CN107607456A - 基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法 - Google Patents
基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于水文地质领域，具体涉及一种基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法，其特征在于：通过改变边界条件下，实现测试土样的状态以及通量的再分布，基于连续性方程的数值解析，通过稳定入渗法、稳定蒸发法和非稳定流瞬间剖面法，实现土壤状态变化完全覆盖条件下的测定。本发明方法，通过全剖面的质量均衡控制，基于积分过程解析和全局性水量均衡过程最优实现了非饱和土壤水力传导度与含水率非线性关系的数值解析，进而根本解决了传统方法中进行分段线性近似的测试理念，从而本发明能够更加精准测定非饱和土壤的水力传导度，为农业水资源高效利用、土壤水动力学过程模拟等提供了重要的参数支持。
Description
技术领域
本发明属于水文地质领域，提供了一种基于控制非线性通量的非饱和土壤水力传导度的测定方法。
背景技术
在农田排灌、环境及土木工程等学科，常常需要掌握非饱和带土壤水的运动规律，探求规律的重要途径是采用确定性数学模型对土壤水的运移进行解析或数值分析，在此之前，必须准确地知道相应的土壤特性参数，非饱和水力传导度便是其中之一。
对于水文地质科学来说，随着非饱和水文过程研究的深入开展，势必推动水文地质学基础、地下水渗流理论等方面的延拓与发展，也将促进溶质运移理论的发展、研究降雨入渗下非饱和带中的水气运动在土壤的节水灌溉、水土保持、岩土及水土的饱和-非饱和渗流及结构稳定研究中具有重要意义。
非饱和土壤的水力传导度是岩土工程、水利工程、农田灌溉工程和环境工程发展精准农业与生态农业需要的重要参数，测量非饱和土壤的渗透系数代价大，精确度和可靠度性难以保证。水力传导度的测定，常用方法可分为两大类，直接方法和间接方法。其中直接方法又可分为室内试验法和野外试验法，如稳定人渗法与稳定蒸发法，非稳定流瞬时剖面法。
现有的方法基本上采用均衡法测定剖面通量，然后基于通量＝势能差乘以水力传导度的方法，确定水力传导度。这一测试理论的缺陷在于：由于测试的要求，需要根据个别点位的含水率(或者基质势)的测定结果估算整个土层的含水率，然而，由于非饱和土壤运动非线性，即使在理论上，这种方法都有明显的缺陷，非饱和条件下估算误差非常大。因此，在测试过程中，通常采用入渗过程(也就是土壤由非饱和向饱和过程过度)实验，根据土层水量的质量变化推求剖面的通量，因为在近饱和区间，土壤中流动采用线性关系描述的误差较小，而且边界条件也容易控制，但是，所测试的非饱和范围极为有限。并且，当土壤中的水分比较干燥的情况下，非饱和通量非常小，与测试误差在一个数量级上。传统的测试方法在测试理论和测试误差控制等方面都存在较为显著的缺陷，不可能通过改进的方法实现土壤非饱和水力传导度的有效测定。
更为重要的是，现有的测试方法在机理上没有考虑土壤的状态变化对于水力传导度的影响，在静态条件下测定非饱和水力传导度。然而实际情况下，土壤中的状态不断的发生变化，例如，蒸发过程中含水率降低，入渗过程中的含水率升高，由于状态变化，达西定律的通量与水力传导度之间的响应实际上存在这一定的滞后，由于非饱和水力传导度与土壤含水率(或基质势)表现出非线性关系，这种滞后性在不同含水率(基质势)区间的水力传导度测定结果的影响也是不确定的。考虑到以上这些因素，本项发明通过稳定吸湿过程法、稳定脱湿过程法和非稳定通量与质量均衡转换法完全覆盖土壤状态变化下的水力传导度，所测定的非饱和水力传导度更加符合实际情况。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法，具有操作简便、费用低、测定周期短、误差小的特点。
本发明的方法所采用的技术方案是：
一种基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法，其特征在于：通过稳定吸湿过程法、稳定脱湿过程法和非稳定通量与质量均衡转换法三个连续的方法，实现土壤状态变化完全覆盖情况下的非饱和水力传导度的测定；
所述稳定吸湿过程法包括以下步骤：
步骤1，准备稳定入渗法试验装置，该试验装置由一维垂直土柱、位于土柱底部的压力室、与压力室连接的供水平水装置构成，一维垂直土柱与压力室之间设置多孔陶瓷板；对一维垂直土柱进行土样装填，在装填土柱过程中，通过土壤初始含水率控制防止发生土粒分层和各断面不均匀现象；在一维垂直土柱的垂直方向按一定间隔布设负压计，用以测定不同时刻t土柱剖面含水率分布θ(z,t)和土柱剖面基质势分布z表示垂直方向的距离，h为土壤基质势；
步骤2，在一维垂直土柱上表面加盖阻水板或阻水膜，通过供水平水装置控制多孔陶瓷板及土柱的入渗水量；
通过多孔陶土板水流量的大小决定于多孔陶土板上、下端面之间的压力差，通过多孔陶土板的水流通量
