CN101266237B - 一种圆盘式非饱和土壤水分扩散仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆盘式非饱和土壤水分扩散仪，由水分供给器和土壤水分扩散圆盘组成，水分供给器用于给圆盘中土样提供水分，该水分供给器是一个有机玻璃管，有机玻璃管上有进水口和出水口，进水口位于有机玻璃管顶部，出水口位于有机玻璃管的侧壁下端，出水口处配有旋转阀门；水分供给器根据马氏瓶原理提供具有恒定水头的水源，通过橡胶管与土壤水分扩散圆盘连接，土壤水分扩散圆盘由三个同心圆组成，由内到外可分为水室、滤层和样品放置区，各部分之间的圆环侧壁上布满筛状的小孔，可以使水分自由通过。该圆盘式非饱和土壤水分扩散仪可以同时测定多个样品，测定结果与传统方法(水平土柱扩散法)具有一致性。

Description

一种圆盘式非饱和土壤水分扩散仪

技术领域

本发明属于土壤学、土力学和水土保持学研究领域，涉及土壤非饱和水分扩散率的测定方法和装置，特别涉及一种可同时测定多个土壤的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪。

背景技术

世界陆地面积的40％都处于干旱半干旱地区，水资源短缺制约着这些地区的工农业发展，并引发许多生态问题。土壤水分不仅提供植物生长所需水分，还担当着运输各种营养元素的载体，它对于植被生态***的构建、演替起着关键性作用，因此揭示土壤水分运动特征和合理调控土壤水分状况是农业生产、生态环境建设的基础。

土壤水分运动有饱和运动和非饱和运动两种，且都服从达西定律，但非饱和土壤水分具有自己独特的运移规律，而对于干旱半干旱地区更具有研究意义。所以国内外学者就非饱和土壤水分运动进行了大量的研究，并逐步由简单的试验研究发展为利用数学模型来模拟预测。而数学模拟的准确性直接取决于所涉及的水力参数的可靠性和精确度。非饱和土壤水分运动所涉及的水力参数主要是土壤水分特征曲线、非饱和导水率和扩散率。近年来土壤非饱和扩散率参数的获得受到广泛关注，其中较常用的水平入渗法是bruce和klute(1956)在Boltzmann变换基础上通过测定土壤含水量随土柱的变化分布列表计算出来的。1968年Cassel等提出了一种根据一定时间内水分再分布过程中土壤含水量的分布情况来求土壤的水分扩散率，这种方法需要测定土壤含水量随时间的分布，同时要求强大量的数据计算和实验时间。Clothier等(1983)利用Philip解析法提出一个描述土壤水分分布的拟合函 数，这样不需要获得水分分布曲线斜率就可以计算出土壤的水分扩散率，使方法简单化。然而Clothier等拟合函数并不是对每种土壤都适用。Shao和Horton(1996)利用广义相似理论代替Boltzmann变换来估算水分的水平入渗和再分布过程，进而推求出土壤非饱和扩散率。以上方法在实际操作和计算过程中都存在费时、费力、推算过程复杂等缺点。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，根据柱坐标系中土壤水分运动基本方程提供一种可以同时测定多个土壤样品的圆盘式非饱和土壤水分扩散率测定仪，该测定仪可以同时测定6个土壤样品的非饱和扩散率，既能够提高试验效率又精简了大量的数学计算过程。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种圆盘式非饱和土壤水分扩散仪，其特征在于，该仪器由水分供给器和土壤水分扩散圆盘组成，其中：

水分供给器，用于给圆盘中土样提供水分，该水分供给器是一个有机玻璃管，有机玻璃管上有进水口和出水口，进水口位于有机玻璃管顶部，出水口位于有机玻璃管的侧壁下端，出水口处配有旋转阀门；

土壤水分扩散圆盘，用于放置被测土壤样品，该土壤水分扩散圆盘由3个同心圆环组成，中心的同心圆环与水分供给器相连，为测试土样提供具有恒定水头的水源，中心的同心圆环外层的两个同心圆环等分成六个区，其中中间的同心圆环用于安装过滤介质，最外层的同心圆环放置测试土样。

