一種用于測量土壤垂向飽和滲透系數的方法技術

本發明專利技術是一種用于測量土壤垂向飽和滲透系數的方法，屬于水文測驗領域，該方法使用單環、自記水位計、土壤含水量測定儀的設備測量，然后根據觀測的單環水位變化過程，利用在Ｐｈｉｌｉｐ與Ｎｅｓｔｉｎｇｅｎ土壤水運動計算方法基礎上，推導出的描述單環變水頭入滲試驗中水深變化過程的計算公式，采用最小二乘原理計算出土壤垂向飽和滲透系數。該方法可用于野外迅速準確的測定土壤垂向飽和滲透系數。該儀器需水量少，設備簡易，操作簡單，野外攜帶方便，并且測量時入滲單環的半徑不受限制，可用于較大尺度測量土壤滲透系數。適用于水利行業、水文地質行業及農田水利行業用于測量土壤飽和滲透系數，易于推廣使用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術，屬于水文測驗領域，尤其是一種野外便攜式設備測量土壤垂向飽和滲透系數的方法。
技術介紹
野外試驗測定土壤滲透系數等流域水文地質參數對于研究降水入滲過程、流域產 匯流規律具有重要意義。目前野外常用測量滲透系數的方法有單/雙環定水頭法，井流 法，吸力盤法等。但是上述方法存在如下缺陷(l)需要大量注水以維持定水頭；(2)測量的 尺度都比較小。 在單環變水頭入滲試驗推求土壤滲透系數等水力特征參數的計算方法方面， Philip于1992年基于Green-Ampt入滲模型(簡稱GA模型)導出了一維變水頭GA入滲 公式，1993年基于土壤水球面擴散假說及GA模型導出了三維井流變水頭入滲公式，并提出 了兩點法推求土壤吸力(C)與垂向滲透系數(K)的方法。Regalado運用Philip三維井流 變水頭入滲方法的室內外試驗成果，得出了推求C、K的經驗公式。Nestingen在Philip研 究基礎上進一步考慮單環對水流影響，提出了球缺擴散假說，導出了單環變水頭入滲試驗 推求C、 K的方法。然而Nestingen方法存在如下概念上的偏差及解法上的缺陷(1)僅考 慮土壤水三維入滲，實際上由于單環插入土壤一定深度，因此土壤水進入三維入滲前需先 經歷一維入滲；(2)球缺擴散假說只有當作用在濕潤峰上的力大小相等且都沿球面法線方 向的情況下才成立，而三維土壤入滲水在受重力作用下，濕潤峰"受力"不均，因此使用球 缺擴散假說需從土壤入滲水中除去重力入滲水；(3)采用差分離散法求解微分方程，其數 值計算結果受限于實測資料的精度，容易造成計算結果失真。為此，本專利技術借鑒Philip及 Nestingen有關土壤水運動的研究方法，將非飽和一維入滲與三維入滲水運動相結合，推導 出在單環變水頭入滲試驗中描述單環水深變化過程的公式，提出了推求土壤垂向滲透系數 的改進Nestingen方法(Modified Nestingen方法，簡稱MN方法)。
技術實現思路
本專利技術一種用于野外測定土壤垂向飽和滲透系數的方法，該方法具有需水量少， 設備簡易，操作簡單，野外攜帶方便等優點，并且其半徑可變，適用于較大尺度測量土壤滲 透系數。—種用于測量土壤垂向飽和滲透系數的方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)將單環緩慢均勻插入土壤，記錄單環插入土壤的深度； (2)將土壤含水量測量儀插入單環內的土壤中，測量記錄土壤初始含水量； (3)將自記水位計放入單環內，然后往單環內注水，記錄單環水位變化，即時間序 列{tj及單環內水深變化序列諷}; (4)在單環中水入滲結束時，再用土壤含水量測量儀測定單環內土壤含水量，此時 所測得單環內土壤含水量作為土壤飽和含水量；4 (5)根據單環變水頭入滲試驗中水深變化過程的計算原理，將單環內水流入滲分為兩個階段，單環中的一維入滲及出單環后的三維入滲。