一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法

摘要

本发明提供一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法，该方法是在对对粘土、壤土和砂土等三种土壤质地条件下Philip-Dunne入渗数据分析的基础上，建立了土壤饱和导水率与入渗时间数据的特征参数(偏度、峰度和变异系数)的定量关系，利用该方法测算土壤饱和导水率时不需要考虑入渗前后土壤的含水率变动，只需观测Philip-Dunne入渗仪内不同水位对应的累积入渗时间，因而简化了饱和导水率的计算过程并提高了测量效率。

说明书

技术领域：

本发明涉及土壤物理学领域，特别涉及一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法。

背景技术：

土壤的饱和导水率k_s是土壤被水饱和时，单位水势梯度下，单位时间内通过单位面积的水量。土壤饱和导水率是土壤重要的物理性质之一。它是估计土壤非饱和导水率，计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要土壤参数。同时，有关土壤水分传导参数的获取和掌握对于了解和治理土壤水和地表水污染也是非常重要的。因此，迅速和准确地测定饱和导水率具有十分重要的意义。土壤饱和导水率的大小，决定于土壤的性质和水的黏度，所以土壤的质地、结构、孔隙状况、盐分含量、温度、有机质含量以及土地利用方式等因素均可对其产生影响。土壤饱和导水率可在田间测定，也可采取土样在室内测定。由于获取土样过程对土样不可避免地施加一定程度的扰动，从这些扰动的土样得到的水分传导参数并不能准确地代表田间的真实情况，因而在田间进行现场入渗试验的结果更加可靠。

目前，国内外学者提出了多种测量土壤饱和导水率的方法及其计算模型，诸如单环入渗仪、双环入渗仪、Guelph入渗仪、张力盘式入渗仪、Philip-Dunne入渗仪、压力入渗仪等。上述测量方式中，以Philip-Dunne入渗仪构造最为简单，只需要一根一定直径(一般5cm左右)和一定长度(一般30cm左右)透明的塑料直管。与其它测量方法相比较，Philip-Dunne入渗方法测量饱和导水率时用水量最少且测量时间较短，再加上该设备成本低廉而非常适宜于野外大面积的饱和导水率测量，特别适合于运输不便的偏远地区土壤参数测量工作。1993年John Philip基于Green-Ampt模型基本假设提出了Philip-Dunne入渗方法，在降水头多维入渗过程中利用少量水便可快速测定饱和导水率k_s和Green-Ampt模型中的湿润锋吸力Ψ。为推广Philip-Dunne入渗方法的运用，De Haro做了饱和导水率k_s的灵敏度分析，Muuoz-Carpena对比了Philip-Dunne入渗和常水头井渗透，并对计算方法做了改进，得到Philip-Dunne入渗的参数计算公式：

上式中：$\tau =\frac{{8K}_{S}t}{{\pi }^2{r}_0};$$\rho =\frac{R}{r_0};$

公式①对土壤饱和导水率而言是隐式方程，求解过程十分复杂，并且需要测量入渗前后土壤体积含水率的变动。不考虑入渗前后土壤含水率的变动，基于数据统计分析理论，分析Philip-Dunne入渗过程的入渗时间数据的特征参数值与土壤饱和导水率的关系，利用入渗时间的偏度、峰度和变异系数来推求土壤饱和导水率的方法至今未见报道。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法，主要解决了现有方法需要测量入渗前后土壤体积含水率的变动以及计算过程冗长、复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法，其特殊之处在于包括以下步骤：

(1)在待测区域选定的测试点进行Philip-Dunne入渗试验，从入渗开始记录入渗过程中Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的累积入渗时间数据，并测量每个测试点入渗前后的土壤含水率；

(2)利用Muuoz-Carpena公式结合第(1)步所测的每个测试点入渗前后的土壤含水率及特定水位对应的累积入渗时间数据，计算出每个测试点的土壤饱和导水率；

(3)利用第(1)步所测特定水位对应的累积入渗时间数据，计算出每个测试点入渗时间数据的特征参数，结合第(2)步计算出的每个测试点对应的土壤饱和导水率，建立土壤饱和导水率和入渗时间数据的特征参数之间的经验关系；

(4)在待测区未测位置处进行Philip-Dunne入渗试验，只需观测入渗过程中Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的累积入渗时间数据，并求出每个测试点的入渗时间数据的特征参数；

(5)把第(4)步求得的入渗时间数据的特征参数代入第(3)步获得的土壤饱和导水率和入渗时间数据的特征参数之间的经验关系，估算出未测位置的土壤饱和导水率。

本发明的一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法，其所述的入渗时间数据的特征参数指入渗时间数据的偏度、峰度和变异系数。

