專利名稱：一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤物理學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法。
背景技術(shù)：
濕潤鋒吸力W是Green-Ampt入滲模型的重要參數(shù)，用來表示濕潤鋒以下干土層 對(duì)濕潤區(qū)內(nèi)水分的吸力。1911年Green和Ampt根據(jù)毛管理論提出了一維垂直積水入滲模 型。由于該模型計(jì)算簡單，并且又有一定的物理基礎(chǔ)，因此長期以來一直廣泛應(yīng)用于入滲問 題的研究，同時(shí)國內(nèi)外眾多研究人員就該模型的適用條件與范圍、主要參數(shù)的確定、理論的 近似解以及存在誤差的原因等問題進(jìn)行了多方面的研究與完善，從而使Green-Ampt入滲 模型不斷得到了新的補(bǔ)充與發(fā)展。 土壤濕潤鋒吸力是土壤重要的物理參數(shù)之一。它是估計(jì)土壤非飽和導(dǎo)水率，計(jì)算 土壤剖面中水的通量和設(shè)計(jì)灌溉、排水系統(tǒng)工程的一個(gè)重要土壤參數(shù)。同時(shí)，有關(guān)土壤參數(shù) 的獲取和掌握對(duì)于了解和治理土壤水和地表水污染也是非常重要的。因此，迅速和準(zhǔn)確地 測(cè)定濕潤鋒吸力具有十分重要的意義。土壤濕潤鋒吸力可在田間測(cè)定，也可采取土樣在室 內(nèi)測(cè)定。由于從田間獲取的土樣不可避免地遭到一定程度的擾動(dòng)，從這些擾動(dòng)的土芯得到 的濕潤鋒吸力并不能準(zhǔn)確地代表田間的真實(shí)情況，因而在田間進(jìn)行原位入滲試驗(yàn)來測(cè)量是 最合理的一種方式。 目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種測(cè)量土壤濕潤鋒吸力的方法，諸如單環(huán)入滲儀、 Guelph入滲儀、張力盤式入滲、Philip-Dunne入滲儀等。上述測(cè)量方式中，以Philip-Dunne 入滲儀構(gòu)造最為簡單，因該方法用水量最少、測(cè)量時(shí)間較短、設(shè)備價(jià)格低廉而非產(chǎn)適宜于野 外大面積的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量，特別適合于運(yùn)輸不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)的土壤參數(shù)測(cè)量工 作。1993年由JohnPhilip基于Green-Ampt基本假設(shè)提出了 Philip-Dunne入滲方法，在 降水頭多維入滲過程中利用少量水便可快速測(cè)定濕潤鋒吸力W。為推廣Philip-Dunne 入滲方法的運(yùn)用，De Haro做了 Philip-D皿ne入滲測(cè)量濕潤鋒吸力W靈敏度分析， M皿oz-Carpena對(duì)比Philip-Dunne入滲和常水頭井滲透，通過測(cè)量土壤體積、土壤各向異 性和滲透形狀的差異對(duì)計(jì)算方法做了改進(jìn)，得到Philip-Dunne入滲的參數(shù)計(jì)算公式
= (l + 一)l。g(4^T)-^1。g(^V-肌tan(， 2 ，(廣""，)① 2a crJ—/0J2a a —p a 2a'+ a(/ +1) + 2/ r = ^~;/7 = —;fl3 -5-2_d + 1 公式①是土壤濕潤鋒吸力的隱式方程，求解十分復(fù)雜，并且需要測(cè)量入滲前后土 壤的體積含水率變化值，從而為該方法的推廣應(yīng)用造成了一定的技術(shù)障礙。不考慮入滲前 后土壤含水率的變動(dòng)，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析理論，分析Philip-Dunne入滲過程的入滲時(shí)間數(shù) 據(jù)的特征參數(shù)與土壤濕潤鋒吸力的關(guān)系，利用入滲時(shí)間的偏度、峰度和變異系數(shù)來推求土 壤濕潤鋒吸力的方法至今未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述已有技術(shù)的不足，而提供一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方 法，主要解決了現(xiàn)有方法需要測(cè)量入滲前后土壤體積含水率的變動(dòng)以及計(jì)算過程冗長、復(fù) 雜的問題。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，其特 殊之處在于包括以下步驟 (1)在待測(cè)區(qū)域選定的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行Philip-Dunne入滲試驗(yàn)，從入滲開始記錄入滲 過程中Philip-Dunne入滲儀內(nèi)特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，并測(cè)量每個(gè)測(cè)試點(diǎn)入 滲前后的土壤含水率； (2)利用M皿oz-Carpena公式結(jié)合第(1)步所測(cè)的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)入滲前后的土壤含 水率及特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的土壤濕潤鋒吸力；
(3)利用第(1)步所測(cè)特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)入 滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，結(jié)合第(2)步計(jì)算出的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的土壤濕潤鋒吸力，建立 土壤濕潤鋒吸力和入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)之間的定量關(guān)系； (4)在待測(cè)區(qū)未測(cè)位置處進(jìn)行Philip-Dunne入滲試驗(yàn)，只需觀測(cè)入滲過程中 Phi 1 ip-Dunne入滲儀內(nèi)特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，并求出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的入滲時(shí)間 數(shù)據(jù)的特征參數(shù)； (5)把第(4)步求得的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)代入第(3)步獲得的土壤濕潤鋒 吸力和入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)之間的定量關(guān)系，估算出未測(cè)位置的土壤濕潤鋒吸力。