單環中一維入滲采用一維變水頭Green-Ampt入滲模型計算「0011l ,=_^_^:fc^x(i +Qxta(--))H0-h《LA 9 (1) 式中A 9為土壤缺水量；H。為單環初始水深；C為土壤吸力；h為單環內水深；t為入滲時間；K為土壤垂向滲透系數；L為單環插入土壤深度； 當濕潤峰到達單環出口 (H。-h > L A 9 )后，土壤水進入三維入滲階段。出單環后的三維入滲包含兩部分重力引起的下滲土壤水以及單環水壓力與土壤吸力引起的土壤水擴散，重力入滲水量等于滲透系數乘入滲時間，土壤水擴散采用Nestingen提出的球缺擴散模型計算。對于土壤水擴散過程，假設土壤均質且各向同性，由球缺面積與單環面積相等，可得初始球缺半徑r。 r。 (2)a V 42 2 式中巧為單環半徑。 在球缺擴散中，由水量平衡原理，當土壤水擴散半徑為R時，在球缺初始半徑r。處土壤水擴散速度v為 v = it = ^"， + ￡)7 (3) 式中V為球缺擴散中土壤水擴散體積；為圓周率。 根據Green-Ampt模型原理，每個球缺面上水通量相等，則當球缺擴散半徑為R時，在半徑r (r。《r《R)處，土壤水擴散速度、為式中S。為半徑為r。時的球缺表面積為半徑為r時的球缺表面積。根據達西定理，從球缺半徑r。到R處的土壤水擴散的勢能P為利用球缺擴散與實際單環擴散之間的幾何轉換系數，可推導出從單環三維入滲出尸=f》d"(，，+《y。(丄"。)f么dr (5)口到土壤水實際擴散鋒面的土壤水擴散的勢能P為—8 財 Z及+ Z r。勢能P又等于單環三維入滲出口處水壓力與土壤吸力之和 ^ + "丄^ + c (7)a: & 單環入滲水量應等于重力入滲水量與單環水壓力及土壤吸力引起的擴散水量之和，由重力入滲水速度K，可得h與R的關系式 A = /f。 — X(,-0-，- "3 +3Zi 2 一,。3 一3化2 ^ (8)5式中t。為一維土壤水入滲結束時間，由式(1)得<formula>formula see original document page 6</formula>式(8)求導得:-<formula>formula see original document page 6</formula>將式(6) 、 (8)和(10)代入式(7)可得描述單環三維擴散的微分方程<formula>formula see original document page 6</formula>將式(10)代入式(ll)，得C的表達式<formula>formula see original document page 6</formula> (6)整理試驗數據，根據實測時間序列{tj及水頭序列{HJ計算出入滲末期單環水位入滲率dH/dt I md ;然后假設土壤飽和滲透系數K，再聯立求解下列方程組(13) 、 (14)和(15)，得出土壤吸力C:<formula>formula see original document page 6</formula> 式中Hmd為入滲末期單環水位；t d為入滲時間；Rmd為入滲末期球缺擴散半徑。 然后再將滲透系數K、土壤吸力C及實測時間序列{tj代入式(1)求出一維入滲時單環內水深；代入式(8)采用Adams-Bashforth-Moulton變階法求解該微分方程，獲得球缺擴散半徑R，然后再將R代入(11)求出三維入滲時單環內水深。