用压力板/压力膜出流法测定非饱和土壤水动力学参数的方法

摘要

本发明提供一种用压力板/压力膜出流法测定非饱和土壤水动力学参数的方法，包括非饱和土壤水分特征曲线、扩散度和水利传导度的测定，具体包括以下步骤：配置土样，扰动土样或非扰动土样均可；接量测装置，通过调节空气机压缩，控制压力水平，再调节拟送进提取器内的压力；调压时，并计时，记下达到稳定后的总排水量，获得水分特征曲线；并进一步通过“多步法”和“一步法”，对压力连续变化以及选择压力条件下的测定土壤非饱和水力传导度和扩散度，从而实现全部非饱和土壤水动力参数的同步测定。本发明方法能够更加精准预报非饱和土壤水分运动，实现农业生产和生态的准确测量提供支持。

说明书

技术领域

本发明属于农业技术领域，特别是涉及一种用压力板/压力膜出流法测定非饱和土壤水动力参数的方法。

背景技术

随着水资源和环境等问题的日渐突出，针对土壤中水分运动的研究已经成为重要的课题。土壤水分运动是一个复杂的过程，与灌溉方式、土壤条件和外界环境等众多因素密切相关，土壤水分状况直接或间接影响土壤气、热河溶脂的状况，关系到农作物收货情况、土壤肥力以及土壤内部的物理、化学及生物过程，对农业生产和生态的准确测量和研究具有重要意义。

求解非饱和土壤水分运动方程进而预报非饱和土壤水分运动必须首先获得土壤水分运动参数，参数的准确性决定于这些参数相关的水分运动模型的可靠性。

非饱和土壤水分运动参数，即非饱和土壤水动力学参数，包括土壤水分特征曲线，水力传导度和扩散度，这些参数涵盖了所有的非饱和土壤水动力学参数。尽管针对土壤水分特征曲线、扩散度、水力传导度参数，亦有大量的测定方法，但是并没有一种方法能够实现所有非饱和土壤水动力学参数的同步测定。实现所有非饱和土壤水动力学参数的同步测定对于求解非饱和土壤水分运动方程是非常有利的，因为，在模拟非饱和土壤水分运动，在每一个节点，所有的水动力参数对应的节点状态都是一致的，而这与同步测定方法是一致的。采用不同的方法，对不同的水动力参数进行分别测定，则无法保障参数的对应节点状态一致性。在理论上，本发明所提出的测试方法对于求解非饱和土壤水流运动方程式更为有利的。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用压力板/压力膜出流法测定非饱和土壤水动力学参数的方法，该方法能够实现土壤水分特征曲线、扩散度、水力传导度的同步测定，为更加精准预报非饱和土壤水分运动，实现农业生产和生态的准确测量提供支持。

本发明所提供的技术方案具体如下：

一种用压力板/压力膜出流法测定非饱和土壤水动力学参数的方法，包括以下步骤：

步骤1，将土样饱和后放在压力板提取器或压力膜提取器内，加压至设定的最大压力；

步骤2，加压过程中加压值的大小根据水分特征曲线变化特性，控制每次加压值，开始时每次加压值小于0.1Bar，以后每次加压值逐渐加大至0.5Bar～1.0Bar；

步骤3，每次加压后，土样开始排水；仅测定水分特征曲线的情况下，则一直加压至土样不再排水为止，测定在该压力下总排水量即可；若要求扩散度D或水力传导度K，则必须要量测排水过程；在观测排水过程时，加压初期，排水量较大，观测次数和时间间隔应满足精确测定排水通量的需要；

步骤4，在加压至设定最大压力时，停止加压，将土样取出并称重，称重后烘干，再称重，可求得最后压力时的含水率；

步骤5，测定水分特征曲线h～θ，扩散度D，水力传导度K及容水度c，具体实现如下：

①测定水分特征曲线：

由步骤4可求得在设定最大压力时的含水率，根据最后一个压力与前一个压力之间的排水量，则可推算这一压力下的含水率，并逐步向前推算不同压力下含水率，从而求得h～θ曲线，即水分特征曲线，h表示压力，θ表示含水率；

②测定扩散度D，水力传导度K及容水度c，具体实现如下：

当加某一压力时，量测其不同时刻t的排水量W_t及排水总量W_∞，绘制关系曲线，其中l为测试土样的长度，当Rl为定值时，则在半对数纸上呈直线关系，求得直线的斜率tanβ′和直线在轴上的截距值，由测定的值根据由解析解确定的标准曲线，其中，K_p，l_p分别为多孔板渗透系数和厚度，K(θ)为土壤含水率为θ的水力传导度，求得相应的Rl值，再由Rl值根据tanβ～Rl标准曲线求得tanβ值，进一步根据公式求得D(θ)值，D(θ)值即为该压力和含水率下的扩散度；

