专利名称：：一种土壤入渗性能的测量系统和方法
技术领域：
：本发明涉及土壤入渗性能测量
技术领域：
，特别是涉及一种土壤入渗性能的点源入流测量系统和方法。
背景技术：
：入渗是指水分进入土壤的过程，是自然界水循环中的重要环节。土壤的入渗过程涉及到地表产流、灌溉或降雨后土壤水分分布、降雨对浅层地下水的补给以及化肥、农药等污染物随水分迁移等。研究这一过程对于增加土壤入渗、减少地表径流、防止土壤侵蚀等方面具有非常重要的意义。土壤入渗性能是土壤的固有属性。在入渗过程中，土壤入渗率初期很高，随着时间的推进不断降低，最后趋于稳定，达到稳定入渗率。土壤稳定入渗率与土壤饱和导水率相等或相近。当供水强度大于土壤入渗性能时，水分进入土壤的过程受土壤入渗性能控制；当供水强度小于土壤入渗性能时，水分进入土壤的速度由供水强度决定。因此在测量土壤入渗性能的过程中，保证充分的供水强度是测量到土壤完整、真实入渗性能的前提条件。目前测定土壤入渗速率的方法主要有双环法、人工降雨法、圆盘入渗仪法等测量方法。双环法是现在比较常用的测量土壤入渗率的方法，其试验装置包括两个直径不同的圆环、供水装置以及标尺。在测量之前，先将两个圆环同心地插入土壤约5cm的深度；然后同时向双环里面注水，记录内环中注入的水量以及相应的时间。釆用同心圆环的作用是内环控制测量面积，外环保证内环中的水分垂直入渗到土壤中，减少侧渗，提高测量精度。后来，又出现了基于双环法的改进装置和自动测量系统，在传统双环法的基础上增加了马氏瓶、传感器、伽玛射线仪等，从而缩短试验时间并提高试验精度，但是并不能从根本上克服双环法的缺点以及局限性。双环法在入土的过程中严重破坏了土表的原始结构；在向双环注水的过程中，由于冲刷以及快速的湿润地表引起地表结皮，大大降低了水流进入土壤的速度；受马氏瓶供水能力的限制，并不能满足整个过程尤其是入渗初期充分供水的要求。由于上述原因，双环法并不能测量到真实的、初始很高的土壤入渗率。相应的双环法的改进方法也并没有从根本上克服这些缺点。人工降雨法是通过人工降雨装置来模拟天然降雨，在降雨强度保持不变的条件下，观测地表径流过程，通过人工降雨量和观测径流量获取土壤入渗性能。模拟降雨法不受坡度等条件的限制，测量结果可以从一定程度上反映出天然降雨过程中的土壤水分入渗变化。但是受雨强的限制，模拟降雨法测量不到土壤初始很高的入渗率，而且由于雨滴对地表的打击作用形成地表结皮，影响到测量的准确性。圆盘入渗仪法主要由蓄水管、恒压管和圆盘组成。该方法利用初始入渗速率和稳定入渗速率来区分受毛管力及重力所控制的土壤入渗流。此外，通过选择水压大小，可以计算出与入渗过程有关的土壤孔隙的大小。该方法需水量相对较少，而且仪器体积小，便于携带。但同时入渗面积小(直径20cm)，深度浅(20~30cm),代表性较差，而且试验过程中有侧渗，影响了试验的测量精度。
发明内容本发明实施例要解决的问题是提供一种土壤入渗性能的测量系统和方法，以实现简单、精确地测量土壤入渗性能。为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种土壤入渗性能的测量系统，所述系统包括恒流供水装置，与点源入流器连接，用于以恒定的流量向所述点源入流器供水，并监测输出的水量；点源入流器，放置在土壤存储装置存储的土壤表面，用于使所述恒流供水装置提供的水流以点源入流方式进入所述土壤；土壤存储装置，用于存储土壤，并监测土壤湿润锋；计时装置，用于记录与所述恒流供水装置提供的水量和土壤湿润锋对应的时间。其中，所述恒流供水装置包括水存储单元，用于存储水；水流输出单元，与所述水存储单元连接，用于将所述水存储单元存储的水以恒定的流量输出到所述点源入流器；水量监测单元，用于监测所述水存储单元中的水量。其中，所述恒流供水装置为带有刻度的马氏瓶。其中，所述点源入流器包括点源转换单元，与所述水流输出单元连接，用于将所述恒流供水装置提供的水转换为点源形式，并通过土壤结构保持单元进入土壤；土壤结构保持单元，放置在所述土壤表面，用于防止转换为点源形式的水对所述土壤的直接打击，保持点源下土壤的原状性。