專利名稱：在區(qū)域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(qū)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(shù)：
由于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(qū)不同樣點碎石含量不同，采用野外或?qū)嶒炇覝y定水分特征曲線的方法確定區(qū)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(即水分特征曲線)的方法主要有兩種實測法和傳遞函數(shù)法；實測法又分為田間監(jiān)測和室內(nèi)測定，田間測定儀器安裝 和管護(hù)成本高，測定耗時長，且測定土壤吸力范圍??；廣泛采用的是室內(nèi)測定法，其特點是測定土壤吸力范圍大，測點多，耗時長。傳遞函數(shù)法是根據(jù)樣品顆粒粒級分布推求不同粒級對應(yīng)的孔隙體積和毛管吸力，建立該粒級對應(yīng)孔隙/持水體積和毛管吸力的關(guān)系，該方法簡便，但對于土壤顆粒擴(kuò)大到碎石粒級范圍，較難準(zhǔn)確給出顆粒的形狀修正系數(shù)。1997年，Bouma采用傳遞函數(shù)法預(yù)測含有粒徑范圍為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(zhì)普查中采用室內(nèi)測定的方法確定，含碎石土壤的持水性在確定中采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于不含碎石土壤飽和含水量和刨除碎石后的土體體積含量的乘積。1986年，Gardner將碎石的體積含量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量含量，采用土體容重和碎石質(zhì)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(dāng)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(shù)法將土壤粒級擴(kuò)大到碎石粒級，但碎石顆粒的形狀修正系數(shù)難以確定，推測持水性精度較低。根據(jù)室內(nèi)測定不含碎石土壤持水性推求含碎石土壤的持水性方法，僅適用于含有的碎石為幾乎沒有風(fēng)化的碎石，且碎石不具有持水性，限制了區(qū)域含碎石土壤持水性推求的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡單、可靠性相對高、成本低、適用范圍廣的在區(qū)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(fā)明的技術(shù)解決方案是這種在區(qū)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(qū)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征曲線；(2)根據(jù)測定的變量為土樣碎石含量還是土樣容重來選取經(jīng)試驗推導(dǎo)和驗證的持水曲面模型；
(3)采用測定的水分特征曲線確定持水曲面模型參數(shù)，采集區(qū)域尺度上其他碎石含量土樣至少2個，并實測水分特征曲線和土樣碎石含量或土樣容重，根據(jù)土樣碎石含量或容重在參數(shù)確定的持水曲面上確定該土樣的持水曲線，并與實測水分特征曲線比較；(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(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(5)；(5)根據(jù)區(qū)域松散物成因劃分樣區(qū)，并在松散物相同成因的樣區(qū)內(nèi)檢查是否存在具有相似碎石粒級的土樣區(qū)域，如存在則劃分具有粒級差異的樣區(qū)2-3個；如不存在，則只根據(jù)成因劃分樣區(qū)；(6)在步驟(5)中劃分的樣區(qū)內(nèi)執(zhí)行步驟(1)-(3)，并判斷確定的持水曲線和實測曲線的相符程度，當(dāng)相關(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(7)-(10)，否則執(zhí)行步驟(11)；(7)確定劃分樣區(qū)內(nèi)其他碎石含量土樣的持水性及劃分樣區(qū)的持水性空間變異；·
(8)將測定的幾個樣區(qū)土樣的水分特征曲線用于持水曲面模型中確定擴(kuò)大了粒級范圍的土樣的模型參數(shù)；(9)如擴(kuò)大粒級范圍的土樣模型參數(shù)確定的樣區(qū)外土樣的持水曲線和實測曲線較相符，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(11)；(10)利用已確定了參數(shù)的持水曲面模型較可靠的確定區(qū)域一定數(shù)量具有代表性樣點土樣的持水性，并用持水性特征參數(shù)的空間分布與變化表征區(qū)域持水性的空間變異；(11)在劃分的樣區(qū)內(nèi)增加具有碎石含量差異的土樣數(shù)，并測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特征曲線，再執(zhí)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(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(13)；(13)執(zhí)行步驟(11)和(12)由于本方法采用了經(jīng)過試驗驗證的在現(xiàn)有水分特征曲線經(jīng)驗?zāi)Ｐ突A(chǔ)上修正為含有表征碎石含量的變量的全新的持水曲面模型，采用測定的有限樣點的水分特征曲線確定模型參數(shù)，在不限制碎石類型前提下，通過易于測定的土樣飽和含水量和土樣碎石質(zhì)量含量或土樣容重來完成區(qū)域尺度具有代表性一定數(shù)量的樣點含有不同碎石含量土壤的持水性的確定，并根據(jù)持水曲線特征參數(shù)的空間分布與變化表征區(qū)域持水性的空間變異，所以成本低、操作簡單、可靠性相對高、適用范圍廣。


