基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法，包括水平渗吸过程和水平穿透过程连续过程中测定扩散度试验；通过监测水平土柱中渗吸过程中总入渗水量及各水平位置含水率；未形成边界出流前，绘制θ～η关系曲线并基于实测值进行修正；按一定的θ值分割θ～η曲线，用图解分析法求D(θ)值；形成边界出流后，由水平渗吸过程转化为水平穿透过程，测定不同位置土壤基质势以及右侧边界通量，确定扩散系数。本项发明专利技术解决现有测试方法测试原理中需要对非饱和水分扩散度D(θ)～θ非线性关系近似线性化、以及测量误差控制的问题，信息明确直观，且在该领域具有独创性。

Determination of water diffusivity of unsaturated soil based on the response of complete nonlinear flow process

The invention discloses a method for the determination of the fully nonlinear flow process based on response of unsaturated soil water diffusivity, including the level of infiltration process and the level of penetration in the process of continuous determination of diffusion test; by monitoring the horizontal soil column in the imbibition process the total infiltration water content and the rate of horizontal position has not formed the boundary; flow, draw the curve and ETA theta ~ based on the measured value is corrected; according to a certain value of theta theta ETA ~ segmentation curve for D with graphical analysis method (0); formation boundary flow, by the imbibition process into the level of penetration process, determination of soil matric potential and different position right boundary flux, diffusion coefficient determined. The invention solves the problem of approximate linearization of the nonlinear relationship between the unsaturated water diffusivity D (theta) to theta and the measurement error control in the existing testing method. The information is clear and intuitive, and has originality in this field.

