本發(fā)明構(gòu)建一種凍土中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量、以及等效參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和解析方法，涉及到凍土中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量和等效參數(shù)監(jiān)測(cè)的方法。

背景技術(shù)：

寒區(qū)水循環(huán)最大的兩個(gè)特點(diǎn)是土壤凍結(jié)和河流冰封過程，其中尤以前者對(duì)于寒區(qū)水資源演變產(chǎn)生重要的影響。凍土的形成改變了土壤的導(dǎo)水傳熱性能，直接影響水循環(huán)的下滲、蒸發(fā)、壤中流等過程，同時(shí)也影響微生物活動(dòng)，碳、氮循環(huán)等土壤水運(yùn)動(dòng)伴生(伴隨)過程。

凍土中的水流運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)模型(凍土水、熱耦合方程)表示為：

其中，θl和θi分別為液態(tài)含水率和體積含冰率。h為土壤水勢(shì)，t為土壤溫度，dtv為溫度梯度引起的水氣擴(kuò)散系數(shù)，k，ke分別為與土壤質(zhì)地有關(guān)的土壤體積熱容量，水力傳導(dǎo)度和熱傳導(dǎo)系數(shù)。ρi和ρl分別為冰和液態(tài)水的密度，t為時(shí)間，z為土壤深度坐標(biāo)。

這一模型主要是根據(jù)溫度變化確定液態(tài)含水率，然后根據(jù)水勢(shì)理論計(jì)算水流運(yùn)動(dòng)通量。由于對(duì)流彌散理論不適合與凍土，至今尚未有較為認(rèn)可的凍土的溶質(zhì)遷移方程，凍土中溶質(zhì)遷移通量測(cè)定機(jī)理仍然是未解決的問題。

由于測(cè)試手段的限制，現(xiàn)有的方法僅能夠測(cè)定凍土中的土壤總含水率、液態(tài)含水率以及土壤溫度和溶質(zhì)濃度，并無直接測(cè)定非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量的方法。因此，通常根據(jù)所測(cè)定的凍土中液態(tài)含水率和溫度對(duì)凍土水、熱耦合方程進(jìn)行率定以及參數(shù)反演，以及根據(jù)水勢(shì)的方程計(jì)算結(jié)果，基于達(dá)西定律計(jì)算非飽和水流通量。然而需要指出，與非凍結(jié)土壤不同，凍土中水勢(shì)的組成包括了液態(tài)含水率形成的基質(zhì)勢(shì)、溫度梯度所形成的溫度勢(shì)，以及范德華力所形成的附加水勢(shì)等多種水勢(shì)，根據(jù)凍土水、熱耦合方程逆向反演確定的非飽和水流通量具有很大的不確定性，發(fā)展基于正向非飽和水流通量測(cè)定條件下的等效水動(dòng)力參數(shù)解析，能夠有效的降低參數(shù)的不確定性。

傳統(tǒng)的基于對(duì)流-彌散理論的土壤溶質(zhì)遷移通量描述方法不適合于凍土，因?yàn)樵趦鼋Y(jié)和融化過程中，冰體中的溶質(zhì)可溶性顯著小于自由水體中的可溶解性，并且，發(fā)生遷移的溶質(zhì)的質(zhì)量與液態(tài)水中的溶質(zhì)的質(zhì)量在很大程度上受到土壤溫度的影響，具有較強(qiáng)的不確定性，直接實(shí)現(xiàn)土壤中溶質(zhì)通量與等效參數(shù)的測(cè)定，對(duì)于了解凍土中溶質(zhì)遷移是極其重要的。

如上所述，一個(gè)準(zhǔn)確完整的凍土條件下的非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量以及等效參數(shù)的測(cè)定方法還沒有建立，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量的監(jiān)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了凍土中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量及等效參數(shù)監(jiān)測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土中水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量和等效參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：

一種凍土中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量及等效參數(shù)監(jiān)測(cè)的方法，包括以下步驟：

步驟1，在季節(jié)性凍土區(qū)，土壤凍結(jié)或融化過程中，利用水分傳感器對(duì)不同深度土壤液態(tài)含水率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，采用溫度傳感器對(duì)不同深度土壤溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)；

