CN104182647B - 获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法 - Google Patents
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Abstract
获得土壤水分特征曲线Van Genchten模型参数的方法，涉及一种模型参数求解方法，本发明为解决采用实测方法获取土壤水分特征曲线van Genuchten方程，存在测量仪器昂贵、测量周期长的问题。本发明方法包括以下步骤：将风干后的土样过2mm筛，并均分为五份；分别用于测定田间持水量θfc、毛管持水量θmc、土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc、残余含水量θr和田间持水量所对应的土壤水吸力hfc；然后根据公式获取参数m；根据公式α＝[hmc×hfc]‑0.5获取参数α；根据公式获取参数n，完成VanGenchten模型参数的获取。
Description
技术领域
本发明涉及一种模型参数求解方法，属于土壤特征研究领域。
背景技术
土壤水基质势或土壤水吸力是随土壤含水量而变化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线，横坐标表示土壤水基质势或土壤水吸力，纵坐标表示土壤含水量。土壤水分特征曲线反映了土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动时涉及的、反映土壤水分基本性质的曲线，有重要的实用价值。首先，利用土壤水分特征曲线可以进行土壤基质势或土壤水吸力和含水量之间的换算，因此可以反映在不同基质势或水吸力范围内土壤能保持或释放的水量，这对估算土壤水分对植物的有效性十分有用；其次，土壤水分特征曲线可以间接反映土壤孔隙性；再次，水分特征曲线可以用来分析不同质地土壤的持水性；最后，引用数学物理方法对土壤水的运动进行定量分析时，水分特征曲线是必不可少的重要参数。因此，土壤水分特征曲线在土壤水分及其相关研究与应用中具有十分重要的理论与现实意义。目前，土壤水分特征曲线一般采用van Genuchten方程来表示，其方程表达式为：
式中，θ为土壤含水量，kg kg-1；θs和θr分别为饱和含水量和残余含水量，kg kg-1；h为土壤水吸力，hPa(cm)；α、m、n为土壤水分曲线参数，且存在关系式m＝1–1/n。确定上述三个土壤水分曲线参数后即得到土壤水分特征曲线。
目前，土壤水分特征曲线van Genuchten方程通常采用实测方法获得，即通过压力膜仪、高速离心机、吸力平板仪等方法测定土壤不同水吸力值及其对应的土壤含水量，然后通过数学软件拟合方程。该方法的主要不足之处是耗时很长，根据土壤类型的差异，通常需要一个月到几个月不等的时间；另外，该方法需要的仪器很昂贵，如压力膜仪、高速离心机价格在十几万至几十万不等，吸力平板仪将在几万元左右，普通的土壤学实验室很少能够配备这些仪器。
发明内容
本发明目的是为了解决采用实测方法获取土壤水分特征曲线van Genuchten方程，存在测量仪器昂贵、测量周期长的问题，提供了一种获得土壤水分特征曲线VanGenuchten模型参数的方法。
本发明所述获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将风干后的土样过2mm筛，并均分为五份；
步骤二、利用第一份土样测定田间持水量θfc；
步骤三、利用第二份土样测定毛管持水量θmc；
步骤四、利用第三份土样测定土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc；
步骤五、利用第四份土样测定残余含水量θr；
步骤六、利用第五份土样测定田间持水量所对应的土壤水吸力hfc；
步骤七、根据步骤二至步骤六的获取的参量，
利用公式获取参数m；
利用公式α＝[hmc×hfc]-0.5获取参数α；
利用公式获取参数n；
完成Van Genuchten模型参数的获取。
本发明的优点：本发明采用简单廉价的实验设备，在短时间内测定土壤毛管持水量(θmc)及其对应的土壤水吸力值(hmc)，田间持水量(θfc)及其对应的土壤水吸力值(hfc)以及θs、θr，然后通过数学计算的方法确定van Genuchten模型参数α、m、n，采用本发明的技术方案，获得土壤水分特征曲线van Genuchten方程参数α、m、n仅仅需要2天就可完成，达到了缩短实验时间的目的。
附图说明
图1是本发明所述获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将风干后的土样过2mm筛，并均分为五份；
步骤二、利用第一份土样测定田间持水量θfc；
步骤三、利用第二份土样测定毛管持水量θmc；
步骤四、利用第三份土样测定土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc；
步骤五、利用第四份土样测定残余含水量θr；
