[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

摘要

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。

主权项

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；步骤2，在至少六个以上位置进行平行取样，测定不同深度冻土总含水率以及溶质浓度得到测量值，计算各深度位置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，得到偏差距离d；如果测量值超过了根据对数正态分布情况下95％置信区间所确定的最大偏差距离dmax，则认为这一测量值对应的取样点具有显著的变异性，作剔除处理，将剩余取样点重复以上过程至剔除所有高变异点，将总含水率和溶质浓度值作为计算值；步骤3，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：根据溶质在上边界即地表和下边界即溶质能够运移的最大深度的通量为0的边界条件，以及通量连续性原理，进行分层质量均衡计算，具体实现如下：△Wi＝θi·Vi＝(qtot i+1‑qtot i)△t   (1)△Mi＝Csi·Vi＝(qi+1ci+1‑qici)△t   (2)其中，i表示第i层冻土,i＝1,2,3….N；△t为两次相邻取样的时间间隔；Vi为第i层冻土的土壤体积；△Wi和△Mi分别表示第i层冻土中水和示踪溶质的质量变化量；θi和Csi分别为第i层冻土的土壤含水率和示踪溶质浓度，分别为采用步骤2中所述方法获得的对应第i层冻土的土壤含水率和示踪溶质浓度的最终计算值；qtot i和qi分别为第i层冻土的非饱和水流通量和溶质迁移通量，ci为第i层冻土的中溶质迁移通量的等效浓度；将已知量θi，Vi，△t，qtot 1＝0带入(1)中，进行逐层计算，求得qtot 2，qtot 3…，qtot i；将已知量Csi，Vi，△t，q1＝0，ci＝Cs1带入(2)中，进行逐层计算，求得qi；根据逐层递推所确定的下边界溶质通量不为零的情况下，则根据下边界溶质通量修正表层溶质迁移等效浓度，重新按照以上步骤进行迭代计算，直至下边界溶质通量小于控制误差0.05mg/L，以及各层的均衡误差值小于5％为止；步骤4，解析冻土中水流运动和溶质迁移等效参数即冻土中等效水力传导度和等效对流浓度：根据步骤1所测定的冻土中液态含水率和温度，基于步骤3中所确定的冻土中水流运动和溶质迁移通量，确定冻土中等效水力传导度和等效对流浓度，具体实现如下：qtot=KfhΔhΔz+Kfh+KTΔhΔz---(3)]]>式中，qtot i为第i层水流通量，Kfh和KT则分别为对应于基质势和温度势的水力传导度，△z为第i层厚度，△h为第i层两个边界的水势差值。