式中：Kc，δ分别为多孔陶土板的导水率与厚度；
hw为多孔陶土板上端面的总水势；为正压水势，直接由水头上端面高度确定；
hs为多孔陶土板下端面即与土壤接触的面的总水势，即该处土壤的基质势；由埋设在对应位置的传感器测定；
步骤3，随着水的持续入渗，多孔陶土板与土柱的交界面即边界处土壤的含水率逐渐增加即基质势hs逐渐减小，这时的入渗流量是变化的；根据水均衡原理和达西定律，在边界处通过多孔陶土板的水流通量q1与通入土壤中的水流通量q2相等，即：
式中，K(h)为相应基质势或含水率的水力传导度，h为基质势，为负压水头分布；
步骤4，经过一定的时间后，土柱上部含水率变化越来越小，在一定的范围呈稳定状态，负压坡降为零，即：
将式(3)代入式(2)，得
q1＝q2＝-K(h) (4)
式(4)表示相应负压水头或含水率的入渗通量即为水力传导度；
所述稳定脱湿过程法包括以下步骤：
步骤1，完成稳定吸湿过程法测定后，试样已经充分饱和，保持从测试土样状态以及所安装的测定传感器不变，改变测试边界条件，在土柱上边界模拟某一蒸发条件，并在土柱下边界保持一定水位；监测各测点土壤基质势的变化；
步骤2：当测得土柱上边界蒸发水量与下边界补给水量相等时，则土壤水运动已达稳定状态，此时准确测定土柱剖面各点的负压，求出相应点的负压坡降即可按下式计算水力传导度：
式中：ε为蒸发强度，可通过与土柱连接的水平水供水装置测得，k为土壤基质势为h时对应的非饱和水力传导度；
所述非稳定通量与质量均衡转换法包括以下步骤：
步骤1，完后定脱湿过程法测定后，保持土样状态以及传感器不变，此时实验内各位置点的含水率或者基质势已各不相同；改变边界条件，利用供水平水装置给土柱下边界瞬时供水，并利用供水平水装置形成一个维持恒定水头的下边界水面，此后水分沿土柱上吸；在t1时刻，形成该时刻剖面含水率分布，绘制得到剖面含水率分布曲线I；在t2时刻，形成该时刻剖面含水率分布，绘制得到剖面含水率分布曲线II；
步骤2，当已知某断面过水流量、土壤剖面的含水率及负压分布时，根据水流连续性方程可以推求另外断面的过水流量；下边界面过水流量可直接测定；已知一维土壤水非稳定流基本方程为：
对土柱进行断面划分，包括断面1－1和断面2－2；断面1－1至断面2－2通过的水流通量差等于土壤消耗即的水量，土壤消耗的水量用于土壤含水率增加，式(3)在时刻t自Z1至Z2积分得：
Z1、Z2指的是z方向上的两个点，分别对应断面1－1和断面2－2的位置高度；
根据式(7)断面2－2的水流通量
根据达西定律
根据式(8)和式(9)得到
式中：h为土壤基质势；根据式(10)，在已知t时刻的某一断面的水流通量q(z,t)、剖面含水率θ(z,t)的分布以及负压水头分布的情况下，可求得相应负压水头或含水率的水力传导度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
现有的方法基本上采用均衡法测定剖面通量，然后基于通量＝势能差乘以水力传导度的方法，确定水力传导度。这一测试理论的缺陷在于：由于测试的要求，需要根据个别点位的含水率(或者基质势)的测定结果估算整个土层的含水率，然而，由于非饱和土壤运动非线性，即使在理论上，这种方法都有明显的缺陷，非饱和条件下估算误差非常大。因此，在测试过程中，通常采用入渗过程(也就是土壤由非饱和向饱和过程过度)实验，根据土层水量的质量变化推求剖面的通量，因为在近饱和区间，土壤中流动采用线性关系描述的误差较小，而且边界条件也容易控制，但是，所测试的非饱和范围极为有限。并且，当土壤中的水分比较干燥的情况下，非饱和通量非常小，与测试误差在一个数量级上。传统的测试方法在测试理论和测试误差控制等方面都存在较为显著的缺陷，不可能通过改进的方法实现土壤非饱和水力传导度的有效测定。
相比现有的测试方法，本项发明的优点主要表现在以下2个方面：(1)现有的测试方法基于连续变化条件下的多个局部土壤通量与水分变化量均衡点实现水力传导度的测定，本项发明所提出的方法则实现了土壤非线性通量变化的全过程的动态变化的测定，显然，相比在均衡点位的局部过程，基于全动态过程的测定方法在实验机理上实现了完全覆盖非饱和条件的水力传导度非线性变化规律的测定；(2)这种基于动态过程的测定方法，，由于在原理上根据动态过程的变化量和通量过程均衡实现全局性的误差控制，相比现有测试方法的局部误差控制，在测试机理上极大的提升了测试精度，特别是在土壤较为干燥以及近饱和区间的测试精度控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显：
图1：为稳定吸湿过程试验(稳定入渗法)装置示意图；土柱长50～200cm，土柱顶部设多孔陶土板，在多孔陶土板上的压力室与供水平水装置一起形成一个可以控制的压力水头。
图2：为稳定脱湿过程试验(稳定蒸发法)装置示意图，上边界采用蒸发条件下模拟实现稳定脱湿过程。
图3：非稳定流瞬间剖面法实验装置示意图，土柱剖面原始含水率为风干含水率，上边界加覆盖层以防止土壤蒸发；试验开始，在下边界即土柱底部瞬时供水并利用供水平水装置形成一个维持恒定水头的地下水面，此后水分沿土柱上吸。
