CN105910975A - 融雪入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法 - Google Patents

Abstract

融雪入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法，模拟系统包括底部构件、连接在底部构件上的一个或多个串联的土柱实验标准构件以及土柱实验标准构件顶部的融雪入渗模拟装置；模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自动化控制，并且基于该系统实现四种形态的待融雪源融雪入渗系数和非饱和渗透系数的测定，测定时采用大直径的原状土柱进行室内实验，并给出了测试步骤及计算方法；融雪入渗模拟装置通过调温元件和冷热一体金属元件实现融雪低温入渗模拟过程；具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。

Description

融雪入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法

技术领域

本发明属于非饱和土技术领域，特别涉及一种融雪入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法。

背景技术

降水主要是指降雨和降雪，水分以各种形式从大气到达地面，其它形式的降水还包括露、霜、雹等。降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源。降水资料是分析合理洪枯水情、流域旱情的基础，也是水资源的开发利用如防洪、发电、灌溉等的规划设计与管理运用的基础。降水入渗补给地下水的过程是大气水到土壤水到地下水“三水”相互转换关系中最基本的环节之一，降水入渗对地下水的补给量即为降水补给量，它是地下水的主要补给方式，同时，也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素。

土柱实验被广泛应用于农业、林业、地质、土木和环境等研究领域。应用土柱实验可以在实验室内模拟土壤水分和污染物迁移规律。土柱通常分为原状土柱和扰动土柱两种。原状土柱能够用来测试土体本身的结构及其物理性质；当前土柱实验一般采用扰动土柱，扰动土柱是经过筛分形成，或者按照一定比例混合填装所形成的，其不能用来测试土体本身的结构特性。不管采用哪种土柱进行试验，都存在以下问题：①土柱实验装土构件单节长度大，便捷性差，以至于土柱安装困难，对仪器的清洗造成不便；②监测设备安装繁琐，需要对土柱进行钻孔，破坏其结构性；③监测设备一般为人工观测，使得实验精度低、人为性强。

非饱和渗透系数与含水量或基质势的关系是描述非饱和土壤中水分运移和溶质输送的重要函数关系之一，是分析降水条件下土坡稳定性、固体废物填埋场、地下污水的迁移和填土工程等问题的重要参数。由于在非饱和土中有基质吸力的存在，不能用常规的饱和渗透实验方法确定其渗透系数，使得非饱和土渗透系数的确定具有较大的难度。非饱和渗透系数的测定既可在实验室，也可在现场进行。室内实验的优点是可在设定的水力边界条件下测试原状试样和重塑试样的非饱和渗透性能，同时与原位实测相比，室内实验周期短、经济且更成熟。但通常由于非饱和土的成分、结构以及赋存环境的差异，导致了室内实验所用小试件难以代表真正土体的实际情况。

冬季的降雪在地面形成一定厚度的积雪层。积雪融化后形成的淡水是春季非常紧要的水资源，对人们的生活、耕种具有极其重要的意义。然而，随着春季到来，积雪开始大面积融化，形成融雪径流，甚至个别年份的冰雪融水径流量很大，引发较大洪水，影响着人们的平日的生活和生命财产安全。掌握气象变化在其春季冰雪融雪洪水变化中的影响机制，了解冰雪融水在入渗方面的变化，改进和完善冰雪融水入渗计算方法，提高春季冰雪融水再分配的计算方法，提高春季积雪的消融对高寒积雪区土壤墒情影响方面的分析能力，对提高农田的春耕生产的保墒，以及合理灌溉具有重要的意义。根据己往的研究资料及文献可以看出，虽然国内外早己对土壤水的入渗现象及相关规律进行试验与探究，但是关于寒区的融雪入渗相关方面的研究还相对较少。在融雪入渗的进程中，白昼温度升高，此时积雪开始融化成液体，随着入渗阶段的不断深入，融雪水开始持续向土壤中入渗，而当夜间气温低于融点时，融雪水转变为固体状态，由此延缓了融雪水的入渗，从而使得对融雪入渗的过程及规律的研究变得极其繁杂。此外，地形、地势、太阳辐射、植被、海拔、土壤等要素使得对融雪入渗过程及规律的研究变得更加繁杂，这是寒区融雪水文过程有别于其他非寒区融雪入渗过程的一大特色。对寒区融雪入渗的探究可以丰富寒区水文的研究，从而为以后的相关研究提供研究思路及相关资料。

CN103344538A公开了一种非饱和土多功能渗透仪及其测试方法，其补水装置为马氏瓶，所述马氏瓶包括上下部均密封的补水瓶和由上至下竖向插入补水瓶内的导管，所述补水瓶的上部侧壁上开有进水口，补水瓶的底部侧壁上开有排气口和供水口，本专利只能进行简单的降水渗透模拟，对于更为复杂的融雪模拟该专利不能实现也没有给出这样的启示。

CN105181531A公开了一种黄土水分迁移规律室内模拟系统及特征参数测定方法，其降雨模拟系统包括嵌入安装在室内模拟系统箱体顶部的降雨槽和设置在降雨槽底部的圆形降雨孔，所述降雨槽的顶部设置有降雨槽内压力控制管和与外部水源连接的进水管，所述进水管上设置有进水电磁阀、进水水泵和用于对降雨量进行实时检测的第一流量传感器，所述降雨槽内压力控制管上设置有压力控制电磁阀和压力传感器，所述降雨槽内压力控制管的端部连接有空气压缩机，所述降雨槽的顶部内壁上设置有用于对降雨槽的水位进行实时检测的水位传感器，所述降雨孔的直径为0.5mm～1mm；本专利也只能进行降水渗透模拟，对于融雪情况下的模拟本专利也无法实现。

