CN105738264A - 一种快速确定土壤入渗率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤入渗性能测量技术领域，提供了一种快速确定土壤入渗率的方法，该方法包括：对待测土壤进行饱和导水率测量，得到待测土壤的饱和导水率；对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率；根据所述待测土壤的饱和导水率和所述至少两个不同初始时刻的土壤入渗率，确定入渗率计算模型参数，以确定土壤入渗率与时间的映射关系；根据所述映射关系，确定任意时刻的土壤入渗率。本发明提供的快速确定土壤入渗率的方法极大地缩短了土壤入渗性能的测量时间，提高测量效率，节约了水资源，节省了经济成本。

Description

一种快速确定土壤入渗率的方法

技术领域

本发明属于土壤入渗性能测量技术领域，具体涉及一种快速确定土壤入渗率的方法。

背景技术

降水或灌溉水由地表进入土壤的过程称为土壤入渗过程，土壤水分入渗的全过程可以分为3个阶段：快速渗入期、渗漏期、稳渗期，快速渗入期为入渗过程的初始阶段，这个阶段受不同土壤类型土壤水分的物理因素的影响较大，入渗率递减较快；渗漏期阶段主要是饱气带内土壤空隙水分的填充过程，入渗率由递减速度较快趋于稳定；稳渗期阶段土壤空隙全部被水分的填充，成为饱水带，入渗率稳定。因此，土壤入渗率在初期非常大，这时的入渗率称为初始入渗率，然后入渗率由大变小，最后保持一定稳定值，称为稳渗率。

由于土壤的入渗性能是影响土壤含蓄水分的主要因素之一，与农业水资源的高效利用、地表径流水量和水循环的过程有关。因此，准确测量土壤入渗性能对提高农业水分的有效利用，为水文模拟和农田灌溉水管理提供基本参数具有重要意义。

因此，人们对于土壤入渗性能的研究从未中断，先后出现了多种入渗模型，其中最为著名的有Green-Ampt模型(1911)，Philip模型(1957)，Horton模型(1941)，Kostiakov模型(1932)及修正的Kostiakov入渗模型(1972)。以及多种土壤入渗率确定方法，其中包括：双环入渗仪，人工模拟降雨法，点源入渗仪和圆盘入渗仪等。

土壤入渗模型一般采用指数函数或幂函数来表达入渗率随时间的衰减过程。不同入渗模型表征的不同入渗特征如图1所示，可以看出，Horton模型随时间下降最快，最先达到土壤稳定入渗率，不能真实地描述土壤入渗过程。Philip模型-0.5的衰减系数限制了适用土壤范围。Kostiakov模型不能表达土壤稳定入渗率。修正的Kostiakov模型能够很好地描述土壤的瞬态与稳定入渗率。入渗率的衰减速率由土壤本身的性质控制，如土壤质地、结构、容重、含水量、孔隙度和有机质含量等，因此获取土壤稳定入渗率即土壤入渗曲线很重要。但不同的土壤达到稳定入渗率所需时间各不相同，从几小时到几天变化不等。总体来说，土壤入渗的测量时间一般超过两个小时，如Walsh和McDonnell(2012)为研究测量方法对入渗率测量结果的影响，每组入渗实验均进行2小时；Lipiec等(2006)，Woltemade等(2010)和Bagarello和Sgroin(2004)则将入渗时间延长到了3个小时；Moroke等(2009)和Diamond(2009)测量每条入渗曲线的时间分别为4.2和8.5个小时；Ahuja等(1976)采用双环进行土壤入渗性能测量时，测量时间超过16.67小时。研究者尽可能延长入渗时间以获得完整的准确的入渗过程。

然而较长的测量时间需要耗费更多人力和物力，同时也降低了测量效率。等(2014)的研究表明对于单环测量时间若为1-2小时需要消耗15升的水量；在Bagarello和Sgroi(2004)的研究中，直径为20cm的圆盘入渗仪入渗至20min消耗供水量为188L。Fan等(2013)采用双环入渗仪(内环直径30cm，外环直径60cm)对东北无耕作黑土进行入渗研究，入渗时间为4小时，每次实验需水量621.7L。对于人工模拟降雨法，降雨强度一般控制为40-150mm/h，如果实验区域2m×2m，测量时间为1小时，所消耗的水量即为160L到600L。Kato等(2009)采用人工降雨法进行实验时，喷水强度控制为12-12.5L/min，实验进行25min耗水量为300到312.5L。

