垂直土柱的入渗实验操作说明

一维垂直非饱和土壤水分运动实验系统

操作说明

西安理工大学水资源研究所

西安碧水环境新技术有限公司

1 试验原理

做一个直径为10cm 的垂直土柱，长度为100cm 左右，使密度均一，且有均匀的初始含水率。在土柱进水端维持一个接近饱和的稳定边界含水率，并使水分在土柱中作垂直吸渗运动，作为一维垂直流动其微分方程和定解条件为

()()()()()

()

i 0K =D t z z z

t 0 z 0000i t z t z θθθθθθθθθθ??????-????????==≥===→∞f f 　　　　　 １　　　　　　　　　 　２　　　　　　　　　　　　　 ３　　　　　　　　　　 ４

基本方程（1）可改写为以(),z t θ为未知函数的方程 ()()()()(),,5z t dK z t D t d θθθθθθθ?????-=-???????

　　　 式中，Z 坐标向下为正。

垂直入渗的解(),z t θ取为级数形式，即

(),z t θ=()()()()12342222

234t t t t ηθηθηθηθ++++L １

=()21i i i t ηθ∞=∑ （6）

根据边界条件（3）可知，()00i ηθ= i=1，2，3， （7）

由初始条件（2）可以得到()1i ηθ=∞ （8）

当式（5）中的各项系数()i ηθ确定后，则可求得任一时刻T 不同含水率θ在

土壤剖面上的位置Z ，亦即得到垂直入渗的解。()i ηθ可由待定系数法求得，为此，

可以将方程（5）的右端按分式求导展开，整理得，

22220z dK z z z dD z D d t d θθθθθθ

?????????+--= ? ?????????? （9） 式中，D ，K 及z 分别为D （θ），K （θ）及(),z t θ的简写。对式（6）取222z z z z t θθθ?????? ???????　　　　　　，分别如下：

()()12342222

123411234222222123421

11

112

2

2

23412

32

22112132

232222

22i i i i i i i i z i t t t t t z

t t t t t z i t t t t t

t z t t ηηηηηθηηηηηθηηηηηηηηηηηθ∞

=∞=∞

-

-=?'''''=++++=??''''''''''=++++=??????

=++++= ? ??????

????''''''=+++ ?????

∑∑∑L L L ()

52214232t t ηηηη?''''+++?L

式中ηηηη１２３４　　　 分别为()()()()ηθηθηθηθ１２３４　　　的简写，将上式代入（9）中，并按t 的次方合并同类项，则式（9）可表示为

1

12342

2222

12341

0i i Y t

Y t Y t Y t Y t ∞

==++++=∑L （10）

式中前四项的系数为

()()

()()()()()

()

2111112

2

2211112222

331231212113123

2

2

2

44

1321412313222123122222232Y D D Y D K D Y D K D Y D K ηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηη??

'''''

=-- ???

'''

'

''''=+---????'''''''''''''=+----- ? ?????'''??'''''''''=++----??　　14

12314D ηηηηηηη''''''---　 式（10）右端恒为零，而t 可以取任意数，因此，各项系数必然均为0，即Y i =0（i=1,2,）,由此条件可求得各项系数()i ηθ。

2 仪器设备

马氏瓶：H1=70cm ，D 1=；

土桶：H 2＝77cm ，D 2=，为便于观测湿润锋，土桶利用有机玻璃制作； 其它：沙网、秒表、尺子，橡胶软管等。 马氏瓶原理：

如图0—1中的所示.,即在封闭的马氏瓶的管口上部设一进水口，以便容易给马氏瓶装水，下端侧壁上设一进气孔及阀门，以控制马氏瓶内的气压。当马氏

瓶中的水与土柱水室中的水连通为一个供水系统时，在系统平衡后各点的压力关系为：

a b c p p h p ==+1

式中：P a －大气压（Pa/cm 2）；

P c 、P b －c 、b 位置高度的大气压值（Pa/cm 2）；

P 1－封闭容器内上部的空气压力（Pa/cm 2）；

h 1－马氏瓶容器内b 点以上的水柱高（cm ）。

开始工作后，当土桶中的水因入渗而有微小减低时，马氏瓶中的水在势能的作用下流向土桶，使土桶中的水稳定在原来的位置，土桶中的水仍保持原来的水位。由于土桶中水的入渗，马氏瓶中的水补充了土桶中的水，使马氏瓶中的水位下降，即引起了1h 的减小， 1h p c +＜b p ，此时马氏瓶内的气压比大气压小，外界空气将通过马氏瓶侧壁上的进气孔进入马氏瓶中使得c p 增大，以达到新的平衡，当土桶中的水连续向土柱入渗时，平衡过程就是上述的重复，这样可以根据马氏瓶的读数测记出1h 的值，即是垂直土柱的入渗水量。

