CN102478494A - 线源布水器 - Google Patents

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  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)

Abstract

本发明公开了一种线源布水器,包括:布水带,放置在被测土壤表面,用于给被测土壤线性布水并保护土壤结构;设置有数个出水口的布水腔,用于将由水源供给的水通过出水口注入到所述布水带中;导水管,连接水源与布水腔,用于将水源中的水导入到布水腔中。本实施例提供的线源布水器,当布水带内含水量很低时,含水量的微小变化引起布水器内水的能量的变化很大,有利于水在布水带内快速均匀分布;当布水带内含水量接近饱和时,即吸力较低时,能量的微小变化引起含水量的很大变化,有利于布水器与土壤界面上水的能量的一致,实现均匀线性地布水,从而提高测量入渗性能的精度。

Description

线源布水器
技术领域
本发明涉及土壤性能测量领域,特别涉及一种线源布水器。
背景技术
土壤入渗过程连接了地表水与地下水,是水文循环研究中的重要部分。土壤入渗性能的高低决定了降雨过程中的地表产流量及进入土壤中的水量,灌溉水渗入土壤的速度及污染物随水流的迁移等。
目前用来测量土壤入渗性能的方法有,人工模拟降雨法,双环法等。人工模拟降雨法在测量土壤入渗过程时,由于供水不足无法测得很高的土壤初始入渗性能,雨滴对地表的打击作用会形成地表结皮。双环测量方法不能应用于坡面土壤,限制了其应用范围。在入渗初期,地表土壤的快速湿润会造成地表结皮,降低土壤入渗性能,影响测量精度。现有双环法及人工模拟降雨法的改进方法提高了原有方法的测量精度,但同时造成了仪器成本的增加,而且加入的仪器附件影响了野外应用的便捷性。
现有技术还提出了一种测量土壤入渗性能的线源入流测量装置。使用该装置对土壤入渗性能进行测量可以克服上述缺点。如图1所示,为现有技术测量土壤入渗性能的线源入流测量装置结构示意图,该装置包括供水马氏瓶1、地面径流布水器2以及数码相机3。土壤入渗性能随时间是逐渐降低的,在线源恒流供水的条件下,地表湿润面积推进速度随时间的推进逐渐减慢。线源入流测量方法的基本原理是利用两者之间的关系,在水量平衡的基础上,建立相应的数学模型。通过测量地表湿润面积推进过程计算得到土壤入渗性能随时间的变化过程。
使用该线源入流测量装置能够实现试验过程中的充分供水。地表径流布水器在保证充分及线性布水的同时避免了入流水流对土壤的直接冲击,保持了土壤的原状性。因此测量得到的土壤入渗率是土壤的本征入渗性能。但是采用这种装置给土壤布水是一种有压力的布水过程,并不能实现真正意义上的线性布水,而且从而影响了测量精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是在保护土壤地表结构,充分供水的基础上实现连续线性布水,从而精确测量土壤入渗性能。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供了一种线源布水器,包括:
布水带,放置在被测土壤表面,用于给被测土壤线性供水;
导水管,与所述布水带相连接,用于将水导入到布水带中;
其中,所述布水带的材料满足:
k x dψ dθ ∂ θ ∂ x > > k zs dψ s dθ ∂ θ ∂ z
式中,kx表示在所述布水带的水平方向上的导水率,kzs表示布水带与土壤接触界面处土壤的导水率在垂直于地面方向上的分量,
Figure BSA00000363200500022
表示布水带的水势随含水量的变化率,表示被测土壤中的水势随含水量的变化率;
Figure BSA00000363200500024
表示布水带的含水量在水平方向上的梯度,
Figure BSA00000363200500025
表示被测土壤中的含水量在垂直方向上的梯度。
还包括:设置有数个出水口的布水腔,用于将所述导水管的水通过出水口均匀地注入到所述布水带中。
所述布水带采用珍珠棉制作。
还包括:水准管,放置在所述布水腔的一侧,用于保证布水腔的水平放置。
(三)有益效果
本发明的技术方案具有以下有益效果:本实施例提供的线源布水器,通过选用导水性能非常好的珍珠棉材料制作布水带,使得当布水带内含水量低时,含水量的微小变化引起能量的变化很大,有利于水在布水带内快速均匀分布;当布水带内含水量高,低吸力时,能量的微小变化引起含水量的很大变化,有利于布水带与土壤界面上水的能量的一致,实现均匀线性地布水,从而提高测量入渗性能的精度。