上述的传统的土壤入渗率测量方法需要较长的测量时间和较高的耗水量，测量效率较低。过多的耗水量使得入渗测量在交通不便利的山区和干旱区域变得不切实际。而且过多的耗水量需要耗费较高的劳动强度运输水量，增加了劳动力成本和实验成本。因此，迫切寻求一种快速准确获取土壤入渗性能的实验方法变得极为重要。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种快速确定土壤入渗率的方法，以解决现有技术存在的土壤入渗性能测量效率低，费时，费水，费力的问题。

为此目的，本发明提供一种快速确定土壤入渗率的方法，该方法包括：

对待测土壤进行饱和导水率测量，得到待测土壤的饱和导水率；

对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率；

根据所述待测土壤的饱和导水率和所述至少两个不同初始时刻的土壤入渗率，确定入渗率计算模型参数，以确定土壤入渗率与时间的映射关系；

根据所述映射关系，确定任意时刻的土壤入渗率。

其中，所述对待测土壤进行饱和导水率测量，得到待测土壤的饱和导水率，包括：

对所述待测土壤的饱和导水率进行至少三次重复测量，得到至少三个饱和导水率；

计算所述至少三个饱和导水率的平均值。

其中，所述对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率，包括：

根据预设的时间步长，对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率。

其中，所述入渗率计算模型参数的计算公式为：

$\begin{array}{c}b=-\frac{lg(i_m-K_s)-lg(i_n-K_s)}{{\mathrm{lgt}}_m-{\mathrm{lgt}}_n}\\ a=\frac{i_m-K_s}{t_m^{-b}}\end{array},$

其中，a和b是入渗率计算模型参数，t_m、t_n是两个不同的初始时刻，i_m是t_m时刻的土壤入渗率，i_n是t_n时刻的土壤入渗率，K_s为土壤饱和导水率。

其中，所述土壤入渗率与时间的映射关系为：

i＝at^-b+K_s。

本发明提供了一种快速确定土壤入渗率的方法，具有的有益效果是：

(1)本发明提供的快速确定土壤入渗率的方法只需确定土壤饱和导水率和初始土壤入渗率(如前10min的入渗率)，即可确定入渗率计算模型中的未知参数，确定待测土壤入渗率计算模型，就可以计算得到任意时刻的土壤入渗率。该方法在较短的时间内(如10分钟)即可准确获得土壤入渗过程，在很大程度上减小了入渗性能测量时间，节约了用水量和经济成本。

(2)本发明不限制土壤饱和导水率和土壤初始入渗率的测量方法。传统的土壤饱和导水率和土壤入渗率测量方法都有其自身适用条件。因此可以根据待测土壤特征如地表坡度，土壤质地，下垫面特征等，选取适合的测量方法获取饱和导水率和初始入渗率。因此本发明提供的快速确定土壤入渗性能的方法较传统方法相比适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为不同土壤入渗模型随时间变化的特征表达；

图2为本发明一实施例提供的土壤入渗率确定方法的流程图；

图3为本发明一实施例提供的1.2g/cm³、1.3g/cm³、1.4g/cm³三种不同容重的土壤的土壤入渗率的计算值与实测值的对比图；

图4为本发明一实施例提供的1.2g/cm³、1.3g/cm³、1.4g/cm³三种不同容重的土壤在0-60min和60-180min时段的土壤入渗率的计算值与实测值的对比图；

图5为本发明一实施例提供的1.2g/cm³、1.3g/cm³、1.4g/cm³三种不同容重的土壤在不同实验工况下土壤入渗率达到稳定入渗状态所需的时间图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

