模擬地下水的非飽和供水裝置的製作方法
2023-04-24 06:47:31
專利名稱：模擬地下水的非飽和供水裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用於模擬地下水埋深控制性試驗的模擬地下水的供水裝置，尤其涉及一種模擬地下水的非飽和供水裝置，屬於土壤物理學領域。
背景技術：
農業面源汙染、農田生態系統中潛水利用以及土壤鹽漬化等日益受到世界各國的關注，許多學者都針對這些問題進行了大量研究。在地下水淺埋地區，潛水蒸發是農田生態系統水循環的重要組成部分，也是地下水的主要排洩方式之一；反過來，作物通過消耗地下水也影響著地下水埋深。地下水埋深對於農業面源汙染和土壤鹽漬化也起著非常重要的作用。因此，模擬地下水埋深的控制性試驗得到了廣泛應用。然而，在模擬不同地下水埋深情況的科研試驗中，目前普遍採用的是飽和供水方式，這必然要求試驗土柱高度必須大於最大地下水埋深，從而使實際應用的試驗土柱高度較高，成本較大，操作不便；或者使埋深設置範圍受到極大限制，尤其是在農田生態系統潛水蒸發利用的科學研究中，為了模擬地下水較大埋深情況，需要在野外開挖較深G 5m)的地下室，但科研試驗通常僅關心作物根區(1 2m) 土壤水分分布及蒸散發情況。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種模擬地下水的非飽和供水裝置，用於解決目前在模擬不同地下水埋深情況的科研試驗中，普遍採用的飽和供水方式存在的試驗土柱高度較高或埋深設置範圍受限的問題。為了實現上述目的，本實用新型提供的模擬地下水的非飽和供水裝置包括土壤存儲器、儲水器、水壓調節器、壓力差傳感器、土壤水分傳感器、數據處理單元。土壤存儲器用於填入試驗土柱，所述土壤存儲器的底部設有進水閥；儲水器呈封閉結構，用於向所述土壤存儲器供水，所述儲水器的底部設有出水閥和底部進氣閥，所述儲水器的頂部設有頂部進氣閥，所述出水閥通過管道連接於所述進水閥；水壓調節器呈封閉結構，用於儲水以調節所述儲水器中的壓力，所述水壓調節器的頂部設有排氣閥，所述水壓調節器的側面設有水壓調節進氣閥，所述排氣閥管道連接於所述底部進氣閥；壓力差傳感器用於測定所述儲水器上下兩端的壓力差，所述壓力差傳感器的高壓端連接於所述底部進氣閥，所述壓力差傳感器的低壓端連接於所述頂部進氣閥；土壤水分傳感器設於所述土壤存儲器的側壁且插入試驗土柱中，用於檢測試驗土柱的水分；數據處理單元和所述壓力差傳感器和所述土壤水分傳感器連接，用於根據設定的時間間隔自動採集、存儲和顯示試驗土柱剖面含水量數據和供水量數據。在上述模擬地下水的非飽和供水裝置的一種優選實施方式中，所述土壤存儲器的底層為用於填入顆粒物的緩衝區。在上述模擬地下水的非飽和供水裝置的一種優選實施方式中，所述水壓調節器的側面設有多個位於不同高度的水壓調節進氣閥。[0007]在上述模擬地下水的非飽和供水裝置的一種優選實施方式中，所述土壤水分傳感器為多個，且所述多個土壤水分傳感器分別設於所述土壤存儲器的側壁的不同高度。本實用新型的土壤存儲器填入試驗土柱之後，可以在試驗土柱底部或者其優選實施方式的緩衝區形成一個水勢張力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不斷從緩衝區進入土壤並向上傳輸，從而實現非飽和自動供水，模擬實際地下水埋深並測定水分變化過程，試驗過程所應用的試驗土柱體積也較小，成本較低。此外，本實用新型的數據處理單元可以自動記錄土壤剖面水分變化過程，時間間隔可自由設定為不同間隔。
