CN110082503A - 一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱及方法 - Google Patents

一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱及方法 Download PDF

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张文聪
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Abstract

本发明提供了一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱及方法，涉及土壤模拟试验箱，箱体内部分为四个存储空间，渗水板上开设有通孔，渗水板上压装有纱网，第二存储空间和第三存储空间底部均设置有砾石，第二存储空间的砾石上设置有盐荒地土壤，第三存储空间的砾石上设置有耕地土壤，第二存储空间和第三存储空间的正面有机玻璃上沿高度方向均设置有土壤水分传感器和负压计，第四存储空间顶部设置有遮光盖板，第一至三存储空间上方均设置有红外线探照灯，第四存储空间对应的箱体外壁上沿高度方向设置有水位刻度线，马氏瓶设置在遮光盖板顶部。该模拟箱根据土壤水分的渗透能力可以揭示出水分在不同地类间迁移速率和迁移量。

Description

一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱及方法
技术领域
本发明涉及土壤模拟试验箱技术领域，具体涉及一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱及方法。
背景技术
现在的土壤试验都是借助土柱或者用一个箱体来完成的，例如：模拟室内降雨试验、蒸发试验、入渗试验等，试验设计较为单一。现在科研中，很少利用组合箱体来研究不同地类或不同质地情况下的水分迁移过程、不同土壤质地水分蒸发和入渗过程以及盐分的迁移过程。
因此，本申请提供一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱及方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱，包括箱体、土壤水分传感器和负压计；
所述箱体内部通过三块渗水板依次分隔为第一存储空间、第二存储空间、第三存储空间和第四存储空间，所述渗水板上开设有若干通孔，所述渗水板上压装有一层纱网，所述第二存储空间和第三存储空间底部均设置有砾石，所述第二存储空间的砾石上设置有盐荒地土壤，所述第三存储空间的砾石上设置有耕地土壤，所述第二存储空间和第三存储空间的渗水板上沿高度方向均设置所述土壤水分传感器和负压计，所述第四存储空间顶部设置有遮光盖板，所述第一存储空间、第二存储空间和第三存储空间上方均设置有红外线探照灯，所述第四存储空间对应的所述箱体外壁上沿高度方向设置有水位刻度线；
所述第一存储空间内放置有海子水，所述第四存储空间内放置有地下水，所述海子水的海子水位和地下水的地下水位均低于盐荒地土壤和所述耕地土壤。
优选地，所述渗水板为透明有机玻璃。
优选地，还包括马氏瓶，所述马氏瓶设置在所述遮光盖板顶部，通过所述马氏瓶测量后将水倒入所述第三存储空间和第四存储空间。
优选地，所述箱体的高度为2m。
本发明的另一目的在于提供一种利用不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱进行土壤实验的方法，包括以下步骤：
步骤1、土壤质地日蒸发实验
从试验场分别取回盐碱地原始土壤10方和耕地原始土壤10方，自然阴干，利用撵土器把土样撵成碎沫状并过2mm土筛后得到盐荒地土壤和耕地土壤；
将所述盐荒地土壤和所述耕地土壤分别装入所述第二存储空间和第三存储空间中，向所述第四存储空间加入纯净水来控制地下水水位，加入的水量要使耕地和荒地土壤分别达到土壤饱和含水率；
利用微型土转在设计孔处把土取出，把负压计按照试验设计分别插入箱体对应的位置，待负压计读数稳定后，记录此时的数据；
