在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法

2023-10-10 00:24:49

專利名稱：在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法
技術領域：
本發明涉及確定持水性的空間變異的方法，涉及確定含碎石土壤的持水性的空間變異的方法，尤其涉及一種在區域尺度上確定含碎石土壤的持水性空間變異的方法。
背景技術：
由於含碎石土壤的持水性因碎石含量不同具有較大變異性，土石山區不同樣點碎石含量不同，採用野外或實驗室測定水分特徵曲線的方法確定區域尺度含碎石土壤的持水性是一個昂貴的、費時費力的過程。目前確定土壤持水曲線(即水分特徵曲線)的方法主要有兩種實測法和傳遞函數法；實測法又分為田間監測和室內測定，田間測定儀器安裝 和管護成本高，測定耗時長，且測定土壤吸力範圍小；廣泛採用的是室內測定法，其特點是測定土壤吸力範圍大，測點多，耗時長。傳遞函數法是根據樣品顆粒粒級分布推求不同粒級對應的孔隙體積和毛管吸力，建立該粒級對應孔隙/持水體積和毛管吸力的關係，該方法簡便，但對於土壤顆粒擴大到碎石粒級範圍，較難準確給出顆粒的形狀修正係數。1997年，Bouma採用傳遞函數法預測含有粒徑範圍為2_67_的土壤持水性許多種類土壤的持水性。在土壤物理性質普查中採用室內測定的方法確定，含碎石土壤的持水性在確定中採用了已知不含碎石土壤的持水性和碎石含量。1985年，Bouwer and Rice建立了含碎石土壤的水分含量推求模型，即任意吸力下，含碎石土壤的水分含量等於不含碎石土壤飽和含水量和刨除碎石後的土體體積含量的乘積。1986年，Gardner將碎石的體積含量轉換為質量含量，採用土體容重和碎石質量含量和不含有碎石土壤的飽和含水量推求任意吸力下的含碎石土壤的水分含量。從以上的分析中可以看出田間測定含碎石土壤的持水性的方法，當碎石含量高，儀器安裝難，擾動土體體積大，野外原位測定含碎石土壤持水性的方法不夠成熟。傳遞函數法將土壤粒級擴大到碎石粒級，但碎石顆粒的形狀修正係數難以確定，推測持水性精度較低。根據室內測定不含碎石土壤持水性推求含碎石土壤的持水性方法，僅適用於含有的碎石為幾乎沒有風化的碎石，且碎石不具有持水性，限制了區域含碎石土壤持水性推求的應用。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種操作簡單、可靠性相對高、成本低、適用範圍廣的在區域尺度上確定含碎石土壤的持水性的空間變異的方法。本發明的技術解決方案是這種在區域尺度上確定含碎石土壤的持水性的空間變異的方法，包括以下步驟(I)選取在區域尺度上碎石含量差異較大的至少3個土樣，測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特徵曲線；(2)根據測定的變量為土樣碎石含量還是土樣容重來選取經試驗推導和驗證的持水曲面模型；
(3)採用測定的水分特徵曲線確定持水曲面模型參數，採集區域尺度上其他碎石含量土樣至少2個，並實測水分特徵曲線和土樣碎石含量或土樣容重，根據土樣碎石含量或容重在參數確定的持水曲面上確定該土樣的持水曲線，並與實測水分特徵曲線比較；(4)如步驟(3)中曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符，即相關分析相關度較高，則執行步驟(10)，否則執行步驟(5)；(5)根據區域鬆散物成因劃分樣區，並在鬆散物相同成因的樣區內檢查是否存在具有相似碎石粒級的土樣區域，如存在則劃分具有粒級差異的樣區2-3個；如不存在，則只根據成因劃分樣區；(6)在步驟(5)中劃分的樣區內執行步驟(1)-(3)，並判斷確定的持水曲線和實測曲線的相符程度，當相關分析相關度較高，則執行步驟(7)-(10)，否則執行步驟(11)；(7)確定劃分樣區內其他碎石含量土樣的持水性及劃分樣區的持水性空間變異；·
(8)將測定的幾個樣區土樣的水分特徵曲線用於持水曲面模型中確定擴大了粒級範圍的土樣的模型參數；(9)如擴大粒級範圍的土樣模型參數確定的樣區外土樣的持水曲線和實測曲線較相符，則執行步驟(10)，否則執行步驟(11)；(10)利用已確定了參數的持水曲面模型較可靠的確定區域一定數量具有代表性樣點土樣的持水性，並用持水性特徵參數的空間分布與變化表徵區域持水性的空間變異；(11)在劃分的樣區內增加具有碎石含量差異的土樣數，並測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特徵曲線，再執行步驟(2)和(3)；(12)如步驟(11)中曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符，即相關分析相關度較高，則執行步驟(10)，否則執行步驟(13)；(13)執行步驟(11)和(12)由於本方法採用了經過試驗驗證的在現有水分特徵曲線經驗模型基礎上修正為含有表徵碎石含量的變量的全新的持水曲面模型，採用測定的有限樣點的水分特徵曲線確定模型參數，在不限制碎石類型前提下，通過易於測定的土樣飽和含水量和土樣碎石質量含量或土樣容重來完成區域尺度具有代表性一定數量的樣點含有不同碎石含量土壤的持水性的確定，並根據持水曲線特徵參數的空間分布與變化表徵區域持水性的空間變異，所以成本低、操作簡單、可靠性相對高、適用範圍廣。


