大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法

摘要

本发明公开了一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，包括实验土壤，实验土壤负压测量传感器；负压边界控制装置，包括设置在所述实验土壤下方的真空气室、设置在所述真空气室顶端的陶瓷接触膜，所述负压气室真空度可进行调节，所述陶瓷接触膜连接实验土壤与真空气室用于由真空气室向土壤进行负压传递。在控制边界模拟土壤水运动实验条件下，对于第一类边界条件(狄利克雷边界)或二类边界条件(纽曼边界)，基于埋设在边界层的土壤负压传感器所测量的土壤负压，以及边界层设定通量，基于步骤一所确定的真空气室负压‑边界通量‑土壤负压函数关系，在整个实验期通过控制和调节真空气室负压实现一类或二类边界条件控制。

说明书

技术领域

本发明属于土壤水边界条件控制技术领域，尤其涉及一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法。

背景技术

蒸渗仪、以及包括了土壤渗流实验在内的坡面流动实验系统等大型土壤水运动实验系统，不可避免的需要通过设定边界以截断土壤，而边界条件变化对于土壤水流动产生了显著性的影响，不同的边界(如渗出面边界、重力排水边界和低渗透阻水边界)所测定的通量和过程都表现出显著的区别。边界条件控制是大型土壤水运动实验系统开展原位模拟实验和控制实验尚未解决的核心问题之一。

目前解决边界控制问题通用的方法是扩大土壤水运动实验系统的尺度，例如采用大埋深(超过4m)的实验系统，尽管这种方法一定程度上降低了边界条件对于测量结果的影响，然而相应的实验系统的尺寸就非常大，对土壤水分运动及其伴随和伴生过程的监测亦提出了非常高的要求。更为重要的是在机理上并未根本解决这一问题。

此外，大型土壤水运动实验系统通常边界条件设定为不透水边界或者正压边界。非饱和土壤水运动分有界和无界两种情况，边界为饱和土层(地下水)或不透水隔层者为有界非饱和土壤水运动；当非饱和区无限深(或地下水埋深相当大)而又不研究非饱和带土壤水向地下水的补给(或地下水向包气带的补给)时，往往侧重于研究在一定深度范围内土壤水运动及其伴生和伴生过程，对于这种无界土壤水运动问题，实验区域需要选定在某一定深度的土层范围内，这种情况下边界更主要的是负压边界。而目前所有的大型土壤水实验装置均无法满足开展控制负压边界实验的需求。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，建立了通过气室真空负压控制实现大型土壤水运动实验系统负压边界控制的方法，解决了大型土壤水运动实验可靠性提升的关键理论和技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，包括控制装置和利用所述的控制装置开展原位模拟实验和控制边界模拟土壤水运动实验条件下负压边界的控制方法，所述控制装置包括：

实验土壤，其用于开展大型土壤水运动系统原位模拟土壤水流动实验；

实验土壤负压测量传感器，其埋设在实验土壤边界位置用于测量实验土壤边界位置处的负压；

负压边界控制装置，其用于实现原位土壤负压边界还原，包括设置在所述实验土壤下方的真空气室、设置在所述真空气室顶端的陶瓷接触膜，所述负压气室真空度可进行调节，所述陶瓷接触膜连接实验土壤与真空气室用于由真空气室向土壤进行负压传递。

本发明还提供一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，利用上述的控制装置开展原位模拟实验和控制边界模拟土壤水运动实验条件下负压边界，包括如下步骤：

S1.通过陶瓷接触膜的参数率定，建立真空气室负压-土壤负压-土壤水通量关系；

S2.通过在原位土壤边界位置埋设的原位土壤负压测量传感器，测量原位边界位置的负压；

S3.根据步骤S2中原位土壤边界位置处的负压测量结果，采用步骤S1所确定的真空气室负压-边界通量-土壤负压函数关系，通过调节真空气室负压使得实验系统边界位置的实验土壤负压与原位下边界土壤负压一致；

S4.实验过程中，通过原位土壤边界位置埋设的原位土壤负压测量传感器连续测量原位土壤边界负压变化，通过步骤S3对模拟实验边界进行动态调控，满足模拟实验边界条件与原位条件一致；

S5.收集和排出从土壤边界进入真空气室的水体；

S6.在控制边界模拟土壤水运动实验条件下，对于第一类边界条件即狄利克雷边界或二类边界条件即纽曼边界，基于埋设实验土壤边界层的实验土壤负压测量传感器所测量的土壤负压，以及边界层设定通量，基于步骤S1所确定的真空气室负压-边界通量-土壤负压函数关系，在整个实验期通过控制和调节真空气室负压实现一类或二类边界条件控制。