在所述第二存储空间和第三存储空间分别在土壤表层利用土壤蒸发器取土壤原状土，之后再把土壤蒸发器套入在等长直径大于土壤蒸发器1cm的保护桶中，之后把土壤蒸发器小心取出，用细纱网把其末端包住放回原处，定时监测土壤蒸发量；
打开所述红外线探照灯，在10min、20min、30min、50min、90min的间隔里观测观测数据、90min之后每隔一小时观测一次，共计观测30天，之后分别把地下水水位控制在100cm、80cm、60cm、40cm、20cm、10cm、来观测地下水水位的变化，进而得出盐荒地沙壤土和耕地粉土在不同地下水埋深条件下潜水的蒸发量；
步骤2、运移规律和渗透能力实验
步骤21、水分在水平和垂直方向的运移规律
从试验场分别取回盐碱地原始土壤和耕地原始土壤，自然阴干磨碎并过2mm土筛后得到盐荒地土壤和耕地土壤，并将所述盐荒地土壤和耕地土壤分别装入所述第二存储空间和第三存储空间中；
用所述马氏瓶给所述第三存储空间一侧注水，流量为2L/h，并通过所述马氏瓶时刻记录灌入的水量，同时观测水分在所述耕地土壤水平和垂直方向的运移变化，并用记号笔画出随时间变化的湿润线，记录相应的入渗时间，刚开始渗透速率较快所以划线时间间隔要短，随着时间的延长，土壤的渗透速率减慢，所以划线时间间隔变长，将在所述箱体上记录的曲线扫描导入AutoCAD软件中进行统一处理；
步骤22、渗透能力
步骤221、把所述土壤水分传感器的探头和负压计分别插入设计的孔处，并把所述土壤水分传感器链接到数据采集器EM50，上时刻监测水分变化，自然条件下，用所述马氏瓶持续给耕地土壤注水，记录注入的水量，直到水分完全渗透到所述第二存储空间的盐荒地土壤直到饱和，水分数据用探头5TE监测，用EM50数据采集器每隔一小时采集一次数据，负压计读数每隔1小时被记录一次，在此期间通过从数据采集器获得饱和含水率参数θs、残余含水量参数θr、各个时段的含水量参数θ和人为观测获得的负压计的值，利用这些参数拟合出吸湿型土壤水分特征曲线，为Hydrus模型的VG模块模拟提供有效参数，利用土壤含水量在单位时间段的变化确定出土壤的水力传导系数，并为参数率定提供参考；
步骤222、把微型环刀分别放入所述第二存储空间和第三存储空间，每个空间各5个共计10个环刀，在每个空间分别在20cm、40cm、60cm、80cm和100cm取样确定出土壤干密度BD；
利用所述红外线探照灯模拟蒸发，只考虑一维垂向蒸发，试验土体采用饱和土体，水分数据每隔一小时被记录一次，负压计读数每隔1小时读数一次，通过此试验可以确定出饱和含水率参数θs、残余含水量参数θr和各个时段的含水量参数θ以及分别所对应的负压计的值，利用这些参数可以拟合出脱湿型土壤水分特征曲线；在蒸发条件一样时，水分的消耗取决于土壤的输水性能，因此还可以确定出土壤的水力传导系数，为Hydrus模型的VG模块模拟提供有效参数，并为参数的率定提供参考；
步骤3、水量和盐量平衡计算
步骤31、水量计算
根据水量平衡公式：
ΔW＝P+I+Din-ET-R-In-Dout
式中：ΔW——计算时段末与时段初土体储水量之差(mm)；
P——计算时段内降水量(mm)；
I——计算时段内灌水量(mm)；
Din——计算时段地下水的补给量(mm)；
ET——土面蒸发量(mm)与植物蒸腾量(mm)之和，称为蒸散量；
R——计算时段内地面径流损失量(mm)；
In——计算时段内植物冠层截留量(mm)；
Dout——计算时段内下渗水量(mm)；
根据试验降雨量和灌溉量由马氏瓶确定，为简便起见，二者可以合并，以P代表之，田间蒸腾和蒸发很难截然分开，常合在一起，统称蒸散；截留是降水或喷灌时被植物冠层所截获而未达到土表的那部分水量，苗期自然很少，但生长中后期有时可占降水量的2％～5％，这部分来水未参与土面蒸发而直接从植物冠层上蒸发掉，因此又常合并写成ET；截留量较难统计，且数量不大，许多情况下予以忽略；地表径流与截留有着同样的情况，不过对于平坦地块来说，不出现暴雨或降雨强度不太大时，也可以忽略，R＝0和In＝0，Din和Dout可通过负压计测定基质吸力，由达西定律求出，通常Din和Dout两者取其一，ΔW可由测定的含水率求得，于是土壤水分平衡式可简化为：
ΔW＝P+Din-ET-Dout
土壤水平衡在实践中很有用处，根据土壤水分平衡式，用已知项可以求得某一未知项(如蒸散量等)，这就是所谓的土壤水量平衡法；
