[发明专利]一种基于环刀土样上渗过程的土壤水力学特性预测方法

说明书

本发明涉及一种基于环刀土样上渗过程的土壤水力学特性预测方法，采用全新设计方法，基于恒定水头边界条件下均质干土一维水分上渗解析解的逆过程，通过记录环刀土样上渗过程中累积入渗量与时间的数据、湿润锋到达土样上表面的时间，测定土样饱和导水率，快速获取土壤水力学特性，克服了现有技术测定土壤水力学特性耗时长、效率低，且不适于田间大面积快速获取等问题，避免了参数多解、不收敛等问题，提高了土壤水力学特性的获取效率，为田间大面积的土壤水力特性调查提供了有效手段。

技术领域

本发明涉及一种基于环刀土样上渗过程的土壤水力学特性预测方法，属于土壤物理和土壤水文学技术领域。

背景技术

土壤水分特征曲线是土壤孔隙结构的量化和表征，吸渗率是土壤孔隙结构吸收和解吸收液体能力的量度。如何准确、快速和低成本的获取土壤水力学特性参数(土壤水分特征曲线、饱和/非饱和导水率、吸渗率)，是帮助我们理解包气带中土壤水肥运动的关键。环刀采样，室内分析是当前获取完整土壤水力学特性参数最为有效的方法，但传统的测量方法需要使用昂贵的设备(如：压力膜仪、吸力平板仪、沙箱等)，通过缓慢的排水、蒸发过程来获取参数，并且各装置都会受到水势测定范围的影响，耗时费力，成本高昂，无法满足田间大面积快速获取的需求。

水分上渗过程因在短距离入渗中也可以获得详细的过程测量，已经被发展成为一种快速、有效的间接方法来估计环刀土样的水力学特性。Moret-Fernández(2017；2019；2021)等通过对数值算法性能的提升，提出了一系列基于上渗过程的数值反演方法来估计土壤水力学特性，然而该方法受到参数估计的非唯一性和不收敛的影响，极大地限制了上渗方法在田间快速获取土壤水力特性上的应用。解析反演方法可以部分克服这些问题，但由于上渗问题的复杂性，现存的上渗解析模型要么形式过于复杂(Swartzendruber，2002)，亦或是简化了太多的过程细节(Prevedello，2009；Ogunmokun and Wallach,2021)，均难以发展出准确的解析反演方法。并且，申请号为202122414262.0的专利申请文件公开了一种野外便携式土壤水力学特性快速测定装置，其提供了一种在田间详细获取环刀土样水分上渗、稳渗过程的测量手段。但由于当前反演技术在理论方法上的限制，难以满足大面积土壤普查即时和高效的调查需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于环刀土样上渗过程的土壤水力学特性预测方法，通过环刀土样的水分上渗过程，快速预测土壤水力学特性，有效提高了土壤水力学特性的获取效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于环刀土样上渗过程的土壤水力学特性预测方法，执行如下步骤，实现对环刀土样的土壤水力学特性预测；

步骤A.针对环刀土样对应恒定下边界水头h_p下均质干土一维水分上渗过程，记录获得环刀土样累计入渗量I随累计时长t的变化关系，土壤中湿润锋前进距离到达环刀土样表面时的累计时长t_e，以及测量获得环刀土样的饱和导水率K_s，然后进入步骤B；

步骤B.根据环刀土样累计入渗量I随累计时长t的变化关系，获得累计时长t_e所对应的累计入渗量I_te、以及土壤中湿润锋前进距离z_fte，并获得z_fte与I_te的比值，构成环刀土样土壤湿润区含水量的平均增长量U，然后进入步骤C；

步骤C.根据环刀土样的土壤饱和含水量θ_s、土壤初始含水量θ_i、土壤残余含水量θ_r，结合环刀土样土壤湿润区含水量的平均增长量U，获得环刀土样土壤水分剖面的形状系数a，然后进入步骤D；

步骤D.根据环刀土样土壤水分剖面的形状系数a，获得环刀土样的土壤孔隙尺寸分布指数n。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括步骤E如下，执行完步骤D之后，进入步骤E；