土壤水综合教学实验设计

吕华芳，王忠静

（清华大学 水利水电工程系，水沙科学与水利水电工程国家重点试验室，北京 100084）

1 土壤水分特征曲线与给水度

土壤水分特征曲线与给水度是水文水资源研究领域中非常重要的2个基本概念，是水利专业本科教学中具有代表性的参数测定实验[1]，一般都是进行独立的验证性实验，缺少设计性、综合性和研究性[2－4]。

土壤吸力S与土壤含水率θ的关系曲线，称为土壤水分特征曲线[5]，如图1所示，它表征了水分在土壤中的分布情况，其形状由土壤的性质决定。土壤水分特征曲线是分析土壤水运动的最基本的资料之一，同时也是获取其他土壤水分常数和土壤水动力参数的基础[6]。目前其测定方法主要有张力计法、压力膜仪法、离心机法等[7]。

给水度μ是土壤释水和储水性能的一个重要指标，地下水发生单位水头下降时，从单位体积V的土壤中可以释放出来的水的体积Q，叫做土壤的给水度[8－9]，一般田间采用抽水法、室内采用测筒法进行测定。

图1 土壤水分特征曲线

关于给水度，一般情况下，学生从定义上简单理解，认为给水度是一个常数。实际上，给水度是一条随着潜水位的下降，即地下水位埋深的增大而增大，在某一埋深Zc后趋近稳定的曲线，如图2所示。

图2 土层给水度曲线

给水度的曲线特征，其实是由土壤水分特征曲线决定的。本实验设计的目的就是从2个看似独立的概念出发，通过实验，找到它们之间的联系，增强学生对2个基本概念的深入理解。

2 理论背景

潜水位下降，使部分土层由饱和变为非饱和，土壤水分将发生运动变化。重力势z和基质势s是非饱和土壤水分运动的主要驱动力，前者由土壤水分所处的位置而定，后者是土壤含水量θ的函数。在直角坐标系中用达西定律描述非饱和土壤水分运动，单位面积土壤水分通量q可表示为

式中dh为总水势，包括重力势z和基质势s；k（θ）为土壤导水率；dz为运动路径长度。

因而，均质土壤无蒸发条件下，地下水位以上土壤稳定剖面含水率θ的分布与地下水位埋深z的关系，也就是该土壤的水分特征曲线θ与s关系。因此，当潜水位即地下水位埋深从H降落ΔH后，单位面积土壤所释放的水量Q为相应的2个稳定剖面含水量之差[10]，即潜水位下降后相应2条土壤水分特征曲线之间的土壤含水量，也就是如图3中所示的曲线θ（H）与θ（H＋ΔH）之间阴影部分的面积，可写为

式中，θ（z）为该土壤的水分特征曲线函数，θs为土壤的饱和含水率。

图3 潜水位下降时土壤释水量

θh为地下水埋深为h时地表土壤含水率，即土壤水分特征曲线中吸力为h时对应的土壤含水率。

随着潜水位的下降，2条相应土壤水分特征曲线间阴影部分的面积不断增大，直到某一个潜水位时，即图2中地下水埋深为ZC时接近稳定于完整的2条土壤水分特征曲线包含的面积。换而言之，即地下水埋深为ZC时，公式3中地表处土壤含水率θh接近为0，给水度接近稳定于最大值θs。

因此，我们可以用土壤水分特征曲线来解释给水度的曲线特征，并可以通过土壤水分特征曲线来计算相应潜水位下土壤的近似给水度。反之，我们亦可以通过公式3，得到公式θh＝θs－μ，从而通过给水度推算出相应地下水埋深h即土壤吸力为h时的土壤的近似含水率。

3 实验设计

综上分析，我们将土壤水分特征曲线与土层给水度2个具有内在联系的测定实验，设计为一个综合型的整体实验。选用同一种砂壤土，在同一干容重γ下，利用张力计法进行土壤水分特征曲线的测定；利用测筒法进行土层给水度的测定；通过土壤水分特征曲线测定实验结果计算，得到近似给水度曲线；通过土层给水度测定实验结果计算，得到近似土壤水分特征曲线。从而可得到2条实测曲线和2条计算曲线，具体方法如下。

3.1 土壤水分特征曲线测定

利用张力计法进行土壤水分特征曲线的测定，主要的仪器包括张力计（见图4）与试样土罐（见图5）[11]。张力计由陶土头、集气管和负压表3部分组成。陶土头为多孔透水材料，用来透水；负压表量程为100kPa，分度值为2kPa；试样土罐采用有机玻璃制成，高12cm，内径10.2cm，罐底均匀地钻有0.2cm的小孔，以备湿润饱和土样用。

