土壤水分特性曲線

土壤水分特性曲線（Soil-Water Characteristic Curve，SWCC），可 以反映土壤在不同飽和度時，土壤中的孔隙水所產生的吸力大小，同 時亦表示土壤吸附水的能量與數量之間的關係（Child，1940），典型之 土壤水分特性曲線如圖2.6所示，此圖係由含水量與土壤吸力之關係繪 得，其中包括了脫附曲線（Desorption Curve）及吸附曲線（Adsorption Curve）。脫附曲線係代表土壤由飽和而漸漸的降低飽和度，而土壤中 的基質吸力亦隨著增加，將此過程繪出即得乾化曲線。同理，吸附曲 線代表著由乾燥之土壤漸漸吸水濕潤，飽和度增加，同時土壤基質吸 力隨之降低之曲線。兩種方法均可得到一連續之曲線，但兩曲線受到 遲滯效應（Hysteresis）之影響而有所不同。造成不飽和土壤遲滯效應 現象可能有下列之原因：

(1) 個別孔隙幾何的不均勻性：土壤因土壤顆粒形狀不一而造成內部 孔隙形狀不規則，因此孔隙中的幾何形狀均勻時會產生墨水瓶現 象（Ink Buttle）效應。通常此現象發生於顆粒狀土壤或高含水量 時。

(2) 空氣的進入：使得新濕潤土壤中之水分含量難以達到平衡，延長 了遲滯效應時間。

(3) 膨脹、收縮或老化現象（Aging Phenomena）：此現象由土壤之微 構造所引起，會因試體之乾燥及濕潤歷程而有不同。在試體乾、

濕之過程中，空氣會慢慢的溶解，均可能對吸力與濕度關係造成 微妙的影響。

圖 2.6 典型土壤水分特性曲線（改繪自 Fredlund and Xing，1994）

土壤水分特性曲線中，有幾項重要之特徵值，分別是進氣吸力值

（Air Entry Value）及殘餘體積含水量（θr），在飽和土壤中施以極小 之吸力，水分仍不會自土壤孔隙中流出（Outflow），直到吸力增加量超 過了進氣吸力值時，此時大孔隙中之水開始因空氣之進入而流出，當 吸 力持 續 增 加 時 ，更 多 的 水 從較 小 之 孔 隙中 被 抽 出 （ Fredlund ＆ Rahardjo，1993），由Kelvin毛細模型方程式可以預測，在吸力逐漸增 加時，會引起更小的孔隙水的流出，直到高吸力之下，只有少數極小 孔隙可以保持水分，亦即是說，吸力之增加也減少了土壤顆粒表面包 覆之水膜厚度。殘餘體積含水量則是反應土壤中含有不可動之水的含 量，通常影響殘餘含水量之原因為液體性質（密度）、孔隙大小及排列

狀況（Kia，1988；Von Englehardt，1955；Morrow，1970），體積含水 量之定義如下：

1 1

w r s

V S e G

V e e

   ^   ^

  （2.8）

式中，θ=體積含水量，Vw=孔隙水體積 V＝土壤總體積，S=飽和度

ω＝重量含水量，Gs=土粒比重

由Vanapalli等人（1999）針對四種不同土壤所作之水分特性曲線結 果（如圖2.7）顯示，土壤水分特性曲線的進氣吸力值與殘餘含水量會 隨著不同之土壤種類及細顆粒含量而有所不同。土壤之黏土含量越 高，孔隙分佈較均勻，故具有較佳之保水能力，所得曲線斜率也較平 緩。反觀顆粒性土壤，因內部存有相互連通之大孔隙，使得土壤飽和 度隨吸力增加而迅速遞減，其遞減速率隨著黏土含量的增加而降低。

圖 2.7 四種加拿大典型水分特性曲線（改繪自 Vanapalli 等人，1999）

Vanapalli等人（1994）利用完整之土壤水分特性曲線，定義出不飽 和過程中，隨著吸力增加可將土壤保水狀況分為三獨立階段描述（如 圖2.8所示）：

(1) 邊界效應階段（Boundary Effect Zone）：在此階段，土壤中之孔隙 幾乎被水填滿，水在孔隙中連續接觸著土壤顆粒表面，實質上是 飽和，在此情況下，視為單一之應力狀態（σ－uw）。

(2) 轉移階段（Transition Zone）：當邊界效應階段之吸力值達到進氣 吸力值，則進入此階段，此時土壤飽和度隨著吸力增加而迅速遞 減，在土壤孔隙中的水接觸土壤顆粒的面積也越來越少，並且開 始呈現不連續的現象。Vanapalli（2006）將此階段分成主要轉移階 段（Primary Transition Zone）與二次轉移階段（Secondary Transition Zone），主要為區分孔隙水接觸土壤顆粒之程度不同。

(3) 不飽和殘留階段（Residual Zone of Unsaturation）：當飽和度由轉移 階段降低至不飽和殘留階段時，不飽和土壤中之液相呈現不連 續，因此不易再從土體中移除水分，即是在此階段之孔隙內之含 水量很小。在此階段通常含水量減少不多，但是吸力卻增加很多。

DegreeofSaturation ( ％

)

圖 2.8 典型土壤水分特性曲線不飽和階段示意圖

（重繪自 Vanapalli 等人，1999）

近年來有多位學者利用基本性質預測土壤水分特性曲線之關係：

Barden（1965）提出與土壤吸力有關之經驗公式









式中，n為土壤之孔隙率；λ為土壤結構參數；S為土壤之飽和度。

Visser（1966）認為土壤水分特性可用下式表示 ( )^b

c

a f 

 

  （2.10）

式中，a、b、c為常數，且0≦a≦3；0≦b≦10；0.4≦c≦0.6。

Brooks and Corey (1966)定義了土壤體積含水量與孔隙分佈關係之

近似方程：

Genuchten（1984）提出：

 

Fredlund and Xing（1994）利用實驗所得之土壤參數迴歸出一經驗 公式，用來描述水分特性曲線：