李敏，李雯，陳祎彤，司炳成

膨脹土干濕循環(huán)自然脹縮下土壤水分特征三維曲線研究

李敏1，李雯1，陳祎彤1，司炳成2,3

（1.西北農(nóng)林科技大學 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.薩斯喀徹溫大學 土壤科學系，加拿大 薩斯卡通 S7N5A8；3.魯東大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 煙臺 264000）

【目的】建立了自然脹縮下膨脹土的土壤水分特征三維曲線并探究其擬合參數(shù)的變化規(guī)律?！痉椒ā坷胻hermo-TDR探針和土壤水勢探針，在測定土壤水分特征曲線的過程中考慮膨脹土體積質(zhì)量動態(tài)變化，得到3種不同質(zhì)地的膨脹土在3個干濕交替周期中土壤水分特征三維曲線的變化規(guī)律。【結(jié)果】發(fā)現(xiàn)熱脈沖探針原位間距校正法能有效提高土壤體積質(zhì)量的測定準確度，校正后由總體10%～40%的偏差降低為總體遠小于10%，經(jīng)校正后總體由0.3～0.4 g/cm3降低為遠小于0.1 g/cm3；引入收縮率這一體積質(zhì)量參數(shù)改進van Genuchten模型，得到較好的土壤水分特征三維曲線擬合結(jié)果；隨著土壤干濕循環(huán)次數(shù)增加，模型參數(shù)和值不斷減小，在脫濕過程中，含水率對體積質(zhì)量和吸力變化的影響在不斷削弱；隨黏粒量的增大，和值呈減小趨勢，且改進后的van Genuchten模型擬合效果更好?！窘Y(jié)論】原位探針間距校正法對強脹縮土壤的測定準確度提升效果顯著，建立考慮體積質(zhì)量的土壤水分特征三維曲線能更真實描述土壤水分與水勢間的關(guān)系。

土壤水分特征三維曲線；膨脹土；體積質(zhì)量；thermo-TDR技術(shù)

0 引言

【研究意義】土壤水分特征曲線反映了土壤水分數(shù)量與能態(tài)之間的關(guān)系，是研究土壤水分運動的重要參數(shù)，是長期以來的關(guān)注熱點。傳統(tǒng)研究假定土壤水分運動過程中的土壤體積質(zhì)量恒定不變，但在實際農(nóng)田水文循環(huán)中，土壤水分的變化會引起孔隙變化進而導致體積質(zhì)量變化，對于黏粒量較高的膨脹土尤為明顯[1]。膨脹土在我國廣泛分布，降雨、氣溫變化等天氣狀況會使膨脹土發(fā)生反復的吸水失水，形成多次干濕循環(huán)。膨脹土隨干濕循環(huán)會發(fā)生顯著的脹縮，反復的脹縮會破壞膨脹土上的建筑物，例如：導致灌渠、橋梁、路基開裂等；同時會損害土壤結(jié)構(gòu)和孔隙，其收縮力也會破壞植被的根系結(jié)構(gòu)，不利于表面植被的生長發(fā)育和水土保持。因此，對膨脹土水分運移的研究很有必要，而只考慮含水率和基質(zhì)勢2個因素而忽略體積質(zhì)量變化的土壤水分特征曲線不足以準確描述土壤中水分的運動特征。

【研究進展】針對上述問題，國內(nèi)外學者對體積質(zhì)量變化影響土壤水分特征曲線已有相關(guān)研究報道。其中，張猛[2]測定了不同質(zhì)地土壤在干濕交替進程中，van Genuchten模型擬合參數(shù)和的變化規(guī)律。邵明安等[3]根據(jù) Brooks-Corey模型提出了2種描述三變量間關(guān)系的曲面模型。呂殿青等[4]改進Brooks-Corey模型，借用土壤水分特征曲線冪函數(shù)模型和土壤收縮特征線性模型獲得體積質(zhì)量與吸力間冪函數(shù)關(guān)系。付曉莉等[5]與呂殿青等[4]的結(jié)果相比較，分析了體積質(zhì)量變化對Brooks-Corey模型和van Genuchten模型參數(shù)的影響，結(jié)果表明土壤體積質(zhì)量越大，土壤水分特征曲線越平緩。張昭等[6]通過考慮應力引起的土壤孔隙變化對van Genuchten模型進行了修正。Zhou等[7]結(jié)合Brooks-Corey模型和Frdlund-Xing模型，引入一個參數(shù)描述土壤體積質(zhì)量對水分特征曲線測定的影響，但并未給出連續(xù)自然變化的土壤體積質(zhì)量對曲線的影響。洪成等[8]研究了體積質(zhì)量對一種黏壤土土壤水分特征曲線的影響，用van Genuchten模型進行擬合，結(jié)果表明在相同的吸力時，黏壤土含水率隨體積質(zhì)量增加而增加。Xing等[9]考慮土壤水分特征曲線測量過程中的土體收縮并對測定進行了修正。

