使用有限数据推求土壤水分特征曲线VG模型的参数

【目的】使用一种简易方法和有限数据来获取土壤水分特征曲线VG模型的参数。【方法】选择了黑土、褐土、黄绵土、红壤和紫色土5种地带性土壤,实测了土壤饱和含水率(θ_(s))、0.33 bar土壤含水率(θ_(0.33 bar))、最大吸湿水(θ_(97%RH))和空气相对湿度为43%时的土壤吸湿水(θ_(43%RH)),并以θ_(43%RH)为残余含水率(θ_(r)),推导VG模型的参数。将推导出的参数带入到VG模型中,进行了土壤水分特征曲线的预报,并与实测的土壤含水率进行了比较。【结果】该方法能较好地模拟褐土的土壤水分特征曲线,模拟值和测定值的残差一般在0.01 cm^(3)/cm^(3)以内;也可以较好的模拟黄绵土和红壤在0.33~15 bar的土壤含水率,残差一般在±0.01 cm^(3)/cm^(3)以内;但黑土的模拟结果相对较差,在低于0.33 bar时,残差为负,在-0.03 cm^(3)/cm^(3)以内,而在0.33~15 bar,残差为正,达到0.04 cm^(3)/cm^(3);紫色土的模拟结果最差,在低于0.33 bar时,残差为负,达到了-0.07 cm^(3)/cm^(3);但在0.33~15 bar,情况有所改善,残差在0.03 cm^(3)/cm^(3)以内。通过配对t检验,认为模拟值和测定值无显著差异,二者的相关系数(r)为0.990。造成模拟值和测定值差异的原因可能是采样时紫色土密度较低,土壤中有较多的大孔隙,而黑土可能因有机质含量较高具有较好的结构性导致持水能力较强。【结论】采用土壤饱和含水率(θ_(s))、0.33 bar土壤含水率(θ_(0.33 bar))、最大吸湿水(θ_(97%RH))和空气相对湿度为43%时的土壤吸湿水(θ_(43%RH))推导的VG模型参数,可以较好地预报土壤水分特征曲线。但对土壤密度较低、存在大孔隙的土壤,及有机质量较高或结构性较好的土壤,可能会导致部分模拟值和测定值产生较明显的差异。前者可能会影响低吸力段的模拟结果(<0.33 bar),后者则可能影响土壤有效含水率段的模拟结果(0.33~15bar)。

基于VG-TSM模型的不同灌水模式下土壤镉迁移模拟及适用性研究

为研究成都平原区典型水稻土中污染镉Cd在灌水时的迁移分布特征,探明VG-TSM(两点吸附)模型模拟的适用性。以动态土柱试验为基础,设计外源含Cd溶液注水+清水淋洗3种定额灌水模式以模拟不同污染情景下的Cd迁移特征,并利用Hydrus-1D软件中的VG-TSM模型对土柱试验结果进行拟合验证、预测分析与敏感性解析。结果表明:土壤中污染Cd的穿透能力受灌水模式影响,含Cd注水量越大时土壤的吸附缓冲作用越弱,峰值浓度越高;经均方根误差RMSE、相关系数R^(2)、平均绝对误差MAE拟合分析,发现模拟值与实测值较吻合,验证了Hydrus-1D-Cd溶液时空迁移模型的合理性;延长模拟时间发现,土壤中Cd的进一步解析释放特征符合以化学非平衡作用溶质的TSM模型解释;经参数敏感分析,VG模型控制下的水力特征参数θS、KS,TSM模型控制下的溶质运移参数ρ、Kd、f对模拟输出结果的影响较大;另外,土壤质地、土柱试验尺度、灌水模式等因素也可能影响参数敏感性而造成模型模拟结果的非理性波动。

VG模型参数对边坡稳定性系数影响的敏感性分析

鉴于VG模型在国内外的广泛应用,本文选取砂土、粉土和粉质黏土,通过正交试验研究了VG模型系数n、α、饱和含水量θ_(s)、残余含水量θ_(r)以及饱和渗透系数K_(s),5个因素的扰动对边坡稳定性系数的影响,以边坡安全系数为正交试验的试验指标,研究发现对于砂土,敏感度关系是:θ_(s)>n>θ_(r)>α>K_(s);对于粉土敏感度关系:θ_(s)>n>α>K_(s)>θ_(r);对于粉质黏土敏感度关系:θ_(r)>θ_(s)>n>α>K_(s)。研究为实际工程提供了一定参考支持。

