水势为0，容器内只有空气压力势和土壤基质势，所
以 a m 0，由此得 m a p, p 为压力表读数。
压力膜实验装置示意图
6.1 土壤水分特征曲线的测定
6.1.3压力板法
负压计法测定土壤水分特征曲线，即用负压计测定 土壤水基质势，用烘干法测定相应的含水率，由此建立 基质势与土壤含水率之间的对应关系。
负 压 计
6.1 土壤水分特征曲线的测定
6.1.2悬挂水柱法
这个方法常用于测定低吸力 范围内的土壤水分特征曲 线。
此方法的优点是可以用原状
土样测定，用原状土样测
定，可以保持土样孔隙不
r
s r 1 m
n
m
式中：r为残留含水率；, m, n为拟合参数。
若令m = 1 - 1/n，则可推导出K的表达式如下：
水平土柱试验槽
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水
扩散率
6.2.2测定方法
• 有了试验时间和该时刻的土柱含水率分布，用
式可计算出不同值对应的值，将其点绘在坐标
纸上。
并将
D
1
2d / d
a
d
改写为
D
1 2
a
这样，可将 ~ 图划分成条状，然后列表 计算或编制程序由计算机计算。
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
此方法可以从0至 15bar 一条
完整的特征曲线，需要很长时 间才能完成。
注意事项：
(1)室内温度不要浮动太大；
(2)在夏天测定时要防止土样内 混入的草籽发芽。
压力膜仪测定原理示意
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
水平土柱吸渗法是测定土壤水扩散率 D
的非稳定流方法，最早是由Bruse和Klute提出的。
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
由于水流已达到稳定状态，所以各层水流 通量相等。对1-1和1-2、1-2和2-2分别写达西方 程，得：
Jw
K1
L1
b L1
p12
Jw
K2
L2
p12 L2
由上两式得： Jw
L1 L2 b L1 / K1 L2 / K2
H L1 / K1 L2
/ K2
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
j 1
m (2 j 1) mj 2
jBiblioteka Baidu1
式中： s 为饱和含水率；i为水分特征曲线 ~m对应的 某一点（实测点）编号（ i，mi）；m为实测点总数；j
为求和下标；p为经验系数，0.74≤p≤1.24，Jackson建议取
p = 1。
b. Campbell公式（Campbell [1974]）：
当将水分特征曲线拟合成
层状土壤的达西定律
1-1截面 25
1-2截面 2-2截面
两层土壤的达西定律
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
先考虑两层土壤的情况。取土柱底部截面为参照平 面，向上为正。
土柱顶部11截面： z1 L1 L2 p1 b H1 L1 L2 b 对两层土壤交界处截面12： z12 L2 p1 2 p 1 2 H1 2 L 2 p 1 2 对土柱底部 22截面： z2 0 p2 0 H2 0
第六章 土壤水分运动参数的测 定与计算
6.1 土壤水分特征曲线测定 6.2 水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率 6.3 层状饱和土壤导水率的计算 6.4 非饱和土壤导水率的测定
第六章 土壤水分运动参数的测 定与计算
土壤水分运动的求解应包括： • 过程的概化 – 模型的建立； • 模型的求解 – 计算方法的选用； • 各参数的准确测定与计算。