大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置的製作方法
2023-05-08 04:07:11
專利名稱：大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明提供了一種大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，主要用於模擬不同補排條件下的土壤水流與溶質運移過程，屬於水文地質研究領域。
背景技術：
我國的可耕地面積不斷減少，近年來由於不良灌溉和淡水缺乏，更是使土壤發生嚴重的次生鹽鹼化，威脅著農業的可持續發展，更是威脅著我國21世紀14億人口的糧食需求。當前農業生產上的重要問題一洗鹽和防止鹽分積累、調控土壤水鹽以適應作物的要求、土壤養分的保持等則是這一問題的核心之一。要理解這一核心問題，不同補排條件的土壤水流與溶質運移的研究就顯得尤為重要。它既是研究土壤鹽潰化發生和改良的理論基礎，又是乾旱、半乾旱地區農業和生態環境、地質環境保護及國土整治的主要理論依據之一。作為此類問題的重要研究方法，室內物理模擬儀具有很多優點，做為物理模擬的主要工具，地下水模擬裝置影響著物理模擬研究領域的發展，近年來，國內外湧現了一大批這類的
>J-U裝直。例如，由前人研製的室內一維土柱，它可以模擬包氣帶土壤非飽和滲流，能模擬一維水動力彌散，但是該儀器只能模擬一維流動；又如由前人研製的地下水汙染模擬槽，該裝置可以模擬多個含水層的溶質運移過程，也可以模擬二維土壤水流，但是其尺寸太小，不能完全模擬野外實際情況，不能進行多種參數的同時在線監測。從前人的研究中反映出目前的包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置存在如下幾個缺陷1、尺度小，其邊壁對土壤水流與溶質運移過程影響大，使得試驗缺乏代表性，也很難滿足模型的邊界條件；2、滲流場太小，不能模擬複雜的包氣帶水文地質條件，不能較準確的反映野外真實地質條件；3、不能做到多種參數的同時測定和在線監測；4、不能對非飽和帶滲流和溶質運移同時進行模擬研究。近年來，各個領域都嘗試運用物理模擬方法分析解決實際問題，而包氣帶土壤非飽和滲流是研究和解決包氣帶水文地質環境地質問題的核心理論基礎，構建更接近野外真實水文地質條件的大尺度複雜物理模型是包氣帶水文地質學物理模擬發展的趨勢。
發明內容
本發明提供了一種大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，不僅解決了上述現有技術中的不足，而且其測定方便，誤差小。實現本發明上述目的所採用的技術方案為一種大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，至少包括試驗土槽、補排系統和測量系統，試驗土槽內部盛裝有試驗土壤，所述的補排系統包括側向補排單元、底部補排單元以及頂部補排單元，側向補排單元由分別安裝於試驗土槽兩側壁上的補水裝置和排水裝置組成，其中補水裝置和排水裝置均包括水槽、濾網和水箱，濾網位於試驗土槽內且與試驗土壤接觸，水槽位於濾網和試驗土槽的內壁之間，水箱安裝於試驗土槽的外壁上且其高度能夠進行調節，水箱通過水管與水槽連通；底部補排單元包括通水管和連接管，通水管的兩端分別設有進水開關和出水開關，連接管至少設有一根，連接管的一端與通水管連通，連接管的另一端與試驗土槽的底部連通；頂部補排單元包括降雨裝置、蒸發裝置以及積水入滲裝置，降雨裝置包括降雨水箱和覆蓋於試驗土槽上方的降雨器，降雨水箱通過水管與降雨器連通；蒸發裝置包括位於試驗土槽上方的燈座、導線以及安裝於燈座上的紅外燈；測量系統包括土壤溶質測量單元、土壤水分測量單元、土壤水勢測量單元和地下水位測量單元。試驗土槽呈長方體狀，由鐵板焊接而成。補水裝置和排水裝置上的水箱均通過升降架安裝於試驗土槽的側壁上，所述的升降架固定於試驗土槽的側壁上。 底部補排單元中的連接管設有兩根，底部補排單元上還設有平衡層，平衡層位於試驗土槽的底部，平衡層的上方設有濾網，平衡層通過濾網與試驗土壤接觸，所述的平衡層由沙石組成，且沙石的粒徑由上至下逐漸增大。