本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用壓力板/壓力膜出流法測定非飽和土壤水動力參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

隨著水資源和環(huán)境等問題的日漸突出，針對土壤中水分運動的研究已經(jīng)成為重要的課題。土壤水分運動是一個復(fù)雜的過程，與灌溉方式、土壤條件和外界環(huán)境等眾多因素密切相關(guān)，土壤水分狀況直接或間接影響土壤氣、熱河溶脂的狀況，關(guān)系到農(nóng)作物收貨情況、土壤肥力以及土壤內(nèi)部的物理、化學(xué)及生物過程，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)的準(zhǔn)確測量和研究具有重要意義。

求解非飽和土壤水分運動方程進而預(yù)報非飽和土壤水分運動必須首先獲得土壤水分運動參數(shù)，參數(shù)的準(zhǔn)確性決定于這些參數(shù)相關(guān)的水分運動模型的可靠性。

非飽和土壤水分運動參數(shù)，即非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)，包括土壤水分特征曲線，水力傳導(dǎo)度和擴散度，這些參數(shù)涵蓋了所有的非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)。盡管針對土壤水分特征曲線、擴散度、水力傳導(dǎo)度參數(shù)，亦有大量的測定方法，但是并沒有一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)所有非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)的同步測定。實現(xiàn)所有非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)的同步測定對于求解非飽和土壤水分運動方程是非常有利的，因為，在模擬非飽和土壤水分運動，在每一個節(jié)點，所有的水動力參數(shù)對應(yīng)的節(jié)點狀態(tài)都是一致的，而這與同步測定方法是一致的。采用不同的方法，對不同的水動力參數(shù)進行分別測定，則無法保障參數(shù)的對應(yīng)節(jié)點狀態(tài)一致性。在理論上，本發(fā)明所提出的測試方法對于求解非飽和土壤水流運動方程式更為有利的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用壓力板/壓力膜出流法測定非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)的方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)土壤水分特征曲線、擴散度、水力傳導(dǎo)度的同步測定，為更加精準(zhǔn)預(yù)報非飽和土壤水分運動，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)的準(zhǔn)確測量提供支持。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案具體如下：

一種用壓力板/壓力膜出流法測定非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)的方法，包括以下步驟：

步驟1，將土樣飽和后放在壓力板提取器或壓力膜提取器內(nèi)，加壓至設(shè)定的最大壓力；

步驟2，加壓過程中加壓值的大小根據(jù)水分特征曲線變化特性，控制每次加壓值，開始時每次加壓值小于0.1bar，以后每次加壓值逐漸加大至0.5bar～1.0bar；

步驟3，每次加壓后，土樣開始排水；僅測定水分特征曲線的情況下，則一直加壓至土樣不再排水為止，測定在該壓力下總排水量即可；若要求擴散度d或水力傳導(dǎo)度k，則必須要量測排水過程；在觀測排水過程時，加壓初期，排水量較大，觀測次數(shù)和時間間隔應(yīng)滿足精確測定排水通量的需要；

步驟4，在加壓至設(shè)定最大壓力時，停止加壓，將土樣取出并稱重，稱重后烘干，再稱重，可求得最后壓力時的含水率；

步驟5，測定水分特征曲線h～θ，擴散度d，水力傳導(dǎo)度k及容水度c，具體實現(xiàn)如下：

①測定水分特征曲線：

由步驟4可求得在設(shè)定最大壓力時的含水率，根據(jù)最后一個壓力與前一個壓力之間的排水量，則可推算這一壓力下的含水率，并逐步向前推算不同壓力下含水率，從而求得h～θ曲線，即水分特征曲線，h表示壓力，θ表示含水率；

②測定擴散度d，水力傳導(dǎo)度k及容水度c，具體實現(xiàn)如下：

當(dāng)加某一壓力時，量測其不同時刻t的排水量wt及排水總量w∞，繪制關(guān)系曲線，其中l(wèi)為測試土樣的長度，當(dāng)rl為定值時，則在半對數(shù)紙上呈直線關(guān)系，求得直線的斜率tanβ′和直線在軸上的截距值，由測定的值根據(jù)由解析解確定的標(biāo)準(zhǔn)曲線，其中，kp，lp分別為多孔板滲透系數(shù)和厚度，k(θ)為土壤含水率為θ的水力傳導(dǎo)度，求得相應(yīng)的rl值，再由rl值根據(jù)tanβ～rl標(biāo)準(zhǔn)曲線求得tanβ值，進一步根據(jù)公式求得d(θ)值，d(θ)值即為該壓力和含水率下的擴散度；

