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一种测量 土壤 水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法

阅读：286发布：2020-05-17

专利汇可以提供一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，利用土壤蒸发过程中土壤剖面基质势等有关数据,借助反复迭代修正技术,同时求得土壤水分特征和非饱和水力传导度。包括以下步骤：装取原状土，充分饱和土柱后底部加封，并确保无漏水、渗水现象发生；根据土柱水分消耗的状况和张力计读数的变化情况每日观测1～2次，内容包括土柱重量及各张力计读数；当土柱测点基质势值超出张力计工作范围后，试验结束；在各张力计埋设点取土用称重法测定土壤含水率，并测定土柱干土重，供计算土柱含水量及时段蒸发量之用。本发明操作简易、方法清晰，为更加精准预报非饱和土壤水分运动，实现农业生产和生态的准确测量提供支持。，下面是一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，装取原状土，设置若干张力计；
步骤二，充分饱和土柱后底部加封；
步骤三，根据土柱水分消耗的状况和张力计读数的变化情况每日测量1～2次，测量内容包括土柱重量及各张力计读数；
步骤四，当土柱测点基质势值超出张力计工作范围后，测量结束；
步骤五，在各张力计埋设点取土，使用称重法测定土壤含水率，并测定土柱干土重，计算土柱含水量及时段蒸发量；
步骤六，采用对数转换的方法对van Genuchten方程进行线性化处理，将van Genuchten方程简化为线性回归式：y＝nx+β。
2.根据权利要求1所述的测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，其特征在于，非饱和水力传导度采用瞬时剖面法确定，根据步骤五所测的土柱各时段的蒸发强度，根据相应时段土壤含水率剖面数据,推求土柱不同断面的水流通量并写出差分形式，得到水力传导度关系式，将相应断面的水流通量计算值及水力梯度代入所得公式，求出相应土壤负压下的非饱和水力传导度。
3.根据权利要求1或2所述的测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，其特征在于，所述步骤六具体为，van Genuchten土壤水分特征曲线函数关系为：
其中，n为土壤水分特征曲线形状系数， α为进气含水率对应的负压
的倒数，通过试验求得；θr为残余含水率；θs为进气含水率；θ为计算时段土壤含水率；
m＝1-1/n情况下，van Genuchten方程中包含θs，θr，α和n四个参数，h为土壤基质势，根据实测数据对以上参数进行拟合求解，方程(1)可以写为：
θ＝θr+(θs-θr)/[1+(αh)n]m   (2)
对式(2)采用对数转换的方法进行线性化处理，令:
则式(3)被简化为：y＝nx+β   (4)
相应的实测点(θi,hi)按式(4)转化为(xi,yi)后，非线性拟合被简化成为线性回归，具体计算步骤包括：
步骤1，设定初始m值，0步骤2，令m1＝1-1/n，如果|m1-m|＞ε，ε为控制精度，相对误差小于1％，返回步骤1，否则计算完成。
4.根据权利要求2所述的测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，其特征在于，非饱和水力传导度采用瞬时剖面法确定，实测土柱各时段的蒸发强度，具体为，根据相应时段土壤含水率剖面资料，推求土柱不同断面的水流通量，t1和t2时刻土柱土壤z1–z1断面处水流通量为：
式中Et+1/2是t1到t2时段的平均土面蒸发强度，同理可以列出土柱任一时段任一断面水流通量的计算式，根据达西定律，得水流通量的计算式为：
写成差分的形式为：
qi＝-k{(hi-hi-1)/Δz-1}   (7)
得：k＝qi/{1+(hi-hi-1)/Δz}   (8)
k为土壤渗透系数，将相应断面的水流通量计算值及水力梯度代入式(8)，求出相应土壤负压下的水力传导度。
5.根据权利要求3或4所述的测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，其特征在于，θs通过实测土壤孔隙率获得，残余含水率θr根据土壤性质进行设定。

说明书全文

一种测量土壤 水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法

技术领域

[0001] 本发明属于农业土壤特性测量技术领域，尤其涉及一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法。

背景技术

[0002] 随着水资源和环境等问题的日渐突出，针对土壤中水分运动的研究已经成为重要的课题。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，土壤水分状况直接或间接影响土壤气、热河溶脂的状况，关系到农作物收货情况、土壤肥力以及土壤内部的物理、化学及生物过程，对农业生产和生态的准确测量和研究具有重要意义。

[0003] 求解土壤的水分特征曲线以及相应的饱和水力传导度可以为农业用水提供指导，使农业灌溉用水更加合理有效，提高水资源利用率。Van Genuchten模型以其线型与实测数据曲线拟合程度好而在求解土壤水分特征曲线问题上得到广泛应用，许多科学工作者都对其进行了进一步的研究并发展了一些用以确定Van Genuch参数的方法，尽管这些方法均得到了较好的拟合结果,但这些方法要么借助干土柱入渗试验,要么算法需要编程,或者借助于Matlab 软件,存在着耗时、费力和利用效率低等问题。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，操作简易、方法清晰，为更加精准预报非饱和土壤水分运动，实现农业生产和生态的准确测量提供支持。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，包括以下步骤，步骤一，装取原状土，设置若干张力计；