CN103604734A公开了一种雨强可控的非饱和土雨水入渗模拟系统，其雨强可控实现的设备是这样的：所述的供水水箱中设置有供水水泵，供水水泵用供水水管连接溢流水箱，所述的溢流水箱用溢流水管连接供水水箱，在溢流水箱底部还连接有一个雨滴发生器，所述的雨滴发生器包括若干个与溢流水箱底部连通的导管，所述的导管上设置有调节阀，导管的顶端设置有针头，针头固定在固定板上，固定板的下表面还设置有一个漏斗，所述的漏斗的出料口位于模型箱顶部的开口上方，本专利也只能实现降雨时的雨强可控渗透模拟，对于融雪情况下的模拟本专利也无法实现。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种融雪入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法，基于大直径的原状土柱进行室内实验，采用融雪入渗模拟系统，能够实现整冰块型待融雪源、粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源的消融入渗模拟过程；模拟系统装土构件为多个标准构件且由计算机自动化控制，并且基于该系统实现非饱和渗透系数的测定，并给出了测试步骤及计算方法，具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

融雪入渗模拟系统，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的融雪入渗模拟装置(8)；

所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1-1)，底座(1-1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第三流量传感器(3-1)接入计算机(7)；底座(1-1)的上方设置有承力柱(1-2)，承力柱(1-2)的上部设置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸(1-4)，滤纸(1-4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；

所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接；插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；土壤热传导吸力探头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；

所述的承力柱(1-2)包括承力柱支座(1-22)以及固定在其上的承力柱主体(1-21)，所述承力柱支座(1-22)与底座(1-1)为一体成型，承力柱支座(1-22)在土柱竖向投影按照“一个圆心+以底座(1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份”方式布置；承力柱主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度；

所述的土柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成；

所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)或冷热一体金属元件(4-6)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)；

所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；

所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合；

所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)；

所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温度探测输入端(7-1)、温湿度探测输出端(7-2)和基质吸力探测输出端(7-3)；温度探测输入端(7-1)经导线(9)连接冷热一体金属元件(4-6)，温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)；

所述的融雪入渗模拟装置(8)包括设置在土柱外侧的温度控制器(8-1)以及通过导线(9)与其所连接的调温元件(8-3)，所述调温元件(8-3)位于顶盖(8-2)下方，顶盖(8-2)的顶部设置有超声波测距传感器(8-4)，顶盖(8-2)位于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)的上方且紧密接触，圆柱构件(10)内的原状土样(12)上表面外侧开有出水口(10-1)，所述出水口(10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯(13)，塑料软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机(7)，原状土样(12)上设置有待融雪源(11)；

所述的待融雪源(11)包括四种形态，整冰块型待融雪源、粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源；在圆柱构件(10)与待融雪源(11)上表面所处的水平面相交的圆柱构件(10)外壁上周向六等分设置有六个红外对射报警找平装置(J)；融雪入渗模拟装置(8)的一侧设置有搅碎机(H)，搅碎机(H)的出口连通伸缩式传送装置(Q)，伸缩式传送装置(Q)的输送段连通至圆柱构件(10)内，在圆柱构件(10)内且伸缩式传送装置(Q)下方设置有振动筛(R),振动筛(R)的下方通过风扇固定结构B安装有由软质塑料制成的三叶风扇(C)，振动筛(R)为可活动的百叶窗形式。

基于融雪入渗模拟系统的非饱和渗透系数测定方法，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；

步骤二、安装原状土样

选取预先准备好的原状土样(12)，将原状土样(12)竖立在地面上，将已经连接好的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样(12)与土柱实验标准构件(4)之间的缝隙采用密封及防水处理保证后续实验时水不从缝隙直接流下；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

先将底座(1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体(1-21)套放在对应的承力柱支座(1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶土板(1-3)上表面铺设有滤纸(1-4)，所述承力柱主体(1-21)、高进气值陶土板(1-3)、滤纸(1-4)均位于管件(1-7)内部；在集水处最低位置设置一个出水孔外接塑料软管(2)，将所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3)，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)；然后将法兰(6)的法兰螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件(1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)通过土柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件(1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)位于底部构件(1)滤纸(1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件(10)进行连接；

步骤四、测定原状土样的初始状态

原状土样(12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始含水率θ_c；

原状土样(12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的温度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始温度T_c；

原状土样(12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样(12)的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始基质吸力F_ac；

原状土样(12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h_c；

原状土样(12)的饱和含水率：将原状土样(12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率；取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为m_s，之后利用公式计算求得原状土样(12)的饱和含水率θ_sat；

