专利名称：在区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法
技术领域：
本发明涉及确定持水性的空间变异的方法，涉及确定含碎石土壤的持水性的空间变异的方法，尤其涉及一种在区域尺度上确定含碎石土壤的持水性空间变异的方法。
背景技术：
由于含碎石土壤的持水性因碎石含量不同具有较大变异性，土石山区不同样点碎石含量不同，采用野外或实验室测定水分特征曲线的方法确定区域尺度含碎石土壤的持水性是一个昂贵的、费时费力的过程。目前确定土壤持水曲线(即水分特征曲线)的方法主要有两种实测法和传递函数法；实测法又分为田间监测和室内测定，田间测定仪器安装 和管护成本高，测定耗时长，且测定土壤吸力范围小；广泛采用的是室内测定法，其特点是测定土壤吸力范围大，测点多，耗时长。传递函数法是根据样品颗粒粒级分布推求不同粒级对应的孔隙体积和毛管吸力，建立该粒级对应孔隙/持水体积和毛管吸力的关系，该方法简便，但对于土壤颗粒扩大到碎石粒级范围，较难准确给出颗粒的形状修正系数。1997年，Bouma采用传递函数法预测含有粒径范围为2_67_的土壤持水性许多种类土壤的持水性。在土壤物理性质普查中采用室内测定的方法确定，含碎石土壤的持水性在确定中采用了已知不含碎石土壤的持水性和碎石含量。1985年，Bouwer and Rice建立了含碎石土壤的水分含量推求模型，即任意吸力下，含碎石土壤的水分含量等于不含碎石土壤饱和含水量和刨除碎石后的土体体积含量的乘积。1986年，Gardner将碎石的体积含量转换为质量含量，采用土体容重和碎石质量含量和不含有碎石土壤的饱和含水量推求任意吸力下的含碎石土壤的水分含量。从以上的分析中可以看出田间测定含碎石土壤的持水性的方法，当碎石含量高，仪器安装难，扰动土体体积大，野外原位测定含碎石土壤持水性的方法不够成熟。传递函数法将土壤粒级扩大到碎石粒级，但碎石颗粒的形状修正系数难以确定，推测持水性精度较低。根据室内测定不含碎石土壤持水性推求含碎石土壤的持水性方法，仅适用于含有的碎石为几乎没有风化的碎石，且碎石不具有持水性，限制了区域含碎石土壤持水性推求的应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、可靠性相对高、成本低、适用范围广的在区域尺度上确定含碎石土壤的持水性的空间变异的方法。本发明的技术解决方案是这种在区域尺度上确定含碎石土壤的持水性的空间变异的方法，包括以下步骤(I)选取在区域尺度上碎石含量差异较大的至少3个土样，测定这些土样的碎石含量或土样容重以及水分特征曲线；(2)根据测定的变量为土样碎石含量还是土样容重来选取经试验推导和验证的持水曲面模型；
(3)采用测定的水分特征曲线确定持水曲面模型参数，采集区域尺度上其他碎石含量土样至少2个，并实测水分特征曲线和土样碎石含量或土样容重，根据土样碎石含量或容重在参数确定的持水曲面上确定该土样的持水曲线，并与实测水分特征曲线比较；(4)如步骤(3)中曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符，即相关分析相关度较高，则执行步骤(10)，否则执行步骤(5)；(5)根据区域松散物成因划分样区，并在松散物相同成因的样区内检查是否存在具有相似碎石粒级的土样区域，如存在则划分具有粒级差异的样区2-3个；如不存在，则只根据成因划分样区；(6)在步骤(5)中划分的样区内执行步骤(1)-(3)，并判断确定的持水曲线和实测曲线的相符程度，当相关分析相关度较高，则执行步骤(7)-(10)，否则执行步骤(11)；(7)确定划分样区内其他碎石含量土样的持水性及划分样区的持水性空间变异；·
(8)将测定的几个样区土样的水分特征曲线用于持水曲面模型中确定扩大了粒级范围的土样的模型参数；(9)如扩大粒级范围的土样模型参数确定的样区外土样的持水曲线和实测曲线较相符，则执行步骤(10)，否则执行步骤(11)；(10)利用已确定了参数的持水曲面模型较可靠的确定区域一定数量具有代表性样点土样的持水性，并用持水性特征参数的空间分布与变化表征区域持水性的空间变异；(11)在划分的样区内增加具有碎石含量差异的土样数，并测定这些土样的碎石含量或土样容重以及水分特征曲线，再执行步骤(2)和(3)；(12)如步骤(11)中曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符，即相关分析相关度较高，则执行步骤(10)，否则执行步骤(13)；(13)执行步骤(11)和(12)由于本方法采用了经过试验验证的在现有水分特征曲线经验模型基础上修正为含有表征碎石含量的变量的全新的持水曲面模型，采用测定的有限样点的水分特征曲线确定模型参数，在不限制碎石类型前提下，通过易于测定的土样饱和含水量和土样碎石质量含量或土样容重来完成区域尺度具有代表性一定数量的样点含有不同碎石含量土壤的持水性的确定，并根据持水曲线特征参数的空间分布与变化表征区域持水性的空间变异，所以成本低、操作简单、可靠性相对高、适用范围广。