图4：非稳定流瞬间剖面法结果分析示意图；在时刻t，形成某一剖面含水率分布曲线I，在时刻t2，剖面含水率分布曲线为曲线II；当已知某断面过水流量(下边界面可直接测定)、土壤剖面的含水率及负压分布时，根据水流连续性方程可以推求另外断面的过水流量。
图5：测试试验65分、172分、295分、576分的实测含水率剖面。
图6：土柱剖面负压曲线；在不同断面根据这组实测曲线可以量取不同断面不同时刻的负压坡降两个时刻的平均坡降(即时段平均坡降)采用调和平均法求得，即
图7：本发明中量子毛细管结构示意图；
图8：本发明中供水平水装置结构示意图。
上述图中：1-土柱；2-张力计；3-多孔陶瓷板；4-排气孔；5-量子毛细管；6-供水平水装置；6a-控制水位的玻璃管；6b-供水槽体；6c-出水口；7-量子毛细管；7a-支撑架；h-测试水头高度；I-I，II-II和III-III为所示位置断面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域技术人员进一步理解和实施本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请见图3、4、5，6具体实施步骤如下：
①控制一定容重装填试样，装填时要注意土壤原始含水率的控制、防止土粒分层和各断面不均匀等现象。
②按一定间隔要装负压计，靠近下边界处，间隔应略小，且负压计最好采用水银压力表。
③试样及负压计装填完毕，放置一段时间以待含水率剖面及负压计稳定。
④开始试验，迅速给过滤层供水，待至控制水面高程后开始计时(一般情况是将拟维持的水面与土壤下端面齐平)、记录供水装置初值，以后按一定时间间隔记录负压计读数及补给水量，直至试验结束。
本实验通过改变边界条件，实现了土壤状态变化完全覆盖下的水力传导度测定，具体如下：
(一)稳定吸湿过程法(稳定入渗法)
一维垂直土柱在其表面加盖阻水板或阻水膜，用人为的方法控制入渗量籍以测定不同土壤含水率的水力传导度。
通过陶土板水流的大小决定于陶土板上、下端面之间的压力差，其通量
式中：KC、δ——陶土板的导水率与厚度；
hw——陶土板上端面的总水势；
hs——陶土板下端面(即与土壤接触的面)的总水势，即该处土壤的基质势。
随着水的入渗，边界处土壤的含水率逐渐增加(即基质势hs逐渐减小)，这时的入渗流量是变化的。根据水均衡原理和达西定律，在边界处通过多孔板的水流通量与土壤中的水流通量相等，即：
经过一定的时间后(在土壤含水率较低时，这个时间则较长)，土柱上部含水率变化越来越小，在一定的范围呈稳定状态，负压坡降为零，即:
代入式(1)，得
q1＝q2＝-K(h)
上式表示入渗通量即为水力传导度。
(二)稳定脱湿过程法(稳定蒸发法)
在土柱表层模拟某一蒸发条件，而在下部保持一定水位。当蒸发水量与下部补给水量相等时，则土壤水运动已达稳定状态。准确测定土柱剖面各点的基质势，求出相应点的基质势坡降即可按式
计算水力传导度。式中：ε——蒸发强度，可自土柱下部供水装置中测得。
(三)非稳定通量与质量均衡转换法(非稳定流瞬间剖面法)
试验开始，在下边界(即土柱底部)瞬时供水并利用供水平水装置形成一个维持恒定水头的地下水面，此后水分沿土柱上吸。在时刻t，形成某一剖面含水率分布曲线I，在时刻t2，剖面含水率分布曲线为曲线II。当已知某断面过水流量(下边界面可直接测定)、土壤剖面的含水率及基质势分布时，根据水流连续性方程可以推求另外断面的通量。
已知一维土壤水非稳定流基本方程为：
断面I－I至断面II－II通过的水流通量差等于土壤中消耗(土壤含水率增加)的水量，式(3)自z1至z2积分(在时刻t)得：
断面II－II的水流通量
根据达西定律
已知某时刻t，断面的水流通量、剖面含水率θ(z,t)的分布以及基质势分布，通过式(5)就可求得相应基质势(或含水率)的水力传导度。
基于(6)式，计算某一基质势对应的水力传导度要取两断面的测量数据进行分析，积分表示在某一Δt时段内Δz(Δz＝Z2-Z1)断面间土柱水分增加的速率，可通过两个时刻所测得的含水率分布曲线用图解积分法求得；q(z,t)值可从边界处开始逐个断面进行推算(边界处的q值在试验中已测定)；负压水头坡降可自各时刻所测得负压水头剖面用作图法量得。具体的成果分析步骤如下：
绘制不同时刻的含水率剖面图。图5所示为某次试验实测的65分、172分、295分、576分的含水率剖面(根据负压计读数查水分特征曲线取得)。由于试验条件和设备的限制，这一含水率剖面需要进行验核。其方法是每一时段土柱含水量的增值(由含水率剖面曲线计算)应等于边界处在这一时段的供水量。如两者相差悬殊，则必须检查是否计算有误，在相差不大时则应修正含水率剖面，使两个数值尽量接近。
计算断面的划分(即确定式(6)中积分的上、下限)。如本例中划分0－5cm，5－8cm，8－12cm，12－14cm，14－18cm六个断面。
