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申请/专利权人：南京信息工程大学;青海省气象灾害防御技术中心

摘要：本发明涉及土壤水动力学技术领域，具体涉及基于溶质穿透曲线的土壤水力学参数估计方法；本方案通过稳态重力入渗条件下波速的定义，揭示了波速方程与孔隙流速分布函数之间的等效关系，构建了土壤水动力本构方程与溶质穿透曲线之间的参数关联，为土壤水动力模拟提供新的参数化方案。

主权项：1.基于溶质穿透曲线的土壤水力学参数估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1-构建溶质穿透曲线与土壤水动力本构方程的关联：S1.1：基于Brooks-Corey及VanGenuchten模型中的土壤水分特征曲线：定义：Θ＝fh；Brooks-Corey：改进版VanGenuchten：推导出非饱和导水率方程：定义：q＝k；Brooks-Corey：改进版VanGenuchten：平均孔隙流速方程：定义：Brooks-Corey：改进版VanGenuchten：波速方程、即孔隙流速分布函数：定义：Brooks-Corey：改进版VanGenuchten：运动波数：定义：Brooks-Corey：改进版VanGenuchten：在上式中，θr和θs为残余含水量和饱和含水量；Ks为饱和导水率；aK为运动波数；α、n、m为Brooks-Corey和VanGenuchten模型的拟合参数；ε＝θs-θrθm-θr为VanGenuchten模型的矫正系数，hs为进气吸力，当θm＝θs时，进气吸力为零且改进版VanGenuchten模型还原至其标准版；lVG为孔隙弯曲系数，设定为0.5；S2-分析溶质穿透曲线的本质由孔隙流速分布不均导：考虑一个长度为L的土柱的溶质穿透过程，其土壤含水量均匀分布且为θw，入渗流量为Kw，当上边界施加的溶质浓度由C0增加到C0+ΔC，新溶液将从Lcθw时刻通过具有最大流速cθw的孔隙水流路径开始穿透土柱，初次穿透之后，越来越多的孔隙水流路径将完成溶质从上到下的穿透，土柱底部出流的溶质浓度C逐渐增大： 在上式中，v为孔隙流速；θc为对应的刚刚完成穿透的孔隙水流路径的对应的含水量；根据稳态重力入渗条件下最大孔隙流速与波速的等效关系，初次穿透时间tc可用波速方程计算： 考虑稳态重力入渗情况，溶质浓度C的积分形式则等于达西流速，也可用非饱和导水率方程表示，因此上式可整理为： 选择一个替代性的数值解法去推导原始版和改进版的Mualem-VanGenuchten模型，初始浓度为0的土壤穿透曲线可表达为： 在上式中，即为示踪剂溶质首次穿透土柱的时间；将该方法拓展至非饱和土壤，并将溶质运移方程重新改写为运动波数αK的方程： 采用一个无量纲时间t*来消除不同类型土壤中悬殊的导水率和达西流速问题，而运动波数则直接与穿透曲线的形状相关，t*为无量纲时间： 当t*为1时，通过土柱的土流总容量则与孔隙总容积相等；对于Brooks-Corey模型，将非饱和导水率方程代入到上式中，无量纲时间可表达为土壤含水量或土壤达西流速的方程： S3-搭建原状土柱实验装置：该装置包括降雨组件、原状土柱以及数据采集仪，所述原状土柱的底部为过滤层并在所述过滤层的底部设有出流孔，所述出流孔连通有临时储液腔，所述临时储液腔连通有集液瓶，所述数据采集仪通过所述电导率探头分别与所述临时储液腔、集液瓶和所述原状土柱相连通，所述数据采集仪另外通过多根所述土壤水分传感器与所述原状土柱相连通；S4-通过溶质穿透实验获取溶质穿透曲线：S4.1：采用去离子水对原状土柱进行淋滤，在原状土柱上边界均匀施加氯化钠溶质，采用恒定强度的水流通量，共施加体积为三倍以上的土柱孔隙总体积的溶液；S4.2：收集渗漏溶液，观察初始流出时间，按20min间隔记录出流总量，利用所述数据采集仪和所述电导率探头对底层土壤、临时储液腔和所述集液瓶中的溶质浓度以2min间隔监测记录；S5-通过非饱和入渗实验获取土壤含水量动态变化：在原状土柱干燥后，施加恒定强度为20mmh、50mmh、100mmh、300mmh的人工降雨开展非饱和实验，观察初始流出的时间，计算滞后时间，测量出流水量，采用所述数据采集仪以5min间隔记录所述原状土柱内不同深度土壤含水量动态变化；S6-通过溶质穿透曲线获取孔隙流速分布，拟合土壤水力学参数：采用一个无量纲时间t绘制溶质穿透浓度曲线，将运动波数直接与穿透曲线的形状相关，联合波速方程，非饱和空隙流速分布与土壤水力学参数的关系，拟合上述实验获得的穿透曲线得到对应的土壤水力学参数。

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百度查询： 南京信息工程大学 青海省气象灾害防御技术中心 基于溶质穿透曲线的土壤水力学参数估计方法