【切入點】對于土壤水分特征曲線的測定，張力計法、壓力膜法等只能測定非原狀的填裝土，無法反映土壤本身孔隙結(jié)構(gòu)變化情況；而離心機法也只能測定原狀土在有限的幾種離散水勢下的情形，且離心過程會壓縮土壤樣品。對于土壤水分特征曲線的模擬，van Genuchten模型對于黏土的擬合效果整體優(yōu)于其他模型[10]，但目前暫無學者對自然脹縮下膨脹土的干濕循環(huán)過程，通過考慮體積質(zhì)量對van Genuchten模型進行直接改進。

【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，本研究利用基于熱脈沖-時域反射原理的thermo-TDR探針和土壤水勢探針，通過室內(nèi)土柱試驗，實現(xiàn)對自然脹縮狀態(tài)下膨脹土反復干濕循環(huán)過程中含水率、基質(zhì)勢、體積質(zhì)量的同步連續(xù)監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上通過加入體積質(zhì)量參數(shù)改進van Genuchten模型，將傳統(tǒng)二維的土壤水分特征曲線拓展為三維的土壤水分特征曲線[11]，以期實現(xiàn)對膨脹土水分動態(tài)變化過程的更準確完整地描述。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與試驗過程

室內(nèi)土柱試驗裝置示意圖如圖1所示。土樣裝入長方體形狀的有機玻璃土柱，底面為10 cm×10 cm的正方形，高15 cm，壁厚3 mm以保證土樣橫向無變形；底部每間隔1 cm鉆直徑為2 mm的小孔用于測定前預飽和土壤。從土樣頂部插入經(jīng)去離子水飽和后的土壤水勢傳感器（MPS-6，Meter Group，美國）測定土壤基質(zhì)勢，利用數(shù)據(jù)采集儀（EM50，Meter Group，美國）采集和儲存數(shù)據(jù)。從土柱側(cè)面（位置）鉆孔插入自主制作的thermo-TDR探針用以測定土壤含水率和體積質(zhì)量；其中土壤含水率由時域反射儀（TDR100，Campbell Scientific，美國）連接thermo-TDR探針測定并連接數(shù)據(jù)采集儀（CR1000X，Campbell Scientific，美國）控制和記錄；使用四線半橋方式將另1臺CR1000X數(shù)據(jù)采集儀連接至thermo-TDR探針的熱脈沖部分，用來控制探針加熱和記錄溫度變化曲線以測定土壤熱參數(shù)并結(jié)合含水率推算土壤體積質(zhì)量。

圖1 試驗裝置示意圖

CR1000X數(shù)據(jù)采集儀和探針加熱的熱源分別由3個獨立的12 V恒壓直流電源蓄電池提供。熱脈沖時長設(shè)置為0=15 s，加熱功率’≈86 W/m。試驗開始之前需將thermo-TDR探針放在純水中并使用PCTDR軟件測試電纜長度和窗口長度2個參數(shù)。同時校正探針偏移量。

分別利用3個土柱測定3種質(zhì)地的膨脹土，采用吸管法測定土樣的砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)（表1）。土樣經(jīng)105 ℃烘干并以表1中的填裝體積質(zhì)量分層填裝于土柱中，放入去離子水中48 h進行充分飽和，然后自然脫水。前期預試驗已測得膨脹土由飽和開始失水15 d后體積質(zhì)量變化很小，故1次干濕循環(huán)控制耗時15 d，室溫恒定為26 ℃。土壤體積質(zhì)量的真實值采用直接測定法，使用游標卡尺測定土柱長（cm）、寬（cm）、高（cm）（讀取3次取平均值）。填裝土高度的變化乘以土柱底面積即為土樣體積變化量。土樣質(zhì)量為（g），則真實值為：

