CN101736716B - 土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土壤溶质运移大型串联模拟装置，属于水利工程领域，其IPC国际专利分类号为E02B 1/00，E02D 33/00。一种土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，包括供水系统、模拟土柱、采样系统、串联装置、排水系统、数据采集及控制系统；所述供水系统包括供水蠕动泵和供水管；所述模拟土柱包括多个大型土柱；所述采样系统包括水样取样口、取样管、取样泵和取样容器；所述串联装置包括串联加压供水设备和串联多个大型土柱的供水管，该串联加压供水设备优选蠕动泵；排水系统包括电磁阀和排水管；数据采集及控制系统包括电缆、土壤水分传感器、数据采集控制器和计算机。该模拟装置适合于大尺度土壤剖面溶质运移模拟研究，而且，模拟精度更高、投资更省、施工更简便。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种土壤溶质运移大型串联模拟装置，属于水利工程领域，其IPC国际专利分类号为E02B 1/00，E02D 33/00。
二、背景技术
土壤溶质即土壤溶液中溶质，土壤溶质运移所研究的是溶质在土壤中的过程、规律和机理，目前，土壤溶质运移的研究已成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等相关学科的基础和前沿研究领域，越来越得到重视。室内土柱模拟开展土壤溶质运移研究的重要手段。土壤溶质运移土柱模拟装置是开展室内土壤溶质研究的重要装置，国内开展土壤溶质运移模拟装置一般采用圆形有机玻璃或UPVC材料制作，高度小于3m，土柱直径小于40cm，由于常用的试验土柱高度与直径较小，很难实际模拟大尺度情况下土壤水分与污染物的运移转化规律，给开展大尺度土壤溶质运移模拟研究带来一定的难度，同时由于土柱直径较小，边界效应的影响大大降低了土柱模拟的精度，因此，需要研发一种大型土柱模拟装置，而且还要实现占地省、场地空间要求不高、投资较低，能够模拟10m以上大尺度溶质运移模拟的需要，为推动我国土壤溶质运移研究提供重要设备条件支持。
三、发明内容
本发明根据多年的研究和无数次的试验结果，提出一种土壤溶质运移大型串联模拟装置。
本发明的技术方案是，一种土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，包括供水系统、模拟土柱、采样系统、串联装置、排水系统、数据采集及控制系统；所述供水系统包括供水蠕动泵和供水管；所述模拟土柱包括多个大型土柱，每个大型土柱的高度为2～3m，内径不小于0.5m，壁厚不小于10mm；所述采样系统包括水样取样口、取样管、取样泵和取样容器；所述串联装置包括串联加压供水设备和串联多个大型土柱的供水管，该串联加压供水设备优选蠕动泵；排水系统包括电磁阀和排水管；数据采集及控制系统包括电缆、土壤水分传感器、数据采集控制器和计算机；
其中，供水蠕动泵通过供水管为模拟土柱供水，供水管采用硅胶管或有机玻璃管；大型土柱上口与大气连通，其中第一个大型土柱在靠近最上端的管壁上设置有溢流口，溢流口与排水管连通；大型土柱上设置多个水样取样口，用于导出水样；所述水样取样口采用有机玻璃螺纹接口连接，内置橡胶塞，橡胶塞内侧为放置120目滤网，橡胶塞中插入有机玻璃；取样管将多个水样取样口导出的水样导出到取样泵，所述取样泵饱和时采用多通道蠕动泵，非饱和时采用真空泵；所述取样泵连接有取样容器，用于保存水样；大型土柱的底部设有反滤层，厚度一般不小于30cm，采用细砂和级配碎石主要用于过滤土壤颗粒；所述多个大型土柱利用供水管串联供水，其中，在第一和第二个大型土柱之间设置串联加压供水设备，将第一个大型土柱经过反滤层反滤后的渗滤溶液加压泵送到后面的大型土柱上端的供水及进排气设备，所述供水及进排气设备由进排气阀和三通组成；有机玻璃盖盖在大型土柱上口，起到密闭的作用，有机玻璃盖与供水及进排气设备采用螺纹口连接；每个大型土柱下部设有电磁阀，所述电池阀控制大型土柱将水排入排水管；所述电缆包括供电线和信号线，用于供电、控制电磁阀的开闭、传输土壤水分传感器的数据，土壤水分传感器为土壤水分时域反射仪(TDR)探头，设置在大型土柱的不同断面上；数据采集控制器用于采集土壤水分传感器和取样泵的数据，并控制供水蠕动泵、串联加压供水设备、电磁阀；计算机与所述数据采集控制器连接。
