土壤水分溶质动力学实验报告实验报告x:

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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1.4g/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 二

i 二 i1t

-a

式中,h——第一个单位时间的入渗强度;

a反应土壤性质与入渗初始时土壤含水率的经验常数;

累积入渗量:

1二。'(忖二;吐-心二十^严,二联心)

4、 实验仪器

马氏瓶、玻璃土柱、天平、滤纸、秒表、烧杯

5、 实验方法和步骤

(1)测量玻璃土柱的内径R=10cm,控制土壤容重为1.4g/cm3,计算2cm

高土柱所需的土量

v 10 2 m = “ V =1.4 二()2 2 =219.8g;

(2) 分层装土:在玻璃柱底部放入一片滤纸,然后装土。称土 219.8g,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

0.00

0.00

0.00

1

1

42.00

42.00

42.00

2

1

P 48.00

90.00

48.00 「

3

1

30.00

120.00

30.00

4

1

30.00

150.00

30.00

5

1

24.00

174.00

24.00

6

1

—18.00

192.00

18.00

7

1

14.00

206.00

14.00

8

1

12.00

218.00

12.00

9

1

8.00

226.00

8.00 :

10

1

6.00

232.00

6.00

11

1

4.00

236.00

4.00

12

1

4.00

240.00

4.00

13

1

P 6.00

246.00

6.00 :

14

1

4.00

250.00

4.00

15

1

4.00

254.00

4.00

16

1

5.00

259.00

5.00

17

1

7.00

266.00

7.00

18

1

8.00

274.00

8.00

19

1

2.00

276.00

2.00

20

1

6.00

282.00

6.00 :

21

1

4.00

286.00

4.00

22

1

4.00

290.00

4.00 1

23

1

5.00

295.00

5.00

24

1

5.00

300.00

5.00

25

1

4.00

304.00

4.00

26

1

6.00

310.00

6.00

27

1

5.00

315.00

5.00

28

1

5.00

320.00

5.00

29

1

4.00

324.00

4.00

30

1

7.00

331.00

7.00

35

5

21.00

352.00

4.20

40

5

18.00

370.00

3.60

45

5

16.00

386.00

3.20

50

5

14.00

400.00

2.80

55

5

18.00

418.00

3.60

60

5

15.00

433.00

3.00

65

5

13.00

446.00

2.60

70

5

18.00

464.00

3.60

75

5

14.00

478.00

2.80

80

5

22.00

500.00

4.40

85

5

16.00

516.00

3.20

90

5

14.00

530.00

2.80

95

5

8.00

538.00

1.60

100

5

10.00

548.00

2.00

105

5

14.00

562.00

2.80

110

5

11.00

573.00

2.20

115

5

r 11.00

584.00

2.20 :

120

5

15.00

599.00

3.00

130

10

23.00

622.00

2.30

140

10

28.00

650.00

2.80

150

10

24.00

674.00

2.40

160

10

24.00

698.00

2.40

170

10

26.00

724.00

2.60

180

10

23.00

747.00

2.30

190

10

P 25.00

772.00

2.50 :

200

10

23.00

795.00

2.30

210

10

19.00

814.00

1.90

220

10

20.00

834.00

2.00

230

10

P 30.00

864.00

3.00 :

234

4

8.00

872.00

2.00

239

5

6.00

878.00

1.20

244

5

6.00

884.00

1.20

249

5

P 12.00

896.00

2.40

250

1

2.00

898.00

2.00

251

1

2.00

900.00

2.00

252

1

2.00

902.00

2.00

253

1

1.00

903.00

1.00

254

1

1.00

904.00

1.00

255

1

1.00

905.00

1.00

256

1

1.00

906.00

1.00

261

5

10.00

916.00

2.00

266

5

10.00

926.00

2.00

271

5

10.00

936.00

2.00

(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

60.00

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

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

1000.00

R2 = 0.9898

800.00

700.00

600.00

500.00

400.00

300.00

200.00

100.00

0.00

30

60

90

180

时间t (min)

120 150

210 240 270 300

2

y = -0.006X + 4.3495X + 178.78

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

1000.00

900.00

800.00

)

m 700.00 I( 600.00

量 500.00 渗 400.00 积 300.00 累 200.00

100.00

0.00

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

0.9898

0.9813

0.9737

拟合效果对比图如下图6

1100.00

1000.00

900.00

800.00

700.00

600.00

500.00

400.00

300.00

200.00

100.00

0.00

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1.4g/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0 x>0,t =0 (2)

日(x,t)=Q x=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1.4g/cm3,计算4cm高土柱所需的土量:

m「V =1.4 二(寸)2 4=109.9g

(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 1.4g/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