圖I示出了根據(jù)本發(fā)明確定的曲面模型參數(shù)可靠性較高時在區(qū)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(jù)本發(fā)明確定的曲面模型參數(shù)可靠性較低時在區(qū)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采用確定了參數(shù)的曲面模型確定的持水曲線進(jìn)行比較。
具體實施例方式這種區(qū)域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，采用全新的以含碎石土壤容重或土樣碎石質(zhì)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(qū)域一定數(shù)量代表性樣點含碎石土樣的持水性，并以這些樣點持水曲線的特征參數(shù)的空間分布與變化表征區(qū)域持水性的空間變異，包括以下步驟(I)選取在區(qū)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征曲線；(2)根據(jù)測定的變量為土樣碎石含量還是土樣容重來選取經(jīng)試驗推導(dǎo)和驗證的持水曲面模型；(3)采用測定的水分特征曲線確定持水曲面模型參數(shù)，采集區(qū)域尺度上其他碎石含量土樣至少2個，并實測水分特征曲線和土樣碎石含量或土樣容重，根據(jù)土樣碎石含量或容重在參數(shù)確定的持水曲面上確定該土樣的持水曲線，并與實測水分特征曲線比較；(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(guān)分析相 關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(5)；(5)根據(jù)區(qū)域松散物成因劃分樣區(qū)，并在松散物相同成因的樣區(qū)內(nèi)檢查是否存在具有相似碎石粒級的土樣區(qū)域，如存在則劃分具有粒級差異的樣區(qū)2-3個；如不存在，則只根據(jù)成因劃分樣區(qū)；(6)在步驟(5)中劃分的樣區(qū)內(nèi)執(zhí)行步驟(I) _(3)，并判斷確定的持水曲線和實測曲線的相符程度，當(dāng)相關(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(7)-(10)，否則執(zhí)行步驟(11)；(7)確定劃分樣區(qū)內(nèi)其他碎石含量土樣的持水性及劃分樣區(qū)的持水性空間變異；(8)將測定的幾個樣區(qū)土樣的水分特征曲線用于持水曲面模型中確定擴(kuò)大了粒級范圍的土樣的模型參數(shù)；(9)如擴(kuò)大粒級范圍的土樣模型參數(shù)確定的樣區(qū)外土樣的持水曲線和實測曲線較相符，即R > O. 9，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(11)；(10)利用已確定了參數(shù)的持水曲面模型較可靠的確定區(qū)域一定數(shù)量具有代表性樣點土樣的持水性，并用持水性特征參數(shù)的空間分布與變化表征區(qū)域持水性的空間變異；(11)在劃分的樣區(qū)內(nèi)增加具有碎石含量差異的土樣數(shù)，并測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特征曲線，再執(zhí)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(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(13) ；(13)執(zhí)行步驟(11)和(12)。優(yōu)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(shù)，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(zhì)量含量。優(yōu)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(guān)分析相關(guān)度高低的確定包括以下步驟(3. I)將一組具有可代表區(qū)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征曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數(shù)；(3. 2)根據(jù)確定了參數(shù)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(jù)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于確定曲面參數(shù)土樣碎石含量的至少2個土樣水分特征曲線不同土壤吸力下對應(yīng)的含水量作相關(guān)分析和線性回歸分析；(3. 5)根據(jù)相關(guān)系數(shù)以及回歸直線的截距和系數(shù)確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準(zhǔn)確性；當(dāng)相關(guān)系數(shù)較高，則曲面模型參數(shù)及確定的區(qū)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(yōu)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(guān)分析相關(guān)度高低的確定包括以下步驟(9. I)將一組具有擴(kuò)大了粒級范圍的不同碎石含量的含碎石土壤的水分特征曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數(shù)；(9. 