步驟2，在至少六個(gè)以上位置進(jìn)行平行取樣，測(cè)定不同深度凍土總含水率以及溶質(zhì)濃度得到測(cè)量值，計(jì)算各深度位置土壤總含水率和溶質(zhì)濃度的均值；采用歐式距離對(duì)測(cè)量值與均值之間的平均差異進(jìn)行度量，得到偏差距離d；如果測(cè)量值超過了根據(jù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布情況下95％置信區(qū)間所確定的最大偏差距離dmax，則認(rèn)為這一測(cè)量值對(duì)應(yīng)的取樣點(diǎn)具有顯著的變異性，作剔除處理，將剩余取樣點(diǎn)重復(fù)以上過程至剔除所有高變異點(diǎn)，將總含水率和溶質(zhì)濃度值作為計(jì)算值；

步驟3，基于全剖面均衡過程迭代對(duì)凍土中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量進(jìn)行解析：根據(jù)溶質(zhì)在上邊界即地表和下邊界即溶質(zhì)能夠運(yùn)移的最大深度的通量為0的邊界條件，以及通量連續(xù)性原理，進(jìn)行分層質(zhì)量均衡計(jì)算，具體實(shí)現(xiàn)如下：

△wi＝θi·vi＝(qtoti+1-qtoti)△t(1)

△mi＝csi·vi＝(qi+1ci+1-qici)△t(2)

其中，i表示第i層凍土,i＝1,2,3….n；△t為兩次相鄰取樣的時(shí)間間隔；vi為第i層凍土的土壤體積；△wi和△mi分別表示第i層凍土中水和示蹤溶質(zhì)的質(zhì)量變化量；θi和csi分別為第i層凍土的土壤含水率和示蹤溶質(zhì)濃度，分別為采用步驟2中所述方法獲得的對(duì)應(yīng)第i層凍土的土壤含水率和示蹤溶質(zhì)濃度的最終計(jì)算值；qtoti和qi分別為第i層凍土的非飽和水流通量和溶質(zhì)遷移通量，ci為第i層凍土的中溶質(zhì)遷移通量的等效濃度；

將已知量θi，vi，△t，qtot1＝0帶入(1)中，進(jìn)行逐層計(jì)算，求得qtot2，qtot3…，qtoti；

將已知量csi，vi，△t，q1＝0，ci＝cs1帶入(2)中，進(jìn)行逐層計(jì)算，求得qi；

根據(jù)逐層遞推所確定的下邊界溶質(zhì)通量不為零的情況下，則根據(jù)下邊界溶質(zhì)通量修正表層溶質(zhì)遷移等效濃度，重新按照以上步驟進(jìn)行迭代計(jì)算，直至下邊界溶質(zhì)通量小于控制誤差0.05mg/l，以及各層的均衡誤差值小于5％為止；

步驟4，解析凍土中水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移等效參數(shù)即凍土中等效水力傳導(dǎo)度和等效對(duì)流濃度：根據(jù)步驟1所測(cè)定的凍土中液態(tài)含水率和溫度，基于步驟3中所確定的凍土中水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量，確定凍土中等效水力傳導(dǎo)度和等效對(duì)流濃度，具體實(shí)現(xiàn)如下：

式中，qtoti為第i層水流通量，kfh和kt則分別為對(duì)應(yīng)于基質(zhì)勢(shì)和溫度勢(shì)的水力傳導(dǎo)度，△z為第i層厚度，△h為第i層兩個(gè)邊界的水勢(shì)差值；

上述步驟1中，采用tdr水分傳感器對(duì)不同深度土壤液態(tài)含水率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，采用pt100溫度傳感器對(duì)不同深度土壤溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

上述步驟2中，采用溴離子作為溶質(zhì)，對(duì)凍土條件的水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量進(jìn)行測(cè)定，溴離子具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易被土壤吸附、與水流運(yùn)動(dòng)具有較高一致性的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)至今尚未有現(xiàn)場(chǎng)條件下凍土水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量以及等效參數(shù)的直接測(cè)定方法，本發(fā)明方法填補(bǔ)了這一空白；

(2)傳統(tǒng)的凍土中水、熱耦合模型以土壤含水率(包括總含水率和液態(tài)含水率)和溫度為研究對(duì)象，本發(fā)明方法將研究對(duì)象擴(kuò)展為通量，這一擴(kuò)展對(duì)于研究?jī)鐾林懈鞣N伴生和伴隨過程具有特別的意義，例如水流運(yùn)動(dòng)是污染物遷移的直接驅(qū)動(dòng)力，污染物總是在通量較小的地方發(fā)生聚集，而土壤含水率則無法有效描述水流運(yùn)動(dòng)對(duì)污染物驅(qū)動(dòng)這一基本理念；

