基于蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数的试验研究.pdf

第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3向峥宇,潘欢迎,邓斌,等.基于蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数的试验研究J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):2 1 0-2 1 7.X i a n g Z h e n g y u,P a n H u a n y i n g,D e n g B i n,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e a n d u n s a t u r a t e d p e r m e-a b i l i t y c o e f f i c i e n t b a s e d o n t h e e v a p o r a t i o n m e t h o d a n d c o m b i n e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n tJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):2 1 0-2 1 7.基于蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和基金项目:第 三 次 新 疆 综 合 科 学 考 察 项 目(2 0 2 2 x j k k 0 3 0 4);国 家 重 点 研 发 项 目(2 0 1 7 Y F C 0 4 0 6 1 0 5);中 国 地 质 调 查 局 项 目(D D 2 0 1 7 9 6 0 5)作者简介:向峥宇(1 9 9 5),男,现正攻读水文地质学硕士学位,主要从事包气带监测和模拟方面研究工作。E-m a i l:z h e n g y u x i a n gc u g.e d u.c n 通信作者:潘欢迎(1 9 7 5),男,副教授,主要从事水文地质和环境地质领域的教学和科研工作。E-m a i l:p h y 7 51 6 3.c o m E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.非饱和渗透系数的试验研究向峥宇,潘欢迎,邓 斌,刘延锋(中国地质大学(武汉)环境学院,武汉 4 3 0 0 7 8)摘 要:为确定以蒸发法为基础设计的土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数联合测定仪的可靠性和适用范围,选取粉黏壤土、壤土和壤砂土3种土样进行试验研究。在自然蒸发作用下,利用联合测定仪获得蒸发通量、含水量和土柱表面下方5,1 0 c m处的基质吸力,以线性假设理论为基础处理实测数据,利用HY D RU S-1 D软件进行模拟和反演,输入实测基质吸力和通量数据确定土壤水力参数,利用R E T C软件对已处理数据进行V G-M u a l e m模型拟合。结果表明,含水率符合线性假设理论,基质吸力线性变化不是很理想,但除砂土之外的土样可以通过降低蒸发速率和缩短2次测量时间间隔来解决这个问题;试验数据的拟合效果好,与模拟结果的误差较小,试验前期所测非饱和渗透系数与模拟值误差较大,主要跟含水率接近饱和时水力梯度的精度不能得到保证有关,可以忽略这些数据来改进。使用蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数具有比较好的可靠性。关键词:土壤水分特征曲线;非饱和渗透系数;蒸发法;线性假设理论;联合测定仪2 0 2 2-0 4-2 6收稿;2 0 2 2-0 6-0 2修回;2 0 2 3-0 2-1 0接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 2 1 0-0 8d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.2 0 2 2.0 2 6 2 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):E x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e a n d u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t b a s e d o n t h e e v a p o r a t i o n m e t h o d a n d c o m b i n e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n tX i a n g Z h e n g y