步骤五、模拟融雪入渗边界条件：

(1)、当需要模拟整冰块型待融雪源的消融入渗模拟过程时，只需要将整冰块型待融雪源(11)放在原状土样(12)上；当需要模拟粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源的消融入渗模拟过程时，启动搅碎机(H)，待融雪源(11)在搅碎机(H)中搅碎后通过伸缩式传送装置(Q)输送到振动筛(R)上，伸缩式传送装置(Q)在圆柱构件(10)内来回伸缩运动，伴随着振动筛自转，从而实现将搅碎的待融雪源(11)均匀地洒落在振动筛(R)的上表面，保证搅碎后的待融雪源(11)不成堆聚集在振动筛(R)；振动筛(R)设置为可活动的百叶窗形式，能够随着待融雪源(11)的粒径大小进行自动调节，当进行融雪时，百叶窗的开口设置为最大，以便调温元件(8-3)更好地进行融雪加热；三叶风扇(C)扇叶转速较慢，从而使降下的待融雪源(11)平整；六个红外对射报警找平装置(J)两两成对构成一组实现对射找平，可全面扫描监测原状土样(12)上的待融雪源(11)上表面是否水平；

(2)、计算机(7)发出信号接通温度控制器(8-1)的供电回路，从而控制调温元件(8-3)加热到预设实验温度T₁，温度控制器(8-1)对调温元件(8-3)进行实时监测并将监测到的信号实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的监测值与调温元件(8-3)预设实验温度T₁相比对，当监测值达到调温元件(8-3)预设实验温度T₁时，计算机(7)向温度控制器(8-1)发出信号断开调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)停止加热，当监测值低于调温元件(8-3)预设实验温度T₁时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度控制器(8-1)发出信号接通调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)开始加热，从而使调温元件(8-3)保持为预设实验温度T₁；预设实验温度T₁的范围为0℃～80℃；

(3)、计算机(7)发出信号经微控制器(7-0)从温度探测输入端(7-1)经导线(9)到达冷热一体金属元件(4-6)，控制冷热一体金属元件(4-6)开始工作，使原状土样(12)达到预设实验温度T₂；融雪入渗模拟过程中，埋置于原状土样(12)的温湿度传感器探头(4-5)对附近土壤的温度进行实时监测并将监测到的信号经导线(9)通过微控制器(7-0)的温湿度输出端(7-2)实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的温度监测值与冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T₂相比对，当温度监测值高于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T₂时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属元件(4-6)开始制冷，当温度监测值低于冷热一体金属元件(4-6)实验温度T₂时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属元件(4-6)开始加热，从而使冷热一体金属元件(4-6)的温度保持为预设实验温度T₂，模拟出了融雪低温入渗条件；预设实验温度T₂的范围为-20℃～20℃；

(4)、在模拟融雪入渗的过程中，未渗入原状土样(12)内的水从所述出水口(10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯(13)；渗出原状土样(12)内的水从所述通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)；在融雪入渗过程中，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样(12)内的水的量的差值小于等于1cm³时，说明达到了融雪入渗稳定，停止实验；此时，查看径流量测量量杯(13)内未渗入原状土样(12)内的水的量，并将该读数记录为融雪径流量Q_j；查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的水的量，并将该读数记录为融雪出渗量Q_c；根据原状土样(12)入渗稳定时上表层处的含水率θ，结合原状土样(12)上表层处的初始含水率θ_c，从而换算出融雪入渗量Q_r；融雪入渗量Q_r与融雪径流量Q_j的和即为总融雪量Q_z；对于整冰块型待融雪源总量Q′_z，可将其换算为对应的4℃下水的体积求得；对于由搅碎机(H)产生的待融雪源总量Q′_z，可由投入搅碎机(H)的冰块所对应的4℃下水的体积V₁与搅碎机(H)内所有的剩余冰块所对应的4℃下水的体积V₂之差来确定，所述的冰块是边长为1cm的立方体冰块；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样(12)的温湿度进行监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的温度、湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的温度、湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的温度T_i、含水率θ_i；多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样(12)的基质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基质吸力F_a；多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h_i；

上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：融雪入渗5分钟内，记录时间间隔为5秒，融雪入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，融雪入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒，融雪入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，融雪入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

对所记录的某一时刻的温度T_i、基质吸力F_a监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)所对应的温度云图和基质吸力云图；同时对所记录的某一时刻原状土样(12)所对应的含水率θ_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；

依据含水率云图的变化规律，画出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律；根据含水率云图，依据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率θ_sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率θ_sat等值线之间的区域被定义为融雪入渗过渡带；

绘制基质吸力F_a和含水率θ_i的关系图，从而分别得到各土层的的土-水特征曲线；

步骤八、融雪入渗系数及消融率计算：

根据公式Q_r＝Q_z-Q_j，计算得到融雪入渗量Q_r，单位为cm³；其中Q_z为总融雪量，单位为cm³；Q_j为融雪径流量，单位为cm³；

根据公式△S＝Q_r-Q_c，计算得到融雪入渗的水分亏损量△S，单位为cm³；其中Q_r为融雪入渗量，单位为cm³；Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；

根据公式V_r＝Q_r/t计算得到融雪入渗率V_r，单位为cm³/s；其中Q_r为融雪入渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式V_c＝Q_c/t计算得到融雪出渗率V_c，单位为cm³/s；其中Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式α＝Q_c/Q_z计算得到融雪入渗系数α，单位为无量纲；其中Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；Q_z为总融雪量，单位为cm³；

根据公式α′＝Q_z/Q′_z计算得到消融率α′，单位为无量纲；其中Q_z为总融雪量，单位为cm³；Q′_z为待融雪源总量，单位为cm³；

步骤九、非饱和渗透系数计算

基于土柱实验的融雪入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下

$(v_y+\frac{{\mathrm{dv}}_y}{dy}dy)dxdz-v_{y}dxdz=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}dxdydz---\left(1\right)$