图I示出了根据本发明确定的曲面模型参数可靠性较高时在区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法的流程图；图2示出了根据本发明确定的曲面模型参数可靠性较低时在区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法的流程图；图3示出了一个具体实施例的采用确定了参数的曲面模型确定的持水曲线进行比较。
具体实施例方式这种区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法，采用全新的以含碎石土壤容重或土样碎石质量含量为一变量，以土壤水吸力为另一变量的持水曲面模型确定区域一定数量代表性样点含碎石土样的持水性，并以这些样点持水曲线的特征参数的空间分布与变化表征区域持水性的空间变异，包括以下步骤(I)选取在区域尺度上碎石含量差异较大的至少3个土样，测定这些土样的碎石含量或土样容重以及水分特征曲线；(2)根据测定的变量为土样碎石含量还是土样容重来选取经试验推导和验证的持水曲面模型；(3)采用测定的水分特征曲线确定持水曲面模型参数，采集区域尺度上其他碎石含量土样至少2个，并实测水分特征曲线和土样碎石含量或土样容重，根据土样碎石含量或容重在参数确定的持水曲面上确定该土样的持水曲线，并与实测水分特征曲线比较；(4)如步骤(3)中曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符，即相关分析相 关度较高，则执行步骤(10)，否则执行步骤(5)；(5)根据区域松散物成因划分样区，并在松散物相同成因的样区内检查是否存在具有相似碎石粒级的土样区域，如存在则划分具有粒级差异的样区2-3个；如不存在，则只根据成因划分样区；(6)在步骤(5)中划分的样区内执行步骤(I) _(3)，并判断确定的持水曲线和实测曲线的相符程度，当相关分析相关度较高，则执行步骤(7)-(10)，否则执行步骤(11)；(7)确定划分样区内其他碎石含量土样的持水性及划分样区的持水性空间变异；(8)将测定的几个样区土样的水分特征曲线用于持水曲面模型中确定扩大了粒级范围的土样的模型参数；(9)如扩大粒级范围的土样模型参数确定的样区外土样的持水曲线和实测曲线较相符，即R > O. 9，则执行步骤(10)，否则执行步骤(11)；(10)利用已确定了参数的持水曲面模型较可靠的确定区域一定数量具有代表性样点土样的持水性，并用持水性特征参数的空间分布与变化表征区域持水性的空间变异；(11)在划分的样区内增加具有碎石含量差异的土样数，并测定这些土样的碎石含量或土样容重以及水分特征曲线，再执行步骤(2)和(3)；(12)如步骤(11)中曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符，即相关分析相关度较高，则执行步骤(10)，否则执行步骤(13) ；(13)执行步骤(11)和(12)。优选地，所述持水曲面模型为Se = ApITaSe = AmITa (I-BmMi)式中，Ap，λ，β，Am，Bm为模型参数，Se为相对饱和度，h为土壤水吸力，P b和Mr分别为土样容重、碎石质量含量。优选地，所述步骤(3)中的曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符性，即相关分析相关度高低的确定包括以下步骤(3. I)将一组具有可代表区域碎石含量变幅的3个不同碎石含量的含碎石土壤的水分特征曲线代入持水曲面模型，确定曲面模型的模型参数；(3. 2)根据确定了参数曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性；(3. 3)根据持水曲线得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量；
(3. 4)将含水量与实测的不同于确定曲面参数土样碎石含量的至少2个土样水分特征曲线不同土壤吸力下对应的含水量作相关分析和线性回归分析；(3. 5)根据相关系数以及回归直线的截距和系数确定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的准确性；当相关系数较高，则曲面模型参数及确定的区域土样持水性具有较高的可靠性，否则，具有相对低的可靠性。优选地，所述步骤(9)中的曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符性，即相关分析相关度高低的确定包括以下步骤(9. I)将一组具有扩大了粒级范围的不同碎石含量的含碎石土壤的水分特征曲线代入持水曲面模型，确定曲面模型的模型参数；(9. 