1、2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 121 文章编号：1672-3317（2023）01-0121-09 膨胀土干湿循环自然胀缩下土壤水分特征三维曲线研究 李 敏1，李 雯1，陈祎彤1，司炳成2,3（1.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.萨斯喀彻温大学 土壤科学系，加拿大 萨斯卡通 S7N5A8；3.鲁东大学 资源与环境工程学院，山东 烟台 264000）摘 要：【目的】建立了自然胀缩下膨胀土的土壤水分特征三维
2、曲线并探究其拟合参数的变化规律。【方法】利用thermo-TDR 探针和土壤水势探针，在测定土壤水分特征曲线的过程中考虑膨胀土体积质量动态变化，得到 3 种不同质地的膨胀土在 3 个干湿交替周期中土壤水分特征三维曲线的变化规律。【结果】发现热脉冲探针原位间距校正法能有效提高土壤体积质量的测定准确度，校正后 RE 由总体 10%40%的偏差降低为总体远小于 10%，RMSE 经校正后总体由 0.30.4 g/cm3降低为远小于 0.1 g/cm3；引入收缩率这一体积质量参数改进 van Genuchten 模型，得到较好的土壤水分特征三维曲线拟合结果；随着土壤干湿循环次数增加，模型参数 和 n
3、值不断减小，在脱湿过程中，含水率对体积质量和吸力变化的影响在不断削弱；随黏粒量的增大，和 n 值呈减小趋势，且改进后的 van Genuchten模型拟合效果更好。【结论】原位探针间距校正法对强胀缩土壤的测定准确度提升效果显著，建立考虑体积质量的土壤水分特征三维曲线能更真实描述土壤水分与水势间的关系。关 键 词：土壤水分特征三维曲线；膨胀土；体积质量；thermo-TDR 技术 中图分类号：S152.7 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022121 OSID：李敏,李雯,陈祎彤,等.膨胀土干湿循环自然胀缩下土壤水分特征三维曲线研究J.灌溉排水学报,2023,42(1
4、):121-129.LI Min,LI Wen,CHEN Yitong,et al.Soil Water Characteristic Curves Accounting for Soil Swelling and ShrinkingJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):121-129.0 引 言1【研究意义】土壤水分特征曲线反映了土壤水分数量与能态之间的关系，是研究土壤水分运动的重要参数，是长期以来的关注热点。传统研究假定土壤水分运动过程中的土壤体积质量恒定不变，但在实际农田水文循环中，土壤水分的变化会引起孔隙变化进而导致体积质量变化
5、，对于黏粒量较高的膨胀土尤为明显1。膨胀土在我国广泛分布，降雨、气温变化等天气状况会使膨胀土发生反复的吸水失水，形成多次干湿循环。膨胀土随干湿循环会发生显著的胀缩，反复的胀缩会破坏膨胀土上的建筑物，例如：导致灌渠、桥梁、路基开裂等；同时会损害土壤结构和孔隙，其收缩力也会破坏植被的根系结构，不利于表面植被的生长发育和水土保持。因此，对膨胀土水分运移的研究很有必要，而只考虑含水率和基质势 2 个因素而忽略体积质量变化的土壤水分特征曲线不足以准确描述土壤中水分的运动特征。【研究进展】针对上述问题，国内外学者对体积 收稿日期：2022-03-09 基金项目：国家重点研发计划资助项目（2021YFD19
6、00700）；国家自然科学基金项目（41877017）作者简介：李敏（1985-），男。副教授，博士，主要从事土壤水热性质测定和同位素水文方面的研究。E-mail: 质量变化影响土壤水分特征曲线已有相关研究报道。其中，张猛2测定了不同质地土壤在干湿交替进程中，van Genuchten 模型拟合参数 和 n 的变化规律。邵明安等3根据 Brooks-Corey 模型提出了 2 种描述三变 量 间 关 系 的 曲 面 模 型。吕 殿 青 等4改 进Brooks-Corey 模型，借用土壤水分特征曲线幂函数模型和土壤收缩特征线性模型获得体积质量与吸力间幂函数关系。付晓莉等5与吕殿青等4的结果相比较
