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1、实验一 土壤渗吸实验一、实验目的(1) 观测积水条件下土壤入渗过程，掌握累积入渗量和湿润峰变化规律；(2) 了解评价土壤入渗能力的指标，观察渗吸速度随时间变化规律；(3) 使用考斯加科夫入渗公式拟合函数关系曲线，通过实验资料求得土壤水分入渗参数；(4) 熟悉相关实验装置的工作原理及测试方法。二、实验原理 考斯加可夫根据野外实测资料分析，发现入渗强度(渗吸速度)与时间之间呈指数关系，其形式为：it=i1xt-a式中：it入渗开始后时间t的入渗速度；i；在第一个单位时间土壤的渗透系数，相当于t=l时的土壤入渗速度；a入渗指数。对公式( 1)取对数得：实测的 lgit，lgit=lgi-algt(2
2、)lgt点应成直线关系，取t=1时的i值为.，该直线的斜率为a。 lg i lg i a = a b lgt lgt aba值也可以按下述方法推求，有式(1)积分得：I = f idt = f i t adt =1 11a11 a00计算时t , tb时刻对应i , ib，代入下式得:3)若已知 i1，a ba b4)I为时间t内总入渗量(累积入渗量)，由实测数据得出，由于i；已知，故a可以求出，该法的缺点是很难测定第一个单位时间 的入渗速率。在 Exel 表格中输入时间和累积入渗量实测数据，使用指数函数拟合曲线，可快速得到相应的参数。在土壤吸渗实验中，实验土柱会经历自由入渗、顶托入渗、渗透这
3、3个过程，自由入渗阶段初始入渗率极大，随时间推移入渗 量逐渐减小；本实验仪器难以观测出顶托入渗阶段影响；进入渗透阶段，入渗率基本稳定，其入渗速率接近于渗透速度。三、实验设备直径5cm，装土高度11.5cm圆形土柱、截面面积15cm2，高25cm的供水马氏瓶、秒表、托盘天平、烧杯、量筒、滤纸、直尺、 接渗瓶、土样。土壤渗吸仪是在实验室及教学研究中用于观察水在土壤中的入渗的湿润锋运移过程及测定渗吸速度时间变化规律的仪器。与其 他常用的测量土壤渗吸速度的实验装置相比，土壤渗吸仪能够在短时间内测定渗吸速度随时间的变化及湿润锋在土壤标本中的推进 过程。图1 土壤渗吸仪土壤渗吸仪装置主要包括马氏瓶供水装置
4、、土柱和支架板。其装置图如下：图 2 土壤吸渗仪结构传统马氏瓶在瓶内插一根玻璃管，在野外运用时极为不方便，玻璃管在马氏瓶中位置的变化也影响读数效果。另外，玻璃管插 孔处的密封也是一个较难处理的问题。西安理工大学改进了马氏瓶结构，新型马氏瓶结构包括水室、气阀、水阀、弯头(水头控制 部)、注水玻璃管、供水槽、标尺等。新结构去掉原来的玻璃管，在马氏瓶容器的下端侧壁上开一进气孔，孔外连有一细折管，管 口上部设一气门。工作时，稳定水面实际控制在细管的折点处，其工作原理与前者相同。改进后的马氏容器的工作特性明显优于未 改进的马氏容器，正确操作条件下，其水头可稳定在1mm以内。四、实验步骤1. 测量土筒直径
5、，马氏瓶长、宽、高等尺寸，计算马氏瓶下降水量与土柱入渗水量换算系数。2. 取滤纸一张，把滤纸剪成直径为 5cm 左右的圆形，置入土柱圆筒底部。土桶底部为有机玻璃多孔隔水底板，底板下预留有 3cm的空间，水分渗透土柱后会从出水口排出，不会在土柱中产生积水。3. 用筛子筛分适量的疏松土，将筛得的细土颗粒用托盘子取出，且按设计容重称取足量的筛分土。4. 装土：按要求容重分层装入土柱，为使装土均匀，土样应分层填装，每装一层，用橡皮锤捣实，表面刮毛，再装下一层；每 次填土厚度3cm，装土至土柱进水孔的下端1cm处。填装沙土时可直接将沙土直接装入土柱，最后再进行压实。完成装土后，在土 柱表面铺一张滤纸，防