(3)凍土中溶質(zhì)遷移通量及其等效參數(shù)的測(cè)定，將為凍土中溶質(zhì)遷移的相關(guān)理論研究提供全新的測(cè)試手段。

(4)為從微觀的角度解釋土壤凍結(jié)過程中冰水共存狀態(tài)下土壤中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)通量的變化規(guī)律研究以及模型構(gòu)建提供了實(shí)驗(yàn)方法支持。

(5)從微觀的角度解釋了土壤凍結(jié)過程中冰水共存狀態(tài)下土壤中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量的測(cè)定原理以及實(shí)現(xiàn)方法，且在該領(lǐng)域具有獨(dú)創(chuàng)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖；

圖2為本發(fā)明方法凍土中水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量解析示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例

本發(fā)明基于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)凍土中含水率、溶質(zhì)濃度、液態(tài)含水率、溫度進(jìn)行分層測(cè)量，根據(jù)控制邊界條件，基于凍土中總含水率和溶質(zhì)質(zhì)量守恒，通過迭代至各層計(jì)算總含水率和溶質(zhì)質(zhì)量計(jì)算值和實(shí)測(cè)值誤差小于控制值，確定凍土中的水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量，進(jìn)一步根據(jù)測(cè)定液態(tài)含水率和溫度，實(shí)現(xiàn)等效參數(shù)解析。

請(qǐng)見圖1，本發(fā)明通過對(duì)凍土中非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量及等效參數(shù)的監(jiān)測(cè)來詳細(xì)闡述本發(fā)明的方案，具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：東北季節(jié)性凍土水流運(yùn)動(dòng)示蹤田間試驗(yàn)，利用tdr水分傳感器及pt100溫度傳感器對(duì)土壤不同深度液態(tài)含水率及溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)；

步驟2：對(duì)凍土取樣的有效性進(jìn)行分析，基于土壤含水率和溶質(zhì)濃度分布滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，基于95％置信區(qū)間的最大偏差距離，確定取樣的有效性。

將取樣測(cè)定含水率以及示蹤離子的溶液濃度(示蹤離子質(zhì)量/土壤含水率)表示為：

μ＝(μ^w,μ^br)(2)

其中，上標(biāo)w和br分別表示凍土中的水分和示蹤溶質(zhì)，i表示重復(fù)取樣數(shù)，由于土壤的變異性，每次需要至少在6個(gè)位置進(jìn)行取樣。x和μ分別表示測(cè)量值和均值。

采用歐式距離對(duì)測(cè)量值與均值之間的平均差異進(jìn)行度量：

式中，σ^w和σ^br分別凍土中含水率和溶質(zhì)濃度測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差，σ^wbr為測(cè)定土壤含水率和溶質(zhì)濃度的協(xié)方差。

如果測(cè)量值超過了根據(jù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布95％置信區(qū)間所確定的最大偏差距離dmax，則認(rèn)為這一測(cè)量點(diǎn)的具有顯著的變異性。將具有顯著變異性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)剔除后的監(jiān)測(cè)值的均值作為迭代分析的計(jì)算值。

步驟3：基于全剖面均衡過程迭代的凍土非飽和水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)通量解析。根據(jù)溶質(zhì)在地表和最大遷移區(qū)域以下深度位置通量為0的邊界條件，以及相鄰層通量連續(xù)性，進(jìn)行逐層質(zhì)量均衡計(jì)算，在以及各層的均衡誤差值以及下邊界溶質(zhì)通量大于控制誤差的情況下，對(duì)溶質(zhì)遷移等效濃度進(jìn)行修正，重復(fù)以上步驟，進(jìn)行迭代計(jì)算，直至下邊界溶質(zhì)通量計(jì)算值小于控制誤差，確定凍土中的水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量。

將凍土沿著深度方向分為n層(本例中n＝8)，每一層內(nèi)均有tdr測(cè)定含水率。如圖2所示，對(duì)于任一層，其總含水量(總含水率與該層的體積的乘積)的變化量＝上邊界和下邊界進(jìn)入和流出的水流質(zhì)量(水流通量和時(shí)間的乘積)差，同樣，該層的溶質(zhì)的質(zhì)量(溶質(zhì)濃度與該層的體積的乘積)變化量＝上邊界和下邊界進(jìn)入和流出的溶質(zhì)的質(zhì)量(通量和時(shí)間的乘積)差：

△wi＝(qi+1-qi)△t(5)

△mi＝(qi+1ci+1-qici)△t(6)