土壤垂直一维入渗对VG模型参数的敏感性分析

基于HYDRUS-1D模型,采用单因素扰动分析方法对VG模型的残余含水率θr、饱和含水率θs、经验参数n和α、饱和导水率Ks共5个参数进行敏感性分析。结果表明:n,θs,Ks的扰动对垂直湿润距离计算值Rz、累计入渗量计算值I的影响较大,α的扰动影响次之,θr的扰动影响最小;n的负扰动对Rz和I的影响最大,且n较小时给模拟结果带来的误差较大。因此,在模拟计算中应保证VG模型参数n,θs,Ks等的精度。

基于Matlab方法确定VG模型参数

根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ实验数据,采用van Genuchten模型来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),VG模型中的参数利用Matlab非线性拟合函数来确定,通过对四参数模型和三参数模型的比较表明,四参数模型拟合的参数与三参数模型中的参数非常接近,但四参数模型能够更好地拟合实测数据,误差比三参数模型相对较小。且计算值与实测值的残差平方和范数小于0.07%,拟合较好。

基于LH-OAT方法的VG模型参数敏感性分析

通过研究VG模型中参数变化对输出结果的影响,不仅可以提高率定模型参数的效率,而且可以为获取更加可信及稳定的数学模型提供支持。以宁夏中部平原引黄灌区2017年林地田间试验为验证实例,选取了VG模型中11参数进行了全局敏感性分析。对每个参数都进行了全局敏感度的定量计算,依照敏感度大小将它们进行敏感性的分级。结果表明:以Se为输出变量时,参数θsa、αa和na表现极为敏感,而αb、θra、nb和θsb表现较为敏感,但Ksa、Ksb和l的表现却为一般敏感或不敏感;而以K(Sa)为输变量出时,参数θsa表现最为敏感,而αa、na、Ksa表现较高的敏感,但其他参数敏感表现为较弱;对表现比较敏感的参数进行了修正,并将修正后的参数应用于VG模型中,取得了良好的效果,而且所构建的全局敏感性分析方法可有效地提高VG模型参数率定效率,田间普适性较强。

考虑尿素浓度对SWCC影响的VG模型

利用Tempe压力膜仪,进行了不同浓度尿素溶液的土-水特征曲线(SWCC)试验,得出了不同SWCC的Van Genuchten(VG)拟合模型。结合各VG模型,采用线性回归分析,确定了模型中各参数与尿素浓度的关系,进而建立了能够考虑尿素浓度影响的VG模型。所得模型中各参数拟合相关度均较高。由所建模型可知,尿素浓度对参数α影响较小,而对参数n影响较大;浓度越大,参数α越小,而参数n越大。所得结果弥补了其他方法不能考虑尿素浓度对SWCC的影响,对补充和发展SWCC试验和理论具有一定的意义。所建SWCC模型未考虑尿素浓度对溶质吸力的影响,也未开展尿素溶液对土体SWCC影响机理研究;这两方面有待以后的工作进一步研究。

Ag/Bi_4Ti_3O_(12)栅铁电场效应管ID-VG特性双曲模型

在理论分析的基础上,结合铁电材料特性及实验数据,提出了Ag/Bi4Ti3O12栅n沟道铁电场效应晶体管转换(ID-VG)特性的双曲模型并进行了数值模拟。该模型不但与阈值电压、沟道饱和电流等器件参数相关而且充分反映了剩余极化、矫顽电压等铁电栅介质极化特性对器件ID-VG特性的影响。结果表明:模拟曲线与实验曲线基本一致,能较好地模拟和描述铁电场效应晶体管的ID-VG特性。

基于VG模型确定土水特征曲线基本参数

土水特征曲线基本参数(进气值、残余吸力值和反弯点的斜率等)在非饱和土的强度理论、渗流理论以及体变特性等方面都是非常重要的参数,常常通过传统画图法来确定,其精确度难以保证。以洛川标准剖面4层原状黄土为研究对象,基于VG模型提出单峰和双峰SWCC基本参数的确定方法;采用滤纸法测得SWCC数据点,基于VG模型进行最优化拟合,获取拟合参数,利用单峰和双峰SWCC数据点验证该方法的可行性;进行自然状态下的水分蒸发试验,根据质量含水率与蒸发时间的关系确定蒸发残余饱和度Srzf,依据Sr1、Sr2(Sr1和Sr2分别由确定残余状态的两种方法得到)与Srzf的相对误差值,比较了两种确定残余状态的方法。结果表明:对于单峰和双峰SWCC曲线,该方法都可以得到合理的基本参数并有效地确定其残余状态。

