水分持留曲线
水分持留曲线描述土壤含水量θ和土壤水势ψ之间的关系。不同类型土壤的水分持留曲线都是特异的,因此该曲线也被叫做土壤水分特征曲线。
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5a/Wrc.svg/300px-Wrc.svg.png)
该曲线常被用来估计土壤蓄水量、对植物的供水能力(田间持水量)以及土壤团聚体稳定性。由于水进入和离开土壤孔隙具有迟滞效应,润湿和干燥曲线也可以区分开。
水分持留曲线的总体特征如图所示,该图横纵坐标分别为体积含水量θ和基质势。在势能接近0处,土壤接近饱和,水分主要由毛细作用力保持在土壤中。当θ逐渐变小,水的结合力增强,在更小的势能处(负值的绝对值变大,即接近凋萎点),水被紧紧留存在最小孔隙中、谷粒的接触点间,以及被土壤吸附力保留在颗粒表面形成一层水膜。
砂土中的水主要是靠毛细作用来吸收的,因此在较高(较小绝对值)势能下,大部分水会流失。然而黏土由于粘附和渗透的存在,会在较低势能下才释放水分。在任意势能下,泥煤土的水含量通常比黏土要高,而后者的含水量一般比砂土高。任意土壤的持水性都和土壤孔隙度以及土壤结合力的特性有关。
形状参数
有多种模型可以用来描述水分持留曲线的形状,其中一种是van Genuchten模型:[1]
其中
- 是水分持留曲线[L3L−3];
- 是吸水压力([L],cm水柱);
- 是饱和水含量[L3L−3];
- 残余水含量[L3L−3];
- 与进气吸力的倒数有关, ([L−1], or cm−1);
- 是孔隙大小分布的一个相关量, (无量纲)。
基于上述参数化方式,我们构建了一个能够对不饱和导水率-饱和-压力关系作出预测的模型。[2]
历史
1907年,物理学家埃德加·白金漢姆(Edgar Buckingham)利用从砂土到黏土质地各不相同的六种土壤,建立了第一条水分持留曲线。[2]实验所用土壤柱有48英寸高,在距离土壤柱地段2英寸的位置,通过周期性地利用侧管补充水分,保持了一个稳定的水位。土壤柱的上端是封闭的以防止蒸发。
方法
范格魯切騰(Van Genuchten)参数( 和 )可以通过田间或室内实验来确定。一种方法是瞬时剖面法,[3]利用该方法可以测定在一系列吸水压力 下的土壤含水量 (或有效饱和度 )。由于该方程的非线性特征,诸如非线性最小二乘法等数学技巧能够用来解出范格魯切騰参数。[4]被估计参数的精确度取决于已有数据集( 和 )的质量。
参考文献
- ^ van Genuchten, M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils (PDF). Soil Science Society of America Journal. 1980, 44 (5): 892–898 [2016-11-01]. doi:10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x. (原始内容 (PDF)存档于2013-06-18).
- ^ 2.0 2.1 Buckingham, Edgar, Studies on the movement of soil moisture, Bureau of Soils, Bulletin 38, Washington, D.C.: U.S. Department of Agriculture, 1907
- ^ Watson, K.K.. An instantaneous profile method for determining the hydraulic conductivity of unsaturated porous materials. Water Resources Research. 1966, 2 (4): 709–715. Bibcode:1966WRR.....2..709W. doi:10.1029/WR002i004p00709.
- ^ Chou, T.K. A free GUI application for solving the van Genuchten parameters using non-linear least-squares minimization and curve-fitting (PDF). www.cmcsjc.com. 2016,. January: 1–5. (原始内容 (PDF)存档于2016-03-04).