[发明专利]大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法

说明书

本发明公开了一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，包括实验土壤，实验土壤负压测量传感器；负压边界控制装置，包括设置在所述实验土壤下方的真空气室、设置在所述真空气室顶端的陶瓷接触膜，所述负压气室真空度可进行调节，所述陶瓷接触膜连接实验土壤与真空气室用于由真空气室向土壤进行负压传递。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(狄利克雷边界)或二类边界条件(纽曼边界)，基于埋设在边界层的土壤负压传感器所测量的土壤负压，以及边界层设定通量，基于步骤一所确定的真空气室负压‑边界通量‑土壤负压函数关系，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。

技术领域

本发明属于土壤水边界条件控制技术领域，尤其涉及一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法。

背景技术

蒸渗仪、以及包括了土壤渗流实验在内的坡面流动实验系统等大型土壤水运动实验系统，不可避免的需要通过设定边界以截断土壤，而边界条件变化对于土壤水流动产生了显著性的影响，不同的边界(如渗出面边界、重力排水边界和低渗透阻水边界)所测定的通量和过程都表现出显著的区别。边界条件控制是大型土壤水运动实验系统开展原位模拟实验和控制实验尚未解决的核心问题之一。

目前解决边界控制问题通用的方法是扩大土壤水运动实验系统的尺度，例如采用大埋深(超过4m)的实验系统，尽管这种方法一定程度上降低了边界条件对于测量结果的影响，然而相应的实验系统的尺寸就非常大，对土壤水分运动及其伴随和伴生过程的监测亦提出了非常高的要求。更为重要的是在机理上并未根本解决这一问题。

此外，大型土壤水运动实验系统通常边界条件设定为不透水边界或者正压边界。非饱和土壤水运动分有界和无界两种情况，边界为饱和土层(地下水)或不透水隔层者为有界非饱和土壤水运动；当非饱和区无限深(或地下水埋深相当大)而又不研究非饱和带土壤水向地下水的补给(或地下水向包气带的补给)时，往往侧重于研究在一定深度范围内土壤水运动及其伴生和伴生过程，对于这种无界土壤水运动问题，实验区域需要选定在某一定深度的土层范围内，这种情况下边界更主要的是负压边界。而目前所有的大型土壤水实验装置均无法满足开展控制负压边界实验的需求。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，建立了通过气室真空负压控制实现大型土壤水运动实验系统负压边界控制的方法，解决了大型土壤水运动实验可靠性提升的关键理论和技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，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。

本发明还提供一种大型土壤水运动实验系统负压边界控制方法，利用上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，包括如下步骤：

S1.通过陶瓷接触膜的参数率定，建立真空气室负压-土壤负压-土壤水通量关系；

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；