本發(fā)明的一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，其所述的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)指 入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的偏度、峰度和變異系數(shù)。 所述的入滲時(shí)間是指從入滲開始計(jì)時(shí)Philip-Dunne入滲儀內(nèi)特定水位對(duì)應(yīng)的入 滲累積時(shí)間。 所述的特定水位必須包括中間水位及最低水位，并且所有試驗(yàn)點(diǎn)觀測(cè)記錄的特定 水位是一致的。 本發(fā)明的一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，可用于野外利用Philip-Dunne入滲 儀測(cè)定土壤濕潤鋒吸力參數(shù)的場(chǎng)合。對(duì)于Philip-Dunne入滲，建立了一個(gè)土壤濕潤鋒吸力 W與入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)值的定量關(guān)系，二者之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系，該關(guān)系的一般 形式為 W = a eb's ; ② 式中W (cm)為濕潤鋒吸力，e " 2. 71828為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，s為Philip-Dunne 入滲過程中入滲時(shí)間的特征參數(shù)值，a、b為擬合的系數(shù)。根據(jù)具體情況土壤濕潤鋒吸力與 入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)值的定量關(guān)系也可采用其它類型的函數(shù)關(guān)系，不僅僅局限于指數(shù) 函數(shù)形式。 本發(fā)明的一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法與已有技術(shù)相比具有突出的實(shí)質(zhì)性特 點(diǎn)和顯著進(jìn)步1、利用Philip-Dunne入滲方法測(cè)量土壤濕潤鋒吸力時(shí)不需要測(cè)量入滲前 后的土壤含水率數(shù)據(jù)，減少了測(cè)量環(huán)節(jié)，節(jié)約了測(cè)量時(shí)間和相應(yīng)設(shè)備投入，極大提高了測(cè)量 效率；2、所提出的估算方法形式簡單計(jì)算方便易于應(yīng)用，有效減少了計(jì)算時(shí)長，極大提高了計(jì)算效率。


圖1是本發(fā)明的計(jì)算流程圖。
具體實(shí)施例方式
為了更好的理解與實(shí)施，下面結(jié)合附圖給出具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明一種測(cè)算 土壤濕潤鋒吸力的方法。 實(shí)施例1 :第一步，首先測(cè)得土壤濕潤鋒吸力參數(shù)W和對(duì)應(yīng)的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的 特征參數(shù)值的定量關(guān)系。在待測(cè)區(qū)域的若干測(cè)試點(diǎn)利用Philip-Dunne入滲方法，采用 Philip-Dunne入滲儀，即一根直徑為5cm左右和長度35cm左右(但要長于30cm)的透明 塑料直管，將Phi 1 ip-Du皿e入滲儀插入土壤地表以下10cm左右的深度處，并將管內(nèi)的土壤 取出，在室外對(duì)需要測(cè)量土壤濕潤鋒吸力的田塊進(jìn)行多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的降水頭多維入滲實(shí)驗(yàn)。 Philip-Dunne入滲儀的初始水頭保持為30cm，實(shí)驗(yàn)前后用TDR土壤水分速測(cè)系統(tǒng)或其他方 法，測(cè)定實(shí)驗(yàn)開始前的土壤體積含水率的初始值9 。和水分全部入滲后對(duì)應(yīng)的土壤含水率 值9 s，實(shí)驗(yàn)過程中用秒表或其他計(jì)時(shí)工具記錄Philip-Dunne入滲儀中的水位在不同位置 對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間，從水位開始下降時(shí)開始計(jì)時(shí)，水位每變化5cm觀測(cè)一次時(shí)間，直到水 全部入滲停止計(jì)時(shí)。根據(jù)測(cè)定的土壤含水率及不同水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，利用公 式①計(jì)算各試驗(yàn)點(diǎn)的土壤濕潤鋒吸力參數(shù)W。對(duì)不同水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)序列， 利用EXCEL等常用數(shù)據(jù)分析軟件可十分方便、快捷地計(jì)算出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)累積入滲時(shí)間序列 數(shù)據(jù)的偏度、峰度和變異系數(shù)等特征參數(shù)值。對(duì)所有測(cè)試點(diǎn)上的土壤濕潤鋒吸力參數(shù)和對(duì) 應(yīng)的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)值進(jìn)行分析，通過回歸分析擬合出濕潤鋒吸力與入滲時(shí)間的 特征參數(shù)的關(guān)系，并做顯著性檢驗(yàn)，要求二者顯著相關(guān)。對(duì)粘土、壤土和砂土等多種土壤質(zhì) 地條件下的研究結(jié)果表明(見表1， 2， 3) ， 土壤濕潤鋒吸力參數(shù)W和對(duì)應(yīng)的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的 特征參數(shù)值均存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即公式②，二者在0. 001置信水平上顯著相關(guān)，表明本方 法能夠用于土壤濕潤鋒吸力參數(shù)的測(cè)算。 表1濕潤鋒吸力和入滲時(shí)間偏度之間指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果
土壤質(zhì)地類型樣本數(shù)目_^_^_決定系數(shù)R2
壤土 555.1744 -3.4237 0.9275
砂土 505.2695 -3.5618 0.卯58