7、，分析了体积质量变化对 Brooks-Corey 模型和 van Genuchten 模型参数的影响，结果表明土壤体积质量越大，土壤水分特征曲线越平缓。张昭等6通过考虑应力引起的土壤孔隙变化对 van Genuchten 模型进行了 修 正。Zhou 等7结 合 Brooks-Corey 模 型 和Frdlund-Xing 模型，引入一个参数描述土壤体积质量对水分特征曲线测定的影响，但并未给出连续自然变化的土壤体积质量对曲线的影响。洪成等8研究了体积质量对一种黏壤土土壤水分特征曲线的影响，用van Genuchten 模型进行拟合，结果表明在相同的吸力时，黏壤土含水率随体积质量增加而增加。Xi
8、ng等9考虑土壤水分特征曲线测量过程中的土体收缩并对测定进行了修正。【切入点】对于土壤水分特征曲线的测定，张力灌溉排水学报 http:/ 122 计法、压力膜法等只能测定非原状的填装土，无法反映土壤本身孔隙结构变化情况；而离心机法也只能测定原状土在有限的几种离散水势下的情形，且离心过程会压缩土壤样品。对于土壤水分特征曲线的模拟，van Genuchten 模型对于黏土的拟合效果整体优于其他模型10，但目前暂无学者对自然胀缩下膨胀土的干湿循环过程，通过考虑体积质量对 van Genuchten 模型进行直接改进。【拟解决的关键问题】因此，本研究利用基于热脉冲-时域反射原理的 thermo-TDR
9、 探针和土壤水势探针，通过室内土柱试验，实现对自然胀缩状态下膨胀土反复干湿循环过程中含水率、基质势、体积质量的同步连续监测，在此基础上通过加入体积质量参数改进 van Genuchten 模型，将传统二维的土壤水分特征曲线拓展为三维的土壤水分特征曲线11，以期实现对膨胀土水分动态变化过程的更准确完整地描述。1 材料与方法 1.1 试验装置与试验过程 室内土柱试验装置示意图如图 1 所示。土样装入长方体形状的有机玻璃土柱，底面为 10 cm 10 cm 的正方形，高 15 cm，壁厚 3 mm 以保证土样横向无变形；底部每间隔 1 cm 钻直径为 2 mm 的小孔用于测定前预饱和土壤。从土样顶部
10、插入经去离子水饱和后的土壤水势传感器（MPS-6，Meter Group，美国）测定土壤基质势，利用数据采集仪（EM50，Meter Group，美国）采集和储存数据。从土柱侧面（位置）钻孔插入自主制作的 thermo-TDR 探针用以测定土壤含水率和体积质量；其中土壤含水率由时域反射仪（TDR100，Campbell Scientific，美国）连接 thermo-TDR 探针测定并连接数据采集仪（CR1000X，Campbell Scientific，美国）控制和记录；使用四线半桥方式将另 1 台CR1000X数据采集仪连接至thermo-TDR探针的热脉冲部分，用来控制探针加热和记录温度
11、变化曲线以测定土壤热参数并结合含水率推算土壤体积质量。图 1 试验装置示意图 Fig.1 Connection diagram of experimental setup CR1000X 数据采集仪和探针加热的热源分别由3 个独立的 12 V 恒压直流电源蓄电池提供。热脉冲时长设置为 t0=15 s，加热功率 q86 W/m。试验开始之前需将 thermo-TDR 探针放在纯水中并使用PCTDR 软件测试电缆长度和窗口长度 2 个参数。同时校正探针偏移量。分别利用 3 个土柱测定 3 种质地的膨胀土，采用吸管法测定土样的砂粒、粉粒、黏粒质量分数（表 1）。土样经 105 烘干并以表 1 中的填
