[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

说明书

本发明提供了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：对不同深度冻土的土壤液态含水率及温度进行连续监测；在不同位置进行平行取样，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，剔除对数正态分布情况下95%置信区间外的取样点，将总含水率和溶质浓度值作为计算值；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；解析冻土中等效水力传导度和等效对流浓度。本发明方法实现冻土中溶质迁移通量及其等效参数的测定，为冻土中溶质迁移的相关理论研究提供了全新的测试手段。

技术领域

本发明构建一种冻土中非饱和水流运动和溶质迁移通量、以及等效参数的现场测定和解析方法，涉及到冻土中非饱和水流运动和溶质迁移通量和等效参数监测的方法。

背景技术

寒区水循环最大的两个特点是土壤冻结和河流冰封过程，其中尤以前者对于寒区水资源演变产生重要的影响。冻土的形成改变了土壤的导水传热性能，直接影响水循环的下渗、蒸发、壤中流等过程，同时也影响微生物活动，碳、氮循环等土壤水运动伴生(伴随)过程。

冻土中的水流运动和热运动模型(冻土水、热耦合方程)表示为：

其中，θ_l和θ_i分别为液态含水率和体积含冰率。h为土壤水势，T为土壤温度，D_TV为温度梯度引起的水气扩散系数，K，K_e分别为与土壤质地有关的土壤体积热容量，水力传导度和热传导系数。ρ_i和ρ_l分别为冰和液态水的密度，t为时间，z为土壤深度坐标。

这一模型主要是根据温度变化确定液态含水率，然后根据水势理论计算水流运动通量。由于对流弥散理论不适合与冻土，至今尚未有较为认可的冻土的溶质迁移方程，冻土中溶质迁移通量测定机理仍然是未解决的问题。

由于测试手段的限制，现有的方法仅能够测定冻土中的土壤总含水率、液态含水率以及土壤温度和溶质浓度，并无直接测定非饱和水流运动和溶质迁移通量的方法。因此，通常根据所测定的冻土中液态含水率和温度对冻土水、热耦合方程进行率定以及参数反演，以及根据水势的方程计算结果，基于达西定律计算非饱和水流通量。然而需要指出，与非冻结土壤不同，冻土中水势的组成包括了液态含水率形成的基质势、温度梯度所形成的温度势，以及范德华力所形成的附加水势等多种水势，根据冻土水、热耦合方程逆向反演确定的非饱和水流通量具有很大的不确定性，发展基于正向非饱和水流通量测定条件下的等效水动力参数解析，能够有效的降低参数的不确定性。

传统的基于对流-弥散理论的土壤溶质迁移通量描述方法不适合于冻土，因为在冻结和融化过程中，冰体中的溶质可溶性显著小于自由水体中的可溶解性，并且，发生迁移的溶质的质量与液态水中的溶质的质量在很大程度上受到土壤温度的影响，具有较强的不确定性，直接实现土壤中溶质通量与等效参数的测定，对于了解冻土中溶质迁移是极其重要的。

如上所述，一个准确完整的冻土条件下的非饱和水流运动和溶质迁移通量以及等效参数的测定方法还没有建立，无法实现对冻土中非饱和水流运动和溶质迁移通量的监测。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了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，实现对冻土中水流运动和溶质迁移通量和等效参数的监测。

本发明的方法所采用的技术方案是：

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；