2)根據(jù)確定了參數(shù)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(jù)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于確定曲面參數(shù)土樣碎石含量的至少2個土樣水分特征曲線土壤水分特征曲線不同土壤吸力下對應(yīng)的含水量作相關(guān)分析和線性回歸分析；(9. 5)根據(jù)相關(guān)系數(shù)以及回歸直線的截距和系數(shù)確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準(zhǔn)確性；當(dāng)相關(guān)系數(shù)較高，則曲面模型參數(shù)及確定的區(qū)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?，F(xiàn)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采集黃土高原區(qū)土石山區(qū)含有風(fēng)化程度高的泥頁巖碎屑的土壤和含有風(fēng)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征曲線采用常規(guī)方法測定。根據(jù)數(shù)據(jù)分析每個樣品的水分特征曲線符合經(jīng)驗公式BiOok-Corey模型。實驗發(fā)現(xiàn)碎石含量與相對飽和度成線性關(guān)系，土樣容重與相對飽和度成冪函數(shù)關(guān)系，結(jié)合經(jīng)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(shù)，h為土壤水吸力，P b和Mr分別為土樣容重和碎石質(zhì)量含量。采集擴(kuò)大了粒級范圍的含碎石土樣和該區(qū)域碎石含量差異較大的3個可代表區(qū)域碎石含量范圍的土樣，測定其持水性，并與采用確定了參數(shù)的曲面模型確定的持水曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)R為O. 95 (見圖3)。(b)確定區(qū)域尺度含碎石土壤持水曲面模型參數(shù)以黃土高原崾峴林場面積約為4km2區(qū)域含有風(fēng)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)采集區(qū)域含碎石土樣在林場區(qū)域坡面采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%,測定其水分特征曲線和土樣容重。(b-2)確定曲面模型參數(shù)以土樣容重為變量，選取選取曲面模型，將3個土樣實測水分特征曲線數(shù)據(jù)代入模型繪制曲面，采用Sigmaplot軟件進(jìn)行曲面回歸，確定曲面模型參數(shù)Αρ，λ，β。
(c)確定模型參數(shù)的可靠性從林場區(qū)域采集土樣2個，測定其碎石含量為18%和41%的，并實測土樣水分特征曲線和土樣容重；根據(jù)兩個土樣的容重在參數(shù)確定的持水曲面上查找相應(yīng)容重對應(yīng)的土樣的持水曲線，將模型確定的持水曲線與實測水分特征曲線進(jìn)行相關(guān)分析和線性回歸分析，相關(guān)系數(shù)為O. 92，模型參數(shù)的可靠性較高。(d)確定區(qū)域含碎石土壤持水性的空間變異在林場確定的區(qū)域坡面上按網(wǎng)格均勻多點采集土樣，采樣間距約為100m，采集土樣50個，測定土樣的容重，在繪制的曲面上，根據(jù)土樣容重查找對應(yīng)含碎石土壤的持水曲線，根據(jù)持水曲線回歸獲取50個土樣的持水參數(shù)，根據(jù)這些土樣持水參數(shù)的空間分布和變化確定林場區(qū)域坡面持水性的空間變異。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)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(fā)明 技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.在區(qū)域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特征在于，采用全新的以含碎石土壤容重或土樣碎石質(zhì)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(qū)域一定數(shù)量代表性樣點含碎石土樣的持水性，并以持水曲線的特征參數(shù)的空間變化表征區(qū)域持水性的空間變異，具體包括以下步驟 (1)選取在區(qū)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征曲線； (2)根據(jù)測定的變量為土樣碎石含量還是土樣容重來選取經(jīng)試驗推導(dǎo)和驗證的持水曲面模型； (3)采用測定的水分特征曲線確定持水曲面模型參數(shù)，采集區(qū)域尺度上其他碎石含量土樣至少2個，并實測水分特征曲線和土樣碎石含量或土樣容重，根據(jù)土樣碎石含量或容重在參數(shù)確定的持水曲面上確定該土樣的持水曲線，并與實測水分特征曲線比較； (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(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(5)； (5)根據(jù)區(qū)域松散物成因劃分樣區(qū)，并在松散物相同成因的樣區(qū)內(nèi)檢查是否存在具有相似碎石粒級的土樣區(qū)域，如存在則劃分具有粒級差異的樣區(qū)2-3個；如不存在，則只根據(jù)成因劃分樣區(qū)； (6)在步驟(5)中劃分的樣區(qū)內(nèi)執(zhí)行步驟(I)_(3)，并判斷確定的持水曲線和實測曲線的相符程度，當(dāng)相關(