u,P a n H u a n y i n g,D e n g B i n,L i u Y a n f e n g(S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S t u d i e s,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n 4 3 0 0 7 8,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT o d e t e r m i n e t h e r e l i a b i l i t y a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h e s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e a n d u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t c o m b i n e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t d e s i g n e d o n t h e e v a p o r a t i o n m e t h o d,t h r e e s o i l s a m p l e s w e r e s e l e c t e d:s i l t y c l a y l o a m,l o a m a n d l o a m y s a n d.M e t h o d sU n d e r n a t u r a l e v a p o r a-t i o n,t h e e v a p o r a t i o n f l u x,w a t e r c o n t e n t,a n d m a t r i c s u c t i o n a t 5 a n d 1 0 c m b e l o w t h e s u r f a c e o f t h e s o i l c o l u m n w e r e o b t a i n e d b y u s i n g t h e c o m b i n e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t.T h e m e a s u r e d d a t a w e r e p r o c e s s e d 第4期 向峥宇等:基于蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数的试验研究b a s e d o n t h e l i n e a r h y p o t h e s i s.HY D RU S-1 D w a s u s e d f o r s i m u l a t i o n a n d i n v e r s i o n,a n d m e a s u r e d m a t r i c s u c t i o n a n d f l u x d a t a w e r e i n p u t t o d e t e r m i n e s o i l h y d r a u l i c p a r a m e t e r s.VG-M u a l e m m o d e l w a s f i t t e d t o t h e p r o c e s s e d d a t a b y u s i n g R E T C p r o g r a m.R e s u l t sT h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e m o i s t u r e c o n t e n t a c c o r d s w i t h t h e t h e o r y o f t h e l i n e a r h y p o t h e s i s,a n d t h e l i n e a r v a r i a t i o n i n m a t r i c s u c t i o n i s n o t i d e a l.H o w e v e r,s o i l s a m p l e s o t h e r t h a n s a n d y s o i l c a n s o l v e t h i s p r o b l e m b y r e d u c i n g t h e e v a p o r a t i o n r a t e a n d s h o r t e n i n g t h e i n t e r v a l b e t w e e n t w o m e a s u r e m e n t s.T h e f i t t i n g e f f e c t o f t h e t e s t d a