水分持留曲线

✍ dations ◷ 2025-07-11 16:53:22 #土壤物理学,迟滞现象

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。

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 Ψ m {\displaystyle \Psi _{m}} 。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(英语:Permanent wilting point)),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。

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:

其中

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。

1907年,物理学家埃德加·白金汉姆(英语:Edgar Buckingham)(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。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。

范格鲁切腾(Van Genuchten)参数( α {\displaystyle \alpha } n {\displaystyle n} )可以通过田间或室内实验来确定。一种方法是瞬时剖面法,利用该方法可以测定在一系列吸水压力 ψ {\displaystyle \psi } 下的土壤含水量 θ {\displaystyle \theta } (或有效饱和度 S e {\displaystyle Se} )。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鲁切腾参数。被估计参数的精确度取决于已有数据集( θ {\displaystyle \theta } ψ {\displaystyle \psi } )的质量。

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