土壤容重的测定.doc

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 图 5-2 垂直入渗实验装置示意图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4.020cm，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14排取土孔。供水装置：供水装置采用带刻度的改进的马氏瓶，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P（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体积所用干土重。 （1-1）式中：为半径为、高为的环体所装干土质量，g；为土柱半径,cm；为分层装土高度,cm；为半径为、高为的环体体积，cm3；为要求达到的土壤容重,g.cm-3。由于装土时常用一定含水量的湿土，按照要求容重填装体积时所用湿土重为= （1-2）式中：为按土壤容重填装体积时所用含水量为的湿土重，g；为填装所用湿土的含水量，%。此次试验R=2.5cm，H=152.0=30cm, =1.436g/cm3,m=854.12g,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。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)入渗体积(ml)入渗率马氏瓶液面下降(cm)累计入渗量(ml)湿润锋运移距离(cm)湿润锋累计运移距离(cm)0355.2 000126.9 26.9 4.0 26.9 4.3 4.3 210.1 10.1 1.5 37.0 1.7 6.0 38.1 8.1 1.2 45.1 1.3 7.3 512.1 6.1 1.8 57.2 1.7 9.0 713.5 6.7 2.0 70.7 1.9 10.9 1014.8 4.9 2.2 85.5 2.1 13.0 1518.9 3.8 2.8 104.4 2.8 15.8 2018.9 3.8 2.8 123.2 2.8 18.6 3014.8 1.5 2.2 138.0 2.0 20.6 3516.0 3.2 2.0 154.0 2.0 22.6 4012.0 2.4 1.8 166.0 1.7 24.3 4512.0 2.4 1.8 178.0 1.7 26.0 5012.0 2.4 1.8 190.0 1.7 27.7 5516.0 3.2 2.4 206.0 1.7 29.4 6024.0 4.8 3.6 230.0 6516.0 3.2 2.4 246.0 7016.0 3.2 2.4 262.0 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。入渗后土壤含水量测定记录表土层盒号盒重+湿土重（g）盒重（g）盒重+干土重（g）干土重（g）湿土重（g）水重（g）土壤含水率0-22587.7 12.5 70.0 57.5 75.2 17.7 30.8%2-4186.2 12.8 69.9 57.1 73.4 16.3 28.5%4-63284.3 12.5 69.0 56.5 71.8 15.3 27.1%6-8885.1 12.5 69.0 56.5 72.6 16.1 28.5%8-102682.0 12.7 66.8 54.1 69.3 15.2 28.1%10-12988.9 12.6 72.2 59.6 76.3 16.7 28.0%12-14685.6 12.9 69.9 57.0 72.7 15.7 27.5%14-163184.9 12.3 68.9 56.6 72.6 16.0 28.3%16-182785.9 12.9 70.3 57.4 73.0 15.6 27.2%18-201686.8 12.4 70.4 58.0 74.4 16.4 28.3%20-221484.1 12.4 68.0 55.6 71.7 16.1 29.0%22-243789.3 12.8 72.7 59.9 76.5 16.6 27.7%24-263383.4 12.5 67.8 55.3 70.9 15.6 28.2%26-282289.5 12.3 72.2 59.9 77.2 17.3 28.9%28-301955.3 12.7 45.3 32.6 42.6 10.0 30.7%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。第 11 页 共 12土壤含水量分布曲线26.5%27.0%27.5%28.0%28.5%29.0%29.5%