第6章 土壤水分运动参数的测算

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此方法可以从0至 此方法可以从 至 15bar 一条 完整的特征曲线, 完整的特征曲线,需要很长时 间才能完成。 间才能完成。
注意事项: 注意事项:
(1)室内温度不要浮动太大; 室内温度不要浮动太大; 室内温度不要浮动太大 (2)在夏天测定时要防止土样内 在夏天测定时要防止土样内 混入的草籽发芽。 混入的草籽发芽。 压力膜仪测定原理示意
6.1.3压力板法 6.1.3压力板法
通过细管的水停止流动后,土水势达到平衡。取细 管内水势为0,容器内只有空气压力势和土壤基质势,所 以ψ a +ψ m = 0,由此得 ψ m = −ψ a = −∆p, ∆p 为压力表读数。
压力膜实验装置示意图
6.1 土壤水分特征曲线的测定
6.1.3压力板法 6.1.3压力板法
b. 稳定蒸发法
负 土 压 柱 计 陶土板 滤 料
稳定蒸发法试验装置示意图
土柱表层维持某一蒸发条件( ),下部保持一定的 土柱表层维持某一蒸发条件(ε ),下部保持一定的 水位,当补给水分通量q与蒸发速率 相等时, 水位,当补给水分通量 与蒸发速率ε 相等时,土柱各深 基本保持不变, 度z处含水率θ(或基质势ψm)基本保持不变,有(z向上 处含水率 向上 为正): 为正):
第六章
土壤水分运动参数的测 定与计算
土壤水分运移参数包括: ψ 土壤水分运移参数包括 : C(ψm), K(ψm) or ψ K(θ),D(θ) θ, θ 土壤含水率的测定方法——称重法(土钻 称重法( • 土壤含水率的测定方法 称重法 中子法、 射线法、 法)、中子法、γ 射线法、TDR…… 负压测定方法——负压计(水柱型、水银 负压计( • 负压测定方法 负压计 水柱型、 柱型、真空表型、数字型……) 柱型、真空表型、数字型 )
此时的下渗通量即为相应含水率θ 此时的下渗通量即为相应含水率θ(或基质势ψm) 的非饱和导水率K( )(或 ( ))。变化马氏瓶的 的非饱和导水率 (θ)(或K(ψm))。变化马氏瓶的 高度,即可得到不同含水率θ 高度,即可得到不同含水率θ(或基质势ψm )的K(θ) ( ))值 (或K( ψm ))值。 (
这样,可将 θ ~ λ 图划分成条状,然后列表 计算或编制程序由计算机计算。
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
1-1截面 截面
25
1-2截面 截面
2-2截面 截面
两层土壤的达西定律 层状土壤的达西定律
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
先考虑两层土壤的情况。取土柱底部截面为参照平 面,向上为正。
土柱顶部1−1截面: z1 =L +L 1 2
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
水平土柱吸渗法是测定土壤水扩散率 D (θ ) 的非稳定流方法,最早是由Bruse Klute提出的 Bruse和 提出的。 的非稳定流方法,最早是由Bruse和Klute提出的。 该法是利用一个半无限长水平土柱的吸渗试 验资料,结合解析法求得的计算公式, 验资料,结合解析法求得的计算公式,最后计算 出土壤水扩散率 D (θ )。
水平土柱试验槽
6.2.2测定方法 6.2.2测定方法
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
• 有了试验时间和该时刻的土柱含水率分布,用 式可计算出不同值对应的值,将其点绘在坐标 纸上。 θ 并将
−1 D (θ ) = ∫ λ dθ 2 ( dθ / d λ ) θa
改写为
1 ∆λ θ D (θ ) = − ∑ λ∆θ 2 ∆θ θa
p =b 1
H =L +L +b 1 1 2
对两层土壤交界处截面1−2: z1−2 =L p−2 =p−2 H−2 =L +p−2 2 1 1 1 2 1 对土柱底部 2−2截面: z2 =0
p2 =0
H =0 2
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
由于水流已达到稳定状态,所以各层水流 通量相等。对1-1和1-2、1-2和2-2分别写达西方 程,得:

B
以上两式中: 为进气值; 为拟合参数 为拟合参数; 以上两式中:ψ s 为进气值;b为拟合参数;B = 2b + 2 + p; ; p为经验常数;Childs取p = 0;Jackson及Campbell取p = 1; 为经验常数; 为经验常数 取 ; 及 取 ; Ghosh[1976]取p = 1 - 0.5b。 取 。
6.1 土壤水分特征曲线的测定
6.1.1负压计法
负压计法测定土壤水分特征曲线, 负压计法测定土壤水分特征曲线,即用负压计测定 土壤水基质势,用烘干法测定相应的含水率, 土壤水基质势,用烘干法测定相应的含水率,由此建立 基质势与土壤含水率之间的对应关系。 基质势与土壤含水率之间的对应关系。
负 压 计
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.1测定原理 6.2.1测定原理
均质一维水平土壤中水分运动的定解问题可描述为 半无限): (半无限):
∂θ ∂ ∂θ ∂t = ∂x D(θ ) ∂x θ ( x,0) = θ i θ (0, t ) = θ s θ (∞, t ) = θ i

d − = 2 dθ
η
dθ D(θ ) dη
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.1测定原理 6.2.1测定原理
积分, 对上式自θ i 至θ 积分,得
1 θ dθ − ∫ ηdθ = D(θ ) 2 θi dη

∫θ ηdθ 1 D(θ ) = −
2 dθ
i
θ
∂ψ m q = ε = − K (ψ m ) + 1 ∂z
测得不同深度z处的基质势 测得不同深度 处的基质势ψm(或含水率θ)值,以差分 代替微分, 代替微分,即得
x≥0 t>0 t>0
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.1测定原理 6.2.1测定原理
η ( x, t ) = xt −1 / 2),原定解问题变为: 采用Boltzmann变换( 变换( ),原定解问题变为 原定解问题变为: 采用 变换
η dθ d dθ = − D(θ ) dη 2 dη dη η→∞ θ = θ i θ = θ η=0 s

由不同的x, 由不同的 t ⇒ η ⇒ θ ~η ⇒ D(θ )
6.2 水平土柱法测定非饱和土壤水 扩散率
6.2.2测定方法 6.2.2测定方法
为了使土柱进水端的含水率保持不变, 为了使土柱进水端的含水率保持不变,进水端水室可 采用马利奥特(Mariote)瓶供水装置。 采用马利奥特(Mariote)瓶供水装置。这种装置能自动 补水,使供水水位保持不变,并能测量出补水量。 补水,使供水水位保持不变,并能测量出补水量。在试验 结束时,从湿润锋开始迅速取土,测出土柱的含水率分布。 结束时,从湿润锋开始迅速取土,测出土柱的含水率分布。
b. Campbell公式(Campbell [1974]): 公式( 公式 ) 当将水分特征曲线拟合成
θ ψm =ψ s θ s

−b
的形式时, 推导出K的表达式如下 的形式时,Campbell推导出 的表达式如下: 推导出 的表达式如下:
θ K (θ ) = K s θ s
所以当已知水分特征曲线且测定出水分扩散率D时 所以当已知水分特征曲线且测定出水分扩散率 时,即 可得到K( 的测定与计算见前一节 的测定与计算见前一节。 可得到 (D的测定与计算见前一节。)
6.4.2 直接法测定与计算非饱和导水率 直接法测定与计算非饱和导水率K (1)室内测定与计算 ) a. 稳定入渗法
θi Ki = Ks θ s

