电阻率法求取土壤水分特征曲线研究

摘要

利用土壤水分特征曲线(SoilWaterRetentionCurve,SWRC)可以方便地获得非饱和导水率、土壤水分状况、永久萎焉点等一系列重要的土壤物理参数,还可以为化学物质和水分在土壤中的运移行为提供预测。土壤水分特征曲线受多种环境和土壤因素的影响。对其直接进行测定耗时、费力、花费高。对其间接估计,需要大量的数据资料,并且在准确性和精度方面有一定的局限性。由于土壤在水平方向和垂直方向上的空间变异性,在区域尺度上对土壤水分特征曲线进行准确预测相当困难。因此,对土壤水分特征曲线在区域尺度空间和时间上的进行较为准确的测定,将为监测和管理化学物质和水分在非饱和土壤中空间和时间上的运移行为带来重要的意义和影响,同时对田间水分的管理也具有重要的意义。
　　 本研究以取自青岛市即墨市蓝村镇王家屋子村后田间土样为研究对象,通过自制的室内土壤电阻率测量装置,测定了土壤的电阻率及其对应的含水量;利用.Ku非饱和导水率测量系统测定了土壤水分特征曲线。通过以土壤饱和时的电阻率与实测土壤电阻率的比值为参量,排除了孔隙水电阻率、孔隙大小和排列、固体颗粒组成等土壤性质对电阻率和含水量关系的影响,简化了常规考虑孔隙水电阻率的研究方法,更有利于电阻率法的研究和应用。
　　 首先,对所测数据,利用lstOpt软件,采用麦夸特法和通用全局优化法结合的算法来拟合分析,得到了电阻率-含水量模型的参数和土壤水分特征曲线Gardner模型的参数。然后通过含水量这一中间量来建立土壤电阻率和基质吸力之间的定量关系,并且提出了相应的土壤电阻率-基质吸力模型,为土壤基质吸力的预测提供了新的方法。其次利用土壤电阻率-基质吸力模型,结合电阻率-含水量模型,来探讨电阻率法预测土壤水分特征曲线的方法。利用电阻率法得到的土壤水分特征曲线,与实测的土壤水分特征曲线进行对比,发现几乎完全吻合。通过使用电阻率法,使土壤水分特征曲线在区域尺度,空间和时间上的预测成为了可能,同时也拓展了电阻率法在土壤学中的应用。主要研究结果如下:
　　 (1)得到了壤土和粘土的水分特征曲线,为获得非饱和导水率、土壤水分状况、永久萎焉点等一系列重要的土壤物理参数提供依据。使用Ku非饱和导水率测量系统,对所取原状土样进行土壤基质势和含水量的测定,通过lstOpt软件对所测数据进行Gardner模型参数的拟合分析,得到了壤土和粘土两种类型土壤的水分特征曲线,为预测土壤溶质运移行为及管理田间水分提供依据。
　　 (2)获得了壤土的电阻率.含水量模型中的参数n值和土壤饱和电阻率Ps值,为电阻率法的应用研究提供参考。并且证明了该电阻率-含水量模型不适用于粘土类型的土壤,粘土颗粒表面的导电性对土壤的导电性是不可忽略的。在土壤电阻率的测量方法中,四极法测量的效果远远好于二极法测量。本研究设计出的实验室内土壤电阻率四极法测量简易装置,使实验室内土壤电阻率研究更加方便、快捷。
　　 (3)建立了土壤电阻率-基质吸力模型,为在土壤学、水文地质学和工程地质学中预测土壤基质吸力提供了一种新的方式。通过电阻率法预测土壤基质吸力,能够在区域尺度范围内,通过一次性布设电极,在空间上预测非饱和土基质势的值,尤其是在工程地质中勘查边坡的稳定性方面,带来了目前其他方法无法比拟的优越性。
　　 (4)为土壤水分特征曲线的测定发展了一种新方法。利用电阻率法,能够以非扰动的方式,方便有效地在区域尺度上,获得空间和时间上较为准确的土壤水分特征曲线,同时也解决了土壤在水平和垂直方向上空间变异性对土壤水分特征曲线测定所带来的困难。