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技术

本发明专利技术属于水文地质领域，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：通过改变边界条件下，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。本发明专利技术方法，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，从而本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于水文地质领域，提供了一种基于控制非线性通量的非饱和土壤水力传导度的测定方法。
技术介绍
在农田排灌、环境及土木工程等学科，常常需要掌握非饱和带土壤水的运动规律，探求规律的重要途径是采用确定性数学模型对土壤水的运移进行解析或数值分析，在此之前，必须准确地知道相应的土壤特性参数，非饱和水力传导度便是其中之一。对于水文地质科学来说，随着非饱和水文过程研究的深入开展，势必推动水文地质学基础、地下水渗流理论等方面的延拓与发展，也将促进溶质运移理论的发展、研究降雨入渗下非饱和带中的水气运动在土壤的节水灌溉、水土保持、岩土及水土的饱和-非饱和渗流及结构稳定研究中具有重要意义。非饱和土壤的水力传导度是岩土工程、水利工程、农田灌溉工程和环境工程发展精准农业与生态农业需要的重要参数，测量非饱和土壤的渗透系数代价大，精确度和可靠度性难以保证。水力传导度的测定，常用方法可分为两大类，直接方法和间接方法。其中直接方法又可分为室内试验法和野外试验法，如稳定人渗法与稳定蒸发法，非稳定流瞬时剖面法。现有的方法基本上采用均衡法测定剖面通量，然后基于通量＝势能差乘以水力传导度的方法，确定水力传导度。这一测试理论的缺陷在于：由于测试的要求，需要根据个别点位的含水率(或者基质势)的测定结果估算整个土层的含水率，然而，由于非饱和土壤运动非线性，即使在理论上，这种方法都有明显的缺陷，非饱和条件下估算误差非常大。因此，在测试过程中，通常采用入渗过程(也就是土壤由非饱和向饱和过程过度)实验，根据土层水量的质量变化推求剖面的通量，因为在近饱和区间，土壤中流动采用线性关系描述的误差较小，而且边界条件也容易控制，但是，所测试的非饱和范围极为有限。并且，当土壤中的水分比较干燥的情况下，非饱和通量非常小，与测试误差在一个数量级上。传统的测试方法在测试理论和测试误差控制等方面都存在较为显著的缺陷，不可能通过改进的方法实现土壤非饱和水力传导度的有效测定。更为重要的是，现有的测试方法在机理上没有考虑土壤的状态变化对于水力传导度的影响，在静态条件下测定非饱和水力传导度。然而实际情况下，土壤中的状态不断的发生变化，例如，蒸发过程中含水率降低，入渗过程中的含水率升高，由于状态变化，达西定律的通量与水力传导度之间的响应实际上存在这一定的滞后，由于非饱和水力传导度与土壤含水率(或基质势)表现出非线性关系，这种滞后性在不同含水率(基质势)区间的水力传导度测定结果的影响也是不确定的。考虑到以上这些因素，本项专利技术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完全覆盖土壤状态变化下的水力传导度，所测定的非饱和水力传导度更加符合实际情况。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了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，具有操作简便、费用低、测定周期短、误差小的特点。本专利技术的方法所采用的技术方案是：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)和土柱剖面基质势分布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：式中，K(h)为相应基质势或含水率的水力传导度，h为基质势，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：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负压，求出相应点的负压坡降即可按下式计算水力传导度：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负压分布时，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：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：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的水流通量根据达西定律根据式(8)和式(9)得到式中：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)的分布以及负压水头分布的情况下，可求得相应负压水头或含水率的水力传导度。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：现有的方法基本上采用均衡法测定剖面通量，然后基于通量＝势能差乘以水力传导度的方法，确定水力传导度。这一测试理论的缺陷在于：由于测试的要求，需要根据个别点位的含水率(或者基质势)的测定结果估算整个土层的含水率，然而，由于非饱和土壤运动非线性，即使在理论上，这种方法都有明显的缺陷，非饱和条件下估算误差非常大。因此，在测试过程中，通常采用入渗过程(也就是土壤由非饱本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
1.一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：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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立，王康，龙凡，余翠，张原，张梦颖，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42