然后求每一个压力及其相应含水率下的D(θ)值，即可绘制出D～θ曲线；

求得每一个压力及其相应含水率下的D(θ)后，根据公式式中，V和Δh分别土样的体积以及压力的变化量，B为平均容水度，和公式k(θ)＝D(θ)c(h)，求得每一个压力及其相应含水率下的c(h)和k(θ)，最终绘制出c～θ曲线以及K～θ曲线。

上述步骤1中，按一定容重配制好土样，直接用扰动土样或原状土样即不扰动土样进行试验，将土样放在多孔陶土板上，使其饱和；饱和方法为，先将多孔陶土板浸泡在水中1～2天，使其充分饱和，然后放上土样，通过下边界渗析的方法，使土样饱和，同时在饱和过程中充分的排出土壤中的气体。

上述步骤1中，若要做土壤基质势中低压区实验，所述中低压是指压力﹤5Bar，将土样放置在多孔陶土板上，然后一同放入5Bar压力板提取器内，多孔陶土板置于氯丁橡胶隔膜之上，封闭压力板提取器后加压；若要做土壤基质势高压区试验，所述高压是指压力为5～15Bar，将土样放在多孔陶土板上，陶土板置于纤维素薄膜上，放到15Bar压力膜提取器内，封闭压力膜提取器后加压。

本发明还提供一种用压力板/压力膜出流法测定非饱和土壤水动力学参数的方法，包括以下步骤：

步骤1，将土样饱和后放在压力提取器内加压至要求的压力；

步骤2，加压过程中加压值的大小根据水分特征曲线变化特性，控制每次加压值，开始时每次加压值小于0.1Bar，以后每次加压值逐渐加大至0.5Bar～1.0Bar；

步骤3，达到稳定时，即土样不再排水后，取出部分土样称重并烘干，测定其含水率；

步骤4，将土样再饱和后，进行分次加压，测定水分特征曲线h～θ，扩散度D，水力传导度K及容水度c，具体实现如下：

①测定水分特征曲线：

由第3)步骤可求得在最后压力时的含水率，根据最后一个压力与前一个压力之间的排水量，则可逐步向前推算不同压力下含水率，从而求得h～θ曲线，即水分特征曲线，h表示压力，θ表示含水率；

②测定扩散度D，水力传导度K及容水度c：

由排水量资料绘制W～t曲线，根据W～t曲线，绘制曲线，按计算D～θ曲线，求得每一个压力及其相应含水率下的D(θ)后，根据公式式中，V和Δh分别土样的体积以及压力的变化量，B为平均容水度，和公式k(θ)＝D(θ)c(h)，求得每一个压力及其相应含水率下的c(h)和k(θ)，最终绘制出c～θ曲线以及K～θ曲线。

上述步骤1中，按一定容重配制好土样，直接用扰动土样或原状土样即不扰动土样进行试验，将土样放在多孔陶土板上，使其饱和；饱和方法为，先将多孔陶土板浸泡在水中1～2天，使其充分饱和，然后放上土样，通过下边界渗析的方法，使土样饱和，同时在饱和过程中充分的排出土壤中的气体。

上述步骤1中，若要做土壤基质势中低压区实验，所述中低压是指压力﹤5Bar，将土样放置在多孔陶土板上，然后一同放入5Bar压力板提取器内，多孔陶土板置于氯丁橡胶隔膜之上，封闭压力板提取器后加压；若要做土壤基质势高压区试验，所述高压是指压力为5～15Bar，将土样放在多孔陶土板上，陶土板置于纤维素薄膜上，放到15Bar压力膜提取器内，封闭压力膜提取器后加压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)实现了非饱和土壤状态下的所有土壤水动力学参数的同步测定，这一方法对于求解非饱和土壤水分运动方程是非常有利的，因为在模拟非饱和土壤水分运动，在每一个节点，所有的水动力参数对应的节点状态都是一致的，而这与同步测定方法是一致的。采用不同的方法，对不同的水动力参数进行分别测定，则无法保障参数的对应节点状态一致性。在理论上，本项发明所提出的测试方法对于求解非饱和土壤水流运动方程式更为有利。

