1、 博士 基地班硕士硕博连读研究生 兽医硕士专业学位学术型硕士 工程硕士专业学位农业推广硕士专业学位 全日制专业学位硕士同等学力在职申请学位 中职教师攻读硕士学位高校教师攻读硕士学位 风景园林硕士专业学位西 北 农 林 科 技 大 学研 究 生 课 程 结 课 论 文 封 面（课程名称： 土壤水分溶质动力学）学位课 选修课 研 究 生 年 级、姓 名 2 vccccccccccccc 研 究 生 学 号 XXXXXXXXXXX 所 在 学 院（系、部） XXXXXXXXXXXXXXX 学院 专 业 学 科 农业工程 任 课 教 师 姓 名 XXXXXXXX 考 试 日 期 考 试 成 绩 评 卷
2、 教 师 签 字 处 土壤入渗实验报告一、垂直入渗实验1、实验目的测定土壤的垂直入渗特征曲线，掌握测定方法。了解土壤一维入渗特性，确定入渗条件下土壤累积入渗量曲线以及入渗速率数学表达式，用不同的入渗经验公式描述入渗速率并绘制相应的图表。2、实验要求（1）土柱圆筒高约 29cm，内径 10cm。控制装土容重为 1.4 。垂直入3g/cm渗过程中，进水端的水位由马氏瓶控制。入渗过程中，观测不同时间的累积入渗量。 （2）根据实验数据在方格纸上点绘入渗过程线（速度入渗时间） ，确定饱和入渗速度 k 值。（3）根据实验数据在双对数纸上点绘入渗曲线，确定 及 k 值，写出该种土壤的入渗公式。（4）略述土壤
3、入渗过程，入渗性强弱，分析原因。3、实验原理（1）实验利用马氏瓶供水并维持稳定水压；（2）对于均质土的入渗强度，已有若干计算公式，菲利普根据严格的数学推导，求得解析解为： f21itiS式中，it 时刻的入渗速率；S与土壤初始含水率有关的特性常数，成为吸水率；稳定入渗率，即饱和土壤渗透系数。fi在非饱和土壤入渗初期，S 起主要作用，所以菲利普公式可以改写为：21tiS考斯加可夫根据野外实测资料的分析，发现入渗强度与时间之间成指数关系，其形式为： -a1ti式中， 第一个单位时间的入渗强度；1ia反应土壤性质与入渗初始时土壤含水率的经验常数； 累积入渗量： )1(01010)( titidtit
4、iItt4、实验仪器马氏瓶、玻璃土柱、天平、滤纸、秒表、烧杯5、实验方法和步骤（1）测量玻璃土柱的内径 =10cm，控制土壤容重为 1.4 ，计算 2cmR3g/cm高土柱所需的土量；gVm8.219)0(4.（2）分层装土：在玻璃柱底部放入一片滤纸，然后装土。称土 219.8g，控制每次装土高度为 2cm，压实，装下一层时表面打毛。（3）调节马氏瓶，使其进气孔高出土柱面 2cm，形成水头差；（4）用烧杯迅速向玻璃柱中加水，立即打开供水阀，同时打开秒表计时，三者要求同时进行，然后开始实验；（5）每隔一定时间测定一组实验数据（记录马氏瓶读数、时间） ；（6）处理与分析实验数据。6、实验数据处理（
5、1）测定的实验数据及数据处理见表 1表 1 实验数据处理入渗时间(min）时间间隔（ min）时段入渗量（ml）累积入渗量（ml）入渗速率（ml/min ）0 0 0.00 0.00 0.001 1 42.00 42.00 42.00 2 1 48.00 90.00 48.00 3 1 30.00 120.00 30.00 4 1 30.00 150.00 30.00 5 1 24.00 174.00 24.00 6 1 18.00 192.00 18.00 7 1 14.00 206.00 14.00 8 1 12.00 218.00 12.00 9 1 8.00 226.00 8.00 1
6、0 1 6.00 232.00 6.00 11 1 4.00 236.00 4.00 12 1 4.00 240.00 4.00 13 1 6.00 246.00 6.00 14 1 4.00 250.00 4.00 15 1 4.00 254.00 4.00 16 1 5.00 259.00 5.00 17 1 7.00 266.00 7.00 18 1 8.00 274.00 8.00 19 1 2.00 276.00 2.00 20 1 6.00 282.00 6.00 21 1 4.00 286.00 4.00 22 1 4.00 290.00 4.00 23 1 5.00 295.0
7、0 5.00 24 1 5.00 300.00 5.00 25 1 4.00 304.00 4.00 26 1 6.00 310.00 6.00 27 1 5.00 315.00 5.00 28 1 5.00 320.00 5.00 29 1 4.00 324.00 4.00 30 1 7.00 331.00 7.00 35 5 21.00 352.00 4.20 40 5 18.00 370.00 3.60 45 5 16.00 386.00 3.20 50 5 14.00 400.00 2.80 55 5 18.00 418.00 3.60 60 5 15.00 433.00 3.00 6