为求得土壤各层水分所占的比重，先忽略植物的蒸腾，只考虑土壤的蒸发，在试验中P值给定，D值可以通过负压计测得，E可以通过重力感应器或用土壤蒸发器测的，这样可以确定出土壤中在一个时段内水分的储蓄量，再由土壤水分土壤水分传感器测数可以确定出土壤各层水分变化量，再由土壤各层水分变化量比上土壤总储蓄量就可以求得各层水分所占的比重；
灌溉水分分为垂直入渗补给地下水和非饱和侧向渗流渗入盐荒地；垂直入渗水分渗入地下水，通过地下水水平补给荒地地下水，侧向渗流水分通过饱和-非饱和流水平运移；
灌溉水在土壤中的运移过程：
以土壤基质势Ψm为变量的二维非饱和土壤水分运动基本方程:
饱和均质土壤恒定流动状态下的达西(Darcy)定律:
式中：h为负压水头(h＝Ψm)；C(h)为比水容重(C＝dθ/dh)；K(h)为非饱和土壤导水率；L为渗透路径的直线长度；H为总水头；ΔH为渗透路径始末断面的总水头差；ΔH/L为相应的水力梯度；KS为饱和土壤导水率；
地下水补给量：
地下水补给量计算采用定位通量法，负压计埋深分别为20cm、40cm、60cm、80cn、100cm，监测土壤水势能梯度的变化，由达西定律可知该点处的通量为：
式中：ΔZ＝Z1-Z2；Z1和Z2分别表示土壤剖面不同深度；h1和h2分别为断面Z1和Z2处负压计值，为h1和h2的平均值；为监测断面的导水率；由此可以得到t1和t2时段内单位面积上流过的土壤水的流量Q(z1～2)，同样可由Q(z1～2)求得任一断面流量Q(Z)：
在耕地中，实际总的灌水量已知，补给地下水量也可以求得，土壤的蒸发消耗也可以求得，土壤中水分在某个时段的储蓄量变化也可以求得，进而我们可以求得剩余的水量，而剩余的水量就是迁移到盐荒地的水量，进入盐荒地的水量也可以用盐荒地和耕地交界处土壤水分传感器测数进而算出；
在盐荒地中，进水量已知，蒸发量可由重力感应器或土壤蒸发器测得，地下水的补给量可由负压计测得，进而可以求得盐荒地水分的变化量；
在湖泊中，湖泊增加的水量＝灌溉水入渗补给地下水的总水量-盐荒地消耗的水量；
步骤32、盐量计算
从研究区分别取回盐荒地土壤、耕地土壤、湖泊水样、灌溉水水样，地下水水样填装在对应的箱体内，并测灌溉水的含盐量和地下水的含盐量随后用土壤水分传感器时刻监测土壤水分和盐分数据；
盐分迁移量计算根据盐分平衡公式
ΔS＝VjCj+VgCg+VdCd-VzCz-VxVx
式中:
Vj、Vg、Vd、Vz、Vx分别为降雨量、灌水量、地下水补给量、蒸发量、渗入地下水的降雨量；Cj、Cg、Cd、Cz、Cx分别为降雨的含盐浓度、灌溉水的含盐浓度、地下水的含盐浓度、蒸发水分的含盐浓度、渗入地下水的降雨的含盐浓度；ΔS为土壤中盐分的变化量；
由于降雨和蒸发水分的含盐量较少，所以不给予考虑，在荒地中没有灌水，耕地中的灌水通过渗透渗入荒地中，且地下水含盐量和渗入的降雨量含盐量相等，公式可写为：
ΔS＝VgCg-VdCd-VsCS
式中：VS为水平渗入到盐荒地的水量，CS是渗透到盐荒地的含盐量。
本发明提供的不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱及方法具有以下有益效果：
(1)人为可以控制变化因子，可以系统的说明变化机制；
(2)水分运移过程可以直观化及其水量平衡和盐量平衡可以定量化；
(3)根据土壤水分的渗透能力可以揭示出在不同地类间迁移速率和迁移量；
(4)根据监测蒸发速率和蒸发量，可以定性描述地下水的变化；
(5)土壤参数测试较为精准，提高模型的准确性；
(6)可以控制变量来研究作物的生理特征；
(7)利用此模拟箱，除了可以检测很多土壤物理参数外，还可以提高模型精确性以及水分和盐分的定量计算。
附图说明
图1为本发明实施例1的不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱的结构示意图；
图2为不同土壤质地地下水埋深与土壤蒸发的关系；
图3为试探过程及湿润体分布图；
图4为入渗速度在水平和垂直方向随时间的变化过程；
图5为土壤含水率模拟值与实测值比较；
图6为土壤电导率模拟值与实测值比较；
图7为水量平衡计算图(单位50mm)；
图8为压力水头随时间变化图；
图9为含水量随时间变化图；
图10为运移速度和方向随时间变化图；
