土壤水分特征曲线的分形模拟

Many empirical models have been developed to describe the soil water retention curve （SWRC）. In this study, a fractal model for SWRC was derived with a specially constructed Menger sponge to describe the fractal scaling behavior of soil; relationships were established among the fractal dimension of SWRC, the fractal dimension of soil mass, and soil texture; and the model was used to estimate SWRC with the estimated results being compared to experimental data for verification. The derived fractal model was in a power-law form, similar to the Brooks-Corey and Campbell empirical functions. Experimental data of particle size distribution （PSD）, texture, and soil water retention for 10 soils collected at different places in China were used to estimate the fractal dimension of SWRC and the mass fractal dimension. The fractal dimension of SWRC and the mass fractal dimension were linearly related. Also, both of the fractal dimensions were dependent on soil texture, i.e., clay and sand contents. Expressions were proposed to quantify the relationships. Based on the relationships, four methods were used to determine the fractal dimension of SWRC and the model was applied to estimate soil water content at a wide range of tension values. The estimated results compared well with the measured data having relative errors less than 10% for over 60% of the measurements. Thus, this model, estimating the fractal dimension using soil textural data, offered an alternative for predicting SWRC.  

施用生物炭对紫色土坡耕地耕层土壤水力学性质的影响

该研究通过野外坡耕地小区施用1%秸秆生物炭1年后的对比试验,揭示生物炭对川中丘陵区紫色土耕作层土壤水力学参数、大孔隙度及其对饱和导水率的贡献率所产生的影响。试验设对照区与施用生物炭区2个处理,各处理有3个平行小区,耕作层土壤分为表层和亚表层(2~7和>7~12 cm)。比较2个处理小区试验结果,可以发现:1)施用生物炭导致植物难以利用的土壤滞留水和易流失的结构性孔隙水的含量(θstr)下降,而基质性孔隙中植物有效水含量显著提高(P<0.05),由(0.058±0.003)cm3/cm3增加至(0.085±0.002)cm3/cm3;2)表层和亚表层土壤中对产流起主要贡献的半径>125μm的总有效孔隙度分别平均增加54%和8%,其中孔径>500μm的孔隙增加最为明显,高达110%和355%;3)表层和亚表层土壤的饱和导水率分别平均增加45%和35%。研究证明,施用生物炭,一方面,能增加土壤有效水的持水量,有利于植物抗旱;另一方面,提高土壤导水率,有利于水分入渗,从而减少地表径流及土壤侵蚀的发生。  

利用MATLAB拟合van Genuchten 方程参数的研究

选用MATLAB的lsqcurvefit、nlinfit、lsqnonlin、fminsearch、fminunc、fgoalattain、curvefit、nlintool等8个函数，分别拟合了van Genuchten方程参数，结果表明lsqcurvefit、nlinfit、curvefit和nlintool等4个函数拟合效果较好，具有源代码短、收敛性好等特点，特别是在实测数据较少的情况下，MATLAB的拟合结果甚至优于RETC和REDT。  

基于ANN的复垦土壤水分特征曲线的预测研究

为能较容易且更准确地获取复垦土壤水分特征曲线,将易测定的土壤特性如土壤质地、容重和饱和含水量作为输入变量,采用基于bagging算法的神经网络法建立了用于预测土壤水分特征曲线的土壤转换函数法(PTFs)模型,并对徐州矿区复垦土壤的水分特征曲线进行了预测,同时与普通BP算法预测精度进行了比较.研究结果表明所建立的PTFs参数模型具有较高的估计精度,bagging算法均方根预测误差比普通BP算法减少了7.5%～27.0%,说明该模型的建立与求解为复垦土壤水分特征曲线的预测研究提供了一条新途径.  

根据土壤粒径分形估计紫色土水分特征曲线

选择不同质地紫色土,分别根据土壤颗粒的数量和重量分布计算土壤粒径分形维数,并与Tyler和Wheatcraft土壤水分特征曲线模型的拟合分形维数进行比较分析。结果表明,三种途径获得的分形维数与土壤质地密切相关,均表现出土壤黏粒含量越高,质地越细,分形维数越高。土壤粒径数量分布分形维数(2.98～3.26)和土壤粒径重量分布分形维数(2.73～2.81)存在较大的差异,但二者间却存在显著的线性关系。土壤粒径分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数(2.72～2.84)均存在显著的线性关系,尤其是土壤粒径重量分布分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数数值十分接近。通过建立的土壤水分特征曲线模型分形维数与土壤粒径分布分形维数关系式,结合Tyler和Wheatcraft模型进行土壤水分特征曲线预测,预测值与实测值具有良好的一致性,因而根据土壤粒径分形预测紫色土水分特征曲线是可行的。  

