用MatLab确定土壤水分特征曲线参数

土壤水分特征曲线是定量研究土壤水运动的重要参数。目前,土壤物理学家普遍采用vanGenuchten模型(简称VG模型)来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),本文讨论了如何确定模型参数的方法。根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ数据,VG模型中的参数利用MatLab非线性拟合函数来确定,通过用四参数模型计算,计算的θ值与实测的θ值拟合较好,误差相对较小。通过长江河口地区土样检验表明,用MatLab方法确定VG模型参数,计算值与实测值拟合也较好,且计算值与实测值的残差平方和范数<0.001。     

用薄层土蒸发数据计算获得萎蔫含水量和高基模吸力段持水曲线

本研究对薄层土的含水量和薄层土所含水分的蒸发率的关系进行了理论分析 ,并在实验室测定了砂土、壤土、和粘壤土的薄层样品的水分蒸发过程。蒸发率迅速降低时的转折含水量被与压力锅法测定的萎蔫含水量相联系。薄层土蒸发数据还被用于计算高吸力段的持水曲线。vanGenuchten持水曲线模型经修改后可以很好拟合所计算的持水曲线数据     

土壤持水曲线van Genuchten模型求参的一种新方法

土壤持水曲线是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数。在已经建立的众多数学模型中,vanGenuchten模型以其与实测数据拟合程度好而得到广泛的应用,而运用该模型的关键是如何获得其中的4个参数。仅就我国而言,不少学者投入大量的精力发展了确定van Genuchten模型参数的方法。邵明安等[1~3]基于一维土壤水分运动的Richards方程提出了推求土壤van Genuchten模型和Brooks-Corey模型参数的简单入渗法;王金生等[4]将最小二乘法和非线性单纯形法相结合拟合了van Genuchten模型参数;徐绍辉等[5]也借助最小二乘法并结合Pi-card迭代法拟合了砂…     

封丘地区土壤传递函数的研究

以黄淮海平原封丘地区的潮土和风沙土为研究对象 ,试图寻求解决土壤水动力学特性参数问题的更加实用可行的方法。根据大量的土壤基本物理性质和土壤持水数据 ,利用多元逐步回归分析方法 ,分别建立了vanGenuchten模型的参数θr、θs、a、n的土壤传递函数模型 ,并通过统计分析和数学模拟进行模型验证。研究结果表明 ,vanGenuchten模型参数与土壤的质地、有机质含量及容重等基本物理性质有一定的线性相关性。vanGenuchten模型的参数估计模型对粘性土壤的拟合效果较好 ,而拟合砂性土壤时误差较大。     

农药降解动力学模型的改进研究

研究构造出生物和非生物非线性影响因子函数1-a(c/ c0 ) θ,提出一种通过参数调整兼容指数衰减、线性和非线性作用等各种影响机制的自适应的农药降解非线性动力学模型,该改进模型直观且适用性广,可描述降解曲线凹凸有拐点的情形,用于预测时间间隔相同、连续施药的累积残留量及其极限值,实例应用表明其拟合精度和拟合效果明显优于其他模型     

温度对砂型土壤和石英砂水分特征曲线的影响

为了研究温度变化对土壤和石英砂持水特性差异的影响机理,在离心机试验的基础上结合理论分析,对不同温度下土壤和石英砂水分特征曲线实测数据、低吸力段比水容及Van Genuchten经验模型的拟合参数进行了研究分析。结果表明:温度的变化对土壤水分特征曲线的位置影响显著,对曲线的走势无太大影响;而对于石英砂样本受温度变化的影响并不明显;温度对土壤持水能力的影响很大部分是由土壤中水分的性质和土壤自身性质共同决定的;同时,结合比水容的概念和水分特征曲线的VG模型参数较准确地评价温度变化下两种供试样品的持水性能和水分的有效程度。     

