研究生课程论文封面课程名称土壤水动力学教师姓名研究生姓名研究生学号研究生专业所在院系类别:日期: 2012 年1月7 日评语对课程论文的评语:平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。
水分特征曲线测定实验报告1 实验的目的要求理解水分特征曲线的含义，掌握水分特征曲线的测定方法，以及比较不同土壤水分特征曲线的特点。
2 实验的原理土壤水的基质势（或土壤吸力）与土壤含水量之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线或土壤持水曲线（soil water retention function ）。
土壤水分特征曲线表示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所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。
各种土壤的水分特征曲线均需由实验测定。
水分特征曲线仪主要由陶土头、集气管、压力传导管、水银测压计（由玻璃管和水银槽组成）、观测板以及样品容器组成，其结构如图1所示。
图1 水分特征曲线仪结构图1.样品容器；2.陶土头；3.集气管；4.压力传导管；5.水银测压计；6.观测板；7.水银槽陶土头是仪器的传感部件，由具有均匀微细孔隙的陶土材料制成，当仪器内充满水使陶土头被水饱和时，陶土头管壁就形成张力相当大的一层水膜，陶土头与土壤充分接触后，土壤水与其内部的水体通过陶土头建立了水力联系，在一定的压差范围内，水分和溶质可以通过陶土头管壁，而气体则不能通过，即所谓透水不透气。
因此，如果陶土头内外之间存在压力差，水分就会发生运动，直至内外压力达到平衡为止。
这时，通过水银压力表测定的负压值就是陶土头所在位置土壤水的基质势。
陶土头所在位置的压力水头（基质势或负压）的计算公式为：w m w m m h h h h h h --=-+-=6.12)(6.13式中h 为压力水头，h m 为压力表中水银柱高度（以水银槽水银液面为基准面），h m 是水银槽液面到陶土头中心位置的垂直距离。
3 实验的步骤1） 准备无气水若干、与陶土头直径相当的钻头一个、注射器一个、刻度尺一把、透水石若干、电子天平一台、记录表格若干及其它辅助器材如烧杯、橡皮、铅笔等。
2） 按图1组装好仪器，检查仪器是否漏气；用无气水浸泡陶土头（无气水要淹没整个陶土头）并注入无气水与其相连的连通管中，浸泡时间要一般需24小时以上，以除去其表面的气泡。
在确认仪器没有问题以及没有气泡存在时，重新换入无气水（换水后，要确保连通管中无气泡），用电子天平称量此时的仪器重量，并做记录。
3） 装样：装样时，保证陶土头与土样接触良好，同时检查各部件的接口处是否密封完好。
4） 饱和土样，把盛土样的仪器放在透水石上，水面最好与透水石持平，时间一般在24个小时以上。
称量饱和后的重量（包括仪器及土样），并做好记录。
5） 一定时间后，读取观测板水银柱凸液面的高度，同时称重（仪器及土样总重）。
称重时注意不要碰撞仪器，以免漏气或陶土头与样品接触不良造成实验失败。
开始测量时，要密切注意水银柱读数的变化，不同土样其变化差异较大；应持续观察，在有较大变化时测量一次；在掌握其变化规律后，视土面蒸发变化情况定时测量；每天可测一至两次。
随着时间的延长，压力传导管以及集气管中可能存在少量气泡，在气泡没有连通形成断点时，不必换无气水；在气泡连通形成断点后，必须更换仪器中的水。
6） 在测量后期（土壤负压在760cm 水柱高度左右），如果更换无气水后，在下次测量时，又形成很多断点，这时应该停止测量，即此时的负压已超出了该仪器的测量范围。
停止测量后，取仪器中的土样，放在烘箱中，105o C 烘24小时，称量仪器与干土样的重量，确定土样干容重。
7） 计算土壤的体积含水量（重量含水量*干容重）与相应的土壤负压值，根据van Genuchten 公式，利用statistic 非线性程序包或RETC 软件进行参数拟合，即可获得此时的水分特征曲线。
()[]⎪⎩⎪⎨⎧≥<+-+=0h0h 1s mn r s r h h θαθθθθ式中：s θ为饱和含水量；r θ为凋萎含水量；h 代表负压；θ代表体积含水量；α、m 、n 为待定系数，m=1-1/n ，由土壤的性质确定。
4 实验数据记录于2011年11月26日开始本次实验；11月26日至12月12日每天记录并观测板水银柱凸液面的高度，同时称重，数据记录如表所示；2012年1月5日，完成实验土样的烘干称重，以及实验数据的初步整理工作。
表1 实验记录表仪器+饱水土重（g）5235 其它仪器重（除环刀（g) 2103.3 环刀+饱水土重（g) 3131.7 环刀+干重（g）1931.1 环刀重（g) 1477.6 环刀直径（cm）14.75 环刀高（cm） 5表2 水分特征曲线测量记录表水银柱读数（cm）土壤负压（cm）仪器+水+土样重（g）土壤含水量（g）土壤重量含水量（%）土壤体积含水量（%）2.2 -25.92 5216.1 361.8 0.2841 0.4233 2.5 -29.7 5210.2 355.9 0.2795 0.41642.78 -33.228 5196.1 341.8 0.2684 0.39993.1 -37.26 5192.7 338.4 0.2657 0.39604.3 -52.38 5174.3 320 0.2513 0.3744 4.65 -56.79 5168.5 314.2 0.2467 0.3676 7.3 -90.18 5147 292.7 0.2299 0.3425 7.8 -96.48 5142.5 288.2 0.2263 0.337210 -124.2 5129.7 275.4 0.2163 0.3222 10.4 -129.24 5126.4 272.1 0.2137 0.318413.7 -170.82 5114.8 260.5 0.2046 0.304814.05 -175.23 5113.5 259.2 0.2035 0.303317.7 -221.22 5103.8 249.5 0.1959 0.291918.32 -229.032 5102.2 247.9 0.1947 0.290119.6 -245.16 5098.8 244.5 0.1920 0.286122.9 -286.74 5092.8 238.5 0.1873 0.279123.2 -290.52 5091.9 237.6 0.1866 0.278024.2 -303.12 5089.9 235.6 0.1850 0.275724.4 -305.64 5089.1 234.8 0.1844 0.274725.9 -324.54 5087.1 232.8 0.1828 0.2724 32.4 -406.44 5077.1 222.8 0.1750 0.260737 -464.4 5071 216.7 0.1702 0.2536 39.5 -495.9 5069.8 215.5 0.1692 0.2522 48.2 -605.52 5059.7 205.4 0.1613 0.240356 -703.8 5046.7 192.4 0.1511 0.2251 66.6 -837.36 5036.7 182.4 0.1432 0.2134 71.5 -899.1 5019.2 164.9 0.1295 0.1929 73.5 -924.3 4997.5 143.2 0.1125 0.16765 实验数据处理将表2的土壤吸力和体积含水量输入到RETC软件中，参数设置如表3所示：表3 RETC软件参数设置设置项设置内容Type of Problem 选择Retention data onlyScale Units Length Units选择cm ,Time Units选择DaysType of Retention/Conductivity每个模型都进行一次模拟，选取R值最大的一个进行模拟预测ModelSoil Hydraulic Parameters Fitted参数勾选Qr QS Alpha n;Soil Catalog for Initial 选择siltRetention Pressure对应土壤吸力，Theta对应体积含水量，注意体积含水量不能填百分制的，否则拟合溢出，无结果。
Run RETC选择不同的土壤水分特征曲线函数进行参数拟合，各特征曲线对应的相关系数R和参数拟合结果如表4所示：表4 不同土壤特征曲线函数对应的R值和参数拟合结果Retention Curve Model Conductivity R θrθsαn van Genuchten [1980]，variable m and n Mualem 0.97543559 0.05423 0.45883 0.01559 1.00500 van Genuchten [1980]，variable m and n Burdine 0.82606832 0.14773 0.43655 0.01629 2.00500 van Genuchten [1980]，m = 1 - 1/n Mualem 0.97554343 0.45311 0.02496 1.24858 van Genuchten [1980]，m = 1 - 2/n Burdine 0.97207226 0.43086 0.02798 2.22046 Brooks and Corey [1964] Mualem 0.96575377 0.40890 0.02569 0.20543 Brooks and Corey [1964] Burdine 0.96575377 0.40890 0.02569 0.20543 Kosugi [1996] (log normal distribution model) Mualem 0.97745369 0.80499 34.9520 5.04147 Dual-porosity model Mualem 0.97451325 0.46856 0.10361 1.143656 研究成果及结论分析表4，本应该选择R值最大的log normal distribution model ，但是为了方便计算，并且van Genuchten模型与log normal distribution模型R相差不大，因此采用van Genuchten模型进行拟合，土壤水分特征曲线如图2所示：图2 土壤水分特征拟合曲线67参数拟合结果：饱和含水量θs=0.45311，凋萎含水量θr=0；α=0.02496；n=1.24858；m=1-1/n=1-1/1.24858=0.1991，故负压h 与体积含水量θ的关系曲线方程为：()[]⎪⎩⎪⎨⎧≥<+=0h 45311.0 0h h 02496.0145311.0h 1991.0θ 由图2可看出，实测值与拟合曲线吻合程度很高，我们认为模型的选择和参数的拟合结果是合理的。