[0006] 步骤二，充分饱和土柱后底部加封；并确保无漏水、渗水现象发生，调节张力计使其处于正常的工作状态。

[0007] 步骤三，根据土柱水分消耗的状况和张力计读数的变化情况每日测量1～2次，测量内容包括土柱重量及各张力计读数；

[0008] 步骤四，当土柱测点基质势值超出张力计工作范围后，测量结束；

[0009] 步骤五，在各张力计埋设点取土，使用称重法测定土壤含水率，并测定土柱干土重，计算土柱含水量及时段蒸发量；

[0010] 步骤六，采用对数转换的方法对van Genuchten方程进行线性化处理，将vanGenuchten方程简化为线性回归式：y＝nx+β。

[0011] 按上述技术方案，非饱和水力传导度采用瞬时剖面法确定，根据步骤五所测的土柱各时段的蒸发强度，根据相应时段土壤含水率剖面数据,推求土柱不同断面的水流通量并写出差分形式，得到水力传导度关系式，将相应断面的水流通量计算值及水力梯度代入所得公式，求出相应土壤负压下的非饱和水力传导度。

[0012] 按上述技术方案，所述步骤六具体为，van Genuchten土壤水分特征曲线函数关系为：

[0013]

[0014] 其中，n为土壤水分特征曲线形状系数， α为进气含水率对应的3 3 3 3
负压的倒数(1/cm)，通过试验求得；θr为残余含水率(cm/cm)；θs为进气含水率(cm/cm)；θ为计算时段土壤含水率(cm3/cm3)；

[0015] m＝1-1/n情况下，van Genuchten方程中包含θs，θr，α和n四个参数，h为土壤基质势，根据实测数据对以上参数进行拟合求解，方程(1)可以写为：

[0016] θ＝θr+(θs-θr)/[1+(αh)n]m (2)

[0017] 对式(2)采用对数转换的方法进行线性化处理，令:

[0018]

[0019] 则式(3)被简化为：y＝nx+β (4)

[0020] 相应的实测点(θi,hi)按式(4)转化为(xi,yi)后，非线性拟合被简化成为线性回归，具体计算步骤包括：

[0021] 步骤1，设定初始m值，0

[0022] 步骤2，令m1＝1-1/n，如果|m1-m|＞ε，ε为控制精度，相对误差小于1％，返回步骤1，否则计算完成。

[0023] 按上述技术方案，非饱和水力传导度采用瞬时剖面法确定，实测土柱各时段的蒸发强度，具体为，根据相应时段土壤含水率剖面资料，推求土柱不同断面的水流通量，t1和t2时刻土柱土壤z1–z1断面处水流通量为：

[0024]

[0025] 式中Et+1/2是t1到t2时段的平均土面蒸发强度，同理可以列出土柱任一时段任一断面水流通量的计算式，根据达西定律，得水流通量的计算式为：

[0026]

[0027] 写成差分的形式为：

[0028] qi＝-k{(hi-hi-1)/Δz-1} (7)

[0029] 得：k＝qi/{1+(hi-hi-1)/Δz} (8)

[0030] k为土壤渗透系数，将相应断面的水流通量计算值及水力梯度代入式(8)，求出相应土壤负压下的水力传导度。

[0031] 按上述技术方案，θs通过实测土壤孔隙率获得，残余含水率θr根据土壤性质进行设定。

[0032] 本发明产生的有益效果是：一、实验装置简单易操作；二、对van Genuchten方程进行了变形及对数转换，使方程转化为线性问题，大大降低了求解难度；三、将达西定律写成差分形式简化了计算步骤。附图说明

[0033] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0034] 图1为本发明实施例中原状土土壤水分特征曲线、非饱和水力传导度测试装置；

[0035] 图2为本发明实施例中土壤含水率随时间变化曲线图；

[0036] 图3为本发明实施例中实例拟合土壤水分特征曲线图；

[0037] 图4为本发明实施例中实例拟合非饱和水力传导度曲线图。

具体实施方式

[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0039] 本发明实施例中，如图1、图2所示，提供一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法，包括以下步骤，步骤一，装取原状土，设置若干张力计；