t a i s g o o d,a n d t h e e r r o r i s s m a l l w i t h t h e s i m u l a t i o n r e s u l t.T h e u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t m e a s u r e d i n t h e e a r l y s t a g e o f t h e t e s t h a s a l a r g e e r r o r w i t h t h e s i m u l a t e d v a l u e,w h i c h i s m a i n l y d u e t o t h e i n a b i l i t y t o e n s u r e t h e a c c u r a c y o f t h e h y d r a u l i c g r a d i e n t w h e n t h e w a t e r c o n t e n t i s c l o s e t o s a t u r a t i o n.T h e s e d a t a c a n b e i g n o r e d f o r i m p r o v e-m e n t.C o n c l u s i o nI t i s r e l i a b l e t o u s e t h e e v a p o r a t i o n m e t h o d a n d c o m b i n e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t t o m e a s u r e t h e s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e a n d u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t.K e y w o r d s:s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e;u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t;e v a p o r a t i o n m e t h o d;t h e-o r y o f l i n e a r h y p o t h e s i s;c o m b i n e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n tR e c e i v e d:2 0 2 2-0 4-2 6;R e v i s e d:2 0 2 2-0 6-0 2;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 2-1 0 土壤水分特征曲线(s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e,简称SWC C)是一条展示土壤水负压和土壤含水率之间关系的曲线,SWC C反映了土壤水的能量与数量关系,呈非线性关系1。实验研究已证明,SWC C与非饱和土的性质有一定的关系2。现阶段土壤水分特征曲线的测定方法主要有T D R量测法、张力计法、离心法。土壤水分特征曲线是一个复杂的函数,试验直接测定土壤水分特征曲线存在着成本高、耗时长、工作繁重等缺点3。于是,在大量的试验基础上,人们提出了一些经验公式来拟合实测数据,v a n G e n u c h t e n4模型是最为常见、普遍的,它对绝大多数土壤及其较宽范围的含水率或水势具有普遍性。非饱和渗透系数是研究土体渗流、沉降变形、结构稳定和污染物运移等问题的重要参数5。非饱和渗透系数可以通过测量和预测2种方法得到。非饱和渗透系数的测量有很多种方法,比如水平入渗法、瞬态剖面法和溢出法5。合理描述土壤水分特征曲线是预测非饱和渗透系数的基础6。蒸发法的基本思想是通过监测蒸发过程中土壤样品内含水率和基质吸力的变化从而可以得到土壤水分特征曲线,若有多个不同深度监测点,就可以运用D a r c y-B u c k i n g h a m公式算出非饱和渗透系数。1 9 6 8年,W i n d7使用钢管做成的高4 0 c m、横截面积8 0 c m2的垂直土柱进行蒸发试验,每天称量土柱质量和8个深度处的吸力值,利用通量与水势梯度的比值得出非饱和渗透系数,试验结果表明水分吸力在0.11 052 01 05 P a之间时可准确计算出非饱和渗透系数。S c h i n d l e r8简化了蒸发法,只在2个 深 度 测 量 土 壤 水 吸 力,并 提 出 根 据D a r c y-B u c k i n g h a m定 律 计 算 非 饱 和 渗 透 系 数 的 公 式。