8、5 5 13.00 446.00 2.60 70 5 18.00 464.00 3.60 75 5 14.00 478.00 2.80 80 5 22.00 500.00 4.40 85 5 16.00 516.00 3.20 90 5 14.00 530.00 2.80 95 5 8.00 538.00 1.60 100 5 10.00 548.00 2.00 105 5 14.00 562.00 2.80 110 5 11.00 573.00 2.20 115 5 11.00 584.00 2.20 120 5 15.00 599.00 3.00 130 10 23.00 622.00 2
9、.30 140 10 28.00 650.00 2.80 150 10 24.00 674.00 2.40 160 10 24.00 698.00 2.40 170 10 26.00 724.00 2.60 180 10 23.00 747.00 2.30 190 10 25.00 772.00 2.50 200 10 23.00 795.00 2.30 210 10 19.00 814.00 1.90 220 10 20.00 834.00 2.00 230 10 30.00 864.00 3.00 234 4 8.00 872.00 2.00 239 5 6.00 878.00 1.20
10、244 5 6.00 884.00 1.20 249 5 12.00 896.00 2.40 250 1 2.00 898.00 2.00 251 1 2.00 900.00 2.00 252 1 2.00 902.00 2.00 253 1 1.00 903.00 1.00 254 1 1.00 904.00 1.00 255 1 1.00 905.00 1.00 256 1 1.00 906.00 1.00 261 5 10.00 916.00 2.00 266 5 10.00 926.00 2.00 271 5 10.00 936.00 2.00 （2）累积入渗量、入渗速率与时间的关系曲
11、线分别见图 1、图 2。累 积 入 渗 量 随 时 间 变 化 曲 线y = 72.354x0.4516R2 = 0.98130.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.001000.000 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300时 间 t（ min）累积入渗量I（ml）图 1 累积入渗量 I 与入渗时间 t 的关系曲线入 渗 速 率 随 时 间 变 化 曲 线y = 30.777x-0.5406R2 = 0.81120.0010.0020.0030.0040.0050.0060.000 30
12、 60 90 120 150 180 210 240 270 300时 间 t（ min）入渗速率i（ml/min）图 2 入渗速率 i 与入渗时间 t 的关系曲线由图可以看出整体结果还是比较符合的，但是相关性不太高。7、对三种经验公式的拟合效果进行对比分析（1）土壤垂直累计入渗量散点图及各经验公式拟合曲线使用 Philip 入渗公式进行拟合如下图 3：累 积 入 渗 量 随 时 间 变 化 曲 线y = -0.006x2 + 4.3495x + 178.78R2 = 0.98980.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.0
13、01000.000 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300时 间 t（ min）累积入渗量I（ml）图 3 philip 入渗公式拟合图使用考斯加可夫入渗公式进行拟合如下图 4：累 积 入 渗 量 随 时 间 变 化 曲 线y = 72.354x0.4516R2 = 0.98130.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.001000.000 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300时 间 t（ min）累积入渗量I（ml）图 4 考斯加可夫入渗公式拟合图使用