降雨器由有機玻璃製成，降雨器的底板上均勻的設有出水針頭；降雨裝置中還包括有升降杆，降雨水箱安裝於升降杆上。積水入滲裝置包括升降杆、入滲水箱、流量計、入滲開關以及量筒，入滲水箱安裝於升降杆上，入滲水箱通過水管與試驗土槽上的滲水入口連通，水管上設有流量計和入滲開關，量筒位於試驗土槽上的滲水出口的下方，所述的滲水入口和滲水出口均位於試驗土壤的上表面的上方。所述的土壤溶質測量單元包括溶質成分測量裝置和溶液濃度測量裝置，溶質成分測量裝置主要由土壤溶液取樣器和化學分析儀器組成；土壤溶液取樣器由吸杯、採樣瓶、緩衝瓶和真空泵組成，四者通過矽膠管依次連接；所述的吸杯由陶瓷頭和聚酯管組成，陶瓷頭位於試驗土壤的內部，聚酯管穿過試驗土槽的側壁與矽膠管連通，聚酯管與試驗土槽的接觸部位採用橡膠圈密封；溶液濃度測量裝置由位於試驗土壤內部的鹽分傳感器以及通過導線與鹽分傳感器連接的電導率儀組成。土壤水分測量單元由電阻法測量裝置和中子散射法測量裝置組成，其中電阻法測量裝置由石膏塊和水分測定儀組成，石膏塊均勻分布於試驗土壤中，水分測定儀通過導線與石膏塊連接；中子散射法測量裝置包括土壤水分中子儀和測管組成，測管設有三根，均勻分布於試驗土槽內。土壤水勢測量單元包括張力計管、電子張力計、壓力傳感器以及數據採集儀，張力計管的首段穿過試驗土槽的側壁埋填於試驗土壤中，且張力計管的首端為多孔的陶瓷頭，張力計管的尾端設有兩個連接口，其中一個連接口與壓力傳感器連接，壓力傳感器與數據採集儀連接；另一連接口上設有橡膠塞，電子張力計上的探針能夠穿過橡膠塞進入張力計管內直接測量張力。地下水位測量單元包括均勻的安裝於試驗土槽底部的5根測壓管，測壓管的一端位於試驗土槽的內部。本發明提供的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置有以下優點1、有助於研究者更好的理解包氣帶非飽和滲流實驗中的相關概念和溶質運移等理論，在試驗過程中通過改變實驗條件可以提高研究者的動手能力。2、在實際運用中可以測定土體的滲透係數和彌散係數等，並可研究不同灌溉方法對土壤性質的影響。3、在科研中可深入研究不同溶液淋濾對土壤結構的影響、壤中流對包氣帶土體和地下水的影響，還可適用於包氣帶水文學的相關領域中的參數測定，如水汙染評價、海水入侵、節水灌溉等。總之，該儀器具有廣泛的應用前景和繼續開發的功能。
圖I為本發明提供的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置的整體結構示意圖；
圖2為側向補排單元的結構示意圖；圖3為底部補排單元的結構示意圖；圖4為降雨裝置的結構示意圖；圖5為積水入滲裝置的結構示意圖；圖6為土壤溶液取樣器的結構示意圖；圖中1_試驗土槽，2-補水裝置，3-排水裝置，4-水槽，5-水箱，6-升降架，7-底部補排單元，8-通水管，9-連接管，10-平衡層，11-濾網，12-降雨裝置，13-降雨器，14-降雨水箱，15-升降杆，16-蒸發裝置，17-紅外燈，18-燈座，19-導線，20-積水入滲裝置，21- A滲水箱，22-流量計，23-量筒，24-測壓管，25-土壤溶液取樣器，26-吸杯，27-採樣瓶，28-緩衝瓶，29-真空泵，30-地下水位測量單元，31-電導率儀，32-電阻法測量裝置，33-中子散射法測量裝置，34-石膏塊，35-水分測定儀，36-土壤水分中子儀，37-測管，38-土壤水勢測量單元，39-張力計管，40-電子張力計，41-壓力傳感器，42-數據採集儀。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做詳細具體的說明。本發明提供的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置的整體結構示意圖如圖I所示，至少包括試驗土槽I、補排系統和測量系統，試驗土槽I呈長方體狀，由0. 5cm厚的鐵板焊接而成，長方體狀的實驗土槽的長、寬、高分別為3m、lm、4m。試驗土槽I內部盛裝有試驗土壤，試驗介質選取長江河漫灘的鬆散沉積物，將試驗土壤中的雜質篩除，然後分層裝入土槽並壓實，每層厚度10 20cm,總共裝土厚度為3. 6m。