本發(fā)明屬于毛細(xì)水上升通量測(cè)試領(lǐng)域，具體的是一種基于毛細(xì)水上升高度預(yù)測(cè)毛細(xì)水上升通量的方法。

背景技術(shù)：

1、土壤毛細(xì)水是指土壤毛細(xì)管孔隙中靠毛細(xì)管力作用保持和移動(dòng)的液態(tài)水，是植物生長(zhǎng)所需水分的主要來源之一。

2、在現(xiàn)有預(yù)測(cè)毛細(xì)水通量的方法中普遍采用兩種預(yù)測(cè)模型。一類是機(jī)制模型，它關(guān)注的是毛細(xì)水部分上升區(qū)間，當(dāng)超出該范圍預(yù)測(cè)精度不佳。另一類是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停m用于特定的條件，當(dāng)實(shí)際情況與模型所依據(jù)的條件有所偏離時(shí)，模型的預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明以土壤出氣值為閾值將毛細(xì)水上升過程分為兩個(gè)階段，根據(jù)非飽和條件下的達(dá)西定律，推導(dǎo)出一種新的毛細(xì)水上升通量隨高度變化的機(jī)制模型，用于預(yù)測(cè)毛細(xì)水不同上升高度下的毛細(xì)水上升通量。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種通過毛細(xì)水上升高度預(yù)測(cè)毛細(xì)水通量的方法，包括以下步驟：

3、步驟一，獲取土壤出氣值ha。

4、步驟二，獲取土壤飽和滲透系數(shù)ks。

5、步驟三，獲取模型毛細(xì)水上升高度的修正系數(shù)λ以及擬合參數(shù)β'。

6、步驟四，根據(jù)上述參數(shù)及推導(dǎo)出的機(jī)制模型預(yù)測(cè)毛細(xì)水上升通量。

7、進(jìn)一步，所述步驟一中，取待測(cè)土壤進(jìn)行土壤吸濕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始之前，將待測(cè)土樣烘干，至土壤含水率降為0。接下來往土壤中緩慢加入一定體積的水分，待其充分?jǐn)U散后，測(cè)量土壤中的體積含水率和基質(zhì)吸力，隨后重復(fù)加水及測(cè)量體積含水率和基質(zhì)吸力的過程，直到體積含水率達(dá)到飽和，基質(zhì)吸力減小至0kpa，土壤吸濕實(shí)驗(yàn)完成。將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的土壤基質(zhì)吸力轉(zhuǎn)化為厘米水柱高度，以基質(zhì)勢(shì)為x軸，體積含水率為y軸，繪制土壤水分特征曲線的吸濕曲線。

8、利用gardner模型(gardner,1958)作為土水特征曲線的擬合模型:

9、

10、式中，θ、θs分別為平均體積含水率、飽和體積含水率；h是基質(zhì)吸力，cm；θr是殘余含水率；c、m為模型形狀參數(shù)。

11、利用模型擬合出的土壤水分特征曲線，繪制出飽和體積含水率處的切線以及拐點(diǎn)的切線，延長(zhǎng)兩條切線，它們交叉點(diǎn)的橫坐標(biāo)表示為土壤出氣值高度ha，單位為cm。

12、進(jìn)一步，所述步驟二中，將土壤填充至柱狀容器中，通過敲擊柱壁使土柱中的土壤密度還原至原裝土的密度。將土柱浸入水中。達(dá)到飽水時(shí)間后取出，利用鐵架臺(tái)固定土柱，在土柱下方放置燒杯，在土柱上方利用馬氏瓶加水，保持水層一定厚度，同時(shí)保持恒定的水位。

13、從土柱下方出現(xiàn)第一滴水時(shí)開始計(jì)時(shí)，之后每隔一段時(shí)間測(cè)量滲水量，同時(shí)記錄水溫。將每次測(cè)量的累計(jì)滲水量v設(shè)為y軸，累計(jì)滲水量所花費(fèi)的時(shí)間t設(shè)為x軸，得到土壤累計(jì)滲水量隨時(shí)間的變化曲線。土壤滲水量隨著時(shí)間的變化曲線逐漸呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系，表示在一定時(shí)間內(nèi)，土壤滲透量的大小相同，達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

14、滲透系數(shù)按照達(dá)西公式計(jì)算：

15、

16、其中

17、式中：v為在時(shí)間t(h)內(nèi)滲透過土柱截面積a(cm2)的水量，cm3；i為水力梯度；k為滲透系數(shù)，即水力梯度為1時(shí)的滲透速度，cm/h；l為土柱中指定兩點(diǎn)的水分滲透距離，cm；δh為指定兩點(diǎn)之間的總水頭差，cm。

