[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

摘要

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。

主权项

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：步骤1，准备稳定入渗法试验装置，该试验装置由一维垂直土柱、位于土柱底部的压力室、与压力室连接的供水平水装置构成，一维垂直土柱与压力室之间设置多孔陶瓷板；对一维垂直土柱进行土样装填，在装填土柱过程中，通过土壤初始含水率控制防止发生土粒分层和各断面不均匀现象；在一维垂直土柱的垂直方向按一定间隔布设负压计，用以测定不同时刻t土柱剖面含水率分布θ(z,t)和土柱剖面负压水头分布z表示垂直方向的距离，h为土壤基质势；步骤2，在一维垂直土柱上表面加盖阻水板或阻水膜，通过供水平水装置控制多孔陶瓷板及土柱的入渗水量；通过多孔陶土板水流量的大小决定于多孔陶土板上、下端面之间的压力差，通过多孔陶土板的水流通量q1=-Kchs-hwδ---(1)]]>式中：Kc，δ分别为多孔陶土板的导水率与厚度；hw为多孔陶土板上端面的总水势；为正压水势，直接由水头上端面高度确定；hs为多孔陶土板下端面即与土壤接触的面的总水势，即该处土壤的基质势；由埋设在对应位置的传感器测定；步骤3，随着水的持续入渗，多孔陶土板与土柱的交界面即边界处土壤的含水率逐渐增加即基质势hs逐渐减小，这时的入渗流量是变化的；根据水均衡原理和达西定律，在边界处通过多孔陶土板的水流通量q1与通入土壤中的水流通量q2相等，即：q1=q2=-K(h)∂h∂z-K(h)---(2)]]>式中，K(h)为相应负压水头或含水率的水力传导度，h为负压水头，为负压水头分布；步骤4，经过一定的时间后，土柱上部含水率变化越来越小，在一定的范围呈稳定状态，负压坡降为零，即：∂h∂z=0---(3)]]>将式(3)代入式(2)，得q1＝q2＝‑K(h)  (4)式(4)表示相应负压水头或含水率的入渗通量即为水力传导度；所述稳定脱湿过程法包括以下步骤：步骤1，完成稳定吸湿过程法测定后，试样已经充分饱和，保持从测试土样状态以及所安装的测定传感器不变，改变测试边界条件，在土柱上边界模拟某一蒸发条件，并在土柱下边界保持一定水位；监测各测点土壤基质势的变化；步骤2：当测得土柱上边界蒸发水量与下边界补给水量相等时，则土壤水运动已达稳定状态，此时准确测定土柱剖面各点的土壤基质势，求出相应点的基质势坡降即可按下式计算水力传导度：q=ϵ=-k(ΔhΔz+1)---(5)]]>式中：ε为蒸发强度，可通过与土柱连接的水平水供水装置测得，k为土壤基质势为h时对应的非饱和水力传导度；所述非稳定通量与质量均衡转换法包括以下步骤：步骤1，完后定脱湿过程法测定后，保持土样状态以及传感器不变，此时实验内各位置点的含水率或者基质势已各不相同；改变边界条件，利用供水平水装置给土柱下边界瞬时供水，并利用供水平水装置形成一个维持恒定水头的下边界水面，此后水分沿土柱上吸；在t1时刻，形成该时刻剖面含水率分布，绘制得到剖面含水率分布曲线I；在t2时刻，形成该时刻剖面含水率分布，绘制得到剖面含水率分布曲线II；步骤2，当已知某断面过水流量、土壤剖面的含水率及基质势分布时，根据水流连续性方程可以推求另外断面的过水流量；下边界面过水流量可直接测定；已知一维土壤水非稳定流基本方程为：∂θ∂t=-∂q∂z---(6)]]>对土柱进行断面划分，包括断面1－1和断面2－2；断面1－1至断面2－2通过的水流通量差等于土壤消耗即的水量，土壤消耗的水量用于土壤含水率增加，式(3)在时刻t自Z1至Z2积分得：∫Z1Z2∂θ∂tdz=-∫q1q2dq=q(Z1,t)-q(Z2,t)---(7)]]>Z1、Z2指的是z方向上的两个点，分别对应断面1－1和断面2－2的位置高度；根据式(7)断面2－2的水流通量q(Z2,t)=q(Z1)-∫Z1Z2∂θ∂tdz---(8)]]>根据达西定律q=-k(h)(∂h∂z-1)---(9)]]>根据式(8)和式(9)得到k(h)=q(Z1,t)-∫Z1Z2∂θ∂tdz∂h∂z-1---(10)]]>式中：h为土壤基质势；根据式(10)，在已知t时刻的某一断面的水流通量q(z,t)、剖面含水率θ(z,t)的分布以及基质势分布的情况下，可求得相应基质势或含水率的水力传导度。