補排系統包括側向補排單元、底部補排單元7以及頂部補排單元，側向補排單元由分別安裝於試驗土槽I兩側壁上的補水裝置2和排水裝置3組成，其結構如圖2所示。其中補水裝置2和排水裝置3均包括水槽4和水箱5，水箱5均通過升降架6安裝於試驗土槽I的外壁上且其高度能夠進行調節，水箱5通過水管與水槽4連通；所述的升降架6固定於試驗土槽I的側壁上，水槽4呈狹長狀，由試驗土槽I的內壁和濾網11包夾而成，且水槽4的內側通過濾網11與試驗土壤接觸。左側的水槽用來模擬給水河渠，右側的水槽模擬排水河渠；左側的水箱5用於穩定給水河渠的水位，右側的水箱5用於穩定排水河渠的水位；升降架6可自由升降水箱5，用於改變試驗土槽I兩側的水位；濾網11主要是保證水分進入和排出土壤時不破壞土壤結構以保證土壤的穩定性。底部補排單元7的結構如圖3所示，包括通水管8和連接管9，通水管8的兩端分別設有進水開關和出水開關，連接管9至少設有一根，本實施例中連接管9設有兩根。連接管9的一端與通水管8連通，連接管9的另一端與試驗土槽I的底部連通；底部補排單元7上還設有平衡層10，平衡層10位於試驗土槽I的底部，平衡層10的上方設有濾網11，平衡層10通過濾網11與試驗土壤接觸，所述的平衡層10由沙石組成，且沙石的粒徑由上至下逐漸增大。平衡層10的作用是補排水時保證水位的水平升降，平衡層10由上至下依次為粗砂、碌粒、碎石，碎石層的厚度為IOcm,碎石的粒徑為2 IOcm ;碌粒層的厚度為5cm,石樂粒的粒徑為0. 2 2cm ;粗砂層的厚度為5cm,粗砂的粒徑為0. 05 0. 2cm。當進水開關、排水開關都關閉時，底部補排單元7不進行補排水；當進水開關開啟，排水開關關閉時，底部補排單元7進水；當進水開關關閉，排水開關開啟時，底部補排單元7排水。濾網11的作用在於水分進入、排出土壤時不破壞土壤結構。
頂部補排單元包括降雨裝置12、蒸發裝置16以及積水入滲裝置20，所述的降雨裝置12的結構如圖4所示，包括降雨水箱14和覆蓋於試驗土槽I上方的降雨器13，降雨水箱14通過水管與降雨器13連通。降雨器13由有機玻璃製成，其寬lm、長3m。降雨器13的底板上均勻的設有7500個出水針頭；降雨裝置12中還包括有升降杆15，降雨水箱14安裝於升降杆15上並且降雨水箱14的高度能夠調節。降雨水箱14的作用在於為降雨器13提供一個穩定的水流，通過調節降雨水箱14在升降杆15上的高度來調節不同水面高度，以達到改變降雨強度的目的。蒸發裝置16包括位於試驗土槽I上方的燈座18、導線19以及安裝於燈座18上的紅外燈17 ;蒸發裝置16主要模擬土表不同蒸發強度下的排洩條件。利用紅外燈17模擬太陽輻射，輻射強度由可調壓變壓器調節。積水入滲裝置20的結構如圖5所示，包括升降杆15、入滲水箱21、流量計22、入滲開關以及量筒23，入滲水箱21安裝於升降杆15上且其高度能夠調節，入滲水箱21通過水管與試驗土槽I上的滲水入口連通，水管上設有流量計22和入滲開關，量筒23位於試驗土槽I上的滲水出口的下方,所述的滲水入口和滲水出口均位於試驗土壤的上表面的上方。積水入滲裝置20主要模擬漫灌補給條件，其功能在於在試驗土壤的上表面上建立一個穩定水深的水層，並能連續供水和測定下滲水量。流量計22用來測量進水流量；入滲水箱21的作用在於提供一個穩定的水位，以保證水穩定地流入試驗土槽1，同時保證流量計22的準確性和可靠性；通過升降杆15可調整入滲水箱21的高度，以調節水的流速；量筒23用來量測漫灌時的溢出量。測量系統包括土壤溶質測量單元、土壤水分測量單元、土壤水勢測量單元38和地下水位測量單元30。所述的土壤溶質測量單元包括溶質成分測量裝置和溶液濃度測量裝置，溶質成分測量裝置主要由土壤溶液取樣器25和化學分析儀器組成；土壤溶液取樣器25的結構如圖6所示，由吸杯26、採樣瓶27、緩衝瓶28和真空泵29組成，四者通過矽膠管依次連接；所述的吸杯26由陶瓷頭和聚酯管組成，陶瓷頭位於試驗土壤的內部，聚酯管穿過試驗土槽I的側壁與矽膠管連通，為了防止水分沿取樣器周圍滲出，聚酯管與試驗土槽I的接觸部位採用橡膠圈密封；本實施例中，聚酯管共安裝有30根。