优选地，所述串联加压供水设备为蠕动泵。
优选地，所述模拟土柱包括4个大型土柱。
优选地，所述大型土柱材质采用有机玻璃。
本发明的技术方案既适合于大尺度土壤剖面溶质运移模拟研究，与常规小尺度土柱模拟装置相比，可以提高模拟的精度，提高我国土壤溶质运移领域的研究装备水平。
本发明的大型土柱串联模拟装置克服了现有室内土壤溶质运移土柱模拟尺度小、边界效应影响大的缺陷，同时，土壤剖面的水分、水样可以实现自动采集，大大提高了工作效率，该装置的应用具有很高的科学价值。而且，土柱模拟深度大幅度增加，模拟精度更高、投资更省、施工更简便。
四、附图说明
图1土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置剖面示意图。
图中，1为供水蠕动泵，2为供水管，3为大型土柱，4为溢流口，5为水样取样口，6为取样管，7为取样泵，8为取样容器，9为反滤层，10为串联加压供水设备，11为有机玻璃盖，12为供水及进排气设备，13为电磁阀，14为排水管，15为电缆，16为土壤水分传感器，17为数据采集控制器，18为计算机。
五、具体实施方式
如图1所示，本发明的土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，包括供水系统、模拟土柱、采样系统、串联装置、排水系统、数据采集及控制系统。所述供水系统包括供水蠕动泵1和供水管2；所述模拟土柱包括至少4个大型土柱3，所述大型土柱3材质优选有机玻璃，每个大型土柱3的高度为2～3m，内径不小于0.5m，壁厚不小于10mm；所述采样系统包括水样取样口5、取样管6、取样泵7和取样容器8；所述串联装置包括串联加压供水设备10和串联多个大型土柱3的供水管，该串联加压供水设备10优选蠕动泵；排水系统包括电磁阀13和排水管14；数据采集及控制系统包括电缆15、土壤水分传感器16、数据采集控制器17和计算机18。
供水蠕动泵1通过供水管2为模拟土柱供水，蠕动泵1可为模拟土柱提供恒定的供水流量，蠕动泵不会导致灌溉水的二次污染，且供水稳定。供水管2一般采用硅胶管或有机玻璃管。大型土柱3上口与大气连通，其中第一个大型土柱3在靠近最上端的管壁上设置有溢流口4，防止水流溢出土柱3，溢流口4与排水管14连通。大型土柱3上设置多个水样取样口5，采用有机玻璃螺纹接口连接，内置橡胶塞，橡胶塞内侧为放置120目滤网，橡胶塞中插入有机玻璃，用于导出水样，可以保证防止渗漏，耐水压。取样管6置于线槽中，用于将多个水样取样口5导出的水样导出到取样泵7，所述取样泵7为多通道蠕动泵或真空泵，饱和时采用多通道蠕动泵，可以一次定时、定量采集多个水样，非饱和时采用真空泵。所述取样泵7连接有取样容器8，用于保存水样。大型土柱3的底部设有反滤层9，厚度一般不小于30cm，采用细砂和级配碎石主要用于过滤土壤颗粒。所述多个大型土柱3利用供水管串联供水，其中，在第一和第二个大型土柱3之间设置所述串联加压供水设备10，串联加压供水设备10优选为蠕动泵，将第一个大型土柱3经过反滤层9反滤后的渗滤溶液加压泵送到后面的大型土柱3上端的供水及进排气设备12；所述串联加压供水设备10设计工作压力不低于模拟高度的1.5倍，可保证供水水流通畅。供水及进排气设备12由进排气阀和三通组成，主要功能是进排气和进水。有机玻璃盖11盖在大型土柱3上口，起到密闭的作用，有机玻璃盖11与供水及进排气设备12采用螺纹口连接。每个大型土柱3下部设有电磁阀13，可以通过控制控制大型土柱3将水排入排水管14，模拟土体剖面的饱和及非饱和动态，排水管14的内径不小于30mm。电缆15包括供电线和信号线(在图1中以虚线表示)，用于供电、控制电磁阀13的开闭、传输土壤水分传感器16的数据，土壤水分传感器16为土壤水分时域反射仪(TDR)探头，设置在大型土柱3的不同断面上。数据采集控制器17用于采集土壤水分传感器16和取样泵7的数据，并控制供水蠕动泵1、串联加压供水设备10、电磁阀13等。计算机18安装有采集控制软件，具有设置不同试验处理、设置取样时间与取样量、排水时间、分析土壤水分数据、打印、输出等功能。