thermo-TDR探針和水勢探頭每天測定3次并取平均值作為1次測量結(jié)果。試驗中對每種土樣均進行3次干濕循環(huán)處理，每次循環(huán)均對土樣飽和后再靜置自然脫濕，即不借助任何外力或者施加任何壓力的情況下讓土樣自然蒸發(fā)失水。由于飽和過程土樣從底部開始吸濕，而thermo-TDR探針和水勢探頭分別位于土樣的中部和表面，僅在吸濕過程的中后期水分才會滲入探針周圍的土樣，大部分時間測定的都為干土的參數(shù)，對整個試驗周期更長且吸濕過程含水率在土柱中下高上低不均勻，故本試驗只測定脫濕過程中的參數(shù)變化。

表1 3種土樣的顆粒質(zhì)量分布、干土比熱容及填裝體積質(zhì)量

1.2 thermo-TDR探針制作及測定原理

thermo-TDR技術(shù)是熱脈沖技術(shù)和時域反射技術(shù)的結(jié)合，由3根長度相同、間距為的探針構(gòu)成，可以實現(xiàn)土壤含水率、體積質(zhì)量、孔隙度、飽和度、熱參數(shù)和電導率的連續(xù)、原位監(jiān)測。中間探針作為無限線性熱源，兩側(cè)中一側(cè)探針作為感應探針，組成熱脈沖部分，3根探針尾部焊接同軸電纜組成TDR部分。

本研究制作的探針由長6.0 cm、外徑1.3 mm、內(nèi)徑0.9 mm的3支不銹鋼空心針組成。其中邊上的1根針作為感應探針，內(nèi)置3個熱敏電阻（10K3MCD1, Betatherm Corp.，美國），中間探針作為加熱探針內(nèi)置鎳鉻絕緣電阻絲（阻值為80 Ω/m），另一側(cè)探針用于TDR針[12-14]。為滿足線性熱源模型要求，探針長度定為6 cm（針長與半徑比值為46），間距為6 mm，3個熱敏電阻分別放置在距離底座1=45 mm，2=30 mm，3=15 mm處。熱敏電阻和電阻絲通過填充高導熱性能的環(huán)氧樹脂（Omega engineering, 美國）固定在針內(nèi)，3支不銹鋼針通過環(huán)氧樹脂膠固定在四氟材料做成的圓柱底座中（半徑12 mm，高45 mm，壁厚3 mm），組成探頭。初始探針間距需要在室溫下利用濃度為5 g/L的瓊脂溶液標定[15]。

熱脈沖部分根據(jù)熱傳導理論，在一個無限大的均勻等溫介質(zhì)中，無限線性熱源發(fā)出0時長的熱脈沖，距熱源徑向距離處溫度隨時間的變化可表達為：

式中：為溫度變化值（℃）；為土壤熱擴散系數(shù)（m2/s）；為時間（s）；0為熱脈沖的時長（s）；為熱敏電阻距線性熱源的垂直距離（m）；()為指數(shù)積分；＇為單位長度加熱絲在單位時間內(nèi)釋放的熱量（W/m）；c為土壤容積熱容量（MJ/（m3·K））。

經(jīng)過一系列推導[16-19]，得到土壤體積質(zhì)量b的計算式為：

式中：ww為水的容積熱容量（MJ/（m3·K））；w為土壤含水率（m3/m3）；s為土壤固相的比熱（J/（kg·℃））。純水在20 ℃時容積熱容量為4.18 MJ/（m3·K），土壤固體比熱值在干土中使用探針測定獲得。

土壤含水率由探針連接TDR100測得。TDR100發(fā)射電磁波信號沿同軸電纜和TDR探針傳播，信號在到達探針與土壤接觸處及探針末端時分別會有一次反射，利用2次信號反射的時間差及TDR探針長度可確定TDR系統(tǒng)介電常數(shù)a，利用Ren等[20]建立的-a（<0.4 m3/m3）的函數(shù)關(guān)系計算含水率：