试验系统的装置示意图见图0－1：

图0－1 垂直土柱入渗试验装置示意图

3 试验准备

马氏瓶的准备

打开马氏瓶的进气孔和进水口，用漏斗向马氏瓶内装水，直至马氏瓶内装满水，此时关闭进水口和进气孔，并且检查它是否漏水，确保马氏瓶不漏水。在调整马氏瓶位置时要使马氏瓶的进气孔与土桶中设计好的的水面相平齐，以保证零水头供水，马氏瓶可以较准确的测出土体的入渗水量。

土样的填装

为了保证土柱初始含水率均匀和密度均一，扰动土样要经过风干、破碎和过筛（孔径2mm）。在准备好土样后，要先测定土的初始含水率（若实验要求按一定的含水率装土，则须先对土样进行制备）。然后按照一定的容重和初始含水率分层填装土样（要求按照合理的含水率和容重计算每层所要填装的土量）。开始

装土时首先要称取该层所要填土的重量，每层装入土后都要先整平，然后用击石器击实，使得装入的土与该层事先标定好的线相平齐，然后用适当的工具抛毛（以保证土体密度的均一性），然后进行下一层土的填装，装土时须保证层与层之间的良好接触，不能出现明显的分层现象。

系统连接

土样填装完毕后，在土样的上部放置一石棉网或者定性滤纸，以防止装水时，水冲刷土样表面。然后用橡胶软管将马氏瓶的出水口与土桶进水口相连。

实验要求整个系统密封性能良好，在实验开始时，一定要检查整个实验装置。

4 试验步骤

安装供水装置

为了使土柱进水端的水位保持不变，进水端采用马氏瓶供水装置，即图中，该装置能自动补水，使水位保持不变（基本稳定在马氏瓶进气口的位置处），同时可以测出补水量。土桶中的水在开始试验时，通过其它向土桶中供水，水的体积可根据土桶的直径与事先设计好的水的高度提前算出，从而可定量加入所需的水量。安装马氏瓶时须将马氏瓶进气口与土桶中水面上边缘相平齐。

检查试验装置并打开各个阀门

将马氏瓶出水口与土柱进水口用橡胶软管相连接，并保证不漏水。土桶所加的水量要高于土桶进水口，给土桶加水时，同时打开马氏瓶的出水口的阀门及马氏瓶进气口的阀门, 此时马氏瓶的进水口的阀门也是关闭的，同时启动秒表记录试验开始的时间，

观测、记录试验数据

等到土桶中装完水后，记录实验开始时间，相应的读取马氏瓶中的初始水位读数，即开始记录数据，此实验中一般每隔30分钟读取一次马氏瓶的水位和土柱湿润锋的值，并且记录相应的试验时间。待土柱中的湿润锋到达整个土柱的2/3~4/5时，关闭阀门，停止计时并读取马氏瓶中的水位，试验供水结束。

4.4资料整理

试验停止供水，量测马氏瓶中放出的水量，将土桶中剩余水量放出，并用量杯计量，以确定它与开始装入中的水量是否相同，如水量减少，则说明土桶中的水量也有一部分进入了土柱入渗，土柱的入渗水量是马氏瓶所供水量与所

少水量之和。此时从湿润锋附近开始迅速取土（取土孔的位置是事先标定过的），测出土柱的含水率分布。

5 试验应注意的问题

（1）选择试验土样时，一般认为偏壤性的土壤用来试验效果较好。

（2）装土时，试样干容重的选取必须符合实际，并且在装土时保证层与

层之间的良好接触，否则在入渗时会出现分层现象，影响最终的试验结果。

（3）安装土柱时，要在土柱与水室的螺丝处涂抹凡士林，保证整个土桶

不漏水。

（4）试验开始供水时，利用其它供水装置向水室提供定量的水量，以保

证马氏瓶中的水量全部用来土柱的垂直入渗，否则试验过程中马氏瓶中的水

量可能不够用，最终造成试验结果的偏差。

（5）试验结束后，应迅速从湿润锋附近开始取土测含水量，取土速度

要快，如果取土时间长时,土样在空气中停留过长时间，会造成含水量的损

失，从而导致试验结果的不准确。

（6）取土样时，每取完一个土样，所用的取土器要擦干净，然后再取下个土样。

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