[发明专利]结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法

说明书

本发明提供了一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法，包括以下步骤：通过土壤粒径分析，确定土壤剖面的结构性差异；基于定水头边界条件使土壤中的水分和溶质进入再分布过程，通过布设传感器测定不同时刻土壤基质势和溶液浓度剖面分布；基于再分布过程中的质量连续性原理提出了土壤水动力弥散系数关系方程，采用中心差分方法，根据两个相邻时刻的测定土壤基质势及溶质浓度分布，确定土壤水动力弥散系数关系方程参数，进而确定不同质地土壤的非饱和水动力弥散系数。本发明方法物理概念明确，计算公式简单，易于操作、测量精度高，实验结果直观，更为重要的是，能够确定存在结构性差异土壤的水动力弥散系数，在该领域具有独创性。

技术领域

本发明涉及农业技术领域，特别提出一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法。

背景技术

随着土壤污染和土壤盐碱化的加剧，土壤溶质运移的研究已经成为重要课题。土壤溶质运移是一个复杂的过程，与灌溉方式、土壤条件和外界环境等众多因素密切相关，对化肥、农药在农田的运移规律、盐碱地水和溶质运动监测、地下水资源保护的准确测量和研究具有重要意义。而土壤弥散系数即是这个过程的一个重要而不可缺少的参数。土壤弥散系数是表征溶质在土壤中运移和扩散的一种参数。

对于溶质迁移的弥散系数，现有的方法的理论基础是对流弥散理论，更多的是在实验室控制条件下测定饱和条件下的弥散系数，根据饱和条件下对流弥散方程在设定的定解条件下的解析解，通过一维土柱实验的溶质迁移测定结果，基于解析解反演弥散系数。对于非饱和条件，水流运动是非线性的，水流运动的参数，例如非饱和水力传导度和扩散系数都是含水率的函数，均表现出非线性关系，而且，溶质迁移本身的运动特性也与水流运动不同。所以，相比饱和情况，即使在实验室条件下，能够通过控制边界条件，监测溶质的迁移过程，然而，区分随水流运动产生的对流通量以及由于水动力弥散过程产生的通量是非常困难的，特别是含水率变化情况下，水流运动的非线性变化，使得将水动力弥散通量从总的溶质迁移通量中分离出来是非常困难的。

在野外现场条件下，根据若干位置的溶质浓度的随时间变化的监测值对水动力弥散参数反演是现有的主要方法，正如前面所指出的，对于基于对流弥散理论的方法，无论是任何一种方法，在非饱和条件下，由于土壤的非线性流动特性，将对流通量从总的溶质迁移通量中区分出来，是非常不确定的。此外，水流运动和溶质迁移方程中包括了多个参数，采用监测值进行反演亦存在很大的任意性，更为重要的是，对于绝大部分土壤，都在一定程度上存在着结构性，即不同深度位置的土壤质地显著不同，对于对流弥散方法而言，土壤结构性意味着需要采用更多的参数，在监测资料有限的情况下，对过多的参数进行反演具有很大的任意性。

本发明提出了根据土壤中不同位置的浓度监测，与传统的方法不同，这种方法采用加权平均的方法，基于土壤中水分和溶质的质量守恒，以及任意两个时刻的溶质剖面监测结果，基于等效数值差分求解，确立非饱和土壤水动力弥散系数的测定原理，在机理上解决了现有方法基于对流弥散理论的根本缺陷，并且提出了与之对应的现场实验方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法，为野外条件下非饱和土壤溶质数值模拟与预报及盐碱土改良时确定冲洗定额提供基本参数。

本发明采用如下技术方案：

一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在试验区垂直方向按一定深度与距离安装土壤基质势测量传感器，以观测不同深度位置土壤水的基质势变化；

(2)在试验区对应土壤基质势传感器布设深度取样，采用土壤粒径分析仪测定土壤粒径分布以及容量，确定土壤结构；对于不同结构的土壤，其水动力弥散系数不同；