将Darcy定律代入以上方程(1)得

$\frac{d(-kdh/dy)}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(2\right)$

对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(3\right)$

根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力(σ-u_a)和基质吸力值的变化将会引起体积含水率θ_w的变化，即

${\mathrm{d\θ}}_w=-{m_1}^{w}d(\mathrm{\σ}-u_a)-m_2^w(u_a-u_w)---\left(4\right)$

式中：σ——总应力；

——与法向应力(σ-u_a)变化有关的水的体积变化系数；

——与基质吸力(u_a-u_w)变化有关的水的体积变化系数；

将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作用，假定在非饱和区气相连续不变，得

$\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(5\right)$

其中：即土-水特征曲线的斜率；

由(3)、(5)式可得

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(6\right)$

其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲；h为总水头高度，单位为cm；y为土柱测点高度，单位为cm；γ_w为水的重度，单位为N/m³；为土-水特征曲线的斜率，单位为无量纲；t为时间，单位为s；

依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分布图。

本发明的优点：

1.本发明的土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体连接成一个圆柱体，可以方便地进行原状样和重塑样的实验，同时方便实验仪器的清洗工作，克服目前土柱实验难以采用原状样进行实验以及后期清洗工作复杂的缺陷。

2.橡胶塞(5-7)与插入件(5)的配合使用，克服现有土柱实验测试元件插入时溢水及水分亏损的缺陷，具有测试结果精确、可靠性高、可重复使用的优点。

3.土柱实验标准构件(4)可根据实验要求多个串联，克服了现有技术中土柱实验中装土部件单节长度大、操作不便的缺陷；且整个系统的各部件采用标准构件，使得实验标准化，实验效率大大提高。

4.将模拟系统与计算机连接，实现自动化控制，具有精确性、标准性高的特点，克服了现阶段大部分的仪器设备人工操作容易出现误差的缺陷。

5、本发明基于大直径(不小于50cm)的原状土柱进行室内实验，与传统的室内实验小试件相比，能够更好地代表真正土体的实际情况；与原位实测相比，本发明的大直径原状土柱实验也具备周期短、花费少、技术手段成熟的特点。

6、本发明首次提出四种形态下的待融雪源，即整冰块型待融雪源、粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源；较好的模拟了自然界实际状态，为合理研究融雪入渗提供了可行的途径。

7、本发明首次提出融雪条件下土柱入渗模拟系统及非饱和渗透系数的测定，融雪入渗模拟装置(8)通过调温元件(8-3)和冷热一体金属元件(4-6)实现融雪低温入渗模拟过程，并给出了测试步骤及计算方法；具有实用性强，使用效果好，便于推广使用的特点。

附图说明

图1A是基于融雪入渗模拟装置的系统总图。

图1B是融雪入渗模拟装置(8)的示意图。

图1C是红外对射报警找平装置(J)示意图。

图2是土柱实验标准构件(4)与底部构件(1)的装配图。

图3是土柱实验标准构件(4)中管壁(4-1)示意图，其中图3A是主视图，图3B是后视图。

图4是图2中A处的放大图。

图5是底座(1-1)的俯视图。

图6是插入件(5)的示意图。

图7是插入件(5)与橡胶塞(5-7)的配合示意图。

图8是本发明的卡箍(4-30)的拆分示意图。

图9是法兰(6)的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明做详细叙述。

参照图1，融雪入渗模拟系统，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的融雪入渗模拟装置(8)；

参照图2，所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1-1)，底座(1-1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第三流量传感器(3-1)接入计算机(7)；底座(1-1)的上方设置有承力柱(1-2)，承力柱(1-2)的上部设置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸(1-4)，滤纸(1-4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；

参照图3，所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接；插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；土壤热传导吸力探头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；

参照图4、图5，所述的承力柱(1-2)包括承力柱支座(1-22)以及固定在其上的承力柱主体(1-21)，所述承力柱支座(1-22)与底座(1-1)为一体成型，承力柱支座(1-22)在土柱竖向投影按照“一个圆心+以底座(1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份”方式布置；承力柱主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度；

所述的土柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成；

参照图6、图7，所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)或冷热一体金属元件(4-6)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)；

所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布；

参照图8，所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合；

参照图9，所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)；

所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温度探测输入端(7-1)、温湿度探测输出端(7-2)和基质吸力探测输出端(7-3)；温度探测输入端(7-1)经导线(9)连接冷热一体金属元件(4-6)，温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)；

参照图1B，所述的融雪入渗模拟装置(8)包括设置在土柱外侧的温度控制器(8-1)以及通过导线(9)与其所连接的调温元件(8-3)，所述调温元件(8-3)位于顶盖(8-2)下方，顶盖(8-2)的顶部设置有超声波测距传感器(8-4)，顶盖(8-2)位于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)的上方且紧密接触，圆柱构件(10)内的原状土样(12)上表面外侧开有出水口(10-1)，所述出水口(10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯(13)，塑料软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机(7)，原状土样(12)上设置有待融雪源(11)；

