文档介绍：包气带土壤水分滞留特征研究
王金生1 杨志峰1 陈家军1 王志明2
(,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室)
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摘要:在水资源开发利用与水环境保护方面,包气带土壤水分滞留曲线非常重要。本文在Van经验公式基础上,建立了吸湿与脱湿曲线,将最小二乘法与非线性单纯形法相结合,确定了4个待求参数的获取方法;并探索了滞留曲线在数值模拟中的使用。用现场试验资料检验了求包气带土壤水分特征参数方法的有效性,同时对4种土质的脱湿与吸湿试验进行了模拟计算。结果表明:本文采用的求水分滞留曲线的方法快捷、方便,对试验数据的模拟较好。
关键词:包气带;吸湿曲线;脱湿曲线;滞留;非饱和水力渗透系数
本文于1999年8月6日收到,国家自然科学基金项目(49872083)
为解决与包气带有关的水资源开发利用和生态环境保护问题(如制定节水灌溉、排水规划设计、治理土壤沙化、盐渍化和地下水水质恶化以及农药污染、防止植被衰退等),预测渗流带污染质的迁移,研究土壤的包气带水分滞留特征非常重要。作为土壤水分滞留基础的土壤水分特征曲线问题,国外学者先后提出了一些数学模型和计算方法,其中,较典型是Van闭合解析式(简称Van公式)[1]近年来,Van公式已成功地用于包气带水流数值[2-4]研究中。然而对土壤水分滞留特征多限于定性描述[5-7],定量描述的仅见Huyakorn[8]。本文在Van公式的基础上,建立吸湿与脱湿的滞留曲线,采用最小二乘法与非线性单纯形法相结合,模拟水分滞留曲线中4个独立待求的特性参数,该方法明显优于Van[1]推荐的求土壤水分参数的图解法。
1 包气带土壤水分滞留特征
包气带土壤水分特征曲线与渗透系数曲线包气带地下水通过土壤界面入渗与蒸发的运动十分活跃,倍受学者关注。Brooks和Corey[9](1964)利用闭合解析式得到了能较准确预测非饱和水流渗透系数的模型。但该模型,当基质势处于负值时,在土壤水分特征曲线上存在一个不连续点,导致饱和一非饱和流的数值解不易收敛。Mualem[10](1976)在土壤水分曲线已知的前提下,得出非饱和流渗透系数的表达式。Van以Mualem为基础得出的水分特征曲线的闭合解析式为:
θ(h)=θr+(θs-θr)/[1+(α|h-ha|)n]m(m=1-1/n,0<m<1)
(1)
式中θ为土壤体积含水量(cm3/cm3);h为基质势(cm);θs和θr分别表示土壤的饱和与残余含水量(均无量纲);ha为进气基质势(cm);α(1/cm)、n和m为待定的特性参数。
含水量与渗透系数的关系曲线:
K(θ)=S1/2[1-(1-S1/m)m]2·Ks
(2)
式中K(θ)为非饱和渗透系数(cm/d);Ks(cm/d);S是有效饱和度(无量纲),在不考虑水分滞留作用影响时,由下式表示:
S=(θ-θr)/(θs-θr)
(3)
若用基质势表示非饱和渗透系数,采用下式:中图1 土壤吸湿与脱湿的滞留曲线
(4)
包气带土壤水分滞留曲线然而,地下水在包气带运动是一个非常复杂的水动力过程。受毛管效应的影响,包气带土壤在吸湿(或称湿润)与脱湿(或称干燥)条件下,含水量与基质势之间表现为不同的关系。[5-7]的研究可知,地