[發明專利]結構性差異非飽和土壤水動力彌散系數現場測定方法

有效

• 申請號: 201710482544.X
• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107328909B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 李立;王康;余翠;龍凡;張夢穎
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖珍

本發明提供了一種結構性差異非飽和土壤水動力彌散系數現場測定方法，包括以下步驟：通過土壤粒徑分析，確定土壤剖面的結構性差異；基于定水頭邊界條件使土壤中的水分和溶質進入再分布過程，通過布設傳感器測定不同時刻土壤基質勢和溶液濃度剖面分布；基于再分布過程中的質量連續性原理提出了土壤水動力彌散系數關系方程，采用中心差分方法，根據兩個相鄰時刻的測定土壤基質勢及溶質濃度分布，確定土壤水動力彌散系數關系方程參數，進而確定不同質地土壤的非飽和水動力彌散系數。本發明方法物理概念明確，計算公式簡單，易于操作、測量精度高，實驗結果直觀，更為重要的是，能夠確定存在結構性差異土壤的水動力彌散系數，在該領域具有獨創性。

技術領域

本發明涉及農業技術領域，特別提出一種結構性差異非飽和土壤水動力彌散系數現場測定方法。

背景技術

隨著土壤污染和土壤鹽堿化的加劇，土壤溶質運移的研究已經成為重要課題。土壤溶質運移是一個復雜的過程，與灌溉方式、土壤條件和外界環境等眾多因素密切相關，對化肥、農藥在農田的運移規律、鹽堿地水和溶質運動監測、地下水資源保護的準確測量和研究具有重要意義。而土壤彌散系數即是這個過程的一個重要而不可缺少的參數。土壤彌散系數是表征溶質在土壤中運移和擴散的一種參數。

對于溶質遷移的彌散系數，現有的方法的理論基礎是對流彌散理論，更多的是在實驗室控制條件下測定飽和條件下的彌散系數，根據飽和條件下對流彌散方程在設定的定解條件下的解析解，通過一維土柱實驗的溶質遷移測定結果，基于解析解反演彌散系數。對于非飽和條件，水流運動是非線性的，水流運動的參數，例如非飽和水力傳導度和擴散系數都是含水率的函數，均表現出非線性關系，而且，溶質遷移本身的運動特性也與水流運動不同。所以，相比飽和情況，即使在實驗室條件下，能夠通過控制邊界條件，監測溶質的遷移過程，然而，區分隨水流運動產生的對流通量以及由于水動力彌散過程產生的通量是非常困難的，特別是含水率變化情況下，水流運動的非線性變化，使得將水動力彌散通量從總的溶質遷移通量中分離出來是非常困難的。

在野外現場條件下，根據若干位置的溶質濃度的隨時間變化的監測值對水動力彌散參數反演是現有的主要方法，正如前面所指出的，對于基于對流彌散理論的方法，無論是任何一種方法，在非飽和條件下，由于土壤的非線性流動特性，將對流通量從總的溶質遷移通量中區分出來，是非常不確定的。此外，水流運動和溶質遷移方程中包括了多個參數，采用監測值進行反演亦存在很大的任意性，更為重要的是，對于絕大部分土壤，都在一定程度上存在著結構性，即不同深度位置的土壤質地顯著不同，對于對流彌散方法而言，土壤結構性意味著需要采用更多的參數，在監測資料有限的情況下，對過多的參數進行反演具有很大的任意性。

本發明提出了根據土壤中不同位置的濃度監測，與傳統的方法不同，這種方法采用加權平均的方法，基于土壤中水分和溶質的質量守恒，以及任意兩個時刻的溶質剖面監測結果，基于等效數值差分求解，確立非飽和土壤水動力彌散系數的測定原理，在機理上解決了現有方法基于對流彌散理論的根本缺陷，并且提出了與之對應的現場實驗方法。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種結構性差異非飽和土壤水動力彌散系數現場測定方法，為野外條件下非飽和土壤溶質數值模擬與預報及鹽堿土改良時確定沖洗定額提供基本參數。

本發明采用如下技術方案：

一種結構性差異非飽和土壤水動力彌散系數現場測定方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)在試驗區垂直方向按一定深度與距離安裝土壤基質勢測量傳感器，以觀測不同深度位置土壤水的基質勢變化；

(2)在試驗區對應土壤基質勢傳感器布設深度取樣，采用土壤粒徑分析儀測定土壤粒徑分布以及容量，確定土壤結構；對于不同結構的土壤，其水動力彌散系數不同；