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4.0～20cm，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1～4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, =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)
0
35

5.2
0
0
0
1
26.9
26.9
4.0
26.9
4.3
4.3
2
10.1
10.1
1.5
37.0
1.7
6.0
3
8.1
8.1
1.2
45.1
1.3
7.3
5
12.1
6.1
1.8

57.2
1.7
9.0
7
13.5
6.7
2.0
70.7
1.9
10.9
10
14.8
4.9
2.2
85.5
2.1
13.0
15
18.9
3.8
2.8
104.4
2.8
15.8
20
18.9
3.8
2.8
123.2
2.8
18.6
30
14.8
1.5
2.2
138.0
2.0
20.6
35
16.0
3.2
2.0
154.0
2.0
22.6
40
12.0
2.4
1.8
166.0
1.7
24.3
45
12.0
2.4
1.8
178.0
1.7
26.0
50
12.0
2.4
1.8
190.0
1.7
27.7
55
16.0
3.2
2.4
206.0
1.7
29.4
60
24.0
4.8
3.6
230.0

65
16.0
3.2
2.4
246.0

70
16.0
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
0-2
25
87.7
12.5
70.0
57.5
75.2
17.7
30.8%
2-4
1
86.2
12.8
69.9
57.1
73.4
16.3
28.5%
4-6
32
84.3
12.5
69.0
56.5
71.8
15.3
27.1%
6-8
8

85.1
12.5
69.0
56.5
72.6
16.1
28.5%
8-10
26
82.0
12.7
66.8
54.1
69.3
15.2
28.1%
10-12
9
88.9
12.6
72.2
59.6
76.3
16.7
28.0%
12-14
6
85.6
12.9
69.9
57.0
72.7
15.7
27.5%
14-16
31
84.9
12.3
68.9
56.6
72.6
16.0
28.3%
16-18
27
859
12.9
70.3
57.4
73.0
15.6
27.2%
18-20
16
86.8
12.4
70.4
58.0
74.4
16.4
28.3%
20-22
14
84.1
12.4
68.0
55.6
71.7
16.1
29.0%
22-24
37
89.3
12.8
72.7
59.9
76.5
16.6
27.7%
24-26
33
83.4
12.5
67.8
55.3
70.9
15.6
28.2%
26-28
22
895
12.3
72.2
59.9
77.2
17.3
28.9%
28-30
19
55.3
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%
30.0%
30.5%
31.0%
0
5
10
15
20
25
30
35
距离
含水量

河北工程大学研究生课程实验报告
课程名称：农业工程实验技术 课程编号：SX0101X09 课程类型： 学位课 考核方式： 考查

学科专业： 农业水土工程 年 级： 2012 姓 名：张廷强 学 号：10076120270

河北工程大学2012～2013学年第1学期研究生课程实验报告

课程论文评语：

成 绩

评阅教师签名

评阅日期
年 月 日