一种测量土石混合物入渗过程的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量土石混合物入渗过程的方法，包括如下步骤：1)将滤纸放置在土柱底部；2)土柱每5cm一层进行填土，填土前按土石混合容重和体积计算该层土石混合物所需碎石、土壤质量；3)将土柱固定在一定高度上，由马氏瓶供水进行入渗试验；4)由秒表按1‑150min同时记录马氏瓶内水位和土柱内湿润锋运移情况，计算土石混合物入渗性能曲线；5)按相同容重、碎石直径和碎石含量在环刀内填装土石混合物，放入水中浸泡并饱和24小时；6)采用常水头测量土石混合物饱和导水率；本发明专利技术利用修正的Kostiakov模型能准确快速地获取土石混合物入渗性能，在很大程度上缩短测量时间，节约用水量，降低劳动成本，提高测量效率，具有很强的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种测量土石混合物入渗过程的方法
本专利技术涉及土石混合物入渗性能测量
，尤其涉及一种测量土石混合物入渗过程的方法。
技术介绍
因成土过程和人类活动的影响，许多土壤中含有一定量的碎石(2mm<土壤颗粒<75mm的组分，美国土壤分类系统)，碎石的存在改变了土壤水分运动通道和过水断面，增加土壤孔隙的弯曲程度，进而影响土壤入渗性能；有研究表明，碎石的存在会使得土壤持水特性发生改变，影响土壤的水分入渗以及田间水分含量和植物生长，对提高干旱、半干旱地区的生产力具有重要作用；也有研究发现含碎石土壤易于形成集中流，导致强烈的土石混合物侵蚀，土石混合物流失直接造成土壤肥力下降，土地沙化加剧；与土壤基质相比，土石混合物对降水的入渗水量、植物根系吸水、水分蒸发及土石混合物水分对植物的有效性均产生较大的影响；因此，对土石混合物的入渗性能、土石混合物水分特征、土石混合物导水率的研究一直受到水文、生态、农田灌溉、土壤侵蚀及土壤物理等领域国内外科研工作者的广泛关注。目前，对土石混合物入渗过程的测量多采用传统的测量方法，如人工降雨法、垂直一维土壤入渗法及双环入渗仪法等；如陈子华等采用双环入渗仪测量土石混合物入渗性能，测量时长为4小时；王小燕等采用人工降雨实验分析碎石含量对入渗的影响，将实验进行2个小时；王慧芳采用垂直一维土壤入渗研究碎石直径对土石混合物入渗的影响，每组实验进行5个小时左右；周蓓蓓为研究碎石含量及直径对土石混合物入渗的影响，每组垂直一维土壤入渗实验延长到5-8个小时。为获得更为准确的土石混合物入渗过程，研究者尽可能地延长测量时间，然而，较长的测量时间不仅耗费人力和物力，同时也会降低测量效率；因此，考虑到传统方法需要较长的时间测量，较高的需水量和较低的测量效率，寻求一种准确获取土石混合物入渗性能的实验方法变得极其重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种能够快速准确地获取土石混合物入渗性能过程的实验方法，能够在饱和导水率确定之后利用短时间内测量得到的土石混合物入渗率，确定修正的Kostiakov入渗模型的参数，而后与饱和导水率结合，用修正的Kostiakov入渗模型确定完整的土石混合物入渗过程；测量方法对提高测量效率、节约测量过程中的用水量和降低劳动成本具有重要意义。土石混合物入渗模型的参数能够被一次具体的入渗曲线标定，因此，一个标定参数的入渗模型是与一次具体的入渗测量对应，参数与时间无关，如果选用初始入渗数据确定模型参数，那么确定参数的模型能够预测该条件下的完整土石混合物入渗过程，缩短测量时间。吴海姣运用Kostiakov模型和修正的Kostiakov模型研究不同碎石掺入比例的土石混合物入渗速率随时间变化曲线，发现Kostiakov模型与修正的Kostiakov模型均能较好地表达土石混合物的入渗过程，修正的Kostiakov模型与实测曲线更为接近，相关系数较Kostiakov模型的相关系数更为接近1。因此，本研究选用修正的Kostiakov模型快速计算土石混合物入渗过程。本专利技术的目的是这样实现的：一种测量土石混合物入渗过程的方法，包括如下步骤：1)将滤纸放置在土柱底部，避免填土洒落同时又形成透气边界；2)土柱每5cm一层进行填土，填土前按土石混合容重和体积计算该层土石混合物所需碎石、土壤质量，将称重后的土样放在土柱中，再压实到5cm刻度处；3)将土柱固定在一定高度上，由马氏瓶供水进行入渗试验；4)由秒表按1-150min同时记录马氏瓶内水位和土柱内湿润锋运移情况，计算土石混合物入渗性能曲线；5)按相同容重、碎石直径和碎石含量在环刀内填装土石混合物，放入水中浸泡并饱和24小时；6)采用常水头测量土石混合物饱和导水率，由电子秤称取每5min的出流量，每种土石混合物的饱和导水率测量三次重复。所述的土柱是由直径29cm，高度60cm的圆柱组成，最底部分布5mm的细孔，形成透气边界。所述的填装土柱高度55cm，预留水头高度3cm。所述的碎石由两种规格的碎石组成，分别为直径为2-4mm、容重为2.52g/cm3的碎石和直径为1-2cm、容重为2.65g/cm3的碎石。所述的装填土壤为风干土，土壤容重控制在1.2g/cm3。所述的碎石含量为0、10％、20％、30％、40％，其中碎石含量0为对照组试验。所述的土石混合物入渗过程由修正的Kostiakov模型计算，计算公式如下：i＝at-b+i∞(1)式中：i是土石混合物入渗率，mm/h；i∞是稳定入渗率可由饱和导水率ks代替，当土体完全饱和时才能达到稳定入渗率即饱和导水率，能够由传统的测量方法测量得到；a,b是拟合参数；当移去修正的Kostiakov模型中稳定入渗率时，只剩下a,b值需要确定；因此，确定方程中的两个数据点即可确定两个未知参数，未知参数确定后，可用该模型计算完整的入渗过程。参数值可由公式(2)、(3)确定；im-i∞＝atm-b(2)in-i∞＝atn-b(3)式中，im是初始时刻m的土石混合物稳定入渗率，in是初始时刻n的入渗率。