土壤水分溶质动力学实验报告实验报告:

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土壤水分溶质动力学实验报告实验报告

  博士口   硕博连读研究生口   学术型硕士 农业推广硕士专业学位口 同等学力在职申请学位口 高校教师攻读硕士学位口   基地班硕士口   兽医硕士专业学位口   工程硕士专业学位口 全日制专业学位硕士口 中职教师攻读硕士学位口 风景园林硕士专业学位口   西北农林科技大学   研究生课程结课论文封面   研究生年级、姓名 研究生学号 所在学院(系、部) 专业学 科 任课教师姓名 考试日期考试成绩   研究生年级、姓名 研究生学号 所在学院(系、部) 专业学 科 任课教师姓名 考试日期   考试成绩   评卷教师签字处   2 VCCCCCCCCCCCCC XXXXXXXXXXX   XXXXXXXXXXXXXXX院 农业工程   XXXXXXXX   (课程名称:   土壤水分溶质动力学)   学位课选修课   土壤入渗实验报告   一、垂直入渗实验   1、实验目的   测定土壤的垂直入渗特征曲线,掌握测定方法。了解土壤一维入渗特性,确 定入渗条件下土壤累积入渗量曲线以及入渗速率数学表达式, 用不同的入渗经验 公式描述入渗速率并绘制相应的图表。

   2、实验要求   (1) 土柱圆筒高约29cm,内径10cm。控制装土容重为/cm3。垂直入 渗过程中,进水端的水位由马氏瓶控制。入渗过程中,观测不同时间的累积入渗 量。(2)根据实验数据在方格纸上点绘入渗过程线(速度 ~入渗时间),确定饱和 入渗速度k值。

   根据实验数据在双对数纸上点绘入渗曲线,确定a及k值,写出该种 土壤的入渗公式。

   略述土壤入渗过程,入渗性强弱,分析原因。

   3、实验原理   实验利用马氏瓶供水并维持稳定水压;   对于均质土的入渗强度,已有若干计算公式,菲利普根据严格的数学 推导,求得解析解为:   ■ if   2t2   式中,i——t时刻的入渗速率;   S 与土壤初始含水率有关的特性常数,成为吸水率;   if ――稳定入渗率,即饱和土壤渗透系数。

   在非饱和土壤入渗初期,S起主要作用,所以菲利普公式可以改写为:   S   1   2t2   考斯加可夫根据野外实测资料的分析,发现入渗强度与时间之间成指数关 系,其形式为:   i 土:在玻璃柱底部放入一片滤纸,然后装土。称土,控   制每次装土高度为2cm,压实,装下一层时表面打毛。

   (3)调节马氏瓶,使其进气孔高出土柱面 2cm,形成水头差;   (4)用烧杯迅速向玻璃柱中加水,立即打开供水阀,同时打开秒表计时,   三者要求同时进行,然后开始实验;   (5)每隔一定时间测定一组实验数据(记录马氏瓶读数、时间);   (6)处理与分析实验数据。

   6、实验数据处理   (1)测定的实验数据及数据处理见表 1   表1实验数据处理   入渗时间   (min)   时间间隔   (min)   时段入渗量   (ml)   累积入渗量   (ml)   入渗速率   (ml/min)   0   0   1   1   2   1   P   「   3   1   4   1   5   1   6   1   —   7   1   8   1   9   1   :   10   1   11   1   12   1   13   1   P   :   14   1   15   1   16   1   17   1   18   1   19   1   20   1   :   21   1   22   1   23   1   24   1   25   1   26   1   27   1   28   1   29   1   30   1   35   5   40   5   45   5   50   5   55   5   60   5   65   5   70   5   75   5   80   5   85   5   90   5   95   5   100   5   105   5   110   5   115   5   r   :   120   5   130   10   140   10   150   10   160   10   170   10   180   10   190   10   P   :   200   10   210   10   220   10   230   10   P   :   234   4   239   5   244   5   249   5   P   250   1   251   1   252   1   253   1   254   1   255   1   256   1   261   5   266   5   271   5   (2)累积入渗量、入渗速率与时间的关系曲线分别见图   1、图2   累积入渗量随时间变化曲线   时间t (min)   pm N量渗入积累   入渗速率随时间变化曲线时间t   入渗速率随时间变化曲线   时间t (min)   图1累积入渗量I与入渗时间t的关系曲线   图2入渗速率i与入渗时间t的关系曲线 由图可以看出整体结果还是比较符合的,但是相关性不太高。