附图说明
图1是现有技术测量土壤入渗性能的线源入流测量装置结构示意图;
图2(A)(B)分别是本发明实施例的线源布水器的侧视图和剖面图;
图3是本发明布水带的材料水分特征曲线图。
其中,1:马氏瓶;2:地面径流布水器;3:数码相机;51:布水带;52:布水腔;521:出水口;53:导水管;54:水准管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如图2(A)(B)所示,分别为本发明实施例的线源布水器的侧视图和剖视图,本实施例包括:布水带51、布水腔52和导水管53,其中布水带51放置在被测土壤表面,用于给被测土壤线性布水,并保护土壤结构;布水腔52与导水管53相连接,布水管52上设置有数个出水口521,用于将布水腔52中存储的水通过出水口注入到布水带51中;导水管53用于将水导入到布水腔52中。其中导水管53也可以直接将水导入到布水带51中,这时可以不必设置布水腔52。
还可以设置水准管54,放置在布水腔52的一侧,用于保证布水腔52的水平放置,保证线源布水器放在土壤表面后,布水腔52中的水流在X方向保持均匀分布。其中X方向表示布水带的径向方向;Y方向表示垂直于X轴平行于地表的方向;Z方向表示垂直于X轴,垂直指向地心的方向。
本实施例的线源布水器工作时,水流由供水容器经由导水管、布水腔和出水口向布水带供水。进入布水带内的水流一方面可进入其下方的土壤,用于土壤入渗,另一方面水流也可以在布水带内沿布水带径向运动,以实现在布水带的不同位置向其下方的土壤供水,达到沿布水带长度方向土壤表面均匀供水的目的,实现线源布水。
本实施例的线源布水带内部水分运动的水动力关系如下:
q → = - k x ∂ ψ ∂ x i → - k y ∂ ψ ∂ y j → - k za ∂ ψ ∂ z k → = q → x + q → y + q → z - - - ( 1 )
式中,
Figure BSA00000363200500042
为近地表布水带内的水流通量密度向量,
Figure BSA00000363200500043
Figure BSA00000363200500044
分别为近被测土壤地表处布水带内的水流通量向量密度在X、Y和Z方向上的分量,单位m3s-1m-2
Figure BSA00000363200500045
Figure BSA00000363200500046
分别为布水带内的水势ψ在X、Y、Z方向上的水力梯度,单位m/m;kx、ky和kza分别为布水带在X、Y方向上的导水率与Z方向上受土壤控制的实际导水率,单位m s-1
Figure BSA00000363200500047
Figure BSA00000363200500048
分别为X、Y与Z方向上的单位向量,无量纲。式(1)在水量平衡的基础上描述了布水带中水流的三维运动规律。水流由导水管进入布水腔,到达布水带,然后进入土壤中。在试验初期,布水带中含水量非常小,水力梯度较大,随着水流在布水带中沿X、Z方向的运动,水势逐渐降低。土壤初始含水量很小,在水流到达地表时,水力梯度较大。随着水流逐渐进入土壤,土壤水势降低。按照水流的推进过程,对水流运动过程分析如下:
在初始测量阶段,土壤的入渗性能很大,供水容器提供的水可经布水带下方的土壤全部渗入土壤。此时,没有Y方向的水流。从而(1)式可以简化为:
q → = - k x ∂ ψ ∂ x i → - k za ∂ ψ ∂ z k → = q → x + q → z - - - ( 2 )
如式(2)所示,布水带中的水流运动存在两个方向,水平方向和垂直方向,水平方向即图2中的X方向,垂直方向即图2中的Z方向。其中水平方向的运动是由布水带内部本身的水力梯度决定的;垂直方向的运动可以分为两个阶段。首先是由布水腔的出水口至布水带下表面接触地表处,这一阶段的水流运动是由布水带内的水力梯度决定的;其次是水流由布水带下表面渗入至土壤,这一运动过程是由土壤入渗性能控制的。而在布水带与土壤交界面上,渗入土壤的水流通量应与接触界面上布水带向土壤的供水通量相等,则有向下运动的水流通量连续平衡关系,为:
q → z = [ - k za ∂ ψ ∂ z k → ] z = 0 = [ - k zs ∂ ψ s ∂ z k → ] z = 0 - - - ( 3 )
式中,
Figure BSA00000363200500052
为近地表处布水带向土壤注入的水流通量密度向量,单位m3s-1m-2为土壤地表处的水势ψz在Z方向的水力梯度,单位m/m;式(1)及(2)中的
Figure BSA00000363200500054
为地表处布水带内的水势ψ在Z方向的水力梯度,单位m/m;kzs为布水带与土壤界面处土壤的导水率在Z方向上的分量,单位m s-1;kza为布水带与土壤界面处布水带内实际的导水率在Z方向上的分量,单位m s-1
根据布水带与土壤界面上水的能量和能量梯度连续性要求,得到界面处的下列关系:
∂ ψ ∂ z | z = 0 = ∂ ψ s ∂ z | z = 0 ψ | z = 0 = ψ s | z = 0 - - - ( 4 )
式(4)表明布水带下表面的水力梯度及水势和与布水带相接触的土壤上表面的水力梯度及水势相同。
将式(3)代入式(2)得到:
q → = - k x ∂ ψ ∂ x i → - k zs ∂ ψ s ∂ z k → - - - ( 5 )
由式(3)可得到布水带与土壤接触界面处的水流通量密度连续方程为:
k za ∂ ψ ∂ z | z = 0 = k zs ∂ ψ s ∂ z | z = 0 - - - ( 6 )
将式(6)代入式(4)得到:
kza=kzs    (7)
q → = - k x ∂ ψ ∂ x i → - k za ∂ ψ s ∂ z k → = - k x ∂ ψ ∂ x i → - k za ∂ ψ ∂ z k → - - - ( 8 )
对式(8)由变量的求导法则可以得到:
∂ ψ ∂ x = dψ dθ ∂ θ ∂ x ∂ ψ ∂ z = dψ dθ ∂ θ ∂ z - - - ( 9 )
将式(9)代入式(8)得到
q → = - k x dψ dθ ∂ θ ∂ x i → - k za dψ dθ ∂ θ ∂ z k → - - - ( 10 )
q → = - k x dψ dθ ∂ θ ∂ x i → - k za dψ s dθ ∂ θ ∂ z k → - - - ( 11 )
由式(10)可知,由于kx≥kza,如果初始时布水带内的水分分布不均匀,而布水带内有水流存在部分的水力梯度很小,则
Figure BSA00000363200500067
则由式(10)可得:
q → ≈ - k x dψ dθ ∂ θ ∂ x i → - - - ( 12 )
其中
Figure BSA00000363200500069
表示布水带的水势随含水量的变化率,
Figure BSA000003632005000610
表示被测土壤中的水势随含水量的变化率;如果kx
Figure BSA000003632005000611
很大,或者
Figure BSA000003632005000612
很大,则由式(12)可知,可以很小。
Figure BSA000003632005000614
很小意味着沿X方向上,土壤各处的含水量可以均匀地分布。满足这样条件的布水带,可以产生均匀的布水效果。
平行地,根据式(11),由于布水带与土壤接触界面处布水带中的含水量梯度
Figure BSA00000363200500071
与土壤含水量梯度
Figure BSA00000363200500072
相当,即
Figure BSA00000363200500073
但kx>>kzs,则如果
Figure BSA00000363200500074
Figure BSA00000363200500075
也同样可以得到式(12)。
因此,需要为布水带选择合适的材料,使得kx
Figure BSA00000363200500076
很大,或者
Figure BSA00000363200500077
很大;或者等价地
Figure BSA00000363200500078
使得下式成立:
k x dψ dθ ∂ θ ∂ x > > k zs dψ s dθ ∂ θ ∂ z - - - ( 13 )
满足上述条件的材料为理想的布水带材料,是实现布水器线性布水的关键。本实施例的布水带可以采用质地较细的珍珠棉制作,也可以采用其他满足公式(13)条件的材料制作。
