土壤容重的测定

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河北工程大学研究生课实验报告

垂直一维入渗实验报告

一、实验目的和意义

观察土壤垂直入渗过程，测定土壤累积入渗量、湿润锋运移距离，根据实测的累积入渗量计算相应的入渗率；通过土壤入渗实测资料，验证土壤水分运动参量间关系，如累积入渗量与时间关系、湿润锋运移距离与时间关系、入渗率与时间关系、累积入渗量与湿润锋关系、入渗率与湿润锋关系等，验证描述垂直一维入渗的常用模型，如考斯加可夫模型(Kostiakov)、菲利普模型(PhiliP)等；测定实验结束时不同深度的土壤含水量，绘制土壤含水量剖面曲线。

入渗是将地表水与地下水、土壤水联系起来的纽带，是径流形成过程、水循环过程的重要环节。垂直入渗是有重力作用的一维入渗，入渗率、累积入渗量和入渗距离（即湿润锋的位置）是描述入渗过程的重要特征量，针对于具体的入渗边界条件，上述特征量的取得对于区域产流产沙估算、农田灌溉、农田排水、地下水补给等效果评估有着重要的意义。

二、实验原理

实验装置由土柱和马氏瓶组成，土壤吸渗水分，土面上的水分减少，供给水面下降，使马氏瓶出水口所受外部压力减小，与马氏瓶内部压力差达到马氏瓶灵敏度时，马氏瓶进气口冒气泡进气，马氏瓶中的水流向土柱，如此反复，马氏瓶定水头自动供给土柱水量。

三、实验设备和装置

垂直入渗实验装置形式多样，但都由实验土柱和供水装置组成，图5-2为常用的垂直入渗实验装置。

实验土柱：目前，已发表论文中试验土柱直径范围在4.0～20cm，土柱直径减小，可减小实验土样用量。为了提高实验精度，马氏瓶截面积应相应减小，为了便于观察湿润锋和马氏瓶液面变化，实验土柱和马氏瓶用透明有机玻璃管制成，土柱管壁交错打上1～

土柱湿润锋水层进水口供水管进气口出水口马氏瓶

4排取土孔。

供水装置：供水装置采用带刻度的改进

出水口水室的马氏瓶，可实现恒定水头下自动供水。

改进的马氏瓶的工作原理：马氏瓶供水管的出水口所受压强等于P内（高于马氏瓶出

水口的马氏瓶内水层的静水压强（h马）加上马氏瓶内空气压强P马），也等于P外（高于马氏瓶出水口的土柱内水层的静水压强（h土）加上大气压强(P大)）；土壤吸渗水分，使土柱

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图 5-2 垂直入渗实验装置示意图

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内供给水量减少，即供给水面下降，使得马氏瓶出水口所受压力P外小于P内，当供给水面继续下降，使ΔP（P内-P外）达到一定数值，达到马氏瓶灵敏度时，马氏瓶中的水流向土柱，马氏瓶进气口冒气泡进气，增大马氏瓶内空气压强，当马氏瓶供水管的出水口所受压强P内再次等于P外时，马氏瓶进气口停止进气，马氏瓶中的水停止流向土柱；如此反复，使得马氏瓶定水头自动供给土柱水量。

改进的马氏瓶的操作方法：将马氏瓶灌水口打开，关掉进气口和供水口，由灌水口向马氏瓶灌水，待灌到合适位置时，将灌水口塞子塞紧（或阀门关闭），打开供水口排气，当供水口不再流水时，表明排好气，关掉马氏瓶供水口。将马氏瓶放在合适位置，将马氏瓶的供水管接在土柱的进水口处。调整马氏瓶高度，打开供水口和进气口向土柱供水。

其它设备和仪器：土样、天平、铝盒、滤纸、量筒、洗耳球、小型取土钻（也可以用其它设备代替）、秒表、刻度尺。

四、实验步骤

1.土样经风干过2mm筛，按要求容重分层装入实验土柱，填装方法为：先计算按要求容重填装V体积所用干土重。

m干?V?????R2?H?? （1-1）

式中：m干为半径为R、高为H的环体所装干土质量，g；R为土柱半径,cm；H为分层装土高度,cm；高为H的环体体积，cm3；?为要求达到的土壤容重,g.cm-3。 V为半径为R、

由于装土时常用一定含水量的湿土，按照要求容重填装V体积时所用湿土重为

m湿=m干?(1??) （1-2）

式中：m湿为按土壤容重?填装体积V时所用含水量为θ的湿土重，g；θ为填装所用湿土的含水量，%。此次试验R=2.5cm，H=15×2.0=30cm, m湿=852g

装好后土柱应放置24h，使土壤剖面含水量均匀。

2.将排好气的马氏瓶安装在合适位置（进气口高度略大于土柱设计水层高度），提高马氏瓶供水管末端与进气口齐平，打开供水口和进气口，使供水管完全充水，然后拧紧进气口，将马氏瓶供水管接到土柱的进水口上。

3.记下马氏瓶初始读数H0，打开马氏瓶进气口，同时计时，开始实验。

4.在实验过程中,根据由密到疏的原则（如1min，3min，5min，7min，10min，15min，30min，45min, 60min，90min…）记录入渗时间、湿润锋运移距离和马氏瓶液面刻度。

