CN113588912B - 一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法，包括：盛放土柱的筒形容器，所述圆筒形容器的底部设有称重传感器，土柱上部为未扰动的原状土壤，土柱下部为填充制备土壤的边界控制层，土柱中以及采集箱外的环境土壤中以不同的深度均匀分布多个水势传感器、水分传感器，制备土壤中均匀分布渗滤管和调温管。本发明通过对冻土冻融过程中土壤温度、土壤含水量的物理控制，通过控制监测土柱的水热平衡，实现与环境土壤相同的土柱边界水热状态，专门制备的边界控制层为土柱的土壤蒸发渗透过程提供与环境土壤一致的水热传输条件，实现监测土柱中的非饱和导水率的控制，致使现场冻结土壤环境的模拟仿真得以实现。

Description

一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法

技术领域

本发明涉及一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法，是一种水文测量的系统和方法，是一种寒区冻土下垫面地表蒸散发的测试实验系统和方法。

背景技术

冻结土壤有别于农田土壤的特殊性在于它的复杂多相和多成分体系，它是由固、液和气三相物质组成的复杂非均匀体系，其基本成分是矿物骨架或有机骨架、冰、未冻水和气体。土壤在冻结过程中，会发生从水到冰的相变过程，冰的存在极大的改变了土壤的水力学参数和热力学参数。主要原因在于冰的导热系数是水的4倍左右，在冻结过程中逐步增加冻结土壤层的热量传导；同时，冰的形成过程中会降低土体的液态水含量并增大体积，从而减少土壤的孔隙度，导致毛细效应和下渗率降低，总体上逐步降低了冻结土壤的导水率；这是冻结土壤与融土导水率产生不同的主要原因。

基于已存在土壤结构，土壤的温度梯度、含水量梯度、水势梯度、溶质浓度梯度差异均可引起水分在土内的迁移。冻结土壤中，由于水的固态相介入，土壤的温度、含水量、孔隙度较之冻结前发生了巨大的变化，从而改变了土壤的结构和多项参数梯度，从而直接改变了土壤导水率。

一方面：土壤蒸发的水分源自经由土壤孔隙中的水分，其不仅受潜在蒸发力的限制，主要受控于土壤水分的多寡及土壤物化学性质。蒸发过程中，土壤水分需要要克服水分子之间的内聚力，同时要克服土壤颗粒对水分子的吸附力。本质上土壤蒸发是土壤失去水分的干化过程。

另一方面：寒冷地区土壤中的水分在冷季常常以固态形式存在，并且冻结时间较长、并且对温度高度敏感。寒区水文观测中不仅要遵守常规水文观测规范和气象观测规范，而且还要有一套独特的水文过程观测方法。冻土地表蒸发过程如下：气温低于零度时，土壤中的水分开始从地表向下开始逐渐冻结。在这一水分冻结相变过程中，未冻含水量和含冰量处于一个动态平衡，使得可以迁移的水分发生急剧变化；同时冰体膨胀的过程破坏了土壤的结构还堵塞了过水通道；从而影响了冻结土壤下垫面的地表蒸散发观测。

当前蒸散发量估算和观测方法很多，但针对寒区冻结土壤下垫面的蒸散发仍然是目前科学研究和监测的难题。寒区由于低温环境、地形复杂、下垫面植被单一且分布不均，大孔径闪烁仪、涡动相关、梯度气象和波文比法等观测设备的监测容易受到地形、低温及层流的影响。

称重法利用水量平衡原理通过蒸渗仪（Lysimeter）重量变化和下渗水量来计算观测。目前的第三代蒸渗技术实现了底部潜水水位边界层控制功能，消除了土柱主体在常规状态下的内外土壤水分含量的差异。但是，在寒冷地区影响蒸散发量大小的因素还受限于土壤温度变化带来的影响，主要原因是冻土地表蒸散发过程的供水条件在土壤冻结融化过程中发生着变化。在没有温度环境仿真以及水分相变的情况下，已有的蒸渗技术在冻土区应用时会引起监测土体内部的水热条件与当地实际情况存在差异，从而导致观测数据产生极大的偏差。

随着冻土物理研究的发展和深入，土壤水分冻融特征曲线的变化过程的监测分析方法和技术日益成熟，通过不同类型土壤的实验室内土壤冻结融化过程分析研究，如何通过监测土体的水热环境控制，实现观测土体内的水热物理参数仿真成为实现冻土地区地表蒸散发原位测量的重要课题。

