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_Kfs为何令人头疼

饱和导水性，即土壤的吸水能力，对于科学家来说历来是一项复杂的测量工作。 由于对特定土壤的阿尔法估算存在误差以及三维流动缓冲不足，实地饱和导水率（_Kfs）测量不准确的现象十分普遍。 三维流动是指水从三个维度渗入土壤，既向下也向横向扩散。问题是，代表饱和导水性的_Kfs 值是一个单维值。研究人员在建模时使用_Kfs作为决策依据，但要获得该值，必须首先消除三维流动的影响。

估算--一个有风险的命题

消除三维流动影响的传统方法是查看α值表或土壤宏观毛细管长度。但由于α值只是对吸水率效应或土壤对水的横向拉力的估计，因此不准确的风险很高。如果研究人员或工程师选择了错误的 α 值，他们的估算结果可能会有很大偏差。

为了解决这个问题，研究人员有时会使用双环渗透仪测量_Kfs （图 2），这是一种简单的方法，外环的作用是限制渗透后水的横向扩散并缓冲三维水流。然而，双环渗透仪并不能完美地缓冲三维水流（Swartzendruber D. 和 T.C. Olson 1961a）。因此，如果研究人员假设他们在中心环获得的是一维流动，那么他们可能会高估现场饱和电导率值。这可能会带来灾难性后果，尤其是在处理经过设计具有极低渗透性的土壤时。如果高估了_Kfs，研究人员或工程师可能会错误地认为垃圾填埋场覆盖层（例如）无效（_Ks超过 ^10-5cm s-¹），而实际上，他们高估了_Kfs，覆盖层实际上是符合要求的。

_Kfs-solved

该系统 SATURO通过将成熟的双压头 法自动化，消除了估算/假设问题。它在土壤顶部积水，利用气压产生两个不同的压头。在这两个不同压头下测量渗透率，就无需估算阿尔法系数，从而使研究人员能够在不做任何假设的情况下确定实地饱和导水性。此外，由于SATURO 不需要像双环渗透仪那样的大型外环，因此用水量要少得多。这种自动化方法节省了时间，减少了水力传导性评估中的误差。下面的理论部分将详细解释为什么可以做到这一点。

查看SATURO 读数与双环渗透仪读数的比较

在下面的视频中，Gaylon S. Campbell 博士将教授水文基础知识以及SATURO 自动双水头入渗仪背后的科学原理。在这个 30 分钟的网络研讨会中，您将了解到

• 什么是水力传导性？
• 多孔介质
• 决定导水性的因素
• 为什么要关注水力传导性
• 如何测量导水性？
• 实验室仪器
• 实地仪器
• SATURO 背后的方法：双水头渗透仪
• 比较：双环法和SATURO 双头法

SATURO:为什么更准确

实地饱和导水性，K_fs(厘米/秒）是一种基本的土壤水力特性，描述了流体（通常是水）在实地饱和状态下通过孔隙或裂缝的难易程度。现场测定K_fs的一种最古老、最简单的方法是测量从一个单环（半径为b）内推入土壤（d）一小段距离的池塘渗透（D）（图 1）。最初的分析使用测量到的稳定流速Qs（立方厘米/秒），并假定为一维垂直流，从而得出K_fs来自 Bouwer (1986) 和 Daniel (1989)。

这种方法高估了K_fs由于非饱和土壤的毛细管作用和环内的积水造成的横向分流，K fs 被高估了（Bouwer，1986 年）。消除水流分流的尝试包括增加一个外环，以缓冲内环中的水流（图 2）。然而，双环渗透仪技术无法有效防止来自内环的侧向水流（Swartzendruber 和 Olson，1961a, 1961b）。

最近的研究提供了校正侧向流的新方法。Reynolds 和 Elrick（1990 年）提出了一种新的分析方法，用于分析稳定的单环池塘渗透，该方法考虑了土壤毛细管、池塘深度、环半径(b) 和环插入深度(d)，并提供了计算K_fs、母通量(φm) 和宏观毛细管长度(∝) 的计算方法。这种分析方法被称为双水头法（Reynolds 和 Elrick，1990 年）。

双水池水头法是SATURO 使用的技术，但做了一些修改和简化。最简单的计算公式来自 Nimmo 等人（2009 年）。他们计算K_fs如公式 1 所示。

其中，i（ 厘米/秒）是稳定（最终）渗透率（体积除以面积）， F是校正吸水率和几何效应的函数。

Nimmo 等人（2009 年）给出的F如公式 2 所示

其中

• D是积水深度（厘米）
• d是渗透仪的插入深度（厘米）
• b是渗透仪的半径（厘米）
• ∆是给定浸润器几何形状的常数；C₁d+C₂b(cm)
• C₁为 0.993
• C₂为 0.578
• λ是加德纳∝ 的倒数，是土壤及其初始含水量（厘米）的特性

在公式 2 中，∆ 只是 Reynolds 和 Elrick（1990 年）的公式 36 乘以bπ，这使得图 2 和公式 2 与 Reynolds 和 Elrick（1990 年）的公式 37 相符。

对于两种积水深度，请使用公式 3：

重新排列右边的一个项，用K来求解λ_fs，在另一个右项中代入λ，然后化简得到

其中

• D₁是实际高压头
• D₂是实际低压头
• ∆为 0.993d + 0.578b（厘米）
• i₁是高压头处的渗透率
• i₂为低压头时的渗透率

对于 ∆，d是浸润器插入深度，b是浸润器半径。对于SATURO 5 厘米插入环，d= 5 厘米，b = 7.5 厘米，因此∆= 9.3 厘米。对于 10 厘米插入环，d = 10 厘米，b = 7.5 厘米，因此∆ = 14.3 厘米。

然后将水导率乘以最后一个压力周期的准稳态渗透率差值，再除以最后一个压力周期的测量压头差值。

等式 4 等同于 Reynolds 和 Elrick（1990 年）的等式 41，消除了对土壤特性和 λ 所描述的初始含水量的依赖。

省去繁琐的手工劳动

该系统 SATURO将自动化和简化数据分析集于一身。它甚至可以即时计算渗透率和现场饱和导水性。对于需要更快、更准确地实地测量_Kfs的人来说，SATURO 让生活变得更轻松。

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参考资料

1. Bouwer H. 1986.摄入率：圆筒渗透仪。见 Klute A.编著的《土壤分析方法》：第 1 部分-物理和矿物学方法》。第 2 版。麦迪逊（威斯康星州）：麦迪逊（威斯康星州）：ASA 和 SSSA。825-844.(文章链接）
2. Dane JH 和 Topp GC 编辑。2002.土壤分析方法：第 4 部分-物理方法。麦迪逊（威斯康星州）：美国土壤科学学会（链接）
3. Daniel DE.1989.压实粘土的原位导水试验。J. Geotech.Eng.115(9).(文章链接）
4. Nimmo JR、Schmidt KM、Perkins KS 和 Stock JD。2009.用于区域特征描述的野外饱和水力传导性快速测量。Vadose Zone J. 8(1)：142-149.（文章链接）
5. Reynolds WD and Elrick DE.1990.单环池塘渗透：I. 稳定流分析。Soil Sci.J. 54(5):1233-1241.(文章链接）
6. Swartzendruber D and Olson TC.1961.双环入渗仪缓冲效应的沙模型研究。Soil Sci.25(1)：5-8.(文章链接）
7. Swartzendruber D and Olson TC.1961.受润湿深度和颗粒大小影响的双环渗透仪模型研究。土壤科学》92（4）：219-225.(文章链接）

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