土壤水分特征曲線測定實驗

土壤水分特征曲線測定實驗實驗原理張力計插入土樣后，張力計中的純自由水經(jīng)過陶土壁與土壤水建立了水力聯(lián)系。在非飽和土壤中，儀器中的自由水的勢值總是高于土壤水的勢值，因此，儀器中的自由水就會透過陶土管進(jìn)入土壤，但因陶土材料孔隙細(xì)小，孔隙中形成的水膜不能使空氣通過，而只能讓水或溶質(zhì)液通過（但如果壓力過高水膜破裂，空氣就會透過，這時的壓力稱為透氣值），因而在儀器內(nèi)形成一定的真空度，由儀器上的負(fù)壓表讀出。最后當(dāng)儀器內(nèi)外的勢值趨于平衡時，儀器中水的總水勢0wd與土壤中土水勢0WS應(yīng)該相等，即：0wd=0WS土水勢的完整表述為：0=0m+0p+0S+0g+0T因為陶土管為多孔透水材料，并非半透膜，故溶質(zhì)也能通過，最后達(dá)到內(nèi)外溶液濃度相等，內(nèi)外溶質(zhì)勢0S相等。儀器內(nèi)外溫度相等，溫度勢0相等。坐標(biāo)0點選在陶土頭中心，則陶T土頭中心的內(nèi)外重力勢0g相等。這樣儀器中和土壤中的總勢平衡可表述為：0md+0pd=0ms+0ps式中，0pS為土壤水的壓力勢，0mS為土壤水的基質(zhì)勢，0pd為儀器內(nèi)自由水的壓力勢，0md為儀器內(nèi)自由水的基質(zhì)勢。在非飽和土壤中，土壤水所受的壓力為大氣壓（基準(zhǔn)狀態(tài)），故0PS應(yīng)為零，又儀器中自由水無基質(zhì)勢存在，故0md亦為零，所以：0ms=0pd=AP+zD式中，△P為負(fù)壓表顯示的負(fù)壓值（小于0）,z為埋藏在土中的陶土管中心與土面以上負(fù)D壓表之間的靜水壓力即水柱高，（向上為正，大于0）。即可得到土壤水的基質(zhì)勢。按定義土壤水吸力為基質(zhì)勢的負(fù)值，因而即可測得吸力值。S=—0ms=—AP—zD如果負(fù)壓表讀數(shù)記為P（大于0,即P=—△P），則S=P—zD另外，在計算土樣中水分的變化時，還應(yīng)考慮集氣管中水分的變化量。實驗內(nèi)容與設(shè)計土樣：粘土、砂壤土容重：1.3g/cm3、1.4g/cm3方式：脫濕：配置飽和土樣，在室內(nèi)自然蒸發(fā)，測定整個過程中土壤含水率與吸力關(guān)系曲線。單點：用16個土樣，分別配置指定含水率，測定該含水率下的吸力值，連成特征曲線。實驗步驟與要求計算（1）給定初始值如下表格，計算裝滿試樣罐需要的土樣質(zhì)量g）:項目干容重罐體積初始質(zhì)量含水率表達(dá)式Y(jié)C,Veg單位g/cm3cm3%數(shù)值待定待定待定（2）配置土樣到預(yù)期體積含水量e，計算所需水的質(zhì)量：V土樣的裝填先在試樣罐底部鋪上一層普通濾紙，然后將稱好的土樣分次分層地裝入罐中，一般分為6層裝填，每次裝入1/6總質(zhì)量的土樣，鋪平后用直徑比試樣罐稍小的擊錘夯實土樣，夯實的遍數(shù)以能達(dá)到要求的密度為準(zhǔn)（每次將裝入的土夯實到1/6土柱高度）。應(yīng)該注意周邊土壤的夯實（常不能夯實），故除了擊錘夯實外，還用棍棒進(jìn)行搗實。每層土樣之間要進(jìn)行“打毛”，保證層間結(jié)合良好。填裝完畢后，刮平土壤表面，蓋上罐蓋，稱重，準(zhǔn)確求得實際罐中土樣的質(zhì)量M。g安裝張力計在試樣罐的中心先用小土鉆鉆一土孔，孔徑略小于陶土頭直徑。然后稱重，準(zhǔn)確求得罐中最后土樣的質(zhì)量M。然后將張力計插入，使陶土頭與土樣緊密結(jié)合。稱重求得系統(tǒng)總t的質(zhì)量M。1配置預(yù)期含水量1）單點將預(yù)先求得的水量，2/3倒入盛水容器中，將系統(tǒng)放入其中，再將水量的1/3從系統(tǒng)上部慢慢灌入試樣罐，然后將罐口用膠布封閉，靜置系統(tǒng)，讓其慢慢吸水、滲水、均勻。2）脫濕將系統(tǒng)至于盛水容器中，容器的中的水面盡量接近土罐上沿（確保不能漫過土罐），讓其慢慢吸水、均勻，靜置1天，土樣基本可達(dá)到飽和。觀測讀數(shù)、稱量與燒干法測量含水率1）單點：一天后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，觀測負(fù)壓表讀數(shù)，并將讀數(shù)單位轉(zhuǎn)換為cm水柱高度。稱量系統(tǒng)總重M，計算出此時土樣的含水率。再用烘干法與燒干法（可選）測定水2分含量進(jìn)行校驗2）脫濕：將飽和后的系統(tǒng)拿出，擦干土罐表面，稱重，計算出飽和含水率，然后將罐蓋打開，放在系統(tǒng)置放槽上，每天讀一次數(shù)據(jù)。直到負(fù)壓表的讀數(shù)接近最大量程。清洗實驗儀器