发明内容

为了解决现有蒸渗技术在冻结土壤地区测量时存在的问题，本发明提出了一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统和方法。通过了实验室水热物理仿真条件下的环境试验。实验通过土壤水分和温度控制，模拟寒区土壤的冻结融化过程中的水热条件、传输过程以及物理参数的变化，进而实现土壤导水率的变化控制，为野外现场冻结土壤蒸散发观测提供理论基础、数据和技术支持。

本发明的目的是这样实现的：一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统，包括：设置在仿真实验现场地表以下的防护箱和采集箱，所述的采集箱中设有盛放土柱的筒形容器，所述圆筒形容器的底部设有称重传感器，所述土柱上部为未扰动的原状土壤，所述土柱下部为填充制备土壤的边界控制层，所述的土柱中以及采集箱外的环境土壤中以不同的深度均匀分布多个水势传感器、水分传感器，所述的制备土壤中均匀分布渗滤管和调温管，所述的渗滤管与补排水调节装置连接，所述的调温管通过导液管与冷热转换阀、循环泵、循环管、精密恒温液浴槽管路连接，所述的冷热转换阀和循环泵与控制器电连接，所述的控制器与所述的补排水调节装置和数据采集器电连接，所述的数据采集器与均匀分布在土柱中以及防水箱外的环境土壤中的温度传感器电连接，所述的数据采集器还与所述的称重传感器、水势传感器、水分传感器电连接，所述的控制器中设有温度控制模块、补排水调节模块和计算模块。

进一步的，所述的筒形容器底部封闭，上端敞口，筒壁为非导热材料材质，内壁设多孔波纹状涂层。

进一步的，所述的边界控制层包括：硬质围护，所述的硬质维护内填充与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线和级配一致的土壤，硬质围护的顶端和底端分别设置绝缘丝网。

进一步的，所述的绝缘丝网为200-500目。

进一步的，所述的补排水调节装置包括：与渗滤管管路连接的蠕动计量泵，所述的蠕动计量泵与补排水调节阀管路连接，所述的补排水调节阀与分别带有流量计的补水箱、排水箱管路连接，两个所述的流量计与数据采集器电连接，蠕动计量泵与控制器电连接。

进一步的，所述的渗滤管是陶瓷渗滤管。

进一步的，所述的导液管的材质为具有保温性的非金属材料。

进一步的，所述的渗滤管、调温管分别分布在两个不同深度的平面内，渗滤管在上，调温管在下。

一种使用上述的系统的现场模拟冻结土壤环境的仿真方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，确定模拟环境：通过环境冻结土壤的温度、水分含量、水势监测，明晰周边土壤的 具体水热情况；

步骤2，制备边界控制层：在实验的野外现场获取土壤样品，通过不同颗粒级配土壤的冻结 融化过程的试验，制备与环境土壤土壤水分冻融特征曲线一致的土柱底部土壤层；

步骤3，布置模拟仿真平台：将各个装置按要求连接并安装到防护箱和采集箱内，以尽量减 少对环境土壤干扰为原则，将防护箱和采集箱埋设到预定的实验位置，同时在采集箱外周围埋设各个传感器；

步骤4，设置土柱水分条件：冻结前，根据环境土壤含水量，控制装置控制补排水装置对土 柱进行补水或排水，以到达环境土壤的水分、水势状态；

步骤5，水热参数测量：开始测量控制条件下土壤的水热参数，记录变化过程；

步骤6，冻结融化参数的测量：根据设定的土壤实验温度，通过控制器降低土柱中的温度， 使土柱冻结，在融化，模拟土壤冻结融化的过程，并记录整个冻结融化过程的温度变化，以 及相应的土壤水热参数；

