土壤水分特征曲线试验研究

土壤水分特征曲线是表征土壤中水的含量与势能之间的关系,是研究包气带土壤水分的保持和运移所用到的基本特性曲线。现通过试验,分析了不同条件下不同剖面层次的土壤水分特征曲线的差异,验证了基于不完全分形理论的土壤水分特征曲线模型,并对模型中的参数进行求解。     

基于质地的土壤水分特征曲线参数非线性预测

基于黄土高原区不同质地土壤的室内土壤水分特征曲线系列试验,讨论了Van Genuchten经验模型对土壤水分特征曲线的适用性,重点分析了基于土壤质地的Van Genuchten模型经验参数的非线性预测。研究结果表明:Van Genu-chten经验模型对不同质地的土壤均具有很好的适用性,拟合模型的复相关系数R2都大于0.99,说明Van Genuchten经验模型对不同质地的土壤都具有较好的拟合效果;土壤中黏粒含量越大,其持水能力越强,土壤水分特征曲线越陡直,尤其在吸力值小于1 000 cm的低吸力段,这种现象更为明显,而土壤中沙粒含量则与黏粒含量表现出相反的性质;利用RETC软件,对Van Genuchten模型经验参数n、α进行基于土壤质地的非线性预测,建立非线性预测模型,模型复相关系数R2均大于0.96,且参数预测值的相对误差在10%左右,所建立的非线性预测模型可信度较高,预测较为准确。     

土壤水分特征曲线模型对数值模拟非饱和渗流的影响

土壤水分特征曲线直接影响非饱和渗流场压力水头和含水率的预测结果。Brooks-Corey模型和van Genuchten模型是目前运用最广泛的土壤水分特征曲线模型。本文给定三种不同质地土壤(粘土、砂土和砾石)的BC模型参数,根据Morel提出的BC模型与VG模型等价的参数关系计算出VG模型参数。采用上述两模型分别对这三种土壤进行了均质土柱的入渗过程模拟。两种模型的计算结果有一定差别。三种土壤土柱的VG模型湿润锋推进速度都比BC模型大。由于粘土的初始含水率接近饱和,BC模型和VG模型的渗流场差距最大。粘土土柱上表面压力水头的变化幅度BC模型小于VG模型,而含水率的变化幅度BC模型大于VG模型。砂土和砾石土柱上表面压力水头和含水率的变化幅度都为BC模型大于VG模型。砂土土柱BC模型和VG模型的渗流场差距随入渗时间的持续而加剧。     

高海拔季节冻土区完全融化期土壤水分特征曲线适用性

以怒江源区那曲流域为例,基于4个试验场完全融化期（6—9月）的土壤体积含水量（0.15~0.51 cm3/cm3）和土壤基质势数据（0~200 kPa）实测数据,选择Van Genuchten（VG）、Brooks-Corey（BC）和Campbell 3个模型进行拟合,以均方根误差>ERMS和决定系数R2 为评价指标,分析3个模型对高海拔季节冻土区不同土层和不同土壤质地的适用性。结果表明：从整体上看,VG模型（平均R2 为0.992,平均ERMS为0.006cm3/cm3）的拟合效果优于BC模型（平均-R2 为0.972,平均ERMS为0.019cm3/cm3）和Campbell模型（平均R2为0.984,平均ERMS为0.014cm3/cm3）;但是在不同土层和不同土壤质地情况下模型的适用性有所区别,VG模型更适用于壤土和壤质砂土（平均R2为0.987,平均ERMS为0.008 cm3/cm3）以及土壤深层（10~35 cm土层,平均R2为0.990,平均ERMS为0.007cm3/cm3）,Campbell模型更适用于砂质壤土（平均R2为0.985,平均ERMS为0.009 cm3/cm3）以及土壤表层（5 cm土层,平均R2为0.993,平均ERMS为0.006cm3/cm3）,BC模型在不同条件下都不是最优模型;参数θr 取值大小会显著影响土壤水分特征曲线的形状。本研究可为深入研究高海拔季节冻土区的土壤水分运动特性以及中华水塔区的水源涵养作用提供支持。     

估计不同质地土壤水分特征曲线的分形方法

利用UNSODA V2.0数据库中的分析资料，根据Tyler和Wheatcraft提出的估计土壤水分特征曲线的分形方法，计算出了526个土样共10种不同质地土壤各自的平均分形维数，且分别与它们中的粉粒加粘粒含量以及Van Genuchten模型中的参数n值进行了回归，并把计算与实测的土壤水分特征曲线做了对比。结果表明，土壤的质地越细，分形维数越大；随着参数n值的增大，分形维数减小。对粗质的土壤来说，用Tyler和Wheatcraft方法估计的土壤水分特征曲线效果较好，而对细质地的土壤精度较差。     

