包气带土壤水分滞留特征研究

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1、水　　利　　学　　报2000年2月SHUILIXUEBAO第2期文章编号:055929350(2000)0220001206包气带土壤水分滞留特征研究1112王金生　杨志峰　陈家军　王志明(11北京师范大学环境科学研究所,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京　100875;21中国辐射防护研究院,山西　太原　030006)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

2、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中图号:TV12113文献标识码:A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[1]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

3、称Van公式).[2—4]近年来,Van公式已成功地用于包气带水流数值研究中.然而对土壤水分滞留特征多限于定性描[5—7][8]述,定量描述的仅见Huyakorn.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[1]优于Van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111　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[9]活跃,倍受学者关注.Brooks和Corey(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

4、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[10]和一非饱和流的数值解不易收敛.Mualem(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:θs-θrθ(h)=θr+nm(m=1-1/n,0

5、h-ha

6、)]33式中θ为土壤体积含水量(cm/cm);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:1/21/mm2K(θ)

7、=S[1-(1-S)]·Ks(2)收稿日期:1999208206基金项目:国家自然科学基金项目(49872083);教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金资助—1—式中K(θ)为非饱和渗透系数(cm/d);Ks为饱和渗透系数(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:θ-θrS=(3)θs-θr　　若用基质势表示非饱和渗透系数,采用下式:n-1n-m2{1-(αh)[1+(αh)]}K(h)=nm/2·Ks(4)[1+(αh)]112　包气带土壤水分滞留曲线　然而,地下水在包气带中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

8、湿(或称湿润)与脱湿(或称干燥)条件下,含水量[5—7]与基质势之间表现为不同的关系.从前人的研究可知,地下水在包气带运动过程中,受蒸发与入渗的影响,在基质势作用下,土壤中出现交替的吸湿与脱湿,滞留起重要作用,该作用使得土壤从饱和状态排泄所需的基质势比土壤再湿润过程的要高.如图1所示.图1　土壤吸湿与脱湿的滞留曲线尽管吸湿与脱湿两条土壤含水量曲线常出现滞留现象,但式(2)不含α值,表明土壤不同的水分特征曲线,在θr、θs和n相同、α不同的情况下,可以获得相同的渗透系数曲线.由于滞留,θ不能用单一的关系曲线来描述,要用一族介于脱湿与吸湿曲线之间的关系曲线来表示.土壤在任一点的含水

9、量,在非饱和流动期间不仅是基质势的函数,而且也与整个土壤的吸湿与脱湿历史过程有关.为了模拟滞留作用,采用式(1)表示θ关系形式,修正该式,使之适应不同的脱湿与吸湿曲线.对式(1)中的θ,用不同的α、n和m值表示,以反映吸湿与脱湿的变化.用上标w和d分别表示吸湿与脱湿,θ曲线描述为:wwθw(θθw)[1+(αwn-mwr+s-r

10、h-ha

11、)]h

12、h-ha

13、)]h