图4 张力计示意图

图5 试样土罐示意图

实验时，将初始质量含水率为θ0的预制土样，按照设定容重分层均匀装入体积为V的土罐中；用与张力计直径相近的小土钻打孔，并称出打孔后实际装入土罐中的土样质量mt。然后，将充满无气泡水的张力计插入土样中，张力计中的自由水经过陶土头壁与土罐中的土壤水建立了水力联系，组成测定系统，并称出此时的系统初始质量m0。再将整个系统放置在盛水容器中进行土样饱和，将饱和后的系统取出，并称出其系统重量ms，由此可以得到该土样的饱和体积含水率。将饱和后的系统静置在空气中进行自然蒸发脱湿，用天平定期对蒸发后的系统质量m进行称重，则可以得到相应的土壤体积含水率。通过读取系统中负压表的读数及集气管中水柱的高度值，可以得到相应的土壤吸力S，直到负压表的读数接近最大值时停止实验[11]。

3.2 土层给水度测定

利用测筒法进行土层给水度的测定，实验仪器如图6（单位均为cm）所示[12]，包括由2个长100cm、内径18.6cm的有机玻璃柱组成的实验土柱，中间用法兰连接，做不透水处理，以方便装填土样。由马利奥特瓶、进水管、进水开关、透水板组成的供水装置，用来为土样充水。透水板上垫若干层滤纸，主要是为了防止土体的机械侵蚀，同时扩大透水面积。由出水开关、出水管、溢流器组成的溢流装置，溢流器分为内外2层。内槽（高10cm）为储水槽，底部与出水管连接，实验时蓄满水，可控制饱和土层水面的下降高度，并将饱和土体排出的水量，通过顶部的小孔流入到外槽（高15 cm，底部设有开关）中进行存储[12]。

图6 给水度测定装置

实验时，首先将土样在设计容重下分层均匀装入土柱中。向马氏瓶中注满水并调整其高度，使其出水口与土柱顶部齐平。关闭出水开关，打开进水开关，从土柱底部为其充水，直至土体完全饱和，关闭进水开关。在试样柱顶部安装防蒸发盖，调整溢流器中水槽高度，并使之与土柱顶部齐平，然后开启出水开关。按照设计高度ΔH逐层下降溢流器，并在每一高度上停留足够时间，使土柱充分释水后，用量筒量取溢流器外槽中每层下降高度后的排水量ΔQ。

3.3 结果处理

利用土壤脱湿实验数据绘制土壤水分特征曲线，并选用经验公式进行曲线拟合，便可得到地下水位以上稳定剖面含水量的分布θ与地下水位埋深z的关系方程θ（z），再利用前述公式2，可计算出对应测筒法实验中逐次下降溢流器ΔH后，单位面积土壤所释放的水量Q，再根据定义，S为土柱的截面积，则可以绘制出近似土层给水度曲线。利用测筒法测得的实验数据绘制给水度曲线，并选用经验公式拟合，得到给水度μ与地下水位埋深h的关系曲线，利用公式4，可计算得到地下水位埋深h时，即吸力h时的土壤含水率θ，从而可以绘制出近似土壤水分特征曲线。最后将4条曲线进行对比分析，完成实验报告。

4 结束语

将土壤水分特征曲线与给水度这2个具有内在联系的基本参数测定实验，设计为一个综合型的整体实验，既可以使学生对2个基本参数的测定有一个直观、全面的掌握，又可以巩固、加深学生对2个基本概念及其转换关系的理解，丰富了课程内容，增加了实验的趣味性，锻炼了学生发现、解决问题的能力，相比设立单独的测定实验，实验教学效果更好。

（References）

[1]席临平，杨胜科.水文与水资源实验技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]黄界颍，胡宏祥，李道林，等.土壤学综合性实验教学改革[J].现代农业科技，2011（2）：16-18.

[3]于群英.谈土壤学课程的教学改革[J].中国职业技术教育，2005（6）：44-46.

[4]梁运江.土壤学综合性实验设计[J].实验技术与管理，2012，29（1）：40-41.

[5]雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988.

[6]刘洪波，张江辉，虎胆·吐马尔白，等.土壤水分特征曲线VG模型参数求解对比分析[J].新疆农业大学学报，2011，34（5）：437-441.

[7]李春燕，李红艳，石丽霞.压力膜仪法在测定土壤水分特征曲线中的应用[J].人民黄河，2011，33（9）：60-61.

[8]赵家良.给水度问题浅析[J].水文地质工程地质，1990（4）：43-45.

[9]张家发.给水度概念和广义给水度变化规律的初步分析[J].长江科学院院报，1991，8（1）：63-69.

[10]雷志栋，谢森传，杨诗秀，等.土层给水度的初步研究[J].水利学报，1984（5）：10-17.

[11]吕华芳，尚松浩.土壤水分特征曲线测定实验设计与教学实践[J].实验技术与管理，2009，26（7）：47-49.

[12]马传明.测定松散土体试样给水度实验仪的研制[J].地质科技情报，2005，24（7）：199-201.