基于PSO与DE混合算法的水资源优化配置

基于公平性原则构建水资源优化配置模型,针对模型的特点,将模型的可行解进行粒子化处理。利用基于粒子群(PSO)和差分进化(DE)的混合算法(PSODE)对模型进行求解。该算法通过双种群间的信息共享机制,大大降低了求解陷入局部最优的风险。此外,还采用了一种粒子变异机制进一步提高PSODE算法的性能,并通过漳河流域四大灌区水资源配置实例表明PSODE算法比PSO和DE算法收敛速度更快、准确度更高。     

土壤水分特征曲线测定过程中土壤收缩特性研究

为探求不同土壤水分特征曲线拟合模型的适宜性以及离心机法测定过程中的土壤收缩特性,选取云南黏壤土(KM)、辽宁砂壤土(SY)、新疆砂壤土(KL)和山东壤土(LY),分别对土壤水分特征曲线进行测定并拟合,而后对测定过程中土壤的收缩度及其收缩特性进行分析。结果表明,对于KM、SY、KL和LY:(1)当吸力从0增至7 000 cm时,土壤含水率逐渐减小,且减小速率呈现"降低-增加-降低"趋势;(2)各土壤水分特征曲线经验模型均表现出良好的模拟效果,适宜模型分别为VG-M(m,n)、LND-M、VG-M(1-1/n,n)和VG-B(m,n),其中VG模型可作为最优模型同时对4种土壤进行土壤水分特征曲线拟合;(3)在土壤水分特征曲线测定过程中,土壤有效收缩度与吸力满足对数函数关系(R2=0.82~0.97),4种土壤收缩量表现为SYKMLYKL,且容重增加了0.19~0.46 g/cm3;(4)基于土壤收缩特征值可将土壤收缩过程大致分为伪饱和段、结构段和超正常段,且对于4种土壤,3个收缩段均可以用直线模型描述,但各收缩段的吸力范围存在差异。     

土壤水分特征曲线Gardner模型参数预报研究

为实现基于土壤基本理化参数的土壤水分特征曲线预测,以黄土高原地区农田土壤为研究对象,进行土壤水分特征曲线的系列试验,并配套测定了土壤基本理化参数,获取了Gardner模型参数与土壤基本理化参数间一一对应关系的数据样本。在分析研究各土壤理化参数与Gardner模型参数间单因素关系的基础上,创建了以土壤黏粒含量、粉粒含量、干密度、有机质含量为输入变量的水分特征曲线Gardner模型参数多元非线性预报模型。结果表明:以土壤黏粒含量、粉粒含量、干密度、有机质含量为输入因子,对Gardner模型参数进行预测是可行的,建模样本的拟合相对误差平均值小于11%,用检验样本进行预测的相对误差平均值小于10%,预测精度较高。     

同质异性土壤水分特征曲线的特性试验研究

采用压力膜法,对5种同一质地、不同特性中壤土作水分特征曲线,经分析得出:同一质地装填土的干容重影响土壤水分特征曲线,表现为同一土壤吸力下干容重大的土壤含水率低;农田原状土存在着空间结构上的差异;经不同处理的土壤,土壤水分特征曲线有一定的差异.     

基于不完全分形理论的土壤水分特征曲线模型

本文将土壤的物理构成分为不具有分形结构的固体颗粒和孔隙以及具有分形结构的团聚体结构，建立了土壤孔隙和粒径分布的不完全分形模型，并与土壤毛管水运动Young-Laplace方程相结合推导出土壤水分特征曲线模型。将模型应用于6种土壤的结果表明，模型所包括的3个参数中分形维数有随土壤黏粒含量的增加而增大的趋势，另2个参数分别为基质势作用下的可释放含水率和特征曲线的形状参数。所提出的水分特征曲线模型能够较好的模拟不同土壤质地和基质势范围下土壤基质势和含水率的特征关系。     

辽西淋溶褐土土壤水动力学参数的推导及验证

土壤水动力学参数对指导农业生产、水利和水保工程设计是必不可少的。本文运用RETC软件,由土壤机械组成和容重推导出vanGenuchten模型的土壤持水曲线方程和土壤传导率方程,然后再对土壤持水曲线方程进行求导得出土壤比水容量方程,最后用实测结果进行验证。结果表明,土壤含水量θ(h)、土壤导水率K(h)计算值与测定值的相对误差均随着水势的降低而减小,土壤含水量的相对误差较土壤导水率低,且均小于10%,土壤导水率的相对误差范围在18%～39%。因此,运用RETC软件推导出的土壤水动力学参数还是可行的。     