步骤六、利用第五份土样测定田间持水量所对应的土壤水吸力hfc；
步骤七、根据步骤二至步骤六的获取的参量，
利用公式获取参数m；
利用公式α＝[hmc×hfc]-0.5获取参数α；
利用公式获取参数n；
完成Van Genuchten模型参数的获取。
将测定的参数α、m、n，代入公式完成土壤水分特征曲线Van Genuchten模型的建立。
步骤一中均分成五份土样，这五份土样分别进行步骤二至步骤六所述测定参数过程，互不影响，获取的结果为步骤七所用。
步骤二中的利用第一份土样测定田间持水量θfc的过程为：
将第一份土样装入环刀中，盖好该环刀的上、下孔盖，放于盛水的搪瓷盘内，下孔盖一端朝下，搪瓷盘内水面较环刀上孔盖边缘低1-2毫米，勿使环刀上面淹水。让水分饱和土壤20小时～24小时；取出装有土样的环刀，擦干环刀外壁水分；打开下孔盖露出其内的滤纸，将环刀连同滤纸一起放在沙盘上，经过8小时沙盘吸水后，取掉环刀上孔盖，从环刀内取出15-20克土样，放入已知重量w1的铝盒中，称重为w2，然后放入烘箱在105℃烘干至恒重，再称重为w3；
采用公式获取田间持水量θfc。
本实施方式采用的电子天平的精度为百分之一。
步骤三中的利用第二份土样测定毛管持水量θmc的过程为：
将第二份土样装入环刀中，盖好该环刀的上、下孔盖，放于盛有2～3毫米水层的瓷盘中，让土壤毛细管吸水4～12小时；取出装有土样的环刀，擦干环刀外壁水分，放入已知重量w4的铝盒中，称重为w4，然后放入烘箱在105℃烘干至恒重，再称重为w4；
采用公式获取毛管持水量θmc。
步骤四中的利用第三份土样测定土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc的过程为：
将第三份土样装入环刀，盖好下孔盖，将张力计插入环刀内的土壤中，用保鲜膜将环刀上口密封，将环刀放于盛有2～3毫米水层的瓷盘中，让土壤毛细管吸水4～12小时；然后读取张力计度数，此值即为土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc。
土壤毛细管吸水的时间的判断原则为：若土样为砂土，土壤毛细管吸水的时间为4～6小时；若土样为黏土，土壤毛细管吸水的时间为8～12小时。
步骤五中的利用第四份土样测定残余含水量θr的过程为：采用经典烘干法测定第四份土样的含水量，并作为残余含水量θr。
步骤六中的利用第五份土样测定田间持水量所对应的土壤水吸力hfc的过程为：
将第五份土样装入环刀，盖好下孔盖，将张力计插入环刀内的土壤中，用保鲜膜将环刀上口密封，将环刀放于盛水的搪瓷盘内，搪瓷盘内水面较环刀上孔盖边缘低1-2毫米，勿使环刀上面淹水。让水分饱和土壤20小时～24小时；取出装有土样的环刀，擦干环刀外壁水分；打开下孔盖露出其内的滤纸，将环刀连同滤纸一起放在沙盘上，经过8小时沙盘吸水后，取掉环刀上孔盖，读取张力计的读数，此时即为田间持水量所对应的土壤水吸力hfc。
然后根据步骤七提供的公式计算土壤水分特征曲线van Genuchten方程参数α、m、n。
本实施方式采用的仪器及价格如表1所示。
表1采用的仪器及价格
四个环刀分别用于步骤二、三、四和六，使得以上步骤可以同时进行，节省时间。
具体实施方式二：本实施方式给出一个具体实施例，土样采用砂质土壤，应用本发明方法测量的基本数据如表2，获取土壤水分特征曲线van Genuchten模型的参数α、m、n如表3。
表2本发明方法测定的数据
| θmc(cm3cm-3) | hmc(cm) | θfc(cm3cm-3) | hfc(cm) | θs(cm3cm-3) | θr(cm3cm-3) |
| 0.195 | 119.273 | 0.138 | 225.319 | 0.242 | 0 |
表3土壤水分特征曲线van Genuchten模型的参数α、m、n
| α(cm-1) | n | m | |
| 传统实测方法 | 0.0062 | 2.07 | 0.517 |
| 本发明方法 | 0.0061 | 2.05 | 0.521 |
采用本发明方法与传统实测方法测量的参数误差很小，参数α的相对误差为1.61％，参数n的相对误差为0.97％，参数m的相对误差为0.77％。
具体实施方式三：本实施方式给出一个具体实施例，土样采用壤土，应用本发明方法测量基本数据如表4，获取土壤水分特征曲线van Genuchten模型的参数α、m、n如表5。
表4本发明方法测定的数据
| θmc(cm3cm-3) | hmc(cm) | θfc(cm3cm-3) | hfc(cm) | θs(cm3cm-3) | θr(cm3cm-3) |
| 0.2969 | 45.0915 | 0.2337 | 104.1824 | 0.3370 | 0.0865 |
表5土壤水分特征曲线van Genuchten模型的参数α、m、n
| α(cm-1) | n | m | |
| 传统实测方法 | 0.0146 | 1.8529 | 0.4603 |
| 本发明方法 | 0.0144 | 1.8698 | 0.4652 |
