[發明專利]大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法

有效

• 申請號: 202011031105.5
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112161897B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 王康;李立;劉濤;李余隆
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N13/04
• 分類號: G01N13/04;F04B37/14
• 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: 黃靖

1.一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，其特征在于，包括控制裝置和利用所述的控制裝置開展原位模擬實驗和控制邊界模擬土壤水運動實驗條件下負壓邊界的控制方法，所述控制裝置包括：

實驗土體，其用于開展大型土壤水運動系統原位模擬土壤水流動實驗；

實驗土體負壓測量傳感器，其埋設在實驗土體邊界位置用于測量實驗土體邊界位置處的負壓；

負壓邊界控制裝置，其用于實現原位土壤負壓邊界還原，包括設置在所述實驗土體下方的真空氣室、設置在所述真空氣室頂端的陶瓷接觸膜，所述真空氣室真空度可進行調節，所述陶瓷接觸膜連接實驗土體與真空氣室用于由真空氣室向土壤進行負壓傳遞；

所述控制方法具體包括如下步驟：

S1.通過率定陶瓷接觸膜的陶瓷膜體層的滲透系數K_p和一階系數a₁參數，建立真空氣室負壓-土壤負壓-邊界水流通量關系；

S2.通過在原位土壤邊界位置埋設的原位土壤負壓測量傳感器，測量原位邊界位置的負壓；

S3.根據步驟S2中原位土壤邊界位置處的負壓測量結果，采用步驟S1所確定的真空氣室負壓-土壤負壓-邊界水流通量函數關系，通過調節真空氣室負壓使得實驗系統邊界位置的實驗土體負壓與原位下邊界土壤負壓一致；

S4.實驗過程中，通過原位土壤邊界位置埋設的原位土壤負壓測量傳感器連續測量原位土壤邊界負壓變化，通過步驟S3對模擬實驗邊界進行動態調控，滿足模擬實驗邊界條件與原位條件一致；

S5.收集和排出從土壤邊界進入真空氣室的水體；

S6.在控制邊界模擬土壤水運動實驗條件下，對于第一類邊界條件即狄利克雷邊界或二類邊界條件即紐曼邊界，基于埋設實驗土體邊界層的實驗土體負壓測量傳感器所測量的土壤負壓，以及邊界層設定通量，基于步驟S1所確定的真空氣室負壓-土壤負壓-邊界水流通量函數關系，在整個實驗期通過控制和調節真空氣室負壓實現一類或二類邊界條件控制。

2.根據權力要求1所述的一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，其特征在于，所述的原位模擬實驗和控制邊界實驗條件下，實現負壓邊界調控所建立的陶瓷接觸膜進行負壓傳遞條件下的真空氣室負壓～土壤負壓～邊界水流通量關系為：

其中，t為時間維度，Q為在實驗土體-陶瓷接觸膜-真空氣室中連續流動的邊界水流通量，Δh為實驗土體負壓和真空氣室負壓差；其中R反映陶瓷接觸膜的相對滲透性，K(h)為土壤水力傳導度，非飽和條件下為水勢h的函數，K_p，l_p分別為陶瓷接觸膜的滲透系數即單位負壓梯度下的水流通量和厚度；B為負壓調控邊界面面積，a₁為一階系數，D為土壤水擴散度。

3.根據權力要求2所述的一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，其特征在于，所述步驟S1中，其具體為通過控制真空氣室形成不同的負壓，測量對應的實驗土體邊界負壓和通量的方法進行參數率定，即第二類邊界條件控制根據邊界設定的通量Q，和通過埋設在實驗土體負壓測量傳感器所測定的實驗土體負壓，確定真空氣室負壓，并進行調控，在整個實驗期間實現邊界恒定通量控制，根據測試結果擬合陶瓷接觸膜滲透系數K_p和一階系數a₁。

4.根據權力要求1所述的一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，其特征在于，在實驗土體為粘性土壤條件下，應采用基于土壤真空度電偶感應為測量原理的實驗土體負壓測量傳感器。

5.根據權利要求1所述的一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，其特征在于：所述真空氣室中陶瓷接觸膜下方依次設有翻斗式流量測量裝置和土壤水收集瓶，其用于收集所述實驗土體中土壤水，所述真空氣室內設有真空氣室負壓測量傳感器用于測量所述真空氣室內的負壓，真空氣室側壁設有連接所述真空氣室與真空泵的連接裝置，通過真空泵調控真空氣室內真空度實現氣室負壓的調控，所述真空泵與負壓控制調節器連接。