图11为压力水头随时间变化图；
图12为含水量随时间变化图；
图13为不同深度处土壤含水率模拟值和实测值对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱，具体如图1所示，包括箱体、马氏瓶6、土壤水分传感器10和负压计12；本实施例中箱体的高度为2m。
箱体内部通过三块渗水板8依次分隔为第一存储空间、第二存储空间、第三存储空间和第四存储空间，本实施例中渗水板8为透明有机玻璃。渗水板8上开设有若干通孔，渗水板8上压装有一层纱网，第二存储空间和第三存储空间底部均设置有砾石1，第二存储空间的砾石1上设置有盐荒地土壤2，第三存储空间的砾石1上设置有耕地土壤3，第二存储空间和第三存储空间的渗水板8上沿高度方向均设置土壤水分传感器10和负压计12，第四存储空间顶部设置有遮光盖板11，第一存储空间、第二存储空间和第三存储空间上方均设置有红外线探照灯7，第四存储空间对应的箱体外壁上沿高度方向设置有水位刻度线5，马氏瓶6设置在遮光盖板11顶部，通过马氏瓶6测量后将水倒入第三存储空间和第四存储空间；
第一存储空间内放置有海子水，第四存储空间内放置有地下水，海子水的海子水位9和地下水的地下水位4均低于盐荒地土壤2和耕地土壤3。
本实施例还提供一种利用不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱进行土壤实验的方法，如图2至图13所示，具体步骤如下所述：
包括以下步骤：
步骤1、土壤质地日蒸发实验
从试验场分别取回盐碱地原始土壤10方和耕地原始土壤10方，自然阴干，利用撵土器把土样撵成碎沫状并过2mm土筛后得到盐荒地土壤2和耕地土壤3；
将盐荒地土壤2和耕地土壤3分别装入第二存储空间和第三存储空间中，向第四存储空间加入纯净水来控制地下水水位，加入的水量要使耕地和荒地土壤分别达到土壤饱和含水率；
利用微型土转在设计孔处把土取出，把负压计按照试验设计分别插入箱体对应的位置，待负压计读数稳定后，记录此时的数据；
在第二存储空间和第三存储空间分别在土壤表层利用土壤蒸发器(PVC制作，长15cm，直径10cm)取土壤原状土，之后再把土壤蒸发器套入在等长直径大于土壤蒸发器1cm的保护桶(PVC制作)中，之后把土壤蒸发器小心取出，用细纱网把其末端包住放回原处，定时监测土壤蒸发量；
打开红外线探照灯7，在10min、20min、30min、50min、90min的间隔里观测观测数据、90min之后每隔一小时观测一次，共计观测30天，之后分别把地下水水位控制在100cm、80cm、60cm、40cm、20cm、10cm、来观测地下水水位的变化，进而得出盐荒地沙壤土和耕地粉土在不同地下水埋深条件下潜水的蒸发量；
湖泊水面蒸发强度12mm/d土壤蒸发强度3.7mm/d(沉降速率)水面蒸发强度大约是土壤蒸发强度的4倍。用该模拟箱可以研究不同地下水埋深条件下土壤蒸发量(潜在蒸发量)。因为模拟箱高度为2m，所以模拟2米高度下的粉壤土和砂土的土壤蒸发量。
表1室内模拟不同土壤质地日蒸发对比表
因为在试验区地下水埋深无法达到0cm的埋深，实际最浅埋深在0.75cm,所以在验证时采用0-2m的实测数据进行验证。
表2野外实测不同土壤质地日蒸发对比表
通过对模拟箱的数据和野外数据对比分析可知，室内侧得的数据要整体大于野外的数据，但在可接受的范围之内。为了验证模拟箱测数的准确性采用标准差(Standarddeviation,SD)定量表示：
Yi——样本模拟值；——样本的实测值；N——观测的样本数；i——样本的编号。
模拟值与实测值拟合精度较高，很好的反映出了土壤水分入渗规律。
此模拟箱还可以模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分配试验，还可以研究作物的生理特征例如根系吸水。
如表3所示，粉壤土和沙土的蒸发量的SD值在0.14～0.26之间变化接近于0，精度较高。说明用模拟箱测得数据和实际试验地测得数据拟合较好，模拟箱测得的数据合理可靠，图2为不同土壤质地地下水埋深与土壤蒸发的关系。
表3模拟箱测数与试验场测数的SD
步骤2、运移规律和渗透能力实验
步骤21、水分在水平和垂直方向的运移规律