当供水量较小时,布水带下与布水带面积相同的土壤湿润范围内可以完全渗入供给的水量,并且水在布水带内沿X方向的运动较沿Z方向的运动缓慢得多。此时有:
∂ ψ ∂ x ≈ 0 - - - ( 14 )
q → ≈ - k za ∂ ψ ∂ z k → - - - ( 15 )
Q = ∫ q → × d A → ≈ ∫ k za ∂ ψ ∂ z dA - - - ( 16 )
式中,Q为马氏瓶的供水流量,单位m3s-1;A为线源布水器的布水面积,单位m2
将式(4)代入式(16)得:
Q ≈ ∫ k za ∂ ψ s ∂ z dA - - - ( 17 )
其中:ψs=ψm+z为土壤水势,单位m;ψm为土壤基质势,单位m。对式(17)进行积分运算得到:
Q≈kzaA=iA    (18)
式中,As为地表湿润面积,单位m2。当土壤入渗达到稳定时,土壤接近饱和状态,土壤基质势ψm≈0,土壤实际饱和导水率kza≈ks,其中ks为土壤的饱和导水率,单位m s-1。从而由式(17)和(18)得到:
Qc≈ksA=i0A    (19)
式中,Qc为临界流量,单位m3s-1。当流量为临界流量时,布水带供水面积与土壤地表入渗面积相同,而且供水量仅满足维持土壤的最低稳定入渗率。
式(19)为供水流量与布水带下土壤稳定入渗流量平衡的临界条件。当供水流量小于该值时,供水不足,测量得到的饱和导水率或稳定入渗率小于土壤实际稳定入渗率:
Qa≈ksaA=i0aA    (20)
式中,Qa、ksa和i0a分别为实际供水流量、导水率和布水带下的入渗率。
式(20)表明,当:
Qa=kaA=i0aA<Qc=ksA=i0A    (21)
时,有:
k a < k s i 0 a < i 0 - - - ( 22 )
因此,式(19)给出的是在给定的线源布水器结构(布水带供水面积)时,能够至少测出稳定入渗率的入渗性能曲线的临界流量。小于该流量,土壤入渗将受供水不足的限制。计算得到的入渗过程理论上为一条不随时间变化的水平直线。
给定流量(Qa>Qc)时,可以得到另一临界值,系统能够测量得到的最大入渗率。由式(17)有:
i max &ap; Q a A - - - ( 23 )
由式(23)可知,系统能够测量得到的最大入渗率与供水流量、布水带的面积或二者的比值有关。流量加大或布水带的面积减小将有利于测量得到更高的初始入渗率。
以上理论分析为正确地选择布水带材料提供了理论基础,为此,经过严格比较挑选后,本实施例选用质地较细的珍珠棉作为布水带材料。珍珠棉材料的特点是吸水性非常强,可以在短时间内吸收大量的水分,在含水量降低到一定程度后,材料变硬,吸水后材料恢复弹性。
本实施例利用常用的测量土壤水分特征曲线的离心机法测量珍珠棉材料的水分特征,选用HITACHI CR21G离心机,最高转速可达21000rpm,对应的最大离心力为11000kg,最大容量为1000ml。
在试验前,测量珍珠棉材料的体积V以及干重W。
1、在测量材料水分特征之前,先将材料浸泡在水中,使之完全饱和。材料不同于土壤,材料吸水速度非常快,因此一般浸泡2-3个小时即可,浸泡过程中通过挤压将材料中的气泡排出。材料饱和后,用1/100精度天平称重,得到材料饱和后的质量Ws
2、将饱和后的材料放入离心机的容器中,盖好容器,为使放入离心机转子中相对位置的两个容器的质量一致,通过添加薄纸片使二者重量之差不超过0.01g。称重之后将四个容器两两对应放入离心机的转子中,固定,并用手转动转子,以确保其旋转正常。随后关上离心机盖子,按照设定的水势,选择对应水势(s)的转速及运行时间。启动离心机并运行设定的时间。结束后,称重,计算得到材料脱水后的质量W’。
利用下列公式得到该压强下材料对应的的含水量:
&theta; = W &prime; - W &rho;V % - - - ( 24 )
式中,ρ为水的密度,单位1g/cm3;θ为材料的体积含水量,单位cm3/cm3
如图3所示,为本发明布水带的材料水分特征曲线图,将试验结果用幂函数进行拟合,相关性系数非常高,表明材料中的含水量与水吸力之间具有很好的幂指数关系。在低吸力时,随着吸力的增加,材料的含水量急剧下降。在高吸力时,随着含水量的下降,材料的吸力急剧增加。将材料应用在布水带上,这一规律的作用为:在布水初始阶段,材料含水量较低,当局部供水时,水的能量迅速上升,与邻近的区域间产生很大的水力梯度,这样一方面水不会由布水带流出进入地表,另一方面水在布水带内部迅速运动,即沿X方向快速运动,使得布水带内的含水量迅速达到均匀,即达到式(12)所描述的状态。此后,随着布水带内水的能量的升高,布水带内的含水量迅速增高。一旦材料的含水量在布水带内部,特别是在与土壤接触处达到了一定数值,布水带内水的能量达到与土壤中水的能量平衡时,即达到式(4)描述的状态时,水流就开始在土壤吸力的作用下进入土壤。
