基于van Genuchten模型土壤水分特征曲线的vanfit和MATLAB软件模拟研究.pdf

254Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.7基于 van Genuchten 模型土壤水分特征曲线的 vanfit 和 MATLAB 软件模拟研究 罗小清1，杨屹杰2，唐辉亮21.福建省将乐县气象局，福建将乐 353300；2.福建省三明市气象局，福建三明 353000摘要 研究了土壤水分特征曲线对探讨土壤水分运动机理及溶质运移动力学机制具有重要科学意义。由于测定土壤水分特征曲线的长历时性和时间限制，在从相关参考文献中提取土壤水分特征曲线测定数据的基础上，建立土壤水分特征曲线的资料库，采用van Genuchten模型对土壤水分特征曲线进行描述，分别应用vanfit软件和MATLAB软件下的lsqcurvefit函数2种方法对土壤进行van Genuchten模型下的4个参数拟合分析。结果表明，2个程序拟合结果大体相近且优良，均方差较小，拟合曲线大致相同，且土壤质地不同，其土壤水分特征曲线差别较大。关键词 土壤水分特征曲线；van Genuchten 模型；参数拟合；vanfit 软件；lsqcurvefit 函数中图分类号：S152.7 文献标识码：B 文章编号：20953305(2023)070254-03 土壤水分特征曲线是描述土壤水基质势或土壤吸力随土壤含水量变化关系的曲线，用于表征土壤水分在非饱和状态下能态与数量之间的关系，反映土壤持水和释水特性，可作为最重要和最基本的工具，用于研究土壤水分运动，调节利用土壤水，改良土壤等，该曲线的基本运动趋势为：随着含水量的减少，土壤基质势降低或水吸力升高。受到土壤在吸水和释水过程中土壤空气的作用和固、液而接触角不同的影响，土壤水分特征曲线并不是单值函数曲线。土壤物理性质、土温、土壤中有机质含量会对土壤水分特征曲线造成一定的影响，土壤种植作物也会影响土壤物理性质及有机质含量，不同的作物，其耕作制度和施肥方法也存在显著的差异，且还会影响土壤的性状，因此相同层次的不同作物表现出的土壤水分特征曲线也有明显的不同1。1 资料收集及资料库的建立鉴于测定土壤水分特征曲线实验耗时较长，拟从有测定土壤水分特征曲线的参考文献中收集相关资料，提取相关数据，建立土壤水分特征曲线资料库。通过资料的收集和数据的提取整理，得到相关资料库（表1）。2 土壤水分特征曲线的模拟2.1 土壤水分特征曲线模型选定土壤持水曲线是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数。土壤水分特征曲线数学模型种类较多，较常应用的是Brooks-Corey模型、van Genuchten模型、Gardner-Simmons模型、Broadbridge-White模型。大量研究得出，在众多构建出的数学模型中，van Genuchten模型以其与实测数据拟合程度最好。Van Genuchten（1980）模型具有连续特点且有连续斜率，得到的曲线光滑，对大多数水势或含水量范围较宽的土壤具有普遍适用性，并可得到相对导水率的解析解，因此被广泛应用于土壤物理领域。该公式为：=r+（1+|ah|n）m式中，表示体积含水量（cm3/cm3）；r指残留含水量（cm3/cm3）；s为饱和含水量（cm3/cm3)；h为吸力（cm H2O）；土壤呈饱和状态时，可认为土壤吸力hSimulation of Soil Moisture Characteristic Curve Based on van Genuchten Model by vanfit and MATLAB SoftwareLuo Xiao-qing et al(Jiangle County Meteorological Bureau of Fujian Province,Jiangle,Fujian 353300)Abstract The study of soil water characteristic curve is of great scientific significance for the discussion of soil water movement mechanism and solute transport mechanics mechanism.Due to the long duration and time limit of measuring the soil moisture characteristic curve,established a database of soil moisture characteristic curve on the basis of extracting the measured data of soil moisture characteristic curve from relevant references,and used van Genuchten model to describe the soil moisture characteristic curve,The four parameters of the van Genuchten model were fitted and analyzed by