(2)对于非饱和土壤水分运动模型而言，参数同步测定的优点在于在采用数值方法进行模拟时，时间和空间步长的选择根据更大的可选择性。原因在于，现有的土壤水动力参数测试方法中，无论是土壤水分特征曲线，还是非饱和水力传导度，以及扩散度，均是测定若干个含水率(或者基质势)下对应的参数值，基于测量点进行参数模型拟合。在土壤水动力学参数单独测定的情况下，通常这些测定点是不统一的，由于土壤水流运动的非线性，以及数值方法中的分段近似线性求解的要求，在实际求解过程中，为了保障精度，需要对时间步长和空间步长做出严格限制。而本发明所提出的方法，则解决了这一问题，大幅扩展了数值方法的应用条件。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1为本发明实施例的提取器实验装置图；

图2为本发明实施例压力板提取器的内部结构示意图；图3为本发明实施例压力膜提取器的内部结构示意图；图4为标准曲线；

图5为tanβ～Rl标准曲线；

图6为一步法测定的土壤体积含水率θ与基质势h以及土壤体积含水率θ与水力传导度K的关系曲线；

图7为一步法测定的土壤体积含水率θ与容水度c以及土壤体积含水率θ与扩散度D的关系曲线。

图中：1为空气过滤器；2为粗调节器；3为细调节器；4为微调节器；5为水银压差调节器；6为0～60(kg/cm²)压力表；7为0～300(kg/cm²)压力表；8为5Bar压力板提取器；9为15Bar压力膜提取器；10为15Bar压力板提取器；11为联接管；12为排气阀；13为旁通阀；14为压缩空气机；15为密封环；16为多孔陶土板；17为陶土板空隙；18为内部网板；19为氯丁橡胶隔膜；20为出流栓；21为出流管；22为连接压缩空气流管道；23为土样环；24-土样；25为膜片室入口；26为提取室入口；27为压膜；28为纤维素薄膜；29为排水隔板；30为密封环；31为紧固螺栓；32为支架；33为手柄；34为出流管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域技术人员进一步理解和实施本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

＜实施例＞

本发明实施例采用的提取器结构如图1-3所示，其中：

图1为本发明实施例的提取器实验装置图。该装置主要由5Bar压力板提取器、15Bar压力板提取器、15Bar压力膜提取器、压力控制及调节系统与空气压缩机组成的试验装置图。

图2为本发明实施例压力板提取器的内部结构示意图。该装置结构为：多孔陶土板置在压力室内，压力室一侧装有接气压源的进气口(用于接通压缩空气流)，另一侧装有出水口(即出流管)，压力板由多孔陶土板、隔栅(即内部网板)、氯丁橡胶隔膜以及出流栓组成，装填在土样环内的试样放置在多孔陶土板内；压力室增压后，土壤水通过多孔陶土板进入隔栅(即内部网板)然后从出流栓经出水口(即出流管)流出提取器外，提取器盖板周边有一密封环，在试验时紧固周边螺旋，以保证压力室不漏气。

图3为本发明实施例压力膜提取器的内部结构示意图。该装置结构为：多孔聚乙烯排水板(即排水隔板)搁置在压力室内，试验时，其上放置一块纤维素薄膜，土样放在这块薄膜上。同时，为了保证土样在进行试验时，不因收缩而与薄膜脱离，在压力室的顶盖上有一块氯丁橡胶压膜(即压膜)，压膜上端接通高压气体(即膜片室入口)，下端则经过一个水银压差调节器后再与高压气体相连，这样装设的结果可以保证土样顶部受到高于压力室约4kg/cm²的压力，使试验过程中纤维素薄膜始终紧贴着土样，土样就不会因排湿干燥后与纤维素薄膜脱离。

本实施例提供一种用压力板/压力膜出流法测定非饱和土壤水动力学参数的方法，该方法用于实现土壤水分特征曲线、扩散度、水力传导度的同步测定，包括以下步骤：

步骤1：配置土样，土样采用扰动土样或不扰动土样；

步骤2：将土样和多孔陶土板充分饱和后放在压力板提取器内，将出流栓接上出流管引至压力室外，出流管再接量测装置，然后将压力板提取器的盖子盖好，上好周围螺栓；

步骤3：开始加压前，先要打开空气压缩机；使其压力达到一定高度，再调节拟送进压力板提取器内的压力；

步骤4：调压时，先关闭由压力管路至压力板提取器通道上的阀门，将微调节器按顺时针方向旋转再打开粗调节器，使压力表上显示的压力高出所要求压力4～5kg/cm²，然后将微调节器向反时针方向旋转，使压力表压力降至零，再打开由压力管路至压力板提取器通道上的阀门，再将微调节器按顺时针方向慢慢旋转使之达到要求压力，并开始计时；