3.783

3.783

58

4

16

:10.283

6.500

r 68 1

6

26 1

20.133

9.850

81

8

39

33.167

13.034

94

10

52

51.467

18.300

110

12

68

P 85.383

33.916

P 131 —

14

89

98.117

12.734

139

16

97

132.550

34.433

157

18

115

165.167

32.617

173

20

131

P 206.633

41.466

192

22

150

241.417

34.784

219

24

177

273.917

32.500

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0.5反解S二I总/T总0.5 ,计算入渗率i =S/2t0.5 ,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)

S = 1 总 /T

总、 总、

入渗速率i

(ml/min)

0

0.000

11.903

0.000

3.783

0.514

3.060

10.283

0.312

1.856

20.133

0.223

1.326

33.167

0.174

1.033 :

51.467

0.139

0.830

85.383

0.108

0.644

98.117

0.101

0.601

132.550

0.087

0.517

165.167

0.078

0.463

206.633

0.070

0.414

241.417

0.064

0.383

273.917

0.060

0.360

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

16.30

35.93

31.46

4.47

29.485

41.280

2

14.62

39.13

33.44

5.69

30.234

42.327

3

14.00

40.07

33.81

6.26

「31.600

44.240

4

14.76

38.23

33.52

4.71

25.107

35.149

5

15.57

37.21

32.49

4.72

27.896

39.054

6

15.50

37.97

32.85

5.12

「29.510

41.314

7

15.26

37.2

32.54

4.66

26.968

37.755

8

15.07

39.73

34.41

5.32

27.508

38.511

9

16.23

38.31

34.1

4.21

23.559

32.983

10

16.13

41.07

36.07

5

25.075

35.105

11

16.08

41.66

36.78

4.88

23.575

33.005

12

16.16

32.73

30.08

2.65

19.037

26.652

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

3.500入渗速率随时间变化曲线fl率速渗入3.0002.5002.0001.5001.0000.5000.000时间t

3.500

入渗速率随时间变化曲线

fl率速渗入

3.000

2.500

2.000

1.500

1.000

0.500

0.000

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0.5

体积含水率

(cm3/cm3)

0

0

16.550

0

0.000

4

3.783

0.413

0.242

6

10.283

0.423

0.363

8

20.133

0.442

0.483

10

33.167

0.351

0.604

12

51.467

0.391

「0.725「

14

85.383

0.413

0.846

16

98.117

0.378

0.967

18

132.550

0.385

1.088

20

P 165.167 1

0.330

「1.208 :

22

206.633

0.351

1.329

24

241.417

0.330

1.450

26

273.917

0.267

1.571

体积含水率与入的关系图

0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80入0.500

0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80

0.450

0.400

0.350

率水含积体0.300

率水含积体

0.250

0.200

0.150

0.100

0.050

0.00 0.200.000

0.00 0.20

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

&

D- 1娶迈脚

2^9 厶 3

De)

0.29

1.565

0.30

1.515

0.01

0.05

5.00

0.31

1.460

0.01

0.05

5.50

5.25

1.540

0.077

0.047

-0.122

0.122

0.32

1.400

0.01

0.06

6.00

5.75

1.488

0.082

0.128

-0.369

0.369

0.33

1.345

0.01

0.05

5.50

5.75

1.430

0.086

0.214

-0.616

0.616

0.34

1.280

0.01

0.06

6.50

6.00

1.373

0.075

0.290

-0.869

0.869

0.35

1.220

0.01

0.06

6.00

6.25

1.313

0.085

0.375

-1.172

1.172

0.36

1.150

0.01

0.07

7.00

6.50

1.250

0.075

0.450

-1.463

1.463

0.37

1.065

0.01

0.09

8.50

7.75

1.185

0.083

0.533

-2.065

2.065

0.38

0.985

0.01

0.08

8.00

8.25

1.108

0.094

0.627

-2.587

2.587

0.39

0.880

0.01

0.11

10.50

9.25

1.025

0.082

0.709

-3.280

3.280

0.40

0.740

0.01

0.14

14.00

12.25

0.933

0.098

0.807

-4.943

4.943

0.41

0.550

0.01

0.19

19.00

16.50

0.810

0.113

0.920

-7.594

7.594

19.00

0.645

0.123

1.043

-9.909

9.909

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 = 6.909x0.5816

相关系数R2 =0.9971。

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 =5.9515x-0.5

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 = 2.1931x04327

相关系数R2=0.9979o

从上面有关曲线的拟合相关关系来看,决定系数 R2值都在0.997以上,说

明该实验数据结果比较可靠。

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