土壤水分特征曲线迟滞效应的研究进展

 于 欣，杨志洲 

（长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安710054）



土壤水分特征曲线迟滞效应的研究进展

于 欣，杨志洲

（长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安710054）

摘 要：研究水分在非饱和土壤中的运动时，迟滞效应不能忽略。对迟滞效应近年来的研究现状进行了综述，阐述了产生迟滞效应的原因，有墨水瓶效应、接触角的变化、圈闭气体等，总结分析了目前对土壤水分特征曲线的迟滞效应预测模型的研究，并对今后的研究趋势作了展望。

关键词：土壤水分特征曲线；迟滞效应；迟滞预测模型

土壤水分特征曲线（soil-water retention curve）是用来描述土壤水吸力随土壤含水率变化关系的曲线，是研究土壤水分保持和运动的依据，同时还是获取非饱和参数的主要手段。土壤水分特征曲线的确定方法有直接法和间接法，直接法主要通过大量的室内和田间试验测定，间接法是根据土壤的粒径、容重等基本性质采用数学表达式或经验公式来描述水分特征曲线[1]。由于土壤水分特征曲线存在迟滞效应，采用直接法获得的数据有限，因此间接法是一种更为常用的方法。在土壤特征曲线中相同吸力下，脱湿曲线含水率大于吸湿曲线的含水率，这种现象为吸湿过程的滞后现象，称为迟滞效应。迟滞效应能够影响水分在非饱和土壤中的运动，通常用数学方法简单描述水分运动和溶质运移时常常会忽略迟滞现象。自1930年Haines[2]描述了在多孔介质中毛细压力与含水率的关系后，越来越多的学者通过试验方法和模型对土壤水分特征曲线展开了不同程度的研究。引起人们注意的是很多学者在实验室试验和场地试验中发现了滞后现象。尽管迟滞效应被发现了，但在大多研究和实践中常被忽略。研究表明在涉及土壤中水分运动和溶质运移等问题研究时，不能忽略迟滞效应。笔者就近年来对这一问题的研究现状进行概述，总结现有迟滞预测模型，并对其今后的应用和发展进行探讨，为继续研究迟滞效应提供参考。

1 国内外对土壤水分特征曲线的迟滞效应的研究

目前国内外对土壤水分特征曲线的迟滞效应有着不同程度的研究。Smith[3]强调了表层土壤附近的迟滞效应的重要性。Vereecken[4]研究了在阻碍溶质运移中迟滞效应与非均质性的作用相当。Elmaloglou 和Diamantopoulos[5]发现在分析滴灌系统水分运动时考虑迟滞效应能够减小水分的损失并且可以增大灌溉效率。相比而言，国外对迟滞效应的研究比较深入，而国内对土壤水的迟滞效应的研究多限于定性分析。近年来，国内对土壤水的迟滞效应的研究成果有很多，如贺炜等[6]根据非饱和土干湿循环过程各个阶段的特点，建立基于正态分布的土水特征曲线独立域滞后模型，并运用该方法分析试验数据，发现能够较好地反映滞后现象；陆业奇等[7]基于Li建模思路，建立了一种新的迟滞预测模型，并进行了修正，发现修正后的模型解决了Li迟滞模型中存在的问题；陈祯等[8]通过开展不同灌溉施肥模式下的水稻种植田间试验，研究了土壤湿胀干缩特征曲线及其滞后效应；尹玉凤等[9]采用水银张力计法测定出不同深度上的土壤水分特征曲线，发现表层土壤滞后现象最明显且保水性最好。肖迪[10]以传统的域模型为基础推导出一个模拟土壤特征曲线滞后性的计算模型，这种方法能够实现扫描曲线的解算。

2 迟滞效应产生的原因

国内外很多研究表明，墨水瓶效应、接触角的不同、圈闭气体等都可以导致迟滞效应。

迟滞效应可能由4种因素造成：①墨水瓶颈效应（ink-bottle effect）；②固-液两相接触角的变化（variation in liquid-solid contact angle）；③圈闭气体（air entrapment）；④脱湿和吸湿过程中孔隙具有不同的空间连通性。以Haines[2]的理论为基础，近年来提出很多理论对造成迟滞效应的因素进行了解释，但仍有些因素不清楚，相关的研究仍在继续。笔者主要对前三种理论进行阐述。