然后求每一個壓力及其相應(yīng)含水率下的d(θ)值，即可繪制出d～θ曲線；

求得每一個壓力及其相應(yīng)含水率下的d(θ)后，根據(jù)公式式中，v和δh分別土樣的體積以及壓力的變化量，b為平均容水度，和公式k(θ)＝d(θ)c(h)，求得每一個壓力及其相應(yīng)含水率下的c(h)和k(θ)，最終繪制出c～θ曲線以及k～θ曲線。

上述步驟1中，按一定容重配制好土樣，直接用擾動土樣或原狀土樣即不擾動土樣進行試驗，將土樣放在多孔陶土板上，使其飽和；飽和方法為，先將多孔陶土板浸泡在水中1～2天，使其充分飽和，然后放上土樣，通過下邊界滲析的方法，使土樣飽和，同時在飽和過程中充分的排出土壤中的氣體。

上述步驟1中，若要做土壤基質(zhì)勢中低壓區(qū)實驗，所述中低壓是指壓力﹤5bar，將土樣放置在多孔陶土板上，然后一同放入5bar壓力板提取器內(nèi)，多孔陶土板置于氯丁橡膠隔膜之上，封閉壓力板提取器后加壓；若要做土壤基質(zhì)勢高壓區(qū)試驗，所述高壓是指壓力為5～15bar，將土樣放在多孔陶土板上，陶土板置于纖維素薄膜上，放到15bar壓力膜提取器內(nèi)，封閉壓力膜提取器后加壓。

本發(fā)明還提供一種用壓力板/壓力膜出流法測定非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)的方法，包括以下步驟：

步驟1，將土樣飽和后放在壓力提取器內(nèi)加壓至要求的壓力；

步驟2，加壓過程中加壓值的大小根據(jù)水分特征曲線變化特性，控制每次加壓值，開始時每次加壓值小于0.1bar，以后每次加壓值逐漸加大至0.5bar～1.0bar；

步驟3，達(dá)到穩(wěn)定時，即土樣不再排水后，取出部分土樣稱重并烘干，測定其含水率；

步驟4，將土樣再飽和后，進行分次加壓，測定水分特征曲線h～θ，擴散度d，水力傳導(dǎo)度k及容水度c，具體實現(xiàn)如下：

①測定水分特征曲線：

由第3)步驟可求得在最后壓力時的含水率，根據(jù)最后一個壓力與前一個壓力之間的排水量，則可逐步向前推算不同壓力下含水率，從而求得h～θ曲線，即水分特征曲線，h表示壓力，θ表示含水率；

②測定擴散度d，水力傳導(dǎo)度k及容水度c：

由排水量資料繪制w～t曲線，根據(jù)w～t曲線，繪制曲線，按計算d～θ曲線，求得每一個壓力及其相應(yīng)含水率下的d(θ)后，根據(jù)公式式中，v和δh分別土樣的體積以及壓力的變化量，b為平均容水度，和公式k(θ)＝d(θ)c(h)，求得每一個壓力及其相應(yīng)含水率下的c(h)和k(θ)，最終繪制出c～θ曲線以及k～θ曲線。

上述步驟1中，按一定容重配制好土樣，直接用擾動土樣或原狀土樣即不擾動土樣進行試驗，將土樣放在多孔陶土板上，使其飽和；飽和方法為，先將多孔陶土板浸泡在水中1～2天，使其充分飽和，然后放上土樣，通過下邊界滲析的方法，使土樣飽和，同時在飽和過程中充分的排出土壤中的氣體。

上述步驟1中，若要做土壤基質(zhì)勢中低壓區(qū)實驗，所述中低壓是指壓力﹤5bar，將土樣放置在多孔陶土板上，然后一同放入5bar壓力板提取器內(nèi)，多孔陶土板置于氯丁橡膠隔膜之上，封閉壓力板提取器后加壓；若要做土壤基質(zhì)勢高壓區(qū)試驗，所述高壓是指壓力為5～15bar，將土樣放在多孔陶土板上，陶土板置于纖維素薄膜上，放到15bar壓力膜提取器內(nèi)，封閉壓力膜提取器后加壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)實現(xiàn)了非飽和土壤狀態(tài)下的所有土壤水動力學(xué)參數(shù)的同步測定，這一方法對于求解非飽和土壤水分運動方程是非常有利的，因為在模擬非飽和土壤水分運動，在每一個節(jié)點，所有的水動力參數(shù)對應(yīng)的節(jié)點狀態(tài)都是一致的，而這與同步測定方法是一致的。采用不同的方法，對不同的水動力參數(shù)進行分別測定，則無法保障參數(shù)的對應(yīng)節(jié)點狀態(tài)一致性。在理論上，本項發(fā)明所提出的測試方法對于求解非飽和土壤水流運動方程式更為有利。