圖I示出了根據本發明確定的曲面模型參數可靠性較高時在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法的流程圖；圖2示出了根據本發明確定的曲面模型參數可靠性較低時在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法的流程圖；圖3示出了一個具體實施例的採用確定了參數的曲面模型確定的持水曲線進行比較。
具體實施例方式這種區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，採用全新的以含碎石土壤容重或土樣碎石質量含量為一變量，以土壤水吸力為另一變量的持水曲面模型確定區域一定數量代表性樣點含碎石土樣的持水性，並以這些樣點持水曲線的特徵參數的空間分布與變化表徵區域持水性的空間變異，包括以下步驟(I)選取在區域尺度上碎石含量差異較大的至少3個土樣，測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特徵曲線；(2)根據測定的變量為土樣碎石含量還是土樣容重來選取經試驗推導和驗證的持水曲面模型；(3)採用測定的水分特徵曲線確定持水曲面模型參數，採集區域尺度上其他碎石含量土樣至少2個，並實測水分特徵曲線和土樣碎石含量或土樣容重，根據土樣碎石含量或容重在參數確定的持水曲面上確定該土樣的持水曲線，並與實測水分特徵曲線比較；(4)如步驟(3)中曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符，即相關分析相 關度較高，則執行步驟(10)，否則執行步驟(5)；(5)根據區域鬆散物成因劃分樣區，並在鬆散物相同成因的樣區內檢查是否存在具有相似碎石粒級的土樣區域，如存在則劃分具有粒級差異的樣區2-3個；如不存在，則只根據成因劃分樣區；(6)在步驟(5)中劃分的樣區內執行步驟(I) _(3)，並判斷確定的持水曲線和實測曲線的相符程度，當相關分析相關度較高，則執行步驟(7)-(10)，否則執行步驟(11)；(7)確定劃分樣區內其他碎石含量土樣的持水性及劃分樣區的持水性空間變異；(8)將測定的幾個樣區土樣的水分特徵曲線用於持水曲面模型中確定擴大了粒級範圍的土樣的模型參數；(9)如擴大粒級範圍的土樣模型參數確定的樣區外土樣的持水曲線和實測曲線較相符，即R > O. 9，則執行步驟(10)，否則執行步驟(11)；(10)利用已確定了參數的持水曲面模型較可靠的確定區域一定數量具有代表性樣點土樣的持水性，並用持水性特徵參數的空間分布與變化表徵區域持水性的空間變異；(11)在劃分的樣區內增加具有碎石含量差異的土樣數，並測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特徵曲線，再執行步驟(2)和(3)；(12)如步驟(11)中曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符，即相關分析相關度較高，則執行步驟(10)，否則執行步驟(13) ；(13)執行步驟(11)和(12)。優選地，所述持水曲面模型為Se = ApITaSe = AmITa (I-BmMi)式中，Ap，λ，β，Am，Bm為模型參數，Se為相對飽和度，h為土壤水吸力，P b和Mr分別為土樣容重、碎石質量含量。優選地，所述步驟(3)中的曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符性，即相關分析相關度高低的確定包括以下步驟(3. I)將一組具有可代表區域碎石含量變幅的3個不同碎石含量的含碎石土壤的水分特徵曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數；(3. 2)根據確定了參數曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性；(3. 3)根據持水曲線得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量；