採樣時由真空泵29對系統施加一定的負壓(通常< 50kPa)，當吸杯26內的毛管壓力小於土壤毛管壓力時，試驗土壤中的溶液就被吸入吸杯26，直到兩者相等為止。把採樣瓶27中獲得的土壤溶液取出，由化學分析儀器測定其成分。溶液濃度測量裝置由位於試驗土壤內部的鹽分傳感器以及通過導線與鹽分傳感器連接的電導率儀31組成。採用在試驗土壤內預埋接觸式鹽分傳感器，根據不同濃度土壤溶液的導電性能不同，測定其電導值，再經過標定方程的轉換後，即可給出土壤溶液濃度結果。在本實施例中，鹽分傳感器隨試驗土壤的分層填入而埋入，共計埋設60個。在測量時，把導線連接到電導率儀31上，從電導率儀31上讀取數值，經標定公式轉換即可獲得該鹽分傳感器所處位置處試驗土壤的溶液濃度。土壤水分測量單元由電阻法測量裝置32和中子散射法測量裝置33組成，其中電阻法測量裝置32由石膏塊34和水分測定儀35組成，石膏塊34均勻分布於試驗土壤中，共設有48塊，水分測定儀35通過導線與石膏塊34連接；在使用前水分測定儀35須校準。測量時，把要測量的石膏塊34與水分測定儀35連接，經過計算轉化，即可獲得石膏塊34所處位置的土壤含水量。中子散射法測量裝置33包括土壤水分中子儀36和測管37組成，測管37設有三 根，測管37在填試驗土壤前進行定位，三根測管37排成一排，均勻分布於試驗土槽I內，測管37的長度為4m。測量前，進行現場標定。測量時，打開土壤水分中子儀36，使用土壤水分中子儀36獲得測量結果。土壤水勢測量單元38的功能主要是監測土槽內土壤在試驗進行時的孔隙水壓力變化。土壤水勢測量單元38包括張力計管39、電子張力計40、壓力傳感器41以及數據採集儀42，張力計管39共設有60根，張力計管39的首段穿過試驗土槽I的側壁埋填於試驗土壤中，且張力計管39的首端為多孔的陶瓷頭，張力計管39的尾端設有兩個連接口，其中一個連接口與壓力傳感器41連接，壓力傳感器41與數據採集儀42連接；另一連接口上設有橡膠塞，電子張力計40上的探針能夠穿過橡膠塞進入張力計管39內直接測量張力。本發明中土壤水勢測量單元38的工作與植物根系從土壤中吸收水分相似的原理，當土壤中的水分減少、水勢降低時，埋置在土壤中的張力計管39中的水分會從多孔的陶瓷頭滲出，此時張力計管39中形成一定的真空度，通過測量張力計管39中的真空度，就可以反映出試驗土壤中水勢的變化。測量試驗土壤水勢時，電子張力計40的探針插入橡膠塞進入張力計中量取被測值。另外，把壓力傳感器41連接到數據採集儀42上，該數據採集儀42能夠按照設定的時間間隔自動記錄土壤中各位置的水勢。如果再把數據採集儀42連接到計算機上，即可在計算機上實時監測土槽內不同位置的土壤水勢。地下水位測量單元30用來確定試驗土槽I內的水頭分布狀況，地下水位測量單元30包括5根測壓管24，測壓管24均勻的安裝於試驗土槽的底部且測壓管24的一端位於試驗土槽I的內部。本發明中，還可以通過觀察側向補排單元中水箱5的水位觀察到試驗土槽I內的水頭分布狀況。
權利要求
1.一種大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於至少包括試驗土槽、補排系統和測量系統，試驗土槽內部盛裝有試驗土壤，所述的補排系統包括側向補排單元、底部補排單元以及頂部補排單元，側向補排單元由分別安裝於試驗土槽兩側壁上的補水裝置和排水裝置組成，其中補水裝置和排水裝置均包括水槽、濾網和水箱，濾網位於試驗土槽內且與試驗土壤接觸，水槽位於濾網和試驗土槽的內壁之間，水箱安裝於試驗土槽的外壁上且其高度能夠進行調節，水箱通過水管與水槽連通；底部補排單元包括通水管和連接管，通水管的兩端分別設有進水開關和出水開關，連接管至少設有一根，連接管的一端與通水管連通，連接管的另一端與試驗土槽的底部連通；頂部補排單元包括降雨裝置、蒸發裝置以及積水入滲裝置，降雨裝置包括降雨水箱和覆蓋於試驗土槽上方的降雨器，降雨水箱通過水管與降雨器連通；蒸發裝置包括位於試驗土槽上方的燈座、導線以及安裝於燈座上的紅外燈；測量系統包括土壤溶質測量單元、土壤水分測量單元、土壤水勢測量單元和地下水位測量單元。
2.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於試驗土槽呈長方體狀，由鐵板焊接而成。
