土壤颗粒粒径分析的新方法

撰稿人: 日期:2017-7-7 点击次数:1412

一、 目的

土壤颗粒粒径分布(PSD)是土壤物理特性的关键指标。PSD的检测是基于颗粒在均质化悬浮液中的重力沉降进行的。传统的检测方法:1)比重法:在不同时间段内,手动测量悬浮液中的浮体颗粒2)移液管分析法:在一定深度和时间内,提取悬浮液进行分析。两种方法都会得到沉降过程中的颗粒分布,并且会得到分离式的数据。
PARIO,是一种自动化的测量方式。是基于“记录一个时间段内,沉降过程中特定悬浮液深度的压力”。采用内置的计算模型,根据压力变化计算出PSD。这种方法,可以得到连续的PSD和沉降过程中极小的颗粒分布。
本文是介绍此种方法的理论基础,用模拟数据来阐述此种方法的性能。我们称这种方法为密度计法。

二、 密度计法的理论

1、 方法原理
灵感来源于,由于颗粒会下沉,而悬浮液留存于压力传感器上方,所以,预置传感器位置上的压力会不断衰减。我们有一种计数模型,可以计算出时间序列中的压力变化,这种压力变化可以作为在特定深度L(cm)处的PSD。PSD可以通过模型中的密度统计功能参数化,例如:对数正态分布模型或者经验模型中的相应功能。一定时间序列的压力变化取决于颗粒粒径分布情况,而粒径分布情况由内置的模型进行计算分辨。
2、 模拟时间序列压力变化的模型
我们假设沉降过程中粒径大小分布,是遵循Stokes 定律。那么:

 V指沉降速率,D指颗粒直径
在时间t后,颗粒到达z深度,
 
在深度L处的压力ρ,跟L处的密度值ρ(z,t)关系,
 
综上,根据模型计算公式为:
 
3、 通过内置模型得到PSD值
为了得到PSD,通过全局优化器SCE-UA减至最小二次方目标函数。目标函数包括压力数据,细沙、中沙和粗砂的质量分数。累计质量分布曲线,通过Hermitian polynomial 参数化。
三、 测试计算机生成的数据(模拟数据)
 
上述两幅图表为利用模拟数据进行的测试。左图:三种不同土壤的累计颗粒粒径分布。在整个粒径分布过程中,匹配的非常好,并且没有显著的错误。请注意:在63μm、200μm和630μm处,我们认为累积粒径分布是独立测量得到的。因为,根据Stoke定律,粒径大于63μm,是不适用的。右图:悬浮液20cm处,适合时间序列内的压力变化。随机离散0.1Pa,我们认为可以产生数据。假设颗粒质量为40g,这导致几十Pa量级的总压降。注意:cPSD与一定时间序列内的压力变化之间的关系,遵循Stoke定律。
四、 仪器测量实际土壤
 
左图:悬浮液20cm处,适合时间序列内的压力变化。土壤取自德国,质量为40g。整个测量过程,是通过仪器PARIO进行的。测量结果非常好,误差只有0.05Pa。右图:cPSD(红线)是通过仪器内置模型,PSDFIT软件分析压力数据得到的。95%的可靠区间,使用灰色的栅格状表示的,但是太窄,不容易看出来。这也意味着非常小的测量错误。注意:63μm、200μm和630μm处,我们认为累积粒径分布是独立测量得到的,并在目标函数中,充作添加数据。我们必须稳定相反的问题,因为实验没有提供沙区的PSD信息。这种劣势,对密度计法来说,不是很显著。但是他影响着其他测量方法,如比重法等。

五、 结论

1、 一种新的方法,可以持续不断的从沉降实验中得到PSD
2、 这种方法得到了模拟数据以及真实PSD数据的验证。
3、 PARIO仪器,可以进行自动测量,并拥有着计算软件PSDFIT。
4、 我们的方法可以使实现自动测量,拒绝人为干扰。这可以避免人为干扰导致的数据不准确。