采用本发明方法与传统实测方法测量的参数误差很小，参数α的相对误差为1.37％，参数n的相对误差为0.91％，参数m的相对误差为1.06％。
具体实施方式四：本实施方式给出一个具体实施例，土样采用黏土，应用本发明方法测量的基本数据如表6，获取土壤水分特征曲线van Genuchten模型参数α、m、n如表7。
表6本发明方法测定的数据
| θmc(cm3cm-3) | hmc(cm) | θfc(cm3cm-3) | hfc(cm) | θs(cm3cm-3) | θr(cm3cm-3) |
| 0.460 | 9.376 | 0.364 | 108.871 | 0.474 | 0.1174 |
表7土壤水分特征曲线van Genuchten模型的参数α、m、n
| α(cm-1) | n | m | |
| 传统实测方法 | 0.0322 | 1.2863 | 0.2226 |
| 本发明方法 | 0.0313 | 1.2679 | 0.2113 |
采用本发明方法与传统实测方法测量的参数误差很小，参数α的相对误差为2.79％，参数n的相对误差为1.43％，参数m的相对误差为5.08％。
Claims (5)
1.获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将风干后的土样过2mm筛，并均分为五份；
步骤二、利用第一份土样测定田间持水量θfc；
步骤三、利用第二份土样测定毛管持水量θmc；
步骤四、利用第三份土样测定土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc；
步骤五、利用第四份土样测定残余含水量θr；
步骤六、利用第五份土样测定田间持水量所对应的土壤水吸力hfc；
步骤七、根据步骤二至步骤六的获取的参量，
利用公式获取参数m；
利用公式α＝[hmc×hfc]-0.5获取参数α；
利用公式获取参数n；
完成Van Genuchten模型参数的获取；
其中，步骤二中的利用第一份土样测定田间持水量θfc的过程为：
将第一份土样装入环刀中，盖好该环刀的上、下孔盖；放于盛水的搪瓷盘内，下孔盖一端朝下，搪瓷盘内水面较环刀上孔盖边缘低1-2毫米，让水分饱和土壤20小时～24小时；取出装有土样的环刀，擦干环刀外壁水分；打开下孔盖露出其内的滤纸，将环刀连同滤纸一起放在沙盘上，经过8小时沙盘吸水后，取掉环刀上孔盖，从环刀内取出15-20克土样，放入已知重量w1的铝盒中，称重为w2，然后放入烘箱在105℃烘干至恒重，再称重为w3；
采用公式获取田间持水量θfc；
步骤三中的利用第二份土样测定毛管持水量θmc的过程为：
将第二份土样装入环刀中，盖好该环刀的上、下孔盖，放于盛有2～3毫米水层的瓷盘中，让土壤毛细管吸水4～12小时；取出装有土样的环刀，擦干环刀外壁水分，放入已知重量w4的铝盒中，称重为w5，然后放入烘箱在105℃烘干至恒重，再称重为w6；
采用公式获取毛管持水量θmc。
2.根据权利要求1所述获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法，其特征在于，步骤四中的利用第三份土样测定土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc的过程为：
将第三份土样装入环刀，盖好下孔盖，将张力计插入环刀内的土壤中，用保鲜膜将环刀上口密封，将环刀放于盛有2～3毫米水层的瓷盘中，让土壤毛细管吸水4～12小时；然后读取张力计度数，此值即为土壤毛管持水量所对应的土壤水吸力hmc。
3.根据权利要求1或2所述获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法，其特征在于，土壤毛细管吸水的时间的判断原则为：若土样为砂土，土壤毛细管吸水的时间为4～6小时；若土样为粘土，土壤毛细管吸水的时间为8～12小时。
4.根据权利要求1所述获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法，其特征在于，步骤五中的利用第四份土样测定残余含水量θr的过程为：采用经典烘干法测定第四份土样的含水量，并作为残余含水量θr。
5.根据权利要求1所述获得土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数的方法，其特征在于，步骤六中的利用第五份土样测定田间持水量所对应的土壤水吸力hfc的过程为：
将第五份土样装入环刀，盖好下孔盖，将张力计插入环刀内的土壤中，用保鲜膜将环刀上口密封，将环刀放于盛水的搪瓷盘内，搪瓷盘内水面较环刀上孔盖边缘低1-2毫米，让水分饱和土壤20小时～24小时；取出装有土样的环刀，擦干环刀外壁水分；打开下孔盖露出其内的滤纸，将环刀连同滤纸一起放在沙盘上，经过8小时沙盘吸水后，取掉环刀上孔盖，读取张力计的读数，此时即为田间持水量所对应的土壤水吸力hfc。
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