进一步，所述的原位模拟实验和控制边界实验条件下，实现负压边界调控所建立的陶瓷接触膜进行负压传递条件下的真空气室负压～土壤负压～边界水流通量关系为：

其中，t为时间维度，Q为在实验土壤-陶瓷接触膜-真空气室中连续流动的边界水流通量，Δh为实验土壤负压和真空气室负压差；

在步骤S1中，在土壤-陶瓷接触膜-真空气室构成的连续体中，真空气室形成的负压通过陶瓷接触膜传递到土壤，形成一个连续的负压传递过程，在这个连续的过程中，土壤水运动方程为：

在边界位置，土壤中形成的非饱和通量透过陶瓷接触膜形成连续流动，均衡条件下，陶瓷接触膜内流动方程可表示为：

或

式中：z和t分别为位置和时间维度，K

连续流动条件下，对(1)式进行拉普帕斯变换，

其中c

将方程(2)经拉普拉斯变换后带入(4)式，得：

由于在陶瓷接触膜和气室交界面位置

因此由(5)式和(6)式可知：

因此确定积分常数c

将(7)式代入(5)式，得：

将(8)式进行拉普拉斯逆变换，根据留数定理得：

其中，根据双曲函数与复变量三角函数的关系：

令：

则进一步根据分解定理，得：

其中，

其中，负压调控边界面面积为B，则土壤边界和陶瓷接触膜连续水流通量Q为：

即土壤边界负压和气室负压差为Δh的情况下，t时刻边界通量Q为

当

式(14)可表示为

这样，就确定了土壤边界和陶瓷接触膜连续流动条件下，土壤负压和气室负压差为Δh情况下的发生的边界层水流通量Q。(15)式中，由于

按上述技术方案，第二类(纽曼边界)边界控制即可根据设定的边界设定的通量Q，和通过埋设在土壤的负压传感器所测定的土壤负压，依据(16)确定真空气室负压，并进行调控，在整个实验期间实现边界恒定通量控制。其中(16)式可根据(15)式直接得到：

在控制边界模拟土壤水运动实验条件下，对于第一类边界条件即狄利克雷边界或二类边界条件即纽曼边界，基于埋设实验土壤边界层的实验土壤负压测量传感器所测量的土壤负压，以及边界层设定通量，基于步骤S1所确定的真空气室负压-边界通量-土壤负压函数关系，在整个实验期通过控制和调节真空气室负压实现一类或二类边界条件控制。

进一步，在实验土体为粘性土壤条件下，应采用基于土壤真空度电偶感应为测量原理的实验土壤负压测量传感器。

进一步，所述真空气室中陶瓷接触膜下方依次设有翻斗式流量测量装置和土壤水收集瓶，其用于收集所述实验土壤中土壤水，所述真空气室内设有真空气室负压测量传感器用于测量所述真空气室内的负压，真空气室侧壁设有连接所述真空气室与真空泵的连接装置，通过真空泵调控真空气室内真空度实现气室负压的调控，所述真空泵与负压控制调节器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本项发明提出了完备基于土壤-陶瓷接触膜-真空气室连续流动过程中土壤负压-通量-气室负压函数关系，建立了通过气室真空负压控制实现大型土壤水运动实验系统负压边界控制的方法，解决了大型土壤水运动实验可靠性提升的关键理论和技术问题，避免了现有技术中通过扩大土壤水运动实验系统的尺度来解决边界控制问题中需要对土壤水分运动及其伴随和伴生过程的高要求监测的问题。

附图说明

图1为本发明大型土壤水运动实验系统负压边界调控装置示意图；

图2为本发明大型土壤水运动实验系统负压边界调控装置；

图3为本发明示例的边界负压调控装置参数率示意曲线图；

其中，1-实验土壤，2-负压边界控制装置，3-实验土壤负压测量传感器器，4-负压控制调节器，5-真空泵，6-陶瓷接触膜，7-翻斗式流量测量装置，8-土壤水收集瓶，9-真空气室，10-真空气室负压测量传感器，11-连接装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，本实施例提供一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，包括：实验土壤，实验土壤负压测量传感器，负压边界控制装置，其中实验土壤用于开展大型土壤水运动系统原位模拟土壤水流动实验；实验土壤负压测量传感器埋设在实验土壤边界位置用于测量实验土壤边界位置处的负压；用于实现原位土壤负压边界还原，压边界控制装置包括设置在所述实验土壤下方的真空气室、设置在所述真空气室顶端的陶瓷接触膜，所述负压气室真空度可进行调节，所述陶瓷接触膜连接实验土壤与真空气室用于由真空气室向土壤进行负压传递。

