9.2 实验原理
当土壤表面有积水时，入渗的初始阶段受土壤毛细管作用控制，随着时间的延长，水源大小和几何形状以及重力均影响入渗速率。对于均质土壤，入渗速率最终会达到稳定值，这一稳定速率是由毛细管、重力、积水面积及水压力大小所控制。
盘式入渗仪又称负压式入渗仪，是用于测量非饱和导水率、吸渗率、宏观毛管上升高度等土壤水动力参数的仪器，适用于野外实地监测和室内测量，具有不破坏土样、便于野外操作、省时、省力、计算精度高等优点。其原理是利用负压管为储水管提供一个稳定的负压，通过一个圆盘界面对土壤进行负压入渗。实验时通过调节负压大小，记录累积入渗时间和累积入渗量，然后分析得到所需的土壤水动力参数。根据研究，可以通过改变盘式入渗仪上面压力的大小，计算出土壤孔隙的大小[1]。
1988年Perroux等首次利用盘式入渗仪进行了非饱和界面的入渗研究。Ankeny等研究了盘式入渗仪的自动监控系统[2]，该系统在储水管的底部和上部安装了两个传感器。缺点是对两个传感器分别进行标定时会引起一定的误差[3]。2002年，Casey和Derby对Ankeny等的装置进行了改进[4]，用一个差分传感器代替两个传感器，测量和精度提高了两个数量级[3]。2003年，Schwart和Evett将TDR应用于盘式入渗仪，使得测量精度进一步提高[5]。2011年，林琳等设计了用差压传感器的自动记录盘式入渗仪，该仪器主要采用传感器和TDR两种方法记录储水管中的水位变化，设计了采集系统和记录系统[6]。
对盘式入渗仪的入渗模型，前人也做了大量的研究。文献[7]比较分析了Whiteand和Sully、Hussen和Warruck、Ankeny等、Zhang的入渗模型。其中Whiteand和Sully的入渗模型是1987年提出的，该模型假定稳定负压对应的导水率K=0，推导出了用单个圆盘渗透仪的单个吸力入渗数据计算土壤导水的参数，但该模型最困难的事情是确定稳态入渗率。1993年，Hussen和Warruck提出了一个入渗模型的经验公式，通过实验可以确定3个未知数，即土壤的吸水系数、稳态入渗量和常数。1991年，Ankeny等推导了用相同盘径同一地点两个或两个吸力以上的入渗数据计算土壤导水参数的方法，该模型为线性方程组，结构简单，计算方便，但在计算水力传导度时会遇到稳态入渗时间无法确定的问题。1997年和1998年，Zhang提出了利用单个盘、两个或两个以上吸力任意时刻的入渗数据计算该条件下的土壤导水参数，其中1997年提出的公式形式与Philip的垂直入渗公式相似，但式中的系数S和A用c1和c2代替。文献[7]比较分析后认为，Whiteand和Sully的入渗模型不适合用于田间入渗数据的计算；Hussen和Warruck的入渗模型参数较多，在计算中会遇到收敛性问题；Ankeny等的入渗模型对稳定入渗时间的确定以及宏观毛管上升高度的估算存在不确定因素的问题；Zhang的入渗模型不能较准确地确定土壤毛管上升高度，在计算时需对该入渗模型进行改进。
文献[8]列举了3个入渗模型，即Philip一维入渗公式、Haverkamp三维入渗公式和Vandervaere入渗模型。
Philip一维入渗模型为
式中：F（t）为一定供水压力下的累积入渗量；t为吸渗时间；S为一定供水压力下的吸渗率。
Haverkamp入渗模型在形式上与Philip的垂直入渗公式一样，即
式中：A为稳渗率。
Haverkamp给出了A的经验公式为
式中：K为土壤的非饱和导水率；r为圆盘半径；θ0为初始体积含水量；θs为最终体积含水量。
对式（9.2）求导数得Haverkamp三维入渗率的改进式为
Vandervaere入渗模型为[8][9]
式中：F（c）和tc为湿润接触沙层所需的水量和时间。
对式（9.5）中的时间
求导数得(https://www.daowen.com)
因为随着渗吸时间的增加，tc相对于t变得越来越小，可以忽略不计，则
文献[10]介绍了当表面有一半径为r的圆形积水，水势为ψ0，稳定入渗量Q的计算方法，即
式中：Q为累积总入渗量；r的圆盘半径；K0为水势ψ0时的土壤导水率；Kn为初始土壤水势ψn时的土壤导水率；ψm为基质势。
许多实验结果证明该公式适用于较长时间入渗过程的情况。
对于相对较干的土壤，Kn远小于K0，可以忽略。基质势ψm与导水率的关系为
式中：λc为宏观毛管上升高度或平均孔隙长度。λc越大，相对于重力而言，毛细管对入渗的影响就越大。
λc与土壤吸渗率和导水率有关，其经验表达式为[11]
式中：b为常数，其值为0.5～0.785，对于大田土壤，b的平均值为0.55。
将式（9.9）、式（9.10）代入式（9.8），忽略Kn得
由式（9.11）解出K0得
在圆盘入渗初期，毛管力控制的入渗与积水面积（圆盘面积）大小无关，在较短的入渗期内，近似为一维入渗，这样，累积入渗量与土壤吸渗率以及时间有以下关系
式中：t为入渗时间。