清洗實驗過程中使用的儀器，并將土樣罐中的土樣取出，放于指定位置。數(shù)據(jù)記錄表（見附件）土壤水分特征曲線繪制與分析脫濕（砂壤土的數(shù)據(jù)選用2號罐，粘性土的數(shù)據(jù)選用8號罐）砂土透水性比較高，因此吸收—耗散水分比較快，脫濕相對比較容易（外界需要提供的能量低）因此在含水率稍微降低的情況下粘土的吸力變化更為明顯。二、單點

單點的數(shù)據(jù)整體趨勢與脫濕實驗相同，但是數(shù)據(jù)點跳動比較大，每組的實驗過程可能有微小差別，導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散程度比較大（在下面單點與脫濕對比中可以看出）砂土的透水性比較好，因此二者的數(shù)據(jù)相差不大，在含水率較低時二者出現(xiàn)偏差，在相同低含水率條件下，脫濕實驗測得的吸力值較小，我認(rèn)為主要原因是單點實驗中土的含水率分布不均勻，導(dǎo)致局部含水率比整體平均含水率小，因而吸力值偏大；相比而言脫濕實驗蒸發(fā)緩慢，含

水率分布較為均勻。粘土的單點與脫濕實驗數(shù)據(jù)對比四、從上圖可以看出，粘土的脫濕實驗與單點實驗數(shù)據(jù)對比比較大，主要原因還是粘土的透水性差，水率分布較為均勻。粘土的單點與脫濕實驗數(shù)據(jù)對比四、從上圖可以看出，粘土的脫濕實驗與單點實驗數(shù)據(jù)對比比較大，主要原因還是粘土的透水性差，排水不暢，直接導(dǎo)致進(jìn)行單點實驗時在整體低含水率情況下吸力值偏大，有滯后現(xiàn)象。土壤水分特征曲線數(shù)據(jù)擬合砂壤土脫濕過程擬合采用Excel自帶的趨勢線分析，設(shè)擬合公式為S=Ax9b,對于2#結(jié)果是:S=0.6159-a（S單位為cbar），其中R2=0.9725。擬合效果較好。如果采用S= —來擬合，結(jié)果為S= s ，其中R2=0.988，盡管擬合9m 90.551相關(guān)度更高，但是擬合式比較復(fù)雜，不建議使用后者。對于1#罐，擬合結(jié)果為S=0.6249-1.833，r2=0.973，可以看出1#罐和2#罐擬合公式相差不大（這兩個土樣均為砂土，容重相等，對于3#罐，容重為1.3，擬合結(jié)果為S=0-7499-1'835，R2=0-9718。對比這三個土樣，可以看出容重只影響擬合關(guān)系式前面的系數(shù)，對于指數(shù)項基本無影響，也就是對曲線基本形狀無影響。二、粘土脫濕過程擬合采用Excel自帶的趨勢線分析，設(shè)擬合公式為S=Ax9b,結(jié)果是：s=1E-59-叱（S單位為cbar），其中R2=0.84，擬合效果很差，即使采用線性擬合，R2=0.9827，因此考慮換用其他經(jīng)驗公式?？紤]使用經(jīng)驗擬合公式S=A9-9）",初始飽和含水率為0.3954，采用3維擬合，9m8161（9-9）1.508得到擬合結(jié)果為S= （s），其中R2=0.9713，效果還可以。對比1#罐92.495的擬合結(jié)果，三個待求參數(shù)相差比較大。問題和思考一、 實驗誤差分析脫濕實驗脫濕實驗總共兩種土樣，每種土樣4個土罐，我們組負(fù)責(zé)的是2#罐，數(shù)據(jù)與1#罐相差不大，二者進(jìn)行經(jīng)驗公式擬合后指數(shù)項完全一致，系數(shù)項相差很小，但是3#罐數(shù)據(jù)誤差很大，4#罐開始后不到幾天就因為張力計沒插好，最后報廢了。在拆土罐時，3#罐的張力計很輕松就拔出來了，罐內(nèi)的土樣與罐壁也直接分離。因此最終能用的數(shù)據(jù)僅有1、2號罐。在整個脫濕實驗中，產(chǎn)生誤差最大的環(huán)節(jié)在于儀器組裝，張力計的微小偏離可能導(dǎo)致陶土頭與土樣接觸不是很好，或者是陶土頭直接與外界大氣聯(lián)通，這樣產(chǎn)生的誤差一般比較大。另外一個誤差在于裝填土樣過程中的鑿毛，有的土罐鑿毛處理不是很好，在拆土罐時土樣分層脫落，在罐壁上可以看見很明顯的分層，這樣的話在連接面處土樣性質(zhì)（主要是孔隙比）會產(chǎn)生突變從而導(dǎo)致飽和含水率分布不均勻。單點試驗二、 實驗改進(jìn)意見（僅針對脫濕實驗）這次脫濕實驗做的時間比較長，負(fù)壓表讀數(shù)下降很慢，僅僅從時間上考慮，可以采用多種方式加快水分蒸發(fā)，比如吹風(fēng)、加熱（加熱溫度不能太高，避