从试验场分别取回盐碱地原始土壤和耕地原始土壤，自然阴干磨碎并过2mm土筛后得到盐荒地土壤2和耕地土壤3，并将盐荒地土壤2和耕地土壤3分别装入第二存储空间和第三存储空间中；
用马氏瓶6给第三存储空间一侧注水，流量为2L/h，并通过马氏瓶6时刻记录灌入的水量，同时观测水分在耕地土壤3水平和垂直方向的运移变化，并用记号笔画出随时间变化的湿润线，记录相应的入渗时间，刚开始渗透速率较快所以划线时间间隔要短，随着时间的延长，土壤的渗透速率减慢，所以划线时间间隔变长，将在箱体上记录的曲线扫描导入AutoCAD软件中进行统一处理；通过模拟箱试验可以直观反映出水分在水平方向和垂直方向的运移情况，可以计算出水平方向和垂直方向的运移速率为研究水分在不同地类的运移提供参考依据；
步骤22、渗透能力
步骤221、把土壤水分传感器10的探头和负压计12分别插入设计的孔处，并把土壤水分传感器10链接到数据采集器EM50(是用来采集数据的仪器是由METER公司生产)，上时刻监测水分变化，自然条件下，用马氏瓶6持续给耕地土壤3注水，记录注入的水量，直到水分完全渗透到第二存储空间的盐荒地土壤2直到饱和，水分数据用探头5TE(METER公司生产，这个探头可以检测土壤温度、水分和盐分)监测，用EM50数据采集器每隔一小时采集一次数据，负压计12读数每隔1小时被记录一次，在此期间通过从数据采集器获得饱和含水率参数θs、残余含水量参数θr、各个时段的含水量参数θ和人为观测获得的负压计12的值，利用这些参数拟合出吸湿型土壤水分特征曲线，为Hydrus模型的VG模块模拟提供有效参数，利用土壤含水量在单位时间段的变化确定出土壤的水力传导系数，并为参数率定提供参考；
步骤222、把微型环刀分别放入第二存储空间和第三存储空间，每个空间各5个共计10个环刀，在每个空间分别在20cm、40cm、60cm、80cm和100cm取样确定出土壤干密度BD；
利用红外线探照灯7模拟蒸发，只考虑一维垂向蒸发，试验土体采用饱和土体，水分数据每隔一小时被记录一次，负压计12读数每隔1小时读数一次，通过此试验可以确定出饱和含水率参数θs、残余含水量参数θr和各个时段的含水量参数θ以及分别所对应的负压计12的值，利用这些参数可以拟合出脱湿型土壤水分特征曲线；在蒸发条件一样时，水分的消耗取决于土壤的输水性能，因此还可以确定出土壤的水力传导系数，为Hydrus模型的VG模块模拟提供有效参数，并为参数的率定提供参考；
土壤含水率的变化对α不敏感，α取值在0.003-4之间，而n对含水率的变化敏感，残余含水率与饱和含水率的变化不大。因此，在参数识别中主要对n进行识别。拟定模型模拟的土壤特征参数，如表所示：
表4土壤特性参数取值
利用模拟结果和试验结果比对反复调参试算直到模拟结果和试验结果相近在用第2年的数据进行验证,利用标准差SD分析其准确性；图3为试探过程及湿润体分布图，图4为入渗速度在水平和垂直方向随时间的变化过程；
步骤3、水量和盐量平衡
步骤31、水量计算
根据水量平衡公式：
ΔW＝P+I+Din-ET-R-In-Dout (3)
式中：ΔW——计算时段末与时段初土体储水量之差(mm)；
P——计算时段内降水量(mm)；
I——计算时段内灌水量(mm)；
Din——计算时段地下水的补给量(mm)；
ET——土面蒸发量(mm)与植物蒸腾量(mm)之和，称为蒸散量；
R——计算时段内地面径流损失量(mm)；
In——计算时段内植物冠层截留量(mm)；
Dout——计算时段内下渗水量(mm)；
根据试验降雨量和灌溉量由马氏瓶6确定，为简便起见，二者可以合并，以P代表之，田间蒸腾和蒸发很难截然分开，常合在一起，统称蒸散；截留是降水或喷灌时被植物冠层所截获而未达到土表的那部分水量，苗期自然很少，但生长中后期有时可占降水量的2％～5％，这部分来水未参与土面蒸发而直接从植物冠层上蒸发掉，因此又常合并写成ET；截留量较难统计，且数量不大，许多情况下予以忽略；地表径流与截留有着同样的情况，不过对于平坦地块来说，不出现暴雨或降雨强度不太大时，也可以忽略，R＝0和In＝0，Din和Dout可通过负压计12测定基质吸力，由达西定律求出，通常Din和Dout两者取其一，ΔW可由测定的含水率求得，于是土壤水分平衡式可简化为：
ΔW＝P+Din-ET-Dout (4)