基于VG模型的生物有机肥对土壤水分特性的影响

土壤水分特性受土壤质地、结构、有机质、容重等因素的影响较大。为更好地了解施用生物有机肥培养的土壤水分特性,通过对室内培养的土壤进行测定,分析不同容重下不同肥料处理对土壤含水量、水分常数以及水分有效性的影响,并利用VG模型进行参数求解。结果表明：VG模型能较好拟合土壤水分特征曲线;在相同容重不同处理条件下,施加EM（effective microorganisms,有效微生物群）有机肥的土壤含水量最大,其次是施加土壤改良剂,最小的是不加任何试剂;在施加EM原液处理中,随着EM原液稀释浓度的增加,土壤含水量有不断增大的趋势;在相同处理不同容重条件下,随着容重的增大,土壤持水性和土壤水分有效性不断降低。

季冻区路基非饱和土全吸力范围渗透规律研究

冻融作用下非饱和土体渗透性的变化不仅受冻结负温、冻融次数等因素影响,试样的吸力大小也会影响土体渗透性的变化。为探究冻融循环和吸力作用下土体渗透系数的演化规律,将经历不同冻融循环次数的试件利用两种方式控制吸力,从而建立全吸力土-水特征曲线进行VG模型拟合,借助戈德纳经验公式计算全吸力条件下经历不同冻融次数的渗透系数变化规律。结果表明:全吸力土-水特征曲线随冻融循环次数的增加逐渐降低;通过研究发现在低吸力阶段渗透系数随吸力的变化有明显的分阶段性;同吸力下渗透系数随冻融次数的改变与孔隙率的改变呈现正相关;渗透系数的取值范围随冻融循环次数的增加逐渐增加,在3次冻融之后变化不明显。

田间土壤水分特征曲线参数反演

针对非饱和土壤水分特征曲线传统测定手段耗时长、成本高且精度存在明显不确定性等问题,研究了土壤水分特征曲线参数估计的数值反演方法,建立了数值反演计算的数学模型,提出了反演计算方法,并将反演结果与室内试验数据进行了比较,同时采用田间实测数据进行了验证.结果表明,此反演计算方法推求的土壤水分特征曲线参数与试验实测值具有很好的一致性,可以用于田间复杂情况下参数的推求.

北京顺义地区典型农田土壤水分特征曲线测定与分析

利用离心机测定北京顺义地区典型农田土壤的含水量及其对应负压值,采用van Genuchten(1980)模型进行了土壤水分特征曲线拟合。根据农田土壤物理特性参数测定的数据,比较了不同质地、不同种植条件、不同深度的土壤特征曲线的特征。结果表明,土壤质地及种植条件等对原状土的土壤水分特征曲线有显著影响。

再生水灌溉对红壤水力特性的影响

再生水长时间灌溉是诱发土壤水力特性演变的关键因素之一。该文采用再生水原液(reclaimedwater,RW)以及再生水原液稀释2倍(RW-2)、4倍(RW-4)、6倍(RW-6)等4种不同浓度再生水水源,设置再生水连续灌溉与再生水-蒸馏水交替灌溉(ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6)2种灌溉模式,以蒸馏水连续灌溉(CK)为对照,持续对第四纪红壤进行干湿循环模拟灌溉,直到土壤入渗趋于稳定为止。采用压力膜仪法测定各灌溉处理后的土壤水分特征曲线,选择van Genuchten(VG)模型对其参数提取,分析了红壤水力特性的演变特征及其参数影响。结果表明:再生水灌溉显著影响了红壤的持水特性,促使红壤孔隙大小、数量及其分布发生演变,该变化规律与再生水水质浓度、灌溉模式关系密切。与CK相比,再生水连续灌溉模式RW、RW-2、RW-4、RW-6处理下,红壤有效水分别提高了5.4%、3.6%、14.6%、-8.1%;再生水-蒸馏水交替灌溉模式ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6处理下,红壤有效水分别降低了9.9%、23.3%、26.5%、16.9%。与CK相比,连续灌溉对红壤水力传导性无显著影响;而交替灌溉则影响显著,其土壤非饱和导水率、水分扩散度大体表现为CK>ARW-6■ARW-4>ARW>ARW-2。再生水灌溉对VG模型参数θs’、θr’、α、n均有显著影响;再生水的pH值、电导率及钠吸附比均与红壤有效水存在显著的相关性。该研究结果对红壤地区再生水长期灌溉利用风险评估提供了一定理论基础和技术支撑。

