CN105352871B - 一种土壤导气率原位高效测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤导气率原位高效测量方法，通过引入已知导气率的低渗透性参照样品，在同样的供气压力下能够有效降低气体的流量，从而提高了野外土壤导气率的测量效率；根据土壤空气传导基本理论，依据体积守恒原理得到基于低渗透性参照样品导气率的土壤导气率计算模型，为本方法的应用奠定了坚实的理论基础。
Description
技术领域：
本发明涉及土壤物理技术领域，具体地讲是一种土壤导气率原位高效测量方法。
背景技术：
土壤时刻与外接进行能量与物质的交换，土壤内部空气也在不停的运动，并不断的与外界大气进行着交换。土壤导气率是指单位面积单位时间上土壤通过的气体数量, 是反映土壤特性对土壤空气更新速率的综合性影响指标。由于空气与水分共同存在于土壤孔隙中，土壤水分的变化必然导致土壤中空气含量的变化，因此土壤空气和水之间渗透性关系紧密，通过导气率的测定可以间接获得给定土壤饱和导水率和非饱和导水率相关信息。考虑到土壤导气率的测量比导水率的测量省时、省力且对土壤结构扰动极小，特别是在需要大规模数据测量的大田土壤水力特征研究中，基于土壤导气率的水力参数求解方法具有明显优势。
国内外学者提出不同的土壤导气率测定模型与方法。根据模型供气方式不同可分为稳态法和瞬态法两大类；根据测量过程中气体运动边界条件不同，分为一维和三维两种形式。一维测定方式通常为扰动土导气率测量，将待测土样处理后填装进土柱管测量；三维测量方式通常为原状土导气率测量，将测量仪器插入待测土样中测量。一维和三维测量方式通常又与稳态、瞬态法相结合，称一维或三维稳态法、一维或三维瞬态法。传统土壤导气率测量方法多为稳态法，该方法在研究土体的一端持续施加稳定气压，然后测量通过土体的空气数量，根据土壤空气对流方程得出土壤导气率。稳态法测量技术成熟，试验时需压缩机等相关设备提供稳定气压，并用流量计等仪器测量通过土壤的空气数量，试验设备复杂昂贵。瞬态测量方法是指通过记录被测土样密封端压力动态变化，得到土样密封端压力随时间的变化关系，根据相关模型计算得出土壤导气率。瞬态模型的优势是无需测量通过土样的空气流量，试验所需供气压力小，对土样扰动小，但计算稍显复杂。
土壤导气率原位测量中会受到一些实际的问题的困扰，比如利用于瞬态法时，当测量透气性良好土壤时，每次测量用气量很大，须用打气筒或者其他供气源对储气筒连续的供气，非常耗电或者消耗体力，单位时间内测量的样点数目有限，导致测量效率大打折扣。如何提高测量效率是土壤导气率原位测量中亟待解决的关键技术难题。
发明内容：
本发明的目的是克服已有技术的不足，而提供一种土壤导气率原位高效测量方法；主要解决现有的土壤导气率原位测量效率低的问题。
本发明的技术方案是：一种土壤导气率原位高效测量方法，采用如下装置，装置包括供气源，供气源通过导气软管连通储气筒上的第一导气管，储气筒上的另一支第二导气管通过导气软管连通测筒上的第三导气管，测筒上另一支第四导气管通过软管连通气压测量计；所述的第一导气管和第二导气管穿过密封在储气筒上的第一橡皮塞与储气筒相通，第三导气管和第四导气管穿过密封在测筒上的第二橡皮塞与测筒相通；其特殊之处在于，测量方法包括以下步骤：
1）将内径为D（m）的测筒垂直打入到待测位置土壤表面一定的深度L2(m)处，打入之前在测筒外表面均匀涂抹石蜡或者凡士林，以防止测筒与土壤之间存在漏气的缝隙；
2）将直径为D(m)、高度为L1(m)、已知导气率为Ka1(m2)的低渗透性参照样品放置于测筒内土壤之上，并在测筒内壁均匀涂抹一薄层石蜡或者凡士林，防止测筒与低渗透性参照样品之间存在漏气的缝隙；
3）利用供气源向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内相对压强（测筒内空气压强减去外界大气压）达到某一预定值△P(pa)时停止供气；
4）停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒内空气压强的变化，按照先疏后密的原则记录测筒压强P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒内空气的压强接近大气压时，停止观测；
5）以时间t为因变量，测筒的相对压强（测筒内空气压强减去外界大气压即P(t)-Patm）的自然对数值Ln（P(t)-Patm)为自变量，以二者确定的直线斜率作为被测土壤的空气传导特征参数S；