土壤水平衡在实践中很有用处，根据土壤水分平衡式，用已知项可以求得某一未知项(如蒸散量等)，这就是所谓的土壤水量平衡法；
为求得土壤各层水分所占的比重，先忽略植物的蒸腾，只考虑土壤的蒸发，在试验中P值给定，D值可以通过负压计12测得，E可以通过重力感应器或用土壤蒸发器测的，这样可以确定出土壤中在一个时段内水分的储蓄量，再由土壤水分土壤水分传感器10测数可以确定出土壤各层水分变化量，再由土壤各层水分变化量比上土壤总储蓄量就可以求得各层水分所占的比重；
灌溉水分分为垂直入渗补给地下水和非饱和侧向渗流渗入盐荒地；垂直入渗水分渗入地下水，通过地下水水平补给荒地地下水，侧向渗流水分通过饱和-非饱和流水平运移；
灌溉水在土壤中的运移过程：
以土壤基质势Ψm为变量的二维非饱和土壤水分运动基本方程:
饱和均质土壤恒定流动状态下的达西(Darcy)定律:
式中：h为负压水头(h＝Ψm)；C(h)为比水容重(C＝dθ/dh)；K(h)为非饱和土壤导水率；L为渗透路径的直线长度；H为总水头；ΔH为渗透路径始末断面的总水头差；ΔH/L为相应的水力梯度；KS为饱和土壤导水率；
地下水补给量：
地下水补给量计算采用定位通量法，负压计12埋深分别为20cm、40cm、60cm、80cn、100cm，监测土壤水势能梯度的变化，由达西定律可知该点处的通量为：
式中：ΔZ＝Z1-Z2；Z1和Z2分别表示土壤剖面不同深度；h1和h2分别为断面Z1和Z2处负压计值，为h1和h2的平均值；为监测断面的导水率；由此可以得到t1和t2时段内单位面积上流过的土壤水的流量Q(z1～2)，同样可由Q(z1～2)求得任一断面流量Q(Z)：
在耕地中，实际总的灌水量已知，补给地下水量也可以求得，土壤的蒸发消耗也可以求得，土壤中水分在某个时段的储蓄量变化也可以求得，进而我们可以求得剩余的水量，而剩余的水量就是迁移到盐荒地的水量，进入盐荒地的水量也可以用盐荒地和耕地交界处土壤水分传感器10测数进而算出；
在盐荒地中，进水量已知，蒸发量可由重力感应器或土壤蒸发器测得，地下水的补给量可由负压计12测得，进而可以求得盐荒地水分的变化量；
在湖泊中，湖泊增加的水量＝灌溉水入渗补给地下水的总水量-盐荒地消耗的水量；图5为土壤含水率模拟值与实测值比较，图6为土壤电导率模拟值与实测值比较，图7为水量平衡计算图(单位50mm)；
步骤32、盐量计算
从研究区分别取回盐荒地土壤2、耕地土壤3、湖泊水样、灌溉水水样，地下水水样填装在对应的箱体内，并测灌溉水的含盐量和地下水的含盐量随后用土壤水分传感器10时刻监测土壤水分和盐分数据；
盐分迁移量计算根据盐分平衡公式
ΔS＝VjCj+VgCg+VdCd-VzCz-VxVx (10)
式中:
Vj、Vg、Vd、Vz、Vx分别为降雨量、灌水量、地下水补给量、蒸发量、渗入地下水的降雨量；Cj、Cg、Cd、Cz、Cx分别为降雨的含盐浓度、灌溉水的含盐浓度、地下水的含盐浓度、蒸发水分的含盐浓度、渗入地下水的降雨的含盐浓度；ΔS为土壤中盐分的变化量；
由于降雨和蒸发水分的含盐量较少，所以不给予考虑，在荒地中没有灌水，耕地中的灌水通过渗透渗入荒地中，且地下水含盐量和渗入的降雨量含盐量相等，公式可写为：
ΔS＝VgCg-VdCd-VsCS (11)
式中：VS为水平渗入到盐荒地的水量，CS是渗透到盐荒地的含盐量。
利用HYDRUS-2D模拟二维地面表层积水5cm的入渗规律。
为了验证模拟箱的精准性，以箱体大小为模拟背景，特用HYDRUS-2D软件模拟了土体尺寸长200cm高100cm的土体，设置模拟时间24小时，初始时间为0结束时间为24小时，初始时间步长为0.02，最小时间步长0.01，最大时间步长为1，每隔1个时间步长输出一次结果。只研究整个剖面物质平衡计算。输出时间是24小时，迭代最大次数10，土壤特征曲线选择VG曲线。模拟利用土壤类型是粉壤土，测定土壤的颗分比例、BD、θs、θr和K输入软件，让软件算出土壤特征曲线。在横坐标方向离散化分为21个节点，在纵坐标离散化分为11个节点。初始压力水头定为-240，上边界为定水头边界5，下边界定位自由排水边界。分别在20cm、40cm、60cm、80cm、100cm选择5个观测点。模拟结果如图8、9、10所示：
土体上面有5cm的积水，所以刚开始压力水头出现正值土壤达到饱和，随着时间的迁移水分逐渐向下渗入，土体压力水头逐渐变小。
