水分持留曲線
水分持留曲線描述土壤含水量θ和土壤水勢ψ之間的關係。不同類型土壤的水分持留曲線都是特異的,因此該曲線也被叫做土壤水分特徵曲線。
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5a/Wrc.svg/300px-Wrc.svg.png)
該曲線常被用來估計土壤蓄水量、對植物的供水能力(田間持水量)以及土壤團聚體穩定性。由於水進入和離開土壤孔隙具有遲滯效應,潤濕和乾燥曲線也可以區分開。
水分持留曲線的總體特徵如圖所示,該圖橫縱坐標分別為體積含水量θ和基質勢。在勢能接近0處,土壤接近飽和,水分主要由毛細作用力保持在土壤中。當θ逐漸變小,水的結合力增強,在更小的勢能處(負值的絕對值變大,即接近凋萎點),水被緊緊留存在最小孔隙中、穀粒的接觸點間,以及被土壤吸附力保留在顆粒表面形成一層水膜。
砂土中的水主要是靠毛細作用來吸收的,因此在較高(較小絕對值)勢能下,大部分水會流失。然而黏土由於粘附和滲透的存在,會在較低勢能下才釋放水分。在任意勢能下,泥煤土的水含量通常比黏土要高,而後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結合力的特性有關。
形狀參數
編輯有多種模型可以用來描述水分持留曲線的形狀,其中一種是van Genuchten模型:[1]
其中
- 是水分持留曲線[L3L−3];
- 是吸水壓力([L],cm水柱);
- 是飽和水含量[L3L−3];
- 殘餘水含量[L3L−3];
- 與進氣吸力的倒數有關, ([L−1], or cm−1);
- 是孔隙大小分佈的一個相關量, (無量綱)。
基於上述參數化方式,我們構建了一個能夠對不飽和導水率-飽和-壓力關係作出預測的模型。[2]
歷史
編輯1907年,物理學家埃德加·白金漢姆(Edgar Buckingham)利用從砂土到黏土質地各不相同的六種土壤,建立了第一條水分持留曲線。[2]實驗所用土壤柱有48英寸高,在距離土壤柱地段2英寸的位置,通過周期性地利用側管補充水分,保持了一個穩定的水位。土壤柱的上端是封閉的以防止蒸發。
方法
編輯范格魯切騰(Van Genuchten)參數( 和 )可以通過田間或室內實驗來確定。一種方法是瞬時剖面法,[3]利用該方法可以測定在一系列吸水壓力 下的土壤含水量 (或有效飽和度 )。由於該方程的非線性特徵,諸如非線性最小二乘法等數學技巧能夠用來解出范格魯切騰參數。[4]被估計參數的精確度取決於已有數據集( 和 )的質量。
參考文獻
編輯- ^ van Genuchten, M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils (PDF). Soil Science Society of America Journal. 1980, 44 (5): 892–898 [2016-11-01]. doi:10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x. (原始內容 (PDF)存檔於2013-06-18).
- ^ 2.0 2.1 Buckingham, Edgar, Studies on the movement of soil moisture, Bureau of Soils, Bulletin 38, Washington, D.C.: U.S. Department of Agriculture, 1907
- ^ Watson, K.K.. An instantaneous profile method for determining the hydraulic conductivity of unsaturated porous materials. Water Resources Research. 1966, 2 (4): 709–715. Bibcode:1966WRR.....2..709W. doi:10.1029/WR002i004p00709.
- ^ Chou, T.K. A free GUI application for solving the van Genuchten parameters using non-linear least-squares minimization and curve-fitting (PDF). www.cmcsjc.com. 2016,. January: 1–5. (原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04).