如图2所示，本公开一实施例提供了一种快速确定土壤入渗率的方法，该方法包括如下步骤S1至S4：

S1、对待测土壤进行饱和导水率测量，得到待测土壤的饱和导水率；

需要说明的是，本实施例中不限定土壤饱和导水率的测量方法，本领域技术人员可根据实际情况采用任意土壤饱和导水率测量方法对待测土壤的饱和导水率进行测量。

S2、对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率；

需要说明的是，本实施例中不限定土壤初始入渗率的测量方法，本领域技术人员可根据实际情况采用任意土壤入渗性能测量方法对土壤初始入渗率进行测量。

S3、根据所述待测土壤的饱和导水率和所述至少两个不同初始时刻的土壤入渗率，确定入渗率计算模型参数，以确定土壤入渗率与时间的映射关系；

具体地，入渗率计算模型为修正的Kostiakov入渗模型。

S4、根据所述映射关系，确定任意时刻的土壤入渗率。

本发明提供了一种快速确定土壤入渗率的方法，通过测量待测土壤饱和导水率与两个不同时刻的初始入渗率，确定入渗模型的未知参数，由已确定的未知参数确定土壤入渗率和时间的映射关系，即可获得任意时刻的入渗率。该方法在较短的时间内(如10分钟)即可准确获得土壤入渗过程，很大程度上提高了测量效率，节约了用水量和经济成本。

在本实施例中的步骤S1：“对待测土壤进行饱和导水率测量，得到待测土壤的饱和导水率”包括图中未示出的如下步骤S11至S12：

S11、对所述待测土壤的饱和导水率进行至少三次重复测量，得到至少三个饱和导水率；

具体地，对不同容重的待测土壤的饱和导水率进行测量，每种容重的待测土壤重复测量至少三次。

具体地，测量土壤饱和导水率的具体过程为：首先在体积为100cm³的环刀内分别安预设容重1.2g/cm³，1.3g/cm³，1.4g/cm³填土获得待测土样。然后将土样放在饱和容器中，加水至稍低于环刀上表面，对土样进行饱和，饱和时间为48小时。饱和完成后采用常水头方法进行饱和导水率测量。采用精度为0.01g的电子称称取每间隔10分钟渗出水量，由如下公式计算土壤饱和导水率：

K_s＝VL/[At(H₂-H₁)]，

式中，K_s是土壤饱和导水率，mm/h；V(mm³)是在时间t(min)通过横截面积A(mm²)的出流量；H₂-H₁是水头差；L是测量段土柱长度(mm)。

S12、计算所述多个饱和导水率的平均值。

具体地，计算每种容重待测土壤的饱和导水率的平均值。

本实施例中的步骤S2：“对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率”，包括步骤S2`：

S2`、根据预设的时间步长，选取至少两个不同的初始时刻，对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率。

具体地，本实施例中的入渗率计算模型参数的计算公式为：

$\begin{array}{c}b=-\frac{lg(i_m-K_s)-lg(i_n-K_s)}{{\mathrm{lgt}}_m-{\mathrm{lgt}}_n}\\ a=\frac{i_m-K_s}{t_m^{-b}}\end{array},$

其中，a和b是入渗率计算模型参数，t_m、t_n是两个不同的初始时刻，i_m是t_m时刻的土壤入渗率，i_n是t_n时刻的土壤入渗率，K_s为土壤饱和导水率。

具体地，本实施例中的土壤入渗率与时间的映射关系为：

i＝at^-b+K_s。

需要说明的是，本实施例中对待测土壤的入渗率和饱和导水率进行测量的具体过程为：

(1)分别有多组30个直径为5cm，高度为2cm的小圆环组成水平土柱和垂直土柱，并在最底部圆环的底部打有细孔，形成透气边界。

(2)用胶带将吸水纸粘贴在第一个圆环底部，避免填土洒落同时也能形成透气边界。

(3)在单个圆环内按预先设定的容重填土，单个圆环之间由胶带链接，完成整个土柱填土过程。

(4)将土柱分别水平、垂直固定在铁架台上，由马氏瓶供水进行入渗率测量。

(5)由秒表记录前1,2,5,10,15,...,180min的马氏瓶内水位变化过程，计算土壤入渗性能曲线。

(6)通过如下公式计算土壤入渗性能曲线：

$i_t=\frac{Q}{A\mathrm{\Δ}t}\×600,$

式中，i_t为Δt时段时刻末入渗率，mm/h；Q是Δt时段入渗水量，ml；A是入渗面积，cm²，Δt为入渗时段，min。

需要说明的是，本实施例记录前1,2,5,10,15,...,180min的马氏瓶内水位，仅为举例说明，本实施例不限定用来记录马氏瓶内水位的具体的时间段，事实上，在前0-10min的时间段内记录马氏瓶内水位就可以计算出带测量土壤的入渗性能曲线。