圖1為本實用新型優選實施例的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進一步詳細說明。在詳細描述本實用新型之前，簡單說明一下「飽和」和「非飽和」的概念，二者為土壤物理學術語，土壤中所有孔隙都充滿水即為「飽和」。土壤中部分孔隙有水為「非飽和」。 現有底部供水裝置的出水端的水為自由水，因此接觸供水端的土壤先達到飽和後，土壤中水分再向上擴散。本實用新型的出水端水壓小於大氣壓(也稱負壓)，接觸供水端土壤未達到飽和(非飽和)，依靠土壤的吸力將水吸入土壤中，然後再向上擴散。圖1示意性的示出了本實用新型優選實施例的結構，如其所示，本實用新型優選實施例包括水壓調節器1、壓力差傳感器2、儲水器3、土壤存儲器4、土壤水分傳感器5、數據處理單元6。需要補充說明的是，為了簡化附圖，圖1未示出連接壓力差傳感器2和數據處理單元6的信號傳輸線路。土壤存儲器4用於填入試驗土柱41以及在其底部填入顆粒物，例如顆粒直徑達 5mm、厚度達6cm的礫石層，以形成緩衝區42，儲水器3中的水分通過管道進入由粗砂填充的緩衝區42，可以快速擴散充滿整個緩衝區，這樣可以保證試驗土柱41整個下底面完全與水面接觸，達到均勻供水。在本優選實施例中，土壤存儲器4可以由長為130cm、內徑為20cm 的有機玻璃管和一直徑達25cm的有機玻璃圓底組成，有機玻璃圓底和有機玻璃管的結合處外圍均勻塗抹凡士林後用螺絲緊固，以防止漏水。土壤存儲器4的底部設有進水閥43，頂部呈開放結構。進水閥43的高度對應於緩衝區42，水流經由進水閥43進入緩衝區42之後，在緩衝區42形成一個水勢張力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不斷從緩衝區42進入試驗土柱41並向上傳輸，從而本優選實施例實現非飽和自動供水，模擬實際地下水埋深並藉助多個設於土壤存儲器4側壁的土壤水分傳感器5測定水分變化過程。儲水器3呈封閉結構，優選柱狀結構，用於向土壤存儲器4的緩衝區42供水，其主體結構也可以由透明的有機玻璃管制成，該有機玻璃管的上下端部都密封，在側壁或頂部打穿透孔設置相關部件，以作進水、出水、進氣、排氣之用。儲水器3的底部設有出水閥33 和底部進氣閥32，儲水器3的頂部設有頂部進氣閥31，出水閥33通過管道連接於土壤存儲器4的進水閥43。水壓調節器1也呈封閉結構，優選柱狀結構，可以由透明的有機玻璃製成，用於在注水之後調節儲水器3向緩衝區42供水的壓力，水壓調節器1的頂部設有排氣閥12，水壓調節器1的側面設有多個位於不同高度的水壓調節進氣閥11，排氣閥12管道連接於儲水器 3的底部進氣閥32，連接排氣閥12和底部進氣閥32的管道可以為橡膠軟管，橡膠軟管以空氣作為傳遞壓力的介質。在本優選實施例的電器件中，壓力差傳感器2用於實現儲水器3供水水量的自動測定，並將檢測的數據發送至數據採集單元6以進行記錄、顯示或存儲。壓力差傳感器2是通過測定儲水器3上下兩端的壓力差獲取其供水水量。壓力差傳感器2的高壓端22連接於儲水器3的底部進氣閥32，壓力差傳感器2的低壓端21連接於儲水器3的頂部進氣閥 31。多個土壤水分傳感器5分別設於土壤存儲器4側壁的不同高度，用於檢測試驗土柱41 在不同高度的水分。數據處理單元6包括用於顯示其數據處理結果或運行參數的顯示單元 61、用於輸入控制指令的輸入單元62，數據處理單元6與壓力差傳感器2、多個土壤水分傳感器5分別連接，用於按照設定時間間隔自動採集試驗土柱41的剖面含水量數據(由土壤水分傳感器5測得)和儲水器3的水位變化數據(由壓力差傳感器2測得)。本實用新型的數據採集單元可以為通用集成電路，也可以為專用集成電路，例如其可以選用CR200數據採集器。本優選實施例調節供水壓力的根據為壓力平衡和傳遞原理相互連通的水體在同一水平面的水壓處處相等，與大氣接觸的自由水面處水壓與大氣壓力相等。該裝置正常工作狀態下，水壓調節器1在某個高度的進氣閥11打開，該進氣閥11高度處水壓等於大氣壓力，並且整個裝置系統壓力保持平衡。當緩衝區42水分由於土壤張力被吸入土壤並向上傳輸後，緩衝區42水壓降低，導致整個裝置系統壓力失衡，外界大氣經進氣閥11進入水壓調節器1中，繼而經進氣閥32進入儲水器3中。進入儲水器3中的氣泡上升到儲水器3上部後，儲水器3上部密閉空氣壓力增大，則儲水器3中的水分經出水閥33補充進入緩衝區42 中，系統壓力重新達到平衡。這一過程持續、動態進行，直到土壤中水勢達到平衡。供水過程中進入土壤的水的壓力小於大氣壓力，因此為非飽和供水。通過打開或關閉水壓調節器 1的不同高度的進氣閥11，可以實現不同負壓(小於大氣壓)情況下的非飽和自動供水。