6、止供水时冲刷。5. 给供水箱加水。打开供水箱的放水阀和排气阀，使水箱中的余水全部流出，关闭放水阀。用一个比较大的量杯盛满水并向灌 水漏斗中注水，这时，水将通过灌水进气管进入到供水箱中，加水过程中，不可使灌水漏斗中出现断流现象，直到供水箱中水面到 达排气阀出口高度时为止，关闭排气阀。缓慢打开放水阀，当灌水进气管开始有气泡进入供水箱时，关闭放水阀，并观察灌水进气 管中水位是否稳定在下端拐点处，当灌水进气管中水位不断上升时，说明水箱上部有漏气现象，这时应拧紧排气阀，如果还不行，则应检查灌水漏斗与水箱之间接缝是否漏气，如果漏气，应打开螺栓，将灌水漏斗与水箱之间的接触面擦干净，再涂一薄层凡士林， 然后再
7、上好螺栓即可。如果水箱粘接缝有开裂时，擦干水箱，用三氯甲烷粘接，处理好后再进行加水工作。如果水位稳定，说明水 箱可以正常工作，用软管将水箱出水口和土柱进水口相连。记录水箱的初始水位。试验开始时先打开放水阀，然后给土层上加入已 准备好的维持水层（2cm）的水量，既可随时间变化正常读数。6. 准备积水：根据土柱表面拟控制的水层厚度及土柱直径计算出需蓄水体积，准备相应水量于量杯中待用7. 开始入渗：各项工作准备就绪后，将备于量杯中的水倒入土柱（动作要轻，以防冲动土样）后，快速打开出水阀，同时开始 计时，实验即正式开始。8. 记录：在初始时入渗速率快，一般每 10 秒记录马氏瓶水位读数、测定土壤湿润峰
8、位置及相应时间。以后随入渗速率减小， 读数间隔可逐渐加大。实验至直到发生渗透，且土柱下端出水并达到稳定为止，则可测得土壤吸水速度的变化规律。在测定入渗水 量的同时，记录浸润峰面在某时刻所到达的土面以下的位置，直到湿润峰面到达土壤标本底部为止，则可测得土壤浸润速度的变化 规律。9根据马氏瓶的面积和圆筒的面积求出圆筒中从开始到不同时刻的累积入渗量z,画出土壤累积入渗量Z和时间的关系曲线,并利用该曲线求出入渗速率i和时间t的关系。五、实验数据记录土壤稳定入渗时土柱的淹水深度为一 cm内环内径cm马氏瓶内径cm内环面积cm2马氏瓶面积cm2实验开始时刻马氏瓶初始读数mm时刻间隔时间累计时间马氏瓶读数湿
9、润锋推进深度累积入渗量入渗速度 t (min)(min)(mm)(mm)Z (mm)(mm/min)六、实验数据处理通过以下公式进行实验计算，获得相应数据并写入上表：t时段内入渗水量（ml） = （ti 1时刻马氏瓶读数-t.时刻马氏瓶读数）X马氏瓶面积 i+1i累积入渗水量（ml） =_时段内入渗水量+_时段内入渗水量+t时段内入渗水量12n入渗速率（cm/mim） =t时段内入渗水量/ （土柱内环面积Xt）七、实验分析及总结（1）根据土壤累积入渗量Z和时间t的拟合函数关系曲线；（2）根据土壤湿润锋推进深度和时间t的拟合函数关系曲线；（3）根据土壤累积入渗量和时间t的拟合函数求导得到土壤入渗
10、速率i和时间t的函数关系曲线。将其绘入双对数纸，确定这lI八、实验注读 实 装种土的i,及a值（结果如下图）。还可以使用Exel表格拟合时间和累积入渗量的函数关系曲线，可快速得到相应的参数。81、2、3、4、土柱入渗实验看似简单，不过做成功很难，在实验过程中有许多需要值得注意的地方。 数时秒表不能停，从打开出水阀门时按下秒表，直到入渗结束。验开始前，必须用烧杯给土柱迅速提供供水水头，然后打开出水阀，才能开始记录实验数据, 衣土时不能把土压的太紧也不能不压，这都将影响入渗过程。九、思考题1.马氏瓶怎么维土壤入渗速率开始较大，后来变小，逐渐稳定，需要大致了解这个规律、维持恒定水位，其工作原理是什么