随着时间增长，土体往下土壤含水率越大，但在第24小时，100cm土体没有水分通过。
起初水分渗透速度较快，但1个小时之后土壤水分入渗速度较慢。并且水分的运移方向是垂直向下的，可以反映出入渗速度。
观测点压力水头变化
观测点1在第7小时达到饱和，压力水头变化较快。观测点2在第5小时开始有水分渗入，并在第15小时观测点达到饱和。观测点3在第13小时有水分渗入并在第23小时达到饱和状态，饱和值为0.45。观测点4在第20小时开始有水分渗入，在24小时观测期内其没有达到饱和状态土壤含水率仅为0.35，在第24小时水分没有入渗到观测点5，土壤含水率保持着原始含水率为0.26。为了验证模拟箱和模型的精确性，用实测值和模拟值进行拟合(图13)，图11为压力水头随时间变化图，图12为含水量随时间变化图；
模拟值与试验值的吻合程度采用均方误差RMSE
Yi——样本观测值；——样本模拟值；N——观测的样本数；i——样本的编号。
模拟值与实测值拟合精度较高，很好的反映出了土壤水分入渗规律。
此模拟箱还可以模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分配试验，还可以研究作物的生理特征例如根系吸水。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱，其特征在于，包括箱体、土壤水分传感器(10)和负压计(12)；
所述箱体内部通过三块渗水板(8)依次分隔为第一存储空间、第二存储空间、第三存储空间和第四存储空间，所述渗水板(8)上开设有若干通孔，所述渗水板(8)上压装有一层纱网，所述第二存储空间和第三存储空间底部均设置有砾石(1)，所述第二存储空间的砾石(1)上设置有盐荒地土壤(2)，所述第三存储空间的砾石(1)上设置有耕地土壤(3)，所述第二存储空间和第三存储空间的渗水板(8)上沿高度方向均设置所述土壤水分传感器(10)和负压计(12)，所述第四存储空间顶部设置有遮光盖板(11)，所述第一存储空间、第二存储空间和第三存储空间上方均设置有红外线探照灯(7)，所述第四存储空间对应的所述箱体外壁上沿高度方向设置有水位刻度线(5)；
所述第一存储空间内放置有海子水，所述第四存储空间内放置有地下水，所述海子水的海子水位(9)和地下水的地下水位(4)均低于盐荒地土壤(2)和所述耕地土壤(3)。
2.根据权利要求1所述的不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱，其特征在于，所述渗水板(8)为透明有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱，其特征在于，还包括马氏瓶(6)，所述马氏瓶(6)设置在所述遮光盖板(11)顶部，通过所述马氏瓶(6)测量后将水倒入所述第三存储空间和第四存储空间。
4.根据权利要求1所述的不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱，其特征在于，所述箱体的高度为2m。
5.一种利用权利要求1所述的不同地类土壤和地下水水盐运移实验模拟箱进行土壤实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、土壤质地日蒸发实验
从试验场分别取回盐碱地原始土壤10方和耕地原始土壤10方，自然阴干，利用撵土器把土样撵成碎沫状并过2mm土筛后得到盐荒地土壤(2)和耕地土壤(3)；
将所述盐荒地土壤(2)和所述耕地土壤(3)分别装入所述第二存储空间和第三存储空间中，向所述第四存储空间加入纯净水来控制地下水水位，加入的水量要使耕地和荒地土壤分别达到土壤饱和含水率；
利用微型土转在设计孔处把土取出，把负压计按照试验设计分别插入箱体对应的位置，待负压计读数稳定后，记录此时的数据；
在所述第二存储空间和第三存储空间分别在土壤表层利用土壤蒸发器取土壤原状土，之后再把土壤蒸发器套入在等长直径大于土壤蒸发器1cm的保护桶中，之后把土壤蒸发器小心取出，用细纱网把其末端包住放回原处，定时监测土壤蒸发量；