using the two methods of vanfit software and lsqcurvefit function under MATLAB software.The results showed that the fitting results of the two programs were generally similar and excellent,and the mean square deviation was also very small.The fitting curves were basically the same.It is found that the soil moisture characteristic curves vary greatly with different soil textures.Key words Soil water characteristic curve;van Genuchten model;Parameter fitting;vanfit software;Lsqcurvefit function作者简介 罗小清（1991），男，福建将乐人，助理工程师，主要从事综合气象业务工作。收稿日期 2023-05-10255农业灾害研究 2023,13(7)为0；a、n、m为拟合参数。参数a是尺度函数，与平均孔隙直径呈反比，a=1/hb，hb为进气吸力，向饱和的土壤中施加吸力，吸力小时，土壤中无水排出，土壤含水率处于饱和值，若吸力增加至某一临界值以上时，土壤孔隙中排出水分，该临界负压值即为进气值，土壤水由饱和转变为非饱和时的负压值。不同质地土壤进气值存在差异，重质粘性土壤通常进气值较大，轻质土或良好结构的土壤则进气值小，或无明显进气值，不易直接从土壤水分特征曲线图上获取a2。参数n的大小表征土壤水分特征曲线的坡度，当n比较大时曲线较缓，当n比较小时则曲线较陡。参数m可由参数n表达，m=1-1/n（n1）。2.2 vanGenuchten模型中参数的获取运用van Genuchten模型的关键是如何获得其中的4个参数。本研究采用2种不同方法获取van Genuchten模型中的参数。第一，利用vanfit软件获取van Ge-nuchten模型中的参数。vanfit软件是中文软件，根据压力膜仪实验数据，即可计算得出土壤持水曲线参数。利用vanfit软件拟合土壤水分特征曲线参数的方法如下：从上述步骤得到的Excel表格中提取土壤吸力与体积含水量数据。由于vanfit拟合软件内置的土壤吸力为土壤负压h，单位cm水柱；体积含水率为土壤含水量，单位g/g。因此有些土壤吸力以Pa、kPa等表示的数据需要单位换算：100 cm水柱=10 kPa=10 000 Pa。体积含水率也以小数形式表示。根据实测点数目，在van格式文件中输入土样数据，如：6（实测点数）1.0 30.7 83.0 220.1 493.3 691.4（土壤吸力）0.313 0.242 0.197 0.178 0.160 0.146 Q（体积含水率）然后在软件中打开van数据文件，根据土壤性质在软件迭代参数框中输入参数初始值后，“拟合”“图形”选项从灰选状态变成可选状态，点击“拟合”，可得到一组模型参数；点击“图形”，得到2个拟合曲线结果（图1）。图1 vanfit软件拟合结果左图为一般坐标下拟合的土壤水分特征曲线，右图为半对数（横轴为对数坐标）下拟合的土壤水分特征曲线。若拟合结果较好，则取软件所求得拟合结果参数；否则进行参数迭代，直至最优。第二，利用MATLAB软件lsqcurvefit函 数 获 取van Genuchten模 型 中 的 参数。lsqcurvefit函数拟合步骤如下：（1）建立fun1.m文件：function ydata=fun1(p，xdata)ydata=p(1)+p(2)-p(1)./1+p(3)*xdata.p(4).1-1./p(4)；%xdata，ydata为实验所得数据；p()为土壤持水曲线参数。（2）在Command Window输入初始数据：clear%输入实验数据 xdata，ydata表1 土壤水分特征曲线实测点数据提取结果实测点体积含水量/（cm3/cm3）土壤水势/(105 Pa)土样1土样2土样3土样4土样5土样6土样1土样2土样3土样4土样5土样610.1870.0710.2900.3510.2290.1730.998.4930.795.71147.04104.0720.240 0.077 0.310 0.3570.2440.1830.66 6.6910.74.66102.1189.4130.288 0.106 0.320 0.361 0.2620.1990.43 4.77 8.333.97 65.3578.3040.334 0.158 0.330 0.363 0.282 0.2180.31 3.32 5.263.58 36.7666.2150.369 0.202 0.370 0.366 0.304 0.2480.23 2.51 4.323.00 16.3453.3360.422 0.295 0.390 0.370 0.322 0.2910.18 1.01 2.992.03 9.1939.4570.488 0.362 0.410 0.375 0.345 0.3570.13 0.92 