p
∑ (2 j + 1 − 2i)ψ
j =1
m
−2 mj −2
∑ (2 j − 1)ψ
j =1
m
mj
式中: 为饱和含水率; 为水分特征曲线 式中:θ s 为饱和含水率;i为水分特征曲线θ ~ψm对应的 );m为实测点总数 为实测点总数; 某一点(实测点)编号( 某一点(实测点)编号(θ i,ψmi); 为实测点总数;j 为求和下标; 为经验系数 为经验系数, 为求和下标;p为经验系数,0.74≤p≤1.24,Jackson建议取 , 建议取 p = 1。 。
6.1 土壤水分特征曲线的测定
6.1.2悬挂水柱法 6.1.2悬挂水柱法
这个方法常用于测定低吸力 低吸力 范围内的土壤水分特征曲 范围内 线。 此方法的优点 优点是可以用原状 优点 土样测定,用原状土样测 原状土样测 定,可以保持土样孔隙不
低吸力下的悬挂水柱法
被破坏。
6.1 土壤水分特征曲线的测定
c. van Genuchten公式(van Genuchten [1980]) 公式( 公式 )
θ = θr +
[1 + (α ψ ) ]
m
θ s −θr
n m
式中: 为残留含水率; n为拟合参数 为拟合参数。 式中:θr为残留含水率;α, m, n为拟合参数。 若令m 的表达式如下: 若令 = 1 - 1/n,则可推导出 的表达式如下: ,则可推导出K的表达式如下
N
层土柱, 对 N 层土柱, RH = ∑ j=1 Kj 由此, Jw =− 由此,
N
源自文库
Lj
∆H ∆H 为了与达西定律相对应,上式可改写为: =− N ,为了与达西定律相对应,上式可改写为: Lj RH ∑K j=1 j
j
∑L
Jw = −
j =1 N j =1
∑ K ∑L
j j =1
Lj

∆H
N j
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
L1 + b − p1− 2 J w = − K1 L1
L2 + p1− 2 J w = −K2 L2
L1 + L2 + b ∆H 由上两式得: J w = − L / K + L / K = − L / K + L / K 1 1 2 2 1 1 2 2
6.3 层状饱和土壤导水率的计算
L L 对两层土柱, 对两层土柱, RH = 1 + 1 K1 K2
1 − (α ψ )n −1 1 + (α ψ m m K = Ks n m/2 1 + (α ψ m )
[
[
]
)]
n −m

2
(2)通过水分特征曲线与水分扩散率的测定计算 )通过水分特征曲线与水分扩散率的测定计算K 由于
dθ C (θ ) = dψ m
K (θ ) = C (θ ) ⋅ D(θ )
∑L
定义 K eff =
N j =1 N j
∑K
j =1
Lj
j
, K eff
称为多层土壤的有效导水率。
由此,对多层土壤,类似达西定律的形式为:
J w = − K eff ⋅
∆H
∑L
j =1
N
j
6.4 非饱和导水率的测定与计算
6.4.1 间接法计算非饱和导水率 (1)通过水分特征曲线计算非饱和导水率 ) a. Jackson [1972]公式 公式
马氏瓶
稳 定 入 渗 法 试 验 装 置 示 意 图
水室 陶土板 负 压 土 计 柱
h
w
土柱上部入渗达到稳定状态时, 土柱上部入渗达到稳定状态时,上部含水率θ(或基质 将保持为某一定值, 势ψm)将保持为某一定值,此时有

∂ψ m ∂θ = 0, or =0 ∂z ∂z ∂ψ m q = − K (ψ m ) − 1 = K (ψ m ) ∂z
第六章
土壤水分运动参数的测 定与计算
6.1 土壤水分特征曲线测定 6.2 水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率 6.3 层状饱和土壤导水率的计算 6.4 非饱和土壤导水率的测定
第六章
土壤水分运动参数的测 定与计算
土壤水分运动的求解应包括: 土壤水分运动的求解应包括: • 过程的概化 – 模型的建立; 模型的建立; 计算方法的选用; • 模型的求解 – 计算方法的选用; 各参数的准确测定与计算。 • 各参数的准确测定与计算。
稳定入渗法原理明了,装置简单,测试方便, 稳定入渗法原理明了,装置简单,测试方便, 但入渗达到稳定常需要较长的时间, 但入渗达到稳定常需要较长的时间,且只能对吸湿 过程进行测定。 过程进行测定。 注意事项主要有:土柱应足够高, 注意事项主要有:土柱应足够高,使得入渗水 分基本无法达到土柱底部( 分基本无法达到土柱底部(即土柱底部含水率维持 初始含水量不变) 初始含水量不变);一定要耐心等待入渗达到稳定 状态。 状态。
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