其中，所述点源转换单元为直径为l亳米的针头，所述土壤结构保持单元为直径为l厘米的圆形海藻棉。其中，所述土壤存储装置包括土槽，用于存储土壤；土壤湿润锋监测单元，用于监测土壤湿润锋。其中，所述土槽为中空透明的底面为等边三角形的柱形结构，所述土槽的底端封闭，顶端开口；所述土壤湿润锋监测单元为贴于所述土槽开口处的透明胶片。其中，所述土壤具有相同的容重。本发明实施例的技术方案还提供了一种土壤入渗性能的测量方法，包括以下步骤将恒定流量的水以点源入流方式输出到土壤的步骤；从所述水的输出开始计时的步骤；获取所述水的水流流量的步骤；监测对应时间的土i襄湿润锋的步骤；根据所述对应时间的土壤湿润锋，获取对应时间的土壤湿润半径的步骤；根据所述水流流量和对应时间的土壤湿润半径，获取对应时间的土壤入渗率的步骤。其中，在所述根据水流流量和对应时间的土壤湿润半径获取对应时间的土壤入渗率的步骤中，具体包括将输出水的时间由h，t2U时刻分为m个时间段；tn时刻对应的土壤入渗率由公式获取；其中，in为tn时刻对应的土壤入渗率；k为流量系数；qn为tn时刻对应的水流流量；ij为tj时刻对应的土壤入渗率；1^+1为1^+1时刻对应的土壤湿润半径；ivj为U.j时刻对应的土壤湿润半径；Arn-j+1为tn.jw时刻对应的土壤湿润半径增量；n为ti时刻对应的土壤湿润半径。上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点本发明实施例通过将水流以点源入流方式输出到土壤，并根据水流流量和对应时间的土壤湿润半径，获取对应时间的土壤入渗率，满足了试验过程中充分供水的条件，而且保证了土壤的原状性，从而能够简单、精确地测量土壤入渗性能。图l是本发明的一种土壤入渗率与土壤湿润半径随时间变化的曲线图；图2是本发明的一种不同空间点处的土壤入渗性能的曲线图；图3是本发明的一种某一时刻土壤入渗率的空间分布曲线图；图4是本发明实施例的一种土壤入渗性能的测量系统图；图5是本发明实施例的一种土壤入渗性能的测量方法的流程图；图6是本发明实施例的一种土壤湿润半径随时间变化的曲线图；图7是本发明实施例的一种土壤入渗率随时间变化的曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。(n=1，2,本发明的原理如下，在土壤入渗初期，水流进入土壤的速度很快，随着时间的推进，入渗率不断降低并最终趋于稳定，达到稳定入渗率，对应于土壤入渗性能随时间的这一变化规律。在点源供水情况下，地表最初会出现一个圆形的土壤饱和区，随着时间的推进，在保持供水强度不变的情况下，这一圆形的饱和区会逐渐增大，并最终达到一个稳定的湿润半径。一种土壤入渗率与土壤湿润半径随时间变化的曲线如图1所示，在恒定流量下，土壤入渗性能变化过程与土壤湿润过程具有非常密切的关系。因此，通过测量土壤湿润半径随时间的变化规律，并利用两者之间的关系，推导得到土壤入渗性能。由于测量过程中为点源供水，点源下的地表一直保持充分供水的条件，因此能够测量得到土壤完整、真实的入渗性能曲线。水流在土壤表面流动的过程中，是以供水源为中心向四周均匀扩展的过程，即土壤湿润面积是以点源入流点为圆心，不断向外推进的圆形面积。以入渗点为圆心，土壤不同半径上各点经历入渗的起始时间是不同的。假定土壤为均匀介质，各处的入渗性能相同，则各点的入渗性能与各点入渗开始后的时间具有对应关系。从而以入流点为圆心，不同半径的各个同心圆的土壤入渗性能随时间的变化过程就产生差异。一种不同空间点处的土壤入渗性能的曲线如图2所示，在Ht3时刻，水流到达的3个同心圆环半径分别是r。r2、r3。各位置水流到达的时间是不同的，但各个位置上的入渗性能与时间的函数关系是一样的，相当于各入渗性能曲线随水流到达时间的先后平移。