参照图1B、图1C，所述的待融雪源(11)包括四种形态，整冰块型待融雪源、粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源；在圆柱构件(10)与待融雪源(11)上表面所处的水平面相交的圆柱构件(10)外壁上周向六等分设置有六个红外对射报警找平装置(J)；融雪入渗模拟装置(8)的一侧设置有搅碎机(H)，搅碎机(H)的出口连通伸缩式传送装置(Q)，伸缩式传送装置(Q)的输送段连通至圆柱构件(10)内，在圆柱构件(10)内且伸缩式传送装置(Q)下方设置有振动筛(R),振动筛(R)的下方通过风扇固定结构B安装有由软质塑料制成的三叶风扇(C)，振动筛(R)为可活动的百叶窗形式。

基于融雪入渗模拟系统的非饱和渗透系数测定方法，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；

步骤二、安装原状土样

选取预先准备好的原状土样(12)，将原状土样(12)竖立在地面上，将已经连接好的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样(12)与土柱实验标准构件(4)之间的缝隙采用密封及防水处理保证后续实验时水不从缝隙直接流下；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

先将底座(1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体(1-21)套放在对应的承力柱支座(1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶土板(1-3)上表面铺设有滤纸(1-4)，所述承力柱主体(1-21)、高进气值陶土板(1-3)、滤纸(1-4)均位于管件(1-7)内部；在集水处最低位置设置一个出水孔外接塑料软管(2)，将所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3)，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)；然后将法兰(6)的法兰螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件(1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)通过土柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件(1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)位于底部构件(1)滤纸(1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件(10)进行连接；

步骤四、测定原状土样的初始状态

原状土样(12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始含水率θ_c；

原状土样(12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的温度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始温度T_c；

原状土样(12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样(12)的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始基质吸力F_ac；

原状土样(12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h_c；

原状土样(12)的饱和含水率：将原状土样(12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率；取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为m_s，之后利用公式计算求得原状土样(12)的饱和含水率θ_sat；

步骤五、模拟融雪入渗边界条件：

(1)、当需要模拟整冰块型待融雪源的消融入渗模拟过程时，只需要将整冰块型待融雪源(11)放在原状土样(12)上；当需要模拟粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源的消融入渗模拟过程时，启动搅碎机(H)，待融雪源(11)在搅碎机(H)中搅碎后通过伸缩式传送装置(Q)输送到振动筛(R)上，伸缩式传送装置(Q)在圆柱构件(10)内来回伸缩运动，伴随着振动筛自转，从而实现将搅碎的待融雪源(11)均匀地洒落在振动筛(R)的上表面，保证搅碎后的待融雪源(11)不成堆聚集在振动筛(R)；振动筛(R)设置为可活动的百叶窗形式，能够随着待融雪源(11)的粒径大小进行自动调节，当进行融雪时，百叶窗的开口设置为最大，以便调温元件(8-3)更好地进行融雪加热；三叶风扇(C)扇叶转速较慢，从而使降下的待融雪源(11)平整；六个红外对射报警找平装置(J)两两成对构成一组实现对射找平，可全面扫描监测原状土样(12)上的待融雪源(11)上表面是否水平；

(2)、计算机(7)发出信号接通温度控制器(8-1)的供电回路，从而控制调温元件(8-3)加热到预设实验温度T₁，温度控制器(8-1)对调温元件(8-3)进行实时监测并将监测到的信号实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的监测值与调温元件(8-3)预设实验温度T₁相比对，当监测值达到调温元件(8-3)预设实验温度T₁时，计算机(7)向温度控制器(8-1)发出信号断开调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)停止加热，当监测值低于调温元件(8-3)预设实验温度T₁时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度控制器(8-1)发出信号接通调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)开始加热，从而使调温元件(8-3)保持为预设实验温度T₁；预设实验温度T₁的范围为0℃～80℃；

(3)、计算机(7)发出信号经微控制器(7-0)从温度探测输入端(7-1)经导线(9)到达冷热一体金属元件(4-6)，控制冷热一体金属元件(4-6)开始工作，使原状土样(12)达到预设实验温度T₂；融雪入渗模拟过程中，埋置于原状土样(12)的温湿度传感器探头(4-5)对附近土壤的温度进行实时监测并将监测到的信号经导线(9)通过微控制器(7-0)的温湿度输出端(7-2)实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的温度监测值与冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T₂相比对，当温度监测值高于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T₂时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属元件(4-6)开始制冷，当温度监测值低于冷热一体金属元件(4-6)实验温度T₂时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属元件(4-6)开始加热，从而使冷热一体金属元件(4-6)的温度保持为预设实验温度T₂，模拟出了融雪低温入渗条件；预设实验温度T₂的范围为-20℃～20℃；

(4)、在模拟融雪入渗的过程中，未渗入原状土样(12)内的水从所述出水口(10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯(13)；渗出原状土样(12)内的水从所述通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)；在融雪入渗过程中，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样(12)内的水的量的差值小于等于1cm³时，说明达到了融雪入渗稳定，停止实验；此时，查看径流量测量量杯(13)内未渗入原状土样(12)内的水的量，并将该读数记录为融雪径流量Q_j；查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的水的量，并将该读数记录为融雪出渗量Q_c；根据原状土样(12)入渗稳定时上表层处的含水率θ，结合原状土样(12)上表层处的初始含水率θ_c，从而换算出融雪入渗量Q_r；融雪入渗量Q_r与融雪径流量Q_j的和即为总融雪量Q_z；对于整冰块型待融雪源总量Q′_z，可将其换算为对应的4℃下水的体积求得；对于由搅碎机(H)产生的待融雪源总量Q′_z，可由投入搅碎机(H)的冰块所对应的4℃下水的体积V₁与搅碎机(H)内所有的剩余冰块所对应的4℃下水的体积V₂之差来确定，所述的冰块是边长为1cm的立方体冰块；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样(12)的温湿度进行监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的温度、湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的温度、湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的温度T_i、含水率θ_i；多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样(12)的基质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基质吸力F_a；多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h_i；