广西岩溶区不同植被类型土壤水分特征及影响因素

[目的]了解岩溶区不同植被覆盖下的土壤水分特征曲线及其影响因素,为岩溶山区土壤水分运动的定量分析提供理论依据。[方法]通过野外调查与室内分析,研究广西平果果化典型岩溶峰丛洼地荒地、草地、灌丛、林灌4种不同植被覆盖下的土壤水分特征曲线。[结果]van Genuchten模型、Brooks—Corey模型和Gardner 3种模型对土壤水分特征曲线的拟合效果都很好,相关系数均在0.93以上,且残差平方和都小于0.000 5,但van Genuchten模型的拟合效果最好;土壤持水能力与植被的正向演替、饱和含水量、非毛管孔隙度、粉粒含量显著负相关,与土壤容重、黏粒含量、毛管孔隙度、初始含水量和毛管含水量极显著正相关;不同植被类型,相同吸力下,表层和底层土壤的持水能力最强,中间土层的持水能力较差;不同土层深度,相同吸力下,荒地的持水能力最强,林灌的持水能力最差。[结论]同一吸力下的土壤持水能力呈现出随植被的正向演替而不断降低的趋势;研究区影响土壤水分特征曲线的主导因素是非毛管孔隙度。     

东北主要类型旱田土壤持水特性研究

土壤持水特性是对土壤水分有效性的一种反映,不同土壤持水特性存在差异。为了解东北地区主要旱田耕地土壤的持水特性,本研究通过定点采样方法,在不同地区选择了典型的黑土、草甸土、白浆土、碱土、褐土5类旱田耕地土壤,通过压力膜法得出不同水柱压力下土壤水分实测值,并通过Van Genuchten和Garden模型进行模型拟合,相关性极显著,通过Van Genuchten绘制土壤水分特征曲线,从曲线看出,不同类型土壤持水特性存在差异,0～10 cm土层各土壤水分特征曲线差异大、曲线分散,草甸土、白浆土、碱土含水量在各压力下均处于较高水平,褐土最低,黑土居中; 10～20 cm土层土壤水分特征曲线在低吸力阶段差异仍较大,高吸力阶段差异小,褐土含水量最低,草甸土、白浆土、碱土趋于一致,黑土居中; 20～30 cm土层差异减小,褐土、碱土、黑土趋于一致;通过Garden模型计算土壤比水容量,不同水吸力下,褐土比水容量最高,其次是黑土,草甸土、白浆土和碱土比水容量较低,说明褐土和黑土释水能力强;土壤饱和含水量与土壤容重显著负相关,土壤有效持水库容与土壤大颗粒、土壤0. 02 mm的颗粒呈极显著负相关,与0. 02～2 mm的颗粒含量呈显著正相关;草甸土、碱土、白浆土饱和持水库容高,但有效库容低,与褐土、黑土相反。因此,提高土壤持水能力要根据土壤的物质特性提出对应措施。     

日光温室深埋秸秆不同灌水下限对土壤热扩散率的影响

通过温室小区试验,探讨深埋秸秆条件下不同灌水下限对土壤热扩散率的影响。利用Matlab数学软件对地表及距垄台表面深度为15 cm处实测地温数据进行拟合,标定正弦函数温度曲线。同时,利用常规方法计算振幅并拟合相位,得到正弦函数温度曲线。计算两种方法得到的模拟地温与实测地温误差,并比较两种方法的拟合度,选择适宜的深埋秸秆条件下正弦函数温度曲线。根据正弦函数温度曲线得到的振幅和相位分别计算相应的土壤热扩散率。结果表明:深埋秸秆条件下,两种方法在深层土壤处的温度曲线拟合度皆较高,深层土壤温度波动规律更加稳定。用标定法得到的模拟地温与实测地温间误差皆小于常规法误差,基于标定法计算出的土壤热扩散率精度更高。振幅法和相位法计算的土壤热扩散率存在一定差异,由振幅法计算的土壤热扩散率小于由相位法计算的土壤热扩散率,但两种方法计算的土壤热扩散率与不同灌水下限的关系是一致的,即在深埋秸秆条件下土壤热扩散率随土壤含水量的增加而增加,但当土壤含水量达到一定水平后,土壤热扩散率不再随含水量增加,甚至会随含水量的增加而减小。这说明不同灌水下限对土壤热扩散率的影响是非线性的。     

