一种用于测量土壤垂向饱和渗透系数的方法

摘要

本发明是一种用于测量土壤垂向饱和渗透系数的方法，属于水文测验领域，该方法使用单环、自记水位计、土壤含水量测定仪的设备测量，然后根据观测的单环水位变化过程，利用在Philip与Nestingen土壤水运动计算方法基础上，推导出的描述单环变水头入渗试验中水深变化过程的计算公式，采用最小二乘原理计算出土壤垂向饱和渗透系数。该方法可用于野外迅速准确的测定土壤垂向饱和渗透系数。该仪器需水量少，设备简易，操作简单，野外携带方便，并且测量时入渗单环的半径不受限制，可用于较大尺度测量土壤渗透系数。适用于水利行业、水文地质行业及农田水利行业用于测量土壤饱和渗透系数，易于推广使用。

主权项

1.一种用于测量土壤垂向饱和渗透系数的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)将单环(1)缓慢均匀插入土壤，记录单环(1)插入土壤的深度；(2)将土壤含水量测量仪(3)插入单环(1)内的土壤中，测量记录土壤初始含水量；(3)将自记水位计(2)放入单环(1)内，往单环(1)内注水，记录单环(1)水位变化，即时间序列{t_i}及单环内水深变化序列{H_i}；(4)在单环(1)中水入渗结束时，用土壤含水量测量仪(3)测定单环(1)内土壤含水量；(5)根据单环(1)变水头入渗试验中水深变化过程的计算原理，将单环(1)内水流入渗分为两个阶段，单环(1)中的一维入渗及出单环(1)后的三维入渗；单环(1)中一维入渗采用一维变水头Green-Ampt入渗模型计算：$t=\frac{\mathrm{\Delta \theta }}{K{(1-\mathrm{\Delta \theta })}^2}(\frac{H_0-h}{\mathrm{\Delta \theta }}\times (1-\mathrm{\Delta \theta })+(H_0+C)\times \ln \left(\frac{H_0+C}{H_0+C+(H_0-h)\times (1-\mathrm{\Delta \theta })/\mathrm{\Delta \theta }}\right)),H_0-h\le \mathrm{L\Delta \theta }---\left(1\right)$式中：Δθ为土壤缺水量；H₀为单环初始水深；C为土壤吸力；h为单环内水深；t为入渗时间；K为土壤垂向渗透系数；L为单环插入土壤深度；出单环(1)后的三维入渗包含两部分：重力引起的下渗土壤水以及单环水压力与土壤吸力引起的土壤水扩散，重力入渗水量等于渗透系数乘入渗时间，土壤水扩散采用Nestingen提出的球缺扩散模型计算。此时段单环水位变化计算公式为：$h=H_0-K(t-t_0)-\mathrm{L\Delta \theta }-\frac{{2R}^3+3L{R}^2-2r_0^3-3L{r}_0^2}{3r_1^2}\mathrm{\Delta \theta },H_0-h>\mathrm{L\Delta \theta }---\left(2\right)$式中：LΔθ为一维入渗水量；K(t-t₀)为重力引起的扩散水量，其中t₀为一维土壤水入渗结束时间，计算公式为：$t_0=\frac{\mathrm{\Delta \theta }}{K{(1-\mathrm{\Delta \theta })}^2}(L\times (1-\mathrm{\Delta \theta })+(H_0+C)\times \ln \left(\frac{H_0+C}{H_0+C+L\times (1-\mathrm{\Delta \theta })}\right))---\left(3\right)$为单环水压力与土壤吸力引起的土壤水扩散，其中r₁为单环半径，R为土壤水球缺扩散半径，r₀为初始球缺半径，R可通过求解如下微分方程获得：$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}=\frac{H_0+C-K(t-t_0)-\mathrm{L\Delta \theta }-\frac{2R^3+3L{R}^2-2r_0^3-3L{r}_0^2}{3r_1^2}\mathrm{\Delta \theta }}{(\frac{{\pi }^2}{8}\frac{r_0(L+r_0)}{L}\ln \left(\frac{R}{R+L}\frac{r_0+L}{r_0}\right)+L)\frac{2R(R+L)\mathrm{\Delta \theta }}{K{r}_1^2}}\\ {R|}_{t=t_0}=r_0\end{array}\right.---\left(4\right)$式中C为土壤吸力，计算公式为：$C=(\frac{{\pi }^2}{8}\frac{r_0(L+r_0)}{L}\ln \left(\frac{R}{R+L}\frac{r_0+L}{r_0}\right)+L)\left(\right|\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{Kdt}}|-1)-h---\left(5\right)$(6)整理试验数据，根据实测时间序列{t_i}及单环内水深变化序列{H_i}计算出入渗末期单环水位入渗率dH/dt|_end；然后假设土壤饱和渗透系数K，再联立求解下列方程组(6)、(7)和(8)，得出土壤吸力C：$C=(\frac{{\pi }^2}{8}\frac{r_0(L+r_0)}{L}\ln \left(\frac{R_{\mathrm{end}}}{R_{\mathrm{end}}+L}\frac{r_0+L}{r_0}\right)+L)({\left|\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{Kdt}}\right|}_{\mathrm{end}}-1)-H_{\mathrm{end}}---\left(6\right)$$H_{\mathrm{end}}=H_0-K(t_{\mathrm{end}}-t_0)-\mathrm{L\Delta \theta }-\frac{2R_{\mathrm{end}}^3+3L{R}_{\mathrm{end}}^2-2r_0^3-3L{r}_0^2}{3r_1^2}\mathrm{\Delta \theta }---\left(7\right)$$t_0=\frac{\mathrm{\Delta \theta }}{K{(1-\mathrm{\Delta \theta })}^2}(L\times (1-\mathrm{\Delta \theta })+(H_0+C)\times \ln \left(\frac{H_0+C}{H_0+C+L\times (1-\mathrm{\Delta \theta })}\right))---\left(8\right)$式中：H_end为入渗末期单环水位；t_end为入渗时间；R_end为入渗末期球缺扩散半径；然后再将渗透系数K、土壤吸力C及实测时间序列{t_i}代入式(1)求出一维入渗时单环内水深；再代入式(4)采用Adams-Bashforth-Moulton变阶法求解该微分方程，获得球缺扩散半径R，然后再将R代入(2)求出三维入渗时单环内水深。此时，求得的单环一维与三维入渗状态下单环内水深系列即为单环变水头入渗模型中实测时间序列{t_i}对应的单环内水深变化序列{h_i}，比较其与实测内水深序列{H_i}的差异调整K重新计算{h_i}，直到{h_i}与{H_i}的误差最小，此时的K即为土壤的饱和垂向渗透系数。