【技术实现步骤摘要】
基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法
本专利技术涉及土壤水分运动研究
，特别是涉及一种非饱和土壤水分扩散度的测定方法。
技术介绍
随着社会的进步与经济的快速发展，有关水资源的矛盾和问题日益尖锐，进一步加大了经济社会可持续发展面临水资源短缺的压力，如何保持农业的可持续发展和水资源的有效利用率成为亟待解决的问题。研究土壤水分运动与综合利用成为社会发展中的重要课题。土壤水分运动是一个复杂的过程，与灌溉方式、土壤条件和外界环境等众多因素密切相关。土壤水分扩散度是土壤水分运动方程的重要参数，现有的土壤扩散度的测定方法可以归纳为2类。第一类方法：以土壤含水率θ为变量的土壤水分运动方程为：其中，θ为土壤含水率，x和t分别为空间和时间坐标，D(θ)为土壤扩散度，K为水力传导度。现有的方法将方程(1)由二次偏微分方程变化为二次常微分方程后，获得解析解。然后在解析解的对应的定解条件(边界条件和初始条件)下进行测试，根据测试过程中各监测点水分变化，基于解析解反演D(θ)。第二类方法：土壤扩散度D(θ)与土壤非饱和水力传导度和单位含水率变化下的水势变化之间的关系可以表示为：其中，h为土壤基质势，θ为土壤含水率，K(θ)为土壤非饱和水力传导度，为单位含水率变化下的水势变化。基于这一性质，通过测定土壤水分特征曲线确定和非饱和水力传导度K(θ)，根据(2)式确定D(θ)。需要指出，对于第一类方法，由于解析解得求解需要，对于偏微分方程转化为常微分过程中需要对(1)式的右侧两项分别进行线性化处理，也就是用两个含水率之间的D(θ)的割线代替测点位置的切线，也就是说基于解析解测定的D(θ)实际上是一个含水率条件下的平均值，而不是与θ的直接对应值，尽管在D(θ)～θ关系接近线性关系时，并不会产生严重的误差，然而，对于大部分土壤，特别是D(θ)～θ表现出显著的非线性关系的土壤，误差就非常显著，而且，就测试理论而言，采用分段线性的方法近似D(θ)～θ这一非线性关系，是没有办法根本解决这一测试问题的。对于第二类方法，由于无法实现同一含水率(或基质势下)的土壤特征曲线和非饱和水力传导度的同步测定。因此更多的情况下是根据拟合确定的土壤水分曲线和非饱和水力传导度关系，在某一含水率情况下直接计算D(θ)，这样D(θ)就受到土壤水分特征曲线测量误差、非饱和水力传导度测量误差、和土壤水分特征曲线拟合误差的影响，一些情况下(特比是土壤中粘粒含量超过30％)，误差与D(θ)在同一个数量级。此外，这两种方法还存在一个共性问题，均不能实现非饱和含水率区间的完全覆盖，其中的原因在于：在土壤含水率较小的情况下，土壤中水流运动主要在土壤固体颗粒的分子力的作用下发生移动，而随着土壤含水率的增加，土壤毛管力的作用增强。由于作用力不同，土壤中非线性流动关系随着土壤质地的变化差异性很大。现有的方法的含水率的测定范围很难覆盖整个非饱和含水率区间。如上所述，一套完整的测定土壤水分扩散度的系统还没有建立起来，无法为解决农业水资源高效利用等问题提供科学支持。
技术实现思路
基于现有的方法存在的问题，本专利技术提出一种基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法，在测试方法和解析方法上实现D(θ)～θ非线性关系的直接测定。相比现有的方法，本专利技术的先进性在于所提出的测试机理能够充分的反应D(θ)的物理性质，解决传统的方法对土壤非饱和流动这种非线性过程进行线性化处理这一重大测试机理问题。本专利技术方法是一种基于水平非饱和渗吸过程和水平穿透过程连续测定的土壤非饱和水分扩散度的新技术，为更加精准地研究非饱和土壤水分运动、实现农业水资源的高效利用提供支持。本专利技术所提供的技术方案具体如下：一种基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法，通过水平渗吸过程测定和水平穿透过程测定，实现覆盖整个非饱和含水率范围的非饱和土壤扩散度测定，包括以下步骤：步骤1，准备水平土柱试验装置，该水平土柱试验装置包括依次连通的供水平水装置、水室、水平土柱、渗出通量测定装置，供水平水装置用于控制土柱的作用水头，水平土柱由左至均匀分隔成若干节子土柱，每节子土柱内布置土壤含水率及基质势测定传感器，各传感器与数据采集器连接；所述供水平水装置用于在控制水头高度不变的情况下，对实验土样进行供水；步骤2，对非饱和土壤进行水平渗吸过程测定，具体实现如下：①制备土样及装填土柱，准备好足够的试样，要求试样风干含水量；②准备土柱，将试样按一定容重装填土柱，然后将土柱水平放置，并安装于水平土柱试验装置中；③根据测试水头高度要求对供水平水装置进行水位设定；计时并记下供水平水装置初始水位读数；④经过一定时间，且湿润锋面未达土柱末端之前，结束试验，此时停止供平水装置对土柱的供水，记录整个试验的历时，总入渗水量和各点含水率；形成边界出流后，由水平渗吸过程转化为水平穿透过程；步骤3，对非饱和土壤进行水平穿透过程测定，具体实现如下：在土柱进水边界形成出流后，在试验过程中变换土柱出水边界水头，测定不同时刻t时刻的排水量；步骤4，根据步骤2中记录的总入渗水量及各点含水率绘制θ～η关系曲线，从该曲线可以算得总入渗水量，其值应与实测入渗水量相当，如果相差过大，则应该检查是否有计算错误，若差别不大，则可对θ～η曲线作局部的修正，使其尽量接近实测值；步骤5，根据步骤4绘制的θ～η关系曲线，按一定的θ值分割θ～η曲线，用图解分析法求D(θ)值，并绘制D(θ)～θ曲线；步骤6，根据步骤3中的水平穿透过程对应的试验数据，绘制关系曲线，根据其斜率，确定相应非饱和含水率区间的扩散系数。上述测定方法中，对非饱和土壤进行水平渗吸过程测定，具体数据解析方法如下：非饱和水平渗吸过程以土壤水分在水平半无限边界均质土柱中发生水平运动的情况下进行分析计算的；已知一维土壤水平运动微分方程为：式中：θ是入渗时刻为t时与输入端即进水边界的水平距离为x处的土壤含水率，D(θ)为土壤扩散度；对方程式(1)，采用Boltmann变换法，得：式(2)反映D(θx)与θx的关系，θx为x处的含水率；通过水平土柱试验，在某一时刻t，测定不同距离x处的含水率θx，即可绘制θ～η曲线，基于θ～η关系曲线，采用图解法确定值后，采用公式(1)确定D(θx)～θx关系；其中，θ是与输入端即进水边界的水平距离为x处的土壤含水率；为了求解方程式(1)，采用Boltmann变换法，以一个新的变量即含x和t两个分离变量代入方程使之变为常微分方程；设θ(x，t)＝f[η(x，t)]，而令η(x，t)＝xt-1/2。上述测定方法中，对非饱和土壤进行水平穿透过程测定，具体数据解析方法如下：维持某一负压水头H0达到稳定后，瞬时加大负压值即增加ΔH的负压，然后测定试样的出流过程，利用多步法中的解和所介绍的资料分析方法确定扩散系数，h＝－H0，t＝0，0≤x≤l(4)其中，K为水力传导度，D为扩散度，Kp为多孔板的导水率；△H为在开始时刻的瞬时变压值；l为试样的厚度；lp为多孔板的厚度；h为土壤基质势；t为时间，x为水平方向坐标；式(3)为不考虑试样的重力的土壤水运动方程，式(4)(5)(6)为定解条件；在这些定解条件下，得到：式中，Wt和W∞分别为t时刻的测定排水量和累积排水量，l为试样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法，其特征在于，通过水平渗吸过程测定和水平穿透过程测定，实现覆盖整个非饱和含水率范围的非饱和土壤扩散度测定，包括以下步骤：步骤1，准备水平土柱试验装置，该水平土柱试验装置包括依次连通的供水平水装置、水室、水平土柱、渗出通量测定装置，供水平水装置用于控制土柱的作用水头，水平土柱由左至均匀分隔成若干节子土柱，每节子土柱内布置土壤含水率及基质势测定传感器，各传感器与数据采集器连接；步骤2，对非饱和土壤进行水平渗吸过程测定，具体实现如下：①制备土样及装填土柱，准备好足够的试样，要求试样风干含水量；②准备土柱，将试样按一定容重装填土柱，然后将土柱水平放置，并安装于水平土柱试验装置中；③根据测试水头高度要求对供水平水装置进行水位设定；计时并记下供水平水装置初始水位读数；④经过一定时间，且湿润锋面未达土柱末端之前，结束试验，此时停止供平水装置对土柱的供水，记录整个试验的历时，总入渗水量和各点含水率；形成边界出流后，由水平渗吸过程转化为水平穿透过程；步骤3，对非饱和土壤进行水平穿透过程测定，具体实现如下：在土柱进水边界形成出流后，在试验过程中变换土柱出水边界水头，测定不同时刻t时刻的排水量；步骤4，根据步骤2中记录的总入渗水量及各点含水率绘制θ～η关系曲线，从该曲线可以算得总入渗水量，其值应与实测入渗水量相当，如果相差过大，则应该检查是否有计算错误，若差别不大，则可对θ～η曲线作局部的修正，使其尽量接近实测值；步骤5，根据步骤4绘制的θ～η关系曲线，按一定的θ值分割θ～η曲线，用图解分析法求D(θ)值，并绘制D(θ)～θ曲线；步骤6，根据步骤3中的水平穿透过程对应的试验数据，绘制...