各时段断面过水量，在0断面(即土柱下边界面)的数值是试验中的实测值，其他断面的数值是根据上一断面的数值减去断面间土壤贮水量而得。断面间土壤贮水量即它是时段Δt(Δt＝ti+1-ti)内两断面间土壤含水量的增量，可通过图解积分法求得。断面平均过水通量，即式(6)中分子。
其值即为断面过水量除以土柱断面积A与时段Δt的乘积。
负压坡降的计算及水力传导度K(θ)值的计算。根据所选定的时刻绘制土柱剖面负压曲线，见图6，在不同断面根据这组实测曲线可以量取不同断面不同时刻的负压坡降两个时刻的平均坡降(即时段平均坡降)采用调和平均法求得，即
本发明中，供水平水装置的玻璃管管口深入到供水槽体的底部，这样供水槽体的静水压便等于此玻璃管口的液面高度，供水槽体内水体流出后，槽体内形成真空，空气只从玻璃管中进入，玻璃管口即为接触空气点，供水槽体内水体水位不低于玻璃管出口，玻璃管口以上供水槽体内水体的增减将不影响静水压，从而自动保持了流速的恒定。
量子毛细管主要由内径在1mm以内的金属或玻璃细管构成，量子毛细管通过支撑架支撑固定，量子毛细管的一端连接供水平水装置的出水口6c，另一端连接土柱上边界。量子毛细管与供平水共同作用，控制实验土柱的上边界条件(定压力边界)，供平水装置与量子毛细管连接后，供平水装置控制出水口位置6c的势能，通过与实验槽体形成封闭环境下势能平衡以实现对实验槽体的边界条件进行控制(既可以实现正压控制，亦可以实现负压控制)。
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 (1)
1.一种基于非线性通量过程控制的非饱和土壤水力传导度的测定方法，其特征在于：
通过稳定吸湿过程法、稳定脱湿过程法和非稳定通量与质量均衡转换法三个连续的方法，实现土壤状态变化完全覆盖情况下的非饱和水力传导度的测定；
所述稳定吸湿过程法包括以下步骤：
步骤1，准备稳定入渗法试验装置，该试验装置由一维垂直土柱、位于土柱底部的压力室、与压力室连接的供水平水装置构成，一维垂直土柱与压力室之间设置多孔陶瓷板；对一维垂直土柱进行土样装填，在装填土柱过程中，通过土壤初始含水率控制防止发生土粒分层和各断面不均匀现象；在一维垂直土柱的垂直方向按一定间隔布设负压计，用以测定不同时刻t土柱剖面含水率分布θ(z,t)和土柱剖面负压水头分布z表示垂直方向的距离，h为土壤基质势；
步骤2，在一维垂直土柱上表面加盖阻水板或阻水膜，通过供水平水装置控制多孔陶瓷板及土柱的入渗水量；
通过多孔陶土板水流量的大小决定于多孔陶土板上、下端面之间的压力差，通过多孔陶土板的水流通量
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式中：Kc，δ分别为多孔陶土板的导水率与厚度；
hw为多孔陶土板上端面的总水势；为正压水势，直接由水头上端面高度确定；
hs为多孔陶土板下端面即与土壤接触的面的总水势，即该处土壤的基质势；由埋设在对应位置的传感器测定；
步骤3，随着水的持续入渗，多孔陶土板与土柱的交界面即边界处土壤的含水率逐渐增加即基质势hs逐渐减小，这时的入渗流量是变化的；根据水均衡原理和达西定律，在边界处通过多孔陶土板的水流通量q1与通入土壤中的水流通量q2相等，即：
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式中，K(h)为相应负压水头或含水率的水力传导度，h为负压水头，为负压水头分布；
步骤4，经过一定的时间后，土柱上部含水率变化越来越小，在一定的范围呈稳定状态，负压坡降为零，即：
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将式(3)代入式(2)，得
q1＝q2＝-K(h) (4)
式(4)表示相应负压水头或含水率的入渗通量即为水力传导度；
所述稳定脱湿过程法包括以下步骤：
步骤1，完成稳定吸湿过程法测定后，试样已经充分饱和，保持从测试土样状态以及所安装的测定传感器不变，改变测试边界条件，在土柱上边界模拟某一蒸发条件，并在土柱下边界保持一定水位；监测各测点土壤基质势的变化；
步骤2：当测得土柱上边界蒸发水量与下边界补给水量相等时，则土壤水运动已达稳定状态，此时准确测定土柱剖面各点的土壤基质势，求出相应点的基质势坡降即可按下式计算水力传导度：
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式中：ε为蒸发强度，可通过与土柱连接的水平水供水装置测得，k为土壤基质势为h时对应的非饱和水力传导度；
所述非稳定通量与质量均衡转换法包括以下步骤：
步骤1，完后定脱湿过程法测定后，保持土样状态以及传感器不变，此时实验内各位置点的含水率或者基质势已各不相同；改变边界条件，利用供水平水装置给土柱下边界瞬时供水，并利用供水平水装置形成一个维持恒定水头的下边界水面，此后水分沿土柱上吸；在t1时刻，形成该时刻剖面含水率分布，绘制得到剖面含水率分布曲线I；在t2时刻，形成该时刻剖面含水率分布，绘制得到剖面含水率分布曲线II；