(3. 4)將含水量與實測的不同於確定曲面參數土樣碎石含量的至少2個土樣水分特徵曲線不同土壤吸力下對應的含水量作相關分析和線性回歸分析；(3. 5)根據相關係數以及回歸直線的截距和係數確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準確性；當相關係數較高，則曲面模型參數及確定的區域土樣持水性具有較高的可靠性，否則，具有相對低的可靠性。優選地，所述步驟(9)中的曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符性，即相關分析相關度高低的確定包括以下步驟(9. I)將一組具有擴大了粒級範圍的不同碎石含量的含碎石土壤的水分特徵曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數；(9. 2)根據確定了參數曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性，即相對飽和度；(9. 3)根據持水曲線得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量； (9. 4)將含水量與實測的不同於確定曲面參數土樣碎石含量的至少2個土樣水分特徵曲線土壤水分特徵曲線不同土壤吸力下對應的含水量作相關分析和線性回歸分析；(9. 5)根據相關係數以及回歸直線的截距和係數確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準確性；當相關係數較高，則曲面模型參數及確定的區域土樣持水性具有較高的可靠性，否則，具有相對低的可靠性。現在給出一個具體的實施例，包括以下步驟(a)通過實驗建立曲面模型及曲面模型的驗證本實施例採集黃土高原區土石山區含有風化程度高的泥頁巖碎屑的土壤和含有風化程度低的河灘礫石的土壤，將含有一組不同碎石含量泥頁巖碎屑或河灘礫石的土壤的水分特徵曲線採用常規方法測定。根據數據分析每個樣品的水分特徵曲線符合經驗公式BiOok-Corey模型。實驗發現碎石含量與相對飽和度成線性關係，土樣容重與相對飽和度成冪函數關係，結合經驗公式Brook-Corey模型，得到具有兩個自變量的持水曲面模型，即Se = Aph^ Pb_0Se = AmITa (I-BmMi)式中，Se表示相對飽和度，Ap，λ，β，Am，Bm為模型參數，h為土壤水吸力，P b和Mr分別為土樣容重和碎石質量含量。採集擴大了粒級範圍的含碎石土樣和該區域碎石含量差異較大的3個可代表區域碎石含量範圍的土樣，測定其持水性，並與採用確定了參數的曲面模型確定的持水曲線進行比較，發現相關係數R為O. 95 (見圖3)。(b)確定區域尺度含碎石土壤持水曲面模型參數以黃土高原崾峴林場面積約為4km2區域含有風化程度高的泥頁巖碎屑的土壤的持水性的空間變異的確定為例。(b-Ι)採集區域含碎石土樣在林場區域坡面採集碎石含量差異較大的土樣3個，測定其碎石含量為8 %、29%,68%,測定其水分特徵曲線和土樣容重。(b-2)確定曲面模型參數以土樣容重為變量，選取選取曲面模型，將3個土樣實測水分特徵曲線數據代入模型繪製曲面，採用Sigmaplot軟體進行曲面回歸，確定曲面模型參數Αρ，λ，β。
(c)確定模型參數的可靠性從林場區域採集土樣2個，測定其碎石含量為18%和41%的，並實測土樣水分特徵曲線和土樣容重；根據兩個土樣的容重在參數確定的持水曲面上查找相應容重對應的土樣的持水曲線，將模型確定的持水曲線與實測水分特徵曲線進行相關分析和線性回歸分析，相關係數為O. 92，模型參數的可靠性較高。(d)確定區域含碎石土壤持水性的空間變異在林場確定的區域坡面上按網格均勻多點採集土樣，採樣間距約為100m，採集土樣50個，測定土樣的容重，在繪製的曲面上，根據土樣容重查找對應含碎石土壤的持水曲線，根據持水曲線回歸獲取50個土樣的持水參數，根據這些土樣持水參數的空間分布和變化確定林場區域坡面持水性的空間變異。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明 技術方案的保護範圍。
權利要求
1.在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特徵在於，採用全新的以含碎石土壤容重或土樣碎石質量含量為一變量，以土壤水吸力為另一變量的持水曲面模型確定區域一定數量代表性樣點含碎石土樣的持水性，並以持水曲線的特徵參數的空間變化表徵區域持水性的空間變異，具體包括以下步驟 (1)選取在區域尺度上碎石含量差異較大的至少3個土樣，測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特徵曲線； (2)根據測定的變量為土樣碎石含量還是土樣容重來選取經試驗推導和驗證的持水曲面模型； (3)採用測定的水分特徵曲線確定持水曲面模型參數，採集區域尺度上其他碎石含量土樣至少2個，並實測水分特徵曲線和土樣碎石含量或土樣容重，根據土樣碎石含量或容重在參數確定的持水曲面上確定該土樣的持水曲線，並與實測水分特徵曲線比較； (4)如步驟(3)中曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符，即相關分析相關度較高，則執行步驟(10)，否則執行步驟(5)； (5)根據區域鬆散物成因劃分樣區，並在鬆散物相同成因的樣區內檢查是否存在具有相似碎石粒級的土樣區域，如存在則劃分具有粒級差異的樣區2-3個；如不存在，則只根據成因劃分樣區； (6)在步驟(5)中劃分的樣區內執行步驟(I)_(3)，並判斷確定的持水曲線和實測曲線的相符程度，當相