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1、第18卷第7期2008年7月795＊变容重土壤水分运动参数与方程研究1,21,2＊＊吕殿青邵明安1.湖南师范大学资源环境与科学学院地理科学系,长沙410081;2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌712100摘要选择变容重土壤系统作为研究对象,引入容重变量,以水势、含水量及容重三者之间的动力学关系为基础,建立了变容重土壤的比水容量、非饱和土壤导水率以及土壤水分扩散系数曲面模式;根据描述非饱和土壤水分运动的Darcy定理和质量守恒原理,推求了变容重土壤水分水平运动方程,从而构建了变容重土壤水分动力学的基本理论框架
2、.研究结果丰富和完善了土壤物理学、土力学的研究内容,为修正传统的水分运动过程提供新的思路,同时对降雨入渗过程中边坡稳定性预测和预控有重要的实践指导意义.关键词变容重土壤水分运动参数含水量[10,11]中国是世界上膨胀土分布最广的国家之一.主用.因此本文就选择变容重土壤系统作为研究要遍布在西南、中南、华北和东北各大区,在南方对象,对现有理论进行拓展,推求其水分运动参数分布更为广泛.膨胀土吸水膨胀,失水收缩,使得和方程,构建变容重土壤水分运动理论基本框架,地基变形、建筑物不均匀沉降,特别是在降雨入渗进一步丰富和完善土壤物理学内容,探索降雨入渗情况下会引起滑坡
3、,边坡失稳,造成相应的地质灾诱发滑坡和边坡失稳工程问题的机制.[1—3]害.对于粘粒含量高的土壤,无论是室内扰动1变容重土壤的水分运动参数土还是田间土壤在干湿交替过程中湿润时体积膨胀,干燥时表面收缩产生裂缝,土壤容重增大,土壤容积由于土壤水势随容重和含水量的变化而变化,-3[4—9]发生明显的变化,甚至容重可高达2.0g·cm.因此变容重土壤的水分运动参数(土壤水分特征(比然而目前传统水文学和土壤物理学研究土壤水分运水容量)、非饱和导水率、非饱和土壤水分扩散系动,假定土壤在干湿过程中土壤容积不变,以Dar-数)不再是土壤水势和含水量表示的一条曲线,而cy
4、—Richards方程为基础进行定量分析,势必不能是由土壤水势、容重、含水量3变量共同确定的一真实地反映实际土壤水分运动过程和容积变化.变个曲面.容重土壤的水分运动过程不仅水分运动,而且土体1.1变容重土壤的水分特征参数也在运动,降雨入渗土壤吸水膨胀,含水量增加,土壤孔隙可近似看成由一系列大小不同的毛细容重降低,基质吸力减小,通常会引起边坡失稳,管组成,土壤水分特征曲线可以反映土壤孔隙分布蒸发土壤脱水收缩,含水量减少,容重增大,产生的相应信息.当土壤容重变化时,土壤含水量是容表面裂隙,改变了土壤结构和影响植被对水分和养[12]重与吸力的函数,土壤水分特征
5、曲面表达式为分的吸收,对土壤和植被生长有较大的干扰作2007-11-20收稿,2008-01-31收修改稿＊国家自然科学基金(批准号:90502006)、教育部“长江学者和创新团队发展计划”项目(黄土高原流域生态系统中水土迁移机制及其调控机理)、湖南省自然科学基金(批准号:06JJ3020)和湖南省教育厅科研项目(批准号:06C500)资助项目＊＊通信作者E-mail:mashao@iswc.ac.cn第18卷第7期2008年7月796-m-nθm(ρb,h)=aρbh(1)的同时土壤容重和吸力也在变化,因此质量含水量是容重和吸力的函数即等式(1),容重
6、与吸力间的式中h为吸力(土壤基质势的负值),a,m,n为拟[9]关系可表述为下式-1合系数,θm为质量含水量(g·g),ρb为土壤容重-3(g·cm).(ρs-ρb)-β′ρbn==A′h(6)(ρs-ρbs)为便于分析,将(1)式转化为饱和度的形式-3aρ-m-n式中ρs是土壤比重(g·cm),ρbs是饱和时容重θmbhSe(ρb,h)==(2)-3θmsθms(g·cm),也就是当吸力为0时的土壤容重;ρbn定义为规一化容重,即ρbn=(ρs-ρb)/(ρs-ρbs),其中Se为有效饱和度,θms为饱和重量含水量A′和β′为经验常数.-1(g·g),
7、其余符号同前.对(1)式和(6)式求导可得方程(1)或(2)可用来描述变容重土壤的持水特征,即由3个变量确定的空间曲面关系.θm-m(-n-1)θmn=aρb(-n)h=-=hn1.2变容重土壤的比水容量参数11+1m-a-nnθnnmρ(7)b比水容量是单位基质势的变化引起的含水量的θm(-m-1)-nθmm变化,一般以C来表示.它是分析土壤水分保持和=aρb(-m)h=-(8)ρbρb[13]运动的重要参数之一,按定义可表示为dρb(-β′-1)=A′β′(ρs-ρbs)h=dhdθdθC(θ)==-(3)-11dψβ′mdh(A′)β′(ρβ′s-
8、ρb)(ρbn)(9)3式中C(θ)为比水容量,θ为容积含水量(cm·将等式(7