本发明的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪具备以下功能：

1)同时测定多个土壤样品的扩散率，较传统水平土柱扩散仪提高工作效率6倍；

2)土壤样品可设置重复，提高测定精度；

3)进水端面积小，单位时间进水量少，便于土壤在非饱和条件下充分扩散。

附图说明

图1是本发明的装置剖面结构示意图；

图2是土壤水分扩散圆盘立体示意图；

图3是实验结束时三种土样土壤含水量在径向上的分布图；

图4是三种土样θ和λ的关系图；

以下结合附图和装置的工作原理和过程对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

参见图1，本发明的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪由水分供给器和土壤水分扩散圆盘两部分组成，其中：

水分供给器，采用有机玻璃管，利用马氏瓶原理用于给土壤圆盘提供具有恒定水头的水源，用于给圆盘中土样提供水分，该供给器为可以装水的有机玻璃管1，有机玻璃管1的顶部有一进水口，有机玻璃管1的侧壁下端有一出水口，出水口处配有旋转阀门，用来控制通水和停水，应用马氏瓶原理维持恒定的水头；

土壤扩散圆盘2的高度为12cm，由3个同心圆组成，三个同心圆的半径分别为5cm、10cm、60cm。中心同心圆环3底部中央的圆心处有一个进水口通过橡胶管与水分供给器的出水口相连接，为土壤水分扩散圆盘提供具有恒定水头的水源；中心同心圆以外的两个同心圆环被等分成六个区，外圈同心圆环用于装测试土样；中间同心圆环用于装砂子等过滤介质，起到滤层的作用，中间同心圆环和中间同心圆环的壁4上分布着透水而不透砂粒的筛状小孔，使恒定水头的水分流经滤层进入外圈同心圆环的测试土样。土壤水分扩散圆盘的外壁和六个分区隔板上标有刻度，便于计算装土量和实验期间湿润峰位移的观测和取样位置的确定。

实验时，将水分供给器1的进水口密封，仅通过中间细管与大气连通， 出水口阀门打开进行供水，出水口和土壤水分扩散圆盘底部进水口之间用橡胶管连接。

土壤扩散圆盘外圈圆环放置的测试土样，要求容重一定、密度均一、厚度≤10cm，设置重复时，同质地的土壤对角填装；中间圆环装砂子等(从水源到测试土样处颗粒逐渐变细)过滤介质起滤层的作用。土壤扩散圆盘的外壁和六个分区隔板上标有刻度，便于均匀装土、湿润峰位移的观测和取样位置的确定。

圆盘式非饱和土壤水分扩散仪的原理为：

在柱坐标系中，非饱和土壤水分运动的基本方程为：

$\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}=\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[\mathrm{rD}\left(\mathrm{\θ}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂r}\right)\right]---\left(1\right)$

在定水头条件下，柱坐标系中水分运动的初始和边界条件为：

$\left\{\begin{array}{cccc}\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_i& r>0& t=0& \left(2a\right)\\ \mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_s& r=0& t>0& \left(2b\right)\end{array}\right.$

式中，θ_i是初始土壤含水量，θ_s是土壤饱和含水量。

方程(1)改写成以半径坐标r(θ，t)为因变量的基本方程为

$-\frac{\∂r}{\∂t}=\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}[\mathrm{rD}\left(\mathrm{\θ}\right)/\frac{\∂r}{\∂\mathrm{\θ}}]$

通过Boltzmann变换r(θ，t)＝λ(θ)t^1/2，整理得到求解土壤水分运动的常微分方程：

$\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)=-2\frac{1}{r}\frac{d}{\mathrm{d\θ}}\left[\mathrm{rD}\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)}\right]---\left(3\right)$

在边界条件(2a)、(2b)条件下，对式(3)自θ_i至θ积分得

$D\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{2\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_i}^{\mathrm{\θ}}\mathrm{\λ}}^2\mathrm{d\θ}$

改写成差分的形式为

$D\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{2\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δ\θ}}\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\overset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^2\mathrm{\Δ\θ}---\left(4\right)$

