[发明专利]基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法

说明书

本发明属于水文地质领域，具体涉及一种基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法，其特征在于：通过改变边界条件，实现测试土样的状态以及通量的再分布，基于连续性方程的数值解析，通过稳定入渗法、稳定蒸发法和非稳定流瞬间剖面法，实现土壤状态变化完全覆盖条件下的测定。本发明方法，通过全剖面的质量均衡控制，基于积分过程解析和全局性水量均衡过程最优实现了非饱和土壤水力传导度与含水率非线性关系的数值解析，进而根本解决了传统方法中进行分段线性近似的测试理念问题，从而本发明能够更加精准测定非饱和土壤的水力传导度，为农业水资源高效利用、土壤水动力学过程模拟等提供了重要的参数支持。

技术领域

本发明属于水文地质领域，提供了一种基于控制非线性通量的非饱和土壤水力传导度的测定方法。

背景技术

在农田排灌、环境及土木工程等学科，常常需要掌握非饱和带土壤水的运动规律，探求规律的重要途径是采用确定性数学模型对土壤水的运移进行解析或数值分析，在此之前，必须准确地知道相应的土壤特性参数，非饱和水力传导度便是其中之一。

对于水文地质科学来说，随着非饱和水文过程研究的深入开展，势必推动水文地质学基础、地下水渗流理论等方面的延拓与发展，也将促进溶质运移理论的发展、研究降雨入渗下非饱和带中的水气运动在土壤的节水灌溉、水土保持、岩土及水土的饱和-非饱和渗流及结构稳定研究中具有重要意义。

非饱和土壤的水力传导度是岩土工程、水利工程、农田灌溉工程和环境工程发展精准农业与生态农业需要的重要参数，测量非饱和土壤的渗透系数代价大，精确度和可靠度性难以保证。水力传导度的测定，常用方法可分为两大类，直接方法和间接方法。其中直接方法又可分为室内试验法和野外试验法，如稳定人渗法与稳定蒸发法，非稳定流瞬时剖面法。

现有的方法基本上采用均衡法测定剖面通量，然后基于通量＝势能差乘以水力传导度的方法，确定水力传导度。这一测试理论的缺陷在于：由于测试的要求，需要根据个别点位的含水率(或者基质势)的测定结果估算整个土层的含水率，然而，由于非饱和土壤运动非线性，即使在理论上，这种方法都有明显的缺陷，非饱和条件下估算误差非常大。因此，在测试过程中，通常采用入渗过程(也就是土壤由非饱和向饱和过程过度)实验，根据土层水量的质量变化推求剖面的通量，因为在近饱和区间，土壤中流动采用线性关系描述的误差较小，而且边界条件也容易控制，但是，所测试的非饱和范围极为有限。并且，当土壤中的水分比较干燥的情况下，非饱和通量非常小，与测试误差在一个数量级上。传统的测试方法在测试理论和测试误差控制等方面都存在较为显著的缺陷，不可能通过改进的方法实现土壤非饱和水力传导度的有效测定。

更为重要的是，现有的测试方法在机理上没有考虑土壤的状态变化对于水力传导度的影响，在静态条件下测定非饱和水力传导度。然而实际情况下，土壤中的状态不断的发生变化，例如，蒸发过程中含水率降低，入渗过程中的含水率升高，由于状态变化，达西定律的通量与水力传导度之间的响应实际上存在这一定的滞后，由于非饱和水力传导度与土壤含水率(或基质势)表现出非线性关系，这种滞后性在不同含水率(基质势)区间的水力传导度测定结果的影响也是不确定的。考虑到以上这些因素，本项发明通过稳定吸湿过程法、稳定脱湿过程法和非稳定通量与质量均衡转换法完全覆盖土壤状态变化下的水力传导度，所测定的非饱和水力传导度更加符合实际情况。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法，具有操作简便、费用低、测定周期短、误差小的特点。

本发明的方法所采用的技术方案是：

一种基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法，其特征在于：通过稳定吸湿过程法、稳定脱湿过程法和非稳定通量与质量均衡转换法三个连续的方法，实现土壤状态变化完全覆盖情况下的非饱和水力传导度的测定；

所述稳定吸湿过程法包括以下步骤：