步骤7，拟合计算：利用实验室标定获取的参数方案并计算出冻结土壤未冻水含量、土壤水 势，从而实现非饱和导水率的拟合：

通过温度控制得到原状土壤冻结融化过程中土壤水分温度的关系曲线：

θ_l＝aT²+bT+c

其中：θ_l为未动水含量，a、b、c为拟合系数，T为温度；

通过土壤水势和土壤温度观测，获得土壤冻融土壤水分特征曲线中水势和温度关系曲线：

ψ＝αT²+βT+κ

其中：ψ为土壤水势，α、β、κ为拟合系数；

K_l＝K_s(θ_l/θ_s)^2b+3

其中：θ_s为土壤饱和含水量；K_s为土壤饱和导水率。

进一步的，所述的边界控制层制备方法包括如下子步骤：

子步骤1，现场取样：在实验点现场对不同深度的土层进行取样；

子步骤2，土样筛选：将土样按不同深度分别存储，对存储的土样进行大小颗粒筛选，确定各个土样的级配，并将土壤颗粒按大小分别存储；

子步骤3，混合土壤：取几种颗粒的土壤样品，混合作为制备土壤；

子步骤4，冻融实验：先对制备土壤进行补水，再通过冷冻设备和加热识别对制备土壤反复进行冷冻和融化作业，通过记录冷冻和融化过程的温度和水分、水势的参数，积累足够的数据，拟合出土壤水分冻融特征曲线，将制备土壤的土壤水分冻融特征曲线与现场的环境土壤的土壤水分冻融特征曲线进行比较，如果相似的达到60%，则认为两者是相似的，制备土壤能够作为实验材料进行野外实验，如果低于60%，则回到子步骤3，调整制备土壤的级配再次进行冻融实验，直至达到制备土壤的土壤水分冻融特征曲线与现场的环境土壤的土壤水分冻融特征曲线的一致性达到60%以上；

子步骤5，填充：将经过冻融实验的制备土壤填充硬质围护，在硬质围护的上下两端分别敷上丝网，形成边界控制层。

本发明的优点和有益效果是：本发明通过对冻土冻融过程中土壤温度、土壤含水量的物理控制，通过控制监测土柱的水热平衡，实现与环境土壤相同的土柱边界水热状态，专门制备的边界控制层为土柱的土壤蒸发渗透过程提供与环境土壤一致的水热传输条件，实现监测土柱中的非饱和导水率的控制，致使现场冻结土壤环境的模拟仿真得以实现。仿真实验所提供的土柱蒸发渗透的基础数据，为冻结土壤地区的蒸散发和壤中流研究计算提供了坚实的基础，避免了传统土壤冻结实验在蒸渗称重测量方面的严重误差。本发明不仅为水文过程观测提供服务，还可推动冻土区生态水文等相关学科的进一步发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一、五所述仿真系统的结构示意图；

图2是本发明实施例九所述仿真方法流程图；

图3是本发明实施例十所述边界控制层制备方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种现场模拟冻结土壤环境的仿真系统，如图1所示。本实施例包括：设置在仿真实验现场地表以下的防护箱（图1中未画出防护箱）和采样箱1，所述的采样箱中设有盛放土柱的筒形容器2，所述筒形容器的底部下方设有称重装置3，所述土柱上部为未扰动的原状土壤201，所述土柱下部为填充制备土壤的边界控制层202，所述的土柱中以及采样箱外的环境土壤中以不同的深度均匀分布多个水势传感器4（图1中用小方块表示）、水分传感器5（图1中用小圆形表示），所述的制备土壤中均匀分布渗滤管6和调温管7，所述的渗滤管与补排水调节装置8连接，所述的调温管通过导液管9与冷热转换阀10循环泵11、精密恒温液浴槽12管路连接，所述的冷热转换阀和循环泵与控制器（图1中未画出）电连接，所述的控制器与所述的补排水调节装置和数据采集器电连接，所述的数据采集器与均匀分布在土柱中以及防水箱外的环境土壤中的温度传感器13（图1中用小椭圆形表示）电连接，所述的数据采集器还与所述的称重传感器、水势传感器、水分传感器电连接。

防护箱和采样箱可以采用金属外壳，内衬防水材料。防护箱体与放置监测土柱的采样箱相邻，是采集器控制器等设备，以及温控装置、补排水控制装置、称重装置等模块的贮存场所，采集箱与防护箱相距不超过1m，顶部设置顶盖，便于检修和调试。

盛放土柱的筒形容器是一个十分重要的元件，实验的土柱放置于这个筒形容器中，筒形容器的水平截面形状可以圆形，也可以方形或其他形状。在现场获取土壤样品时，通常的土壤采样为圆柱体，因此，筒形容器采用圆柱形更适于配合土壤样品的形状。筒形容器底部封闭上口敞开，筒壁为非导热材料材质，内壁多孔波纹状涂层，容器底部完全封闭。