步骤5：测定水分特征曲线，土壤扩散度和水力传导度：

步骤5.1记下达到稳定后的总排水量，获得水分特征曲线脱湿过程水分特征曲线测定：

脱湿过程：排水停止后，土样中的总水势应与多孔陶土板下边自由水的总水势相等，即：

式中：—土样中的总水势；

—多孔陶土板下边自由水的总水势；

多孔陶土板下边自由水所受压力为大气压(出水管口与多孔陶土板齐平时)，所以土样中的总水势等于零。

即

式中：—土壤的基质势(负压)；

—压力室内施加的压力。

由式(1)可知，土壤的基质势等于压力室内施加的压力的负值。

当已知土样的初始含水率时，根据稳定后量得的排水量即可求得在该压力条件下的含水率；

改变一个压力重复上述步骤1-4，就可求得不同压力下的土壤含水率，从而得到脱湿过程的水分特征曲线。

吸湿过程水分特征曲线测定：将加压改为减压，排水系统改为供水系统。试样从干到湿，即可求得吸湿过程的土壤水分特征曲线。

步骤5.2记录排水过程，获得土壤扩散度和水力传导度，

(1)多步法：

由压力板出流法试验可以绘制关系曲线，直线斜率为：

tanβ′＝-0.4343a₁²D>

标准曲线斜率为：tanβ＝-0.4343a₁²>

可得扩散度D值为：

然后根据

k(θ)＝D(θ)c(h) (5)

即可求得容水度c(h)及水力传导度K(θ)。

(2)一步法：

若有了施加某压力的排水过程线，即可获得D～θ曲线，公式如下：

若要进一步了解水力传导度及容水度，必须再次使用分次加压或其它方法，求得水分特征曲线，然后按式(4)(5)推求。

根据测定方法相应的选择“多步法”和“一步法”：在连续调控压力状态，对试样进行测试的条件下，可选择“多步法”对非饱和土壤水动力参数进行解析，而在选择压力，非连续测定的条件下，可选择“一步法”对非饱和土壤水动力参数进行解析。

所进行的试验是在特殊的密封的容器中进行，供气压力由专门的压力设备提供，通过精密的压力调节装置可以进行不同压力下的试验，如图1。

步骤5所述的绘制水分特征曲线选取湿度作为横坐标，负压作为纵坐标，直观反映负压与土壤湿度的关系。

步骤5所述的多步法采用P·E·RijTema提出的考虑多孔陶土板阻力的方法。

步骤5所述的多步法绘制曲线与P·E·RijTema绘制的曲线及tanβ～Rl标准曲线作对比。

本实验通过两种实现方法来详细阐述本发明的方案，具体实施步骤如下：

(一)多步法：

1)按一定容重配制好土样(如可直接用原状土样即不扰动土样进行试验)，将土样放在陶土板上，使其饱和。饱和方法：可先将陶土板浸泡在水中1～2天，使其充分饱和，然后放上土样，在多孔陶土板上加上水，使土样饱和；

2)将多孔陶土板放在提取器内，如要做高压区试验，可将土样放在薄膜上，再放到薄膜仪内陶土板上。盖好盖子后加压。加压值的大小可以根据水分特征曲线变化特性，开始时每次加压值要小些，以后可逐渐加大；

3)每次加压后，土样开始排水。若只做水分特征曲线，则一直加压到土样不再排水为止，测定在该压力下总排水量即可。若要求扩散度D或水力传导度K，则必须要量测排水过程。在观测排水过程时，加压初期，排水量较大，观测次数和时间间隔应满足精确测定排水通量的需要；

4)在加压至最后要求压力时，停止加压，将土样取出并称重，称重后烘干，再称重，可求得最后的含水率。

①测定水分特征曲线：

由第(4)步骤可求得在最后压力时的含水率，根据最后一个压力与前一个压力之间的排水量，则可逐步向前推算不同压力下含水率，从而求得h～θ曲线，即水分特征曲线。

②测定扩散度D，水力传导度K及容水度c：

当加某一压力时，量测其排水过程中不同时刻排水量及排水总量W_∞，绘制关系曲线且求得直线的斜率tanβ′和直线在轴上的截距值，由该值根据图4标准曲线，求得相应的Rl值，再由Rl值根据图5标准曲线(对应关系如表1所示)，即可求得tanβ值，进一步根据公式求得D(θ)值。这是在该压力和含水率下的扩散度，然后求每一个压力及其相应含水率下的D(θ)值，即可绘制出D～θ曲线。求得D(θ)后，可根据公式(4)和(5)求得c～θ曲线，K～θ曲线。