需要说明的是，本实施例中的饱和导水率的测量具有较高的精确性和准确度。

具体地，对不同容重的土壤的饱和导水率的测量结果和对应的标准差如表1所示：

表1

土壤容重(g/cm3)	1.2	1.3	1.4
				饱和导水率(mm/h)	23.0	13.1	9.1
标准差(mm/h)	0.187	0.158	0.083

由表1可以看出，本实施例中测量的不同容重的土壤的饱和导水率的偏差均小于0.2mm/h，精确性较高。

具体地，本实施例中，在前10min的入渗过程中分别记录了1、2、5、10min的马氏瓶水位，因此选取2min和5min，5min和10min，2min和10min三组不同的初始入渗率和对应的土壤饱和导水率计算未知参数a和b。

具体地，根据2min和5min，5min和10min，2min和10min三组不同的初始入渗率和土壤饱和导水率。

具体地，本实施例提供的一种快速确定土壤入渗率的方法，该方法的测量原理如下：

土壤入渗过程由两部分构成即土壤瞬态入渗过程该过程由基质势控制和稳定入渗过程该过程由重力势控制。瞬态入渗过程是随时间不断衰减的过程的表示式为：

i_t＝at^-b，

稳定入渗过程的表示式为：

i_∞＝K_s，

式中，i_t是瞬时入渗率，a,b是未知参数，i_∞是土壤稳定入渗率，需要说明的是，土壤稳定入渗率i_∞可由饱和导水率K_s代替。

土壤入渗过程的表示式为：

i＝i_t+i_∞＝at^-b+K_s，

式中，i_t，i_∞，a,b，K_s参数的意义与上述a,b，K_s相同。

测量得到土壤两个不同时刻初始入渗率如(t_m，i_m)和(t_n，i_n)和土壤饱和导水率K_s后，将两个不同初始时刻的入渗率减去饱和导水率后得到两个对应的初始入渗率如下所示：

$\begin{array}{c}{i}_m-K_s={\mathrm{at}}_m^{-b}\\ i_n-K_s={\mathrm{at}}_n^{-b}\end{array},$

瞬态入渗率由两个未知参数构成，可由两个方程式解出如下公式：

$\begin{array}{c}b=-\frac{lg(i_m-K_s)-lg(i_n-K_s)}{{\mathrm{lgt}}_m-{\mathrm{lgt}}_n}\\ a=\frac{i_m-K_s}{t_m^{-b}}\end{array},$

其中，a和b是入渗率计算模型参数，t_m、t_n是两个不同的初始时刻，i_m是t_m时刻的土壤入渗率，i_n是t_n时刻的土壤入渗率，K_s为土壤饱和导水率。

因此解出a和b，土壤的瞬态入渗过程与时间的映射关系即被确定，由瞬态入渗过程和稳定入渗过程即可由下式求出任意时刻的土壤入渗率：

i＝at^-b+K_s。

还需说明的是，本发明提供的快速确定土壤入渗的方法实施步骤如下：

(1)根据待测土壤特征如地表坡度、土壤质地和下垫面条件等，选取适合的饱和导水率测量方法，对待测土壤进行至少三次饱和导水率测量，得到待量土壤的饱和导水率，计算并取其平均值。

(2)根据待测土壤特征如坡度、土壤质地和下垫面条件等，选取适合的土壤入渗率测量方法对待测土壤进行初始入渗率测量，按预设的时间点记录计算入渗率的各种参数如马氏瓶水位、供水流量和湿润面积等，由记录至少两个不同时刻的参数计算对应时刻的初始入渗率。其中所述至少两个初始时刻土壤入渗率，优选时间点间隔较远的两个初始入渗率进行模型参数的计算。

具体地，选取初始点2，5，10min时的入渗率来入渗率计算模型参数a,b的值，结果如表2所示。对于容重为1.2g/cm³的土壤，重复3的a,b值小于重复2的a,b值，这可能由填土误差造成，然而对于1.2g/cm³的重复3不同的时间点计算的a,b值表现一致，因此填土误差对实验结果没有影响。

