土壤水分溶质动力学实验报告实验报告

1、博士 硕博连读研究生 学术型硕士 农业推广硕士专业学位 同等学力在职申请学位 高校教师攻读硕士学位 基地班硕士 兽医硕士专业学位 工程硕士专业学位 全日制专业学位硕士 中职教师攻读硕士学位 风景园林硕士专业学位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 评卷教师签字处2 vccccccccccccc XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX学X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

2、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 1.4 g/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。（3）根据实验数据在双对数纸上点绘入渗曲线，确定 及 k 值，写出该种 土壤的入渗公式。（4）略述土壤入渗过程，入渗性强弱，分析原因。3、实验原理（1）

3、实验利用马氏瓶供水并维持稳定水压；（2）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：S1 if2t2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：S12t2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 i1t-a式中， i1 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：Ii (t)dti1t dti1 t1i0t(1 )4、实验仪器马氏瓶、玻

4、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10 2 m V 1.4 （ ）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

5、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 ）000.000.000.001142.0042.0042.002148.0090.0048.003130.00120.0030.004130.00150.0030.005124.00174.0024.006118.00192.0018.007114.00206.0014.008112.00218.0012.00918.00226.008.001016.00232.006.001114.00236.004.001214.00240.004.0013

6、16.00246.006.001414.00250.004.001514.00254.004.001615.00259.005.001717.00266.007.001818.00274.008.001912.00276.002.002016.00282.006.002114.00286.004.002214.00290.004.002315.00295.005.002415.00300.005.002514.00304.004.002616.00310.006.002715.00315.005.002815.00320.005.002914.00324.004.003017.00331.00

7、7.0035521.00352.004.2040518.00370.003.6045516.00386.003.2050514.00400.002.8055518.00418.003.6060515.00433.003.0065513.00446.002.6070518.00464.003.6075514.00478.002.8080522.00500.004.4085516.00516.003.2090514.00530.002.809558.00538.001.60100510.00548.002.00105514.00562.002.80110511.00573.002.20115511

8、.00584.002.20120515.00599.003.001301023.00622.002.301401028.00650.002.801501024.00674.002.401601024.00698.002.401701026.00724.002.601801023.00747.002.301901025.00772.002.502001023.00795.002.302101019.00814.001.902201020.00834.002.002301030.00864.003.0023448.00872.002.0023956.00878.001.2024456.00884.

9、001.20249512.00896.002.4025012.00898.002.0025112.00900.002.0025212.00902.002.0025311.00903.001.0025411.00904.001.0025511.00905.001.0025611.00906.001.00261510.00916.002.00266510.00926.002.00271510.00936.002.002）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）lm（I量渗入积）nim/lm（i率速渗入时间 t （min）图 1 累积入渗量 I

10、 与入渗时间 t 的关系曲线入渗速率随时间变化曲线60.0050.0040.0030.0020.0010.000.00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 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1000.00R2 = 0.9898800.00700.00600.00500.00400.00300.00200.00100.000.003060180时间t （min）120 150210 240 270 300

11、2y = -0.006x 2 + 4.3495x + 178.7890）lm（I量渗入积图 3 philip 入渗公式拟合图 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1000.00 900.00 800.00l)lm 700.00 I( 600.00 量渗 500.00 渗入 400.00 积累 300.00 累 200.00 100.00 0.00图 4 考斯加可夫入渗公式拟合图 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lm（I量渗入积）lm（I量渗入计累时间 t （min）实测点线性多项式乘幂图 5 Green-Ampt 入

12、渗公式拟合图（2）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Green-Ampt 入渗公式回归系数0.98980.98130.9737拟合效果对比图如下图 6累积入渗量随时间变化曲线1100.00 1000.00 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.000.00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

13、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( ) 的关系，并绘制相应的图表。2、实验要求水平土柱(长 3

14、0cm)，是由直径 5cm、厚度为 2cm 的单环组装形成的，控制 装土容重为 1.4 g/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( 3cm×5cm)、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( )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 :D( ) (1)t x x

15、(x,t) 0 x>0，t 0 (2)(x,t) s x 0，t>0 (3)式中： t为入渗时间( min)； x 为水平入渗距离( cm)； 为体积含水量 (cm3/cm3)； 0 ， s分别为土壤的初始含水量和饱和含水量。对方程 (1)施以 Boltzmann变换可得：带入 Boltzmann变换参数xt 1/2 ，上式可变为：D（ ） 1 （ ）2式中： 为相邻两点 对应的 平均值； 为相邻两点 和 增量比值的平均值。1 1 1Philip水平入渗公式： I S t2 或者i 1S t 25、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

16、需的土量：m V 1.4 （ 5）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

17、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（min）马氏瓶读数（ml）湿润锋入渗距离

18、累计入渗量 I （ml）x（cm）0042003.7833.7835841610.2836.5006862620.1339.8508183933.16713.03494105251.46718.300110126885.38333.916131148998.11712.7341391697132.55034.43315718115165.16732.61717320131206.63341.46619222150241.41734.78421924177273.91732.50023926197湿润锋随时间变化曲线时间 t （min ）cm） x（ 锋 润 湿图1 湿润锋 x与时间 t 的关系

19、曲线累积入渗量随时间变化时间 t （min）lm（I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 ST总0.5反解S 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）t0.5S I 总 /T 总 总总入渗速率 i（ml/min ）00.00011.9030.0003.7830.5143.06010.2830.3121.85620.1330.2231.32633.1670.1741.03351.4670.1390.83085.3830.1080.644

20、98.1170.1010.601132.5500.0870.517165.1670.0780.463206.6330.0700.414241.4170.0640.383273.9170.0600.360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）116.3035.9331.464.4729.48541.280214.6239.1333.445.6930.23442.327314.0040.0733.816.2631

21、.60044.240414.7638.2333.524.7125.10735.149515.5737.2132.494.7227.89639.054615.5037.9732.855.1229.51041.314715.2637.232.544.6626.96837.755815.0739.7334.415.3227.50838.511916.2338.3134.14.2123.55932.9831016.1341.0736.07525.07535.1051116.0841.6636.784.8823.57533.0051216.1632.7330.082.6519.03726.6523.50

22、0入渗速率随时间变化曲线）nim/lm（i率速渗入3.0002.5002.0001.5001.0000.5000.000时间 t （min）0.54）计算x/t总0.5，其中 t总为总累计入渗时间，可得出不同含水率对应的 值。结果见表 4 ，然后绘制二者关系图，见图 4表 4 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)0016.55000.00043.7830.4130.242610.2830.4230.363820.1330.4420.4831033.1670.3510.6041251.4670.3910.7251485.3830.413

23、0.8461698.1170.3780.96718132.5500.3851.08820165.1670.3301.20822206.6330.3511.32924241.4170.3301.45026273.9170.2671.571体积含水率与 的关系图）%（率水含积0.5000.4500.4000.3500.3000.2500.2000.1500.1000.0500.0000.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 0.00 0.20图 4 含水率 与 的关系曲线(5) 根据 和 的值，计算土壤扩散率 D( ) ，结果见表 5，然后绘制 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）D12D0.291.5650.301.5150.010.055.000.311.4600.010.055.505.251.5400.0770.047-0.1220.1220.321.4000.010.066.005.751.4880.0820.128-0.3690.3690.331.3450.010.055.505.751.4300.