   7、对三种经验公式的拟合效果进行对比分析   (1)土壤垂直累计入渗量散点图及各经验公式拟合曲线   ①使用Philip入渗公式进行拟合如下图3:   累积入渗量随时间变化曲线   R2 =      30   60   90   180   时间t (min)   120150   210240270300   2   y = -++   pm N量渗入积累   图3 philip入渗公式拟合图   ②使用考斯加可夫入渗公式进行拟合如下图 4:   累积入渗量随时间变化曲线   )   mI(   量渗积累   图4考斯加可夫入渗公式拟合图   ③使用Green-Ampt入渗公式进行拟合如下图5:   累积入渗量随时间变化曲线   mN量渗入积累   /mN量渗入计累累积入渗量随时间变化曲线时间t   /mN量渗入计累   累积入渗量随时间变化曲线   时间t (min)   *实测点 一线性 —多项式 ——乘幕   图5 Green-Ampt入渗公式拟合图   对土壤垂直入渗三种经验公式拟合效果进行对比   分别用三种经验公式拟合的回归系数见下表2   表2不同拟合公式回归系数对比表   不同拟合公式   Philip入渗公式   考斯加可夫入渗公式   Gree n-Ampt入渗公式   回归系数   拟合效果对比图如下图6      图6采用不同经验公式拟合效果对比图   由上述图表可知:   (1)累积入渗量随时间的增加而增大,但增加的速率越来越小,最终趋于 稳定,入渗速率随时间的增加而减小,最后趋于稳定,其值为稳定入渗率;   (2)采用考 Philip 入渗公式拟合效果最好, 其次是采用斯加可夫公式拟合, 而采用 Green-Ampt 入渗公式拟合的效果也比较好,但是相对于前两种模型来说 误差还是比较大的。

   、水平入渗实验   1、实验目的   在熟练掌握水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率原理的基础上,了解土   壤水分水平入渗的过程、入渗特性,确定入渗条件下湿润锋 x和时间t之间的关 系,了解入渗条件下土壤累计入渗量曲线以及数学表达式, 计算土壤的入渗速率 以及数学表达式,同时得到土壤水扩散率 D(d)的关系,并绘制相应的图表。

   2、实验要求   水平土柱(长30cm),是由直径5cm、厚度为2cm的单环组装形成的,控制 装土容重为/cm3。水平入渗过程中,进水端的水位由马氏瓶控制。

    入渗过程 中,观测不同时间的累积入渗量以及湿润锋的距离。

    实验结束后,用烘干法分层 测定土壤重量含水率计算体积含水率。

   3、实验仪器   马氏瓶(3cmx5cm)、玻璃土柱、天平、滤纸、秒表、烧杯。

   4、实验原理   水平土柱入渗法测非饱和土壤水扩散率 D(旳要求土柱的土壤质地均一,且初 始含水量分布均匀,在进水端边界含水量稳定不变,忽略重力作用的条件下,该土 壤水属于一维流问题,其微分方程及定解条件为:   「胡 d ~ a C01   TOC \o “1-5” \h \z 三=〒 D(e)丁(1)   a 2 ]ex」   w(x,t)=日0x>0,t =0 (2)   日(x,t)=Qx=0, t>0(3)   i   式中:t为入渗时间(min); x为水平入渗距离(cm);日为体积含水量   (cm3cm3; 00,9s分别为土壤的初始含水量和饱和含水量。

   对方程⑴施以Boltzma nn变换可得:   带入Boltzmann变换参数’=xtJ/2,上式可变为:   D(勺一1「’ )’?-.宀   2也日   式中:—为相邻两点对应的■平均值;’为相邻两点■和二增量比值 — 的平均值。

   1 1 2   Philip水平入渗公式:I =S t2或者i =;S t 2   5、实验方法和步骤   (1)称土:控制土壤容重为/cm3,计算4cm高土柱所需的土量:   m「V = 二(寸)2 4=   (2)装土柱:在水平实验土槽底部垫上滤纸,然后将实验用土按设计容 /cm3的标准分层装入水平土槽中,为保证土的均匀性,我们将土按4cm高度 分层装入。