(2)對于非飽和土壤水分運動模型而言，參數(shù)同步測定的優(yōu)點在于在采用數(shù)值方法進行模擬時，時間和空間步長的選擇根據(jù)更大的可選擇性。原因在于，現(xiàn)有的土壤水動力參數(shù)測試方法中，無論是土壤水分特征曲線，還是非飽和水力傳導(dǎo)度，以及擴散度，均是測定若干個含水率(或者基質(zhì)勢)下對應(yīng)的參數(shù)值，基于測量點進行參數(shù)模型擬合。在土壤水動力學(xué)參數(shù)單獨測定的情況下，通常這些測定點是不統(tǒng)一的，由于土壤水流運動的非線性，以及數(shù)值方法中的分段近似線性求解的要求，在實際求解過程中，為了保障精度，需要對時間步長和空間步長做出嚴(yán)格限制。而本發(fā)明所提出的方法，則解決了這一問題，大幅擴展了數(shù)值方法的應(yīng)用條件。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點將會變得更加明顯：

圖1為本發(fā)明實施例的提取器實驗裝置圖；

圖2為本發(fā)明實施例壓力板提取器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例壓力膜提取器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為標(biāo)準(zhǔn)曲線；

圖5為tanβ～rl標(biāo)準(zhǔn)曲線；

圖6為一步法測定的土壤體積含水率θ與基質(zhì)勢h以及土壤體積含水率θ與水力傳導(dǎo)度k的關(guān)系曲線；

圖7為一步法測定的土壤體積含水率θ與容水度c以及土壤體積含水率θ與擴散度d的關(guān)系曲線。

圖中：1為空氣過濾器；2為粗調(diào)節(jié)器；3為細(xì)調(diào)節(jié)器；4為微調(diào)節(jié)器；5為水銀壓差調(diào)節(jié)器；6為0～60(kg/cm²)壓力表；7為0～300(kg/cm²)壓力表；8為5bar壓力板提取器；9為15bar壓力膜提取器；10為15bar壓力板提取器；11為聯(lián)接管；12為排氣閥；13為旁通閥；14為壓縮空氣機；15為密封環(huán)；16為多孔陶土板；17為陶土板空隙；18為內(nèi)部網(wǎng)板；19為氯丁橡膠隔膜；20為出流栓；21為出流管；22為連接壓縮空氣流管道；23為土樣環(huán)；24-土樣；25為膜片室入口；26為提取室入口；27為壓膜；28為纖維素薄膜；29為排水隔板；30為密封環(huán)；31為緊固螺栓；32為支架；33為手柄；34為出流管。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員進一步理解和實施本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

＜實施例＞

本發(fā)明實施例采用的提取器結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，其中：

圖1為本發(fā)明實施例的提取器實驗裝置圖。該裝置主要由5bar壓力板提取器、15bar壓力板提取器、15bar壓力膜提取器、壓力控制及調(diào)節(jié)系統(tǒng)與空氣壓縮機組成的試驗裝置圖。

圖2為本發(fā)明實施例壓力板提取器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置結(jié)構(gòu)為：多孔陶土板置在壓力室內(nèi)，壓力室一側(cè)裝有接氣壓源的進氣口(用于接通壓縮空氣流)，另一側(cè)裝有出水口(即出流管)，壓力板由多孔陶土板、隔柵(即內(nèi)部網(wǎng)板)、氯丁橡膠隔膜以及出流栓組成，裝填在土樣環(huán)內(nèi)的試樣放置在多孔陶土板內(nèi)；壓力室增壓后，土壤水通過多孔陶土板進入隔柵(即內(nèi)部網(wǎng)板)然后從出流栓經(jīng)出水口(即出流管)流出提取器外，提取器蓋板周邊有一密封環(huán)，在試驗時緊固周邊螺旋，以保證壓力室不漏氣。