阴山北部耕作土壤表土颗粒分析模型探讨

在内蒙古自治区阴山北部农牧交错带耕地表土33组颗粒分析实验数据基础上,运用M atlab软件对VanGenuchten等模型进行模拟求参,并得到能较为精确地表征当地土壤颗分曲线的数学模型,以期为全面综合分析阴山北部农牧交错带风蚀沙化地表土壤的抗风蚀能力有所帮助。     

含残膜土壤水分特征曲线模型构建

农膜残留在土壤中累积后必然会改变土壤水动力学性能,导致土壤水分入渗能力下降,并严重影响土壤水和溶质运移。而土壤水分特征曲线是影响土壤水分和溶质运移的重要土壤水动力学参数,为了探索残膜对其影响机理,该文通过室内试验设置了5个不同残膜量(0、50、100、200、400 kg/hm2)处理,研究了残膜对土壤水分特征曲线的影响,构建了残膜条件下土壤水分特征曲线模型(soil water characteristic curve with residual plastic film,RPF-SWCC),并对其性能进行了评价。结果表明:随着土壤中残膜量增多,土壤保水能力逐渐呈降低趋势;且低吸力段(主要排大孔隙土壤水)的当量孔径体积占比增大,而高吸力段(主要排中小孔隙土壤水)的当量孔径体积占比则减小,其中400 kg/hm2残膜含量处理比无膜处理大孔隙当量孔径占比增大近20%。对RPF-SWCC模型参数估计,显示随残膜量增加土壤饱和含水率呈降低趋势,且RPF-SWCC模型拟合精度总体上高于van Genuchten(VG)、Brooks-Corey(BC)及Log normal distribution(LND)常用土壤水分特征曲线模型;对高残膜量处理,RPF-SWCC模型的均方根误差,几何平均数及决定系数R2均优于常用模型,且200、400 kg/hm2残膜含量处理RPF-SWCC模型的均方根误差比VG模型分别降低了24.3%和65.0%,可见构建的RPF-SWCC模型能较好地应用于含残膜土壤的水分特征曲线拟合。该研究可为农膜残留地区水分迁移模拟以及水肥高效利用提供理论依据和技术支撑。     

Hysteresis of the Water Retention Curve: Wetting Branch Simulation Based on the Drying Curve

Hysteresis of the soil water retention curve (SWRC), manifested as a difference between equilibrium curves of soil wetting and drying (hysteresis loop), is a phenomenon specific to soil hydrology, which is of practical importance for calculating irrigation norms. We have attempted to derive a model of the wetting curve from the drying curve. Modeling was based on parameters proposed by van Genuchten [6] and certain soil physical characteristics. SWRC hysteresis characteristics were obtained experimentally using capillarimetric measurements for wetting and drying curves at soil water pressures ranging from 0 to –800 cmH₂O. Two models, М-1 and М-2, based on the hypothesis of dissimilarity of parameters α for wetting (α_w) and drying (α_d) and the constancy of other parameters of the van Genuchten SWRC approximation for both curves of the hysteresis loop, have been developed for wetting curve assessment based on the drying curve. The M-1 error (RMSE = 0.05 cm^–1) was less than that of M-2 (RMSE = 0.06 cm^–1), which used clay content and soil density as predictors, as well as that of the well-known model proposed by Kool and Parker [11]. This approach to derive the wetting curve from the drying curve for a presumed correlation between the values of one parameter and equal values of the other parameters, can be used to predict an estimate of the SWRC hysteresis for a specific soil.     

不同盆栽基质水分特征曲线的对比分析与模拟

现有关于盆栽控水模拟土壤干旱条件的试验中多采用含水率作为水分胁迫阈值,然而由于基质配比不同导致含水率相同的基质的水分状况也不尽相同,这导致各研究间结果难以对比和参考。为快速获取盆栽基质水分特征曲线,建立基质水分特征曲线预测模型。该研究以盆栽控水试验常用的泥炭土、蛭石和珍珠岩为基质材料,测定了不同配比基质的水分特征曲线,通过不同方法（多元回归模型、人工神经网络）建立了其预测模型。结果表明,人工神经网络模型对基质水分特征曲线的预测精度高于多元回归;相较于人工神经网络,多元回归模型的稳定性更高。综合考虑模型的精度和稳定性,多元回归模型是预测作物盆栽基质水分特征曲线的最佳模型。该模型为基质水分特征曲线快速获取以及相关作物干旱胁迫研究间的对比提供了方法和依据。     

