CN101738356A - 一种测算土壤湿润锋吸力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测算土壤湿润锋吸力的方法，该方法是在对粘土、壤土和砂土等三种土壤质地条件下Philip-Dunne入渗数据分析的基础上，建立了土壤湿润锋吸力与入渗时间数据特征参数(偏度、峰度和变异系数)之间的定量关系，利用该方法测算土壤湿润锋吸力时不需要考虑入渗前后土壤的含水率变动，只需观测Philip-Dunne入渗仪内不同水位对应的累积入渗时间，因而简化了土壤湿润锋吸力的计算过程并提高了测量效率。

Description

一种测算土壤湿润锋吸力的方法

技术领域：

本发明涉及土壤物理学领域，特别涉及一种测算土壤湿润锋吸力的方法。

背景技术：

湿润锋吸力Ψ是Green-Ampt入渗模型的重要参数，用来表示湿润锋以下干土层对湿润区内水分的吸力。1911年Green和Ampt根据毛管理论提出了一维垂直积水入渗模型。由于该模型计算简单，并且又有一定的物理基础，因此长期以来一直广泛应用于入渗问题的研究，同时国内外众多研究人员就该模型的适用条件与范围、主要参数的确定、理论的近似解以及存在误差的原因等问题进行了多方面的研究与完善，从而使Green-Ampt入渗模型不断得到了新的补充与发展。

土壤湿润锋吸力是土壤重要的物理参数之一。它是估计土壤非饱和导水率，计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要土壤参数。同时，有关土壤参数的获取和掌握对于了解和治理土壤水和地表水污染也是非常重要的。因此，迅速和准确地测定湿润锋吸力具有十分重要的意义。土壤湿润锋吸力可在田间测定，也可采取土样在室内测定。由于从田间获取的土样不可避免地遭到一定程度的扰动，从这些扰动的土芯得到的湿润锋吸力并不能准确地代表田间的真实情况，因而在田间进行原位入渗试验来测量是最合理的一种方式。

目前，国内外学者提出了多种测量土壤湿润锋吸力的方法，诸如单环入渗仪、Guelph入渗仪、张力盘式入渗、Philip-Dunne入渗仪等。上述测量方式中，以Philip-Dunne入渗仪构造最为简单，因该方法用水量最少、测量时间较短、设备价格低廉而非产适宜于野外大面积的土壤水动力学参数的测量，特别适合于运输不便的偏远地区的土壤参数测量工作。1993年由JohnPhilip基于Green-Ampt基本假设提出了Philip-Dunne入渗方法，在降水头多维入渗过程中利用少量水便可快速测定湿润锋吸力Ψ。为推广Philip-Dunne入渗方法的运用，De Haro做了Philip-Dunne入渗测量湿润锋吸力Ψ灵敏度分析，Muuoz-Carpena对比Philip-Dunne入渗和常水头井渗透，通过测量土壤体积、土壤各向异性和渗透形状的差异对计算方法做了改进，得到Philip-Dunne入渗的参数计算公式：

$\mathrm{\τ}=\frac{{8K}_{S}t}{{\mathrm{\π}}^2{r}_0};$ $\mathrm{\ρ}=\frac{R}{r_0};$

公式①是土壤湿润锋吸力的隐式方程，求解十分复杂，并且需要测量入渗前后土壤的体积含水率变化值，从而为该方法的推广应用造成了一定的技术障碍。不考虑入渗前后土壤含水率的变动，基于数据统计分析理论，分析Philip-Dunne入渗过程的入渗时间数据的特征参数与土壤湿润锋吸力的关系，利用入渗时间的偏度、峰度和变异系数来推求土壤湿润锋吸力的方法至今未见报道。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种测算土壤湿润锋吸力的方法，主要解决了现有方法需要测量入渗前后土壤体积含水率的变动以及计算过程冗长、复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种测算土壤湿润锋吸力的方法，其特殊之处在于包括以下步骤：

(1)在待测区域选定的测试点进行Philip-Dunne入渗试验，从入渗开始记录入渗过程中Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的累积入渗时间数据，并测量每个测试点入渗前后的土壤含水率；

(2)利用Muuoz-Carpena公式结合第(1)步所测的每个测试点入渗前后的土壤含水率及特定水位对应的累积入渗时间数据，计算出每个测试点的土壤湿润锋吸力；

(3)利用第(1)步所测特定水位对应的累积入渗时间数据，计算出每个测试点入渗时间数据的特征参数，结合第(2)步计算出的每个测试点对应的土壤湿润锋吸力，建立土壤湿润锋吸力和入渗时间数据的特征参数之间的定量关系；

(4)在待测区未测位置处进行Philip-Dunne入渗试验，只需观测入渗过程中Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的累积入渗时间数据，并求出每个测试点的入渗时间数据的特征参数；

(5)把第(4)步求得的入渗时间数据的特征参数代入第(3)步获得的土壤湿润锋吸力和入渗时间数据的特征参数之间的定量关系，估算出未测位置的土壤湿润锋吸力。

本发明的一种测算土壤湿润锋吸力的方法，其所述的入渗时间数据的特征参数指入渗时间数据的偏度、峰度和变异系数。

所述的入渗时间是指从入渗开始计时Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的入渗累积时间。

所述的特定水位必须包括中间水位及最低水位，并且所有试验点观测记录的特定水位是一致的。

本发明的一种测算土壤湿润锋吸力的方法，可用于野外利用Philip-Dunne入渗仪测定土壤湿润锋吸力参数的场合。对于Philip-Dunne入渗，建立了一个土壤湿润锋吸力Ψ与入渗时间数据的特征参数值的定量关系，二者之间存在指数函数关系，该关系的一般形式为：