此時，求得的單環一維與三維入滲狀態下單環內水深系列即為單環變水頭入滲模型中實測時間序列{tj對應的單環內水深變化序列仏J，比較其與實測水頭序列{HJ的差異調整K重新計算仏J，直到仏J與{HJ的誤差最小，此時的K即為土壤的飽和垂向滲透系數。 所述單環插入土壤的深度2. 0 5. Ocm。 所述往單環內注水，注到5. 0 20. Ocm深。 所述自記水位計為HOBO公司生產的U20自記水位計，用于記錄單環內水位變化。 所述土壤含水量測定儀為Trase System公司生產的時域反射儀(TDR)，用于測定土壤初始及飽和含水量。 本專利技術具有如下優點 由于不需要維持定水頭，因此需水量較少；并且該專利技術中使用的設本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于測量土壤垂向飽和滲透系數的方法，其特征在于該方法包括以下步驟：（１）將單環（１）緩慢均勻插入土壤，記錄單環（１）插入土壤的深度；（２）將土壤含水量測量儀（３）插入單環（１）內的土壤中，測量記錄土壤初始含水量；（３）將自記水位計（２）放入單環（１）內，往單環（１）內注水，記錄單環（１）水位變化，即時間序列｛ｔ↓［ｉ］｝及單環內水深變化序列｛Ｈ↓［ｉ］｝；（４）在單環（１）中水入滲結束時，用土壤含水量測量儀（３）測定單環（１）內土壤含水量；（５）根據單環（１）變水頭入滲試＋Ｌｒ↓［０］＋Ｌ／ｒ↓［０］）＋Ｌ）（｜ｄＨ／Ｋｄｔ｜↓［ｅｎｄ］－１）－Ｈ↓［ｅｎｄ］（６）Ｈ↓［ｅｎｄ］＝Ｈ↓［０］－Ｋ（ｔ↓［ｅｎｄ］－ｔ↓［０］）－ＬΔθ－２Ｒ↓［ｅｎｄ］↑［３］＋３ＬＲ↓［ｅｎｄ］↑［２］－２ｒ↓［０］↑［３］－３Ｌｒ↓［０］↑［２］／３ｒ↓［１］↑［２］Δθ（７）ｔ↓［０］＝Δθ／Ｋ（１－Δθ）↑［２］（Ｌ×（１－Δθ）＋（Ｈ↓［０］＋Ｃ）×ｌｎ（Ｈ↓［０］＋Ｃ／Ｈ↓［０］＋Ｃ＋Ｌ×（１－Δθ）））（８）式中：Ｈ↓［ｅｎｄ］為入滲末期單環水位；ｔ↓［ｅｎｄ］為入滲時間；Ｒ↓［ｅｎｄ］為入滲末期球缺擴散半徑；然后再將滲透系數Ｋ、土壤吸力Ｃ及實測時間序列｛ｔ↓［ｉ］｝代入式（１）求出一維入滲時單環內水深；再代入式（４）采用Ａｄａｍｓ－Ｂａｓｈｆｏｒｔｈ－Ｍｏｕｌｔｏｎ變階法求解該微分方程，獲得球缺擴散半徑Ｒ，然后再將Ｒ代入（２）求出三維入滲時單環內水深。此時，求得的單環一維與三維入滲狀態下單環內水深系列即為單環變水頭入滲模型中實測時間序列｛ｔ↓［ｉ］｝對應的單環內水深變化序列｛ｈ↓［ｉ］｝，比較其與實測內水深序列｛Ｈ↓［ｉ］｝的差異調整Ｋ重新計算｛ｈ↓［ｉ］｝，直到｛ｈ↓［ｉ］｝與｛Ｈ↓［ｉ］｝的誤差最小，此時的Ｋ即為土壤的飽和垂向滲透系數。驗中水深變化過程的計算原理，將單環（１）內水流入滲分為兩個階段，單環（１）中的一維入滲及出單環（１）后的三維入滲；單環（１）中一維入滲采用一維變水頭Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ入滲模型計算：ｔ＝Δθ／Ｋ（１－Δθ）↑［２］（Ｈ↓［０］－ｈ／Δθ×（１－Δθ）＋（Ｈ↓［０］＋Ｃ）×ｌｎ（Ｈ↓［０］＋Ｃ／Ｈ↓［０］＋Ｃ＋（Ｈ↓［０］－ｈ）×（１－Δθ）／Δθ）），Ｈ↓［０］－ｈ≤ＬΔθ（１）式中：Δθ為土壤缺水量；Ｈ↓［０］為單環初始水深；Ｃ為土壤吸力；ｈ為單環內水深；ｔ為入滲時間；Ｋ為...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳喜，程勤波，張志才，謝永玉，
申請(專利權)人：河海大學，
類型：發明
國別省市：84[中國|南京]