14、Green-Ampt 入渗公式进行拟合如下图 5：累 积 入 渗 量 随 时 间 变 化 曲 线y = 2.803x + 221.27R2 = 0.97370.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.001000.001100.000 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300时 间 t（ min）累积入渗量I（ml）图 5 Green-Ampt 入渗公式拟合图（2）对土壤垂直入渗三种经验公式拟合效果进行对比分别用三种经验公式拟合的回归系数见下表 2表 2 不同拟合公式回归系数对比表不同拟合公式
15、Philip入渗公式 考斯加可夫入渗公式 Green-Ampt入渗公式回归系数 0.9898 0.9813 0.9737拟合效果对比图如下图 6累 积 入 渗 量 随 时 间 变 化 曲 线0.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.001000.001100.000 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300时 间 t（ min）累计入渗量I（ml） 实 测 点线 性多 项 式乘 幂图 6 采用不同经验公式拟合效果对比图由上述图表可知：（1）累积入渗量随时间的增加而增大，但增加的速率越来越小，最
16、终趋于稳定，入渗速率随时间的增加而减小，最后趋于稳定，其值为稳定入渗率；（2）采用考 Philip 入渗公式拟合效果最好，其次是采用斯加可夫公式拟合，而采用 Green-Ampt 入渗公式拟合的效果也比较好，但是相对于前两种模型来说误差还是比较大的。二、水平入渗实验1、实验目的在熟练掌握水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率原理的基础上，了解土壤水分水平入渗的过程、入渗特性，确定入渗条件下湿润锋 x 和时间 t 之间的关系，了解入渗条件下土壤累计入渗量曲线以及数学表达式，计算土壤的入渗速率以及数学表达式，同时得到土壤水扩散率 的关系，并绘制相应的图)(D表。2、实验要求水平土柱（长 30cm）
17、，是由直径 5cm、厚度为 2cm 的单环组装形成的，控制装土容重为 1.4 。水平入渗过程中，进水端的水位由马氏瓶控制。入渗3g/cm过程中，观测不同时间的累积入渗量以及湿润锋的距离。实验结束后，用烘干法分层测定土壤重量含水率计算体积含水率。3、实验仪器马氏瓶（3cm5cm） 、玻璃土柱、天平、滤纸、秒表、烧杯。4、实验原理水平土柱入渗法测非饱和土壤水扩散率 要求土柱的土壤质地均一,且初)(D始含水量分布均匀,在进水端边界含水量稳定不变,忽略重力作用的条件下,该土壤水属于一维流问题,其微分方程及定解条件为:)3(0tx),( 2)1()(s0，txDt式中： 为入渗时间（min） ； 为水平
18、入渗距离（ cm） ； 为体积含水量t x（cm/cm） ； ， 分别为土壤的初始含水量和饱和含水量。0s对方程(1)施以Boltzmann 变换可得： 021)(dD带入Boltzmann 变换参数 ，上式可变为：2/1xt)()(式中： 为相邻两点 对应的 平均值； 为相邻两点 和 增量比值的平均值。Philip水平入渗公式： 或者21tSI21tSi5、实验方法和步骤（1）称土：控制土壤容重为 1.4 ，计算 4cm 高土柱所需的土量：3g/cmVm9.104)25(.（2）装土柱：在水平实验土槽底部垫上滤纸，然后将实验用土按设计容1.4 的标准分层装入水平土槽中，为保证土的均匀性，我们
19、将土按 4cm 高3g/c度分层装入。（3）装水：在马氏瓶中装入一定量的水，将下部进气阀和出水阀关闭。（4）连接仪器：用橡皮输水管将马氏瓶的出水口与水平土槽进水口相连，然后打开马氏瓶顶部的加水孔的橡皮塞和出水阀，同时将水平槽的排气孔打开，给水平土槽下部的水室进行排气和充水，保证水能够均匀的入渗。（5）待水室充满水后，立即将马氏瓶的加水孔和水平土槽的排气孔密封，打开马氏瓶下部的进气阀，将水平土柱放平，让水平土柱中心轴与马氏瓶的进气阀相平，这样才能保证水平入渗在无压条件下进行，同时，打开秒表开始计时，并记下马氏瓶上的刻度数。（6）进行连续观测，每当湿润锋前进 2cm 时，记下时间和马氏瓶上的刻度数