W e n d r o t h等9在从6 c m高的土芯顶部蒸发过程中,用张力计测量了土壤表面以下1.5 c m和4.5 c m处的土壤压力水头,对3类不同质地的土壤(砂质壤土、粉质壤土、黏土)进行了试验,结果表明在他所研究的土壤质地和结构范围内,蒸发方法能比较准确地确定土壤水力特性,但有一个限制是在含水率接近饱和的情况下,水力梯度不能以足够的精度确定。i mou n e k等1 0将参数估计技术运用于蒸发试验,实验土柱为1 0 c m,配置5个张力计,其预测的土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数都能和试验结果吻合。一些研究者针对蒸发法中的线性化假设进行了研究1 1-1 2。最近十多年,许多学者使用基于蒸发法的HY P R O P系统进行了实验和研究1 3-2 1,HY P R O P土柱体积2 5 0 c m3,张力计垂直放置于土柱内部深度1.2 5 c m和3.7 5 c m处,HY P R O P系统在土壤水分参数的科学研究及实际生产实践中有很好的应用前景。笔者所在实验室团队以蒸发法为基础设计了土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数联合测定仪,结构和规模不同于HY P R O P。笔者拟使用蒸发法和联合测定仪对3种土壤进行测定获得试验数据,利用HY D RU S-1 D软件获得模拟和反演数据,以线性假设理论为基础处理试验数据,使用R E T C软件拟合处理过的数据,分析对比这3种数据,研究此测定方法的特点和可靠性,以期为之后的试验和改进措施提供参考。1 材料与方法1.1试验材料试验土壤样品取自中国地质大学(武汉)未来城校区校内草地和学校周边荒地(3 0 2 7 N,1 1 4 3 6 E),测定其饱和含水率和干密度,使用激光粒度分112h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 析仪(M a s t e r s i z e r 3 0 0 0)测定颗粒组成。土样的基本参数如表1,土样命名以美国农部(U S D A)制为标准,根据砂、粉、黏含量确定质地命名。3种土样砂、粉、黏含量跨度大,用于试验具有一定代表性。表1 试验土的基本参数T a b l e 1 B a s i c p a r a m e t e r s o f t h e t e s t s o i l编号饱和含水率干密度/(gc m-3)颗粒组成/%砂粒粉粒黏粒美国制定名10.4 9 1 01.3 1 506 5.6 03 4.4 0粉黏壤土20.4 8 2 31.4 4 44 9.8 6 3 6.0 01 4.1 4壤土30.5 1 2 41.3 8 18 3.5 47.9 78.4 9壤砂土1.2试验装置土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数联合测定仪主体结构见图1。装置主要包括电子计数秤、土样放置容器以及负压监测系统。通过电子计数秤可以获得土壤实时质量,从而确定含水率和蒸发水分质量;土样放置容器上部筒体部分内径1 0 c m,高1 5 c m,沿着竖直方向设有2个安装孔,上方安装孔中心距离筒体顶端5 c m,2个安装孔中心相距5 c m,下方安装孔中心距离筒体底端5 c m,容器底板均匀分布小孔,以便于进行饱水操作,在底板上方放有纱网,防止土颗粒沿着小孔掉出;负压监测系统包括张力计、传感器和负压实时显示器、2个张力计可以固定在土样放置容器上安装孔中,通过水管与传感器相连,负压实时显示器和传感器相连并将张力数据直接显示出来。1.土样放置容器;2.纱网;3.电子计数秤;4.张力计;5.P V C透明水管;6.传感器;7.负压实时显示器图1 土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数联合测定仪示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e a n d u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t c o m b i n e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t1.3试验步骤将自然风干后的土样过孔径0.9 mm(2 0目)标准孔筛,按照等密度方式装填至土样放置容器,每装填2.5 c m时捣实、打毛,装入过程中将2个安装孔堵住。将装填好的容器、张力计放入无气水中饱水2 4 h,水位不能超过下方安装孔。用工具从2个安装孔中挖出与张力计相匹配的孔洞,将已连接好传感器和负压实时显示器的张力计插入土样,使张力计顶端位于土样放置容器的中心轴上。容器放置在电子计数秤上,保持室内温度不变,每隔8 h同步读取电子计数秤和负压实时显示器的数据。试验时间根据张力计能否继续正常监测而定。试验结束后土样用烘箱干燥(1 0 5),称重得干燥土样重量。1.4数据处理和理论基础联合测定仪是在S c h i n d l e r1 1的线性假设理论基础上设计的,他提出在自然蒸发条件下,土壤基质吸力和土壤含水率在空间上呈线性分布,土壤基质吸力和样品中水质量在2个相邻测量时间点上呈线性变化。