【技术特征摘要】
1.一种基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法，其特征在于，通过水平渗吸过程测定和水平穿透过程测定，实现覆盖整个非饱和含水率范围的非饱和土壤扩散度测定，包括以下步骤：步骤1，准备水平土柱试验装置，该水平土柱试验装置包括依次连通的供水平水装置、水室、水平土柱、渗出通量测定装置，供水平水装置用于控制土柱的作用水头，水平土柱由左至均匀分隔成若干节子土柱，每节子土柱内布置土壤含水率及基质势测定传感器，各传感器与数据采集器连接；步骤2，对非饱和土壤进行水平渗吸过程测定，具体实现如下：①制备土样及装填土柱，准备好足够的试样，要求试样风干含水量；②准备土柱，将试样按一定容重装填土柱，然后将土柱水平放置，并安装于水平土柱试验装置中；③根据测试水头高度要求对供水平水装置进行水位设定；计时并记下供水平水装置初始水位读数；④经过一定时间，且湿润锋面未达土柱末端之前，结束试验，此时停止供平水装置对土柱的供水，记录整个试验的历时，总入渗水量和各点含水率；形成边界出流后，由水平渗吸过程转化为水平穿透过程；步骤3，对非饱和土壤进行水平穿透过程测定，具体实现如下：在土柱进水边界形成出流后，在试验过程中变换土柱出水边界水头，测定不同时刻t时刻的排水量；步骤4，根据步骤2中记录的总入渗水量及各点含水率绘制θ～η关系曲线，从该曲线可以算得总入渗水量，其值应与实测入渗水量相当，如果相差过大，则应该检查是否有计算错误，若差别不大，则可对θ～η曲线作局部的修正，使其尽量接近实测值；步骤5，根据步骤4绘制的θ～η关系曲线，按一定的θ值分割θ～η曲线，用图解分析法求D(θ)值，并绘制D(θ)～θ曲线；步骤6，根据步骤3中的水平穿透过程对应的试验数据，绘制关系曲线，根据其斜率，确定相应非饱和含水率区间的扩散系数。2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：对非饱和土壤进行水平渗吸过程测定，具体数据解析方法如下：非饱和水平渗吸过程以土壤水分在水平半无限边界均质土柱中发生水平运动的情况下进行分析计算的；已知一维土壤水平运动微分方程为：式中：θ是入渗时刻为t时与输入端即进水边界的水平距离为x处的土壤含水率，D(θ)为土壤扩散度；对方程式(1)，采用Boltmann变换法，得：

【专利技术属性】
技术研发人员：王康，李立，张梦颖，余翠，龙凡，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42