当布水带的导水性能很高时,即式(12)所描述的状态,布水带内各处的含水量会因水的快速运动很快达到均衡,从而布水带内各处水的能量也达到均衡。沿布水带长度方向与其接触的土壤,在能量低处首先有水进入土壤,当此处有水进入土壤后,土壤水的能量与布水带内水的能量达到平衡,即达到式(4)描述的状态后,水停止渗入土壤,或缓慢地渗入土壤,由此引起布水带内水的能量进一步上升。当水的能量在布水带其他部位与土壤接触处上升达到与某处土壤的能量平衡时,水又由此进入土壤。如果布水带的材料具备在高含水量时随着含水量增加,水的能量缓慢增加的特性,则在布水带中各处水的能量相等,不会因为其内部各处的含水量的差异导致很大的能量梯度。这样就可以控制沿着布水带均匀的能量分布,并由此控制了水沿着布水带均匀进入土壤的过程。在这样的能量机制的调控下,实现了水流由布水带线性、均匀地进入土壤的过程,即式(6)所描述的状态。
以上表明,在入渗初始阶段,即使地表存在一定坡度或者倾斜,受土壤与布水带能量的控制,布水带中的水流仍然可以保持线性地进入土壤中。进入土壤的水流在土壤入渗性能的影响下,保持线性的推进。随着入渗过程的进行,土壤入渗性能降低,当布水带下方的土壤入渗能力小于供水流量时,多余的供水在地表形成一层非常薄的水流层。这一层水会受地表的起伏的影响而向地势较低的区域流动。这一薄层水流同时又受到土壤入渗性能的限制。即当水流流向地势较低处时,该部分的入渗过程开始,初始很高的入渗性能保证了土壤可以将水流在很小的范围内完全渗入。薄层水流的这一运动趋势被限制。因此,由布水带控制出水时,即使地表存在高低不平的情况,在供水流量较大时,地表湿润面积向前推进过程仍然会保持一定的线性形态。
本实施例的线源布水带试验证明,地表湿润面积推进过程具有非常好的线性相关性,验证了之前对布水带水力特性的分析以及试验得到的材料水动力学数据。本实施例利用室内试验测量得到了该种材料的饱和导水率为3225mm/hr。表明该材料的导水性非常高,满足线性布水器中水在布水带内部各处快速均匀分布的要求。
本实施例提供的线源布水器,通过选用导水性能非常好的珍珠棉材料制作布水带,使得当布水带内含水量低时,含水量的微小变化引起能量的变化很大,有利于水在布水带内快速均匀分布;当布水带内含水量高,低吸力时,能量的微小变化引起含水量的很大变化,有利于布水带与土壤界面上水的能量的一致,实现均匀线性地布水,从而提高测量入渗性能的精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种线源布水器,其特征在于,包括:
布水带,放置在被测土壤表面,用于给被测土壤线性供水;
导水管,与所述布水带相连接,用于将水导入到布水带中;
其中,所述布水带的材料满足:
k x d&psi; d&theta; &PartialD; &theta; &PartialD; x > > k zs d&psi; s d&theta; &PartialD; &theta; &PartialD; z
式中,kx表示在所述布水带的水平方向上的导水率,kzs表示布水带与土壤接触界面处土壤的导水率在垂直于地面方向上的分量,
Figure FSA00000363200400012
表示布水带的水势随含水量的变化率,
Figure FSA00000363200400013
表示被测土壤中的水势随含水量的变化率;表示布水带的含水量在水平方向上的梯度,
Figure FSA00000363200400015
表示被测土壤中的含水量在垂直方向上的梯度。
2.如权利要求1所述的线源布水器,其特征在于,还包括:设置有数个出水口的布水腔,用于将所述导水管的水通过出水口均匀地注入到所述布水带中。
3.如权利要求1所述的线源布水器,其特征在于,所述布水带采用珍珠棉制作。
4.如权利要求2所述的线源布水器,其特征在于,还包括:水准管,放置在所述布水腔的一侧。
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