Ψ＝a·e^b·s；              ②

式中Ψ(cm)为湿润锋吸力，e≈2.71828为自然对数的底数，s为Philip-Dunne入渗过程中入渗时间的特征参数值，a、b为拟合的系数。根据具体情况土壤湿润锋吸力与入渗时间数据的特征参数值的定量关系也可采用其它类型的函数关系，不仅仅局限于指数函数形式。

本发明的一种测算土壤湿润锋吸力的方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1、利用Philip-Dunne入渗方法测量土壤湿润锋吸力时不需要测量入渗前后的土壤含水率数据，减少了测量环节，节约了测量时间和相应设备投入，极大提高了测量效率；2、所提出的估算方法形式简单计算方便易于应用，有效减少了计算时长，极大提高了计算效率。

附图说明：

图1是本发明的计算流程图。

具体实施方式：

为了更好的理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本发明一种测算土壤湿润锋吸力的方法。

实施例1：第一步，首先测得土壤湿润锋吸力参数Ψ和对应的入渗时间数据的特征参数值的定量关系。在待测区域的若干测试点利用Philip-Dunne入渗方法，采用Philip-Dunne入渗仪，即一根直径为5cm左右和长度35cm左右(但要长于30cm)的透明塑料直管，将Philip-Dunne入渗仪插入土壤地表以下10cm左右的深度处，并将管内的土壤取出，在室外对需要测量土壤湿润锋吸力的田块进行多个试验点的降水头多维入渗实验。Philip-Dunne入渗仪的初始水头保持为30cm，实验前后用TDR土壤水分速测系统或其他方法，测定实验开始前的土壤体积含水率的初始值θ₀和水分全部入渗后对应的土壤含水率值θ_s，实验过程中用秒表或其他计时工具记录Philip-Dunne入渗仪中的水位在不同位置对应的累积入渗时间，从水位开始下降时开始计时，水位每变化5cm观测一次时间，直到水全部入渗停止计时。根据测定的土壤含水率及不同水位对应的累积入渗时间数据，利用公式①计算各试验点的土壤湿润锋吸力参数Ψ。对不同水位对应的累积入渗时间数据序列，利用EXCEL等常用数据分析软件可十分方便、快捷地计算出每个测试点累积入渗时间序列数据的偏度、峰度和变异系数等特征参数值。对所有测试点上的土壤湿润锋吸力参数和对应的入渗时间数据的特征参数值进行分析，通过回归分析拟合出湿润锋吸力与入渗时间的特征参数的关系，并做显著性检验，要求二者显著相关。对粘土、壤土和砂土等多种土壤质地条件下的研究结果表明(见表1，2，3)，土壤湿润锋吸力参数Ψ和对应的入渗时间数据的特征参数值均存在指数函数关系，即公式②，二者在0.001置信水平上显著相关，表明本方法能够用于土壤湿润锋吸力参数的测算。

表1湿润锋吸力和入渗时间偏度之间指数函数拟合结果

表2湿润锋吸力和入渗时间峰度之间指数函数拟合结果

表3湿润锋吸力和入渗时间变异系数之间指数函数拟合结果

第二步，利用土壤湿润锋吸力参数Ψ和对应的入渗时间数据的特征参数值的定量关系方程，利用Philip-Dunne入渗仪测量数据测算湿润锋吸力。对于尚未进行测量的其他位置的土壤进行Philip-Dunne入渗试验，将Philip-Dunne入渗仪插入土壤地表以下10cm左右的深度处，并将管内的土壤取出，Philip-Dunne入渗仪的初始水头保持为30cm，实验过程中用秒表或其他计时工具记录Philip-Dunne入渗仪中的水位在不同位置对应的累积入渗时间，从水位开始下降时开始计时，水位每变化5cm观测一次时间。利用计算器或者EXCELL等常用软件可十分方便地计算出累计入渗时间序列数据的特征参数值，把得到的每个测点的入渗时间数据的特征参数值分别带入第一步的得到的土壤湿润锋吸力参数Ψ和对应的入渗时间数据的特征参数值的定量关系方程②，即可估算出每个测点对应的土壤湿润锋吸力值。

Claims (4)

1.一种测算土壤湿润锋吸力的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在待测区域选定的测试点进行Philip-Dunne入渗试验，从入渗开始记录入渗过程中Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的累积入渗时间数据，并测量每个测试点入渗前后的土壤含水率；

(2)利用Muuoz-Carpena公式结合第(1)步所测的每个测试点入渗前后的土壤含水率及特定水位对应的累积入渗时间数据，计算出每个测试点的土壤湿润锋吸力；

(3)利用第(1)步所测特定水位对应的累积入渗时间数据，计算出每个测试点入渗时间数据的特征参数，结合第(2)步计算出的每个测试点的土壤湿润锋吸力，建立土壤湿润锋吸力和入渗时间的数据特征参数之间的定量关系；

(4)在待测区未测位置处进行Philip-Dunne入渗试验，观测入渗过程中Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的累积入渗时间数据，并求出每个测试点的入渗时间数据的特征参数；

(5)把第(4)步求得的入渗时间数据的特征参数代入第(3)步获得的土壤湿润锋吸力和入渗时间数据的特征参数之间的定量关系，估算出相应的土壤湿润锋吸力。

2.根据权利要求1所述的一种测算土壤湿润锋吸力的方法，其特征在于所述的入渗时间数据的特征参数指入渗时间数据的偏度、峰度和变异系数。

3.根据权利要求1所述的一种测算土壤湿润锋吸力的方法，其特征在于所述的入渗时间是指从入渗开始计时的Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的入渗累积时间。

4.根据权利要求1或3所述的一种测算土壤湿润锋吸力的方法，其特征在于所述的特定水位包括中间水位及最低水位，并且对不同测点所观测记录的特定水位是完全一致的。

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