2)根据确定了参数曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性，即相对饱和度；(9. 3)根据持水曲线得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量； (9. 4)将含水量与实测的不同于确定曲面参数土样碎石含量的至少2个土样水分特征曲线土壤水分特征曲线不同土壤吸力下对应的含水量作相关分析和线性回归分析；(9. 5)根据相关系数以及回归直线的截距和系数确定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的准确性；当相关系数较高，则曲面模型参数及确定的区域土样持水性具有较高的可靠性，否则，具有相对低的可靠性。现在给出一个具体的实施例，包括以下步骤(a)通过实验建立曲面模型及曲面模型的验证本实施例采集黄土高原区土石山区含有风化程度高的泥页岩碎屑的土壤和含有风化程度低的河滩砾石的土壤，将含有一组不同碎石含量泥页岩碎屑或河滩砾石的土壤的水分特征曲线采用常规方法测定。根据数据分析每个样品的水分特征曲线符合经验公式BiOok-Corey模型。实验发现碎石含量与相对饱和度成线性关系，土样容重与相对饱和度成幂函数关系，结合经验公式Brook-Corey模型，得到具有两个自变量的持水曲面模型，即Se = Aph^ Pb_0Se = AmITa (I-BmMi)式中，Se表示相对饱和度，Ap，λ，β，Am，Bm为模型参数，h为土壤水吸力，P b和Mr分别为土样容重和碎石质量含量。采集扩大了粒级范围的含碎石土样和该区域碎石含量差异较大的3个可代表区域碎石含量范围的土样，测定其持水性，并与采用确定了参数的曲面模型确定的持水曲线进行比较，发现相关系数R为O. 95 (见图3)。(b)确定区域尺度含碎石土壤持水曲面模型参数以黄土高原崾岘林场面积约为4km2区域含有风化程度高的泥页岩碎屑的土壤的持水性的空间变异的确定为例。(b-Ι)采集区域含碎石土样在林场区域坡面采集碎石含量差异较大的土样3个，测定其碎石含量为8 %、29%,68%,测定其水分特征曲线和土样容重。(b-2)确定曲面模型参数以土样容重为变量，选取选取曲面模型，将3个土样实测水分特征曲线数据代入模型绘制曲面，采用Sigmaplot软件进行曲面回归，确定曲面模型参数Αρ，λ，β。
(c)确定模型参数的可靠性从林场区域采集土样2个，测定其碎石含量为18%和41%的，并实测土样水分特征曲线和土样容重；根据两个土样的容重在参数确定的持水曲面上查找相应容重对应的土样的持水曲线，将模型确定的持水曲线与实测水分特征曲线进行相关分析和线性回归分析，相关系数为O. 92，模型参数的可靠性较高。(d)确定区域含碎石土壤持水性的空间变异在林场确定的区域坡面上按网格均匀多点采集土样，采样间距约为100m，采集土样50个，测定土样的容重，在绘制的曲面上，根据土样容重查找对应含碎石土壤的持水曲线，根据持水曲线回归获取50个土样的持水参数，根据这些土样持水参数的空间分布和变化确定林场区域坡面持水性的空间变异。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明 技术方案的保护范围。
权利要求
1.在区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法，其特征在于，采用全新的以含碎石土壤容重或土样碎石质量含量为一变量，以土壤水吸力为另一变量的持水曲面模型确定区域一定数量代表性样点含碎石土样的持水性，并以持水曲线的特征参数的空间变化表征区域持水性的空间变异，具体包括以下步骤 (1)选取在区域尺度上碎石含量差异较大的至少3个土样，测定这些土样的碎石含量或土样容重以及水分特征曲线； (2)根据测定的变量为土样碎石含量还是土样容重来选取经试验推导和验证的持水曲面模型； (3)采用测定的水分特征曲线确定持水曲面模型参数，采集区域尺度上其他碎石含量土样至少2个，并实测水分特征曲线和土样碎石含量或土样容重，根据土样碎石含量或容重在参数确定的持水曲面上确定该土样的持水曲线，并与实测水分特征曲线比较； (4)如步骤(3)中曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符，即相关分析相关度较高，则执行步骤(10)，否则执行步骤(5)； (5)根据区域松散物成因划分样区，并在松散物相同成因的样区内检查是否存在具有相似碎石粒级的土样区域，如存在则划分具有粒级差异的样区2-3个；如不存在，则只根据成因划分样区； (6)在步骤(5)中划分的样区内执行步骤(I)_(3)，并判断确定的持水曲线和实测曲线的相符程度，当相关分析相关度较高，则