水蚀风蚀交错带土壤剖面水力学性质变异

土壤剖面水力学性质的确定是土壤水分动态预测的基础。该文在水蚀风蚀交错区六道沟流域分别对居于坡中和坡上两块样地160 cm土层不同深度未扰动土壤的水分特征曲线进行了测定，将Van Genuchtens水分特征曲线模式与Mualem导水模式相结合，确定了两样地土壤剖面的水力学参数，对水力学参数在剖面的变化进行了分析。结果表明，土壤剖面饱和含水率、滞留含水率、进气吸力倒数和孔隙大小分布因子沿剖面变化不大，滞留含水率、进气吸力倒数属于中等程度变异，饱和含水率和孔隙大小分布指标属于弱变异，但经方差检验均不显著，说明该地区160 cm土壤剖面可以处理成均质剖面。     

花岗岩风化土物理特征曲线间的相关性研究

花岗岩风化壳水分及收缩特性的研究是花岗岩土体稳定性评价及侵蚀机理研究的基础。通过Van Genuchten(VG)模型对不同风化程度的花岗岩土壤的颗粒累积分布、土水特征曲线和收缩特征曲线进行拟合,分析曲线拟合参数间以及这些参数与基本物理性质间的线性及非线性相关关系。结果表明:VG模型可以很好地用于不同风化程度花岗岩风化土的颗粒组成、土水特征与收缩特征的拟合与预测;曲线拟合参数间具有一定的线性相关关系;曲线拟合参数与基本物理性质间具有一定的线性相关关系,其中土水特征曲线参数与土壤质地以及容重线性相关性较高,收缩特征曲线物理参数与基本物理性质间的线性相关性较收缩特征曲线其他参数高。此外,曲线拟合参数间以及这些参数与基本物理性质间具有一定的非线性相关关系,而关系多为二次、三次非线性相关。根据花岗岩风化土颗粒组成状况及其基本物理性质对其水分特征曲线及收缩特征曲线进行预测具有一定的可行性。     

Simulation of water permeability processes in chernozems of the Kamennaya Steppe

The physical and hydrophysical properties of ordinary chernozems from the Kamennaya Steppe were studied for the experimental support of a soil water infiltration model. Increased fissuring and density of the plow horizon were noted because of the dry weather conditions, which caused high infiltration values. The soil water retention curve parameters were calculated from the experimentally determined particle-size distribution, the bulk density of the soil, the solid phase density, the organic matter content, and the physicomechanical and soil-hydrological constants using the known pedotransfer functions and the Voronin secant method. A model experiment with different input parameters was performed. It was shown that the best experimental support of the model included parameters calculated by the Voronin method with the following approximation by the van Genuchten function.     

土壤持水特性参数与土壤质地尺度关系的联合多重分形分析

Soil water-retention characteristics at measurement scales are generally different from those at application scales, and there is scale disparity between them and soil physical properties. The relationships between two water-retention parameters, the scaling parameter related to the inverse of the air-entry pressure (αvG, cm-1) and the curve shape factor related to soil pore-size distribution (n) of the van Genuchten water-retention equation, and soil texture (sand, silt, and clay contents) were examined at multiple scales. One hundred twenty-eight undisturbed soil samples were collected from a 640-m transect located in Fuxin, China. Soil water-retention curves were measured and the van Genuchten parameters were obtained by curve fitting. The relationships between the two parameters and soil texture at the observed scale and at multiple scales were evaluated using Pearson correlation and joint multifractal analyses, respectively. The results of Pearson correlation analysis showed that the parameter αvG was significantly correlated with sand, silt, and clay contents at the observed scale. Joint multifractal analyses, however, indicated that the parameter αvG was not correlated with silt and sand contents at multiple scales. The parameter n was positively correlated with clay content at multiple scales. Sand content was significantly correlated with the parameter n at the observed scale but not at multiple scales. Clay contents were strongly correlated to both water-retention parameters because clay content was relatively low in the soil studied, indicating that water retention was dominated by clay content in the field of this study at all scales. These suggested that multiple-scale analyses were necessary to fully grasp the spatial variability of soil water-retention characteristics.     