所述的入渗时间是指从入渗开始计时Philip-Dunne入渗仪内特定水位对应的入渗累积时间。

所述的特定水位必须包括中间水位及最低水位，并且所有的特定水位是一致的。

本发明的一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法，可用于野外利用Philip-Dunne入渗仪测定土壤饱和导水率参数的场合。对于Philip-Dunne入渗，建立了一个土壤饱和导水率k_s与入渗时间数据的特征参数值的定量关系，二者之间存在指数函数关系，该关系的一般形式为：

k_s＝a·e^b·s；             ②

式中k_s(cm/min)为饱和导水率，e≈2.71828为自然对数的底数，s为Philip-Dunne入渗过程中入渗时间的特征参数值，a、b为拟合的系数。根据具体情况也可采用其它函数关系。

本发明的一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1、利用Philip-Dunne入渗方法测量土壤饱和导水率时不需要测量入渗前后的土壤含水率数据，减少了测量环节，节约了测量时间和相应设备投入，极大提高了测量效率；2、所提出的估算方法形式简单计算方便易于应用，有效减少了计算时长，极大提高了计算效率。

附图说明：

图1是本发明的计算流程图。

具体实施方式：

为了更好的理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本发明一种基于入渗时间特征参数的土壤饱和导水率测算方法。

实施例1：第一步，首先测得土壤饱和导水率参数k_s和对应的入渗时间数据的特征参数值的定量关系。在待测区域的若干测试点利用Philip-Dunne入渗方法，采用Philip-Dunne入渗仪，即一根直径为5cm左右和长度35cm左右(但要长于30cm)的透明塑料直管，将Philip-Dunne入渗仪插入土壤地表以下10cm左右的深度处，并将管内的土壤取出，在室外对需要测量土壤饱和导水率的田块进行多个试验点的降水头多维入渗实验。Philip-Dunne入渗仪的初始水头保持为30cm，实验前后用TDR土壤水分速测系统或其他方法，测定实验开始前的土壤体积含水率的初始值θ₀和水分全部入渗后对应的土壤含水率值θ_s，实验过程中用秒表或其他计时工具记录Philip-Dunne入渗仪中的水位在不同位置对应的累积入渗时间，从水位开始下降时开始计时，水位每变化5cm观测一次时间，直到水全部入渗停止计时。根据测定的土壤含水率及不同水位对应的累积入渗时间数据，利用公式①计算各试验点的土壤饱和导水率参数k_s。对不同水位对应的累积入渗时间数据序列，利用EXCELL等常用数据分析软件可十分方便、快捷地计算出每个测试点累积入渗时间序列数据的偏度、峰度和变异系数等特征参数值。对所有测试点上的土壤饱和导水率参数k_s和对应的入渗时间数据的特征参数值进行分析，通过回归分析拟合出入渗参数k_s与入渗时间数据的特征参数值的关系，并做显著性检验，要求二者显著相关。对粘土、壤土和砂土等多种土壤质地条件下的研究结果表明(见表1，2，3)，土壤饱和导水率参数k_s和对应的入渗时间数据的特征参数值均存在指数函数关系，即公式②，二者在0.001置信水平上显著相关，表明本方法能够用于土壤饱和导水率参数k_s的测算。

表1饱和导水率和入渗时间偏度之间指数函数拟合结果

表2饱和导水率和入渗时间峰度之间指数函数拟合结果

表3饱和导水率和入渗时间变异系数之间指数函数拟合结果

第二步，利用土壤饱和导水率参数k_s和对应的入渗时间数据的特征参数值的定量关系方程，利用Philip-Dunne入渗仪测量数据测算饱和导水率。对于尚未进行测量的其他位置的土壤进行Philip-Dunne入渗试验，将Philip-Dunne入渗仪插入土壤地表以下10cm左右的深度处，并将管内的土壤取出，Philip-Dunne入渗仪的初始水头保持为30cm，实验过程中用秒表或其他计时工具记录Philip-Dunne入渗仪中的水位在不同位置对应的累积入渗时间，从水位开始下降时开始计时，水位每变化5cm观测一次时间。利用计算器或者EXCELL等常用软件可十分方便地计算出累计入渗时间序列数据的特征参数值，把得到的每个测点的入渗时间数据的特征参数值分别带入第一步的得到的土壤饱和导水率参数k_s和对应的入渗时间数据的特征参数值的定量关系方程②，即可估算出每个测点对应的未测位置的土壤饱和导水率值。