2.1 墨水瓶效应

墨水瓶效应是建立在毛细管滞后的主导理论上的，模拟多孔介质与孔隙有关的脱湿和吸湿孔隙半径的特征，这些孔隙半径的分布决定了迟滞效应。如图1a、b所示，假设孔隙在初始条件下饱和，在脱湿过程中，毛细负压从Pc（r3）逐渐增加到Pc（r4）。在试验开始时，由于瓶颈r0处负压Pc（r0）大于r1和r3处的负压Pc（r1）和Pc（r3），没有水分可以运移到孔隙之外，直到负压比Pc（r0）大之后，瓶颈r0处不能保持相同的负压，在r0处和r1处的水分会突然释放，这种孔隙突然释水（或充水）的现象称为“Haines跳跃”，相似的过程将会在毛细负压增加到Pc（r2） 和Pc（r4）时发生。在吸湿过程中，瓶腔将会按照r4、r3、r2、r1、r0的顺序被水填满。由此可以很清楚地了解到导致迟滞效应发生的过程。

图1　墨水瓶效应原理示意

2.2 接触角

接触角以不同的方式影响迟滞现象[11]，用斜坡平面法可以描述接触角对土壤水分特征曲线的影响。水滴在一个斜面上前进或后退具有不同的新月状形状（图2a），从而在这两个过程中形成了不同的接触角[12]，即最大和最小接触角（θA，θR），这种现象会在吸湿和脱湿过程以不同的速率加重[13]。增加或减小体积法是另外一种形成最大和最小接触角的方法（图2b），当给小水滴增加（减小）一个最大体积而不改变其固-液-气接触线时，所形成的角为最大接触角（最小接触角）。接触角并不是一个定值，而是最大和最小接触角之间的变化值。脱湿过程中接触角保持一个最小接触角，吸湿过程中接触角保持一个最大接触角。扫描曲线过程中，接触角保持在最小接触角和最大接触角之间，它的值在脱湿或吸湿过程中一直改变直到这个点移动到主要脱湿或吸湿曲线。在吸湿和脱湿扫描曲线中，当基质势增加（减小）时，接触角减小（增大），像这种接触角非定值的情况就产生迟滞效应。在孔隙中排水时的水势小于进入孔隙时的水势，也就导致迟滞效应的产生。

图2　产生最大和最小接触角的试验方法

2.3 圈闭气体

圈闭气体发生于土体第一次吸湿过程中，Marinas[14]和Faybishenko等[15]通过分析孔隙特征指出，当水入渗到多孔介质时首先进入到大孔隙的优先流造成了气体的圈闭，圈闭气体以小气泡形式存在，从而引起水土特征曲线中的迟滞效应。瓶颈孔隙理论认为，在吸湿过程中，当水在吸力下进入孔隙时，水先充填在一个点上，水气界面的曲率半径与此时的吸力相一致。在平衡时，该曲率半径的孔隙会被水充填，而其他一些孔隙被空气占据，此时孔隙被认为圈闭了气体。当吸湿量继续增加时，圈闭气体的压强会增大，且会慢慢传递到流体相中。如果时间足够长，当吸力为零时，圈闭气体将会消失。在进行脱湿过程时，孔隙中的空气可能已经消失。也就是说，这些孔隙在吸湿过程时会充满空气而在脱湿过程中会充满水，吸湿过程中的含水率会小于脱湿过程中的含水率，因而产生滞后现象。