试验结束时，测定土壤含水量随土壤扩散圆盘半径的分布，计算不同θ对应的λ值，在坐标轴上绘出θ和λ的关系曲线，通过列表便可求出不同含水量下的土壤水扩散率。

试验过程是：首先将圆盘式非饱和土壤水分扩散仪连接好、土壤扩散圆盘水平放稳，填上过滤介质(砂粒或其它本领域常规的过滤介质)，随后将过2mm筛的风干土样按一定的容重等密度的装入土样圆盘，土层填充厚度为10cm，等质地土样对角填装。水分供给器中装水完毕后，进水口密封。调节供水水头，打开出水口旋转阀门进行供水，在土样开始湿润时计时。实验结束后从湿润锋开始迅速取土，测定各个区的含水率分布情况，用 $\mathrm{\λ}={\mathrm{rt}}^{-\frac{1}{2}}$  (Boltzmann变换)算出不同θ(含水量)对应的λ值，将其绘制在坐标纸上，对曲线进行光滑处理，然后用扩散率的柱坐标差分方程  $(D\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{2\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δ\θ}}\underset{{\mathrm{\θ}}_a}{\overset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^2\mathrm{\Δ\θ}),$ 通过列表计算出不同含水量条件下的土壤水分扩散率。

试验验证：

使用本本发明的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪对三种不同质地土壤样品的非饱和扩散率进行了测定。为了检验结果的准确性，将测定结果与经典的水平土柱入渗法的测定结果进行比较。表1为三种质地土样的颗粒组成和基本物理性质，图3是测定的三种土样土壤含水量在径向上的分布，图4是测定的三种土样θ和λ的关系曲线，表2为水平土柱法和圆盘扩散法分别测得的三种土样非饱和土壤水分扩散率数据。并对测定结果进行了显著性分析，从t值可以看出两种方法测得的数据之间不存在显著性差异，证明本发 明的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪能取代传统方法用于土壤非饱和导水率的测定。

表1三种不同质地土壤的基本物理性质

表2a.圆盘扩散仪和传统水平扩散仪测定土壤非饱和扩散率的比较

(重壤土，陕西杨凌)

表2b.圆盘扩散仪和传统水平扩散仪测定土壤非饱和扩散率的比较

(轻壤土，陕西安塞)

0.24  0.26  0.28  0.30  0.32  0.34  0.36  0.38

0.210389  0.260463  0.357111  0.663318  1.766959  5.010821  8.491164  8.541864

0.147607  0.359091  0.802461  1.80372  3.396152  9.362585  15.00437  18.08721

表2c.圆盘扩散仪和传统水平扩散仪测定土壤非饱和扩散率的比较

(沙土，陕西神木)

本发明的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪较传统水平土柱测扩散率的方法相比，具有下列优点：

(1)在同样时间内能测定6个土壤样品，大大节约时间测定时间；

(2)土壤样品可设置2-3个重复，能大大提高测定精度；

(3)进水端面积小，单位时间进水量少，便于土壤在非饱和条件下充分扩散。

Claims (4)

1. 一种圆盘式非饱和土壤水分扩散仪，其特征在于，该仪器由水分供给器和土壤水分扩散圆盘组成，其中：

水分供给器，用于给圆盘中土样提供水分，该水分供给器是一个有机玻璃管，有机玻璃管上有进水口和出水口，进水口位于有机玻璃管顶部，出水口位于有机玻璃管的侧壁下端，出水口处配有旋转阀门；

土壤水分扩散圆盘，用于放置被测土壤样品，该土壤水分扩散圆盘由3个同心圆环组成，中心的同心圆环与水分供给器相连，为测试土样提供具有恒定水头的水源，中心的同心圆环外层的两个同心圆环等分成六个区，其中中间的同心圆环用于安装过滤介质，最外层的同心圆环放置测试土样。

2. 如权利要求1所述的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪，其特征在于，所述的过滤介质为砂子。

3. 如权利要求1所述的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪，其特征在于，所述的中心同心圆环和中间的同心圆环的壁上分布着透水而不透砂粒的筛状小孔。

4. 如权利要求1所述的圆盘式非饱和土壤水分扩散仪，其特征在于，所述的土壤水分扩散圆盘的外壁和六个分区隔板上标有刻度。

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