筒形容器中放置的土柱上部是现场切割获取的未扰动原状土壤下部是边界控制层，边界控制层内填充制备土壤，制备土壤特定颗粒级配的土壤。

制备土壤是实现仿真的关键。传统野外实验过程中会出现在土壤水分控制的基础上控制温度后，由于土柱在截取过程中还是会被扰动，实验的土柱的土壤水分冻融特征曲线与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线存在差异。因此本实施例在土柱底部设置根据环境土壤的物化性质配置的制备土壤，使土柱的土壤水分冻融特征曲线与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线一致，消除了由于土壤扰动所造成的问题，使仿真得以实现。制备土壤是提前在室内进行实验配置的土壤，并与温控装置的调温管集成包装在一个特定底部容器中，行程边界控制层。边界控制层的土壤水分冻融特征曲线与现场环境土壤的土壤水分冻融特征曲线是一致的。

系统设备在埋设安装前，通过实地调研测试，实验室根据环境土壤粒径配比、土壤饱和导水率，采用同源土壤配置制备土壤，之后通过调整土壤粒径级配在实验室开展冻融实验确定土壤盘的土壤水分特征曲线。

所述的环境土壤是与监测土柱相对的概念，是指监测设备埋放地点外周围相同土壤物化性质和环境的土壤。一般指仪器外围原状未扰动土壤。

其他外围的设备可以简单的概括为：能够控制土柱边界温度的温度控制装置、能够调节土柱水分含量的补排水调节装置、能够称量土柱整体重量变化的称重装置，以及相应的电子控制装置。

温控装置用于加热或冷冻样品土壤，以进行仿真实验。因此温控装置即要有加热的功能也需要有冷冻的功能。加热和冷冻可以采用电加热和半导体冷冻，但这种方式效率很低。本实施例采用的是朗肯循环的加热冷冻方式。即利用液体蒸发—冷凝的循环方式获得加热和冷冻，其转换只需一个转换阀门即可，液体循环设备可以利用现成的商品，通过温控模块即可以实现加热和冷冻的效果。

本实施例中实施温度调节的元件是调温管。调温管既是冷冻时的冷凝管也是加热管。调温管是盘管，安装在边界控制层的制备土壤中。调温管通过导液管与冷热转换阀循环泵、精密恒温液浴槽管路连接在一起，形成液体循环的管路，冷热转换阀和循环泵通过控制器的控制，实现冷热作业。导液管应具有保温性能，可以避免过多的箱内热交换。

温控装置除需要制冷和制热的设备，还需要温度传感器，以测量土壤中的温度。不但要测量土柱中的温度，还要测量采集箱外部环境土壤中的温度，以便调整达到仿真的效果，因此本实施例还在土柱和采集箱外设置温度传感器。温度传感器以不同的深度尽可能均匀的设置在土壤中，以确保取得客观的温度数据。

补排水调节装置的作用是为土柱供水或抽取土柱中多余的水分，以达到实验所要求的水分和水势。为此补排水调节装置设置了渗滤管和蠕动计量泵，对进入换排出的水量进行控制。为进行水量控制，也需要设置水分、水势传感器，一方面为实验提供数据，另一方面为控制水分和水势提供控制依据。渗滤管是补水或排水的重要元件，呈树枝状均匀分布在边界控制层中，补水时蠕动泵通过渗滤管将水压入土壤中，排水时蠕动泵通过渗滤管抽取土壤中的水分。补排水装置是根据环境土壤观测到的同一深度处土壤水分的差值，依据监测土柱的孔隙度，计算补排水量，通过计量泵，缓慢（1小时）土壤水分含量调整。

称重装置可以采用传统的蒸渗仪的称重系统，通过称重传感器与数据采集器相连接，获取称重数据，并以此为依据获取土柱中水分的重量变化。

控制装置包括数据采集器、计算控制器。数据采集与土壤温度、土壤水分、土壤水势、土柱称重传感器连接，计算控制器是能够进行数字电子存储和计算的电子芯片系统，可以是以可编程门阵芯片或嵌入式系统芯片为核心的电子数字计算系统。

通过监测土柱和环境土壤中提前安装的土壤水分、水势、温度传感器，采用数据采集系统按照设定的时间频次采集记录传感器信号，从1秒-60分选择记录间隔。传感器的安装通常在两个深度处，一处为地表3-5cm，监控地表土壤的降水和地表水分情况。便于监测土柱表面模拟积水情况；一处为监测土柱底部深度（40cm），环境土壤也相应的设置，具体依据监测土柱深度执行安装。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于筒形容器的细化。本实施例所述的筒形容器底部封闭，上端敞口，筒壁为非导热材料材质，内壁设多孔波纹状涂层。

