非饱和土壤水分水平运动分形Richards模型的实验验证和分析

发布时间：2021-11-09 06:07

　　合适的数学模型在探究非饱和土壤水分运动规律的中起着极其重要的作用。基于水平土柱非饱和土壤中水分运动实验,利用实验中观测到的非Boltzmann尺度律现象,对影响非Boltzmann尺度律参数大小的因素进行分析整理。在扩散系数与含水率呈指数函数关系条件下,采用分形导数Richards模型（FRE）对水平土柱非饱和土壤水分运动实验中含水率的空间分布及含水率穿透曲线结果进行模拟。结果表明:土壤颗粒级配不均性、较高的实验水头等会增大非Boltzmann尺度律参数;无论非Boltzmann尺度律参数>0. 5还是<0. 5,分形导数Richards模型的拟合效果均优于经典Richards模型（CRE）。因此,分形导数Richards模型对水分运动规律的描述是有效的,可以为非饱和土壤中水分运动模拟提供模型参考。 

【文章来源】：环境工程. 2019,37(12)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

含水率测量系统

图2为非Boltzmann尺度律曲线对实验数据的指数拟合效果图可知:使用实验数据所呈现的现象均可以使非Boltzmann尺度律进行拟合分析，拟合结果中相关系数R2均>0.99，土壤湿润锋与时间的相关性分析达到极显著水平，可以认为水平土柱水分运动实验的结果符合非Boltzmann尺度律现象。观察实验土壤样本的级配与非Boltzmann尺度律参数，A、B、C、D组土壤颗粒粒径分别为0.15～0.6,0.15～0.6,0.15～0.6,0.3 mm，均达到本组土壤总颗粒含量的80%以上，可以发现少量其他粒径大小的颗粒对非Boltzmann尺度律参数有显著影响。对比分析A、C、D组土壤级配与非Boltzmann尺度律参数，可以发现，随着土壤颗粒不均匀程度增加，非Boltzmann尺度律参数呈增大趋势;对比分析B、D组级配与非Boltzmann尺度律参数，可以发现在土壤主体颗粒直径(认为颗粒直径占总颗粒的80%土壤颗粒，即为主体颗粒直径)集中在某一区间范围时，大于主体颗粒直径的土壤颗粒对非Boltzmann尺度律参数的影响，高于主体颗粒直径以下的土壤颗粒对非Boltzmann尺度律参数的影响;对比分析A1、A2组实验可看出，相对于较小的实验水头，较大的实验水头会增大非Boltzmann尺度律参数。

图3中实线与虚线分别为分形导数Richards方程与经典Richards方程在扩散系数为含水率的指数函数时最佳拟合曲线。其中，分形导数Richards方程拟合曲线RMSE(均方根误差)为0.1093，经典Richards方程拟合曲线RMSE为0.2323，分形导数Richards方程在非Boltzmann尺度律参数α/2<0.5的情形下，拟合效果优于经典Richards方程拟合效果。由图3中可看出:分形导数Richards方程对于实验数据所呈现的由时间变化引起的空间分布具有很好的描述。3.2.2 含水率穿透曲线


本文编号：3484774