CN105424543A - 一种土壤导气率稳态测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤导气率稳态测算方法，其特点是：通过引入已知导气率的低渗透性附加参照样品，在同样的供气压力下能够有效降低气体的流量，从而有效提高了土壤导气率的测量效率；根据土壤空气传导基本理论，依据压力和体积守恒原理得到基于低渗透性附加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

一种土壤导气率稳态测算方法

技术领域：

本发明涉及土壤物理领域，具体地讲是一种土壤导气率稳态测算方法。

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。

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稳态测算方法，同时提供一种基于参照样品导气率的土壤导气率计算模型；主要解决现有的方法测量效率低的问题。

本发明的技术方案是：一种土壤导气率稳态测算方法，采用如下装置，装置包括供气源，所述的供气源通过左导气软管连接左导气管，左导气管和右导气管通过橡皮塞与测筒相通连接，右导气管通过右导气软管连接压力计，橡皮塞与测筒密封连接，测筒内底部设被测土壤，被测土壤上设低渗透性附加参照样品；其特殊之处在于，测算方法包括以下步骤：

（1）将风干的被测土壤按照预定的容重均匀填装于内径为D（m）的测筒，填装的深度记为L₂(m)；

（2）将直径为D(m)、高度为L₁(m)、导气率为K_a1(m²)的低渗透性参照样品放置于测筒内被测土壤之上，在测筒内壁涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒与低渗透性参照样品之间漏气；

（3）利用供气源向测筒供气，当流量计测量的供气流量达到某一稳定直Q(m³/s)时，记录下对应的压力计测定的测筒内空气压力值△P(pa)并停止供气；

（4）利用下面的模型计算被测土壤的导气率K_a2(m²)：

；

上式中A表示直径为D的测筒的横截面积m²；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，。

进一步的，所述的计算被测土壤导气率K_a2的模型为基于参照样品导气率的土壤导气率计算模型：

已知低渗透性附加参照样品的导气率为K_a1，设被测土壤的导气率为K_a2，当供气流量达到稳定数值Q(m³/s)时，对应的测筒内空气压力值为△P(pa)，设此时低渗透性附加参照样品上下表面的空气气压差为△P₁，作用在测筒内被测土壤上表面的压力与外围大气压的差值为△P₂，根据稳态导气率传输理论可得：

式（1）（2）中的Q、D、L₁、L₂的含义同步骤（1）（2）（3）（4）；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，；

由式（1）（2）可得：

考虑到

则

代式(6)入式(2)得到：。

本发明所述的一种土壤导气率稳态测算方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：通过引入已知导气率的低渗透性附加参照样品，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，从而有效提高了土壤导气率的测量效率；根据土壤空气传到基本理论，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为本发明的装置测量连接示意图。

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。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1，参见图1，根据设计要求选择合适的空气压缩机1做为供气源，空气压缩机1上安装压缩机充电开关2、储气瓶压力指示表3、储气并阀门4、减压阀5和气体流量计6；将空气压缩机1的储气瓶通过左导气软管连接左导气管8，左导气管8和右导气管7通过橡皮塞与测筒9相通连接，将右导气管7通过右导气软管连接压力计11，橡皮塞与测筒9密封连接，在测筒9内底部放置被测土壤12，在被测土壤12上放置低渗透性附加参照样品10；

采用上述装置，计算被测土壤导气率K_a2的模型为基于参照样品导气率的土壤导气率计算模型：

已知低渗透性附加参照样品的导气率为K_a1，设被测土壤的导气率为K_a2，设低渗透性附加参照样品上下表面的大气压力差为△P₁，作用在测筒内土壤表面的压力与外围大气压的差值为△P₂，根据稳态导气率传输理论可得：

式（1）（2）中的Q、D、L₁、L₂的含义同步骤（1）（2）（3）；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，；

由式（1）（2）可得：

考虑到

则

代式(6)入式(2)得到：；

利用上述装置和基于参照样品导气率的土壤导气率计算模型，土壤导气率稳态测算方法如下：

将风干的被测土壤按照预定的容重均匀填装于内径为D（m）的测筒，填装的深度记为L₂(m)；将直径为D(m)、高度为L₁(m)、导气率为K_a1(m²)的低渗透性附加参照样品放置于测筒内被测土壤之上，在测筒内壁涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒与低渗透性附加参照样品之间漏气；利用空气压缩机向测筒供气，当气体流量计测量的供气流量达到某一稳定直Q(m³/s)时，记录下对应的压力计测定的测筒内压力值△P(pa)并停止供气；利用下面的模型计算被测土壤的导气率K_a2(m²)：；式中A表示直径为D的测筒的横截面积m²；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，。

Claims (2)

1.一种土壤导气率稳态测算方法，采用如下装置，装置包括供气源，所述的供气源通过左导气软管连接左导气管（8），左导气管（8）和右导气管（7）通过橡皮塞与测筒（9）相通连接，右导气管（7）通过右导气软管连接压力计（11），橡皮塞与测筒（9）密封连接，测筒（9）内底部设被测土壤（12），被测土壤（12）上设低渗透性附加参照样品（10）；其特征在于，测算方法包括以下步骤：

（1）将风干的被测土壤按照预定的容重均匀填装于直径为D（m）的测筒，填装的深度记为L₂(m)；

（2）将直径为D(m)、高度为L₁(m)、导气率为K_a1(m²)的低渗透性参照样品放置于测筒内被测土壤之上，在测筒内壁涂抹石蜡或者凡士林，防止测筒与低渗透性参照样品之间漏气；

（3）利用供气源向测筒供气，当供气流量达到某一稳定数值Q(m³/s)时，记录下对应的压力计测定的测筒内空气压力值△P(pa)并停止供气；

（4）利用下面的模型计算被测土壤的导气率K_a2(m²)：

；

上式中A表示直径为D的测筒的横截面积m²；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，。

2.根据权利要求1所述的一种土壤导气率稳态测算方法，其特征在于，所述的计算被测土壤导气率K_a2的模型为基于参照样品导气率的土壤导气率计算模型：

已知低渗透性附加参照样品的导气率为K_a1，设被测土壤的导气率为K_a2，当供气流量达到稳定数值Q(m³/s)时，对应的测筒内空气压力值为△P(pa)，设此时低渗透性附加参照样品上下表面的空气气压差为△P₁，作用在测筒内被测土壤上表面的压力与外围大气压的差值为△P₂，根据稳态导气率传输理论可得：

式（1）（2）中的Q、D、L₁、L₂的含义同步骤（1）（2）（3）（4）；为空气粘滞系数，与所处环境温度T有关，；

由式（1）（2）可得：

考虑到

则

代式(6)入式(2)得到：。