[發(fā)明專利]基于完全非線性流動過程響應(yīng)的非飽和土壤水分?jǐn)U散度的測定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710592823.1
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107421868B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王康;李立;張夢穎;余翠;龍凡
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖珍

1.一種基于完全非線性流動過程響應(yīng)的非飽和土壤水分?jǐn)U散度的測定方法，其特征在于，通過水平滲吸過程測定和水平穿透過程測定，實現(xiàn)覆蓋整個非飽和含水率范圍的非飽和土壤擴散度測定，包括以下步驟：

步驟1，準(zhǔn)備水平土柱試驗裝置，該水平土柱試驗裝置包括依次連通的供水平水裝置、水室、水平土柱、滲出通量測定裝置，供水平水裝置用于控制土柱的作用水頭，水平土柱由左至右均勻分隔成若干節(jié)子土柱，每節(jié)子土柱內(nèi)布置土壤含水率及基質(zhì)勢測定傳感器，各傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接；

步驟2，對非飽和土壤進行水平滲吸過程測定，具體實現(xiàn)如下：

①制備土樣及裝填土柱，準(zhǔn)備好足夠的試樣，要求試樣風(fēng)干含水量；

②準(zhǔn)備土柱，將試樣按一定容重裝填土柱，然后將土柱水平放置，并安裝于水平土柱試驗裝置中；

③根據(jù)測試水頭高度要求對供水平水裝置進行水位設(shè)定；計時并記下供水平水裝置初始水位讀數(shù)；

④經(jīng)過一定時間，且濕潤鋒面未達土柱末端之前，結(jié)束試驗，此時停止供水平水裝置對土柱的供水，記錄整個試驗的歷時，總?cè)霛B水量和各點含水率；

形成邊界出流后，由水平滲吸過程轉(zhuǎn)化為水平穿透過程；

步驟3，對非飽和土壤進行水平穿透過程測定，具體實現(xiàn)如下：

在土柱進水邊界形成出流后，在試驗過程中變換土柱出水邊界水頭，測定不同時刻排水量并記錄測定時刻t；

步驟4，根據(jù)步驟2中記錄的總?cè)霛B水量及各點含水率繪制θ～η關(guān)系曲線，從該曲線可以算得總?cè)霛B水量，其值應(yīng)與實測入滲水量相當(dāng)，如果相差過大，則應(yīng)該檢查是否有計算錯誤，若差別不大，則可對θ～η曲線作局部的修正，使其盡量接近實測值；

步驟5，根據(jù)步驟4繪制的θ～η關(guān)系曲線，按一定的θ值分割θ～η曲線，用圖解分析法求D(θ)值，并繪制D(θ)～θ曲線；

步驟6，根據(jù)步驟3中的水平穿透過程對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，繪制關(guān)系曲線，根據(jù)其斜率，確定相應(yīng)非飽和含水率區(qū)間的擴散系數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其特征在于：對非飽和土壤進行水平滲吸過程測定，具體數(shù)據(jù)解析方法如下：

非飽和水平滲吸過程以土壤水分在水平半無限邊界均質(zhì)土柱中發(fā)生水平運動的情況下進行分析計算的；已知一維土壤水平運動微分方程為：

式中：θ是入滲時刻為t時與輸入端即進水邊界的水平距離為x處的土壤含水率，D(θ)為土壤擴散度；

對方程式(1)，采用Boltmann變換法，得：

式(2)反映D(θ_x)與θ_x的關(guān)系，θ_x為x處的含水率；通過水平土柱試驗，在某一時刻t，測定不同距離x處的含水率θ_x，即可繪制θ～η曲線，基于θ～η關(guān)系曲線，采用圖解法確定值后，采用公式(1)確定D(θ_x)～θ_x關(guān)系；其中，θ是與輸入端即進水邊界的水平距離為x處的土壤含水率；為了求解方程式(1)，采用Boltmann變換法，以一個新的變量即含x和t兩個分離變量代入方程使之變?yōu)槌Ｎ⒎址匠蹋辉O(shè)θ(x，t)＝f[η(x，t)]，而令η(x，t)＝xt^-1/2。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其特征在于：對非飽和土壤進行水平穿透過程測定，具體數(shù)據(jù)解析方法如下：

維持某一負(fù)壓水頭H₀達到穩(wěn)定后，瞬時加大負(fù)壓值即增加ΔH的負(fù)壓，然后測定試樣的出流過程，利用多步法中的解和所介紹的資料分析方法確定擴散系數(shù)，

h＝－H₀，t＝0，0≤x≤l (4)

其中，K為水力傳導(dǎo)度，D為擴散度，K_p為多孔板的導(dǎo)水率；ΔH為在開始時刻的瞬時變壓值；l為試樣的厚度；l_p為多孔板的厚度；h為土壤基質(zhì)勢；t為時間，x為水平方向坐標(biāo)；

式(3)為不考慮試樣的重力的土壤水運動方程，式(4)(5)(6)為定解條件；在這些定解條件下，得到：

式中，W_t和W_∞分別為t時刻的測定排水量和累積排水量，l為試樣的厚度，其中，K_p，l_p分別為多孔板的導(dǎo)水率和厚度，Rl＝a₁tga₁；a和a₁分別為a_n的零階和一階級數(shù)項，當(dāng)時可取級數(shù)的第一項，其誤差僅1％；其中i為級數(shù)，P_n為土壤水分運動方程進行拉普拉斯變化后的常數(shù)項，D為平均擴散度；當(dāng)Rl為定值時，則在半對數(shù)紙上呈直線關(guān)系，若直線與水平線夾角為β，其直線斜率為：

tanβ＝-0.4343a₁² (8)

因此，根據(jù)實測右側(cè)邊界的排水過程，據(jù)繪制關(guān)系曲線，根據(jù)其斜率，即可求得擴散度D值。