粘土 556.7268 -3.3412 0.9754 表2濕潤鋒吸力和入滲時(shí)間峰度之間指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果
土壤質(zhì)地類型樣本數(shù)目_^_^_決定系數(shù)R2
壤土 550.2943 -1.0116 0.898
砂土 500.3215 -1.5978 0.9245
粘土 550.3025 - 1.2147 0.9456 表3濕潤鋒吸力和入滲時(shí)間變異系數(shù)之間指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果樣本數(shù)目a6決定系數(shù)R2
壤土55553.71-9.60330.9669
砂土50528.69-10.58720.9358
粘土55657.28-8.38640.9534 第二步，利用土壤濕潤鋒吸力參數(shù)W和對(duì)應(yīng)的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)值的定 量關(guān)系方程，利用Philip-Dunne入滲儀測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)算濕潤鋒吸力。對(duì)于尚未進(jìn)行測(cè)量的 其他位置的土壤進(jìn)行Philip-Dunne入滲試驗(yàn)，將Philip-Dunne入滲儀插入土壤地表以下 lOcm左右的深度處，并將管內(nèi)的土壤取出，Philip-Dunne入滲儀的初始水頭保持為30cm， 實(shí)驗(yàn)過程中用秒表或其他計(jì)時(shí)工具記錄Philip-Dunne入滲儀中的水位在不同位置對(duì)應(yīng)的 累積入滲時(shí)間，從水位開始下降時(shí)開始計(jì)時(shí)，水位每變化5cm觀測(cè)一次時(shí)間。利用計(jì)算器或 者EXCELL等常用軟件可十分方便地計(jì)算出累計(jì)入滲時(shí)間序列數(shù)據(jù)的特征參數(shù)值，把得到 的每個(gè)測(cè)點(diǎn)的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)值分別帶入第一步的得到的土壤濕潤鋒吸力參數(shù) W和對(duì)應(yīng)的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)值的定量關(guān)系方程②，即可估算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的土 壤濕潤鋒吸力值。
權(quán)利要求
一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在待測(cè)區(qū)域選定的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行Philip-Dunne入滲試驗(yàn)，從入滲開始記錄入滲過程中Philip-Dunne入滲儀內(nèi)特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，并測(cè)量每個(gè)測(cè)試點(diǎn)入滲前后的土壤含水率；(2)利用Muuoz-Carpena公式結(jié)合第(1)步所測(cè)的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)入滲前后的土壤含水率及特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的土壤濕潤鋒吸力；(3)利用第(1)步所測(cè)特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，結(jié)合第(2)步計(jì)算出的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的土壤濕潤鋒吸力，建立土壤濕潤鋒吸力和入滲時(shí)間的數(shù)據(jù)特征參數(shù)之間的定量關(guān)系；(4)在待測(cè)區(qū)未測(cè)位置處進(jìn)行Philip-Dunne入滲試驗(yàn)，觀測(cè)入滲過程中Philip-Dunne入滲儀內(nèi)特定水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間數(shù)據(jù)，并求出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)；(5)把第(4)步求得的入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)代入第(3)步獲得的土壤濕潤鋒吸力和入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)之間的定量關(guān)系，估算出相應(yīng)的土壤濕潤鋒吸力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，其特征在于所述的入滲時(shí) 間數(shù)據(jù)的特征參數(shù)指入滲時(shí)間數(shù)據(jù)的偏度、峰度和變異系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，其特征在于所述的入滲時(shí) 間是指從入滲開始計(jì)時(shí)的Philip-Dunne入滲儀內(nèi)特定水位對(duì)應(yīng)的入滲累積時(shí)間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，其特征在于所述的特 定水位包括中間水位及最低水位，并且對(duì)不同測(cè)點(diǎn)所觀測(cè)記錄的特定水位是完全一致的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種測(cè)算土壤濕潤鋒吸力的方法，該方法是在對(duì)粘土、壤土和砂土等三種土壤質(zhì)地條件下Philip-Dunne入滲數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，建立了土壤濕潤鋒吸力與入滲時(shí)間數(shù)據(jù)特征參數(shù)(偏度、峰度和變異系數(shù))之間的定量關(guān)系，利用該方法測(cè)算土壤濕潤鋒吸力時(shí)不需要考慮入滲前后土壤的含水率變動(dòng)，只需觀測(cè)Philip-Dunne入滲儀內(nèi)不同水位對(duì)應(yīng)的累積入滲時(shí)間，因而簡化了土壤濕潤鋒吸力的計(jì)算過程并提高了測(cè)量效率。
文檔編號(hào)G01N13/00GK101738356SQ20101001146
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者任尚崗, 何福紅, 張振華, 楊潤亞, 潘英華 申請(qǐng)人:魯東大學(xué)