步骤2，当已知某断面过水流量、土壤剖面的含水率及基质势分布时，根据水流连续性方程可以推求另外断面的过水流量；下边界面过水流量可直接测定；已知一维土壤水非稳定流基本方程为：
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对土柱进行断面划分，包括断面1－1和断面2－2；断面1－1至断面2－2通过的水流通量差等于土壤消耗即的水量，土壤消耗的水量用于土壤含水率增加，式(3)在时刻t自Z1至Z2积分得：
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<mi>d</mi>
<mi>q</mi>
<mo>=</mo>
<mi>q</mi>
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<mi>Z</mi>
<mn>1</mn>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
Z1、Z2指的是z方向上的两个点，分别对应断面1－1和断面2－2的位置高度；
根据式(7)断面2－2的水流通量
<mrow>
<mi>q</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>,</mo>
<mi>t</mi>
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</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>q</mi>
<mrow>
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<mi>Z</mi>
<mn>1</mn>
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</mrow>
<mo>-</mo>
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<mo>&Integral;</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>1</mn>
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<mi>Z</mi>
<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mi>&theta;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mi>t</mi>
</mrow>
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<mi>z</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mn>8</mn>
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</mrow>
</mrow>
根据达西定律
<mrow>
<mi>q</mi>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mi>k</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>9</mn>
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</mrow>
</mrow>
根据式(8)和式(9)得到
<mrow>
<mi>k</mi>
<mrow>
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</mrow>
<mo>=</mo>
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<mn>1</mn>
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<mn>2</mn>
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<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>10</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：h为土壤基质势；根据式(10)，在已知t时刻的某一断面的水流通量q(z,t)、剖面含水率θ(z,t)的分布以及基质势分布的情况下，可求得相应基质势或含水率的水力传导度。
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