1、一維垂直非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)“操作說(shuō)明西安理工大學(xué)水資源研究所西安碧水環(huán)境新技術(shù)有限公司1試驗(yàn)原理做一個(gè)直徑為10cm的垂直土柱，長(zhǎng)度為100cm左右，使密度均一，且有均 勻的初始含水率。在土柱進(jìn)水端維持一個(gè)接近飽和的穩(wěn)定邊界含水率， 并使水分 在土柱中作垂直吸滲運(yùn)動(dòng)，作為一維垂直流動(dòng)其微分方程和定解條件為0 t>0基本方程（1）可改寫(xiě)為以z,t為未知函數(shù)的方程z ,tdKz ,tt式中，Z坐標(biāo)向下為正。垂直入滲的解z,t取為級(jí)數(shù)形式，即z ,t = 11t22t2t" IIIt2(6)根據(jù)邊界條件（3）可知,i=1，2, 3,由初始條件（2）可以得到(8)當(dāng)式（5）中的

2、各項(xiàng)系數(shù)i（）確定后,則可求得任一時(shí)刻T不同含水率8在土壤剖面上的位置Z,亦即得到垂直入滲的解。i（）可由待定系數(shù)法求得，為此,可以將方程（5）的右端按分式求導(dǎo)展開(kāi)，整理得,2dK zz z dD z c一 0(9)式中,D, K 及 z分別為D （ 9） , K （ 9）及z ,t的簡(jiǎn)寫(xiě)。對(duì)式（6）取z ,分別如下:式中代入（9）11t2中,并按2t32 33t 21 2 I1Yit2i 144t2 IK44 t24分別為1III4tlb的次方合并同類項(xiàng),23Y2t2丫3產(chǎn)4丫4FIII式中前四項(xiàng)的系數(shù)為Y1丫22K丫4式（10）丫=0 (i=1,2,it-2i12t29)可表小為2 2 1

3、252 III的簡(jiǎn)寫(xiě)，將上式(10)右端包為零，而t可以取任意數(shù)，因此，各項(xiàng)系數(shù)必然均為 0,即）,由此條件可求得各項(xiàng)系數(shù)i（）。2儀器設(shè)備2.1 馬氏瓶：H1=70cnn, D=5.0cm；2.2 土桶：H2= 77cm, D=8.86cm,為便于觀測(cè)濕潤(rùn)株，土桶利用有機(jī)玻璃制作;2.3 其它：沙網(wǎng)、秒表、尺子，橡膠軟管等。2.4 馬氏瓶原理：如圖01中的所示.，即在封閉的馬氏瓶的管口上部設(shè)一進(jìn)水口，以便容易 給馬氏瓶裝水，下端側(cè)壁上設(shè)一進(jìn)氣孔及閥門(mén)， 以控制馬氏瓶?jī)?nèi)的氣壓。當(dāng)馬氏瓶中的水與土柱水室中的水連通為一個(gè)供水系統(tǒng)時(shí)，在系統(tǒng)平衡后各點(diǎn)的壓力關(guān)系為：pc h1 pb pa式中：Pa大氣

4、壓（Pa/cm2）；P c、 Pb c、 b 位置高度的大氣壓值（Pa/cm2） ；P 1封閉容器內(nèi)上部的空氣壓力（Pa/cm2） ；h 1馬氏瓶容器內(nèi)b 點(diǎn)以上的水柱高（cm） 。開(kāi)始工作后，當(dāng)土桶中的水因入滲而有微小減低時(shí)，馬氏瓶中的水在勢(shì)能的作用下流向土桶，使土桶中的水穩(wěn)定在原來(lái)的位置，土桶中的水仍保持原來(lái)的水位。 由于土桶中水的入滲，馬氏瓶中的水補(bǔ)充了土桶中的水，使馬氏瓶中的水位下降，即引起了 hi的減小，pc hi< pb,此時(shí)馬氏瓶?jī)?nèi)的氣壓比大氣壓小，外界空氣將通過(guò)馬氏瓶側(cè)壁上的進(jìn)氣孔進(jìn)入馬氏瓶中使得pc增大，以達(dá)到新的平衡， 當(dāng)土桶中的水連續(xù)向土柱入滲時(shí)，平衡過(guò)程就是上述的

5、重復(fù)，這樣可以根據(jù)馬氏瓶的讀數(shù)測(cè)記出h1 的值，即是垂直土柱的入滲水量。試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置示意圖見(jiàn)圖0 1：拉繩'iillilinpoiJ圖0- 1垂直土柱入滲試驗(yàn)裝置示意圖3試驗(yàn)準(zhǔn)備1.1 馬氏瓶的準(zhǔn)備打開(kāi)馬氏瓶的進(jìn)氣孔和進(jìn)水口，用漏斗向馬氏瓶?jī)?nèi)裝水，直至馬氏瓶?jī)?nèi)裝滿 水，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)水口和進(jìn)氣孔，并且檢查它是否漏水，確保馬氏瓶不漏水。在調(diào) 整馬氏瓶位置時(shí)要使馬氏瓶的進(jìn)氣孔與土桶中設(shè)計(jì)好的的水面相平齊，以保證零水頭供水，馬氏瓶可以較準(zhǔn)確的測(cè)出土體的入滲水量。1.2 土樣的填裝為了保證土柱初始含水率均勻和密度均一，擾動(dòng)土樣要經(jīng)過(guò)風(fēng)干、破碎和過(guò)篩（孔徑2mm。在準(zhǔn)備好土樣后，要先測(cè)定土的初始含