式中：w為土壤含水率（m3/m3）；a為介質(zhì)介電常數(shù)。根據(jù)TDR法原理，可知測定結(jié)果與TDR探針長度有關(guān)，小范圍探針間距變化對測定結(jié)果影響不大。已有研究表明：當室溫在16 ℃以上時，TDR法測定的含水率與烘干法較接近[21]；本試驗在室溫26 ℃下進行，前期預試驗發(fā)現(xiàn)與烘干法相比絕對誤差小于±2%的體積含水率。因此可視為無誤差，故無需再進行校正。

1.3 探針間距原位校正方法

探針間距的準確性對于體積質(zhì)量的計算尤為重要，尤其是膨脹土脹縮變形時帶來的探針偏移更明顯。熱脈沖原位間距校正方法可減小探針間距改變帶來的誤差[22]，方法如下：

假設(shè)感應探針分別距底座距離1，2，3處放置3個熱敏電阻，mi為熱敏電阻（=1, 2, 3）溫度上升曲線達到最大值時的時間，定義為：

由于均質(zhì)土壤各處熱擴散率相同，因此：

若探針的初始間距定義為0，探針間距偏移量為i，則經(jīng)過校正的間距可表達為：

式中：?r根據(jù)外傾或內(nèi)傾取正或負；，值為回歸系數(shù)。，值的求解過程參考Wen等[23]。求得的，值代入式（5）則可得到探針經(jīng)傾斜校正的間距，根據(jù)校正間距求得的熱容稱為校正熱容。

1.4 土壤水分特征三維曲線模型

土壤水分特征曲線van Genuchten模型未考慮體積質(zhì)量變化。若考慮體積質(zhì)量變化給土壤水勢和含水率關(guān)系帶來的影響，則在脫濕過程中土壤收縮孔隙變小，土壤基質(zhì)對水分的吸持作用變強，基質(zhì)勢有所變大，因此需要給模型中的基質(zhì)勢乘以大于1的系數(shù)?？煽紤]將該系數(shù)確定為實測體積質(zhì)量與飽和體積質(zhì)量的比值，由于體積質(zhì)量b與含水率負相關(guān)，則建立新的土壤水分特征三維曲線模型為：

式中：為體積含水率（m3/m3）；s、r分別為飽和含水率和殘余含水率；、為擬合參數(shù)；為基質(zhì)勢（kPa）；b和飽和分別為實測體積質(zhì)量和飽和體積質(zhì)量（g/cm3）。由于土樣脫水過程中土樣質(zhì)量和橫截面積不變，只有高度在變化，公式中的比值b/飽和可簡化為收縮率=/0[1]，為土面高度，0為土樣初始高度。理論上r等于吸力趨于無窮大時的含水率，一般取吸力值為15 bar對應的含水率[24]。綜上，式（6）將動態(tài)變化關(guān)系拓展為-b三者間的關(guān)系。

1.5 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

對探針間距校正的過程利用Matlab內(nèi)置函數(shù)solve函數(shù)和lsqcurvefit函數(shù)通過最小二乘法擬合計算。感應探針上3個熱敏電阻可得到3組溫度上升曲線和3組土壤熱參數(shù)結(jié)果，取3組結(jié)果的平均值作為容積熱容的最終測定結(jié)果以進一步計算土壤體積質(zhì)量。體積質(zhì)量測定值與真實值的相對誤差（）為：

均方根誤差（）為：

式中：代表積日。利用Origin軟件對3參數(shù)土壤水分特征三維曲線實測值進行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤體積質(zhì)量動態(tài)變化

圖2為1、2、3號土壤3個干濕交替周期中校正探針間距前后的體積質(zhì)量值對比?？梢钥闯?，校正后的土壤體積質(zhì)量值明顯比校正前更接近真實值。前2個干濕循環(huán)周期校正效果較好，第三個周期的脫濕過程后期和真實值吻合度較高，脫濕前期校正后的體積質(zhì)量較真實值偏低，但低估的幅度較小（<0.1 g/cm3）。校正前的整體趨勢為低估體積質(zhì)量，在低含水率范圍（<0.25 m3/m3）的低估比高含水率[25]范圍更為嚴重。隨著土壤黏粒量的增加及干濕交替的次數(shù)增多，校正前低估的程度相應變大。間距校正前后體積質(zhì)量的和見表2，可見校正后由總體上10%～40%的偏差降低為總體上遠小于10%，校正后的總體變化范圍由0.3～0.4 g/cm3降低為遠小于0.1 g/cm3。因此，原位間距校正理論和方法在脹縮性非常大的膨脹土中也具有很好的適用性和可行性，能有效提高體積質(zhì)量測定的準確度，由此，也可推斷它能有效提高土壤熱參數(shù)和含水率測定的準確度。

