[发明专利]冻土中水非饱和流运动和溶质迁移通量及等效参数监测的方法

权利要求书

1.一种冻土中非饱和水流运动和溶质迁移通量及等效参数监测的方法；包括以下步骤：

步骤1，在季节性冻土区，土壤冻结或融化过程中，利用水分传感器对不同深度土壤液态含水率进行连续监测，采用温度传感器对不同深度土壤温度进行连续监测；

步骤2，在至少六个以上位置进行平行取样，测定不同深度冻土总含水率以及溶质浓度得到测量值，计算各深度位置土壤总含水率和溶质浓度的均值；采用欧式距离对测量值与均值之间的平均差异进行度量，得到偏差距离d；如果测量值超过了根据对数正态分布情况下95％置信区间所确定的最大偏差距离d_max，则认为这一测量值对应的取样点具有显著的变异性，作剔除处理，将剩余取样点重复以上过程至剔除所有高变异点，将各深度位置总含水率和溶质浓度值作为计算值；

步骤3，基于全剖面均衡过程迭代对冻土中非饱和水流运动和溶质迁移通量进行解析：根据溶质在上边界即地表和下边界即溶质能够运移的最大深度的通量为0的边界条件，以及通量连续性原理，进行分层质量均衡计算，具体实现如下：

ΔW_i＝(q_i+1-q_i)Δt (1)

ΔM_i＝(q_i+1c_i+1-q_ic_i)Δt (2)

其中，i表示第i层冻土,i＝1,2,3….N；Δt为两次相邻取样的时间间隔；ΔW_i和ΔM_i分别表示第i层冻土中水和示踪溶质的质量变化量；q_i为第i层冻土的溶质迁移通量，c_i为第i层冻土中溶质迁移通量的等效浓度；

对于任一层，其总含水量即总含水率与该层的体积的乘积的变化量＝上边界和下边界进入和流出的水流质量即水流通量和时间的乘积的差；同样，该层的溶质的质量即溶质浓度与该层的体积的乘积变化量＝上边界和下边界进入和流出的溶质的质量即通量和时间的乘积的差；

根据上边界的溶质通量为0，根据(1)式，在第一层，根据测定的质量变化量，则能够计算出第一层和第二层交界面之间的溶质质量通量；根据步骤2所述方法得到第一层的溶质浓度的计算值，将第一层的溶质浓度的计算值作为公式(2)中的溶质迁移通量的等效浓度，则根据(2)式，以及测定第一层的水量变化量，确定第一层与第二层的边界层通量；对于第二层的一个边界层通量已知的情况下，根据该层的溶质和水流的质量变化量测定结果，即可确定第二层与第三层之间边界的通量，一直到最下边一层；根据控制条件，最下边一层的溶质通量为0，在均衡计算的最下边一层的溶质通量不为零的情况下，将最下边一层的溶质迁移通量的等效浓度/实测浓度作为修正值；将第一层中的溶质迁移通量的等效浓度除以修正值后，按照上述步骤，重新进行迭代计算，直至各层的水和溶质质量的测定值和计算值之间的差异小于控制值即5％，以及最下边一层的溶质通量小于控制误差值即0.05mg/L，以及各层的均衡误差值小于5％；则相应的确定土壤中的水流运动和溶质迁移通量，以及溶质迁移通量的等效浓度；

步骤4，解析冻土中水流运动和溶质迁移等效参数即冻土中等效水力传导度和等效对流浓度：根据步骤1所测定的冻土中液态含水率和温度，基于步骤3中所确定的冻土中水流运动和溶质迁移通量，确定冻土中等效水力传导度，具体实现如下：

其中，q_tot为非饱和水流通量，K_fh，分别为基质势梯度、重力势梯度和温度势梯度分别形成的非饱和水流通量，

K_fh和K_T分别为对应于基质势和温度势的水力传导度，对应于温度势的水力传导度K_T为：

其中G为修正因子，T为土壤温度；

γ为表面张力，表示为温度的函数：

γ＝75.6-0.1425T-2.38×10^-4T² (5)

γ₀为温度为25℃情况下的表面张力即71.89gs^-2，冻土中的基质势h根据冻土中液态水和冰中的状态平衡，由Clausius–Clapeyron方程确定，平衡状态下，土壤基质势表示为温度的函数：

其中，L_f为土壤孔隙中水由液态转变为固态所释放出的潜热即0.34×10⁵J/kg，T_m为纯水的冻结温度即273.15K，g为重力加速度即9.8m/s²；

K_fh⁽¹⁾为考虑冰体温度修正后的水利传导度，土壤温度变化对于水利传导度的影响可采用阻抗系数Ω表示：

其中φ为土壤孔隙率，θ_i为冰体含量，θ_i/φ为冰体在孔隙中的填充率；

根据测定的冻土中的非饱和水流通量，对式(4)和(7)中的参数即修正因子G和阻抗系数Ω进行反演后，即可确定冻土等效水力传导度。