一种测量土石混合物入渗过程的方法与流程

本发明涉及土石混合物入渗性能测量技术领域，尤其涉及一种测量土石混合物入渗过程的方法。

背景技术：

因成土过程和人类活动的影响，许多土壤中含有一定量的碎石(2mm<土壤颗粒<75mm的组分，美国土壤分类系统)，碎石的存在改变了土壤水分运动通道和过水断面，增加土壤孔隙的弯曲程度，进而影响土壤入渗性能；有研究表明，碎石的存在会使得土壤持水特性发生改变，影响土壤的水分入渗以及田间水分含量和植物生长，对提高干旱、半干旱地区的生产力具有重要作用；也有研究发现含碎石土壤易于形成集中流，导致强烈的土石混合物侵蚀，土石混合物流失直接造成土壤肥力下降，土地沙化加剧；与土壤基质相比，土石混合物对降水的入渗水量、植物根系吸水、水分蒸发及土石混合物水分对植物的有效性均产生较大的影响；因此，对土石混合物的入渗性能、土石混合物水分特征、土石混合物导水率的研究一直受到水文、生态、农田灌溉、土壤侵蚀及土壤物理等领域国内外科研工作者的广泛关注。

目前，对土石混合物入渗过程的测量多采用传统的测量方法，如人工降雨法、垂直一维土壤入渗法及双环入渗仪法等；如陈子华等采用双环入渗仪测量土石混合物入渗性能，测量时长为4小时；王小燕等采用人工降雨实验分析碎石含量对入渗的影响，将实验进行2个小时；王慧芳采用垂直一维土壤入渗研究碎石直径对土石混合物入渗的影响，每组实验进行5个小时左右；周蓓蓓为研究碎石含量及直径对土石混合物入渗的影响，每组垂直一维土壤入渗实验延长到5-8个小时。

为获得更为准确的土石混合物入渗过程，研究者尽可能地延长测量时间，然而，较长的测量时间不仅耗费人力和物力，同时也会降低测量效率；因此，考虑到传统方法需要较长的时间测量，较高的需水量和较低的测量效率，寻求一种准确获取土石混合物入渗性能的实验方法变得极其重要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种能够快速准确地获取土石混合物入渗性能过程的实验方法，能够在饱和导水率确定之后利用短时间内测量得到的土石混合物入渗率，确定修正的kostiakov入渗模型的参数，而后与饱和导水率结合，用修正的kostiakov入渗模型确定完整的土石混合物入渗过程；测量方法对提高测量效率、节约测量过程中的用水量和降低劳动成本具有重要意义。

土石混合物入渗模型的参数能够被一次具体的入渗曲线标定，因此，一个标定参数的入渗模型是与一次具体的入渗测量对应，参数与时间无关，如果选用初始入渗数据确定模型参数，那么确定参数的模型能够预测该条件下的完整土石混合物入渗过程，缩短测量时间。

吴海姣运用kostiakov模型和修正的kostiakov模型研究不同碎石掺入比例的土石混合物入渗速率随时间变化曲线，发现kostiakov模型与修正的kostiakov模型均能较好地表达土石混合物的入渗过程，修正的kostiakov模型与实测曲线更为接近，相关系数较kostiakov模型的相关系数更为接近1。因此，本研究选用修正的kostiakov模型快速计算土石混合物入渗过程。

本发明的目的是这样实现的：一种测量土石混合物入渗过程的方法，包括如下步骤：

1)将滤纸放置在土柱底部，避免填土洒落同时又形成透气边界；

2)土柱每5cm一层进行填土，填土前按土石混合容重和体积计算该层土石混合物所需碎石、土壤质量，将称重后的土样放在土柱中，再压实到5cm刻度处；

3)将土柱固定在一定高度上，由马氏瓶供水进行入渗试验；

4)由秒表按1-150min同时记录马氏瓶内水位和土柱内湿润锋运移情况，计算土石混合物入渗性能曲线；

5)按相同容重、碎石直径和碎石含量在环刀内填装土石混合物，放入水中浸泡并饱和24小时；

6)采用常水头测量土石混合物饱和导水率，由电子秤称取每5min的出流量，每种土石混合物的饱和导水率测量三次重复。

所述的土柱是由直径29cm，高度60cm的圆柱组成，最底部分布5mm的细孔，形成透气边界。

所述的填装土柱高度55cm，预留水头高度3cm。

所述的碎石由两种规格的碎石组成，分别为直径为2-4mm、容重为2.52g/cm³的碎石和直径为1-2cm、容重为2.65g/cm³的碎石。

所述的装填土壤为风干土，土壤容重控制在1.2g/cm³。

所述的碎石含量为0、10％、20％、30％、40％，其中碎石含量0为对照组试验。

所述的土石混合物入渗过程由修正的kostiakov模型计算，计算公式如下：

i＝at^-b+i∞(1)

式中：i是土石混合物入渗率，mm/h；i∞是稳定入渗率可由饱和导水率ks代替，当土体完全饱和时才能达到稳定入渗率即饱和导水率，能够由传统的测量方法测量得到；a,b是拟合参数；