土壤颗粒的分形特征及其应用

本文应用土壤颗粒的质量分布原理来描述土壤颗粒的分形特征。通过对10种土壤颗粒的机械组成进行分析,分别计算出它们的分形维数（D=2.489～2.896）,并分析了其与土壤质地之间的关系。同时对土壤颗粒分形维数与所对应土壤的幂函数型水分特征曲线的拟合分形维数进行比较分析,建立了二者之间的相关关系。结果表明:分形维数的大小反映了土壤质地中粘粒、粉粒和砂粒含量的变化,随粘粒含量的增多分形维数增大,随砂粒含量的增多分形维数减小;同时土壤颗粒分形维数与所对应的水分特征曲线的拟合分形维数呈现出良好的一致性,因而对所研究的土壤而言,可应用土壤颗粒的质量分形维数结合幂函数模型来估算土壤水分特性曲线。  

土壤水分特征曲线模型比较分析

在分析土壤水分特征曲线经验模型中特征参数的基础上，选取5种不同质地土壤，利用张力计测定了土壤水分特征曲线，根据实验资料确定了土壤水分特征曲线经验模型中参数，采用回归分析方法建立了参数与土壤物理特性间的函数关系，为采用土壤颗粒组成等土壤物理特性确定土壤水分特征曲线提供了指导。  

基于土壤质地数据估算土壤保水性能Van Genuchten参数

The van Genuchten (vG) function is often used to describe the soil water retention curve (SWRC) of unsaturated soils and fractured rock. The objective of this study was to develop a method to determine the vG model parameter m from the fractal dimension. We compared two approaches previously proposed by van Genuchten and Lenhard et al. for estimating m from the pore size distribution index of the Brooks and Corey (BC) model. In both approaches we used a relationship between the pore size distribution index of the BC model and the fractal dimension of the SWRC. A dataset containing 75 samples from the UNSODA unsaturated soil hydraulic database was used to evaluate the two approaches. The statistical parameters showed that the approach by Lenhard et al. provided better estimates of the parameter m. Another dataset containing 72 samples from the literature was used to validate Lenhard’s approach in which the SWRC fractal dimension was estimated from the clay content. The estimated SWRC of the second dataset was compared with those obtained with the Rosetta model using sand, silt, and clay contents. Root mean square error values of the proposed fractal approach and Rosetta were 0.081 and 0.136, respectively, indicating that the proposed fractal approach performed better than the Rosetta model.  

砒砂岩风化物对土壤水分特征曲线及蒸发的影响

运用高速离心机法和室内模拟蒸发的方法,对比研究了红色(RS)、灰色(GS)和白色(WS)三种颜色砒砂岩风化物在不同添加比例条件下对沙黄土和风沙土水分特征曲线、供水能力和干旱过程中失水过程的影响。研究表明:砒砂岩风化物的添加对沙黄土和风沙土水分特征曲线有较明显的影响。砒砂岩风化物的持水能力均高于沙黄土和风沙土,砒砂岩风化物添加提高了风沙土和沙黄土的持水能力,降低了沙黄土和风沙土失水速率;较低比例的砒砂岩风化物提高了沙黄土和风沙土的比水容量,但对风沙土和沙黄土低吸力段供水能力的提高作用并不明显。整个蒸发期间,砒砂岩风化物降低了沙黄土的标准蒸发量,而对于风沙土,其作用是蒸发前期降低,中后期增加。红色、灰色、白色三种砒砂岩风化物分别使风沙土的蒸发失水比提高了11.59%、10.14%和0.01%,添加三种砒砂岩风化物后的处理的最终平均含水量分别是风沙土的4倍、2.33倍、1.33倍,使沙黄土的蒸发失水比降低了13.33%、13.33%、29.52%,最终含水量降低了45.83%、54.17%、66.67%。因此,从提高土壤持水能力方面考虑,砒砂岩可以用于当地矿区和排土场区土壤改良,以促进生态修复。  

土壤持水曲线van Genuchten模型求参的Matlab实现

土壤持水曲线是研究土壤水力学性质必不可少的 ,在已经建立的众多数学模型中 ,vanGenuchten模型是目前运用最广泛的模型 ,而运用该模型的关键是其 4个参数的求解。为此 ,本文对同一组东北褐土的土壤水吸力和对应的土壤含水量数据较详细地介绍了Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数的运用 ,得出了该土壤vanGenuchten模型的 4个参数值 ,分别建立了该土壤的vanGenuchten模型 ,并利用Mat lab强大的绘图功能对它们进行了直观比较。最后运用方差分析和残差分析对该模型的计算值与实测数据进行了分析 ,结果表明 :非线性拟合和非线性回归函数求参结果的显著水平均达到p<0 0 0 0 1,残差平方和均小于 0 0 0 0 5 ,其中非线性回归函数的求参结果较非线性拟合好。因此 ,运用Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数对土壤持水曲线的vanGenuchten模型进行求参是切实可行的 ,从而为土壤学工作者寻求出了一条运用数值计算方法的新途径。