土壤有效孔径及其分布参数的测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种土壤有效孔径及其分布参数的测试方法，适用于量化土壤孔隙及 其分布。
【背景技术】
[0002] 土壤孔隙结构对土体的渗流过程、变形及其破坏行为都有着至关重要的影响，经 常被用来探讨土体的力学机制，并用来解释、预测土体的宏观行为，如，土壤大孔隙是引起 优先流、溶质迀移、地下水污染、养分流失和灌溉水浪费的关键因素，现有研究结果表明：大 孔隙的存在使土壤的饱和导水率增加了几倍，且对总入渗量贡献率可达到85%，特别是直 径大于1.0 mm的孔隙是影响传导水流的重要因素。
[0003] 多孔介质的流体力学性质与其细观结构密切相关，表征多孔介质流体力学性质的 细观结构特征称为渗流结构。在一般情况下，多孔介质的渗流结构可用有效孔隙半径和迂 曲度两项参数来表示。土壤是一种典型的多孔介质，目前，测量土壤渗流结构的方法主要分 为两种，一种是计算机图形学方法，一种是实验法。
[0004] 计算机图形学方法，首先将图像转化为灰度图像，然后选取阈值将图像转化为二 值图像，阈值以上即为孔隙，最后计算二值图像中孔隙面积与总面积的比值即为孔隙度，根 据所建立的数学模型计算孔隙半径和迂曲度。该方法基于土壤切片计算渗流参数，由于切 片中难免存在死端孔隙，因此将测试结果运用工程实践计算时存在一定的误差。
[0005] 实验法以传统的烘干法为代表，实验步骤为：首先用环刀取所需土样并称重，然后 放入烘箱中于105°c下烘干24小时，取出后称重，运用相关公式计算孔隙度。烘干法具有操 作简单和测试成本低等优点，但是难以掌握土壤内部的细观孔隙结构，为此研究人员提出 压汞法、半渗透隔板法、离心机法、动力驱替法、气体吸附法、悬浮液过滤法等。
[0006] 土壤的孔道形状复杂，影响测量结果的因素也很多，既有数学模型层面上的因素， 也有测试方法、仪器设备、测试步骤和土壤试样尺寸大小等方面的因素，每种测试方法具有 自身的优点和不足。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种土壤有效孔径及其分布参数的测试方法。
[0008] 本发明的技术方案：
[0009] 第1步：测试土壤试样的孔隙比和渗透系数
[0010] 用常规手段（现有技术）测试试验区域土体的渗透系数，同时现场取样测试土壤 试样的密度和含水量，采用关系式1计算土壤试样的孔隙比e ;
[0011] 关系式1
[0012]
[0013] 关系式1中e为土壤试样孔隙比，ds为土壤试样颗粒相对密度，P w为水的密度，w 为土壤试样的含水量，P为土壤试样密度；
[0014] 第2步：测试土壤试样的孔隙迂曲度
[0015] 利用常规手段（现有技术）测定水的表面张力、土壤试样的固液界面接触角和毛 管压力曲线，采用关系式2计算土壤试样的孔隙迂曲度λ为；
[0016] 关系式2
[0017]
[0018] 关系式2中λ为土壤试样的孔隙迂曲度，e为土壤试样孔隙比，k为土壤试样的渗 透系数，σ为水的表面张力，Θ固液界面接触角，S为土壤试样饱和度，P。(S)为毛管压力 曲线；
[0019] 第3步：测试土壤试样的穿透曲线
[0020] 采用取土钻现场取样，将取样制作成土壤试样，土壤试样的直径为5-lOcm，长度 为10-20cm ;制作上部有溢流管的乳胶膜，先将土壤试样装入乳胶膜中，土壤试样上端面与 乳胶膜溢流管的距离为3-5cm ;在试验桶（如图1所示）底部自上而下放置滤纸和透水石， 再将土壤试样装入试验桶中，使乳胶膜的溢流管与试验桶的溢流孔平齐，从试验桶溢流孔 中抽出乳胶膜的溢流管，将乳胶膜套在试验桶中，试验桶身内壁直径比土壤试样的直径大 l-2mm ;在乳胶膜中的土壤试样上部装入厚度为0. 5-1. Ocm的细砂后注入水，自水从土壤试 样底部流出至积液容器开始，每隔3-5分钟记录一次积液容器中水的出渗量Q。，连续记录至 渗流稳定，当水在土壤试样中的流速达到其最大流速的0. 99-1. 0倍时判定渗流初始稳定， 水初始出渗时为h时刻，渗流达到初始稳定时为12时刻；
[0021] 第4步：计算土壤试样孔隙的最大有效半径和最小有效半径
[0022] 采用关系式3计算土壤试样的最大有效半径Rniax，采用关系式4计算土壤试样的最 小有效半径R_;
