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      力高泰微課堂 | HYPROP2 初始測量數據為什么會波動?

      來源:北京力高泰科技有限公司 發布時間:2021-01-11 10:16:53 點擊數:806 使用提問 咨詢價格

      當查看Hyprop2量程時,你會發現,標注的是+20到-2400hPa。需要解釋3點:

      關于單位

      1hPa=0.1kPa,也就是說,如果用kPa來表示,其量程是+2到-240kPa。

      關于正水勢

      純水的水勢為0,而Hyprop2的量程上限是+20hPa。之所以出現這種情況,是指如果把Hyprop2中的張力傳感器放置在純水中,如果傳感器在水面以下,傳感器可測量得到一個高于0的水勢。

      關于概念

      文獻中,常會看到土壤水吸力(Soil Suction)這個概念,它和土壤水勢互為相反數(兩者絕對值相等,土壤水勢為負,土壤水吸力為正)。土壤水勢越低,即土壤水分含量越少,土壤水吸力越大。另外一個概念是進氣值(Air-Entry Value),它是指土壤水分含量達到飽和狀態后,失水過程中,開始有空氣進入土壤孔隙時,對應的土壤吸力值。

      HYPROP2 土壤水分特征曲線測量儀的數據,在測量初始階段,會出現不規律的細微波動(圖1)。這種現象背后的原因是什么呢?

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      圖1 HYPROP2 測量初期數據的不規律細微波動

      為了尋找答案,Tollenaar 使用兩種類型的土壤進行了實驗。一種為沙土,主要成分為砂;另一種是粘土,主要成分是粘土和粉砂,該土樣具有良好的塑性。

      土壤塑性是指土壤在外力作用下變形,當外力撤銷后仍能保持這種形變的特性。土壤只有在一定的含水量時,才具可塑性。它有上塑限(或稱流限),即土壤因含水過多而失去塑性,并開始成流體流動時的土壤含水量[1] ,它是土壤呈現塑性的最大含水量;下塑限(或簡稱塑限),即土壤呈現塑性的最小含水量,也是土壤半固態結持性和可塑結持性的臨界含水量。上塑限和下塑限的差值稱為塑性值。塑性值越大表示土壤塑性越強。

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      圖2 HYPROP2/KSAT/WP4C工作組(點擊了解詳情)

      沙土樣品實驗

      將 HYPROP2 安裝好之后,從沙土頂部灑水。灑水速度慢而均勻,當土樣上面出現薄的水膜時,立刻開始測量。

      實驗過程中,當出現不規律波動后,繼續向樣品中加水,以觀察不規律波動是否會再次出現。最后烘干稱重計算土壤樣品含水量。

      粘土樣品實驗

      采用 Tollenaar Gonzalez (2017)論文中的方法,使用含水量不同的樣品進行測量。

      粘土樣品含水量詳細信息如下:

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      開始測量前的粘土含水量

      只使用底部張力計進行實驗,上部張力計用保鮮膜包覆,實驗溫度為 20℃。對于高出飽和點的D、E土壤樣品,首先使用 HOBART A200N 混合 45 mins, 之后放入塑料容器中靜置,最后倒入 HYPROP2 環刀后開始測量。

      沙土測量結果

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      圖3 沙土測量過程

      共進行了三次補水。前兩次補水前后都出現了數據波動,幅度大約2-5kPa(補水后使土壤吸力低于進氣值,大約為2kPa),第三次補水將土壤吸力控制在 2.5 kPa,高于進氣值,數據沒有出現不規則波動。這表明,土壤樣品失水過程中的數據波動,與空氣進入土壤孔隙有關,可用 “Haines Jump”來解釋(Hillel 2004)。

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      圖4 Haines Jump 過程動畫演示(源自vassvik)

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      圖5 Haines Jump 過程

      土壤孔隙水通過毛管排空,與此同時伴隨空氣的進入。這一過程并不是均速完成的,而是存在加速現象,這會引發土壤吸力值的迅速改變。

      該過程的持續時間短,且會在多個土壤孔隙中發生,發生時間上也有先后。

      粘土測量結果

      C,D, E 粘土樣品數據修正與初期數據表現

      測量過程中,一個樣品是純水。純水不存在自重固結,僅有靜水壓強。在外界控溫控濕條件下,蒸發過程導致的土壤吸力增加與土壤重量下降,在測量初期是線性的。從這一點出發,可以對C, D, E 粘土樣品的數據進行整體上移修正,消除靜水壓強的影響。

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      圖6 純水樣品測量與靜水壓強修正

      對于 C,D, E 粘土樣品,含水量高于飽和含水量,也就是在測量初期存在靜水壓強,修正后, SWRC 濕潤端曲線會發生移動。數據顯示,D, E 粘土樣品在實驗初期并沒有出現數據波動(圖7)。

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      圖7 需要進行靜水壓強修正的數據

      A, B, C粘土樣品的數據波動

      相對干燥的粘土樣品 A, B, C,在失水過程中,土壤水吸力有一個劇烈的下降。與沙土樣品不同,下降持續時間較長。

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      圖8 粘土的數據波動

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      圖9 CT掃描發現粘土產生裂隙

      為解釋這種現象,研究者使用了CT掃描的方法。他們將其中一個土壤取樣環材質更換成PVC,定期進行 CT 掃描。

      張力計周圍的淺灰色區域表示高密度土壤,從左至右,灰色區域逐漸變少。左數第3幅圖中出現的深色紋路是土壤裂隙,第4幅圖中顯示深色紋路進一步變寬變長。這說明,粘土失水過程中,土壤體積不斷收縮,且土體內部會出現裂隙,影響張力計讀值。

      因此,粘土樣品實驗初期的數據波動的可能原因包括:(1)粘土在變干失水過程中的收縮;(2)土壤裂隙的產生( Tollenaar Gonzalez 2017; Tollenaar, Paassen, and Jommi 2017 )。

      參考文獻

      Corwin, Dennis L. 2000. “Evaluation of a Simple Lysimeter-Design Modification to Minimize Sidewall Flow.” Journal of Contaminant Hydrology 42 (1): 35–49. https://doi.org/10.1016/S0169-7722(99)00088-1.

      Hillel, Daniel, ed. 2004. Encyclopedia of Soils in the Environment. 1st edition. Oxford, UK ; Boston: Academic Press.

      Paassen, Leon van, Roderick Tollenaar, Cristina Jommi, andreas steins, and Georg Unold. 2018. Investigating Some Irregularities Observed During Suction Measurements Using the Hyprop Device.

      Tollenaar Gonzalez, R. N. 2017. “Experimental Investigation on the Desiccation and Fracturing of Clay.” https://doi.org/10.4233/uuid:40f6b033-0e6a-460b-9501-30cf35a99b8d.

      Tollenaar, R. N., L. A. van Paassen, and C. Jommi. 2017. “Observations on the Desiccation and Cracking of Clay Layers.” Engineering Geology 230: 23–31. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.08.022.


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