上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：融雪入渗5分钟内，记录时间间隔为5秒，融雪入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，融雪入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒，融雪入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，融雪入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

对所记录的某一时刻的温度T_i、基质吸力F_a监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)所对应的温度云图和基质吸力云图；同时对所记录的某一时刻原状土样(12)所对应的含水率θ_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；

依据含水率云图的变化规律，画出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律；根据含水率云图，依据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率θ_sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率θ_sat等值线之间的区域被定义为融雪入渗过渡带；

绘制基质吸力F_a和含水率θ_i的关系图，从而分别得到各土层的的土-水特征曲线；

步骤八、融雪入渗系数及消融率计算：

根据公式Q_r＝Q_z-Q_j，计算得到融雪入渗量Q_r，单位为cm³；其中Q_z为总融雪量，单位为cm³；Q_j为融雪径流量，单位为cm³；

根据公式△S＝Q_r-Q_c，计算得到融雪入渗的水分亏损量△S，单位为cm³；其中Q_r为融雪入渗量，单位为cm³；Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；

根据公式V_r＝Q_r/t计算得到融雪入渗率V_r，单位为cm³/s；其中Q_r为融雪入渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式V_c＝Q_c/t计算得到融雪出渗率V_c，单位为cm³/s；其中Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式α＝Q_c/Q_z计算得到融雪入渗系数α，单位为无量纲；其中Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；Q_z为总融雪量，单位为cm³；

根据公式α′＝Q_z/Q′_z计算得到消融率α′，单位为无量纲；其中Q_z为总融雪量，单位为cm³；Q′_z为待融雪源总量，单位为cm³；

步骤九、非饱和渗透系数计算

基于土柱实验的融雪入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下

$(v_y+\frac{{\mathrm{dv}}_y}{dy}dy)dxdz-v_{y}dxdz=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}dxdydz---\left(1\right)$

将Darcy定律代入以上方程(1)得

$\frac{d(-kdh/dy)}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(2\right)$

对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(3\right)$

根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力(σ-u_a)和基质吸力值的变化将会引起体积含水率θ_w的变化，即

${\mathrm{d\θ}}_w=-{m_1}^{w}d(\mathrm{\σ}-u_a)-m_2^w(u_a-u_w)---\left(4\right)$

式中：σ——总应力；

——与法向应力(σ-u_a)变化有关的水的体积变化系数；

——与基质吸力(u_a-u_w)变化有关的水的体积变化系数；

将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作用，假定在非饱和区气相连续不变，得

$\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(5\right)$

其中：即土-水特征曲线的斜率；

由(3)、(5)式可得

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(6\right)$

其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲；h为总水头高度，单位为cm；y为土柱测点高度，单位为cm；γ_w为水的重度，单位为N/m³；为土-水特征曲线的斜率，单位为无量纲；t为时间，单位为s；

依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分布图。

Claims (10)

1.融雪入渗模拟系统，其特征在于，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的融雪入渗模拟装置(8)；

所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1-1)，底座(1-1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第三流量传感器(3-1)接入计算机(7)；底座(1-1)的上方设置有承力柱(1-2)，承力柱(1-2)的上部设置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸(1-4)，滤纸(1-4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；

所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接；插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；土壤热传导吸力探头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；

所述的融雪入渗模拟装置(8)包括设置在土柱外侧的温度控制器(8-1)以及通过导线(9)与其所连接的调温元件(8-3)，所述调温元件(8-3)位于顶盖(8-2)下方，顶盖(8-2)的顶部设置有超声波测距传感器(8-4)，顶盖(8-2)位于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)的上方且紧密接触，圆柱构件(10)内的原状土样(12)上表面外侧开有出水口(10-1)，所述出水口(10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯(13)，塑料软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机(7)，原状土样(12)上设置有待融雪源(11)。

2.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的承力柱(1-2)包括承力柱支座(1-22)以及固定在其上的承力柱主体(1-21)，所述承力柱支座(1-22)与底座(1-1)为一体成型，承力柱支座(1-22)在土柱竖向投影按照“一个圆心+以底座(1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份”方式布置；承力柱主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度。

3.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的土柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成。

4.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)或冷热一体金属元件(4-6)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)。

5.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布。

6.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合。

7.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)。

8.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温度探测输入端(7-1)、温湿度探测输出端(7-2)和基质吸力探测输出端(7-3)；温度探测输入端(7-1)经导线(9)连接冷热一体金属元件(4-6)，温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)。

9.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的待融雪源(11)包括四种形态，整冰块型待融雪源、粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源；在圆柱构件(10)与待融雪源(11)上表面所处的水平面相交的圆柱构件(10)外壁上周向六等分设置有六个红外对射报警找平装置(J)；融雪入渗模拟装置(8)的一侧设置有搅碎机(H)，搅碎机(H)的出口连通伸缩式传送装置(Q)，伸缩式传送装置(Q)的输送段连通至圆柱构件(10)内，在圆柱构件(10)内且伸缩式传送装置(Q)下方设置有振动筛(R),振动筛(R)的下方通过风扇固定结构B安装有由软质塑料制成的三叶风扇(C)，振动筛(R)为可活动的百叶窗形式。

