CN107328909B - 结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法，包括以下步骤：通过土壤粒径分析，确定土壤剖面的结构性差异；基于定水头边界条件使土壤中的水分和溶质进入再分布过程，通过布设传感器测定不同时刻土壤基质势和溶液浓度剖面分布；基于再分布过程中的质量连续性原理提出了土壤水动力弥散系数关系方程，采用中心差分方法，根据两个相邻时刻的测定土壤基质势及溶质浓度分布，确定土壤水动力弥散系数关系方程参数，进而确定不同质地土壤的非饱和水动力弥散系数。本发明方法物理概念明确，计算公式简单，易于操作、测量精度高，实验结果直观，更为重要的是，能够确定存在结构性差异土壤的水动力弥散系数，在该领域具有独创性。

Description

结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，特别提出一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法。

背景技术

随着土壤污染和土壤盐碱化的加剧，土壤溶质运移的研究已经成为重要课题。土壤溶质运移是一个复杂的过程，与灌溉方式、土壤条件和外界环境等众多因素密切相关，对化肥、农药在农田的运移规律、盐碱地水和溶质运动监测、地下水资源保护的准确测量和研究具有重要意义。而土壤弥散系数即是这个过程的一个重要而不可缺少的参数。土壤弥散系数是表征溶质在土壤中运移和扩散的一种参数。

对于溶质迁移的弥散系数，现有的方法的理论基础是对流弥散理论，更多的是在实验室控制条件下测定饱和条件下的弥散系数，根据饱和条件下对流弥散方程在设定的定解条件下的解析解，通过一维土柱实验的溶质迁移测定结果，基于解析解反演弥散系数。对于非饱和条件，水流运动是非线性的，水流运动的参数，例如非饱和水力传导度和扩散系数都是含水率的函数，均表现出非线性关系，而且，溶质迁移本身的运动特性也与水流运动不同。所以，相比饱和情况，即使在实验室条件下，能够通过控制边界条件，监测溶质的迁移过程，然而，区分随水流运动产生的对流通量以及由于水动力弥散过程产生的通量是非常困难的，特别是含水率变化情况下，水流运动的非线性变化，使得将水动力弥散通量从总的溶质迁移通量中分离出来是非常困难的。

在野外现场条件下，根据若干位置的溶质浓度的随时间变化的监测值对水动力弥散参数反演是现有的主要方法，正如前面所指出的，对于基于对流弥散理论的方法，无论是任何一种方法，在非饱和条件下，由于土壤的非线性流动特性，将对流通量从总的溶质迁移通量中区分出来，是非常不确定的。此外，水流运动和溶质迁移方程中包括了多个参数，采用监测值进行反演亦存在很大的任意性，更为重要的是，对于绝大部分土壤，都在一定程度上存在着结构性，即不同深度位置的土壤质地显著不同，对于对流弥散方法而言，土壤结构性意味着需要采用更多的参数，在监测资料有限的情况下，对过多的参数进行反演具有很大的任意性。

本发明提出了根据土壤中不同位置的浓度监测，与传统的方法不同，这种方法采用加权平均的方法，基于土壤中水分和溶质的质量守恒，以及任意两个时刻的溶质剖面监测结果，基于等效数值差分求解，确立非饱和土壤水动力弥散系数的测定原理，在机理上解决了现有方法基于对流弥散理论的根本缺陷，并且提出了与之对应的现场实验方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法，为野外条件下非饱和土壤溶质数值模拟与预报及盐碱土改良时确定冲洗定额提供基本参数。

本发明采用如下技术方案：

一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在试验区垂直方向按一定深度与距离安装土壤基质势测量传感器，以观测不同深度位置土壤水的基质势变化；

(2)在试验区对应土壤基质势传感器布设深度取样，采用土壤粒径分析仪测定土壤粒径分布以及容量，确定土壤结构；对于不同结构的土壤，其水动力弥散系数不同；

(3)设定对试验区进行灌注的土壤溶液浓度，在试验区内以定水头淹灌，在试验区外围进行相同的处理，保障试验区的溶质迁移不受边界条件的影响；淹灌一段时间后覆盖地表，以防蒸发，让土壤中的水分和溶质运动进入再分布状态；