[0040] 步骤二，充分饱和土柱后底部加封；并确保无漏水、渗水现象发生，调节张力计使其处于正常的工作状态。

[0041] 步骤三，根据土柱水分消耗的状况和张力计读数的变化情况每日测量1～2次，测量内容包括土柱重量及各张力计读数；

[0042] 步骤四，当土柱测点基质势值超出张力计工作范围后，测量结束；

[0043] 步骤五，在各张力计埋设点取土，使用称重法测定土壤含水率，并测定土柱干土重，计算土柱含水量及时段蒸发量；

[0044] 步骤六，采用对数转换的方法对van Genuchten方程进行线性化处理，将vanGenuchten方程简化为线性回归式：y＝nx+β。

[0045] 进一步地，非饱和水力传导度采用瞬时剖面法确定，根据步骤五所测的土柱各时段的蒸发强度，根据相应时段土壤含水率剖面数据,推求土柱不同断面的水流通量并写出差分形式，得到水力传导度关系式，将相应断面的水流通量计算值及水力梯度代入所得公式，求出相应土壤负压下的非饱和水力传导度。

[0046] 进一步地，所述步骤六具体为，van Genuchten土壤水分特征曲线函数关系为：

[0047]

[0048] 其中，n为土壤水分特征曲线形状系数， α为进气含水率对应的负压的倒数(1/cm)，通过试验求得；θr为残余含水率(cm3/cm3)；θs为进气含水率(cm3/cm3)；θ为计算时段土壤含水率(cm3/cm3)；

[0049] m＝1-1/n情况下，van Genuchten方程中包含θs，θr，α和n四个参数，h为土壤基质势，根据实测数据对以上参数进行拟合求解，方程(1)可以写为：

[0050] θ＝θr+(θs-θr)/[1+(αh)n]m (2)

[0051] 对式(2)采用对数转换的方法进行线性化处理，令:

[0052]

[0053] 则式(3)被简化为：y＝nx+β (4)

[0054] 相应的实测点(θi,hi)按式(4)转化为(xi,yi)后，非线性拟合被简化成为线性回归，具体计算步骤包括：

[0055] 步骤1，设定初始m值，0

[0056] 步骤2，令m1＝1-1/n，如果|m1-m|＞ε，ε为控制精度，相对误差小于1％，返回步骤1，否则计算完成。

[0057] 进一步地，非饱和水力传导度采用瞬时剖面法确定，实测土柱各时段的蒸发强度，具体为，根据相应时段土壤含水率剖面资料，推求土柱不同断面的水流通量，t1和t2时刻土柱土壤z1–z1断面处水流通量为：

[0058]

[0059] 式中Et+1/2是t1到t2时段的平均土面蒸发强度，同理可以列出土柱任一时段任一断面水流通量的计算式，根据达西定律，得水流通量的计算式为：

[0060]

[0061] 写成差分的形式为：

[0062] qi＝-k{(hi-hi-1)/Δz-1} (7)

[0063] 得：k＝qi/{1+(hi-hi-1)/Δz} (8)

[0064] k为土壤渗透系数，将相应断面的水流通量计算值及水力梯度代入式(8)，求出相应土壤负压下的水力传导度。

[0065] 进一步地，θs通过实测土壤孔隙率获得，残余含水率θr根据土壤性质进行设定。

[0066] 本发明的一个具体实施例中，取北京市水科所永乐店试验站原状土(砂壤)来进行实验来详细阐述本发明的方案，具体包括以下步骤：

[0067] 步骤1：将取得的原状土装入图1所示的实验装置内，土柱长取25cm；

[0068] 步骤2：对土柱进行全剖面充分饱和后，将土柱底部加封；

[0069] 步骤3：分别在1.5、6.5、11.5、16.5、21.5cm处(均自土柱顶部算起的距离)装设张力计，观测记录各时刻土柱含水量及测点负压值；

[0070] 步骤4：采用式(3)：

[0071] xi＝1nhi

[0072] yi＝1n{[(θs-θr)/(θ-θr)]1/m-1}

[0073] β＝n1nα

[0074] 将相应的实测点(θi,hi)按式(3)转化为(xi,yi)后，非线性拟合被简化成为简单的线性回归，计算步骤如下：

[0075] (1)假定初始m值(0

[0076] (2)令m1＝1-1/n，如果|m1-m|＞ε(ε为事先确定用于控制精度的参数)返回步骤1，否则计算完成。θs和θr需要事先确定，θs为饱和体积含水率，可通过实测土壤孔隙率获得。残余含水率θr可根据土壤性质进行估计。

[0077] 步骤5：根据记录的土柱干重，计算出试验过程中实测土柱各时段的蒸发强度，采用式(5)的原理可以列出土柱任一时段任一断面水流通量的计算式，再根据式(8)即可求出相应土壤负压下的水力传导度。图3、图4分别为本实例拟合土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度曲线图。

[0078] 本实例通过对原状土(砂壤)进行取样，记录不同时刻下的土壤含水率以及张力计读数，运用反复迭代修正技术求解土壤水分特征曲线，同时利用记录的土柱干土柱重量求解土壤非饱和水利传导度。该方法物理概念明确，计算方法简单，易于操作，实验结果直观，在该领域具有独创性。

[0079] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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