土壤水分特征曲线测定原理:根据土壤基质吸力和土壤含水率在空间上呈线性分布假定,联合测定仪上方张力计距离容器底部1 0 c m,下方张力计距离容器底部5 c m,因此距离容器底部7.5 c m处的基质吸力为2个测点基质吸力的平均值。此处也是整个容器的中点,中点的土壤含水率值与整个容器的土壤含水量平均值相等。称重法获得质量含水率m,体积含水率为:v=md(1)式中:d为干密度。通过中点处一系列的基质吸力值和土壤体积含水率值可以得到其土壤水分特征曲线。非饱和渗透系数测定原理:根据空间上和时间上土壤基质吸力和土壤含水率的线性假定,在ti-1ti时间段运用达西-白金汉公式2 2计算非饱和渗透系数:K(v)=Vi2AtiIm(2)式中:v为该时间段内含水率的平均值;v=1/2(i-1v+iv);i-1v为ti-1时的土样平均含水率;iv为ti时的土样平均含水率;Vi为该时间段内蒸发掉的水体积;A为土样放置容器横截面积;ti为2次测量时间间隔;Im为该时间段的平均水力梯度,计算公式为:Im=12hi-1l o w e r-hi-1u p p e rZ+hil o w e r-hiu p p e rZ -1(3)式中:hi-1l o w e r,hi-1u p p e r为ti-1时下、上张力计的负压水头;hil o w e r,hiu p p e r为ti时下、上张力计的负压值;Z为2个张力计之间的垂直距离。拟合土壤水分特征曲线的模型目前最常用的是v a n G e n u c h t e n模型4,其公式如下:(h)=r+s-r(1+|h|n)mh0sh0 (4)212 第4期 向峥宇等:基于蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数的试验研究式中:r为残余土壤体积含水率;s为土壤饱和体积含水率;h为吸力水头;为进气值的倒数;m,n为土壤孔隙尺寸分布参数。,m,n均是影响土壤水分特征曲线形态的经验参数。土壤非饱和渗透系数普遍应用的理论模型是M u a l e m2 3模型,其表达式如下:Kr(Se)=S0.5eSe01/h(x)dx 2101/h(x)dx 2(5)式中:Kr为相对导水率;Kr=K(h)/Ks,其中Ks为饱和导水率;K(h)为非饱和导水率;Se=(-r)/(s-r)为饱和度;h为吸力水头。式(4)和式(5)联立得土壤非饱和渗透系数的VG-M u a l e m模型解析表达式:Kr(Se)=S0.5e1-(1-S1/me)m2(6)VG-M u a l e m模型有广泛的适用性,被许多研究者使用2 4-2 9。本研究使用R E T C软件中的VG-M u a l e m模型(m=1-1/n)对 试 验 数 据 进 行 拟 合,使 用HY D RU S-1 D模拟和反演一维垂直非饱和土壤水分运移。在M a i n P r o c e s s中勾选W a t e r F l o w水流模块和I n v e r s e S o l u t i o n反演模块,整个模型高1 5 c m(土样放置容器高度)。在S o i l H y d r a u l i c M o d e l选项中勾选v a n G e n u c h t e n-M u a l e m模型,模型顶部为已知蒸发速率的通量边界,底部为零通量边界,初始条件为整个剖面吸力水头等于0 c m,观测点定为2个张力计和它们中点的位置,即从土表向下5,7.5,1 0 c m处。在I n v e r s e S o l u t i o n反演模块中勾选S o i l H y d r a u l i c P a r a m e t e r s估算土壤水力参数并设置最大迭代次数、实测数据点的个数。s已知,取m=1-1/n,该模型需要反演的参数为r,n,Ks,点击S o i l H y d r a u l i c P a r a m e t e r s选项卡,选择需要反演的参数,设置各参数范围。在D a t a F o r I n-v e r s e S o l u t i o n中输入实测的上、下2个张力计数据。使用均方根误差(RMS E)和相对误差(R E)来描述2种数据的误差,其计算公式如下:RMS E=1NNi=1(xi-yi)2(7)R E=Ni=1xiNi=1yi-1(8)式中:xi,yi分别表示2组数据的第i个值。均方根误差RMS E反映了2种数据绝对误差的平均程度,相对误差R E反映了2种数据总量之间的相对误差,RMS E和R E值越小表示误差越小。使用决定系数R2来描述线性拟合程度,其计算公式如下:R2=Ni=1(xi-x)(yi-y)2Ni=1(xi-x)2Ni=1(yi-y)2(9)式中:x,y分别表示2组数据的平均值,决定系数R2值越靠近1,表示线性拟合优度越高。2 结果和分析2.1S c h i n d l e r线性假设理论验证试验的基础是S c h i n d l e r线性假设理论,要说明试验的可靠性,先分别从空间和时间上验证S c h i n-d l e r线性假设理论。