筒形容器是装载实验样品的关键性元件，可以采用PVC等硬质工程塑料。筒形容器的内壁所设置多孔波纹状涂层，用以固定土壤样品。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于边界控制层的细化。本实施例所述的边界控制层包括：硬质围护，所述的硬质维护内填充与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线和级配一致的土壤，硬质围护的顶端和底端分别设置绝缘丝网。

边界控制层是实现仿真的重要环节，其核心是使实验土柱的土壤水分冻融特征曲线与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线一致，使两者保持一致的方法是改变制备土壤的粒径级配，通过反复的冻融实验，才能得到与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线一致制备土壤。

应用实例：用于某土壤仿真实验的土柱的上部原状土壤样品的尺寸为30cm直径、深度40cm的圆柱土体，以原状土开外截取。这样土柱下部边界控制层为厚度为5cm，顶面由不导热丝网、侧面是硬质PVC圆环构成，底部直接与换能板接触。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于绝缘丝网的细化。本实施例所述的绝缘丝网为200-500目。

绝缘丝网采用非金属的细目丝网，对制备土壤进行包裹，防止其散失。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于边界控制层的细化。本实施例所述的补排水调节装置包括：与渗滤管管路连接的蠕动计量泵801，所述的蠕动计量泵与补排水调节阀802管路连接，所述的补排水调节阀与分别带有流量计803、804的补水箱805、排水箱806管路连接，两个所述的流量计与数据采集器电连接，蠕动计量泵与控制器电连接，如图1所示。

控制器通过蠕动计量泵向多孔的陶瓷渗滤管定量延时供水，通过程序控制水分平衡过程所需水量中提高土柱土壤含水量至环境土壤含水量。或者通过控制器切换电磁阀通过蠕动计量泵从多孔过滤陶渗滤管定量抽取空气产生负压，在水分平衡过程中抽取土壤水分降低土柱土壤含水量至环境土壤含水量。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于渗滤管的细化。本实施例所述的渗滤管是陶瓷渗滤管。

陶瓷渗滤管是一种用陶土烧制的渗滤管，表面有许多细致的透水孔，十分适宜渗滤透水和输水。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于导液管的细化。本实施例所述的导液管为外包保温性材料的金属管。

导液管是输送膨胀或收缩液体的管路，由于有一定的压力，必须使用具有抗压能力的管子，因此使用金属管是适当的。

由于箱内空间狭小，不易散热，因此，应尽量减少不必要的热量散失，为此本实施例在导液管外设置保温材料，尽量减少采集箱内的热交换。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于边界控制层的细化。本实施例所述的渗滤管、调温管分别分布在两个不同深度的平面内，渗滤管在上，调温管在下。

由于边界控制层的厚度有限，因此边界控制层中的渗滤管、调温管设置为两个平面中，并且上下分布，以减小占用的体积。

实施例九：

本实施例一种使用上述的系统的现场模拟冻结土壤环境的仿真方法，所述方法的步骤如下，流程见图2：

步骤1，确定模拟环境：通过环境冻结土壤的温度、水分含量、水势监测，明晰周边土壤的具体水热情况；

首先对准备模拟仿真实验的当地土壤和气候环境进行调研，包括翻阅查找当地的气候资料和土壤资料，对过往的土壤和气候有一个比较明确的了解，并根据这些资料明确实验的目的，需要获取那些参数。在查阅资料的同时进行野外实地考察，确定实验设备设置的位置。实验设备的位置一般设置在土层深厚比较平坦的平地上，实验位置的土层应能尽量代表周围土壤的典型土层，以便使实验结果最大限度的显示当地的土壤状况。

土壤取样应尽量减少对实验区域的土层干扰，维持原始状态。对于一些重要土壤参数，如土壤水分、土壤水势等除在实验前对历史资料进行研究和现场观测外，在采集箱外的土壤中直接设置传感器进行实时观测，并在实验过程中将采集箱外的实测数据输送给实验系统的控制器，以对采集箱内的土柱进行水势、水分、温度的实时调整，形成采集箱内的土柱对采集箱外的环境土壤在环境温度、地表下温度、水分、水势的全面仿真。

步骤2，制备边界控制层：在实验的野外现场获取土壤样品，通过不同颗粒级配土壤的冻结融化过程的试验，制备与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线一致的土柱底部土壤层；

