土壤水分溶质动力学实验报告实验报告:

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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