   (3)装水:在马氏瓶中装入一定量的水,将下部进气阀和出水阀关闭。

   (4)连接仪器:用橡皮输水管将马氏瓶的出水口与水平土槽进水口相连, 然后打开马氏瓶顶部的加水孔的橡皮塞和出水阀,同时将水平槽的排气孔打开, 给水平土槽下部的水室进行排气和充水,保证水能够均匀的入渗。

   (5)待水室充满水后,立即将马氏瓶的加水孔和水平土槽的排气孔密封, 打开马氏瓶下部的进气阀,将水平土柱放平,让水平土柱中心轴与马氏瓶的进气 阀相平,这样才能保证水平入渗在无压条件下进行,同时,打开秒表开始计时, 并记下马氏瓶上的刻度数。

   (6)进行连续观测,每当湿润锋前进 2cm时,记下时间和马氏瓶上的刻度 数,达到稳定入渗时,停止实验,然后打开水平土槽,将其中的土按 2cm长度 分层装入事先准备好的铝盒中,然后称重,并放入烘箱进行烘干、称重。

   6、实验数据处理与分析   (1)计算累积入渗量I,结果见表1;绘制湿润锋x与时间t的关系曲线, 见图1;再绘制累积入渗量I与时间t的关系曲线,见图2。

   表1累计入渗量计算表   入渗时间   (min)   时间间隔   (mi n)   马氏瓶读数   (ml)   湿润锋入渗距离   累计入渗量1   (ml)   x   (cm)   0   0   42   0   0   58   4   16   :   r 68 1   6   26 1   81   8   39   94   10   52   110   12   68   P   P 131—   14   89   139   16   97   157   18   115   173   20   131   P   192   22   150   219   24   177   239   26   197   湿润锋随时间变化曲线时间t   湿润锋随时间变化曲线   时间t ( min)   )) x( 锋 润 湿   图1湿润锋x与时间t的关系曲线   累积入渗量随时间变化时间t   累积入渗量随时间变化   时间t (min)   ”m N量渗入积累   图2累积入渗量I与时间t的关系曲线   (2)根据I总二ST总反解S二I总/T总 ,计算入渗率i =S/ ,结果见表2,   然后绘制入渗速率i与时间的关系曲线,见图3。

   表2入渗速率i计算表   时间t(min)   严   S = 1 总 /T   总、总、   入渗速率i   (ml/min)   0      :            图3入渗速率i与时间t的关系曲线   (3)计算土壤体积含水率,计算结果见表3。

   表3 土壤体积含水率计算表   编号   盒重   (g)   铝盒+湿土重   (g)   铝盒+干土重   (g)   水重   (g)   质量含水率   (g/g)   体积含水率   (cm3/cm3)   1   2   3   「   4   5   6   「   7   8   9   10   5   11   12   0 5   (4)计算’”/t总.,其中t总为总累计入渗时间,可得出不同含水率 二对应   入渗速率随时间变化曲线fl率速渗入时间t   入渗速率随时间变化曲线   fl率速渗入   时间t (min)   的,值。结果见表4,然后绘制二者关系图,见图4   表4入值计算表   湿润锋入渗距离x   (cm)   时间t (min)   t 总   体积含水率   (cm3/cm3)   入   0   0   0   4   6   8   10   12   「「   14   16   18   20   P1   「 :   22   24   26   体积含水率与入的关系图   入   入   率水含积体   率水含积体         图4含水率0与入的关系曲线   ⑸根据二和’的值,计算土壤扩散率D(R ,结果见表5,然后绘制二和D&)   的关系曲线,见图5   表5 土壤扩散率计算表   (1)   (2)   (3)   (4)   (5)   (6)   (7)   (8)   (9)   (10)   (11)   Q   A0   Az   皿   &   丽   D- 1娶迈脚   2 厶 3   De)         -      -      -      -      -      -      -      -      -      -      -   -   图5扩散率D(r)与体积含水率 二的关系曲线   (6)经过对实验数据的有关处理,可以得到如下发现:   通过拟合得到累计入渗量I与时间t之间满足函数关系:   y =   相关系数R2 =。

   同样的经拟合得到入渗率i和时间t之间满足函数关系式:   y =   相关系数r2 = 1。

   在得到水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率DG)及累计入渗量I和   入渗率i的基础上,可以确定水平入渗条件下湿润锋 x和时间t之间满足函数关 系:   y =   相关系数R2=   从上面有关曲线的拟合相关关系来看,决定系数R2值都在以上,说   明该实验数据结果比较可靠。

      

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