3 土壤水分特征曲线的模型对迟滞效应分析

自土壤水分特征曲线被提出后，迟滞效应就被广泛研究，学者们提出了不同的模型预测这种效应，这些模型主要分为两种：概念模型和经验模型[16-17]。

3.1 概念模型

概念模型是基于独立领域理论（independent domain theory）和非独立领域理论（dependent domain theory）提出的，通常利用“分布表格（distribution diagrams）”来解释这种理论，这种理论假设领域是由可透水的多组孔隙所组成的。Poulovassilis[18]应用独立领域理论从吸湿扫描曲线来预测脱湿曲线，这个模型需要四条曲线来校准。Mualem[19-20]提出一种简单的独立领域模型，即用两条曲线的Mualem模型I和II，这个模型的基本观点是不考虑领域内孔隙的相互作用，也就是说每个孔隙和相邻的孔隙是独立的。在土壤脱湿和吸湿过程中，孔隙系统仅由孔隙几何形状本身所决定。Mualem[21]还提出一条曲线模型，用独立领域模型来代表普遍性联系的Mualem通用模型。Parlange[22]也基于相同的理论提出了一条曲线模型。在所有独立领域模型中，比较典型的是Mualem II。

非独立领域模型，假设孔隙系统随着负压的改变而全部脱湿或全部吸湿，通常是在独立领域模型基础上提出一个修正系数。现在提出的许多模型都需要超过两条曲线来做校准。Mualem Ⅳ模型[23]只需要两条曲线来校准，以独立领域模型为基础，采用修正系数对独立领域模型进行修正，形成了非独立领域模型。

3.2 经验模型

经验模型是通过分析土壤水分特征曲线的形状和特性而获得的，这些模型用与土壤水分特征曲线表达式接近的公式来代替迟滞曲线。这些模型用于特定的土壤，它们不是基于迟滞的物理含义得来的，因此一般不具有通用型。这些模型通常分为以下几类：①内插模型；②线性模型；③坡度模型；④按比例缩小模型[24]。

一些学者对这些模型进行了对比，Viaene[25]得出最好的模型是Mualem的两条曲线概念模型，认为Parlange提出的模型是预测迟滞效应最好的一条曲线模型。Haverkamp[26]指出使用蒸散概念的Parlange模型是预测水土特征曲线最好的方程。Pham[16]考察28种迟滞效应的经验模型以及以物理性质为基础的概念模型，他发现Feng[27]这个简单的经验模型在预测模型中最接近吸湿边界，Mualem模型是最好的预测扫描曲线的模型。

4 结论及展望

综上所述，在研究土壤中水分运动和溶质运移时不能忽略吸湿过程的迟滞效应。对迟滞效应的解释中，墨水瓶理论和接触角理论结合解释迟滞效应效果较好；圈闭气体在土壤水分特征曲线总是存在的，但圈闭的气体量对曲线的影响仍未有较好的计算方法；土体在吸湿和脱湿过程中的膨胀收缩效应在黄土等土体中较为明显，在对迟滞效应的解释上，圈闭气体和土体的膨胀和收缩仍需继续研究。截至目前，提出了很多预测迟滞效应模型，主要以概念模型和经验模型为主，MualemII和Ⅳ模型被认为是概念模型中最好的2条曲线模型，Parlange模型被认为是最好的一条曲线模型。因此，学者们在已有的曲线基础上要预测其他曲线，需选取最合适的模型。需要注意的是，经验模型只适用于特定的土体，并不能仅基于土壤的物理含义，在使用土壤物理含义做预测时需要慎重。

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（责任编辑：叶雪娥）

Research  Progress of  Development in  Hysteresis  Effects  for  the  Soil-Water  Retention  Curve

YU Xin，YANG Zhi-zhou（School of Environmental Sciences and Engineering, Chang, an University, Xi’an 710054 PRC）

Abstract：The hysteresis effect cannot be ignored for studying water movement in the unsaturated soil. Research status of hysteresis effect was summarized, including ink-bottle effect, variation in liquid-solid contact angle and air entrapment. Prediction model in hysteresis effect for the soil-water retention curve was comprehensively analyzed. Meanwhile, the advanced trends were prospected.

Key words：soil-water retention curve; hysteresis effect; hysteresis prediction model

作者简介：于 欣（1990-），女，甘肃康县人，硕士研究生，研究方向：环境水文地质。

收稿日期：2015-12-18

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.033

中图分类号：S152

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）01-0119-04