關分析相關度較高，則執行步驟(7)-(10)，否則執行步驟(11)； (7)確定劃分樣區內其他碎石含量土樣的持水性及劃分樣區持水性的空間變異； (8)將測定的幾個樣區土樣的水分特徵曲線用於持水曲面模型中確定擴大了粒級範圍的土樣的模型參數； (9)如擴大粒級範圍的土樣模型參數確定的樣區外土樣的持水曲線和實測曲線較相符，則執行步驟(10)，否則執行步驟(11)； (10)利用已確定了參數的持水曲面模型較可靠的確定區域一定數量具有代表性樣點土樣的持水性，並用持水性特徵參數的空間分布與變化表徵區域持水性的空間變異； (11)在劃分的樣區內增加具有碎石含量差異的土樣數，並測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特徵曲線，再執行步驟(2)和(3)； (12)如步驟(11)中曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符，即相關分析相關度較高，則執行步驟(10)，否則執行步驟(13)； (13)執行步驟(11)和(12)。
2.根據權利要求I所述的在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特徵在於，所述全新的持水曲面模型為Se = AprA Pb_0 Se = AmITa (I-Bj1Mr) 其中，Ap，λ，β，Am，Bm為模型參數，Se為相對飽和度，h為土壤水吸力P b和凡分別為土樣容重、碎石質量含量。
3.根據權利要求I所述的在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特徵在於，所述步驟(3)中的曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符性，即相關分析相關度高低的確定包括以下步驟(3. I)將一組具有可代表區域碎石含量變幅的3個不同碎石含量的含碎石土壤的水分特徵曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數； (3. 2)根據確定了參數的曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性； (3. 3)根據持水曲線得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量； (3. 4)將含水量與實測的不同於確定曲面參數土樣碎石含量的至少2個土樣水分特徵曲線不同土壤吸力下對應的含水量作相關分析和線性回歸分析； (3. 5)根據相關係數以及回歸直線的截距和係數確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準確性，當相關係數較高，則曲面模型參數及確定的區域土樣持水性具有較高的可靠性，否則，具有相對低的可靠性。
4.根據權利要求I所述的在區域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特徵在於，所述步驟(9)中的曲面模型確定土樣的持水曲線與實測曲線相符性，即相關分析相關度高低的確定包括以下步驟 (9. I)將一組具有擴大了粒級範圍的不同碎石含量的含碎石土壤的水分特徵曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數； (9. 2)根據確定了參數的曲面模型得到不同碎石含量的含碎石土壤的持水性； (9. 3)根據持水曲線得到不同土壤水吸力下的含碎石土壤的含水量； (9. 4)將含水量與實測的不同於確定曲面參數土樣碎石含量的至少2個土樣水分特徵曲線土壤水分特徵曲線不同土壤吸力下對應的含水量作相關分析和線性回歸分析； (9. 5)根據相關係數以及回歸直線的截距和係數確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準確性；當相關係數較高，則曲面模型參數及確定的區域土樣持水性具有較高的可靠性，否則，具有相對低的可靠性。
全文摘要
採用全新持水曲面模型在區域尺度上確定含碎石土壤持水性空間變異的方法，具有成本低、操作簡單、適用性廣的特點。選取區域上一定數量具有代表性的樣點，採用全新曲面模型確定樣點土樣的持水性並確定持水參數的空間分布和變化。具體是通過測定少數樣點土樣持水曲線、碎石含量或容重來確定曲面模型參數，當該參數確定的其他樣點的持水性與實測值相符，則根據曲面模型確定區域持水性的空間變異。如不相符，在相同成因的區域上劃分粒級相似的樣區2-3個，確定模型參數，採用上述方法檢測與實測值的相符性，如仍不相符，則在劃分的樣區內逐步增加樣點數，直到參數確定的其他樣點的持水性與實測值相符，再採用全新曲面模型確定樣區持水性的空間變異。
文檔編號G01N33/24GK102914629SQ201110224800
公開日2013年2月6日 申請日期2011年8月6日 優先權日2011年8月6日
發明者王慧芳, 王明玉, 邵明安 申請人:中國科學院研究生院