制备边界控制层是仿真实验能够取得成败的关键性步骤。传统的野外实验过程中在土壤水分控制的基础上增加了控制温度后，尽管实现了全面仿真，但由于土柱在截取过程中还是会被扰动，实验土柱的土壤水分冻融特征曲线与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线存在差异，使实验结果仍然无法正确的反应模拟现场的土壤状态，致使仿真实验归于失败。

为解决实验土柱的土壤水分冻融特征曲线与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线存在差异的问题，本实施例在未扰动的实验样品土柱的底部根据环境土壤的物化性质设置了边界控制层。边界控制层中填充的土壤是经过专门制备的，是从仿真实验的现场周边的环境土壤中提取的，经过筛选和调配，将制备土壤的土壤水分冻融特征曲线调整得与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线取得一致，以实现仿真。

系统安装前，通过实地调研、采样和测试，确定环境土壤的土壤水分冻融特征曲线，采样土壤的深度与实验深度一致。再在实验室中根据环境土壤粒径配比、土壤饱和导水率，采用同源土壤进行制备土壤的调配，通过调整土壤粒径级配在实验室开展冻融实验，使制备土壤的土壤水分冻融特征曲线与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线取得一致。

冻融实验时，先将土壤样品填充到上下带有绝缘丝网的硬质围护中，填充过程中布设渗滤管和调温管并接好管接头，填充的松紧程度与环境土壤相同深度的土壤松紧程度一致，再利用渗滤管、调温管以及相应的补排水装置和温度调节装置进行冻融实验，之后不断的调整样品土壤的级配，达到样品土壤的土壤水分冻融特征曲线与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线一致，完成边界控制层的制备。

步骤3，布置模拟仿真平台：将各个装置按要求连接并安装到防护箱和采集箱内，以尽量减少对环境土壤干扰为原则，将防护箱和采集箱埋设到预定的实验位置，同时在采集箱外周围埋设各个传感器；

埋放防护箱和采集箱时应尽量避免对环境土层的扰动，系统的各个装置应尽量设置在防护箱或采集箱中，以减少挖掘点对环境土壤的干扰。设备埋设之后启动设备，检测各个装置是否正常工作，最后填平埋设坑，恢复环境土壤和样品土柱顶端的植被。

步骤4，设置土柱水分条件：冻结前，根据环境土壤含水量，控制装置控制补排水装置对土柱进行补水或排水，以到达环境土壤的水分、水势状态；

控制装置通过蠕动泵计量向多孔过滤陶土管定量延时供水，通过程序控制水分平衡过程所需水量中提高土柱土壤含水量至环境土壤含水量。或者通过控制模块切换补排水调节阀通过蠕动计量泵从多孔过滤陶土管定量抽取空气产生负压，在水分平衡过程中抽取土壤水分降低土柱土壤含水量至环境土壤含水量。

步骤5，水热参数测量：开始测量控制条件下土壤的水热参数，记录变化过程；

水热参数的测量是在土柱内水分与外部环境土壤水分一致的情况下进行的，所测量的数据是土壤在未冻结的状态的温度与水势、水分的变化情况，作为原始数据记录下来。

步骤6，冻结融化参数的测量：根据设定的土壤实验温度，通过控制器降低土柱中的温度，使土柱冻结，在融化，模拟土壤冻结融化的过程，并记录整个冻结融化过程的温度变化，以及相应的土壤水热参数；

控制模块通过精密恒温液浴槽向调温管输送恒定温度循环液，对土柱进行制冷，使土柱中的土壤温度降低，并使土柱中的水分冻结，再通过控制器控制冷热转换阀调温管输送恒定温度循环液，对土柱进行加热，使冻结的土柱融化，以模拟土壤冻结/融化全过程，这样反复多次的冻结、融化，以积累拟合所需要的足够数据。