2.1.1 空间线性验证S c h i n d l e r8认为土壤基质吸力和土壤含水率在空间上呈线性分布,本研究分别将计算的样品中点处吸力水头(上下张力计实测吸力水头的平均值)和含水率(土样平均含水率)与HY D RU S-1 D模拟的中点处吸力水头和含水率进行对比分析。图2-a显示了土样中点吸力水头计算值与模拟值的对比,由图2-a可知,2号土(壤土)中点计算的吸力水头与模拟的吸力水头误差最小(RMS E=1 1.8 c m,R E=0.1 8%),基质吸力空间分布非常线性;1号土(粉黏壤土)中点计算的吸力水头与模拟的吸力水头误差居中(RMS E=3 5.0 c m,R E=-6.6 6%),3号土(壤砂土)中点计算的吸力水头与模拟的吸力水头误差最大(RMS E=4 5.6 c m,R E=2 3.5 7%),1号土和3号土基质吸力空间线性分布不理想。K u t i l e k等3 0发现,黏土和砂质土壤在蒸发阶段后期,干燥面可能会进入测量层。在这种情况下,基质吸力不再呈线性分布。S c h i n d l e r1 1将黏土的蒸发速率降低后发现基质吸力也呈很好的空间线性分布。降低蒸发速率的方法是否适用于砂土还需要进一步的研究。图2-b显示了土样中点含水率计算值与模拟值的对比,由图2-b可知,3种土样中点含水率计算值与模拟值的误差在含水率比较低的时候稍微大一点,含水率高时二者呈4 5 直线,含水率在空间总体呈现线性关系。2.1.2 时间线性验证线性假设理论设定土壤基质吸力和样品中水的质量在2个相邻测量时间点上呈线性变化,故本研究将试验时间段内土样中点处模拟的吸力水头变化以及土样中水的质量变化进行了线性拟合。从图3-a可见,2号土(壤土)整个试验时间段内吸力水头的线性拟合程度最高(R2=0.9 7 1),其他2种土的数据拟合程度相对低一点。S c h i n d l e r1 1发现降低黏土蒸发速率不仅可以使基质吸力在空间上呈现很312h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 图2 空间线性分布分析图(RMS E.均方根误差;R E.相对误差,下同)F i g.2 A n a l y s i s d i a g r a m o f s p a t i a l l i n e a r d i s t r i b u t i o n图3 时间线性变化分析图F i g.3 A n a l y s i s d i a g r a m o f t i m e l i n e a r v a r i a t i o n好的线性分布,而且在时间上呈现很好的线性变化。线性假设理论中指定的时间是2个相邻测量时间段,只要测量时间间隔短,基质吸力时间上线性变化假设造成的误差就很小,并不要求整个试验时间段内吸力水头呈线性变化。从图3-b可知,3种土样的水质量在时间上有非常理想的线性变化,决定系数R2值都在0.9 9 0以上。2.2模拟和反演结果利用HY D RU S-1 D软件进行自动反演后的土壤水力参数结果见表2。将试验数据与模拟所得SWC C、非饱和渗透系数曲线进行对比,了解两者之间的误差。图4-a展示的是S WC C试验数据以及模拟数据,RM S E和R E值是对比同一含水率对应的吸力水头值所得。从图412 第4期 向峥宇等:基于蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数的试验研究图4 试验值与模拟值对比分析图F i g.4 C o m p a r a t i v e a n a l y s i s d i a g r a m o f t e s t a n d i n v e r s i o n v a l u e s表2 土壤水力参数反演结果T a b l e 2 I n v e r s i o n r e s u l t s o f s o i l h y d r a u l i c p a r a m e t e r s编号r/c m-1nKs/(c md-1)10.0 6 50.0 0 91.4 8 81 2.6 4 020.0 9 00.0 0 51.6 6 36.7 7 630.1 5 80.0 1 21.2 8 84.5 9 3 注:Qr为残余土壤体积含水率;为进气值的倒数;n为土壤孔隙尺寸分布参数;Ks为饱和导水率可知,根据试验数据所得SWC C呈倒S型,模拟结果的RMS E值在5 0.0 c m以内,R E值小于1 5%。从图4-b可知,非饱和渗透系数试验数据与模拟结果的误差很大,尤其是1号土(粉黏壤土)和3号土(壤砂土),R E值(对比同一含水率对应的非饱和渗透系数所得)分别高达2 9 6.8 7%,1 0 6 9.8 6%,这主要跟这2种土基质吸力在空间和时间上没有符合线性假设理论有关。3种土试验前期即含水率高的时候误差明显更大,蒸发法的一个局限性是当含水率接近饱和时,水力梯度很小,试验中其精度难以得到保证,计算出来的非饱和渗透系数有较大误差9,1 2。