18、進(jìn)一步，所述步驟三中，準(zhǔn)備一個(gè)新的干燥土柱，利用馬氏瓶提供穩(wěn)定地下水水位及充足水源。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，由馬氏瓶供水使水流入至土柱中，當(dāng)土柱中水位上升至穩(wěn)定的地下水位時(shí)，記錄此時(shí)的毛細(xì)水上升高度為0cm，上升時(shí)間為0h，上升水體積為0cm3。在毛細(xì)水上升第一階段(毛細(xì)水上升高度小于土壤出氣值ha)，毛細(xì)水每上升一定高度記錄一次上升時(shí)間和水箱的刻度，直到毛細(xì)水上升至1/3ha處，獲取多個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。利用上升水體積和上升時(shí)間估算得到毛細(xì)水上升通量(q0)，再結(jié)合毛細(xì)水上升高度(zt)的多個(gè)離散值以及土壤出氣值ha和土壤飽和滲透系數(shù)ks，代入以下公式可得毛細(xì)水上升高度的修正系數(shù)λ:

19、

20、式(3)中：q0為毛細(xì)水上升通量，cm/h；ks為飽和滲透系數(shù)(cm/h)；zt為毛細(xì)水上升高度，cm；λ為毛細(xì)水上升高度的修正系數(shù)；ha為土壤出氣值。

21、在毛細(xì)水上升第二階段(毛細(xì)水上升高度大于土壤出氣值ha)，毛細(xì)水每上升一定高度記錄一次上升時(shí)間和水箱的刻度，直到毛細(xì)水上升到4/3ha處，獲取多個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。利用上升水體積和上升時(shí)間估算得到毛細(xì)水上升通量，再結(jié)合毛細(xì)水上升高度的多個(gè)離散值以及土壤出氣值ha和土壤飽和滲透系數(shù)ks，代入以下公式可得模型擬合參數(shù)β'：：

22、

23、式(4)中：β'為模型擬合參數(shù)。

24、進(jìn)一步，所述步驟四中，利用步驟一至三中估算的模型參數(shù)及公式(3)、(4)估算毛細(xì)水上升過程中其他高度的毛細(xì)水上升通量。

25、綜上所述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

26、將毛細(xì)水上升分為兩個(gè)階段，基于非飽和條件下的達(dá)西定律，推導(dǎo)并建立了新的毛細(xì)水上升通量隨高度變化的機(jī)制模型。該模型覆蓋了水位的整個(gè)上升過程，與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾染哂懈鼜V的應(yīng)用范圍，模型擬合值與觀測(cè)值有較好的匹配度。

技術(shù)特征：

1.一種通過毛細(xì)水上升高度預(yù)測(cè)毛細(xì)水通量的方法，其特征在于按照下述步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過毛細(xì)水上升高度預(yù)測(cè)毛細(xì)水通量的方法，其特征在于：步驟1中，取待測(cè)土壤進(jìn)行土壤吸濕實(shí)驗(yàn)，利用gardner模型擬合出的土壤水分特征曲線，繪制出飽和體積含水率處的切線以及拐點(diǎn)的切線并延長(zhǎng)，兩條切線的交叉點(diǎn)的橫坐標(biāo)表示為土壤出氣值高度ha，以該參數(shù)將毛細(xì)水上升過程分為兩個(gè)階段。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過毛細(xì)水上升高度預(yù)測(cè)毛細(xì)水通量的方法，其特征在于：步驟3中，利用馬氏瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到毛細(xì)水上升通量q0和毛細(xì)水上升高度zt的多個(gè)離散值，結(jié)合土壤出氣值ha和土壤飽和滲透系數(shù)ks，一起代入推導(dǎo)的多階段毛細(xì)水通量機(jī)制模型，得到毛細(xì)水上升高度的修正系數(shù)λ以及擬合參數(shù)β'。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過毛細(xì)水上升高度預(yù)測(cè)毛細(xì)水通量的方法，其特征在于：步驟4中，利用步驟1至3中估算的模型參數(shù)及推導(dǎo)出的多階段毛細(xì)水通量機(jī)制模型估算毛細(xì)水上升過程中其他高度的毛細(xì)水上升通量。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于毛細(xì)水上升通量測(cè)試領(lǐng)域，公開了一種新的基于毛細(xì)水上升高度預(yù)測(cè)毛細(xì)水上升通量的方法，通過獲取土壤出氣值h<subgt;a</subgt;、土壤飽和滲透系數(shù)K<subgt;s</subgt;、模型毛細(xì)水上升高度的修正系數(shù)λ以及擬合參數(shù)β'，結(jié)合推導(dǎo)出的機(jī)制模型，估算毛細(xì)水上升通量。本發(fā)明將毛細(xì)水上升分為兩個(gè)階段，基于非飽和條件下的達(dá)西定律，推導(dǎo)并建立了新的毛細(xì)水上升通量隨高度變化的機(jī)制模型，該模型覆蓋了水位的整個(gè)上升過程，與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾染哂懈鼜V泛的應(yīng)用范圍，模型擬合值與觀測(cè)值有較好的匹配度。

技術(shù)研發(fā)人員：張冠儒,陳可欣,唐浩,陳傳亞,黃藝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：成都理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23