在應用本優選實施例時，將試驗土壤風乾後過Imm 土壤篩，按照一定的容重IOcm 一層分層裝填入土壤存儲器4形成試驗土柱41，將進水閥43通過橡膠軟管連接到儲水器3 的出水閥33，將土壤水分傳感器5插入試驗土柱41，並打開數據處理單元6，將水壓調節器 1的排氣閥12通過橡膠軟管連接到儲水器3的底部進氣閥32，調節水壓調節器1中的水位設定好供水水壓。打開儲水器3的出水閥33，初始階段打開頂部進氣閥31，待試驗土柱41 的緩衝區42內完全充滿水後，關閉頂部進氣閥31，打開水壓調節器1的進氣閥11，開始非飽和供水。供水過程持續時間根據儲水器3中水量和試驗具體要求設定。數據處理單元6 自動採集試驗土柱41的土壤剖面含水量數據並存儲，或者根據需要進行顯示。綜上所述，本實用新型通過在試驗土柱底部緩衝區形成一個水勢張力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不斷從緩衝區進入土壤並向上傳輸，實現非飽和自動供水，模擬實際地下水埋深並測定水分變化過程；並且利用了水壓可調的供水系統，在縮減試驗土柱體積的同時，實現了模擬地下水不同埋深自動為試驗土柱供水以及自動記錄土壤剖面水分變化過程的有益效果。由技術常識可知，本實用新型可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特徵的實施方案來實現。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，並不是僅有
5的。所有在本實用新型範圍內或在等同於本實用新型的範圍內的改變均被本實用新型包含。
權利要求1.一種模擬地下水的非飽和供水裝置，其特徵在於，包括土壤存儲器，用於填入試驗土柱，所述土壤存儲器的底部設有進水閥；儲水器，呈封閉結構，用於向所述土壤存儲器供水，所述儲水器的底部設有出水閥和底部進氣閥，所述儲水器的頂部設有頂部進氣閥，所述出水閥通過管道連接於所述進水閥；水壓調節器，呈封閉結構，用於注水後調節所述儲水器的供水壓力，所述水壓調節器的頂部設有排氣閥，所述水壓調節器的側面設有水壓調節進氣閥，所述排氣閥管道連接於所述底部進氣閥；壓力差傳感器，用於測定所述儲水器上下兩端的壓力差，所述壓力差傳感器的高壓端連接於所述底部進氣閥，所述壓力差傳感器的低壓端連接於所述頂部進氣閥；土壤水分傳感器，設於所述土壤存儲器的側壁且插入試驗土柱中，用於檢測試驗土柱的土壤含水量；數據處理單元，和所述壓力差傳感器和所述土壤水分傳感器連接，用於根據設定的時間間隔自動採集、存儲和顯示試驗土柱剖面含水量數據和供水量數據。
2.根據權利要求1所述的模擬地下水的非飽和供水裝置，其特徵在於，所述土壤存儲器的底層為用於填入顆粒物的緩衝區。
3.根據權利要求1所述的模擬地下水的非飽和供水裝置，其特徵在於，所述水壓調節器的側面設有多個位於不同高度的水壓調節進氣閥。
4.根據權利要求1所述的模擬地下水的非飽和供水裝置，其特徵在於，所述土壤水分傳感器為多個，且所述多個土壤水分傳感器分別設於所述土壤存儲器側壁的不同高度。
專利摘要本實用新型提供一種模擬地下水的非飽和供水裝置，其包括土壤存儲器、儲水器、水壓調節器、壓力差傳感器、土壤水分傳感器、數據處理單元。土壤存儲器用於填入試驗土柱；儲水器用於向土壤存儲器供水；水壓調節器注水後用於調節儲水器的供水壓力；壓力差傳感器用於測定儲水器上下兩端的壓力差；土壤水分傳感器用於檢測試驗土柱的土壤含水量；數據處理單元用於根據設定的時間間隔自動採集、存儲和顯示試驗土柱剖面含水量數據和供水量數據。本實用新型可以模擬實際地下水埋深並測定水分變化過程，試驗過程所應用的試驗土柱體積也較小，成本較低。
文檔編號G01N33/18GK202281773SQ20112043591
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者李漢俠, 來劍斌, 歐陽竹, 羅毅 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所