[发明专利]基于黏土扩散层离子浓度梯度的冻土未冻水含量计算方法

说明书

本发明涉及一种基于黏土扩散层离子浓度梯度的冻土未冻水含量计算方法，该方法包括以下步骤：⑴采集土壤样本，测量土壤粒径分布和常温下的湿度，确定土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比；并将测量的土壤湿度作为初始含水量w₀；⑵将土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比带入比表面积估测模型，得到土壤的比表面积A_S；所述比表面积估测模型是指A_S=0.042+4.23Clay%+1.12Silt%‑1.16Sand%，式中：Clay%、Silt%、Sand分%别为粘土、粉土、沙土的质量百分比；⑶建立如下未冻水含量模型，并计算未冻水含量w_u。本发明模型表达式简单、计算精确。

技术领域

本发明涉及冻土工程，尤其涉及基于黏土扩散层离子浓度梯度的冻土未冻水含量计算方法。

背景技术

未冻水含量的变化影响着寒区冻土的冻融循环、水文循环，陆气之间的水分和能量交换，植被生长以及冻土土体的结构和强度。由于寒区（如青藏高原、西伯利亚、北极等）交通不便，人烟稀少，很难通过布设仪器获得大范围空间尺度和长时间尺度的未冻水资料，因此应用未冻水模型计算未冻水含量是自然科学领域和寒区工程领域获取未冻水数据的主要手段。

由于工程师可以在实验室对施工处的土样展开测量和实验，因此工程受到未冻水模型应用难易度的影响较小，但在寒区自然科学领域，未冻水模型并未得到广泛的应用。制约未冻水模型在寒区应用的主要原因是模型的复杂程度和模型输入参数的获取难度。未冻水模型可以分为理论模型和半经验模型。理论模型表达式复杂，需要输入的参数多且较难获，很难应用于未冻水含量的计算。未冻水半经验模型表达式简单，计算便利，但在寒区自然科学领域的应用仍然受到制约。半经验模型的输入参数包括比表面积、初始含水量、残余未冻水含量以及其他由未冻水实验得出的固定参数。部分输入参数如残余未冻水含量、初始含水量和固定参数需要对采样点的土壤开展冷冻实验，并对获得的土壤冻结特征曲线进行拟合得出。因此，一些看视简单的未冻水模型很难应用到实际，也就是说，这些模型的输入参数在新的地点需要重新开展未冻水实验。此外，在-1.5~0℃范围内，大部分半经验未冻水模型的结果误差明显增大。综上，这些因素均限制了未冻水模型在寒区的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模型表达式简单、计算精确的基于黏土扩散层离子浓度梯度的冻土未冻水含量计算方法。

为解决上述问题，本发明所述的基于黏土扩散层离子浓度梯度的冻土未冻水含量计算方法，包括以下步骤：

⑴采集土壤样本，测量土壤粒径分布和常温下的湿度，确定土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比；并将测量的土壤湿度作为初始含水量w₀；

⑵将土壤中粘土、粉土、沙土的质量百分比带入比表面积估测模型，得到土壤的比表面积A_S；所述比表面积估测模型是指A_S=0.042+4.23 Clay%+1.12Silt%-1.16Sand%，式中：Clay%、Silt%、Sand分%别为粘土、粉土、沙土的质量百分比；