圖2 3種土樣的3個周期校正前后體積質(zhì)量對比

表2 3種土壤干濕循環(huán)下的校正前后體積質(zhì)量的RE及RMSE值

圖3反映出校正后的體積質(zhì)量仍比真實值有一定的低估，且隨干濕循環(huán)的次數(shù)增多和土壤黏粒量的增大趨勢更明顯。這可能是因為：①使用校正熱容法計算出的體積質(zhì)量值受探針間距的影響，對于間距的高估會造成容積熱容的低估導致對土壤體積質(zhì)量的低估，而在反復干濕循環(huán)的過程中，探針在土樣內(nèi)部不斷經(jīng)歷間距增大-減小，造成的形變可能無法完全恢復，而幾個周期累積的形變會進一步導致對探針間距的高估，造成體積質(zhì)量的測定結(jié)果偏小。②黏粒量過高會引起TDR電磁波傳播過程中的介電損失，導致含水率和水的容積熱容測定結(jié)果偏高，從而低估土壤固體部分的容積熱容和土壤體積質(zhì)量[26-27]。雖然校正后的體積質(zhì)量還有一定的低估，但低估的絕對值遠小于0.1g/cm3，比任姮燁等[25]的間距校正后測得的體積質(zhì)量更為精確。

圖3 1、2、3號土壤體積質(zhì)量真實值與熱脈沖探針測定的測定值的比較

2.2 考慮體積質(zhì)量變化的土壤水分特征三維曲線

圖4分別為1、2、3號土壤在3個干濕循環(huán)下實測和擬合的土壤水分特征三維曲線。1號土壤3個周期飽和體積質(zhì)量至周期末體積質(zhì)量的變化幅度分別是0.340 7、0.331 5、0.306 0 g/cm3；含水率的變化幅度分別為-0.408 4、-0.326 9、-0.299 8 m3/m3；基質(zhì)勢的變化幅度分別為-997.4、-976.5、-893.4 kPa。2號土壤3個周期體積質(zhì)量的變化幅度分別是0.352 5、0.269 0、0.210 8 g/cm3；含水率的變化幅度分別為-0.353 0、-0.313 2、-0.279 8 m3/m3；基質(zhì)勢的變化幅度分別為-769.6、-681.8、-647.6 kPa。3號土壤3個周期體積質(zhì)量的變化幅度分別是0.347 7、0.325 0、0.242 9 g/cm3；含水率的變化幅度分別為-0.356 1、-0.331 1、-0.312 6 m3/m3；基質(zhì)勢的變化幅度分別為-880.5、-825.3、-789.6 kPa。隨著干濕交替的進行，每種土樣的飽和含水率也逐漸降低。

圖4 3種土壤的3個干濕交替周期擬合曲面

由表3可知隨著土壤干濕交替不斷進行，模型參數(shù)和值不斷減小，表明在脫濕過程中，體積質(zhì)量及吸力變化對含水率變化的影響作用在削弱，這主要是2個方面造成的：①干濕循環(huán)實質(zhì)上是對土壤顆粒結(jié)構(gòu)的重組，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，膨脹土強度衰減、黏聚力降低[28]，吸水能力變?nèi)?，并且飽和脫水過程中含水率的變化是不可逆的[29-31]，下個周期無法恢復到原位量，所以每個周期的飽和含水率逐漸遞減[32]，而飽和含水率作為初始含水率，其值越小黏聚力越大，黏聚力的變大會使得土體橫向及縱向的形變程度減小也即體積質(zhì)量的變化幅度減小[33]。張芳枝等[34]的試驗也證實：多次干濕循環(huán)會使土樣的最小孔隙有所增大，更利于水的排出，即脫水過程中起主要作用的實際上是土樣內(nèi)部的小孔隙占比而非宏觀的體積質(zhì)量，所以體積質(zhì)量對含水率變化的影響作用在削弱；②在土樣干濕循環(huán)引起的脹縮過程中，膨脹土的內(nèi)部會產(chǎn)生不可逆的損傷[35]，而隨著不斷的反復脹縮，土體內(nèi)部不可逆損傷的程度逐漸累積，無法再通過土壤水的基質(zhì)吸力膨脹愈合。因此，基質(zhì)吸力對含水率變化的影響作用也在削弱。