试验前期可以通过忽略计算的非饱和渗透系数来减少误差,试验中后期可以通过降低蒸发速率和缩短2次测量的时间间隔来减少误差。2.3数据拟合情况将试验获得的含水率-吸力水头数据、含水率-非饱和渗透系数数据(忽略试验前期误差大的数据点)输入到R E T C软件中使用VG-M u a l e m模型(m=1-1/n)进行拟合,土壤水力参数拟合结果见表3。表3与表2对比可以发现,拟合的r值比反演值大,1号土(粉黏壤土)在基质吸力线性分布和变化不理想的条件下Ks拟合值(2 8 1.1 8 4 c m/d)与反演值(1 2.6 4 0 c m/d)的误差大于另外2种土。对比 试 验 数 据 和 拟 合 数 据,拟 合 效 果 通 过RMS E和R E值来描述,SWC C拟合中RMS E和R E值是通过对比同一吸力水头对应的含水率值所得,非饱和渗透系数拟合中RMS E和R E值是通过对比同一含水率对应的渗透系数所得,结果如图5所示。从图中可以看出,SWC C在含水率高处拟合效果比在含水率低处更好,这与试验后期基质吸力、含水率线性分布效果都比较差有关。SWC C和非饱和渗透系数总体拟合效果好,误差小,进一步验证了数据处理后的可靠性。表3 土壤水力参数拟合结果T a b l e 3 F i t t i n g r e s u l t s o f s o i l h y d r a u l i c p a r a m e t e r s编号r/c m-1nKs/(c md-1)10.1 6 70.0 2 41.3 9 72 8 1.1 8 420.2 8 00.0 0 72.3 1 21 0.5 0 730.2 4 80.0 0 51.9 8 31.0 4 63 结 论(1)对比中点基质吸力和含水率的计算值与模拟值发现,除了粉黏壤土、壤砂土和壤土的基质吸力在空间上符合线性分布,所有土样含水率在空间上512h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 图5 SWC C拟合情况(a 1a 3)和非饱和渗透系数拟合情况(b 1b 3)F i g.5 F i t t i n g s i t u a t i o n o f SWC C(a 1-a 3)a n d u n s a t u r a t e d p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t(b 1-b 3)呈现理想的线性关系。降低蒸发速率可以使黏土的基质吸力在空间上呈线性分布,这种方法是否适用于砂土还有待进一步研究。建议之后的试验选择非砂土土样,并且在蒸发速率比较低的情况下进行试验。(2)土样中点基质吸力模拟值和实测土样中水质量随时间变化情况说明,基质吸力在整个试验时间段内没有呈现较好的线性变化,但只要2次测量时间间隔短,在这段时间内依然可以假设基质吸力线性变化,误差小;土样中水质量在整个试验时间段内线性变化明显。(3)试验数据与模拟的SWC C数据误差小,与模拟的非饱和渗透系数误差大,误差主要体现试验前期含水率高的时候,可以通过忽略前期计算的非饱和渗透系数或者缩短2次测量的时间间隔来改进。(4)试验所测数据(不使用试验前期得到的非饱和渗透系数数据)用VG-M u a l e m模型(m=1-1/n)拟合整体效果都比较好,SWC C在含水率高处拟合效果比在含水率低处更好。拟合效果进一步证明数据具有一定的可靠性。(所有作者声明不存在利益冲突)参考文献:1 张人权,梁杏,靳孟贵,等.水文地质学基础M.北京:地质出版社,2 0 1 8.Z h a n g R Q,L i a n g X,J i n M G,e t a l.F u n d a m e n t a l s o f h y d r o g e-o l o g y M.B e i j i n g:G e o l o g i c a l P u b l i s h i n g H o u s e,2 0 1 8(i n C h i-n e s e).2 F r e d l u n d D G,R a h a r d j o H.S o i l m e c h a n i c s f o r u n s a t u r a t e d s o i l sM.N e w Y o r k:W i l e y-I n t e r s c i e n c e,1 9 9 3.3 姚娇转,刘廷玺,王天帅,等.科尔沁沙地土壤水分特征曲线传递函数的构建与评估J.农业工程学报,2 0 1 4,3 0(2 0):9 8-1 0 8.Y a o J Z,L i u T X,W a n g T S,e t a l.D e v e l o p m e n t a n d e v a l u a t i o n o f p e d o-t r a n s f e r f u n c t i o n s o f s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c c u r v e i n H o r q i n s a n d y l a n dJ.T r a n