进一步优选的实施例中真空气室中陶瓷接触膜下方依次设有翻斗式流量测量装置和土壤水收集瓶，其用于收集所述实验土壤中土壤水，所述真空气室内设有真空气室负压测量传感器用于测量所述真空气室内的负压，真空气室侧壁设有连接所述真空气室与真空泵的连接装置，通过真空泵调控真空气室内真空度实现气室负压的调控，所述真空泵与负压控制调节器连接。

在采用大型土壤水运动系统进行原位模拟土壤水流动实验时，通过以下步骤实现原位边界的还原：

S1.通过陶瓷接触膜的参数率定，建立真空气室负压-土壤负压-土壤水通量关系；

S2.通过在原位土壤边界位置埋设的原位土壤负压测量传感器，测量原位边界位置的负压；

S3.根据步骤S2中原位土壤边界位置处的负压测量结果，采用步骤S1所确定的真空气室负压-边界通量-土壤负压函数关系，通过调节真空气室负压使得实验系统边界位置的实验土壤负压与原位下边界土壤负压一致；

S4.实验过程中，通过原位土壤边界位置埋设的原位土壤负压测量传感器连续测量原位土壤边界负压变化，通过步骤S3对模拟实验边界进行动态调控，满足模拟实验边界条件与原位条件一致；

S5.收集和排出从土壤边界进入真空气室的水体；

S6.在控制边界模拟土壤水运动实验条件下，对于第一类边界条件即狄利克雷边界或二类边界条件即纽曼边界，基于埋设实验土壤边界层的实验土壤负压测量传感器所测量的土壤负压，以及边界层设定通量，基于步骤S1所确定的真空气室负压-边界通量-土壤负压函数关系，在整个实验期通过控制和调节真空气室负压实现一类或二类边界条件控制。

按上述技术方案，步骤S1中建立陶瓷接触膜负压传递条件下的真空气室负压～土壤负压～边界水流通量函数关系如下：

在土壤-陶瓷接触膜-真空气室构成的连续体中，真空气室形成的负压通过陶瓷接触膜传递到土壤，形成一个连续的负压传递过程，在这个连续的过程中，土壤水运动方程为：

在边界位置，土壤中形成的非饱和通量透过陶瓷接触膜形成连续流动，均衡条件下，陶瓷接触膜内流动方程可表示为：

或

式中：z和t分别为位置和时间维度，K

连续流动条件下，对(1)式进行拉普帕斯变换，

其中c

将方程(2)经拉普拉斯变换后带入(4)式，得：

由于在陶瓷接触膜和气室交界面位置

因此由(5)式和(6)式可知：

因此确定积分常数c

将(7)式代入(5)式，得：

将(8)式进行拉普拉斯逆变换，根据留数定理得：

其中，根据双曲函数与复变量三角函数的关系：

令：

则进一步根据分解定理，得：

其中，

其中，负压调控边界面面积为B，则土壤边界和陶瓷接触膜连续水流通量Q为：

即土壤边界负压和气室负压差为Δh的情况下，t时刻边界通量Q为

当

式(14)可表示为

这样，就确定了土壤边界和陶瓷接触膜连续流动条件下，土壤负压和气室负压差为Δh情况下的发生的边界层水流通量Q。(15)式中，由于

按上述技术方案，第二类(纽曼边界)边界控制即可根据设定的边界设定的通量Q，和通过埋设在土壤的负压传感器所测定的土壤负压，依据(16)确定真空气室负压，并进行调控，在整个实验期间实现边界恒定通量控制。其中(16)式可根据(15)式直接得到：

在控制边界模拟土壤水运动实验条件下，对于第一类边界条件即狄利克雷边界或二类边界条件即纽曼边界，基于埋设实验土壤边界层的实验土壤负压测量传感器所测量的土壤负压，以及边界层设定通量，基于步骤S1所确定的真空气室负压-边界通量-土壤负压函数关系，在整个实验期通过控制和调节真空气室负压实现一类或二类边界条件控制，如图3所示，为两组控制Q通量相同条件下真空气室负压和土壤边界负压的关系，对于全部的Δh和Q的测定结果，满足方程(16)式的控制误差

最小，确定陶瓷接触膜渗透系数K

按上述技术方案，对于土壤负压进行测定的土壤负压传感器需要有足够的灵敏度，以势能平衡原理为测量原理的土壤负压传感器，在粘性土质条件下，可能由于均衡时间过程而产生较大的控制误差，应采用基于土壤真空度电偶感应为测量原理的土壤负压传感器，如

上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。