20、，达到稳定入渗时，停止实验，然后打开水平土槽，将其中的土按 2cm 长度分层装入事先准备好的铝盒中，然后称重，并放入烘箱进行烘干、称重。6、实验数据处理与分析（1）计算累积入渗量 ，结果见表 1；绘制湿润锋 与时间 的关系曲线，I xt见图 1；再绘制累积入渗量 与时间 的关系曲线，见图 2。t表 1 累计入渗量计算表入渗时间（ min）时间间隔(min)马氏瓶读数（ml ）湿润锋入渗距离（cm）x累计入渗量 （ml）I0 0 42 0 03.783 3.783 58 4 1610.283 6.500 68 6 2620.133 9.850 81 8 3933.167 13.034 94 10
21、 5251.467 18.300 110 12 6885.383 33.916 131 14 8998.117 12.734 139 16 97132.550 34.433 157 18 115165.167 32.617 173 20 131206.633 41.466 192 22 150241.417 34.784 219 24 177273.917 32.500 239 26 197湿 润 锋 随 时 间 变 化 曲 线y = 2.1931x0.4327R2 = 0.997902468101214161820222426280.000 30.000 60.000 90.000 120.
22、000150.000180.000 210.000240.000 270.000300.000时 间 t（ min）湿润锋x（cm）图 1 湿润锋 x 与时间 t 的关系曲线累 积 入 渗 量 随 时 间 变 化y = 6.909x0.5816R2 = 0.99710204060801001201401601802002200.000 30.000 60.000 90.000 120.000150.000180.000210.000240.000270.000300.000时 间 t（ min）累积入渗量I（ml）图 2 累积入渗量 I 与时间 t 的关系曲线（2）根据 反解 ，计算入渗率 ，
23、结果见表5.0ST总总 I 5.0/T总总0.5S/2ti2，然后绘制入渗速率 i 与时间的关系曲线，见图 3。表 2 入渗速率 i 计算表时间 t（min） 5.0t 5.0/TI总总S入渗速率i（ml/min）0 0.000 0.000 3.783 0.514 3.060 10.283 0.312 1.856 20.133 0.223 1.326 33.167 0.174 1.033 51.467 0.139 0.830 85.383 0.108 0.644 98.117 0.101 0.601 132.550 0.087 0.517 165.167 0.078 0.463 206.633
24、 0.070 0.414 241.417 0.064 0.383 273.917 0.060 11.9030.360 入 渗 速 率 随 时 间 变 化 曲 线y = 5.9515x-0.5R2 = 10.0000.5001.0001.5002.0002.5003.0003.5000.000 30.000 60.000 90.000 120.000150.000180.000210.000240.000270.000300.000时 间 t（ min）入渗速率i（ml/min）图 3 入渗速率 i 与时间 t 的关系曲线（3）计算土壤体积含水率，计算结果见表 3。表 3 土壤体积含水率计算表编
25、号 盒重（g） 铝盒+湿土重 （g） 铝盒+干土重 （g） 水重（g） 质量含水率 （g/g） 体积含水率（cm 3/cm3）1 16.30 35.93 31.46 4.47 29.485 41.280 2 14.62 39.13 33.44 5.69 30.234 42.327 3 14.00 40.07 33.81 6.26 31.600 44.240 4 14.76 38.23 33.52 4.71 25.107 35.149 5 15.57 37.21 32.49 4.72 27.896 39.054 6 15.50 37.97 32.85 5.12 29.510 41.314 7 1
26、5.26 37.2 32.54 4.66 26.968 37.755 8 15.07 39.73 34.41 5.32 27.508 38.511 9 16.23 38.31 34.1 4.21 23.559 32.983 10 16.13 41.07 36.07 5 25.075 35.105 11 16.08 41.66 36.78 4.88 23.575 33.005 12 16.16 32.73 30.08 2.65 19.037 26.652 （4）计算 ，其中 为总累计入渗时间，可得出不同含水率 对5.0x/t总总t 应的 值。结果见表 4，然后绘制二者关系图，见图 4。表 4 值
