一种用于确定均匀土壤饱和水力传导性的新实验方法

《CATENA》：A new experimental methodology to determine the soil saturated hydraulic conductivity in homogeneous soil

饱和土壤水力传导率（Ks）的快速测定方法。本研究提出数学实验方法（MEM），通过同步测量水平与垂直土壤渗透率（ix与iz），利用Ks=iz?ix公式计算。实验采用两种土壤（S1为粉质壤土，S2为黏壤土）在三种密度（1.2、1.3、1.4 g/cm3）下对比MEM与恒定水头（CH）和双 ponding 深度（TPD）方法。结果显示MEM测得Ks与CH、TPD方法线性相关系数达0.98-1.09，的决定系数R2>0.95，均方根误差0.43-1.13 mm/h，且30分钟内即可稳定计算Ks，显著提升效率。研究证实MEM无需土壤质地参数，适用于均质土壤快速测定Ks。

　　土壤饱和水力传导率（Ks）是研究土壤水分入渗及水文过程的关键参数。在本研究中，开发了一种数学实验方法（MEM），该方法利用水平和垂直入渗速率快速测定Ks。基于土壤体内水分运动的水动力学原理，该测量过程通过在短时间内从垂直入渗速率中减去由基质势驱动的水平入渗速率来确定Ks。为了进行比较，实验中使用了实验室常水头法（CH）和田间双入渗深度法（TPD）的稳态方法，对两种均匀土壤在三种土壤容重条件下进行了测量。实验结果表明，使用MEM方法测定的Ks与CH和TPD方法所得的Ks值高度一致，比例系数在0.93至1.09之间，决定系数大于0.95，均方根误差（RMSE）在0.431至1.131 mm/h之间。MEM方法与CH和TPD方法（R2 > 0.95）之间良好的相关性表明，该方法足够稳健，能够在不依赖土壤质地参数的情况下，通过水平和垂直入渗曲线估算Ks。所提出的MEM方法在快速测定Ks方面表现出潜力，具有操作简便、时间效率高的特点。

Ks在土壤水文学、灌溉排水系统设计和农业与土木工程中具有重要意义。许多描述和模拟地表或地下水流的数学模型都需要Ks作为输入参数。因此，Ks的测量方法得到了广泛研究和发展。传统方法如直接应用达西定律的常水头法和利用土壤基质势和重力势进行稳态测量的双入渗深度法虽然有效，但存在时间消耗大、依赖土壤质地参数等缺点。特别是在野外或干旱地区，稳态测量可能需要较长的时间才能稳定，这限制了测量的频率和效率。此外，某些方法需要额外的土壤参数，如α*，这增加了实验的复杂性和时间成本。

为了克服这些挑战，本研究提出了一种基于水平和垂直入渗测量的简便方法，该方法仅需水平和垂直入渗速率或累积入渗量即可测定Ks，无需土壤质地参数。该方法通过计算水平和垂直入渗速率的差值，结合达西定律和菲利普入渗模型，快速估算Ks。在实验室条件下，使用两种均匀土壤进行实验，确保Ks值理想情况下具有土壤特性，且不依赖测量方法。实验结果表明，MEM方法在短时间内即可获得可靠的Ks值，且与CH和TPD方法的测量结果高度一致，验证了该方法的可行性。

在实验设计中，使用了两种土壤类型（S1和S2）以及三种不同的土壤容重（1.2、1.3、1.4 g/cm3）进行测试。实验设备包括两个马罗特瓶、两个土壤柱、两个铁制升降平台和两个计时器，分别用于水平和垂直入渗测量。土壤样本通过分层填充，确保均匀压实。在实验过程中，温度和湿度被严格控制在23–25°C和相对湿度低于50%的范围内，以减少环境因素对入渗速率的影响。所有实验均在气候控制实验室中进行，确保实验条件的稳定性。

数据采集方面，水平和垂直入渗速率在不同时间段（0–15、15–30、30–60、60–120和120–180分钟）进行测量，以评估不同时间间隔对Ks估算的影响。通过统计分析，计算了Ks的均值、标准差、变异系数、最小值和最大值，评估了测量结果的变异性与可靠性。同时，采用皮尔逊相关系数和线性回归分析，比较了MEM方法与CH和TPD方法的测量结果，以验证其准确性。结果表明，MEM方法与CH和TPD方法之间的相关性很高，比例系数和决定系数均达到预期标准，证明该方法具有较高的测量精度。

在模型拟合方面，使用菲利普入渗模型对实验数据进行了非线性回归分析，以确定土壤的吸水率（S）和Ks。模型拟合结果表明，菲利普模型能够很好地描述垂直和水平入渗速率的变化趋势，且在不同时间间隔下的拟合决定系数均大于0.8，满足模型拟合的可靠性要求。此外，通过分析不同时间间隔下的Ks值，发现Ks在初始阶段迅速下降，并逐渐趋于稳定，这表明在较短时间内（如30分钟）即可获得准确的Ks估算，从而提高了测量效率。

实验结果还表明，Ks的测量与土壤质地、容重和砂含量密切相关。随着土壤中黏土含量的增加，Ks值显著降低，而随着砂含量的增加，Ks值相应提高。此外，土壤容重的增加也会导致Ks的下降，因为高容重土壤的孔隙度较低，水分流动受到限制。这些发现与已有研究结果一致，进一步验证了MEM方法的科学性与实用性。

在应用MEM方法进行Ks测量时，需要注意一些潜在的挑战。例如，在初始阶段（0–15分钟），入渗速率较高，但测量误差较大，这可能导致Ks估算的不确定性。因此，建议采用较长的时间间隔（如30、60、120和180分钟）进行水平和垂直入渗速率的测量，以减少水位读数误差对Ks估算的影响。此外，由于该方法基于达西定律和菲利普模型，因此仅适用于均匀土壤，对于具有裂隙和大孔隙的非均匀土壤，该方法的适用性有限。未来的研究应进一步优化该方法，并开发适用于现场测量的工具，以提高其在复杂土壤条件下的适用性。

综上所述，MEM方法为快速测定Ks提供了一种新思路，具有操作简便、时间效率高和无需复杂参数的优势。该方法通过同时测量水平和垂直入渗速率，并利用其差值计算Ks，有效避免了传统方法的时间消耗和参数依赖问题。实验结果表明，MEM方法在实验室条件下具有良好的测量精度，且在较短时间内即可获得可靠结果。尽管该方法在均匀土壤中表现优异，但在非均匀土壤中的应用仍需进一步研究。未来的工作应致力于改进该方法，并开发适用于现场测量的设备，以拓展其应用范围，提高其在实际土壤环境中的适用性。