6）将得到的空气传导特征参数S代入公式即可计算土壤的导气率Ka2(m2)，公式中V是储气筒和测筒内空间所占的容积m3，A表示直径为D的低渗透性参照样品的横截面积m2；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，；代表周围的大气压力，；G为与有关的形状系数；D、△P、L1、L2的含义同步骤a、b；
g换到下一个测量点，重复步骤1）—6）即可测算下一个位置处的土壤导气率。
进一步的，所述的计算土壤的导气率采用的土壤导气率计算模型为：
利用供气源向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内相对压强（测筒内空气压强减去外界大气压）达到某一预定值△P(pa)时停止供气；停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒内空气压强的变化，按照先疏后密的原则记录测筒内空气压强P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒内的空气压强接近外界大气压时，停止观测；以时间t为因变量，测筒内空气相对压强（测筒内空气压强减去外界大气压即P(t)-Patm）的自然对数值ln（P(t)-Patm)为自变量，以二者确定的直线斜率作为被测土壤的空气传导特征参数S;已知低渗透性参照样品的导气率为Ka1，设被测土壤的导气率为Ka2，设测量过程中低渗透性参照样品所对应的供气空间体积为V1，被测土壤对应的供气空间体积为V2，根据瞬态导气率传输理论可得：
式（1）（2）中的各有关参数的含义同前；
式（2）中G为与有关的形状系数
由式（1）可得：
考虑到
则
代式（6）入式（20）得到：。
本发明的一种土壤导气率原位高效测量方法和已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1、通过引入已知导气率的低渗透性参照样品，在同样的供气压力下能够有效降低气体的流量，从而大为减少在土壤导气率测量过程中的用气量，达到同样的用气量条件下显著增加测量样本数目的目的，从而有效提高了野外土壤导气率的测量效率；2、根据土壤空气传到基本理论，在对供应气体体积分解的基础上对待测土壤和低渗透性参照样品，分别利用一维瞬态和三维瞬态导气理论，依据体积守恒原理得到基于参照样品导气率的土壤导气率计算模型，为本方法的应用奠定了坚实的理论基础。
附图说明：
图1为本发明的测量装置的连接示意图。
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。以下实施例仅用于说明本发明，并非用来限制本发明的范围。
实施例1，参见图1，供气源1采用打气筒，打气筒的气门嘴2通过导气软管连通储气筒3上的第一导气管5，储气筒3上的另一支第二导气管4通过导气软管连通测筒7上的第三导气管10，测筒7上另一支第四导气管11通过软管连通气压测量计8；第一导气管5和第二导气管4穿过密封在储气筒3上的第一橡皮塞6与储气筒3相通，第三导气管10和第四导气管11穿过密封在测筒7上的第二橡皮塞12与测筒7相通，形成测量装置。
采用上述测量装置的土壤导气率计算模型为：
利用打气筒向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内空气相对压强（测筒内空气压强减去外界大气压）达到某一预定值△P(pa)时停止供气；停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒内空气压强的变化，按照先疏后密的原则记录测筒内空气压强P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒内的空气压强接近外界大气压时，停止观测；以时间t为因变量，测筒内空气的相对压强（测筒内空气压强减去大气压即P(t)-Patm）的自然对数值ln（P(t)-Patm)为自变量，以二者确定的直线斜率作为被测土壤的空气传导特征参数S;已知低渗透性参照样品的导气率为Ka1，设被测土壤的导气率为Ka2，设测量过程中低渗透性参照样品所对应的供气空间体积为V1，被测土壤对应的供气空间体积为V2，根据瞬态导气率传输理论可得：
式（1）（2）中的各有关参数的含义同前；
式（2）中G为与有关的形状系数
由式（1）可得：
考虑到
则
