力高泰微课堂 | HYPROP2 初始测量数据为什么会波动？

当查看Hyprop2量程时，你会发现，标注的是+20到-2400hPa。需要解释3点：

关于单位

1hPa=0.1kPa，也就是说，如果用kPa来表示，其量程是+2到-240kPa。

关于正水势

纯水的水势为0，而Hyprop2的量程上限是+20hPa。之所以出现这种情况，是指如果把Hyprop2中的张力传感器放置在纯水中，如果传感器在水面以下，传感器可测量得到一个高于0的水势。

关于概念

文献中，常会看到土壤水吸力（Soil Suction）这个概念，它和土壤水势互为相反数（两者JD值相等，土壤水势为负，土壤水吸力为正）。土壤水势越低，即土壤水分含量越少，土壤水吸力越大。另外一个概念是进气值（Air-Entry Value），它是指土壤水分含量达到饱和状态后，失水过程中，开始有空气进入土壤孔隙时，对应的土壤吸力值。

HYPROP2 土壤水分特征曲线测量仪的数据，在测量初始阶段，会出现不规律的细微波动（图1）。这种现象背后的原因是什么呢？

图1 HYPROP2 测量初期数据的不规律细微波动

为了寻找答案，Tollenaar 使用两种类型的土壤进行了实验。一种为沙土，主要成分为砂；另一种是粘土，主要成分是粘土和粉砂，该土样具有良好的塑性。

土壤塑性是指土壤在外力作用下变形，当外力撤销后仍能保持这种形变的特性。土壤只有在一定的含水量时，才具可塑性。它有上塑限（或称流限），即土壤因含水过多而失去塑性，并开始成流体流动时的土壤含水量[1] ，它是土壤呈现塑性的ZD含水量；下塑限（或简称塑限），即土壤呈现塑性的Z小含水量，也是土壤半固态结持性和可塑结持性的临界含水量。上塑限和下塑限的差值称为塑性值。塑性值越大表示土壤塑性越强。

图2 HYPROP2/KSAT/WP4C工作组（点击了解详情）

沙土样品实验

将 HYPROP2 安装好之后，从沙土顶部洒水。洒水速度慢而均匀，当土样上面出现薄的水膜时，立刻开始测量。

实验过程中，当出现不规律波动后，继续向样品中加水，以观察不规律波动是否会再次出现。ZH烘干称重计算土壤样品含水量。

粘土样品实验

采用 Tollenaar Gonzalez （2017）论文中的方法，使用含水量不同的样品进行测量。

粘土样品含水量详细信息如下：

开始测量前的粘土含水量

只使用底部张力计进行实验，上部张力计用保鲜膜包覆，实验温度为 20℃。对于高出饱和点的D、E土壤样品，首先使用 HOBART A200N 混合 45 mins， 之后放入塑料容器中静置，ZH倒入 HYPROP2 环刀后开始测量。

沙土测量结果

图3 沙土测量过程

共进行了三次补水。前两次补水前后都出现了数据波动，幅度大约2-5kPa（补水后使土壤吸力低于进气值，大约为2kPa），第三次补水将土壤吸力控制在 2.5 kPa，高于进气值，数据没有出现不规则波动。这表明，土壤样品失水过程中的数据波动，与空气进入土壤孔隙有关，可用 “Haines Jump”来解释（Hillel 2004）。

图4 Haines Jump 过程动画演示（源自vassvik）

图5 Haines Jump 过程

土壤孔隙水通过毛管排空，与此同时伴随空气的进入。这一过程并不是均速完成的，而是存在加速现象，这会引发土壤吸力值的迅速改变。

该过程的持续时间短，且会在多个土壤孔隙中发生，发生时间上也有先后。

粘土测量结果

C,D, E 粘土样品数据修正与初期数据表现

测量过程中，一个样品是纯水。纯水不存在自重固结，仅有静水压强。在外界控温控湿条件下，蒸发过程导致的土壤吸力增加与土壤重量下降，在测量初期是线性的。从这一点出发，可以对C, D, E 粘土样品的数据进行整体上移修正，消除静水压强的影响。

图6 纯水样品测量与静水压强修正

对于 C,D, E 粘土样品，含水量高于饱和含水量，也就是在测量初期存在静水压强，修正后， SWRC 湿润端曲线会发生移动。数据显示，D, E 粘土样品在实验初期并没有出现数据波动（图7）。

图7 需要进行静水压强修正的数据

A, B, C粘土样品的数据波动

相对干燥的粘土样品 A, B, C，在失水过程中，土壤水吸力有一个剧烈的下降。与沙土样品不同，下降持续时间较长。

图8 粘土的数据波动

图9 CT扫描发现粘土产生裂隙

为解释这种现象，研究者使用了CT扫描的方法。他们将其中一个土壤取样环材质更换成PVC，定期进行 CT 扫描。

张力计周围的浅灰色区域表示高密度土壤，从左至右，灰色区域逐渐变少。左数第3幅图中出现的深色纹路是土壤裂隙，第4幅图中显示深色纹路进一步变宽变长。这说明，粘土失水过程中，土壤体积不断收缩，且土体内部会出现裂隙，影响张力计读值。

因此，粘土样品实验初期的数据波动的可能原因包括：（1）粘土在变干失水过程中的收缩；（2）土壤裂隙的产生（ Tollenaar Gonzalez 2017; Tollenaar, Paassen, and Jommi 2017 ）。

参考文献

Corwin, Dennis L. 2000. “Evaluation of a Simple Lysimeter-Design Modification to Minimize Sidewall Flow.” Journal of Contaminant Hydrology 42 (1): 35–49. https://doi.org/10.1016/S0169-7722(99)00088-1.

Hillel, Daniel, ed. 2004. Encyclopedia of Soils in the Environment. 1st edition. Oxford, UK ; Boston: Academic Press.

Paassen, Leon van, Roderick Tollenaar, Cristina Jommi, andreas steins, and Georg Unold. 2018. Investigating Some Irregularities Observed During Suction Measurements Using the Hyprop Device.

Tollenaar Gonzalez, R. N. 2017. “Experimental Investigation on the Desiccation and Fracturing of Clay.” https://doi.org/10.4233/uuid:40f6b033-0e6a-460b-9501-30cf35a99b8d.

Tollenaar, R. N., L. A. van Paassen, and C. Jommi. 2017. “Observations on the Desiccation and Cracking of Clay Layers.” Engineering Geology 230: 23–31. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.08.022.