使用积分法估算原状土van Genuchten模型参数

The van Genuchten model is the most widely used soil water retention curve (SWRC) model. Two undisturbed soils (clay and loam) were used to evaluate the accuracy of the integral method to estimate van Genuchten model parameters and to determine SWRCs of undisturbed soils. SWRCs calculated by the integral method were compared with those measured by a high speed centrifuge technique. The accuracy of the calculated results was evaluated graphically, as well as by root mean square error (RMSE), normalized root mean square error (NRMSE) and Willmott’s index of agreement (l). The results obtained from the integral method were quite similar to those by the centrifuge technique. The RMSEs (4.61 × 10-5 for Eum-Orthic Anthrosol and 2.74 × 10-4 for Los-Orthic Entisol) and NRMSEs (1.56 × 10-4 for Eum-Orthic Anthrosol and 1.45 × 10-3 for Los-Orthic Entisol) were relatively small. The l values were 0.973 and 0.943 for Eum-Orthic Anthrosol and Los-Orthic Entisol, respectively, indicating a good agreement between the integral method values and the centrifuge values. Therefore, the integral method could be used to estimate SWRCs of undisturbed clay and loam soils.     

非饱和土双应力变量广义土水特征曲线理论模型构建

土水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)方程是非饱和土力学中最重要的土性表征手段之一。该文评价当前经典的SWCC方程,指出其未具有包容复杂因素的能力,具有灵活性的优点但却同时具有对试验数据量依赖性高的缺点,不能处理多孔隙尺度集群土体固-液-气共同运动及作用的水力-力学耦合效应问题。建立双应力变量广义SWCC概念图示并定义相对体积含水比,基于Fredlund双应力变量理论及van Genuchten土-水表征方程,构建考虑土体变形及多孔隙分布形态的双应力状态变量的广义SWCC方程。相较于2个参数的Brooks等的方程、3个参数的van Genuchten方程以及4个参数的Fredlund等的方程,广义SWCC方程仅3个参数,其中2个参数在双对数坐标系的"相对体积含水比-吸力"平面中进行最小二乘法线性拟合得到,仅1个参数需非线性最小二乘法拟合得到。该模型可利用不同应力状态下的至少3个土水试验数据点,绘制出1条具有适宜精度的单峰SWCC;方程考虑了多峰孔隙概率密度函数分布及土体变形因素,实现了从应力历史推广到应力状态的广义情况,为定量描述不同孔隙结构土体双应力状态下的持水特性、渗透特性和强度特性提供了一条途径。     

鄂东南崩岗剖面土壤水分特征曲线及模拟

崩岗是我国南方花岗岩地区破坏性极强的水土流失类型。以鄂东南地区两个典型的崩岗剖面为对象,探讨崩岗剖面包括表土层、红土层、斑纹层和碎屑层的土壤水分特征及方程拟合过程,明确崩岗发生的水分运动机理。结果表明:崩岗土壤释水量伴随吸力呈规律性变化,其中斑纹层和砂土层低吸力时脱水能力大于表土层和红土层,高吸力时各个层次土壤水分特征曲线趋于平缓。利用当量孔隙的计算发现不同土层的孔隙变化也存在变化规律,均体现为由表土层至碎屑层土壤大孔隙比例增加而毛管孔隙减少。选取van Genuchten方程和Gardner方程对崩岗剖面土壤实测数据进行了曲线拟合,同时进行了两个方程的拟合评价,R2基本在0.9以上,同时残差平方和的数量级在10-3和10-5之间。研究表明,van Genuchten方程参数能够较好地拟合崩岗表土层和红土层土壤水分特征曲线的实测数据,误差相对较小,而Gardner方程适用于斑纹层和碎屑层土壤。