因此在同一时刻，不同空间点上土壤入渗性能存在差异，某一时刻土壤入渗率的空间分布曲线如图3所示。在^时刻，水流刚到达n,此时^处的土壤入渗性能是很大的初始入渗性能；在t2时刻，水流刚到达。，r2处的入渗性能是很大的初始入渗性能，而此时n处的入渗性能由图l中给出的曲线可以看出已经降低为i2;当时间持续到t3时，t3处的入渗性能是很大的初始入渗性能，n和r2处的入渗率按照图l的趋势已分别减小至i3和i2。为了推导计算模型，假设在不同部位的土壤具有相同的入渗性能。运用水量平衡原理得出在入渗过程中入渗率与供水流量的关系如公式(1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(1)其中，q为水流流量，单位为1/h;i为入渗率，单位为mm/h;r为湿润半径，单位为mm;K^l为量纲转换系数。公式(1)表明，任意时刻供给的水流流量q等于该时刻的入渗率对该时刻对应的湿润面积的积分，将湿润面积用圆形面积计算公式代替得到公式(1)。由公式(1)所表示的积分方程的精确解析解，求出入渗率函数i(t)存在一定的困难。可以做近似计算如下选择较小的时间间隔即较小的半径增量步长，在各时段以及半径增量段内，取入渗为平均值，可以递推得到i(t)的近似估计值。具体计算过程可以表述如下设112、t3........tn时刻相应的湿润半径分别为n、r2、r3........rn,湿润半径增量分别为AivAr2、Ar3........Arn,对应的入渗率分别为ii、i2、i3........in,水流流量为q=qi、q2、q3.......、qn(取为常数)，由公式(1)可得"时段水流流量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>12时段水流流量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>t3时段水流流量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>tn时段水流流量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(2)由公式(2)得到不同时间的入渗率为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(3)其中，in为tn时刻对应的土壤入渗率；qn为、时刻对应的水流流量；ij为tj时刻对应的土壤入渗率；；jw为U.jw时刻对应的土壤湿润半径；rn.j为tn.j时刻对应的土壤湿润半径；Arn.j+1为tn.j+1时刻对应的土壤湿润半径增量；n为t,时刻对应的土壤湿润半径。从图2中可以看出在t2时刻，水流向前推进的距离增加Ar2,此处的入渗率与在^时间内水流向前推进的距离^上的h时刻的入渗率相同，为h。而此时n半径上的入渗率降低，为i2。其他时间段也与此类似。本发明实施例的一种土壤入渗性能的测量系统如图4所示，包括恒流供水装置、点源入流器、土壤存储装置和计时装置。恒流供水装置与点源入流器连接，用于以恒定的流量向所述点源入流器供水，并监测输出的水量；点源入流器放置在土壤存储装置存储的土壤表面，用于使所述恒流供水装置提供的水流以点源入流方式进入所述土壤；土壤存储装置用于存储土壤，并监测土壤湿润锋；计时装置，用于记录与所述恒流供水装置提供的水量和土壤湿润锋对应的时间。恒流供水装置包括水存储单元、水流输出单元和水量监测单元。水存储单元用于存储水；水流输出单元与所述水存储单元连接，用于将所述水存储单元存储的水以恒定的流量输出到所述点源入流器；水量监测单元用于监测所述水存储单元中的水量。本实施例中，恒流供水装置为带有刻度的马氏瓶。可以通过调节马氏瓶出水口与进气口之间的距离控制水流流量，因为水流的流量取决于静水压，静水压是指马氏瓶中接触空气的两个液面间的高差，这个高度差越大，静水压越大，水流的流量就越大。