(4)对步骤(3)中水分和溶质再分布过程中不同时刻，通过土壤基质势传感器和溶质浓度测定传感器，对传感器埋设位置的土壤基质势以及土壤溶液浓度随时间的变化过程进行测定；并根据土壤水分特征曲线分析，确定各时刻各位置的土壤含水率；

(5)根据步骤(4)中的实验结果点绘两个不同时刻土壤含水率和土壤溶质浓度的剖面分布曲线图，从剖面分布曲线利用非饱和弥散系数的计算公式，求得不同土壤的非饱和土壤水动力弥散系数；所述非饱和弥散系数的计算公式为：

其中，

其中，D为非饱和弥散系数；θ为土壤含水率；S为溶质质量；ρ为土壤容重，是指单位体积的土壤质量，随土壤含水率变化)；q为水分运动通量；J为溶质质量通量；上标i和下标j分别表示时间和位置；t表示时间坐标，z表示垂直位置坐标，△t表示时间变量，△z表示位置变量；

上标和下标中的1/2分别表示相邻时刻，和相邻位置的算数或几何平均值，各参数的具体含义为：

表示在土壤容重ρ在z_i和z_i+1位置，以及t_j和t_j+1时刻的算数或几何平均值：

或

同理，由同一位置点z_i+1在两个时刻t_j和t_j+1的算术或几何平均值：或

由同一位置点z_i+1在两个时刻t_j和t_j+1的算术或几何平均值：或

由同一位置点z_i+1在两个时刻t_j和t_j+1的算术或几何平均值：或

由同一时刻t_j+1在两个位置点z_i和z_i+1的算术或几何平均值：或

由同一时刻t_j在两个位置点z_i和z_i+1的S算术或几何平均值：或

本发明测定非饱和土壤水动力弥散系数的测试机理如下：

一维非饱和溶质迁移方程为：

式中，J为溶质的质量通量，表示为：

其中，θ为体积含水率，c为溶液浓度，t为时间，D为弥散系数，z为垂直位置坐标，q为水分运动通量；由水流连续方程得：

式(3)两边积分，得：

式(5)左边可表示为：

J_i ^j表示z_i处t_j时刻的质量通量；式(5)右边采用一阶积分近似，得：

对(5)时间导数采用中心差分近似，得：

△t＝t_j+1-t_j，△z＝z_i+1-z_i；

综合式(1)～式(7)得：

由式(5)得：

由式(8)和式(9)得：

采用溶质质量表示土壤含水率和溶液浓度的乘积，并进行微分展开，得：

其中，

如果已知任意土壤水分和溶质运动过程中任意两个时刻的土壤水分和溶质剖面分布，根据水分和溶质的守恒原理，可以建立剖面上各点水分和溶质的均衡方程，从而可以得到剖面上各点的弥散系数。

上边界(z＝0)的土壤含水率和溶质浓度已知的情况下，则J、q可由式(12)和(13)递推求解；当保持上边界(z＝0)为定流量、定浓度入渗时，控制边界条件q(0，t)＝q₀(q₀<饱和渗透系数K_s，以免产生表层积水)，J(0，t)＝q(0，t)，J₀＝q₀c₀，c₀为入渗水浓度。

最简单的条件是q(0，t)＝0，J(0，t)＝0，即土壤水分和溶质运动的再分布期间任意两个时刻的剖面分布都可用来求解弥散系数。

本方法通过对向试验区内和试验区外围同时进行淹灌，使水、溶质运动进入再分布状态，土壤水和溶质运动的再分布期间任意两个时刻的水和溶质剖面分布都可以用来求解非饱和土壤水动力弥散系数。

