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

有效

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• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107421868B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設計）人: 王康;李立;張夢穎;余翠;龍凡
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖珍

本發(fā)明公開了一種基于完全非線性流動過程響應的非飽和土壤水分擴散度的測定方法，包括水平滲吸過程和水平穿透過程連續(xù)過程中測定擴散度試驗；通過監(jiān)測水平土柱中滲吸過程中總入滲水量及各水平位置含水率；未形成邊界出流前，繪制θ～η關系曲線并基于實測值進行修正；按一定的θ值分割θ～η曲線，用圖解分析法求D(θ)值；形成邊界出流后，由水平滲吸過程轉化為水平穿透過程，測定不同位置土壤基質勢以及右側邊界通量，確定擴散系數(shù)。本項發(fā)明解決現(xiàn)有測試方法測試原理中需要對非飽和水分擴散度D(θ)～θ非線性關系近似線性化、以及測量誤差控制的問題，信息明確直觀，且在該領域具有獨創(chuàng)性。

技術領域

本發(fā)明涉及土壤水分運動研究技術領域，特別是涉及一種非飽和土壤水分擴散度的測定方法。

背景技術

隨著社會的進步與經(jīng)濟的快速發(fā)展，有關水資源的矛盾和問題日益尖銳，進一步加大了經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展面臨水資源短缺的壓力，如何保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和水資源的有效利用率成為亟待解決的問題。研究土壤水分運動與綜合利用成為社會發(fā)展中的重要課題。土壤水分運動是一個復雜的過程，與灌溉方式、土壤條件和外界環(huán)境等眾多因素密切相關。土壤水分擴散度是土壤水分運動方程的重要參數(shù)，現(xiàn)有的土壤擴散度的測定方法可以歸納為2類。

第一類方法：

以土壤含水率θ為變量的土壤水分運動方程為：

其中，θ為土壤含水率，x和t分別為空間和時間坐標，D(θ)為土壤擴散度，K為水力傳導度。

現(xiàn)有的方法將方程(1)由二次偏微分方程變化為二次常微分方程后，獲得解析解。然后在解析解的對應的定解條件(邊界條件和初始條件)下進行測試，根據(jù)測試過程中各監(jiān)測點水分變化，基于解析解反演D(θ)。

第二類方法：

土壤擴散度D(θ)與土壤非飽和水力傳導度和單位含水率變化下的水勢變化之間的關系可以表示為：

其中，h為土壤基質勢，θ為土壤含水率，K(θ)為土壤非飽和水力傳導度，為單位含水率變化下的水勢變化。

基于這一性質，通過測定土壤水分特征曲線確定和非飽和水力傳導度K(θ)，根據(jù)(2)式確定D(θ)。

需要指出，對于第一類方法，由于解析解得求解需要，對于偏微分方程轉化為常微分過程中需要對(1)式的右側兩項分別進行線性化處理，也就是用兩個含水率之間的D(θ)的割線代替測點位置的切線，也就是說基于解析解測定的D(θ)實際上是一個含水率條件下的平均值，而不是與θ的直接對應值，盡管在D(θ)～θ關系接近線性關系時，并不會產(chǎn)生嚴重的誤差，然而，對于大部分土壤，特別是D(θ)～θ表現(xiàn)出顯著的非線性關系的土壤，誤差就非常顯著，而且，就測試理論而言，采用分段線性的方法近似D(θ)～θ這一非線性關系，是沒有辦法根本解決這一測試問題的。

對于第二類方法，由于無法實現(xiàn)同一含水率(或基質勢下)的土壤特征曲線和非飽和水力傳導度的同步測定。因此更多的情況下是根據(jù)擬合確定的土壤水分曲線和非飽和水力傳導度關系，在某一含水率情況下直接計算D(θ)，這樣D(θ)就受到土壤水分特征曲線測量誤差、非飽和水力傳導度測量誤差、和土壤水分特征曲線擬合誤差的影響，一些情況下(特比是土壤中粘粒含量超過30％)，誤差與D(θ)在同一個數(shù)量級。

此外，這兩種方法還存在一個共性問題，均不能實現(xiàn)非飽和含水率區(qū)間的完全覆蓋，其中的原因在于：在土壤含水率較小的情況下，土壤中水流運動主要在土壤固體顆粒的分子力的作用下發(fā)生移動，而隨著土壤含水率的增加，土壤毛管力的作用增強。由于作用力不同，土壤中非線性流動關系隨著土壤質地的變化差異性很大。現(xiàn)有的方法的含水率的測定范圍很難覆蓋整個非飽和含水率區(qū)間。

如上所述，一套完整的測定土壤水分擴散度的系統(tǒng)還沒有建立起來，無法為解決農(nóng)業(yè)水資源高效利用等問題提供科學支持。