点源入流器包括点源转换单元和土壤结构保持单元。点源转换单元与所述水流输出单元连接，用于将所述恒流供水装置提供的水转换为点源形式，并通过土壤结构保持单元进入土壤；土壤结构保持单元放置在所述土壤表面，用于防止转换为点源形式的水对所述土壤的直接打击，保持点源下土壤的原状性。本实施例中，点源转换单元为直径为1毫米的针头，所述土壤结构保持单元为直径为l厘米的圆形海藻棉。海藻棉直接放置在土壤表面，水流先由针头流到海藻棉上，然后进入土壤。这样保证了水流的点源入流条件，又防止点源中的水流对土壤表面的直接打击作用，保证了点源下土壤的原状性。土壤存储装置包括土槽和土壤湿润锋监测单元。土槽用于存储土壤；土壤湿润锋监测单元用于监测土壤湿润锋。本实施例中，土槽为边长39cm、高为30cm的等边三角形透明有机玻璃槽，所述土槽为中空透明的底面为等边三角形的柱形结构，其底端封闭，顶端开口；土壤湿润锋监测单元为贴于所述土槽开口处的透明胶片，用于记录土壤湿润锋随时间推进的过程。本实施例中，所用土壤为砂壤土，取自北京巿通州区永乐店农田的表层土壤(0-30cm),土壤颗粒组成为砂粒69.19%，粉粒17.4%,粘粒13.41%。装在土槽中的土壤需要具有相同的容重，因此先将土样风干并过2mm筛子，按1.26g/cm3的天然容重将处理好的土壤以5cm一层的厚度装入水平放置的土槽内。每层土壤装入后，均匀分布土壤，使各处的土壤达到同一容重。每次在装入下一层土之前，用工具将土壤表面打毛，避免两层土壤之间出现断层，影响水流在土壤中的运动。整个土槽的装土深度为27cm。当采用图4所示的土壤入渗性能的测量系统时，本发明实施例的一种土壤入渗性能的测量方法的流程如图5所示，本实施例包括以下步骤步骤s501,将马氏瓶灌水，关闭放水管及通气管，放置在支柱上。步骤s502，记录马氏瓶中的初始水量读数。步骤S503，将恒定流量的水以点源入流方式输出到土壤，并同时用计时装置(本实施例中为秒表)开始计时。步骤s504,在计时装置开始计时后的0、1、2、4、6、8、12、16、21、31、41、56、71、86、116分钟时，分别记录马氏瓶中的水量读数和土壤湿润锋位置。步骤s505,获取水的水流流量。即用马氏瓶中的初始水量读数减去设定时间点的马氏瓶中的水量读数，再除以计时装置到所述设定时间点的读数。本实施例釆用恒定流量为0.411/h的流量，通过调节马氏瓶进气口与出水口的高差来控制马氏瓶的流量，即在水流输出过程中保持马氏瓶位置与点源入流器位置固定。步骤s506，根据对应时间的土壤湿润锋位置，获取对应时间的土壤湿润半径，该半径为对应时间的土壤湿润锋位置到点源入流点的距离的长度。步骤s507，根据水流流量和对应时间的土壤湿润半径，获取对应时间的土壤入渗率。具体包括将输出水的时间由tpt2......W时刻分为m个时间段，本实施例中tpt2……tm分别为计时开始后的0、1、2、4、6、8、12、16、21、31、41、56、71、86、116分钟。tn时刻对应的土壤入渗率由公式(4)-^-^-(n=l,2,……m)(4)获取；其中，in为tn时刻对应的土壤入渗率；k为流量系数，本实施例中采用k=6(360°/n，本发明实施例中点源入流处角度为n=60°);q。为t。时刻对应的水流流量；i」为tj时刻对应的土壤入渗率；rn_j+1为tn-j+i时刻对应的土壤湿润半径；^j为tn-j时刻对应的土壤湿润半径；AiVj+,为tn.j+1时刻对应的土壤湿润半径增量；r!为t！时刻对应的土壤湿润半径。测量完成后，本发明实施例的一种土壤湿润半径随时间变化的曲线如图6所示。由图6可知，土壤湿润半径增加的速度与水流流量成正比，即水流流量越大，土壤湿润半径增加的越快。将测试数据用拟合方程(5)进行拟合。」=M(7V-"')(5)从图6中可以看出，方程(5)很好地描述了该试验得到的试验数据。拟合结果、参数及确定系数的具体数值见表l。