干湿交替过程中土壤胀缩特性探析

摘   要：　土壤胀缩现象是指土壤在干燥、湿润交替变化过程中所表现出的土壤容积随含水量改变的一种现象。本文就土壤容重测定方法、土壤容积变化表示方法和常用土壤收缩特征曲线模型等方面进行了总结和归纳, 为干湿循环条件下土壤的胀缩特征研究提供参考。

　　关键词：　土壤收缩特征; 土壤容重; 土壤容积;
 

　　Abstract：　Swelling and shrinking of soil refers to a phenomenon in which the soil volume changes with water content during the process of alternating dry and moist soils. In this paper, soil volume weight determination method, soil volume change expression method and commonly used soil shrinkage characteristic curve model are summarized. It provides reference for the research of soil shrinkage characteristics under the condition of dry and wet cycle.

　　Keyword：　soil shrinkage characteristics; soil bulk density; soil volume;

　　0、 引言

　　湿度及温度循环变化所引起的胀缩现象是自然界内万物的固有属性, 指湿度或温度降低后的收缩以及湿度温度升高后的膨胀, 即湿胀干缩与热胀冷缩特性[1]。农业方面, 土壤在缺水的条件下会产生收缩, 其表面会产生不可逆的宏观变形, 裂隙逐渐发育, 土壤的结构与质量会受到较大影响, 裂隙的产生会为优先流的产生创造条件, 优先流的淋溶作用会使得植物根区的肥料和营养物质会流失, 入渗水流会挟带污染物沿优先途径到达地下水面, 污染地下水源。

　　研究干湿交替过程中土壤胀缩特性对土壤水分运动理论的完善具有一定的理论研究意义。

　　1、 土壤容重测定方法

　　土壤容重是指在自然状态下, 单位体积土壤的干重, 单位为g·cm3。土壤容重主要反映的是土壤松紧程度以及结构状况。随着科学水平的不断提高, 土壤容重的测定方法和手段也经历了一系列的发展。传统方法中, 是利用环刀取出土样, 在实验室通过烘干等一系列方法测出土壤容重。这种方法具有简单且容易操作等优点。但是这种方法存在一定的局限性, 若待测试样为松散体或土样中夹杂了部分砂石, 此时环刀取样测容重的方法则显然不再适用。基于此背景下, 利用石蜡浇注来测定容重的方法被学者提出, 基本思路是通过熔化的石蜡来代替被移走的土壤, 以石蜡的容积来确定出待测试样的容重, 这种较为新颖的测试方法同样存在不足, 例如操作复杂, 对于过程控制的要求较高。

　　祝艳涛[2]等认为可以利用TDR与土钻法相结合来测定土壤容重, 两种方法的结合具有快速、精确、连续测定等优点, 并能测定某一特定土层的含水量, 利用TDR法与土钻法相结合的测试方法能避免破坏土壤结构, 这种测试方法比较适用于长期且需要连续监测的环境。吕殿青[3]等为了得到容重与土壤吸力之间的函数关系, 利用了土壤水分特征曲线幂函数模型以及土壤收缩特征线性模型, 根据试验资料对所得到的函数关系进行了检验, 最终提出了三点法, 以此来确定土壤持水特征测定中土壤容重的变化, 利用三点法所得到的土壤水分特征曲线经检验与实测结果极为吻合, 该方法的精度较高。

　　2、 土壤容积变化表示方法

　　容积比率是土壤容积变化与水损失容积之比, 在实际研究中经常被用于预测田间土壤容积的变化。对于土壤容积变化的表示方式, 更为常用的是利用比容积来表示, 比容积与容重之间是互为倒数的关系, 比容积与重量含水量之间的关系被定义为收缩特征曲线。

　　Parker等利用线性延展系数为基础计算了自然结构土块的容积变化, 并以此为标准来评价估计土壤容积变化的方法。已有的研究表明, 粘粒类型比粘粒含量对容积变化的影响更大, 而土壤潜在的容积变化则与土壤中的弹性指标密切相关。线性延展系数和可能容积变化被广泛应用于田间土壤容积变化的预测中。

　　3、 土壤收缩特征曲线模型

　　在评估土壤结构质量中, 与土壤含水量有关的容积变化的指标已被广泛运用。为了采用同标准进行比较, 许多学者提出了土壤收缩特征模型, 其中以三直线模型, Logistic模型, 土壤容积变化的通用方程, KM模型等尤为常用。

