[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

本發明公開了一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，包括實驗土壤，實驗土壤負壓測量傳感器；負壓邊界控制裝置，包括設置在所述實驗土壤下方的真空氣室、設置在所述真空氣室頂端的陶瓷接觸膜，所述負壓氣室真空度可進行調節，所述陶瓷接觸膜連接實驗土壤與真空氣室用于由真空氣室向土壤進行負壓傳遞。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(狄利克雷邊界)或二類邊界條件(紐曼邊界)，基于埋設在邊界層的土壤負壓傳感器所測量的土壤負壓，以及邊界層設定通量，基于步驟一所確定的真空氣室負壓?邊界通量?土壤負壓函數關系，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。

技術領域

本發明屬于土壤水邊界條件控制技術領域，尤其涉及一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法。

背景技術

蒸滲儀、以及包括了土壤滲流實驗在內的坡面流動實驗系統等大型土壤水運動實驗系統，不可避免的需要通過設定邊界以截斷土壤，而邊界條件變化對于土壤水流動產生了顯著性的影響，不同的邊界(如滲出面邊界、重力排水邊界和低滲透阻水邊界)所測定的通量和過程都表現出顯著的區別。邊界條件控制是大型土壤水運動實驗系統開展原位模擬實驗和控制實驗尚未解決的核心問題之一。

目前解決邊界控制問題通用的方法是擴大土壤水運動實驗系統的尺度，例如采用大埋深(超過4m)的實驗系統，盡管這種方法一定程度上降低了邊界條件對于測量結果的影響，然而相應的實驗系統的尺寸就非常大，對土壤水分運動及其伴隨和伴生過程的監測亦提出了非常高的要求。更為重要的是在機理上并未根本解決這一問題。

此外，大型土壤水運動實驗系統通常邊界條件設定為不透水邊界或者正壓邊界。非飽和土壤水運動分有界和無界兩種情況，邊界為飽和土層(地下水)或不透水隔層者為有界非飽和土壤水運動；當非飽和區無限深(或地下水埋深相當大)而又不研究非飽和帶土壤水向地下水的補給(或地下水向包氣帶的補給)時，往往側重于研究在一定深度范圍內土壤水運動及其伴生和伴生過程，對于這種無界土壤水運動問題，實驗區域需要選定在某一定深度的土層范圍內，這種情況下邊界更主要的是負壓邊界。而目前所有的大型土壤水實驗裝置均無法滿足開展控制負壓邊界實驗的需求。

發明內容

針對背景技術存在的問題，本發明提供一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，建立了通過氣室真空負壓控制實現大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制的方法，解決了大型土壤水運動實驗可靠性提升的關鍵理論和技術問題。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，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。

本發明還提供一種大型土壤水運動實驗系統負壓邊界控制方法，利用上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，包括如下步驟：

S1.通過陶瓷接觸膜的參數率定，建立真空氣室負壓-土壤負壓-土壤水通量關系；

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；