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>从表l中可以看到，测量数据的拟合确定系数为0.978，表明该拟合方程很好地描述了点源下土壤湿润半径随时间变化的规律。而且从方程(5)中可以看出，当时间t趋于无穷大时，土壤湿润半径趋于一个稳定值MN,对应于土壤入渗率达到稳定入渗率。同时，MN值与时间t的系数-n均随流量的增大而增大。由测量得到的土壤湿润半径随时间推进的数据以及方程(4)，可以计算得到对应的土壤入渗率与时间之间的关系曲线，该曲线如图7所示。从图7中可以看出，在流量为0.411/h时得到的稳定土壤入渗率与初始土壤入渗率分别为13.3mm/h和391.77mm/h。验证了该方法的准确性，即在该试验过程中，保证了点源下土壤一直处于充分供水的条件一供水强度大于土壤入渗性能。同时，测量得到的数据完整地描述了土壤入渗性能随时间变化的过程。在入渗初期，土壤入渗性能很高(图1),水流很快地进入土壤，土壤湿润半径很小(图1);随着时间的推移，土壤入渗性能降低，之前湿润的圆形面积上水流进入土壤的速度降低，土壤达到饱和，多余的水量流入湿润面积的外围，土壤湿润半径相应扩大。当土壤入渗性能达到稳定入渗率时，水流开始以一个稳定的速度进入土壤，此时的土壤湿润半径达到最大，水流开始稳定地通过这个圆形湿润面积进入土壤，即土壤湿润半径也达到稳定。下面对本实施例测量的误差进行分析，误差分析的基本原理是水量平衡原理。通过比较总供水量Q,(马氏瓶供水量)与测量计算得到的累积入渗量Q2，计算得到该测量的相对误差S。总供水量可以从马氏瓶的初始刻度与最终刻度的读数中得到(6)其中，Q,为总供水量，单位为升；Wi为马氏瓶的最终读数，单位为升；W2为马氏瓶的初始读数，单位为升。计算得到的累积入渗量Q2是将测量得到的各个时刻的土壤入渗率还原为每一时间步长t,增加的土壤湿润半径Arj上的圆环的累积入渗量qi，最后将各个圆环面积上的累积入渗量求和得到整个测量过程中土壤的累积入渗量。累积入渗量的具体表达式如公式(7)所示込=2;r|%〔f《,，/"V/)A(7)计算过程中要首先得到每块湿润圆环面积上在测量过程中的累积入渗量I,累积入渗量I由公式(8)获取/=(8)其中，I为累积入渗量；i为入渗率，单位为mm/h;T为测量持续时间，单位为h。从公式(8)可以看出累积入渗量I是湿润半径的函数。该测量的相对误差S由公式(9)获取込-G:100%(9)込本实施例中计算得到的该测量的相对误差S如表2所示:<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>从表2中可以看出该测量方法的精度非常高，相对误差为0.15%,证明了该方法的合理性与准确性。由以上实施例可以看出，本发明实施例通过将水流以点源入流方式输出到土壤，并根据水流流量和对应时间的土壤湿润半径，获取对应时间的土壤入渗率，满足了试验过程中充分供水的条件，而且保证了土壤的原状性，从而能够简单、精确地测量土壤入渗性能。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。权利要求1、一种土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述系统包括恒流供水装置，与点源入流器连接，用于以恒定的流量向所述点源入流器供水，并监测输出的水量；点源入流器，放置在土壤存储装置存储的土壤表面，用于使所述恒流供水装置提供的水流以点源入流方式进入所述土壤；土壤存储装置，用于存储土壤，并监测土壤湿润锋；计时装置，用于记录与所述恒流供水装置提供的水量和土壤湿润锋对应的时间。2、如权利要求1所述土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述恒流供水装置包括水存储单元，用于存储水；水流输出单元，与所述水存储单元连接，用于将所述水存储单元存储的水以恒定的流量输出到所述点源入流器；水量监测单元，用于监测所述水存储单元中的水量。