[0023] 关系式3 :
[0024]
[0025] 关系式3中Rniax为土壤试样最大有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样 的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，^为溶液开始出渗时间，γ为水的重度；
[0026] 关系式4 :
[0027]
[0028] 关系式4中R_为土壤试样最小有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样 的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，t 2为渗流达到初始稳定时间，γ为水的重度；
[0029] 第5步：计算土壤试样的平均有效孔径
[0030] 采用关系式5计算土壤试样的平均有效孔径Ra，
[0031] 关系式5
[0032]
[0033] 关系式5中RaS土壤试样的平均有效孔径，δ为土壤试样孔径的修正系数，R_ 为土壤试样的最大有效半径，R_为土壤试样的最小有效半径，R为土壤孔隙半径，σ和μ 为孔径分布参数；采用关系式6计算土壤试样孔径的修正系数δ，
[0034] 关系式6
[0035]
[0036] 关系式6中δ为土壤试样孔径的修正系数，Rniax为土壤试样的最大有效半径，R _ 为土壤试样的最小有效半径，R为土壤试样孔隙半径，σ和μ为孔径分布参数；
[0037] 第6步：计算土壤试样孔径分布参数
[0038] 建立溶液在土壤中的穿透曲线方程，运用穿透曲线方程计算流量Qj，流量Q j的计 算公式见关系式7,比较计算流量Q,和实测流量Q。，采用最小二乘法拟合确定有效孔径分布 参数σ和μ ;
[0039] 关系式7
[0040]
[0041] 关系式7中1?_和R _分别为土壤试样的最大有效孔径和最小有效孔径，δ为土 壤试样孔径的修正系数，e为土壤试样孔隙比，s为土壤试样半径，h为土壤试样长度，u为 水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，σ和μ为孔径分布参数，R a为平均孔隙 半径，R为土壤试样孔隙半径。
[0042] 所述的试验桶包括试验桶身，在试验桶身的底部自下而上设置有透水石、滤纸，桶 底上连通有积液管，积液管下放置积液容器；在试验桶身的上部设置有试验桶溢流孔，试验 桶溢流孔下放置有溢流液容器；在试验桶身的顶部设置有注液容器；在试验桶身的桶内布 置有上部有溢流管的乳胶膜，乳胶膜上的溢流管从试验桶溢流孔穿出。
[0043] 本发明测试土壤试样有效孔径及其分布，操作简单、测试成本低；本发明是基于水 在土壤试样的穿透曲线分析土壤孔径及其分布，能够避免死端孔隙对测试结果的影响；相 对于压汞法等，土壤试样体积较大，测试结果能够有效反映土壤的宏观参数。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明第3步中所使用试验桶的结构示意图。
[0045] 图中：1、注液容器，2、细砂，3 土壤试样，4、试验桶身，5、滤纸，6透水石，7积液管，8 积液容器，9、溢流液容器，10、溢流管，11试验桶溢流孔。
【具体实施方式】
[0046] 采用本发明，测试江西赣南某离子型稀土矿土壤试样的有效孔径及其分布参数。
[0047] 第1步：测试土壤试样的孔隙比和渗透系数
[0048] 在江西赣南某离子型稀土矿，采用双环法现场测试土体渗透系数为I. 36X 10 6m/ s，用环刀在现场共取8个样，测试土壤试样的密度和含水量，测试得到土壤试样的平均密 度为1530kg/m 3和含水量为15. 3%，测试得到土壤试样颗粒密度为2680kg/m3,采用关系式 1计算土壤试样的孔隙比为0. 96。
[0049] 关系式1
[0050]
[0051] 关系式1中e为土壤试样孔隙比，ds为土壤试样颗粒相对密度，P w为水的密度，w 为土壤试样的含水量，P为土壤试样密度。
[0052] 第2步：测试土壤试样的孔隙迂曲度
[0053] 利用现有技术测定水的表面张力、土壤试样的固液界面接触角和毛管压力曲线， 采用关系式2计算土壤试样的迂曲度λ为1.98。
[0054] 关系式2
[0055]