[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

说明书

本发明公开了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，包括水平渗吸过程和水平穿透过程连续过程中测定扩散度试验；通过监测水平土柱中渗吸过程中总入渗水量及各水平位置含水率；未形成边界出流前，绘制θ～η关系曲线并基于实测值进行修正；按一定的θ值分割θ～η曲线，用图解分析法求D(θ)值；形成边界出流后，由水平渗吸过程转化为水平穿透过程，测定不同位置土壤基质势以及右侧边界通量，确定扩散系数。本项发明解决现有测试方法测试原理中需要对非饱和水分扩散度D(θ)～θ非线性关系近似线性化、以及测量误差控制的问题，信息明确直观，且在该领域具有独创性。

技术领域

本发明涉及土壤水分运动研究技术领域，特别是涉及一种非饱和土壤水分扩散度的测定方法。

背景技术

随着社会的进步与经济的快速发展，有关水资源的矛盾和问题日益尖锐，进一步加大了经济社会可持续发展面临水资源短缺的压力，如何保持农业的可持续发展和水资源的有效利用率成为亟待解决的问题。研究土壤水分运动与综合利用成为社会发展中的重要课题。土壤水分运动是一个复杂的过程，与灌溉方式、土壤条件和外界环境等众多因素密切相关。土壤水分扩散度是土壤水分运动方程的重要参数，现有的土壤扩散度的测定方法可以归纳为2类。

第一类方法：

以土壤含水率θ为变量的土壤水分运动方程为：

其中，θ为土壤含水率，x和t分别为空间和时间坐标，D(θ)为土壤扩散度，K为水力传导度。

现有的方法将方程(1)由二次偏微分方程变化为二次常微分方程后，获得解析解。然后在解析解的对应的定解条件(边界条件和初始条件)下进行测试，根据测试过程中各监测点水分变化，基于解析解反演D(θ)。

第二类方法：

土壤扩散度D(θ)与土壤非饱和水力传导度和单位含水率变化下的水势变化之间的关系可以表示为：

其中，h为土壤基质势，θ为土壤含水率，K(θ)为土壤非饱和水力传导度，为单位含水率变化下的水势变化。

基于这一性质，通过测定土壤水分特征曲线确定和非饱和水力传导度K(θ)，根据(2)式确定D(θ)。

需要指出，对于第一类方法，由于解析解得求解需要，对于偏微分方程转化为常微分过程中需要对(1)式的右侧两项分别进行线性化处理，也就是用两个含水率之间的D(θ)的割线代替测点位置的切线，也就是说基于解析解测定的D(θ)实际上是一个含水率条件下的平均值，而不是与θ的直接对应值，尽管在D(θ)～θ关系接近线性关系时，并不会产生严重的误差，然而，对于大部分土壤，特别是D(θ)～θ表现出显著的非线性关系的土壤，误差就非常显著，而且，就测试理论而言，采用分段线性的方法近似D(θ)～θ这一非线性关系，是没有办法根本解决这一测试问题的。

对于第二类方法，由于无法实现同一含水率(或基质势下)的土壤特征曲线和非饱和水力传导度的同步测定。因此更多的情况下是根据拟合确定的土壤水分曲线和非饱和水力传导度关系，在某一含水率情况下直接计算D(θ)，这样D(θ)就受到土壤水分特征曲线测量误差、非饱和水力传导度测量误差、和土壤水分特征曲线拟合误差的影响，一些情况下(特比是土壤中粘粒含量超过30％)，误差与D(θ)在同一个数量级。

此外，这两种方法还存在一个共性问题，均不能实现非饱和含水率区间的完全覆盖，其中的原因在于：在土壤含水率较小的情况下，土壤中水流运动主要在土壤固体颗粒的分子力的作用下发生移动，而随着土壤含水率的增加，土壤毛管力的作用增强。由于作用力不同，土壤中非线性流动关系随着土壤质地的变化差异性很大。现有的方法的含水率的测定范围很难覆盖整个非饱和含水率区间。

如上所述，一套完整的测定土壤水分扩散度的系统还没有建立起来，无法为解决农业水资源高效利用等问题提供科学支持。