水分持留曲线

水分持留曲线描述土壤含水量θ和土壤水势ψ之间的关系。不同类型土壤的水分持留曲线都是特异的，因此该曲线也被叫做土壤水分特征曲线。

砂土、粘壤土、黏土和泥煤的水分持留曲线。

该曲线常被用来估计土壤蓄水量、对植物的供水能力（田间持水量）以及土壤团聚体稳定性。由于水进入和离开土壤孔隙具有迟滞效应，润湿和干燥曲线也可以区分开。

水分持留曲线的总体特征如图所示，该图横纵坐标分别为体积含水量θ和基质势${\displaystyle \Psi _{m}}$。在势能接近0处，土壤接近饱和，水分主要由毛细作用力保持在土壤中。当θ逐渐变小，水的结合力增强，在更小的势能处（负值的绝对值变大，即接近凋萎点（英语：Permanent wilting point）），水被紧紧留存在最小孔隙中、谷粒的接触点间，以及被土壤吸附力保留在颗粒表面形成一层水膜。

砂土中的水主要是靠毛细作用来吸收的，因此在较高（较小绝对值）势能下，大部分水会流失。然而黏土由于粘附和渗透的存在，会在较低势能下才释放水分。在任意势能下，泥煤土的水含量通常比黏土要高，而后者的含水量一般比砂土高。任意土壤的持水性都和土壤孔隙度以及土壤结合力的特性有关。

形状参数

有多种模型可以用来描述水分持留曲线的形状，其中一种是van Genuchten模型：^[1]

${\displaystyle \theta (\psi )=\theta _{r}+{\frac {\theta _{s}-\theta _{r}}{\left[1+(\alpha |\psi |)^{n}\right]^{1-1/n}}}}$

其中

${\displaystyle \theta (\psi )}$ 是水分持留曲线[L³L⁻³]；

${\displaystyle |\psi |}$是吸水压力([L]，cm水柱)；

${\displaystyle \theta _{s}}$是饱和水含量[L³L⁻³]；

${\displaystyle \theta _{r}}$残余水含量[L³L⁻³];

${\displaystyle \alpha }$与进气吸力的倒数有关，${\displaystyle \alpha >0}$ ([L⁻¹], or cm⁻¹)；

${\displaystyle n}$是孔隙大小分布的一个相关量，${\displaystyle n>1}$ (无量纲)。

基于上述参数化方式，我们构建了一个能够对不饱和导水率-饱和-压力关系作出预测的模型。^[2]

历史

1907年，物理学家埃德加·白金漢姆（英语：Edgar Buckingham）（Edgar Buckingham）利用从砂土到黏土质地各不相同的六种土壤，建立了第一条水分持留曲线。^[2]实验所用土壤柱有48英寸高，在距离土壤柱地段2英寸的位置，通过周期性地利用侧管补充水分，保持了一个稳定的水位。土壤柱的上端是封闭的以防止蒸发。

方法

范格魯切騰（Van Genuchten）参数（${\displaystyle \alpha }$和${\displaystyle n}$）可以通过田间或室内实验来确定。一种方法是瞬时剖面法，^[3]利用该方法可以测定在一系列吸水压力${\displaystyle \psi }$下的土壤含水量${\displaystyle \theta }$ （或有效饱和度${\displaystyle Se}$）。由于该方程的非线性特征，诸如非线性最小二乘法等数学技巧能够用来解出范格魯切騰参数。^[4]被估计参数的精确度取决于已有数据集（${\displaystyle \theta }$和${\displaystyle \psi }$）的质量。

参考文献

1. van Genuchten, M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils (PDF). Soil Science Society of America Journal. 1980, 44 (5): 892–898 [2016-11-01]. doi:10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x. （原始内容 (PDF)存档于2013-06-18）.
2. Buckingham, Edgar, Studies on the movement of soil moisture, Bureau of Soils, Bulletin 38, Washington, D.C.: U.S. Department of Agriculture, 1907
3. Watson, K.K.. An instantaneous profile method for determining the hydraulic conductivity of unsaturated porous materials. Water Resources Research. 1966, 2 (4): 709–715. Bibcode:1966WRR.....2..709W. doi:10.1029/WR002i004p00709.
4. Chou, T.K. A free GUI application for solving the van Genuchten parameters using non-linear least-squares minimization and curve-fitting (PDF). www.cmcsjc.com. 2016,. January: 1–5. （原始内容 (PDF)存档于2016-03-04）.

外部链接

• SWRC Fit （页面存档备份，存于互联网档案馆）