实验步骤(4)含水率θ分别通过埋设的土壤基质势传感器根据土壤水分特征曲线获得，和溶质质量S根据溶质传感器测定的浓度以及含水率确定。在一般的野外试验条件下，通过布设基质势和溶液浓度传感器即可获得所需的计算资料，求得非饱和弥散系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)现有的方法的理论基础是对流弥散理论，在非饱和条件下，由于水流运动的非线性，实际上很难区分溶质的对流通量和弥散通量，本发明基于质量守恒原理，物理概念明确；

(2)本发明能够在土壤存在明显结构性条件下同时确定不同质地土壤中溶质迁移的水动力弥散系数，而现有的方法则需要在控制条件下，通过均质土实验确定该参数；

(3)本发明提出了根据任意两个时刻，田间不同时刻土壤含水率和浓度的监测资料推求非饱和条件溶质水动力弥散系数的方法；尽管测试理论涉及到数值方法、土壤非饱和溶质迁移理论等多个学科的背景知识，然而基于这一测试机理所提出的实验方法和数据解析方法确是普通技术人员能够执行的；尽管测试机理很难，但是实际应用的实验方法和世界系方法却是能够较容易的实现；试验和计算都十分简单；无需专门的仪器设备，只要具备野外条件下一般的取样工具和水和溶质分析装置，试验和计算工作量都不大；

(4)根据一次试验可求出各点非饱和弥散系数D和相应点的孔隙水速度V，进而可以找出两者的相互关系，为探讨原状土壤非饱和弥散机制提供了有效的研究途径；

(5)若已知(已有的资料或在试验点邻近取样分析)剖面上的容重分布，则对于非均质的土壤，应用以上方法可以很方便地确定原状非均质土壤的非饱和弥散系数；

(6)实验结果误差小，分析方法准确、可靠。

附图说明

图1为本发明实施例野外非饱和土壤水动力弥散系数测定试验示意图，其中(a)为传感器垂向布置示意图(侧视图)；(b)为传感器平台布置示意图(上视图)；

图2为本发明实施例第一次溶质入渗试验后水和溶质再分布图，其中(a)为两个时刻的土壤含水率剖面分布图；(b)为两个时刻的土壤溶液中溶质浓度剖面分布图；(c)为两个时刻的土壤负压剖面分布图；

图3为本发明实施例根据野外现场试验确定的三个分层、不同质地土壤的非饱和土壤弥散系数。

图中：1-数据采集器；2-土壤基质势传感器；3-土壤溶液中溶质浓度测定传感器；4-地下水位观测孔；5-隔水薄膜；6-轻壤土；7-粘土；8-粉砂壤土；9-地下水位；10-试验区内；11-试验区外围；12-土埂；13-土壤基质势传感器埋设点；14-土壤溶液中溶质浓度测定传感器埋设点。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例通过对河北省临西县灌溉试验站的2m²试验区进行实验来详细阐述本发明的方案，具体包括以下步骤：

(1)试验区的试验设备平面和剖面布置，按一定深度与距离安装土壤基质势传感器和土壤溶质测定传感器，如图1a所示，以观测土壤水的基质势和溶液浓度的变化；土壤基质势传感器为负压计；

(2)根据步骤(1)中确定的试验区土壤剖面取样作颗粒分析，确定土壤结构为层状非均质结构，自上而下为轻壤土、粘土、粉砂壤土，如图1a所示；

(3)根据步骤(2)中的土壤结构确定对试验区进行灌注的土壤溶液浓度，在试验区以定水头3cm、浓度为35g/L的土壤溶液进行淹灌，为防止侧渗，保证水流呈一维下渗运动，在试验区外围保护区(图1b)同时与试验区完全相同的水头高度和浓度进行淹灌。淹灌13h后覆盖地表以防蒸发，让水和溶质运动进入再分布状态；