10.基于上述任一权利要求所述的融雪入渗模拟系统的非饱和渗透系数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、组装土柱实验标准构件

分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；

步骤二、安装原状土样

选取预先准备好的原状土样(12)，将原状土样(12)竖立在地面上，将已经连接好的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样(12)与土柱实验标准构件(4)之间的缝隙采用密封及防水处理保证后续实验时水不从缝隙直接流下；

步骤三、组装土柱实验仪器设备

先将底座(1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体(1-21)套放在对应的承力柱支座(1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶土板(1-3)上表面铺设有滤纸(1-4)，所述承力柱主体(1-21)、高进气值陶土板(1-3)、滤纸(1-4)均位于管件(1-7)内部；在集水处最低位置设置一个出水孔外接塑料软管(2)，将所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3)，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)；然后将法兰(6)的法兰螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件(1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)通过土柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件(1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)位于底部构件(1)滤纸(1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件(10)进行连接；

步骤四、测定原状土样的初始状态

原状土样(12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始含水率θ_c；

原状土样(12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的温度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始温度T_c；

原状土样(12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样(12)的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始基质吸力F_ac；

原状土样(12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度h_c；

原状土样(12)的饱和含水率：将原状土样(12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率；取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为m_s，之后利用公式计算求得原状土样(12)的饱和含水率θ_sat；

步骤五、模拟融雪入渗边界条件

(1)、当需要模拟整冰块型待融雪源的消融入渗模拟过程时，只需要将整冰块型待融雪源(11)放在原状土样(12)上；当需要模拟粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源的消融入渗模拟过程时，启动搅碎机(H)，待融雪源(11)在搅碎机(H)中搅碎后通过伸缩式传送装置(Q)输送到振动筛(R)上，伸缩式传送装置(Q)在圆柱构件(10)内来回伸缩运动，伴随着振动筛自转，从而实现将搅碎的待融雪源(11)均匀地洒落在振动筛(R)的上表面，保证搅碎后的待融雪源(11)不成堆聚集在振动筛(R)；振动筛(R)设置为可活动的百叶窗形式，能够随着待融雪源(11)的粒径大小进行自动调节，当进行融雪时，百叶窗的开口设置为最大，以便调温元件(8-3)更好地进行融雪加热；三叶风扇(C)扇叶转速较慢，从而使降下的待融雪源(11)平整；六个红外对射报警找平装置(J)两两成对构成一组实现对射找平，可全面扫描监测原状土样(12)上的待融雪源(11)上表面是否水平；

(2)、计算机(7)发出信号接通温度控制器(8-1)的供电回路，从而控制调温元件(8-3)加热到预设实验温度T₁，温度控制器(8-1)对调温元件(8-3)进行实时监测并将监测到的信号实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的监测值与调温元件(8-3)预设实验温度T₁相比对，当监测值达到调温元件(8-3)预设实验温度T₁时，计算机(7)向温度控制器(8-1)发出信号断开调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)停止加热，当监测值低于调温元件(8-3)预设实验温度T₁时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度控制器(8-1)发出信号接通调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)开始加热，从而使调温元件(8-3)保持为预设实验温度T₁；预设实验温度T₁的范围为0℃～80℃；

(3)、计算机(7)发出信号经微控制器(7-0)从温度探测输入端(7-1)经导线(9)到达冷热一体金属元件(4-6)，控制冷热一体金属元件(4-6)开始工作，使原状土样(12)达到预设实验温度T₂；融雪入渗模拟过程中，埋置于原状土样(12)的温湿度传感器探头(4-5)对附近土壤的温度进行实时监测并将监测到的信号经导线(9)通过微控制器(7-0)的温湿度输出端(7-2)实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的温度监测值与冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T₂相比对，当温度监测值高于冷热一体金属元件(4-6)预设实验温度T₂时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属元件(4-6)开始制冷，当温度监测值低于冷热一体金属元件(4-6)实验温度T₂时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度探测输入端(7-1)发出信号控制冷热一体金属元件(4-6)开始加热，从而使冷热一体金属元件(4-6)的温度保持为预设实验温度T₂，模拟出了融雪低温入渗条件；预设实验温度T₂的范围为-20℃～20℃；

(4)、在模拟融雪入渗的过程中，未渗入原状土样(12)内的水从所述出水口(10-1)内流出并经过塑料软管(2)流入径流量量杯(13)；渗出原状土样(12)内的水从所述通水孔(1-5)内流出并经过塑料软管(2)流入出渗量测量量杯(3)；在融雪入渗过程中，当相邻的两个采样时刻的未渗入原状土样(12)内的水的量的差值小于等于1cm³时，说明达到了融雪入渗稳定，停止实验；此时，查看径流量测量量杯(13)内未渗入原状土样(12)内的水的量，并将该读数记录为融雪径流量Q_j；查看出渗量测量量杯(3)内渗出原状土样(12)的水的量，并将该读数记录为融雪出渗量Q_c；根据原状土样(12)入渗稳定时上表层处的含水率θ，结合原状土样(12)上表层处的初始含水率θ_c，从而换算出融雪入渗量Q_r；融雪入渗量Q_r与融雪径流量Q_j的和即为总融雪量Q_z；对于整冰块型待融雪源总量Q′_z，可将其换算为对应的4℃下水的体积求得；对于由搅碎机(H)产生的待融雪源总量Q′_z，可由投入搅碎机(H)的冰块所对应的4℃下水的体积V₁与搅碎机(H)内所有的剩余冰块所对应的4℃下水的体积V₂之差来确定，所述的冰块是边长为1cm的立方体冰块；

