[发明专利]大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法

权利要求书

1.一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，其特征在于，包括控制装置和利用所述的控制装置开展原位模拟实验和控制边界模拟土壤水运动实验条件下负压边界的控制方法，所述控制装置包括：

实验土体，其用于开展大型土壤水运动系统原位模拟土壤水流动实验；

实验土体负压测量传感器，其埋设在实验土体边界位置用于测量实验土体边界位置处的负压；

负压边界控制装置，其用于实现原位土壤负压边界还原，包括设置在所述实验土体下方的真空气室、设置在所述真空气室顶端的陶瓷接触膜，所述真空气室真空度可进行调节，所述陶瓷接触膜连接实验土体与真空气室用于由真空气室向土壤进行负压传递；

所述控制方法具体包括如下步骤：

S1.通过率定陶瓷接触膜的陶瓷膜体层的渗透系数K_p和一阶系数a₁参数，建立真空气室负压-土壤负压-边界水流通量关系；

S2.通过在原位土壤边界位置埋设的原位土壤负压测量传感器，测量原位边界位置的负压；

S3.根据步骤S2中原位土壤边界位置处的负压测量结果，采用步骤S1所确定的真空气室负压-土壤负压-边界水流通量函数关系，通过调节真空气室负压使得实验系统边界位置的实验土体负压与原位下边界土壤负压一致；

S4.实验过程中，通过原位土壤边界位置埋设的原位土壤负压测量传感器连续测量原位土壤边界负压变化，通过步骤S3对模拟实验边界进行动态调控，满足模拟实验边界条件与原位条件一致；

S5.收集和排出从土壤边界进入真空气室的水体；

S6.在控制边界模拟土壤水运动实验条件下，对于第一类边界条件即狄利克雷边界或二类边界条件即纽曼边界，基于埋设实验土体边界层的实验土体负压测量传感器所测量的土壤负压，以及边界层设定通量，基于步骤S1所确定的真空气室负压-土壤负压-边界水流通量函数关系，在整个实验期通过控制和调节真空气室负压实现一类或二类边界条件控制。

2.根据权力要求1所述的一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，其特征在于，所述的原位模拟实验和控制边界实验条件下，实现负压边界调控所建立的陶瓷接触膜进行负压传递条件下的真空气室负压～土壤负压～边界水流通量关系为：

其中，t为时间维度，Q为在实验土体-陶瓷接触膜-真空气室中连续流动的边界水流通量，Δh为实验土体负压和真空气室负压差；其中R反映陶瓷接触膜的相对渗透性，K(h)为土壤水力传导度，非饱和条件下为水势h的函数，K_p，l_p分别为陶瓷接触膜的渗透系数即单位负压梯度下的水流通量和厚度；B为负压调控边界面面积，a₁为一阶系数，D为土壤水扩散度。

3.根据权力要求2所述的一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，其具体为通过控制真空气室形成不同的负压，测量对应的实验土体边界负压和通量的方法进行参数率定，即第二类边界条件控制根据边界设定的通量Q，和通过埋设在实验土体负压测量传感器所测定的实验土体负压，确定真空气室负压，并进行调控，在整个实验期间实现边界恒定通量控制，根据测试结果拟合陶瓷接触膜渗透系数K_p和一阶系数a₁。

4.根据权力要求1所述的一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，其特征在于，在实验土体为粘性土壤条件下，应采用基于土壤真空度电偶感应为测量原理的实验土体负压测量传感器。

5.根据权利要求1所述的一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，其特征在于：所述真空气室中陶瓷接触膜下方依次设有翻斗式流量测量装置和土壤水收集瓶，其用于收集所述实验土体中土壤水，所述真空气室内设有真空气室负压测量传感器用于测量所述真空气室内的负压，真空气室侧壁设有连接所述真空气室与真空泵的连接装置，通过真空泵调控真空气室内真空度实现气室负压的调控，所述真空泵与负压控制调节器连接。