3.根據權利要求I或2所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於補水裝置和排水裝置上的水箱均通過升降架安裝於試驗土槽的側壁上，所述的升降架固定於試驗土槽的側壁上。
4.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於底部補排單元中的連接管設有兩根，底部補排單元上還設有平衡層，平衡層位於試驗土槽的底部，平衡層的上方設有濾網，平衡層通過濾網與試驗土壤接觸，所述的平衡層由沙石組成，且沙石的粒徑由上至下逐漸增大。
5.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於降雨器由有機玻璃製成，降雨器的底板上均勻的設有出水針頭；降雨裝置中還包括有升降杆，降雨水箱安裝於升降杆上。
6.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於積水入滲裝置包括升降杆、入滲水箱、流量計、入滲開關以及量筒，入滲水箱安裝於升降杆上，入滲水箱通過水管與試驗土槽上的滲水入口連通，水管上設有流量計和入滲開關，量筒位於試驗土槽上的滲水出口的下方，所述的滲水入口和滲水出口均位於試驗土壤的上表面的上方。
7.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於所述的土壤溶質測量單元包括溶質成分測量裝置和溶液濃度測量裝置，溶質成分測量裝置主要由土壤溶液取樣器和化學分析儀器組成；土壤溶液取樣器由吸杯、採樣瓶、緩衝瓶和真空泵組成，四者通過矽膠管依次連接；所述的吸杯由陶瓷頭和聚酯管組成，陶瓷頭位於試驗土壤的內部，聚酯管穿過試驗土槽的側壁與矽膠管連通，聚酯管與試驗土槽的接觸部位採用橡膠圈密封；溶液濃度測量裝置由位於試驗土壤內部的鹽分傳感器以及通過導線與鹽分傳感器連接的電導率儀組成。
8.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於土壤水分測量單元由電阻法測量裝置和中子散射法測量裝置組成，其中電阻法測量裝置由石膏塊和水分測定儀組成，石膏塊均勻分布於試驗土壤中，水分測定儀通過導線與石膏塊連接；中子散射法測量裝置包括土壤水分中子儀和測管組成，測管設有三根，均勻分布於試驗土槽內。
9.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於土壤水勢測量單元包括張力計管、電子張力計、壓力傳感器以及數據採集儀，張力計管的首段穿過試驗土槽的側壁埋填於試驗土壤中，且張力計管的首端為多孔的陶瓷頭，張力計管的尾端設有兩個連接口，其中一個連接口與壓力傳感器連接，壓力傳感器與數據採集儀連接；另一連接口上設有橡膠塞，電子張力計上的探針能夠穿過橡膠塞進入張力計管內直接測量張力。
10.根據權利要求I所述的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，其特徵在於地下水位測量單元包括均勻的安裝於試驗土槽底部的5根測壓管，測壓管的一端位於試驗土槽的內部。
全文摘要
本發明提供了一種大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置，包括試驗土槽、補排系統和測量系統，試驗土槽內部盛裝有試驗土壤，所述的補排系統包括側向補排單元、底部補排單元以及頂部補排單元，側向補排單元由分別安裝於試驗土槽兩側壁上的補水裝置和排水裝置組成；底部補排單元包括通水管和連接管；頂部補排單元包括降雨裝置、蒸發裝置以及積水入滲裝置；測量系統包括土壤溶質測量單元、土壤水分測量單元、土壤水勢測量單元和地下水位測量單元。本發明提供的大型包氣帶土壤非飽和滲流物理模擬裝置不僅能夠充分模擬包氣帶土壤中的各種狀況，而且其測定方便、誤差小。
文檔編號G01N33/24GK102636630SQ201210087898
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者和澤康, 彭浩, 沈仲智, 靳孟貴, 馬傳明 申請人:中國地質大學(武漢)