6、水率（若實(shí)驗(yàn)要求按一 定的含水率裝土，則須先對(duì)土樣進(jìn)行制備）。然后按照一定的容重和初始含水率 分層填裝土樣（要求按照合理的含水率和容重計(jì)算每層所要填裝的土量）。開(kāi)始 裝土?xí)r首先要稱取該層所要填土的重量， 每層裝入土后都要先整平，然后用擊石 器擊實(shí)，使得裝入的土與該層事先標(biāo)定好的線相平齊， 然后用適當(dāng)?shù)墓ぞ邟伱ㄒ?保證土體密度的均一性），然后進(jìn)行下一層土的填裝，裝土?xí)r須保證層與層之間 的良好接觸，不能出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。1.3 系統(tǒng)連接土樣填裝完畢后，在土樣的上部放置一石棉網(wǎng)或者定性濾紙，以防止裝水時(shí)，水沖刷土樣表面。然后用橡膠軟管將馬氏瓶的出水口與土桶進(jìn)水口相連。實(shí)驗(yàn)要求整個(gè)系統(tǒng)密封性能良好

7、，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，一定要檢查整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。4 試驗(yàn)步驟4.1 安裝供水裝置為了使土柱進(jìn)水端的水位保持不變，進(jìn)水端采用馬氏瓶供水裝置，即圖中，該裝置能自動(dòng)補(bǔ)水，使水位保持不變（基本穩(wěn)定在馬氏瓶進(jìn)氣口的位置處），同時(shí)可以測(cè)出補(bǔ)水量。土桶中的水在開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)其它向土桶中供水，水的體積可根據(jù)土桶的直徑與事先設(shè)計(jì)好的水的高度提前算出，從而可定量加入所需的水量。安裝馬氏瓶時(shí)須將馬氏瓶進(jìn)氣口與土桶中水面上邊緣相平齊。4.2 檢查試驗(yàn)裝置并打開(kāi)各個(gè)閥門(mén)將馬氏瓶出水口與土柱進(jìn)水口用橡膠軟管相連接，并保證不漏水。土桶所加的水量要高于土桶進(jìn)水口，給土桶加水時(shí)，同時(shí)打開(kāi)馬氏瓶的出水口的閥門(mén)及馬氏瓶進(jìn)氣口的閥門(mén), 此

8、時(shí)馬氏瓶的進(jìn)水口的閥門(mén)也是關(guān)閉的，同時(shí)啟動(dòng)秒表記錄試驗(yàn)開(kāi)始的時(shí)間，4.3 觀測(cè)、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)等到土桶中裝完水后，記錄實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間，相應(yīng)的讀取馬氏瓶中的初始水位讀數(shù)，即開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，此實(shí)驗(yàn)中一般每隔30 分鐘讀取一次馬氏瓶的水位和土柱濕潤(rùn)鋒的值，并且記錄相應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間。待土柱中的濕潤(rùn)鋒到達(dá)整個(gè)土柱的2/34/5 時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)，停止計(jì)時(shí)并讀取馬氏瓶中的水位，試驗(yàn)供水結(jié)束。4.4 資料整理試驗(yàn)停止供水，量測(cè)馬氏瓶中放出的水量，將土桶中剩余水量放出，并用量杯計(jì)量，以確定它與開(kāi)始裝入中的水量是否相同，如水量減少，則說(shuō)明土桶中的水量也有一部分進(jìn)入了土柱入滲，土柱的入滲水量是馬氏瓶所供水量與所少水量之和。此

9、時(shí)從濕潤(rùn)鋒附近開(kāi)始迅速取土（取土孔的位置是事先標(biāo)定過(guò)的）測(cè)出土柱的含水率分布。5 試驗(yàn)應(yīng)注意的問(wèn)題（ 1）選擇試驗(yàn)土樣時(shí)，一般認(rèn)為偏壤性的土壤用來(lái)試驗(yàn)效果較好。（ 2） 裝土?xí)r， 試樣干容重的選取必須符合實(shí)際，并且在裝土?xí)r保證層與層之間的良好接觸，否則在入滲時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響最終的試驗(yàn)結(jié)果。（ 3） 安裝土柱時(shí)，要在土柱與水室的螺絲處涂抹凡士林，保證整個(gè)土桶不漏水。（ 4） 試驗(yàn)開(kāi)始供水時(shí)，利用其它供水裝置向水室提供定量的水量，以保證馬氏瓶中的水量全部用來(lái)土柱的垂直入滲，否則試驗(yàn)過(guò)程中馬氏瓶中的水量可能不夠用，最終造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差。（ 5） 試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)迅速?gòu)臐駶?rùn)鋒附近開(kāi)始取土測(cè)含水量，取土速度要快，如果