圖3為本發(fā)明實施例壓力膜提取器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置結(jié)構(gòu)為：多孔聚乙烯排水板(即排水隔板)擱置在壓力室內(nèi)，試驗時，其上放置一塊纖維素薄膜，土樣放在這塊薄膜上。同時，為了保證土樣在進行試驗時，不因收縮而與薄膜脫離，在壓力室的頂蓋上有一塊氯丁橡膠壓膜(即壓膜)，壓膜上端接通高壓氣體(即膜片室入口)，下端則經(jīng)過一個水銀壓差調(diào)節(jié)器后再與高壓氣體相連，這樣裝設(shè)的結(jié)果可以保證土樣頂部受到高于壓力室約4kg/cm²的壓力，使試驗過程中纖維素薄膜始終緊貼著土樣，土樣就不會因排濕干燥后與纖維素薄膜脫離。

本實施例提供一種用壓力板/壓力膜出流法測定非飽和土壤水動力學(xué)參數(shù)的方法，該方法用于實現(xiàn)土壤水分特征曲線、擴散度、水力傳導(dǎo)度的同步測定，包括以下步驟：

步驟1：配置土樣，土樣采用擾動土樣或不擾動土樣；

步驟2：將土樣和多孔陶土板充分飽和后放在壓力板提取器內(nèi)，將出流栓接上出流管引至壓力室外，出流管再接量測裝置，然后將壓力板提取器的蓋子蓋好，上好周圍螺栓；

步驟3：開始加壓前，先要打開空氣壓縮機；使其壓力達(dá)到一定高度，再調(diào)節(jié)擬送進壓力板提取器內(nèi)的壓力；

步驟4：調(diào)壓時，先關(guān)閉由壓力管路至壓力板提取器通道上的閥門，將微調(diào)節(jié)器按順時針方向旋轉(zhuǎn)再打開粗調(diào)節(jié)器，使壓力表上顯示的壓力高出所要求壓力4～5kg/cm²，然后將微調(diào)節(jié)器向反時針方向旋轉(zhuǎn)，使壓力表壓力降至零，再打開由壓力管路至壓力板提取器通道上的閥門，再將微調(diào)節(jié)器按順時針方向慢慢旋轉(zhuǎn)使之達(dá)到要求壓力，并開始計時；

步驟5：測定水分特征曲線，土壤擴散度和水力傳導(dǎo)度：

步驟5.1記下達(dá)到穩(wěn)定后的總排水量，獲得水分特征曲線脫濕過程水分特征曲線測定：

脫濕過程：排水停止后，土樣中的總水勢應(yīng)與多孔陶土板下邊自由水的總水勢相等，即：

式中：—土樣中的總水勢；

—多孔陶土板下邊自由水的總水勢；

多孔陶土板下邊自由水所受壓力為大氣壓(出水管口與多孔陶土板齊平時)，所以土樣中的總水勢等于零。

即

式中：—土壤的基質(zhì)勢(負(fù)壓)；

—壓力室內(nèi)施加的壓力。

由式(1)可知，土壤的基質(zhì)勢等于壓力室內(nèi)施加的壓力的負(fù)值。

當(dāng)已知土樣的初始含水率時，根據(jù)穩(wěn)定后量得的排水量即可求得在該壓力條件下的含水率；

改變一個壓力重復(fù)上述步驟1-4，就可求得不同壓力下的土壤含水率，從而得到脫濕過程的水分特征曲線。

吸濕過程水分特征曲線測定：將加壓改為減壓，排水系統(tǒng)改為供水系統(tǒng)。試樣從干到濕，即可求得吸濕過程的土壤水分特征曲線。

步驟5.2記錄排水過程，獲得土壤擴散度和水力傳導(dǎo)度，

(1)多步法：

由壓力板出流法試驗可以繪制關(guān)系曲線，直線斜率為：

tanβ′＝-0.4343a1²d(2)

標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率為：tanβ＝-0.4343a1²(3)

可得擴散度d值為：

然后根據(jù)

k(θ)＝d(θ)c(h)(5)

即可求得容水度c(h)及水力傳導(dǎo)度k(θ)。

(2)一步法：

若有了施加某壓力的排水過程線，即可獲得d～θ曲線，公式如下：

若要進一步了解水力傳導(dǎo)度及容水度，必須再次使用分次加壓或其它方法，求得水分特征曲線，然后按式(4)(5)推求。

根據(jù)測定方法相應(yīng)的選擇“多步法”和“一步法”：在連續(xù)調(diào)控壓力狀態(tài)，對試樣進行測試的條件下，可選擇“多步法”對非飽和土壤水動力參數(shù)進行解析，而在選擇壓力，非連續(xù)測定的條件下，可選擇“一步法”對非飽和土壤水動力參數(shù)進行解析。

