入渗模拟结果对土壤水分特征曲线高吸力段的敏感性分析

王辉 缴锡云 王欣

摘要：针对非饱和土壤水分特征曲线传统测量方法上对仪器精度要求高、耗时长、成本高的问题，研究了土壤水分特征曲线高吸力段误差对入渗模拟结果的影响。针对黏土的土壤水分特征曲线，设计了正负共8种高吸力段的偏离情况，利用数值模拟方法分析土壤入渗过程，得到累积入渗过程、湿润锋发展过程和4个典型时刻的土壤水分分布。结果表明，土壤水分特征曲线在吸力大于100 cm部分存在不超过±20%的偏差时，对于土壤入渗数值模拟结果无显著影响，因此，对土壤水分特征曲线高吸力段的试验精度要求可适当放宽。

关键词：土壤水分特征曲线；VG模型；敏感性分析；数值模拟

中图分类号： S271文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0328-02

收稿日期：2013-09-11

基金项目：国家公益性行业（水利）科研专项（编号：201301014）；水利部“948”项目（编号：201230）。

作者简介：王辉（1989—），男，硕士研究生，从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：793486691@qq.com。

通信作者：缴锡云，博士，教授，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Tel：（025）83787913；E-mail：xyjiao@hhu.edu.cn。土壤入渗是灌溉排水、水土保持、水文等学科研究中的重要过程[1]，是一种重要的土壤水分运动过程。土壤水分特征曲线是反映土壤水分与吸力之间函数关系的曲线，是土壤水分运动模拟计算的基础资料[2-3]。刘建立等[4]、王攀等[5]、夏达忠等[6]认为可通过土壤的物理结构来推求土壤水分特征曲线。关于土壤水分特征曲线已有很多人做过试验，得到了普遍认可的试验方法，对于土壤水分特征曲线的物理意义研究已比较深入。试验测定中试验设备对试验结果影响较大，且对于低含水率高吸力区，试验测量有困难，然而现实意义还有待商榷。目前，土壤水分特征曲线主要通过大量的室内或现场试验直接测定，其中多数的测量方法由于对试验仪器精密度要求较高，测试耗时长，成本较高而受到限制，同时土壤空间变异性的存在亦限定了测量方法的应用与精确度[7]。因此有必要比较各种试验的精度和范围，并分析其对土壤入渗模拟结果的影响。若结果表明土壤入渗对土壤水分特征曲线高吸力段精度的敏感性不高，则今后的试验中就可以避开试验测量上的困难。本研究对土壤水分特征曲线进行了不同程度的偏离并得到相应的VG模型参数，对不同参数均进行了土壤水分入渗模拟，并对比模拟结果，以期探明土壤水分特征曲线精度对土壤入渗结果的影响。

1材料与方法

1.1供试土样

试验土样采集于河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山研究基地，1.0 m深度上的均匀混合样，土壤质地为黏土。室内实验根据设计土壤容重1.25 g/cm3配制土样。经SEDIMA4-12土壤粒径分析仪分析，得到土样的土壤机械组成：沙粒3.69%、粉粒7.29%、黏粒89.02%。

1.2模型参数及参数反演

采用van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线、导水率函数和扩散率函数[8-9]，将土壤机械组成和容重输入RETC软件[10]，求得van Genuchten模型的各个参数[10-11]：θr=0115 8，θs =0.531 5，α=0.022 9，n=1.191 4，m=0.160 7，ks=0.010 4 cm/min。故土壤水分特征曲线表达式为：

将上述曲线定义为标准曲线，并以此为基础，对土壤入渗进行模拟。为了进行敏感性分析，对标准曲线作偏离设计。为了针对土壤水分特征曲线高吸力段进行分析，设定从0到100 cm吸力水头范围内保持吸力及含水率不变，在大于 100 cm 吸力范围内对不同含水率条件下的吸力进行偏离，分别偏离±20%、±15%、±10%、±5%，得出偏离后的吸力与含水率关系曲线。吸力偏离±20%的土壤水分特征曲线如图1，其他类似。

模型（1）中的4个参数θr、θs、α、n针对同一种土样，其θr与θs均可通过试验测得，故可设为定值，即θr=0.115 8，θs=0.531 5；参数α与n随曲线的偏移而变化，应用规划求解的方法进行参数反演[12]，结果见表1。

由表1分析可知，对于同一种土样，含水率对应的吸力值越大则α越大、n越小，α与n呈此消彼长的关系。

2不同参数条件下的土壤入渗模拟

3结论

土壤水分特征曲线在大于100 cm的吸力范围内偏离不超过±20%情况下，入渗模拟结果无显著性差异，因此，对于吸力大于100 cm水柱的土壤水分特征曲线段的试验精度要求可适当放宽。

参考文献：

[1]雷志栋，胡和平，杨诗秀. 土壤水研究进展与评述[J]. 水科学进展，1999（3）：311-318.

[2]郭凤台，迟艺侠，程东娟，等. 土壤水分特征曲线试验研究[J]. 南水北调与水利科技，2006，4（2）：47-48.

[3]李开元，李玉山. 土壤水分特征曲线的意义及其应用[J]. 陕西农业科学，1991（4）：47-48.

[4]刘建立，徐绍辉，刘慧. 估计土壤水分特征曲线的间接方法研究进展[J]. 水利学报，2004（2）：68-76.

[5]王攀，李远，王金定. 应用RETC软件拟合土壤水分特征曲线的结果及分析[C]//河南省地质学会. 河南地球科学通报2011年卷：下册. 郑州：河南省地质学会，2011：398-401.

[6]夏达忠，张行南，贾淑彬，等. 基于土壤物理特性的土壤水分特征曲线推求方法[J]. 实验室研究与探索，2010，29（10）：18-20，61.

[7]Eching S O，Hopmans J W. Optimization of hydraulic functions from transient outflow and soil water pressure data[J]. Soil Science Society of America Journal，1993，57（5）：1167-1175.