2.121.35 4.0825.7780.546 0.398 0.420 0.380 0.365 0.4530.12 0.87 1.260.73 1.0212.49256Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.7xdata=实验数据；ydata=实验数据；%设定迭代初始值Parameters0，分别代表r，s，nParameters0=0.1，0.1，0.01，1；（3）输入初始数据后，代入lsqcurvefit 拟合函数拟合，继续Command Window 输入：Parameters，resnorm=lsqcurvefit(fun1，Parameters0，xdata，ydata)%Parameters 为拟合的土壤持水曲线参数%resnorm 为均方差（4）在工作区内，便会显示出土壤持水曲线参数Parameters的拟合结果，使用非常方便。（5）如果之后要显示拟合图形，首先要根据模拟参数计算出模拟曲线的若干点的坐标值，其命令如下：x1=0:0.1:1000；y1=Parameters(1)+(Parameters(2)-Parameters(1)./(1+(Parameters(3)*x1).Parameters(4).(1-1./Parameters(4);如要显示一般坐标土壤持水曲线，可直接输入命令：plot(xdata，ydata，ko，x1，y1，k-)如要显示半对数坐标土壤持水曲线，可直接输入命令：semilogx(xdata，ydata，ko，x1，y1，k-)并根据需要，在图上添加标签及说明。xlabel(土壤负压h/cm 水柱)；ylabel(土壤含水量/g.g-1)；legend(实测值，拟合曲线)；由于参数直接由程序计算得到，因此不需要再迭代。2.3 土壤水分特征曲线参数拟合结果用Vanfit软件和MATLAB软件按照上述方法，对土壤水分特征曲线资料库中的土壤水吸力与土壤含水率关系数据采用van-Genuehten模型进行土壤水分特征曲线拟合，得到最终拟合效果较好的模型参数和土壤水分特征曲线图（表2）。表2 土壤水分特征曲线参数拟合结果土样编号拟合方法rsan均方差1VANFIT软件0.030 9934.359 3202.230 5641.565 9654.08E-05lsqcurvefit函数0.006 94019.95 240140.4 9341.457 2702.10E-032VANFIT软件0.032 8041.489 4366.266 9701.844 0203.87E-04lsqcurvefit函数0.245 1900.696 7860.003 4204.428 4901.80E-033VANFIT软件0.268 4030.433 0060.004 5421.739 7741.22E-05lsqcurvefit函数0.268 3980.433 0150.004 5411.739 7111.10E-044VANFIT软件0.814 3360.377 5710.003 1951.037 7849.44E-07lsqcurvefit函数0.271 4700.380 1200.008 4101.042 4903.37E-055VANFIT软件0.004 2730.376 0960.003 3621.019 1912.98E-06lsqcurvefit函数0.006 0800.386 5800.006 5601.013 7406.44E-056VANFIT软件0.064 8740.519 9190.004 9601.873 8101.54E-06lsqcurvefit函数0.064 8770.519 9170.004 9601.873 8301.23E-053 拟合结果分析与展望从各拟合结果来看，2个程序拟合结果大体上是相近且优良的，4个参数值相差不大，均方差也很小，拟合的曲线大致相同。对于砂壤，2个软件所求出的4个参数相差较大，由于土壤吸力与土壤含水率对应关系特征不明显，Vanfit软件与MATLAB软件的拟合结果均不是很好，2个软件拟合的曲线都有较多未经过的实测点。而粉黏壤，2个软件拟合的曲线有一定偏差，Vanfit软件拟合的曲线会经过更多的实测点，因而曲线稍向上凸；而MATLAB拟合的曲线大致走向没问题但避开了大多数实测点。可以发现，当实测土壤的吸力与含水率的对应关系明显时，Vanfit软件与MATLAB软件对Van-Genuchten模型下4个参数的率定和土壤水分特征曲线的拟合结果都是很接近且准确的。研究土壤水分特征曲线对探讨土壤水分运动机理及溶质运移动力学机制具有重要的科学意义，许多研究表明，准确的土壤性质数据及其土壤水分特征曲线拟合的优良程度是研究的关键因素，而文献中建立的资料库所收集的土壤样本不多，拟合曲线仅采用了vanfit软 件 与MATLAB软 件lsqcurvefit函数2种方法。因此在今后研究中需要建立起准确、可靠和全面的资料库，以便能对土壤水分特征曲线有更深入研究，并采用更多方法进行拟合。参考文献1 郭凤台,迟艺侠,程东娟,等.土壤水分特征曲线试验研究J.南水北调与水利科技,2006(2):47-48.2 张强,孙向阳,黄利江,等.毛乌素沙地土壤水分特征曲线和入渗性能的研究J.林业科学研究,2004(S1):9-14.责任编辑：黄艳飞