步骤六、模拟过程中的各参数监测

多个温湿度传感器探头(4-5)分别对模拟过程中的原状土样(12)的温湿度进行监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的温度、湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的温度、湿度信号记录为各个测试点记录时刻对应的温度T_i、含水率θ_i；多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对模拟过程中的原状土样(12)的基质吸力进行监测，将监测到的基质吸力信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点记录时刻对应的基质吸力F_a；多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点记录时刻对应的水头高度h_i；

上述所有的监测，其监测时间频率设置如下：融雪入渗5分钟内，记录时间间隔为5秒，融雪入渗5-15分钟内，记录时间间隔为10秒，融雪入渗15-30分钟内，记录时间间隔为15秒，融雪入渗30-60分钟内，记录时间间隔为20秒，融雪入渗60分钟以后记录时间间隔为60秒，直到实验达到稳定后2-4小时以上；

步骤七、模拟过程中监测结果分析

对所记录的某一时刻的温度T_i、基质吸力F_a监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)所对应的温度云图和基质吸力云图；同时对所记录的某一时刻原状土样(12)所对应的含水率θ_i监测数据做插值处理，得到某一时刻原状土样(12)对应的含水率云图；

依据含水率云图的变化规律，画出每个时刻所对应的湿润前锋的位置，所述湿润前锋的位置指的是湿润带的边缘，与下部未湿润带之间含水率存在明显突变的部分，各位置连线形成湿润前锋线，从而观察湿润前锋位置随时间t的变化规律；根据含水率云图，依据含水率的大小，找出每个时刻所对应的饱和含水率θ_sat的等值线，从而确定完全饱和带，所述完全饱和带定义是土柱上表面以下一定深度内出现水分完全饱和的部分；当湿润前锋与完全饱和带在同一监测时刻出现时，所述湿润前锋线与饱和含水率θ_sat等值线之间的区域被定义为融雪入渗过渡带；

绘制基质吸力F_a和含水率θ_i的关系图，从而分别得到各土层的的土-水特征曲线；

步骤八、融雪入渗系数及消融率计算

根据公式Q_r＝Q_z-Q_j，计算得到融雪入渗量Q_r，单位为cm³；其中Q_z为总融雪量，单位为cm³；Q_j为融雪径流量，单位为cm³；

根据公式△S＝Q_r-Q_c，计算得到融雪入渗的水分亏损量△S，单位为cm³；其中Q_r为融雪入渗量，单位为cm³；Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；

根据公式V_r＝Q_r/t计算得到融雪入渗率V_r，单位为cm³/s；其中Q_r为融雪入渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式V_c＝Q_c/t计算得到融雪出渗率V_c，单位为cm³/s；其中Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；t为实验测试时间，单位为s；

根据公式α＝Q_c/Q_z计算得到融雪入渗系数α，单位为无量纲；其中Q_c为融雪出渗量，单位为cm³；Q_z为总融雪量，单位为cm³；

根据公式α′＝Q_z/Q′_z计算得到消融率α′，单位为无量纲；其中Q_z为总融雪量，单位为cm³；Q′_z为待融雪源总量，单位为cm³；

步骤九、非饱和渗透系数计算：

基于土柱实验的融雪入渗，可以概化为一维垂向入渗，其数学模型如下

$(v_y+\frac{{\mathrm{dv}}_y}{dy}dy)dxdz-v_{y}dxdz=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}dxdydz---\left(1\right)$

将Darcy定律代入以上方程(1)得

$\frac{d(-kdh/dy)}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(2\right)$

对于非饱和土，渗透系数k与含水率存在函数关系，所以方程(2)可化为下式

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}=\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}---\left(3\right)$

根据Fredlund&Morgenstern所提出的理论，试样所受的法向应力(σ-u_a)和基质吸力值的变化将会引起体积含水率θ_w的变化，即

${\mathrm{d\θ}}_w=-{m_1}^{w}d\left(\mathrm{\σ}-u_a\right)-m_2^w(u_a-u_w)---\left(4\right)$

式中：σ——总应力；

m₁ ^w——与法向应力(σ-u_a)变化有关的水的体积变化系数；

——与基质吸力(u_a-u_w)变化有关的水的体积变化系数；

将方程(4)对时间微分，同时，在非稳定渗流过程中土体单元上并没有外荷载作用，假定在非饱和区气相连续不变，得

$\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(5\right)$

其中：即土-水特征曲线的斜率；

由(3)、(5)式可得

$k\frac{d^{2}h}{{\mathrm{dy}}^2}+\frac{dk}{dy}\frac{dh}{dy}={\mathrm{\γ}}_w{m}_2^w\frac{\∂h}{\∂t}---\left(6\right)$

其中：k为非饱和渗透系数，单位为无量纲；h为总水头高度，单位为cm；y为土柱测点高度，单位为cm；γ_w为水的重度，单位为N/m³；为土-水特征曲线的斜率，单位为无量纲；t为时间，单位为s；

依据方程(6)求得任意时刻土柱任意高度处的非饱和渗透系数k，利用插值法绘制其分布图。