估计土壤水分特征曲线的简化分形方法.pdfVIP

土壤(Soils)，2004，36(6)：672～674 估计土壤水分特征曲线的简化分形方法 刘 慧1 刘建立2 摘要 本文提出了一种简化的分形方法来根据土壤粘粒含量估计水分特征曲线。对578个不同质地样本 的研究结果表明，这种简化方法预测体积水分含量的均方根误差介于O．027～0．076cm3／cm3之间，略小于采用完整 颗粒分布资料的预测结果(0．028～0．082cm3／cm3)，其精度适合于大尺度实际问题的研究需要。 关键词 分形：土壤；水分特征曲线 中图分类号 S152．7 模拟非饱和带水分的动态变化首先需要确定土 壤的水分特征曲线。通常采用的室内和田间试验方 !!垫!：f善]3_D (1) w7’ LA。，／ 法有张力计法、压力膜法等。但是对于流域尺度的 实际问题，通过直接实验方法测定水分特征曲线周 式中：瞅鲰f)为小于或等于半径Rf的颗粒累积质量 期很长、成本很高，而且土壤空间的强烈变异性也 百分含量；Wr为样本的总质量；厶为表现出分形特 使得大规模的直接测定不太现实。这时就需要一种 征的固体颗粒半径上限，通常取砂粒半径(1mm)； 既简单实用同时又具有一定精度的间接方法，即利 D为分形维数。利用上式根据实测颗粒大小分布即 用土壤颗粒分布等容易测定的基本物理性质根据某 可确定分形维数。 种数学关系来间接地估计土壤水分特征曲线。 常规的土壤调查资料中通常仅有砂粒(半径1 经过20多年来的研究，人们已经提出了多种估 mm)、粉粒(0．025mm)和粘粒(0．001mm)3个 计水分特征曲线的间接方法【l21。分形几何(Fractal 级别的颗粒分析数据。为提高分形方法的实用性， geometry)即是其中一种相对实用、而且物理意义明 对式(1)作进一步的简化，即将粘粒和砂粒含量分 确的方法。Tyler和Wheatcraft最早将分形理论应用 别代入上式，则有 到间接方法的研究中【3】。他们提出了一种根据土壤 颗粒分布计算分形维数(fractaldimension)并预测水 I』_， 竖型塑：f掣1 (2) 分特征曲线的方法。之后，他们又对分形几何理论 ％ I九J 一=l—I 在土壤物理学中的应用作了进一步的完善[4,51。和 Kravchenko和Zhan9161提出了一种利用土壤颗粒大 小分布确定表面分形维数的新方法，并用UNSODA 雩掣：f尝1 (3)”7 坼 L五。／ 数据库【7】中的样本验证了分形模型的预测效果。刘 建立等Ⅲ对这种方法进行了改进，进一步提高了水分 综合式(2)和(3)，可得 含量的预测精度。但是，上述这些方法都需要比较完 !!三旦：塑!!：f业叫3～ (4) 整的颗粒分析资料。而实际上，在流域尺度的研究中 W(≤1) L 1．0／ 要获得十分详细的颗粒大小分布往往是不现实的。 通常情况下，对应于砂粒的累积质量百分含量 本文目的在于提出一种更为简便的确定分形维数的 为10009／kg，上式可进一步简化为 方法，以增强分形方法在实际应用中的可操作性。