土壤水分特性曲線

現地基質吸力的量測方法主要是使用張力計跟濾紙法，但因為使用上有許 多限制，且量測的範圍有限，所以現地量測仍然有許多不便之處，需藉助室內 試驗來進行，室內試驗主要可以有效的控制基質吸力的範圍，並從而衍生出土 壤水份特性曲線。

2.2.1 水分特性曲線之定義

在飽和土壤中施加一個極小之吸力（Suction）或張力時，土壤內的水分不 致流出，直至吸力超過某一界限值時，水分才由土壤內較大的孔隙開始流出，

此一界限吸力稱為進氣吸力（Air Entry Suction）。當吸力再增加時，更多的水 分將從土壤中流出，在此種情形下孔隙中的水會沿著土壤顆粒周圍的水膜移 動，當已經沒有水分可從孔隙中流出時，即表示土壤整體的勢能達到平衡的狀 態。

一般而言，土壤在平衡時所保持的水量為孔隙大小及其所佔體積之函數，

即為基質吸力（Matric Suction）之函數，此函數可用曲線表示，稱為土壤水分 保持曲線（Soil-Moisture Retention Curve），或土壤水分特性曲線（Soil-Moisture Characteristic Curve）。

8 (Hysteresis)。

土壤水份特性曲線上有兩個特徵值具有重大的意義，其中一個特徵值為進

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V_v為孔隙體積 S 為飽和度 e 為孔隙比

Scott et al.（2001）根據完整的土壤水份特性曲線，定義出土壤在非飽和

（Unsaturated）的過程中，土壤的組成結構將隨著吸力的增加分為三個獨立的階 段，如圖2-2 所示，分別為毛細飽和階段（Capillary Saturation Zone）、非飽和 階段（Desaturation Zone）及殘餘飽和階段（Zone of Residual Saturation）。在毛 細飽和階段，土壤內的所有孔隙幾乎被水所填滿，當土壤中的吸力達到空氣進 氣值時，則進入非飽和階段，此時土壤的飽和度隨著吸力的增加而迅速下降。

當土壤的飽和度繼續降低至殘餘飽和階段時，非飽和土壤中的液相呈不連續，

水分不易再自土體中移除。

2.2.2 水分特性曲線之量測

土壤水分特性曲線的試驗方法，一般常用的為基質吸力控制範圍小於 1500 kPa 的壓力板試驗（Pressure Plate Test），搭配基質吸力控制範圍大於 1500 kPa 的鹽溶液法（Salt Solution Method）及可以建立張力對深度關係的濾紙法（Filter Paper Method）。以下就分別對此三種方法進行介紹：

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1.壓力板吸力試驗：

目前最通用決定土壤水分特性曲線之方法為進行壓力板試驗，以觀察土壤 在乾濕變換的過程中土壤含水量與基值吸力之關係，可作為決定非飽和土 壤剪力強度試驗中施加基值吸力的範圍，為非飽和土壤基礎研究的第一 步。

該實驗必須採用具有可耐高壓的壓力板儀，其試驗步驟為：將飽和之高進 氣吸力值陶瓷板及土樣放入壓力板儀之底部，接著施加空氣壓力至預定的 基值吸力(軸平移技術)，此時土壤中的水分會從土中經由高進氣吸力值陶 瓷板於壓力板儀底部流出，直至土壤吸力平衡，當吸力達到平衡後將土樣 取出量測其含水量。重複上述步驟，變化不同吸力大小，則可得出土壤去 水段之水分特性曲線。

2.鹽溶液法：

前文曾經提及室內試驗可以有效控制量基質吸力值的量測範圍，尤其是在 量測較大的基質吸力時（吸力大於1500 kPa），鹽溶液法為替代壓力板試 驗的一個較有效的量測方法。

在高的基質吸力之下（吸力大於1500 kPa），土壤的基質吸力等於總吸力

（Fredlund and Xing，1994），所以土壤的吸力可以寫成下式：

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*ln

RT R

ψ = v

式中，Ψ 為吸力（suction）

R 為理想氣體常數（ideal gas constant，8.31432 Joules/mole.K）

T 為絕對溫度

ν 為 1000 莫爾水的體積（0.018 m³） R_h為相對濕度

鹽溶液法主要是與土壤水分系統中吸力與相對濕度間的勢能平衡有關，因 此土壤的吸力可以由相對濕度的增減來做估計。一般使用鹽（NaCl）與一 定量的水攪拌成為鹽溶液，並將土樣及濾紙一併放入密閉的玻璃盆中，鹽 溶液與土樣在密閉的玻璃盆中會產生水蒸氣，從而得到相對應的相對濕度 與溫度。

3.濾紙法：

濾紙法可以用來測定土壤中的總吸力及基質吸力，因為其測定的方法是利 用濾紙作為傳感體，因此濾紙法為測定土壤中吸力的間接法。濾紙法可以 量測很大範圍的吸力值，量測通常在實驗室內，用取自於現地的原狀土或 擾動土進行。

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濾紙法主要是以濾紙能夠與土壤間的水分或是水蒸氣交換，而達到平衡為 其基本假設。當乾的濾紙放在土壤試樣中，與土壤試樣直接接觸時，土壤 試樣中的水分便會流入濾紙中，並達到平衡，此平衡時的含水量可以得到 相對於土壤試樣中的基質吸力；當乾的濾紙放置在土壤試樣的上方，既不 與土壤試樣直接接觸時，土壤試樣中所產生的水蒸氣會進入濾紙內，並達 到平衡，此平衡時的含水量可以得到相對於土壤試樣中的總吸力。