其中，c為溶質(zhì)遷移通量的等效濃度，i表示分層(如圖2所示)，△wi和△mi分別表示第i層的水和示蹤溶質(zhì)的質(zhì)量變化量，△t為兩次相鄰取樣的時(shí)間間隔。

對(duì)于相鄰的兩層，通量是連續(xù)的，對(duì)于任一層交界面，該層的通量即使其中的一層的流入(流出)通量，亦是另一層的流出(流入)通量。并且，在上邊界(地表層)，溶質(zhì)的通量為0。下邊界的深度要求在整個(gè)凍結(jié)期溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)未達(dá)到下邊界，因此下邊界的溶質(zhì)的通量為0。

根據(jù)上邊界的溶質(zhì)通量為0，根據(jù)(5)式，在第一層，根據(jù)測(cè)定的質(zhì)量變化量，則能夠計(jì)算出第一層和第二層交界面之間的溶質(zhì)質(zhì)量通量。根據(jù)步驟2所述方法得到第一層的溶質(zhì)濃度的計(jì)算值，將第一層的溶質(zhì)濃度的計(jì)算值作為公式(6)中的溶質(zhì)遷移通量的等效濃度，則根據(jù)(6)式，以及測(cè)定第一層的水量變化量，確定第一層與第二層的邊界層通量。對(duì)于第二層的一個(gè)邊界層通量已知的情況下，根據(jù)該層的溶質(zhì)和水流的質(zhì)量變化量測(cè)定結(jié)果，即可確定第二層與第三層之間邊界的通量，一直到最下邊一層。根據(jù)控制條件，最下邊一層的溶質(zhì)通量為0，在均衡計(jì)算的最下邊一層的溶質(zhì)通量不為零的情況下，將最下邊一層的溶質(zhì)遷移通量的等效濃度/實(shí)測(cè)濃度作為修正值。將第一層中的溶質(zhì)遷移通量的等效濃度除以修正值后，按照上述步驟，重新進(jìn)行迭代計(jì)算，直至各層的水和溶質(zhì)質(zhì)量的測(cè)定值和計(jì)算值之間的差異小于控制值(5％)，以及最下邊一層的溶質(zhì)通量小于控制誤差值(0.05mg/l)，以及各層的均衡誤差值小于5％。則相應(yīng)的確定土壤中的水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量，以及溶質(zhì)遷移通量的等效濃度。

步驟4：確定凍土中水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移等效參數(shù)：根據(jù)步驟1中所測(cè)定的凍土中液態(tài)含水率和溫度，基于步驟3中所確定的凍土水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移通量，確定凍土中等效水力傳導(dǎo)度和等效對(duì)流濃度(等效參數(shù))。

凍土中，非飽和水流通量表示為：

其中，qtot為非飽和水流通量，kfh，分別為溫度勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)共同作用下形成的非飽和水流通量，

kfh和kt分別為對(duì)應(yīng)于基質(zhì)勢(shì)和溫度勢(shì)的水力傳導(dǎo)度，對(duì)應(yīng)于溫度勢(shì)的水力傳導(dǎo)度kt為：

其中g(shù)為修正因子，t為土壤溫度。

γ為表面張力，表示為溫度的函數(shù)：

γ＝75.6-0.1425t-2.38×10^-4t²(9)

γ0為溫度為25℃情況下的表面張力(71.89gs^-2).凍土中的基質(zhì)勢(shì)h根據(jù)凍土中液態(tài)水和冰中的狀態(tài)平衡，由clausius–clapeyron方程確定，平衡狀態(tài)下，土壤基質(zhì)勢(shì)表示為溫度的函數(shù)：

其中，lf為土壤孔隙中水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)所釋放出的潛熱(0.34×10⁵j/kg)，tm為純水的凍結(jié)溫度(273.15k)，g為重力加速度(9.8m/s^-2).

土壤溫度變化對(duì)于液態(tài)水傳導(dǎo)度的影響可用一個(gè)阻抗系數(shù)ω表示：

其中φ為土壤孔隙率，θi為冰體含量，θi/φ為冰體在孔隙中的填充率。

根據(jù)測(cè)定的凍土中的非飽和水流通量，對(duì)式(8)和(11)中的參數(shù)(修正因子g和阻抗系數(shù)ω)進(jìn)行反演后，即可確定凍土等效水力傳導(dǎo)度。

等效濃度根據(jù)測(cè)定的非飽和水流通量mi和溶質(zhì)遷移通量qi直接確定：

ci＝mi/qi(12)

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。