定義土壤最大體積質(zhì)量變化率為最大體積質(zhì)量變化范圍與填裝體積質(zhì)量的比值，3種質(zhì)地土壤的最大體積質(zhì)量變化率分別為29.12%、35.30%、39.83%，可以得出：土壤的顆粒越細、黏粒量越高，其脹縮程度也就越大。而隨著黏粒量的增大，擬合參數(shù)和值呈減小趨勢，這是由于土壤中黏粒的量越大時，土壤中小孔隙的數(shù)量就越多[36]，土體顆粒比表面積越大[37-39]，當土壤失水時，最先失去大孔隙里的土壤水，小孔隙中的水最后排出，因此小孔隙的比例越大，土體的保水能力越強，土體收縮時水分越不易排出；并且黏粒的量越高，土壤導水率也越小，土體不易失水，所以黏粒量越高時對土壤失水的影響就越小。

表3 3種土壤干濕交替處理的擬合參數(shù)變化

3 討論

為了對比考慮體積質(zhì)量與否對于土壤水分運移描述的準確性，利用軟件擬合不考慮體積質(zhì)量時測定的土樣含水率與基質(zhì)勢，擬合出3種土樣3個干濕交替周期的土壤水分特征曲線，以1號土樣第一周期為例擬合出圖5，表4為3種土樣3個干濕交替周期土壤水分特征曲線擬合的決定系數(shù)2。對比表3和表4決定系數(shù)2，發(fā)現(xiàn)考慮體積質(zhì)量的土壤水分特征三維曲線擬合效果和不考慮體積質(zhì)量的土壤水分特征曲線擬合接近。土壤水勢、含水率及體積質(zhì)量三者之間相互關(guān)系和土壤水分運動參數(shù)的獲取極為重要，是變體積質(zhì)量土壤水分動力學研究的基礎(chǔ)。因此，考慮體積質(zhì)量的三參數(shù)土壤水分特征曲面的建立是有必要的，可更真實描述土壤水分和水勢的關(guān)系。

圖5 1號土樣第一周期土壤水分特征曲線擬合

表4 RETC軟件擬合的土壤水分特征曲線決定系數(shù)R2

邵明安等[3]在Brooks-Corey模型的基礎(chǔ)上提出了2種三變量曲面模型，研究結(jié)果表明模型擬合的曲面隨著土壤質(zhì)地加重而更加陡直，與本文得到的結(jié)果是類似的。張猛[2]探究干濕交替進程中使用van Genuchten模型擬合土水曲面的參數(shù)和值變化，結(jié)果表明對于黏粒量較高的粉壤土，和值均隨著干濕交替次數(shù)的增加而減小，這與本文得到的結(jié)果一致，說明二維的土壤水分特征曲線擬合結(jié)果也能為三維的土壤水分特征曲線擬合提供參考。

經(jīng)干濕交替處理的膨脹土在自然脫水過程時，體積質(zhì)量與基質(zhì)勢對含水率影響的作用是土樣內(nèi)部的小孔隙占比，體積質(zhì)量的變化影響小孔隙占比導致土壤的導水率發(fā)生變化，體積質(zhì)量和導水率成冪函數(shù)關(guān)系，導水率隨體積質(zhì)量的增大而減小。在本試驗測定的脫濕過程中，由于水勢梯度作用還會在土體中形成裂縫，造成較為復雜的導水率估算誤差。但對于膨脹土特殊的反復脹縮強度會衰減的性質(zhì)，其脹縮特性改變了土體的孔隙結(jié)構(gòu)和持水能力，本質(zhì)上土體孔隙結(jié)構(gòu)對土壤水分起決定性作用。

隨著干濕循環(huán)的進行，土體內(nèi)部的膨脹力逐漸遞減，其內(nèi)部小孔隙的增大速度也會逐漸減小，即這種影響在不斷地干濕循環(huán)中會進行削弱；而對于膨脹土飽和過程的膨脹變形中，基質(zhì)吸力起一定作用，其吸附作用和毛管作用促使土壤水游走在膨脹土中的各個孔隙里以吸水膨脹，這種作用也會隨著膨脹土膨脹力的遞減變小，所以體積質(zhì)量變化和基質(zhì)勢的變化在干濕循環(huán)的過程中對于含水率的影響作用都在不斷地減小。