所進行的試驗是在特殊的密封的容器中進行，供氣壓力由專門的壓力設(shè)備提供，通過精密的壓力調(diào)節(jié)裝置可以進行不同壓力下的試驗，如圖1。

步驟5所述的繪制水分特征曲線選取濕度作為橫坐標(biāo)，負(fù)壓作為縱坐標(biāo)，直觀反映負(fù)壓與土壤濕度的關(guān)系。

步驟5所述的多步法采用p·e·rijtema提出的考慮多孔陶土板阻力的方法。

步驟5所述的多步法繪制曲線與p·e·rijtema繪制的曲線及tanβ～rl標(biāo)準(zhǔn)曲線作對比。

本實驗通過兩種實現(xiàn)方法來詳細(xì)闡述本發(fā)明的方案，具體實施步驟如下：

(一)多步法：

1)按一定容重配制好土樣(如可直接用原狀土樣即不擾動土樣進行試驗)，將土樣放在陶土板上，使其飽和。飽和方法：可先將陶土板浸泡在水中1～2天，使其充分飽和，然后放上土樣，在多孔陶土板上加上水，使土樣飽和；

2)將多孔陶土板放在提取器內(nèi)，如要做高壓區(qū)試驗，可將土樣放在薄膜上，再放到薄膜儀內(nèi)陶土板上。蓋好蓋子后加壓。加壓值的大小可以根據(jù)水分特征曲線變化特性，開始時每次加壓值要小些，以后可逐漸加大；

3)每次加壓后，土樣開始排水。若只做水分特征曲線，則一直加壓到土樣不再排水為止，測定在該壓力下總排水量即可。若要求擴散度d或水力傳導(dǎo)度k，則必須要量測排水過程。在觀測排水過程時，加壓初期，排水量較大，觀測次數(shù)和時間間隔應(yīng)滿足精確測定排水通量的需要；

4)在加壓至最后要求壓力時，停止加壓，將土樣取出并稱重，稱重后烘干，再稱重，可求得最后的含水率。

①測定水分特征曲線：

由第(4)步驟可求得在最后壓力時的含水率，根據(jù)最后一個壓力與前一個壓力之間的排水量，則可逐步向前推算不同壓力下含水率，從而求得h～θ曲線，即水分特征曲線。

②測定擴散度d，水力傳導(dǎo)度k及容水度c：

當(dāng)加某一壓力時，量測其排水過程中不同時刻排水量及排水總量w∞，繪制關(guān)系曲線且求得直線的斜率tanβ′和直線在軸上的截距值，由該值根據(jù)圖4標(biāo)準(zhǔn)曲線，求得相應(yīng)的rl值，再由rl值根據(jù)圖5標(biāo)準(zhǔn)曲線(對應(yīng)關(guān)系如表1所示)，即可求得tanβ值，進一步根據(jù)公式求得d(θ)值。這是在該壓力和含水率下的擴散度，然后求每一個壓力及其相應(yīng)含水率下的d(θ)值，即可繪制出d～θ曲線。求得d(θ)后，可根據(jù)公式(4)和(5)求得c～θ曲線，k～θ曲線。

表1標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)值表

(二)一步法：

1)將試樣飽和后放在提取器或壓力薄膜儀內(nèi)加壓至要求的壓力。

2)加壓后立即量測排水量過程。開始觀測時間短些，以后適當(dāng)加長。

3)當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定，即試樣不再排水后，取出部分土樣稱重并烘干，測出其含水率。

4)將土樣再飽和后，進行分次加壓，測定水分特征曲線(方法同多步法)：

由排水量資料繪制w～t曲線，根據(jù)w～t曲線，繪制曲線，按公式(6)式計算d～θ曲線，求c(h′)～θ關(guān)系與k(θ′)～θ關(guān)系曲線同多步法。