本发明提供的土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，与现有技术相比，内部结构明显不同，土柱模拟深度大幅度增加，模拟精度更高、投资更省、施工更简便。
Claims (4)
1.一种土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，包括供水系统、模拟土柱、采样系统、串联装置、排水系统、数据采集及控制系统；所述供水系统包括供水蠕动泵(1)和供水管(2)；所述模拟土柱包括多个大型土柱(3)，每个大型土柱3的高度为2～3m，内径不小于0.5m，壁厚不小于10mm；所述采样系统包括水样取样口(5)、取样管(6)、取样泵(7)和取样容器(8)；所述串联装置包括串联加压供水设备(10)和串联多个大型土柱(3)的供水管；排水系统包括电磁阀(13)和排水管(14)；数据采集及控制系统包括电缆(15)、土壤水分传感器(16)、数据采集控制器(17)和计算机(18)；其中，供水蠕动泵(1)通过供水管(2)为模拟土柱供水，供水管(2)采用硅胶管或有机玻璃管；大型土柱(3)上口与大气连通，其中第一个大型土柱(3)在靠近最上端的管壁上设置有溢流口(4)，溢流口(4)与排水管(14)连通；大型土柱(3)上设置多个水样取样口(5)，用于导出水样，所述水样取样口(5)采用有机玻璃螺纹接口连接，内置橡胶塞，橡胶塞内侧放置120目滤网，橡胶塞中插入有机玻璃；取样管(6)将多个水样取样口(5)导出的水样导出到取样泵(7)，所述取样泵(7)饱和时采用多通道蠕动泵，非饱和时采用真空泵；所述取样泵(7)连接有取样容器(8)，用于保存水样；大型土柱(3)的底部设有反滤层(9)，厚度不小于30cm，采用细砂和级配碎石，用于过滤土壤颗粒；所述多个大型土柱(3)利用供水管串联供水，其中，在第一和第二个大型土柱(3)之间设置串联加压供水设备(10)，将第一个大型土柱(3)经过反滤层(9)反滤后的渗滤溶液加压泵送到后面的大型土柱(3)上端的供水及进排气设备(12)，所述供水及进排气设备(12)由进排气阀和三通组成；有机玻璃盖(11)盖在大型土柱(3)上口，起到密闭的作用，有机玻璃盖(11)与供水及进排气设备(12)采用螺纹口连接；每个大型土柱(3)下部设有电磁阀(13)，所述电池阀(13)控制大型土柱(3)将水排入排水管(14)；所述电缆(15)包括供电线和信号线，用于供电、控制电磁阀(13)的开闭、传输土壤水分传感器(16)的数据，土壤水分传感器(16)为土壤水分时域反射仪探头，设置在大型土柱(3)的不同断面上；数据采集控制器(17)用于采集土壤水分传感器(16)和取样泵(7)的数据，并控制供水蠕动泵(1)、串联加压供水设备(10)、电磁阀(13)；计算机(18)与所述数据采集控制器(17)连接。
2.根据权利要求1所述的土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，其特征在于：所述串联加压供水设备(10)为蠕动泵。
3.根据权利要求1所述的土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，其特征在于：所述模拟土柱包括4个大型土柱(3)。
4.根据权利要求1或2所述的土壤溶质运移大型土柱串联模拟装置，其特征在于：所述大型土柱(3)材质采用有机玻璃。
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