對比3種不同黏粒量的土樣可以看出，隨著黏粒量的增加，從飽和到周期末的體積質(zhì)量值變化范圍增大。這是由于當土樣中小粒徑顆粒量高時，土壤固體顆粒排列更加密集，持水能力變?nèi)?，孔隙中的水分更容易失去，造成土壤收縮更大，體積質(zhì)量變化范圍越大。當土壤更黏，體積質(zhì)量對導水率的影響就更大[40]，對體積質(zhì)量的低估造成對導水率的高估更甚，未校正體積質(zhì)量時的更大。

本研究增加干濕循環(huán)的周期，涵蓋膨脹土壤水分運移各階段可能的體積質(zhì)量、基質(zhì)勢和含水率梯度，將土壤水分三維曲線拓展成為連續(xù)的水分特征曲面等均是值得下一步深入研究的問題。此外，改進后的van Genuchten模型的準確度還有提升的空間，比如式（8）中基質(zhì)勢系數(shù)如何改進才能精確，是值得之后研究的問題。

4 結(jié)論

原位探針間距校正能有效提高干濕循環(huán)中膨脹土體積質(zhì)量測定的準確度；隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加，參數(shù)和值減小，體積質(zhì)量及吸力的變化對含水率的影響作用不斷削弱，而對于體積質(zhì)量的低估趨勢卻有所加強；隨著黏粒量的增加，和值減小，黏粒量越高，土壤的持水能力越強，體積質(zhì)量及吸力變化對含水率的影響也就越?。煌ㄟ^考慮體積質(zhì)量改進van Genuchten模型得到的土壤水分特征三維曲線能更真實描述土壤水分狀態(tài)。

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Soil Water Characteristic Curves Accounting for Soil Swelling and Shrinking

LI Min1, LI Wen1, CHEN Yitong1, SI Bingcheng2,3

(1.Key Laboratory of Agricultural Water and Soil Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;2.Department of Soil Science, University of Saskatchewan, Saskatoon S7N5A8, Canada;3. School of Resource and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai 264000, China)

【Objective】Heavy-textured soils tend to swell or shrink following rewetting or drying, while most soil water characteristic curves measured from such soils do not consider such effects. The purpose of this paper is to investigate these and proposes an improved model to account for soil swelling and shrink.【Method】Changes in soil moisture and matric potential during three wetting-drying cycles in three soils were measured using thermo-TDR probe and soil water potential probe, respectively, and the results obtained from each cycle for each soil were fitted to the van Genuchten formula. We introduced a shrinking percentage parameter to improve the fitting of the van Genuchten formula.【Result】The heat pulse probe improved soil volume measurement, with the relative error reduced from 10%～40% to less than 10% and the associated root mean square errors reduced from 0.3～0.4 g/cm3to less than 0.1 g/cm3. Increasing dry-wet cycles reduced the values of the parametersandin the van Genuchten formula. The influence of soil water on soil volume waned as soil water content decreased. The values of the parametersandin the van Genuchten formula both decreased as clay content increased. Accounting for the shrinkage in the modified model improved the fitting compared to the original van Genuchten formula that does not consider soil deformation. 【Conclusion】The heat pulse probe can accurately measure change in soil volume induced by wetting and drying, and the proposed model considering volumetric change of soils following wetting or drying improves the fitting of the van Genuchten formula to the measured data.

three-dimensional soil water characteristic curve; expansive soil; volume mass; thermo-TDR technology

1672 - 3317（2023）01 - 0121 - 09

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022121

李敏, 李雯, 陳祎彤, 等. 膨脹土干濕循環(huán)自然脹縮下土壤水分特征三維曲線研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(1): 121-129.

LI Min, LI Wen, CHEN Yitong, et al. Soil Water Characteristic Curves Accounting for Soil Swelling and Shrinking[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(1): 121-129.

2022-03-09

國家重點研發(fā)計劃資助項目（2021YFD1900700）；國家自然科學基金項目（41877017）

李敏（1985-），男。副教授，博士，主要從事土壤水熱性質(zhì)測定和同位素水文方面的研究。E-mail: limin2016@nwafu.edu.cn

責任編輯：趙宇龍