27、计算表湿润锋入渗距离x（cm） 时间 t（ min） t 总0.5 体积含水率（cm 3/cm3） 0 0 0 0.000 4 3.783 0.413 0.242 6 10.283 0.423 0.363 8 20.133 0.442 0.483 10 33.167 0.351 0.604 12 51.467 0.391 0.725 14 85.383 0.413 0.846 16 98.117 0.378 0.967 18 132.550 0.385 1.088 20 165.167 0.330 1.208 22 206.633 0.351 1.329 24 241.417 0.330 1.
28、450 26 273.917 16.550 0.267 1.571 体 积 含 水 率 与 的 关 系 图0.0000.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.5000.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80体积含水率（%）图 4 含水率 与 的关系曲线(5)根据 和 的值，计算土壤扩散率 ，结果见表 5，然后绘制 和)(D的关系曲线，见图 5。)(D表 5 土壤扩散率计算表（1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9） （10） （11） 21DD0.29 1.5
29、65 0.30 1.515 0.01 0.05 5.00 0.31 1.460 0.01 0.05 5.50 5.25 1.540 0.077 0.047 -0.122 0.122 0.32 1.400 0.01 0.06 6.00 5.75 1.488 0.082 0.128 -0.369 0.369 0.33 1.345 0.01 0.05 5.50 5.75 1.430 0.086 0.214 -0.616 0.616 0.34 1.280 0.01 0.06 6.50 6.00 1.373 0.075 0.290 -0.869 0.869 0.35 1.220 0.01 0.06 6.
30、00 6.25 1.313 0.085 0.375 -1.172 1.172 0.36 1.150 0.01 0.07 7.00 6.50 1.250 0.075 0.450 -1.463 1.463 0.37 1.065 0.01 0.09 8.50 7.75 1.185 0.083 0.533 -2.065 2.065 0.38 0.985 0.01 0.08 8.00 8.25 1.108 0.094 0.627 -2.587 2.587 0.39 0.880 0.01 0.11 10.50 9.25 1.025 0.082 0.709 -3.280 3.280 0.40 0.740 0
31、.01 0.14 14.00 12.25 0.933 0.098 0.807 -4.943 4.943 0.41 0.550 0.01 0.19 19.00 16.50 0.810 0.113 0.920 -7.594 7.594 19.00 0.645 0.123 1.043 -9.909 9.909 0.0001.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.00010.00011.0000.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450体 积 含 水 率 （ cm3/cm3）扩散率D()图 5 扩散率 与体积含水率 的关系曲线)(D（6）经过对实验数据的有关处理，可以得到如下发现：通过拟合得到累计入渗量 与时间 之间满足函数关系：It5816.09xy相关系数 =0.9971。2R同样的经拟合得到入渗率 i 和时间 之间满足函数关系式：t5.0-91.xy相关系数 =1。2在得到水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率 及累计入渗量 和)(DI入渗率 i 的基础上,可以确定水平入渗条件下湿润锋 和时间 之间满足函数关系：xt4327.019.y相关系数 R2=0.9979。从上面有关曲线的拟合相关关系来看，决定系数 R2 值都在 0.997 以上，说明该实验数据结果比较可靠。