天津滨海地区3种典型土壤水分物理特性

采用压力膜仪法测定滨海地区盐渍土、吹填土和种植土3种典型土壤水分特征曲线,并用VG模型进行参数求解与曲线拟合.结果表明：VG模型能够较好地拟合天津滨海地区3种典型土壤的水分特征曲线,残差平方和较小.低吸力阶段,吹填土含水量最高,下降速度最快;高吸力阶段,吹填土的含水量介于盐渍土和种植土之间.心土层（20~40 cm）、底土层（40~60 cm）以及吹填土的土壤含水量高但有效性低.

用MatLab确定土壤水分特征曲线参数

土壤水分特征曲线是定量研究土壤水运动的重要参数。目前,土壤物理学家普遍采用vanGenuchten模型(简称VG模型)来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),本文讨论了如何确定模型参数的方法。根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ数据,VG模型中的参数利用MatLab非线性拟合函数来确定,通过用四参数模型计算,计算的θ值与实测的θ值拟合较好,误差相对较小。通过长江河口地区土样检验表明,用MatLab方法确定VG模型参数,计算值与实测值拟合也较好,且计算值与实测值的残差平方和范数<0.001。

饱和-非饱和渗流计算参数分析

在饱和 非饱和渗流计算中,非饱和渗流参数的选择至关重要。通过开展非饱和渗流参数试验及非饱和渗流模型试验,用模型试验结果作为评判标准,研究了VG模型代入法和试验数据法之间的差距,提出了"双参数VG模型"的方法。结果表明,利用"双参数VG模型"代入数值计算中,计算结果可以较好地和试验结果相吻合。

非饱和原状残积土土水特征曲线研究

利用压力板仪装置开展不同竖向应力、不同干湿循环次数和不同类型原状土(残积黏性土和残积砂质黏性土)的SWCC曲线试验研究,比较和分析未考虑体积变化和考虑体积变化的土体SWCC滞回圈面积以及进气值和出气值的变化规律。研究结果表明传统方法获取的SWCC曲线会高估土体抵御变形的能力,试验条件变化引起土体内部结构调整是SWCC曲线发生变化的内在原因;高应力水平条件下,土体孔隙变化显著,导致吸湿过程SWCC变化明显,吸湿和脱湿路径时SWCC形状的不平等变化促使彼此间更为接近,这种变化会减小SWCC滞后性随有效应力水平的变化。最后,根据试验数据对3类SWCC修正公式进行拟合优度分析,结合模型参数的简洁性,得出修正VG模型最符合闽东南地区原状残积土的SWCC建模。研究成果可为残积土边坡的工程特性及治理提供有意义的参考。

宁明膨胀土渗透特性试验研究

为研究宁明膨胀土渗透特性并得到渗流分析所需参数,在了解土性和土体结构特征的基础上,对广西宁明两种膨胀土的原状样和重塑样分别进行了饱和渗透试验、压力板试验和收缩试验,根据试验结果用间接方法得到非饱和膨胀土渗透系数及其随含水量变化规律。结果表明:矿物成分、土体结构对膨胀土的渗透性有一定影响,膨胀性粘土矿物含量越多,渗透系数越低、透水性越差。原状土被扰动重塑后微结构破坏,渗透性大大降低。宁明非饱和膨胀土渗透系数随着含水量减少(基质吸力增大)而急剧减小,渗透系数与含水量之间可以用指数函数拟合。

PS对非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响

采用扫描电镜测试PS加固前后黏土微观结构的变化,研究黏土矿物、孔隙结构和土体收缩特性3种因素对加固以后非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响。研究结果表明:PS与土颗粒的反应是非常复杂的物理化学反应,在反应中大量的黏土矿物被消耗,形成一种较致密的结构,力学强度提高,同时,孔隙壁变得光滑、平直,土颗粒磨圆度增大,膨胀性降低,这些因素导致非饱和黏土的土-水特征曲线发生明显变化;PS加固后饱和含水率和残余含水率都有一定程度下降,进气值较高,斜率变陡,下降速度快。Van Genuchten模型(即VG模型)对PS作用前、后的土-水特征曲线的拟合效果较好。研究结果证明PS材料加固土遗址的良好性能。