12、装体积质量分层填装于土柱中，放入去离子水中 48 h 进行充分饱和，然后自然脱水。前期预试验已测得膨胀土由饱和开始失水 15 d 后体积质量变化很小，故 1 次干湿循环控制耗时 15 d，室温恒定为 26。土壤体积质量的真实值采用直接测定法，使用游标卡尺测定土柱长 l（cm）、宽 b（cm）、高 h（cm）（读取 3 次取平均值）。填装土高度的变化乘以土柱底面积即为土样体积变化量。土样质量为 m（g），则 真实值为：真实值=mlbh。（1）thermo-TDR 探针和水势探头每天测定 3 次并取平均值作为 1 次测量结果。试验中对每种土样均进行3 次干湿循环处理，每次循环均对土样饱和后再静置自
13、然脱湿，即不借助任何外力或者施加任何压力的情况下让土样自然蒸发失水。由于饱和过程土样从底部开始吸湿，而 thermo-TDR 探针和水势探头分别位于土样的中部和表面，仅在吸湿过程的中后期水分才会渗入探针周围的土样，大部分时间测定的都为干土的参数，对整个试验周期更长且吸湿过程含水率在土柱中下高上低不均匀，故本试验只测定脱湿过程中的参数变化。表 1 3 种土样的颗粒质量分布、干土比热容及填装体积质量 Table 1 Particle distribution,specific heat of dry soil,and packing volume mass of three soils 土壤 编号
14、 砂粒/%粉粒/%黏粒/%干土比热容/(Jkg-1K-1)填装体积质量/(gcm-3)1 25.64 32.86 41.50 832.19 1.1 2 24.40 33.51 42.09 986.57 1.0 3 23.33 31.29 45.38 1 053.33 1.3 1.2 thermo-TDR 探针制作及测定原理 thermo-TDR 技术是热脉冲技术和时域反射技术的结合，由 3 根长度相同、间距为 r 的探针构成，可以实现土壤含水率、体积质量、孔隙度、饱和度、热参数和电导率的连续、原位监测。中间探针作为无限线性热源，两侧中一侧探针作为感应探针，组成热脉冲部分，3 根探针尾部焊接同轴
15、电缆组成 TDR 部分。本研究制作的探针由长 6.0 cm、外径 1.3 mm、内径 0.9 mm 的 3 支不锈钢空心针组成。其中边上的1根针作为感应探针，内置3个热敏电阻（10K3MCD1,李敏 等：膨胀土干湿循环自然胀缩下土壤水分特征三维曲线研究 123 Betatherm Corp.，美国），中间探针作为加热探针内置镍铬绝缘电阻丝（阻值为 80/m），另一侧探针用于 TDR 针12-14。为满足线性热源模型要求，探针长度定为6 cm（针长与半径比值为46），间距为6 mm，3 个热敏电阻分别放置在距离底座 l1=45 mm，l2=30 mm，l3=15 mm 处。热敏电阻和电阻丝通过填
16、充高导热性能的环氧树脂（Omega engineering,美国）固定在针内，3 支不锈钢针通过环氧树脂胶固定在四氟材料做成的圆柱底座中（半径 12 mm，高 45 mm，壁厚3 mm），组成探头。初始探针间距需要在室温下利用浓度为 5 g/L 的琼脂溶液标定15。热脉冲部分根据热传导理论，在一个无限大的均匀等温介质中，无限线性热源发出 t0时长的热脉冲，距热源径向距离 r 处温度随时间的变化可表达为：T(r,t)=-q4cEi(-r24t)tt0，（2）式中：T 为温度变化值（）；为土壤热扩散系数（m2/s）；t 为时间（s）；t0为热脉冲的时长（s）；r 为热敏电阻距线性热源的垂直距离（m）；Ei(-x)为指数积分；q为单位长度加热丝在单位时间内释放的热量（W/m）；c为土壤容积热容量（MJ/（m3K）。经过一系列推导16-19，得到土壤体积质量 b的计算式为：b=c-wcwwCs，（3）式中：wcw为水的容积热容量（MJ/（m3K）；w为土壤含水率（m3/m3）；cs为土壤固相的比热（J/（kg）。纯水在 20 时容积热容量为 4.18 MJ/（m3K），土壤固体比热值在干土中使