5.当入渗达到稳定后结束实验,拧紧进气口，关掉马氏瓶出水口阀门，用量筒量出土面上剩余水量W0。从湿润锋向上开始从取土孔迅速取土,用烘干法测定土壤含水量。

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?=1.436g/cm3,m=854.12g,

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五、数据记录

剩余水量 35ml 总入渗时间 70min 空气温度 10C0 土壤初始含水量 0.7% 土壤容重 1.436g/cm3 马氏瓶截面积（S）6.73cm2 土柱直径 2.5cm

垂直一维入渗实验记录表时间(min) 0 1 2 3 5 7 10 15 20 30 35 40 45 50 55 60 65 70 入渗体积(ml) 35 26.9 10.1 8.1 12.1 13.5 14.8 18.9 18.9 14.8 16.0 12.0 12.0 12.0 16.0 24.0 16.0 16.0 入渗率 26.9 10.1 8.1 6.1 6.7 4.9 3.8 3.8 1.5 3.2 2.4 2.4 2.4 3.2 4.8 3.2 3.2 马氏瓶液面下降(cm) 5.2 4.0 1.5 1.2 1.8 2.0 2.2 2.8 2.8 2.2 2.0 1.8 1.8 1.8 2.4 3.6 2.4 2.4 累计入渗量(ml) 0 26.9 37.0 45.1 57.2 70.7 85.5 104.4 123.2 138.0 154.0 166.0 178.0 190.0 206.0 230.0 246.0 262.0 湿润锋运移距离(cm) 0 4.3 1.7 1.3 1.7 1.9 2.1 2.8 2.8 2.0 2.0 1.7 1.7 1.7 1.7 湿润锋累计运移距离(cm) 0 4.3 6.0 7.3 9.0 10.9 13.0 15.8 18.6 20.6 22.6 24.3 26.0 27.7 29.4 注：累积入渗量为某一时间内马氏瓶液面下降高度乘以马氏瓶截面积，然后减去剩余水量（实验结束时土柱内剩余水量）的差。

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入渗后土壤含水量测定记录表

土层 0-2 2-4 4-6 6-8 盒盒重+湿土号重（g） 25 1 32 8 87.7 86.2 84.3 85.1 82.0 88.9 85.6 84.9 85.9 86.8 84.1 89.3 83.4 89.5 55.3 盒重（g） 12.5 12.8 12.5 12.5 12.7 12.6 12.9 12.3 12.9 12.4 12.4 12.8 12.5 12.3 12.7 盒重+干土重（g） 70.0 69.9 69.0 69.0 66.8 72.2 69.9 68.9 70.3 70.4 68.0 72.7 67.8 72.2 45.3 干土重（g） 57.5 57.1 56.5 56.5 54.1 59.6 57.0 56.6 57.4 58.0 55.6 59.9 55.3 59.9 32.6 湿土重（g） 75.2 73.4 71.8 72.6 69.3 76.3 72.7 72.6 73.0 74.4 71.7 76.5 70.9 77.2 42.6 水重（g） 17.7 16.3 15.3 16.1 15.2 16.7 15.7 16.0 15.6 16.4 16.1 16.6 15.6 17.3 10.0 土壤含水率 30.8% 28.5% 27.1% 28.5% 28.1% 28.0% 27.5% 28.3% 27.2% 28.3% 29.0% 27.7% 28.2% 28.9% 30.7% 8-10 26 10-12 9 12-14 6 14-16 31 16-18 27 18-20 16 20-22 14 22-24 37 24-26 33 26-28 22 28-30 19 六、结果分析

1.通过实测资料，在EXCELL中绘制出土壤含水量分布曲线，绘制入渗量与时间关系曲线、湿润锋运移距离与时间关系曲线、入渗率与时间关系曲线、累积入渗量与湿润锋关系曲线、入渗率与湿润锋关系曲线，各曲线图见附录。

2.根据实测资料，验证考斯加可夫入渗模型(Kostiakov)、菲利普入渗模型(Philip)，利用考斯加可夫入渗模型(Kostiakov)和菲利普入渗模型(Philip)建立的累积入渗量和时间的关系，通过推导，求出入渗率方程。

七、分析思考

影响垂直入渗的因素很多，如土壤初始含水率、土壤容重、土壤质地、入渗水头、入渗溶液等。影响因素不同，垂直入渗特性也有所不同，因此可以设定因素水平，研究某一因素或多因素对垂直一维入渗特性的影响。

八、注意事项

1.土样填装好后，在土面上放一张比土柱内径略小的滤纸，避免瞬时进水时冲刷土样表面。

2.由于垂直入渗的有机玻璃管直径一般在10cm以上，而最初入渗速率大，若用马氏瓶供水至预定水头，需要时间长，影响实验精度，可提前计算好设定水层厚度所需水量，用量筒量出，瞬时灌入土柱中，同时打开马氏瓶进气口供水，按下秒表计时，这样可在尽可能短的时间内使土层上面达到预定水头。

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土壤含水量分布曲线

31.0% 30.5% 30.0% 29.5% 含29.0% 水

量28.5% 28.0% 27.5% 27.0% 26.5%