表1标准曲线数值表

(二)一步法：

1)将试样饱和后放在提取器或压力薄膜仪内加压至要求的压力。

2)加压后立即量测排水量过程。开始观测时间短些，以后适当加长。

3)当达到稳定，即试样不再排水后，取出部分土样称重并烘干，测出其含水率。

4)将土样再饱和后，进行分次加压，测定水分特征曲线(方法同多步法)：

由排水量资料绘制W～t曲线，根据W～t曲线，绘制曲线，按公式(6)式计算D～θ曲线，求C(h′)～θ关系与K(θ′)～θ关系曲线同多步法。

测定的土壤水分特征曲线、非饱和水力传导度和扩散度关系分别如图6和图7所示。

本实例在压力提取器中进行，供气压力由专门的压力设备提供，通过精密的压力调节装置进行不同压力下的试验，提高了计算精度，实现了非饱和土壤状态下的所有土壤水动力学参数的同步测定，这一方法对于求解非饱和土壤水分运动方程是非常有利的，因为在模拟非饱和土壤水分运动，在每一个节点，所有的水动力参数对应的节点状态都是一致的，而这与同步测定方法是一致的。采用不同的方法，对不同的水动力参数进行分别测定，则无法保障参数的对应节点状态一致性。在理论上，对于非饱和土壤水分运动模型而言，参数同步测定的优点在于在采用数值方法进行模拟时，时间和空间步长的选择根据更大的可选择性。原因在于，现有的土壤水动力参数测试方法中，无论是土壤水分特征曲线，还是非饱和水力传导度，以及扩散度，均是测定若干个含水率(或者基质势)下对应的参数值，基于测量点进行参数模型拟合。在土壤水动力学参数单独测定的情况下，通常这些测定点是不不统一的，由于土壤水流运动的非线性，以及数值方法中的分段近似线性求解的要求，在实际求解过程中，为了保障精度，需要对时间步长和空间步长做出严格限制。而本项发明所提出的方法，则解决了这一问题。

(三)标准曲线(图4)和tanβ～Rl标准曲线(图5)的确定方法以含水率为变量的土壤水基本方程如下：

由于

∴式(1)为：

式中：θ为土壤体积含水率；h为土壤负压水头；K(θ)为土壤的水力传导度(为含水率的函数)；D(θ)为土壤的扩散度，表示单位含水率梯度下，单位断面上通过的土壤水流量。z为垂直方向坐标，向下为正，t为时间坐标。

以土壤的负压水头为变量的土壤水基本方程如下：

式中：c(h)为土壤容水度，表示负压水头变化时，土壤能蓄存或释放的水量。

设定在土壤负压变化较小时，土壤含水率与负压呈线性关系。即：

θ＝A+Bh

设定在一定的负压增量Δh范围内，水力传导度K(θ)可以看作是常量。

实验条件下重力项可以忽略。

式(1)简化为：

即：

边界条件：上边界：

下边界：从土样中排出的流量等于通过多孔处板的流量，即:

式中：K_p，l_p分别为多孔陶土板渗透系数和厚度；h为通过多孔陶土板的压力差；l为土样长度。

初始条件：h＝Δh，t＝0，0≤z≤l (7)＇

为了求解方程式(5)，并进行拉氏变换，得：

式(5)为：P拉普拉斯变换指数值。

通解为：

由式(8)得：

根据式(6)和(6)＇，经变换后边界条件为：

由式(10)，(11)可知：

∴c₁＝c₂＝c>

将式(12)代入式(11)，得：

令代入上式，经整理后得：

将上式代入式(9)：

式中：ψ(P)均为多项式。

将式(15)进行逆变换，根据留数定理得：

令：则式(16)为：

即rl＝atga (17)

由式(12)得：

将式(16)代入上式，且将P改写为P_n，得

由式(14)可知：

由式(18)、(19)得：

ψ′(0)＝1；

根据分解定理：

代入式(19)：

由前述设定：θ＝A+Bh

如果其过水断面面积为F，则水量Q_t为：

式中：V为土样体积。

由式(24)：

当t＝0时，Q_i＝AV+B·V·Δh；

t→∞时，Q_f＝AV；

因此在负压增加某一Δh值时，排水总量为：W_∞＝Q_i-Q_f＝B·V·Δh

即：

由式(25)可知

∴B实质上为平均的容水度(在负压为某一值时)。

在负压增加某一Δh值时，t时刻的累计排水量为

当时可取级数的第一项，其误差仅1％。式(26)可写为

等式两边取对数

由式(27)＇可知，右端第一项为截距，即当时，仅与Rl有关。当Rl为定值时，则在半对数纸上呈直线关系。若直线与水平线夹角为β，其直线斜率为：

tanβ＝-0.4343a₁²>

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。