代式（6）入式（20）得到：。
利用上述装置及土壤导气率计算模型进行测量，方法如下：
将内径为D（m）的测筒7垂直打入到待测位置土壤表面一定的深度L2(m)处，在测筒7外表面涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒7与土壤之间漏气；将直径为D(m)、高度为L1(m)、导气率为Ka1(m2)的低渗透性参照样品9放置于测筒7内土壤之上，在测筒7内壁涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒7与低渗透性参照样品9之间漏气，按照图1所示连接测量装置；利用打气筒（或者其他供气源）向测筒供气，当气压测量计测定的测筒7内空气相对压强（测筒内空气压强减去外界大气压）达到某一预定值△P(pa)时停止供气；停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒内内空气压强的变化，按照先疏后密的原则记录测筒内空气压强P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒7内空气的压强接近完结大气压时，停止观测；以时间t为因变量，测筒7的相对压强（测筒内空气压强减去外界大气压即P(t)-Patm）的自然对数值Ln（P(t)-Patm)为自变量,确定二者的数量关系，并以二者确定的直线斜率的绝对值作为被测土壤的空气传导特征参数S;将得到的空气传导特征参数S代入公式即可计算土壤的导气率Ka2(m2)，公式中V是储气筒和测筒内空间所占的容积m3，A表示直径为D的低渗透性参照样品的横截面积m2；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，代表周围的大气压力，；G为与有关的形状系数；换到下一个测量点，重复上述步骤即可测算下一个位置处的土壤导气率。
Claims (1)
1.一种土壤导气率原位高效测量方法，采用如下装置，装置包括供气源（1），供气源（1）通过导气软管连通储气筒（3）上的第一导气管（5），储气筒（3）上的另一支第二导气管（4）通过导气软管连通测筒（7）上的第三导气管（10），测筒（7）上另一支第四导气管（11）通过软管连通气压测量计（8）；所述的第一导气管（5）和第二导气管（4）穿过密封在储气筒（3）上的第一橡皮塞（6）与储气筒（3）相通，第三导气管（10）和第四导气管（11）穿过密封在测筒（7）上的第二橡皮塞（12）与测筒（7）相通；其特征在于，测量方法包括以下步骤：
1）将内径为D（m）的测筒（7）垂直打入到待测位置土壤表面一定的深度L2(m)处，打入之前在测筒（7）外表面均匀涂抹石蜡或者凡士林，以防止测筒与土壤之间存在漏气的缝隙；
2）将直径为D(m)、高度为L1(m)、已知导气率为Ka1(m2)的低渗透性参照样品(9)放置于测筒（7）内土壤之上，并在测筒（7）内壁均匀涂抹一薄层石蜡或者凡士林，防止测筒（7）与低渗透性参照样品（9）之间存在漏气的缝隙；
3）利用供气源向测筒（7）供气，当气压测量计测定的测筒（7）内相对压强值即测筒内空气压强减去外界大气压达到某一预定值△P(pa)时停止供气；
4）停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒内空气压力的变化，按照先疏后密的原则记录测筒内空气压力P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒（7）内的空气压力P(t)接近外界大气压时，停止观测；
5）以时间t为因变量，测筒（7）的相对压强即测筒空气压力P(t)减去外界大气压Patm即P(t)-Patm）的自然对数值Ln（P(t)-Patm为自变量，以二者确定的直线斜率作为被测土壤的空气传导特征参数S；
6）将得到的空气传导特征参数S代入公式即可计算土壤的导气率Ka2(m2)，公式中V是储气筒和测筒内空间所占的容积m3，A表示直径为D的低渗透性参照样品的横截面积m2；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，代表周围的大气压力，；G为与有关的形状系数；D、L1、L2的含义同步骤1)、2)；
7）换到下一个测量点，重复步骤1）—6）即可测算下一个位置处的土壤导气率。
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