当移去修正的kostiakov模型中稳定入渗率时，只剩下a,b值需要确定；因此，确定方程中的两个数据点即可确定两个未知参数，未知参数确定后，可用该模型计算完整的入渗过程。参数值可由公式(2)、(3)确定；

im-i∞＝atm^-b(2)

in-i∞＝atn^-b(3)

式中，im是初始时刻m的土石混合物稳定入渗率，in是初始时刻n的入渗率。

计算得出a,b的参数值，当土石混合物的饱和导水率ks和a,b值确定之后，修正的kostiakov模型就能够计算出不同时刻的入渗率。

本发明产生的有益效果：本发明公开了一种测量土石混合物入渗过程的方法，利用修正的kostiakov模型能准确快速地获取土石混合物入渗性能，在很大程度上缩短测量时间，节约用水量，降低劳动成本，提高测量效率，具有很强的应用前景。

附图说明

图1为对照组实验土石混合物入渗率的计算值与实测值对比图。

图2为碎石直径2-4mm、碎石含量为10％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图3为碎石直径2-4mm、碎石含量为20％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图4为碎石直径2-4mm、碎石含量为30％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图5为碎石直径2-4mm、碎石含量为40％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图6为碎石直径1-2cm、碎石含量为10％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图7为碎石直径1-2cm、碎石含量为20％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图8为碎石直径1-2cm、碎石含量为30％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图9为碎石直径1-2cm、碎石含量为40％的土石混合物入渗率计算值与实测值对比图。

图10为对照组在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图11为对照组在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图12为碎石直径2-4mm、碎石含量10％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图13为碎石直径2-4mm、碎石含量10％的土石混合物30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图14为碎石直径2-4mm、碎石含量20％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图15为碎石直径2-4mm、碎石含量20％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图16为碎石直径2-4mm、碎石含量30％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图17为碎石直径2-4mm、碎石含量30％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图18为碎石直径2-4mm、碎石含量40％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图19为碎石直径2-4mm、碎石含量40％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图20为碎石直径1-2cm、碎石含量10％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图21为碎石直径1-2cm、碎石含量10％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图22为碎石直径1-2cm、碎石含量20％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图23为碎石直径1-2cm、碎石含量20％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图24为碎石直径1-2cm、碎石含量30％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图25为碎石直径1-2cm、碎石含量30％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图26为碎石直径1-2cm、碎石含量40％的土石混合物在0-30min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图27为碎石直径1-2cm、碎石含量40％的土石混合物在30-150min时段入渗率测量值与计算值对比图。

图28为碎石直径2-4mm的土石混合物达到稳定入渗所需时间图。

图29为碎石直径1-2cm的土石混合物达到稳定入渗所需时间图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施方式做进一步详细阐述。

1)将滤纸放置在最底部分布有5mm细孔、直径为29cm、高度为60cm的圆柱形土柱底部，避免填土洒落同时又形成透气边界；

2)土柱每5cm一层进行填土，填土前按土石混合容重和体积计算该层土石混合物所需碎石、土壤质量，将称重后的土样放在土柱中，再压实到5cm刻度处，其中，装填土壤为风干土，碎石由两种规格的碎石组成，分别为直径为2-4mm、容重为2.52g/cm³的碎石和直径为1-2cm、容重为2.65g/cm³的碎石；

3)将填装土柱固定在55cm高度上，预留水头高度3cm，由马氏瓶供水进行入渗试验；

4)由秒表按1-150min同时记录马氏瓶内水位和土柱内湿润锋运移情况，计算土石混合物入渗性能曲线；

5)按相同容重、碎石直径和碎石含量在环刀内填装土石混合物，放入水中浸泡并饱和24小时，土壤容重控制在1.2g/cm³，碎石直径为2-4mm和1-2cm，碎石含量为0、10％、20％、30％、40％，其中碎石含量0为对照组试验；

6)采用常水头测量土石混合物饱和导水率，由电子秤称取每5min的出流量，每种土石混合物的饱和导水率测量三次重复。

土石混合物入渗过程由修正的kostiakov模型计算，计算公式如下：

i＝at^-b+i∞(1)

式中：i是土石混合物入渗率，mm/h；i∞是稳定入渗率可由饱和导水率ks代替，当土体完全饱和时才能达到稳定入渗率即饱和导水率，能够由传统的测量方法测量得到；a,b是拟合参数；

当移去修正的kostiakov模型中稳定入渗率时，只剩下a,b值需要确定；因此，确定方程中的两个数据点即可确定两个未知参数，未知参数确定后，可用该模型计算完整的入渗过程。参数值可由公式(2)、(3)确定；

im-i∞＝atm^-b(2)

in-i∞＝atn^-b(3)

式中，im是初始时刻m的土石混合物稳定入渗率，in是初始时刻n的入渗率。

计算得出a,b的参数值，当土石混合物的饱和导水率ks和a,b值确定之后，修正的kostiakov模型就能够计算出不同时刻的入渗率。

不同碎石含量土石混合物的饱和导水率测量结果见表1。

表1不同碎石含量土石混合物饱和导水率测量结果

表1中不同容重、不同碎石含量和碎石直径的土石混合物饱和导水率偏差均小于0.2mm/h，因此，饱和导水率的测量具有较高的准确性和准确度。根据不含碎石土壤饱和导水率和不同直径土石混合物的计算结果显示：不含碎石土石混合物的饱和导水率最大；含碎石土石混合物的饱和导水率随着碎石含量的增加，饱和导水率呈减少趋势；碎石直径越大，饱和导水率越小。