(4)从步骤(3)结束时刻算起不同时刻(如t₁＝10.83h和t₂＝103.17h)，通过布设的传感器测定土壤含水率及土壤溶液中溶质浓度；

(5)根据步骤(4)中的实验结果绘制出两个时刻土壤含水率和土壤溶液中溶质浓度的剖面分布曲线关系图，如图2所示；从剖面分布曲线利用公式求得两个时刻位于不同质地土壤中的各点的非饱和弥散系数，并分析土壤中弥散系数与孔隙水速度之间的关系，如图3所示。

本实施例通过测定野外条件下的土壤结构确定了试验区的土壤分层，对试验区内外土壤进行水灌注，获得水和溶质运动的再分布状态，测定再分布状态下土壤含水率及溶质质量变化，通过水和溶质剖面分布图计算了非饱和土壤的水动力弥散系数。该方法物理概念明确，计算公式简单，易于操作、测量精度高，实验结果直观，且在该领域具有独创性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种结构性差异非饱和土壤水动力弥散系数现场测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在试验区垂直方向按一定深度与距离安装土壤基质势测量传感器，以观测不同深度位置土壤水的基质势变化；

(2)在试验区对应土壤基质势传感器布设深度取样，采用土壤粒径分析仪测定土壤粒径分布以及容量，确定土壤结构；对于不同结构的土壤，其水动力弥散系数不同；

(3)设定对试验区进行灌注的土壤溶液浓度，在试验区内以定水头淹灌，在试验区外围进行相同的处理，保障试验区的溶质迁移不受边界条件的影响；淹灌一段时间后覆盖地表，以防蒸发，让土壤中的水分和溶质运动进入再分布状态；

(4)对步骤(3)中水分和溶质再分布过程中不同时刻，通过土壤基质势传感器和溶质浓度测定传感器，对传感器埋设位置的土壤基质势以及土壤溶液浓度随时间的变化过程进行测定；并根据土壤水分特征曲线分析，确定各时刻各位置的土壤含水率；

(5)根据步骤(4)中的实验结果点绘两个不同时刻土壤含水率和土壤溶质浓度的剖面分布曲线图，从剖面分布曲线利用非饱和弥散系数的计算公式，求得不同土壤的非饱和土壤水动力弥散系数；所述非饱和弥散系数的计算公式为：

其中，

其中，D为非饱和弥散系数；θ为土壤含水率；S为溶质质量；ρ为土壤容重，是指单位体积的土壤质量，随土壤含水率变化)；q为水分运动通量；J为溶质质量通量；上标i和下标j分别表示时间和位置；t表示时间坐标，z表示垂直位置坐标，△t表示时间变量，△z表示位置变量；

上标和下标中的1/2分别表示相邻时刻，和相邻位置的算数或几何平均值，各参数的具体含义为：

表示在土壤容重ρ在z_i和z_i+1位置，以及t_j和t_j+1时刻的算数或几何平均值：

或

同理，由同一位置点z_i+1在两个时刻t_j和t_j+1的算术或几何平均值：或

由同一位置点z_i+1在两个时刻t_j和t_j+1的算术或几何平均值：或

由同一位置点z_i+1在两个时刻t_j和t_j+1的算术或几何平均值：或

由同一时刻t_j+1在两个位置点z_i和z_i+1的算术或几何平均值：或

由同一时刻t_j在两个位置点z_i和z_i+1的S算术或几何平均值：或

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：

所述的非饱和弥散系数测量方法的原理为：

一维非饱和溶质迁移方程为：

式中，J为质量通量，表示为：

其中，θ为体积含水率，c为溶液浓度，t为时间，D为弥散系数，z为垂直位置坐标，q为水分运动通量；由水流连续方程得：

式(3)两边积分，得：

式(5)左边可表示为：

J_i ^j表示z_i处t_j时刻的质量通量；式(5)右边采用一阶积分近似，得：

对(5)时间导数采用中心差分近似，得：

△t＝t_j+1-t_j，△z＝z_i+1-z_i；

综合式(1)～式(7)得：

由式(5)得：

由式(8)和式(9)得：

采用溶质质量表示土壤含水率和溶液浓度的乘积，并进行微分展开，得：

式(11)为非饱和弥散系数的计算公式。