温度对简化蒸发法测定土壤水分特征曲线和导水率曲线的影响

根据Schindler(1980)提出的简化蒸发法,在微型土柱的两个高度安装张力计测定土壤吸力,并采用称重法得到土壤含水率,通过公式再计算土壤水分特征曲线和导水率曲线。结果表明:温度的差异影响土壤水分特征曲线和导水率曲线。在砂土、砂壤土-1和砂壤土-2的水分特征曲线上,当吸力小于10 kPa时,同一吸力时25℃曲线的含水率均小于16℃曲线的含水率;当吸力大于10 kPa时,砂土和砂壤土-2在同一吸力时25℃曲线的含水率均大于16℃曲线的含水率,而砂壤土-1无此变化。在砂土、砂壤土-1和砂壤土-2的导水率曲线上,砂土在10kPa以下时25℃导水率值低于16℃导水率值,其他情况下,在同一吸力时,三种土样的25℃导水率值均高于16℃导水率值。     

基于智能算法推求Van Genuchten方程的参数

引入遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等智能算法,应用于土壤水分特征曲线Van Genuchten方程参数确定的非线性拟合问题,分别针对粉壤土、细砂土、砾石的吸湿和脱湿曲线得到了Van Genuchten方程的相关参数。结果表明:三种算法的模拟结果非常接近,模拟精度较高;不同算法在细砂土和砾石上的模拟结果十分接近,而遗传算法在粉壤土上应用的误差稍大;与实测结果相比,模拟结果在土壤水吸力高于1000cm的高吸力范围和曲线由快速下降转为平稳阶段的过渡阶段(土壤水吸力约为200cm)模拟误差较大。     

异构多种群粒子群优化算法在水位流量关系拟合中的应用

通过8个复杂函数对一种异构多种群粒子群优化算法进行仿真验证,并与传统单种群粒子群优化算法进行对比。针对水位流量关系拟合中相关参数难以确定的不足,利用异构多种群粒子群优化算法优化水位流量关系相关参数,以云南省龙潭站、西洋站水位流量关系拟合为例进行实例研究,并与粒子群优化算法、最小二乘法拟合结果进行对比。结果表明:异构多种群粒子群优化算法收敛精度远远优于粒子群优化算法,具有较好的计算鲁棒性和全局寻优能力。该算法对龙潭站和西洋站水位流量关系拟合的平均相对误差绝对值分别仅为0.27%和0.50%,拟合精度优于粒子群优化算法和最小二乘法。利用异构多种群粒子群优化算法优化水位流量关系可以获得更好的拟合效果。     

推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律,推求了Gardner-Russo持水曲线模型参数,获得了水平一维非饱和土壤水分运动中累积入渗量、入渗率、湿润峰、入渗时间之间的理论关系。用模拟的结果进行拟合,其决定系数为 0.9969～0.9997。当获得土壤饱和体积含水率、初始体积含水率、残余体积含水率和土壤饱和导水率,基于这些理论关系实现了Gardner-Russo模型曲线特征参数的求解。利用数值模拟数据和实验数据检验该方法,将用此方法估计的参数值与理论值进行比较,并进行了模型中参数的敏感性分析,结果表明本研究所求得的参数有较高的精度,为土壤水分运动参数求解提供了一种简单的土壤水分瞬时入渗法。     

基于颗粒级配参数描述砂土持水及非饱和强度特性的土壤转换函数

以van Genuchten模型为基础,将砂土的基本物理特征与统计分析相结合,构建土壤转换函数以预测砂土持水曲线。首先,在土壤转换函数中引入控制粒径d₆₀和不均匀系数C_u这两个典型颗粒级配参数,并满足完全均匀和完全分散的两种理想颗粒材料条件;其次,结合非饱和土水力特性数据库(UNSODA)与4种颗粒级配分布较均匀的砂土持水曲线补充试验,通过量纲分析和回归分析,将控制持水曲线进气值和减湿率的参数a和n分别表示为d₆₀和lgC_u的反比例型转换函数,结果表明:这两种转换函数对参数a和n的预测效果优于已有转换函数;最后,将这两种转换函数引入非饱和强度公式,利用已有文献中的非饱和强度试验结果验证了提出的土壤转换函数在表征砂土毛细黏聚力与抗拉强度随基质吸力变化规律的有效性,相应的理论计算结果表明:砂土的毛细黏聚力随其控制粒径减小或均匀程度降低而增高。