土石混合物入渗率由公式(4)计算，

式中，δt为记录水位的间隔时间，min；δq为δt时段内马氏瓶供水量，cm³；a为入渗面积，即实验土柱的横截面积，cm²。

选取初始点2,5,11min时的入渗率计算参数(2)和(3)式中的a,b值，计算结果如表2和3所示。

表2对照组计算的修正的kostiakov模型中的a,b值

表3土石混合物拟合修正的kostiakov模型中的a,b值

当土石混合物的饱和导水率和a,b值确定之后，修正的kostiakov模型就能够计算不同时刻的入渗率。

图1-9表明各实验工况的入渗率实测值与计算值非常接近，对照组试验比例系数0.9659-0.9760，相关系数0.9781-0.9830；碎石直径2-4mm比例系数0.9133-1.0095，相关系数0.9186-0.9949；碎石直径1-2cm比例系数0.9371-1.0191，相关系数0.9028-0.9972。综上对照组与含碎石土石混合物的实测值与计算值相关系数均大于0.9，相关系数均大于0.9。计算结果表明新提出的快速确定土石混合物的入渗性能的方法能根据前11min的入渗率很好地计算完整的入渗性能曲线。

为了进一步验证快速计算方法，0-30min和30-150min的入渗率实测值与计算值分别进行对比，比例系数与相关系数列于表4、5。

表4对照组试验不同时段入渗率的测量值与计算值之间的比例系数和相关系数

表5不同时段土石混合物入渗率的测量值与计算值之间的比例系数和相关系数

图10-11为对照组试验不同时段入渗率测量值与计算值对比图，图12-18为碎石直径2-4mm的土石混合物在不同时段入渗率测量值与计算值对比图，图19-27为碎石直径1-2cm的土石混合物在不同时段测量值与计算值对比图，表4-5显示各实验状况下，不同时段土石混合物入渗率的测量值与计算值之间的比例系数和相关系数，当碎石含量0时，0-30min比例系数0.9864-1.0030，相关系数0.9826-0.9845；30-150min比例系数0.8242-0.8701，相关系数0.8773-0.8933。前30min的相关系数均大于0.98，而30-150min之间的相关系数介于0.87-0.9之间，说明试验在前30min时入渗率较快，入渗进行30min之后，入渗率降低，变化缓慢，测量值呈连续缓慢减小。

当土石混合物中含碎石直径2-4mm时，0-30min比例系数0.9328-0.9996，相关系数0.8715-0.9970；30-150min比例系数0.8969-1.1884，相关系数0.5017-0.9775。

当土石混合物含1-2cm时，0-30min比例系数0.9088-1.0304，相关系数0.9357-0.9809，30-150min比例系数0.8427-1.1733，相关系数0.5987-0.9494。

土石混合物的拟合情况较不含碎石土壤拟合情况较差，土石混合物入渗率在30min之后不是连续变化，呈阶段性减少，而计算值是连续减少。碎石直径小的拟合情况越好，原因在于2-4mm碎石在土壤内部会改变土壤孔隙状况，使土壤抗挤压能力增强，更容易形成大孔隙，入渗率呈缓慢减小，测量值整体上呈连续缓慢减小；直径1-2cm碎石镶嵌在土壤中会减小土壤过水断面，增加孔隙弯曲程度，使水分运动通道曲折复杂，入渗率在30-150min整体上呈减少趋势，但波动较大，拟合效果较2-4mm碎石相对较差。

根据公式(2)、(3)表明，当瞬态入渗率过程趋于零时，土石混合物入渗率达到最终稳定状态不随时间变化，当时间t趋于无穷大时，瞬时入渗率趋于零，i达到最终入渗率即土石混合物饱和导水率，瞬态入渗率的衰减速度随时间的增加而减小，在入渗后半部分变得更小，依据公式(5)瞬态部分可由公式(6)表达，

atj^-b＝ij-ks≤1(5)

tj^-b≤1/a(6)

式中a,b值采用的是表3中不同时间点计算的a,b值的平均值。

图28和图29分别表示碎石直径2-4mm和碎石直径1-2cm的土石混合物达到稳定入渗所需时间，随着时间的增加，瞬态入渗率的衰减速度逐渐减小，在入渗后半部分变得更小。碎石含量越大达到稳定入渗时间越短；碎石粒径越小达到稳定入渗时间越短。经计算，土石混合物达到稳定入渗时间需要5天以上。

根据实测获得真正的土石混合物稳定入渗率需要较长的时间，增加了实际测量的困难性。利用修正的kostiakov模型能准确快速地获取土石混合物入渗性能，在很大程度上缩短测量时间，节约用水量，降低劳动成本，提高测量效率，具有很强的应用前景。