步骤7，拟合计算：利用实验室标定获取的参数方案并计算出冻结土壤未冻水含量、 土壤水势，从而实现非饱和导水率的拟合：

通过温度控制得到原状土壤冻结融化过程中土壤水分温度的关系曲线：

θ_l＝aT²+bT+c

其中：θ_l为未动水含量，a、b、c为拟合系数，T为温度；

通过土壤水势和土壤温度观测，获得土壤冻融土壤水分特征曲线中水势和温度关系曲线：

ψ＝αT²+βT+κ

其中：ψ为土壤水势，α、β、κ为拟合系数；

K_l＝K_s(θ_l/θ_s)^2b+3

其中：θ_s为土壤饱和含水量；K_s为土壤饱和导水率。

土壤水热控制大致过程为：首先，通过安装现场采集土壤的颗粒级配、土壤水分特征曲线测试，在实验中通过温度控制得到原状土壤冻结融化过程中土壤水分温度的关系曲线；再通过土壤水势和土壤温度观测，获得土壤冻融土壤水分特征曲线中水势和温度关系曲线，通过饱和导水率、饱和含水量、非饱和导水率和相应的土壤含水量，分析得到非饱和导水率和土壤含水量的关系曲线，通过这几个步骤的参数控制实现土壤中非饱和导水率的控制拟合。

实施例十：

本实施例是实施例九的改进，是实施例九关于边界控制层制备的细化。本实施例所述的边界控制层制备方法包括如下子步骤，流程见图3：

本实施例是在过现场考察中，采集不同深度的定量（原状）土壤，回到室内做土壤水分冻融特征曲线，而这个曲线是土壤的基本物化性质之一，十分重要。有了这些原始样品土壤，依据采集土壤的颗粒级配，在实验室内复制混合土壤，通过粒径级配的不断调整，找到和原状土基本一致的制备土壤，最后装入绝缘细网做成土盘。

子步骤1，现场取样：在实验点现场对不同深度的土层进行取样；

在实验现场进行土样采集。采集的地点应与实验地点保持一定的距离，既不能太远也不能太近，以尽可能少的干扰试验点的土壤扰动为前提进行土样采集。

子步骤2，土样筛选：将土样按不同深度分别存储，对存储的土样进行大小颗粒筛选，确定各个土样的级配，并将土壤颗粒按大小分别存储；

对土样使用不同细目的筛网进行筛选，并分别存储的目的有两个，一个是获得土壤样品的级配，同时为将来进行冻融实验配比制备土壤打好基础。

子步骤3，混合土壤：取几种颗粒的土壤样品，混合作为制备土壤；

当第一次进行实验时，需要根据经验进行判断一下最有可能与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线一致的土壤级配，一般情况下原提取的土壤样品的级配最有可能产生与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线一致的制备土壤，因此，先按原始级配的配比进行填充，如果不行再调整级配。

子步骤4，冻融实验：先对制备土壤进行补水，再通过冷冻设备和加热识别对制备土壤反复进行冷冻和融化作业，通过记录冷冻和融化过程的温度和水分、水势的参数，积累足够的数据，拟合出土壤水分冻融特征曲线，将制备土壤的土壤水分冻融特征曲线与现场的环境土壤的土壤水分冻融特征曲线进行比较，如果相似的达到60%，则认为两者是相似的，制备土壤能够作为实验材料进行野外实验，如果低于60%，则回到子步骤3，调整制备土壤的级配再次进行冻融实验，直至达到制备土壤的土壤水分冻融特征曲线与现场的环境土壤的土壤水分冻融特征曲线的一致性达到60%以上。

本子步骤是反复进行实验的过程，只有反复的进行冻融实验，才能拟合出土壤水分冻融特征曲线，只有在拟合出土壤水分冻融特征曲线才能进行比较，如果没有达到一致，则还要进行反复试验。

