一种基于热力学平衡的土壤孔隙度测试方法

1.本发明涉及资源与环境技术领域，尤其涉及一种基于热力学平衡的土壤孔隙度测试方法。


背景技术：

2.土壤孔隙度是土壤物理的重要特征之一，它决定了土壤的透气性与渗透性，对于确定农田灌溉与排水也有重要的参考价值；同时，植物根系发育及吸收能力、微生物活动的强度、土壤中污染物质的迁移与转化都与土壤孔隙度关系密切，因此，对于土壤孔隙度的研究与测试变得尤为重要。
3.目前，国内外学者及技术人员从多种角度对土壤孔隙度的测试方法进行了研究，主要的方法包括容重比重法、饱水法和经验公式法。容重比重法是通过测试土壤的干容重和比重，利用常规公式计算土壤的孔隙度。
[0004][0005]
而饱水法则是用环刀取土样，并将环刀饱水，输入水的体积即为环刀中土壤的孔隙体积，因此孔隙度为孔隙体积与环刀体积之比。经验公式法则是通过测试不同土壤的孔隙度与比重，并通过拟合回归方程得到其函数关系，并计算土壤孔隙度。
[0006]
容重比重法和经验公式法都需要采集土样在实验室内测试土壤的容重与比重，而取样的过程势必会改变土壤的状态，导致最后的测试结果为扰动土壤的孔隙度；同时，比重与容重的测试操作繁琐，导致了测试效率低下。饱水法则忽略了饱水前土壤中已经存在的水分的含量，因此，其测试结果误差较大。
[0007]
综上所述，现有的技术在应用过程中存在局限性，因此，亟需开发一种操作便捷、测试结果精准、适用范围较广的方法。


技术实现要素：

[0008]
有鉴于此，本发明目的是提供一种基于热力学平衡的土壤孔隙度测试方法，包括以下步骤：
[0009]
s1、使用温湿度仪测试目标岩土体内的温湿度值，并记录下岩土体在热力学平衡状态下的温湿度值；
[0010]
s2、使用土壤水分测试仪器，测试待测土壤的含水率，并且保证该含水率下的温度与s1中基本一致，相对湿度同样为100％；
[0011]
s3、将s1中测试的温度值和s2测试的土壤含水率的值带入土壤的孔隙度计算公式,计算土壤的孔隙度；所述公式如下：
[0012][0013]
其中，wv(t)表示温度t时岩土体的含水率，v
p
表示土壤的孔隙度，α(t)表示液态水
和气态水的质量比与温度t的函数关系，β(t)表示液态水和气态水的密度比与温度t的函数关系。
[0014]
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明抛开了传统含水量测试方法研究的思维，借助热力学和系统科学的理论基础，从岩土体中水分的气液转化的热力学平衡系统出发，分析液态水和气态水的性质及含量，构建了一种新型的土壤孔隙度的测试方法。该方法具有可在野外进行原位测试，操作简单，测试结果准确，并且应用范围广泛。该技术对农业种植、土壤污染修复、土壤水文计算、土地复垦时土壤孔隙度的准确测定具有重要意义。
附图说明
[0015]
图1是本发明一种基于热力学平衡的土壤孔隙度测试方法的流程图。
具体实施方式
[0016]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0017]
请参考图1，本发明提供了一种基于热力学平衡的土壤孔隙度测试方法，创新性的提出了热力学平衡状态下孔隙度与温度及含水率的关系，并对其测试方法进行设计论述。该发明可以解决在农业种植、土壤污染修复、土壤水文计算、土地复垦时土壤孔隙度的准确测定的问题。
[0018]
具体包括以下步骤：
[0019]
s1、使用温湿度仪测试目标岩土体内的温湿度值，并记录下岩土体在热力学平衡状态下的温湿度值；
[0020]
根据热力学的理论和研究，不同温度条件下岩土体内水分的赋存状态存在差异，气态水与液态水的转化速率也不相同，因此，准确测定岩土体含水率及含水量的前提是温湿度的测定。
[0021]
s2、使用土壤水分测试仪器，测试待测土壤的含水率，并且保证该含水率下的温度与s1中基本一致，相对湿度同样为100％；同时，为了避免测试结果的偶然性，应测试三组及以上数据，并将其平均值作为土壤含水率的值。
[0022]
s3、将s1中测试的温度值和s2测试的土壤含水率的值带入土壤的孔隙度计算公式,计算土壤的孔隙度；所述公式如下：
[0023][0024]
其中，wv(t)表示温度t时岩土体的含水率，v
p
表示土壤的孔隙度，α(t)表示液态水和气态水的质量比与温度t的函数关系，β(t)表示液态水和气态水的密度比与温度t的函数关系。
[0025]
当系统处于热力学平衡状态时，对于岩土体的含水系统，其内部相对湿度为100％，其主要有一下三个性质：
①
系统处于热平衡，即系统内部温度处处相等，不存在热量的传递；
②
系统处于力平衡，即系统内部压力(物理学上的压强)处处相等；
③
系统处于相平衡，即系统内部化学势处处相等。水汽转化反映达到了动态平衡，固液气三相间的相互作用
力也处处抵消，因此，液态水和气态水即存在如下关系式：
[0026][0027]
假设
[0028][0029][0030]
并且由于存在如下关系：
[0031]
v
p
＝v
water
+v
vapor
[0032]
因此，土壤孔隙度的计算公式可推导为：
[0033][0034]
经过对不同温度下液态水及气态水质量α(t)比及密度比β(t)的测试和拟合，得到其与温度的函数为：
[0035]
α(t)＝8.801
×
105×
e
‑
0.057t
[0036]
β(t)＝2.037
×
105×
e
‑
0.064t
[0037]
其中，wv(t)表示温度t时土壤的含水率，m
water
(t)表示温度t时液态水的质量，ρ
water
(t)表示温度t时液态水的密度，v
water
(t)表示温度t时液态水的体积，m
vapor
(t)表示温度t时气态水的质量，ρ
vapor
(t)表示温度t时气态水的密度，v
vapor
(t)表示温度t时气态水的体积，v
p
表示土壤的孔隙度，k(t)表示温度为t时的平衡常数，α(t)表示液态水和气态水的质量比与温度t的函数关系，β(t)表示液态水和气态水的密度比与温度t的函数关系；
[0038]
将s1中测试的温度值和s2测试的土壤含水率的值可分别代入公式内求取土壤的孔隙度，之后求取平均值。
[0039]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。