3、如权利要求2所述土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述恒流供水装置为带有刻度的马氏瓶。4、如权利要求2所述土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述点源入流器包括点源转换单元，与所述水流输出单元连接，用于将所述恒流供水装置提供的水转换为点源形式，并通过土壤结构保持单元进入土壤；土壤结构保持单元，放置在所述土壤表面，用于防止转换为点源形式的水对所述土壤的直接打击，保持点源下土壤的原状性。5、如权利要求4所述土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述点源转换单元为直径为1亳米的针头，所述土壤结构保持单元为直径为l厘米的圆形海藻棉。6、如权利要求1所述土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述土壤存储装置包括土槽，用于存储土壤；土壤湿润锋监测单元，用于监测土壤湿润锋。7、如权利要求6所述土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述土槽为中空透明的底面为等边三角形的柱形结构，所述土槽的底端封闭，顶端开口；所述土壤湿润锋监测单元为贴于所述土槽开口处的透明胶片。8、如权利要求1至7任一项所述土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述土壤具有相同的容重。9、一种土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，包括以下步骤:将恒定流量的水以点源入流方式输出到土壤的步骤；从所述水的输出开始计时的步骤；获取所述水的水流流量的步骤；监测对应时间的土壤湿润锋的步骤；根据所述对应时间的土壤湿润锋，获取对应时间的土壤湿润半径的步骤；根据所述水流流量和对应时间的土壤湿润半径，获取对应时间的土壤入渗率的步骤。10、如权利要求9所述土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，在所述根据水流流量和对应时间的土壤湿润半径获取对应时间的土壤入渗率的步骤中，具体包括将输出水的时间由ti，t2……tm时刻分为m个时间段；tn时刻对应的土壤入渗率由公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>获取；其中，in为tn时刻对应的土壤入渗率；k为流量系数；qn为tn时刻对应的水流流量；ij为tj时刻对应的土壤入渗率；rn-jw为tn.j+1时刻对应的土壤湿润半径；rn.j为tn.j时刻对应的土壤湿润半径；△rn-j+1为tn.j+1时刻对应的土壤湿润半径增量;n为h时刻对应的土壤湿润半径。全文摘要本发明公开了一种土壤入渗性能的测量系统，包括恒流供水装置，与点源入流器连接，用于以恒定的流量向所述点源入流器供水，并监测输出的水量；点源入流器，放置在土壤存储装置存储的土壤表面，用于使所述恒流供水装置提供的水流以点源入流方式进入所述土壤；土壤存储装置，用于存储土壤，并监测土壤湿润锋；计时装置，用于记录与所述恒流供水装置提供的水量和土壤湿润锋对应的时间。本发明还公开了一种土壤入渗性能的测量方法。本发明通过将水流以点源入流方式输出到土壤，并根据水流流量和对应时间的土壤湿润半径，获取对应时间的土壤入渗率，满足了试验过程中充分供水的条件，而且保证了土壤的原状性，从而能够简单、精确地测量土壤入渗性能。文档编号G06F19/00GK101221117SQ20081005666公开日2008年7月16日申请日期2008年1月23日优先权日2008年1月23日发明者汗刘,原翠萍,毛丽丽,闫丽娟,雷廷武申请人:中国农业大学