表2

由a，b值和已测量获得的土壤饱和导水率来计算土壤入渗率。并将计算值和实测值进行对比由图3表示。图3表明各实验工况下，实测值与计算值非常接近，比例系数在1.005到1.043之间，相关系数均大于0.97。计算结果表明新提出的快速确定土壤入渗性能的方法能根据前10min的入渗率很好地计算出完整的土壤入渗性能曲线。

为了进一步验证本发明提供的快速确定土壤入渗性能方法的计算效果，0-60min和60-180min的入渗率实测值与计算值分别进行对比，比例系数与相关系数列于表3中。

表3

由表3可以看出各实验状况下，不同时段的土壤入渗率测量值与计算值之间的比例系数均接近于1。前60min的相关系数均大于0.95，而60-180min之间的实测值与计算值之间的相关系数介于0.7到0.9之间，这是由于入渗进行1个小时之后，入渗率降低很慢，测量值不是连续变化，而计算值则是连续减小如图4所示，这可能是造成相关系数稍微偏低的原因。

需要说明的是，按照较长的时间间隔读取马氏瓶内的水位，可以减小马氏瓶读数误差对入渗率测量结果产生的影响，进一步提高入渗模型参数计算的准确度。

需要说明的是，当瞬态入渗过程趋于零时，土壤入渗率达到最终稳定状态不随时间变化。当时间t趋于无穷大时，瞬态入渗率趋于零，i达到最终入渗率即土壤饱和导水率。瞬态入渗率的衰减速度随着时间的增加而减小，在入渗的后半部分变得更小。例如，对于容重为1.2g/cm³的土壤入渗率从1.13mm/h减小到1.07mm/h，需要耗费约83小时。因此当瞬态入渗率减小到小于等于1mm/h即被认为是达到稳定入渗率。因此可由如下公式预测本实施例中土壤达到稳渗的时间：

$\begin{array}{c}{\mathrm{at}}_j^{-b}=i_j-k_s\≤1\\ t_j^{-b}\≤1/a\\ t_j\≥a^{\frac{1}{b}}\end{array},$

式中，a、b值采用表2中不同时间点计算的a、b的平均值。采用该公式计算出的不同实验工况下土壤入渗率达到稳定入渗状态所需的时间如图5所示。

需要说明的是，在本实施例中对于1.2,1.3,1.4g/cm³的土壤，达到稳定入渗率所需要的时间分别为28,35,45天。这表明采用传统的土壤入渗性能测量方法真正获得土壤的完整入渗过程非常困难。本实施例提供的一种快速确定土壤入渗率的方法与传统的土壤入渗率测量方法相比，能在几分钟内测量土壤的入渗性能，而传统的土壤入渗率测量方法一般需要28天到45天不等，因此，本实施例中的土壤入渗率确定方法，极大地缩短了土壤入渗性能的测量时间，提高了土壤入渗性能的测量效率。能在短时间内得到待测量土壤的入渗性能曲线，极大地节省了耗水量和劳动力，节省了经济成本。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种快速确定土壤入渗率的方法，其特征在于，所述方法包括：

对待测土壤进行饱和导水率测量，得到待测土壤的饱和导水率；

对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率；

根据所述待测土壤的饱和导水率和所述至少两个不同初始时刻的土壤入渗率，确定入渗率计算模型参数，以确定土壤入渗率与时间的映射关系；

根据所述映射关系，确定任意时刻的土壤入渗率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待测土壤进行饱和导水率测量，得到待测土壤的饱和导水率，包括：

对所述待测土壤的饱和导水率进行至少三次重复测量，得到至少三个饱和导水率；

计算所述至少三个饱和导水率的平均值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率，包括：

根据预设的时间步长，选取至少两个不同的初始时刻，对所述待测土壤进行初始入渗率测量，得到至少两个不同初始时刻的土壤入渗率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入渗率计算模型参数的计算公式为：

$\begin{array}{c}b=-\frac{\lg (i_m-K_s)-\lg (i_n-K_s)}{\lg t_m-\lg t_n}\\ a=\frac{i_m-K_s}{t_m^{-b}}\end{array},$

其中，a和b是入渗率计算模型参数，t_m、t_n是两个不同的初始时刻，i_m是t_m时刻的土壤入渗率，i_n是t_n时刻的土壤入渗率，K_s为土壤饱和导水率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述土壤入渗率与时间的映射关系为：

i＝at^-b+K_s。