打开所述红外线探照灯(7)，在10min、20min、30min、50min、90min的间隔里观测观测数据、90min之后每隔一小时观测一次，共计观测30天，之后分别把地下水水位控制在100cm、80cm、60cm、40cm、20cm、10cm、来观测地下水水位的变化，进而得出盐荒地沙壤土和耕地粉土在不同地下水埋深条件下潜水的蒸发量；
步骤2、运移规律和渗透能力实验
步骤21、水分在水平和垂直方向的运移规律
从试验场分别取回盐碱地原始土壤和耕地原始土壤，自然阴干磨碎并过2mm土筛后得到盐荒地土壤(2)和耕地土壤(3)，并将所述盐荒地土壤(2)和耕地土壤(3)分别装入所述第二存储空间和第三存储空间中；
用所述马氏瓶(6)给所述第三存储空间一侧注水，流量为2L/h，并通过所述马氏瓶(6)时刻记录灌入的水量，同时观测水分在所述耕地土壤(3)水平和垂直方向的运移变化，并用记号笔画出随时间变化的湿润线，记录相应的入渗时间，刚开始渗透速率较快所以划线时间间隔要短，随着时间的延长，土壤的渗透速率减慢，所以划线时间间隔变长，将在所述箱体上记录的曲线扫描导入AutoCAD软件中进行统一处理；
步骤22、渗透能力
步骤221、把所述土壤水分传感器(10)的探头和负压计(12)分别插入设计的孔处，并把所述土壤水分传感器(10)链接到数据采集器EM50，上时刻监测水分变化，自然条件下，用所述马氏瓶(6)持续给耕地土壤(3)注水，记录注入的水量，直到水分完全渗透到所述第二存储空间的盐荒地土壤(2)直到饱和，水分数据用探头5TE监测，用EM50数据采集器每隔一小时采集一次数据，负压计(12)读数每隔1小时被记录一次，在此期间通过从数据采集器获得饱和含水率参数θs、残余含水量参数θr、各个时段的含水量参数θ和人为观测获得的负压计(12)的值，利用这些参数拟合出吸湿型土壤水分特征曲线，为Hydrus模型的VG模块模拟提供有效参数，利用土壤含水量在单位时间段的变化确定出土壤的水力传导系数，并为参数率定提供参考；
步骤222、把微型环刀分别放入所述第二存储空间和第三存储空间，每个空间各5个共计10个环刀，在每个空间分别在20cm、40cm、60cm、80cm和100cm取样确定出土壤干密度BD；
利用所述红外线探照灯(7)模拟蒸发，只考虑一维垂向蒸发，试验土体采用饱和土体，水分数据每隔一小时被记录一次，负压计(12)读数每隔1小时读数一次，通过此试验可以确定出饱和含水率参数θs、残余含水量参数θr和各个时段的含水量参数θ以及分别所对应的负压计(12)的值，利用这些参数拟合出脱湿型土壤水分特征曲线；在蒸发条件一样时，水分的消耗取决于土壤的输水性能，因此还可以确定出土壤的水力传导系数，为Hydrus模型的VG模块模拟提供有效参数，并为参数的率定提供参考；
步骤3、水量和盐量平衡计算
步骤31、水量计算
根据水量平衡公式：
ΔW＝P+I+Din-ET-R-In-Dout (1)
式中：ΔW——计算时段末与时段初土体储水量之差；
P——计算时段内降水量；
I——计算时段内灌水量；
Din——计算时段地下水的补给量；
ET——土面蒸发量与植物蒸腾量之和，称为蒸散量；
R——计算时段内地面径流损失量；
In——计算时段内植物冠层截留量；
Dout——计算时段内下渗水量；
步骤32、盐量计算
从研究区分别取回盐荒地土壤(2)、耕地土壤(3)、湖泊水样、灌溉水水样，地下水水样填装在对应的箱体内，并测灌溉水的含盐量和地下水的含盐量随后用土壤水分传感器(10)时刻监测土壤水分和盐分数据；
盐分迁移量计算根据盐分平衡公式
ΔS＝VjCj+VgCg+VdCd-VzCz-VxVx (2)
式中:
Vj、Vg、Vd、Vz、Vx分别为降雨量、灌水量、地下水补给量、蒸发量、渗入地下水的降雨量；Ci、Cg、Cd、Cz、Cx分别为降雨的含盐浓度、灌溉水的含盐浓度、地下水的含盐浓度、蒸发水分的含盐浓度、渗入地下水的降雨的含盐浓度；ΔS为土壤中盐分的变化量；
由于降雨和蒸发水分的含盐量较少，所以不给予考虑，在荒地中没有灌水，耕地中的灌水通过渗透渗入荒地中，且地下水含盐量和渗入的降雨量含盐量相等，公式可写为：
ΔS＝VgCg-VdCd-VsCS (3)
式中：VS为水平渗入到盐荒地的水量，CS是渗透到盐荒地的含盐量。
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