　　3.1、 三直线模型

　　Mgarry提出了三直线模型, 用来描述土壤收缩特征的变化。其主要思想是将土壤收缩特征曲线分为三个阶段, 即滞留段、正常段和结构段。三直线模型的表达式为:

　　在上式中:v表示比容积, 计量单位为cm3·g-1, U表示质量含水量单位为g·g-1, r、n、s分别表示滞留、正常、结构段, 土壤收缩特征曲线的斜率;UA、UB、US分别表示的是滞留拐点 (进气点) 、结构拐点 (膨胀极限) 以及饱和点处的质量含水量, α、k、γ是常数, 取经验值。

　　在三直线模型中, 每一收缩段都有其自身的数学特点和特定的物理条件, 其数学特点和物理条件之间往往具有一致性, 所获得的参数均有其物理意义。

　　3.2、 土壤容积变化的通用方程

　　Giraldez等提出了土壤容积变化的通用方程, 用来描述土壤容积的变化, 其表达式为:

　　在上式中:v表示比容积, vs表示土壤比重的倒数, ρw表示水的密度, θae表示进气点的含水量, θm表示重量含水量。

　　为计算简便, 上式中水的密度取值为1。这个模型存在缺陷, 只能得到最小值, 而不能得到最大值, 因此精确度较低只能对滞留与正常收缩段的土壤容积变化进行近似描述。

　　3.3、 KM模型

　　Kim和Vereecken通过最小二乘法目标函数和Marquarts优化方法相结合提出了KM模型, 该模型是指数与线性相结合的模型。

　　在上式中:ρs表示土壤比重, 单位为g/cm3, a'、α'、b'为经验参数。

　　KM模型存在一定的缺陷, 没有对结构收缩进行考虑分析, 对正常收缩段的模拟只能用线性函数进行, 对滞留段的描述则使用指数函数的倒数的形式进行。

　　3.4、 Logistic模型

　　Nelder提出了Logistic模型, 该模型能近似描述土壤收缩的基本形状。

　　在上式中:a2、b2、c2、d2为经验参数。

　　该模型没有较为完善的理论基础为依托, 所选的参数只能通过数据拟合来近似估计, 这些参数没有其特定的物理意义, 其优点在于它符合土壤收缩的形状, 即“S”形。

　　Mcgarry对常用的模型进行了比较, 包括三直线模型、土壤容积变化的通用方程和Logistic模型, 对模型中出现的重要参数作了较为详细的说明, 其结论为:通用方程没有最大值, 对结构收缩区域不再适用, 对整个收缩过程不能进行准确精准的描述。Logistic缺乏完善的理论基础支撑, 其所涉及的参数的物理意义不明确。三直线模型是较为适用的模型, 该模型能较为完整的描述土壤收缩过程中的三个收缩区域, 模型中所涉及的各项参数都有其自身明确的物理意义。

　　黄传琴等[4]在试验的基础上对四种土壤胀缩过程中土壤容积与含水量的关系及土壤的胀缩特征进行了详尽的研究分析, 其研究结果表明, 三直线模型对于四种土壤的收缩、膨胀过程能进行准确的模拟。

　　4、 结语

　　目前, 已有大量国内外学者对土壤胀缩方面进行了研究, 土壤的胀缩现象存在其一定的时间和空间变化规律, 这需要我们进行不断的探索发现。国内外相关学者对土壤容积变化的表示方法、土壤干裂特征、变性土土壤水运动机理、土壤的收缩特征曲线以及影响土壤收缩的相关因素等方面已进行了相当的研究。而在今后的研究中, 将土壤的收缩特征与土壤水力特征相结合, 并以此来研究土壤水分运动是研究的一个重要方向, 以此研究为更高效地利用水分和防止地下污染提供更加真实可靠的科学依据。

　　参考文献：

　　[1]杨和平, 张锐, 郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报, 2006, 28 (11) :1936-1941.
　　[2]祝艳涛, 钱天伟, 但德忠.时域反射仪结合土钻法测定土壤容重[J].资源开发与市场, 2006 (03) :213-215, 219.
　　[3]吕殿青, 邵明安, 王全九.土壤持水特征测定中的容重变化及其确定方法[J].水利学报, 2003 (03) :110-114, 119.
　　[4]黄传琴, 邵明安.干湿交替过程中土壤胀缩特征的实验研究[J].土壤通报, 2008 (06) :1243-1247.