11、？2. 菲利普公式中稳定吸水率和入渗速率如何计算？3. 不同初始含水量土壤累积入渗量、入渗速率变化过程和湿润锋推进过程有何区别？4. 不同质地、容重土壤入渗特性有何不同？5. 入渗水头对入渗过程是否有影响？实验二 沟灌实验装置一、实验目的1. 在膜沟灌实验条件下，不同开孔率对入渗特性的影响。2. 在膜沟灌实验条件下，沟的不同水头对沟灌入渗特性影响。3. 在膜沟灌实验条件下，不同土壤质地对沟灌入渗特性影响。4. 单沟入渗特征影响。5. 双沟交汇入渗特征影响。二、实验系统组成如下图所示，本实验系统由主要由供水马氏瓶，膜沟灌水槽和支架等部分组成。马氏瓶固定于升降支架上，起固定水槽内水头 作用，瓶身上
12、有刻度，下端通过供水管连接膜沟灌水槽；膜沟灌水槽外边壁附有边长5cm的方格，水槽内装有实验专用细砂，（单 沟入渗水沟在中部，双沟入渗水沟分别在两边）；为读数方便，装置固定在支架上。沟灌实验装置用于在实验室内模拟渠道渗漏及沟渗漏，可在沟灌实验条件下，观察不同开孔率对入渗特性的影响，沟的不同水头对 沟灌入渗特性影响，不同土壤质地对沟灌入渗特性影响。= 供水马氏瓶升降吏架膜沟灌水槽实验土（砂供水管/图二：双沟入渗示意图实验相关仪器有烘行箱、秒表、铝盒、贴膜、画笔、纸、量筒等。四、实验步骤:1筛选、装入质地第2在膜沟灌水槽进力3打开马氏瓶供水，下面的细砂上铺. 同时迅速4.用画笔每隔相应时间5建立坐标
13、系（设表层中间处垄沟），安装好实验装置。支架防止水流冲引起的表面凹凸不平造成入渗误差。g界面，同时用秒表计时。6原点），用土钻分别取不同坐标下土样，幷依次放入铝盒。6用烘箱烘干，并称量前后质量五、实验数据表：叫叫。表 1 沟灌入渗试验记录表三、配套的仪器:de ad t六、结果分析:根据湿润过程，描绘出含水量等值线图，分析不同水头、质地、开孔率条件的入渗特征，得出湿润比；根据入渗量，分析不同条件 下的入渗率。七、实验注意事项:1本实验不能用土样做模型，必须用细砂。目的是防止土样干湿交替过程造成的裂缝。2实验开始时抽纸要准时，抽纸太快容易引起冲刷，太慢则影响自由入渗。3.实验过程中忽略蒸发影响，
14、故应避免阳光照射和空气温度过高造成对实验结果的影响。实验三 简易非饱和土壤水分运动参数测定装置一、试验目的和测定原理1.1试验目的掌握利用水平土柱法测定土壤水扩散率D（e）的方法。该法是利用一个半无限长水平土柱的吸渗试验资料，结合解析法求得 的计算公式，最后计算求出D（e）值。1.2实验原理做一个厚度较小（小于10cm）的水平土柱，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水平吸渗运动，忽略重力作用，作为一维水平流动其微分方程和定解条件为 fI(a)e =ee =aeXot=o(b)b(c)X=oto式（b）中为初始条件，即土柱有均匀的初始含水率e。式（c）为进水端的边界条件，即土柱始端边界含水率始终保持在e ab （接近饱和导水率）。方程（a）在上述定解条件下，求出其解析解，即可以得出D（e）的计算公式。该方程为非线性偏微分方程，求解比较困难。采用 Boltzmann 变换，将其转化成偏微分方程求解。Boltzmann变换如下：方程a可改写为以距离坐标x（e，t）为因变量的基本方程即:(1)假定此方程的解是变量分离的，即_耳(。)s(t)将其代入以X为因变量的基本方程中，整理后结果为:s(t)ds(t)dt1_d_n(0)dO上式左端只随t变化,1 d 耳(0) dOs(t)如 _ AdtD(