计算得出a,b的参数值，当土石混合物的饱和导水率ks和a,b值确定之后，修正的Kostiakov模型就能够计算出不同时刻的入渗率。本专利技术产生的有益效果：本专利技术公开了一种测量土石混合物入渗过程的方法，利用修正的Kostiakov模型能准确快速地获取土石混合物入渗性能，在很大程度上缩短测量时间，节约用水量，降低劳动成本，提高测量效率，具有很强的应用前景。附图说明图1为对照组实验土石混合物入渗率的计算值与实测值对比图。图2为碎石直径2-4mm、碎石含量为10％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图3为碎石直径2-4mm、碎石含量为20％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图4为碎石直径2-4mm、碎石含量为30％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图5为碎石直径2-4mm、碎石含量为40％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图6为碎石直径1-2cm、碎石含量为10％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图7为碎石直径1-2cm、碎石含量为20％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图8为碎石直径1-2cm、碎石含量为30％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图9为碎石直径1-2cm、碎石含量为40％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。图10为对照组在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。图11为对照组在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。图12为碎石直径2-4mm、碎石含量10％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。图13为碎石直径2-4mm、碎石含量10％的土石混合物30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。图14为碎石直径2-4mm、碎石含量20％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。图15为碎石直径2-4mm、碎石含量20％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。图16为碎石直径2-4mm、碎石含量30％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。图17为碎石直径2-4mm、碎石含量30％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量土石混合物入渗过程的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)将滤纸放置在土柱底部，避免填土洒落同时又形成透气边界；2)土柱每5cm一层进行填土，填土前按土石混合容重和体积计算该层土石混合物所需碎石、土壤质量，将称重后的土样放在土柱中，再压实到5cm刻度处；3)将土柱固定在一定高度上，由马氏瓶供水进行入渗试验；4)由秒表按1‑150min同时记录马氏瓶内水位和土柱内湿润锋运移情况，计算土石混合物入渗性能曲线；5)按相同容重、碎石直径和碎石含量在环刀内填装土石混合物，放入水中浸泡并饱和24小时；6)采用常水头测量土石混合物饱和导水率，由电子秤称取每5min的出流量，每种土石混合物的饱和导水率测量三次重复。

【技术特征摘要】
1.一种测量土石混合物入渗过程的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)将滤纸放置在土柱底部，避免填土洒落同时又形成透气边界；2)土柱每5cm一层进行填土，填土前按土石混合容重和体积计算该层土石混合物所需碎石、土壤质量，将称重后的土样放在土柱中，再压实到5cm刻度处；3)将土柱固定在一定高度上，由马氏瓶供水进行入渗试验；4)由秒表按1-150min同时记录马氏瓶内水位和土柱内湿润锋运移情况，计算土石混合物入渗性能曲线；5)按相同容重、碎石直径和碎石含量在环刀内填装土石混合物，放入水中浸泡并饱和24小时；6)采用常水头测量土石混合物饱和导水率，由电子秤称取每5min的出流量，每种土石混合物的饱和导水率测量三次重复。2.如权利要求1所述的一种测量土石混合物入渗过程的方法，其特征在于：所述的土柱是由直径29cm，高度60cm的圆柱组成，最底部分布5mm的细孔，形成透气边界。3.如权利要求1所述的一种测量土石混合物入渗过程的方法，其特征在于：所述的填装土柱高度55cm，预留水头高度3cm。4.如权利要求1所述的一种测量土石混合物入渗过程的方法，其特征在于：所述的碎石由两种规格的碎石组成，分别为直径为2-4mm、容重为2.52g/cm3的碎石和直径为1-2cm、容重为2.65g/c...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵衡，张婧，王富强，王寒，魏怀斌，康萍萍，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41