測定的土壤水分特征曲線、非飽和水力傳導(dǎo)度和擴散度關(guān)系分別如圖6和圖7所示。

本實例在壓力提取器中進行，供氣壓力由專門的壓力設(shè)備提供，通過精密的壓力調(diào)節(jié)裝置進行不同壓力下的試驗，提高了計算精度，實現(xiàn)了非飽和土壤狀態(tài)下的所有土壤水動力學(xué)參數(shù)的同步測定，這一方法對于求解非飽和土壤水分運動方程是非常有利的，因為在模擬非飽和土壤水分運動，在每一個節(jié)點，所有的水動力參數(shù)對應(yīng)的節(jié)點狀態(tài)都是一致的，而這與同步測定方法是一致的。采用不同的方法，對不同的水動力參數(shù)進行分別測定，則無法保障參數(shù)的對應(yīng)節(jié)點狀態(tài)一致性。在理論上，對于非飽和土壤水分運動模型而言，參數(shù)同步測定的優(yōu)點在于在采用數(shù)值方法進行模擬時，時間和空間步長的選擇根據(jù)更大的可選擇性。原因在于，現(xiàn)有的土壤水動力參數(shù)測試方法中，無論是土壤水分特征曲線，還是非飽和水力傳導(dǎo)度，以及擴散度，均是測定若干個含水率(或者基質(zhì)勢)下對應(yīng)的參數(shù)值，基于測量點進行參數(shù)模型擬合。在土壤水動力學(xué)參數(shù)單獨測定的情況下，通常這些測定點是不不統(tǒng)一的，由于土壤水流運動的非線性，以及數(shù)值方法中的分段近似線性求解的要求，在實際求解過程中，為了保障精度，需要對時間步長和空間步長做出嚴(yán)格限制。而本項發(fā)明所提出的方法，則解決了這一問題。

(三)標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖4)和tanβ～rl標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖5)的確定方法以含水率為變量的土壤水基本方程如下：

由于

∴式(1)為：

式中：θ為土壤體積含水率；h為土壤負(fù)壓水頭；k(θ)為土壤的水力傳導(dǎo)度(為含水率的函數(shù))；d(θ)為土壤的擴散度，表示單位含水率梯度下，單位斷面上通過的土壤水流量。z為垂直方向坐標(biāo)，向下為正，t為時間坐標(biāo)。

以土壤的負(fù)壓水頭為變量的土壤水基本方程如下：

式中：c(h)為土壤容水度，表示負(fù)壓水頭變化時，土壤能蓄存或釋放的水量。

設(shè)定在土壤負(fù)壓變化較小時，土壤含水率與負(fù)壓呈線性關(guān)系。即：

θ＝a+bh

設(shè)定在一定的負(fù)壓增量δh范圍內(nèi)，水力傳導(dǎo)度k(θ)可以看作是常量。

實驗條件下重力項可以忽略。

式(1)簡化為：

即：

邊界條件：上邊界：

下邊界：從土樣中排出的流量等于通過多孔處板的流量，即:

式中：kp，lp分別為多孔陶土板滲透系數(shù)和厚度；h為通過多孔陶土板的壓力差；l為土樣長度。

初始條件：h＝δh，t＝0，0≤z≤l(7)＇

為了求解方程式(5)，并進行拉氏變換，得：

式(5)為：p拉普拉斯變換指數(shù)值。

通解為：

由式(8)得：

根據(jù)式(6)和(6)＇，經(jīng)變換后邊界條件為：

由式(10)，(11)可知：

∴c1＝c2＝c(12)

將式(12)代入式(11)，得：

令代入上式，經(jīng)整理后得：

將上式代入式(9)：

式中：ψ(p)均為多項式。

將式(15)進行逆變換，根據(jù)留數(shù)定理得：

令：則式(16)為：

即rl＝atga(17)

由式(12)得：

將式(16)代入上式，且將p改寫為pn，得

由式(14)可知：

由式(18)、(19)得：

ψ′(0)＝1；

根據(jù)分解定理：

代入式(19)：

由前述設(shè)定：θ＝a+bh

如果其過水?dāng)嗝婷娣e為f，則水量qt為：

式中：v為土樣體積。

由式(24)：

當(dāng)t＝0時，qi＝av+b·v·δh；

t→∞時，qf＝av；

因此在負(fù)壓增加某一δh值時，排水總量為：w∞＝qi-qf＝b·v·δh

即：

由式(25)可知

∴b實質(zhì)上為平均的容水度(在負(fù)壓為某一值時)。

在負(fù)壓增加某一δh值時，t時刻的累計排水量為

當(dāng)時可取級數(shù)的第一項，其誤差僅1％。式(26)可寫為

等式兩邊取對數(shù)

由式(27)＇可知，右端第一項為截距，即當(dāng)時，僅與rl有關(guān)。當(dāng)rl為定值時，則在半對數(shù)紙上呈直線關(guān)系。若直線與水平線夾角為β，其直線斜率為：

tanβ＝-0.4343a1²(28)

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。