子步骤5，填充：将经过冻融实验的制备土壤填充硬质围护，在硬质围护的上下两端分别敷上丝网，形成边界控制层。

边界控制层的硬质围护中应当事先安装好渗滤管和调温管并接好管接头，以及温度、水分和水势传感器，连接出密封的接线端子。充满制备土壤后，用丝网将土壤封好，形成完整的边界控制层。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如样品和土盘制备方法、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种现场模拟冻结土壤环境的仿真方法，所述方法所使用的仿真系统，包括：设置在仿真实验现场地表以下的防护箱和采集箱，所述的采集箱中设有盛放土柱的筒形容器，所述筒形容器的底部设有称重传感器，所述土柱上部为未扰动的原状土壤，所述土柱下部为填充制备土壤的边界控制层，所述的土柱中以及采集箱外的环境土壤中以不同的深度均匀分布多个水势传感器、水分传感器，所述的制备土壤中均匀分布渗滤管和调温管，所述的渗滤管与补排水调节装置连接，所述的调温管通过导液管与冷热转换阀、循环泵、循环管、精密恒温液浴槽管路连接，所述的冷热转换阀和循环泵与控制器电连接，所述的控制器与所述的补排水调节装置和数据采集器电连接，所述的数据采集器与均匀分布在土柱中以及防水箱外的环境土壤中的温度传感器电连接，所述的数据采集器还与所述的称重传感器、水势传感器、水分传感器电连接，所述的控制器中设有温度控制模块、补排水调节模块和计算模块，所述的筒形容器底部封闭，上端敞口，筒壁为非导热材料材质，内壁设多孔波纹状涂层，所述的边界控制层包括：硬质围护，所述的硬质围护内填充与环境土壤的土壤水分冻融特征曲线和级配一致的土壤，硬质围护的顶端和底端分别设置绝缘丝网，所述的绝缘丝网为200-500目，所述的补排水调节装置包括：与渗滤管管路连接的蠕动计量泵，所述的蠕动计量泵与补排水调节阀管路连接，所述的补排水调节阀与分别带有流量计的补水箱、排水箱管路连接，两个所述的流量计与数据采集器电连接，蠕动计量泵与控制器电连接，所述的渗滤管是陶瓷渗滤管，所述的导液管的材质为具有保温性的非金属材料，所述的渗滤管、调温管分别分布在两个不同深度的平面内，渗滤管在上，调温管在下，

其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，确定模拟环境：通过环境冻结土壤的温度、水分含量、水势监测，明晰周边土壤的具体水热情况；

步骤2，制备边界控制层：在实验的野外现场获取土壤样品，通过不同颗粒级配土壤的冻结融化过程的试验，制备与环境土壤土壤水分冻融特征曲线一致的土柱底部土壤层；

步骤3，布置模拟仿真平台：将各个装置按要求连接并安装到防护箱和采集箱内，以尽量减少对环境土壤干扰为原则，将防护箱和采集箱埋设到预定的实验位置，同时在采集箱外周围埋设各个传感器；

步骤4，设置土柱水分条件：冻结前，根据环境土壤含水量，控制装置控制补排水装置对土柱进行补水或排水，以到达环境土壤的水分、水势状态；

步骤5，水热参数测量：开始测量控制条件下土壤的水热参数，记录变化过程；

步骤6，冻结融化参数的测量：根据设定的土壤实验温度，通过控制器降低土柱中的温度，使土柱冻结，在融化，模拟土壤冻结融化的过程，并记录整个冻结融化过程的温度变化，以及相应的土壤水热参数；

步骤7，拟合计算：利用实验室标定获取的参数方案并计算出冻结土壤未冻水含量、土壤水势，从而实现非饱和导水率的拟合：

通过温度控制得到原状土壤冻结融化过程中土壤水分温度的关系曲线：

θ_l＝aT²+bT+c

其中：θ_l为未冻水含量，a、b、c为拟合系数，T为温度；

通过土壤水势和土壤温度观测，获得土壤冻融土壤水分特征曲线中水势和温度关系曲线：

ψ＝αT²+βT+κ

其中：ψ为土壤水势，α、β、κ为拟合系数；

K_l＝K_s(θ_l/θ_s)^2b+3

其中：θ_s为土壤饱和含水量；K_s为土壤饱和导水率。

2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述的边界控制层制备方法包括如下子步骤：

子步骤1，现场取样：在实验点现场对不同深度的土层进行取样；

子步骤2，土样筛选：将土样按不同深度分别存储，对存储的土样进行大小颗粒筛选，确定各个土样的级配，并将土壤颗粒按大小分别存储；

子步骤3，混合土壤：取几种颗粒的土壤样品，混合作为制备土壤；

子步骤4，冻融实验：先对制备土壤进行补水，再通过冷冻设备和加热识别对制备土壤反复进行冷冻和融化作业，通过记录冷冻和融化过程的温度和水分、水势的参数，积累足够的数据，拟合出土壤水分冻融特征曲线，将制备土壤的土壤水分冻融特征曲线与现场的环境土壤的土壤水分冻融特征曲线进行比较，如果相似的达到60％，则认为两者是相似的，制备土壤能够作为实验材料进行野外实验，如果低于60％，则回到子步骤3，调整制备土壤的级配再次进行冻融实验，直至达到制备土壤的土壤水分冻融特征曲线与现场的环境土壤的土壤水分冻融特征曲线的一致性达到60％以上；

子步骤5，填充：将经过冻融实验的制备土壤填充硬质围护，在硬质围护的上下两端分别敷上丝网，形成边界控制层。