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(7)-(10)，否則執(zhí)行步驟(11)； (7)確定劃分樣區(qū)內(nèi)其他碎石含量土樣的持水性及劃分樣區(qū)持水性的空間變異； (8)將測定的幾個樣區(qū)土樣的水分特征曲線用于持水曲面模型中確定擴(kuò)大了粒級范圍的土樣的模型參數(shù)； (9)如擴(kuò)大粒級范圍的土樣模型參數(shù)確定的樣區(qū)外土樣的持水曲線和實測曲線較相符，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(11)； (10)利用已確定了參數(shù)的持水曲面模型較可靠的確定區(qū)域一定數(shù)量具有代表性樣點土樣的持水性，并用持水性特征參數(shù)的空間分布與變化表征區(qū)域持水性的空間變異； (11)在劃分的樣區(qū)內(nèi)增加具有碎石含量差異的土樣數(shù)，并測定這些土樣的碎石含量或土樣容重以及水分特征曲線，再執(zhí)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(guān)分析相關(guān)度較高，則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(13)； (13)執(zhí)行步驟(11)和(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在區(qū)域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特征在于，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(shù)，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(zhì)量含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在區(qū)域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特征在于，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(guān)分析相關(guān)度高低的確定包括以下步驟(3. I)將一組具有可代表區(qū)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征曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數(shù)； (3. 2)根據(jù)確定了參數(shù)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(jù)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于確定曲面參數(shù)土樣碎石含量的至少2個土樣水分特征曲線不同土壤吸力下對應(yīng)的含水量作相關(guān)分析和線性回歸分析； (3. 5)根據(jù)相關(guān)系數(shù)以及回歸直線的截距和系數(shù)確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準(zhǔn)確性，當(dāng)相關(guān)系數(shù)較高，則曲面模型參數(shù)及確定的區(qū)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(jù)權(quán)利要求I所述的在區(qū)域尺度上確定含碎石土壤持水性的空間變異的方法，其特征在于，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(guān)分析相關(guān)度高低的確定包括以下步驟 (9. I)將一組具有擴(kuò)大了粒級范圍的不同碎石含量的含碎石土壤的水分特征曲線代入持水曲面模型，確定曲面模型的模型參數(shù)； (9. 2)根據(jù)確定了參數(shù)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(jù)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于確定曲面參數(shù)土樣碎石含量的至少2個土樣水分特征曲線土壤水分特征曲線不同土壤吸力下對應(yīng)的含水量作相關(guān)分析和線性回歸分析； (9. 5)根據(jù)相關(guān)系數(shù)以及回歸直線的截距和系數(shù)確定由持水曲面模型得到的含碎石土壤的水分含量的準(zhǔn)確性；當(dāng)相關(guān)系數(shù)較高，則曲面模型參數(shù)及確定的區(qū)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
采用全新持水曲面模型在區(qū)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(qū)域上一定數(shù)量具有代表性的樣點，采用全新曲面模型確定樣點土樣的持水性并確定持水參數(shù)的空間分布和變化。具體是通過測定少數(shù)樣點土樣持水曲線、碎石含量或容重來確定曲面模型參數(shù)，當(dāng)該參數(shù)確定的其他樣點的持水性與實測值相符，則根據(jù)曲面模型確定區(qū)域持水性的空間變異。如不相符，在相同成因的區(qū)域上劃分粒級相似的樣區(qū)2-3個，確定模型參數(shù)，采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(qū)內(nèi)逐步增加樣點數(shù)，直到參數(shù)確定的其他樣點的持水性與實測值相符，再采用全新曲面模型確定樣區(qū)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(yōu)先權(quán)日2011年8月6日
發(fā)明者王慧芳, 王明玉, 邵明安 申請人:中國科學(xué)院研究生院