执行步骤(7)-(10)，否则执行步骤(11)； (7)确定划分样区内其他碎石含量土样的持水性及划分样区持水性的空间变异； (8)将测定的几个样区土样的水分特征曲线用于持水曲面模型中确定扩大了粒级范围的土样的模型参数； (9)如扩大粒级范围的土样模型参数确定的样区外土样的持水曲线和实测曲线较相符，则执行步骤(10)，否则执行步骤(11)； (10)利用已确定了参数的持水曲面模型较可靠的确定区域一定数量具有代表性样点土样的持水性，并用持水性特征参数的空间分布与变化表征区域持水性的空间变异； (11)在划分的样区内增加具有碎石含量差异的土样数，并测定这些土样的碎石含量或土样容重以及水分特征曲线，再执行步骤(2)和(3)； (12)如步骤(11)中曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符，即相关分析相关度较高，则执行步骤(10)，否则执行步骤(13)； (13)执行步骤(11)和(12)。
2.根据权利要求I所述的在区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法，其特征在于，所述全新的持水曲面模型为Se = AprA Pb_0 Se = AmITa (I-Bj1Mr) 其中，Ap，λ，β，Am，Bm为模型参数，Se为相对饱和度，h为土壤水吸力P b和凡分别为土样容重、碎石质量含量。
3.根据权利要求I所述的在区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符性，即相关分析相关度高低的确定包括以下步骤(3. I)将一组具有可代表区域碎石含量变幅的3个不同碎石含量的含碎石土壤的水分特征曲线代入持水曲面模型，确定曲面模型的模型参数； (3. 2)根据确定了参数的曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性； (3. 3)根据持水曲线得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量； (3. 4)将含水量与实测的不同于确定曲面参数土样碎石含量的至少2个土样水分特征曲线不同土壤吸力下对应的含水量作相关分析和线性回归分析； (3. 5)根据相关系数以及回归直线的截距和系数确定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的准确性，当相关系数较高，则曲面模型参数及确定的区域土样持水性具有较高的可靠性，否则，具有相对低的可靠性。
4.根据权利要求I所述的在区域尺度上确定含碎石土壤持水性的空间变异的方法，其特征在于，所述步骤(9)中的曲面模型确定土样的持水曲线与实测曲线相符性，即相关分析相关度高低的确定包括以下步骤 (9. I)将一组具有扩大了粒级范围的不同碎石含量的含碎石土壤的水分特征曲线代入持水曲面模型，确定曲面模型的模型参数； (9. 2)根据确定了参数的曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性； (9. 3)根据持水曲线得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量； (9. 4)将含水量与实测的不同于确定曲面参数土样碎石含量的至少2个土样水分特征曲线土壤水分特征曲线不同土壤吸力下对应的含水量作相关分析和线性回归分析； (9. 5)根据相关系数以及回归直线的截距和系数确定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的准确性；当相关系数较高，则曲面模型参数及确定的区域土样持水性具有较高的可靠性，否则，具有相对低的可靠性。
全文摘要
采用全新持水曲面模型在区域尺度上确定含碎石土壤持水性空间变异的方法，具有成本低、操作简单、适用性广的特点。选取区域上一定数量具有代表性的样点，采用全新曲面模型确定样点土样的持水性并确定持水参数的空间分布和变化。具体是通过测定少数样点土样持水曲线、碎石含量或容重来确定曲面模型参数，当该参数确定的其他样点的持水性与实测值相符，则根据曲面模型确定区域持水性的空间变异。如不相符，在相同成因的区域上划分粒级相似的样区2-3个，确定模型参数，采用上述方法检测与实测值的相符性，如仍不相符，则在划分的样区内逐步增加样点数，直到参数确定的其他样点的持水性与实测值相符，再采用全新曲面模型确定样区持水性的空间变异。
文档编号G01N33/24GK102914629SQ201110224800
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月6日 优先权日2011年8月6日
发明者王慧芳, 王明玉, 邵明安 申请人:中国科学院研究生院