[发明专利]基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法

权利要求书

1.一种基于完全非线性流动过程响应的非饱和土壤水分扩散度的测定方法，其特征在于，通过水平渗吸过程测定和水平穿透过程测定，实现覆盖整个非饱和含水率范围的非饱和土壤扩散度测定，包括以下步骤：

步骤1，准备水平土柱试验装置，该水平土柱试验装置包括依次连通的供水平水装置、水室、水平土柱、渗出通量测定装置，供水平水装置用于控制土柱的作用水头，水平土柱由左至右均匀分隔成若干节子土柱，每节子土柱内布置土壤含水率及基质势测定传感器，各传感器与数据采集器连接；

步骤2，对非饱和土壤进行水平渗吸过程测定，具体实现如下：

①制备土样及装填土柱，准备好足够的试样，要求试样风干含水量；

②准备土柱，将试样按一定容重装填土柱，然后将土柱水平放置，并安装于水平土柱试验装置中；

③根据测试水头高度要求对供水平水装置进行水位设定；计时并记下供水平水装置初始水位读数；

④经过一定时间，且湿润锋面未达土柱末端之前，结束试验，此时停止供水平水装置对土柱的供水，记录整个试验的历时，总入渗水量和各点含水率；

形成边界出流后，由水平渗吸过程转化为水平穿透过程；

步骤3，对非饱和土壤进行水平穿透过程测定，具体实现如下：

在土柱进水边界形成出流后，在试验过程中变换土柱出水边界水头，测定不同时刻排水量并记录测定时刻t；

步骤4，根据步骤2中记录的总入渗水量及各点含水率绘制θ～η关系曲线，从该曲线可以算得总入渗水量，其值应与实测入渗水量相当，如果相差过大，则应该检查是否有计算错误，若差别不大，则可对θ～η曲线作局部的修正，使其尽量接近实测值；

步骤5，根据步骤4绘制的θ～η关系曲线，按一定的θ值分割θ～η曲线，用图解分析法求D(θ)值，并绘制D(θ)～θ曲线；

步骤6，根据步骤3中的水平穿透过程对应的试验数据，绘制关系曲线，根据其斜率，确定相应非饱和含水率区间的扩散系数。

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：对非饱和土壤进行水平渗吸过程测定，具体数据解析方法如下：

非饱和水平渗吸过程以土壤水分在水平半无限边界均质土柱中发生水平运动的情况下进行分析计算的；已知一维土壤水平运动微分方程为：

式中：θ是入渗时刻为t时与输入端即进水边界的水平距离为x处的土壤含水率，D(θ)为土壤扩散度；

对方程式(1)，采用Boltmann变换法，得：

式(2)反映D(θ_x)与θ_x的关系，θ_x为x处的含水率；通过水平土柱试验，在某一时刻t，测定不同距离x处的含水率θ_x，即可绘制θ～η曲线，基于θ～η关系曲线，采用图解法确定值后，采用公式(1)确定D(θ_x)～θ_x关系；其中，θ是与输入端即进水边界的水平距离为x处的土壤含水率；为了求解方程式(1)，采用Boltmann变换法，以一个新的变量即含x和t两个分离变量代入方程使之变为常微分方程；设θ(x，t)＝f[η(x，t)]，而令η(x，t)＝xt^-1/2。

3.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：对非饱和土壤进行水平穿透过程测定，具体数据解析方法如下：

维持某一负压水头H₀达到稳定后，瞬时加大负压值即增加ΔH的负压，然后测定试样的出流过程，利用多步法中的解和所介绍的资料分析方法确定扩散系数，

h＝－H₀，t＝0，0≤x≤l (4)

其中，K为水力传导度，D为扩散度，K_p为多孔板的导水率；ΔH为在开始时刻的瞬时变压值；l为试样的厚度；l_p为多孔板的厚度；h为土壤基质势；t为时间，x为水平方向坐标；

式(3)为不考虑试样的重力的土壤水运动方程，式(4)(5)(6)为定解条件；在这些定解条件下，得到：

式中，W_t和W_∞分别为t时刻的测定排水量和累积排水量，l为试样的厚度，其中，K_p，l_p分别为多孔板的导水率和厚度，Rl＝a₁tga₁；a和a₁分别为a_n的零阶和一阶级数项，当时可取级数的第一项，其误差仅1％；其中i为级数，P_n为土壤水分运动方程进行拉普拉斯变化后的常数项，D为平均扩散度；当Rl为定值时，则在半对数纸上呈直线关系，若直线与水平线夹角为β，其直线斜率为：

tanβ＝-0.4343a₁² (8)

因此，根据实测右侧边界的排水过程，据绘制关系曲线，根据其斜率，即可求得扩散度D值。