CN101788552B - 土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，包括四部分：冻融箱、加热装置、制冷装置、控制器；冻融箱由箱体、冷风板组成；箱体的两侧面设有玻璃窗，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板，冷风板上均匀设有通气孔；箱体两对角线上等距布设温度传感器；箱体内均匀放置复数个土柱桶；在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计，并与控制器连接；土柱桶上方的顶板安装位移传感器，加热装置设置于冻融箱底部；制冷装置与一冷室相连；控制器设于冻融箱外部，分别与冻融箱、加热装置、制冷装置、热敏电阻温度计和温度传感器相连。

Description

土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及土壤冻融模拟装置，尤其涉及中高纬地区农田土壤污染物迁移时，土壤水冻结和融化过程中污染物在土壤内部的迁移和转化的模拟实验装置和方法。属于环境工程和农业工程领域。

背景技术

随着我国的经济发展，环境问题日益突出，尤其是水环境污染日趋严重。伴随着农业的大规模发展，农业非点源污染已经成为流域水环境问题的主要原因之一。一方面，农业生产过程中化肥、农药的大量施用，以及不合理的耕作，使得大量营养物质流失，影响了农业生产；另一方面，灌溉、降雨，尤其是冻融过程对于中高纬地区农业生产尤为重要，这些过程中水体携带的农田营养物质通过地表径流流入受纳水体，或通过土壤水运动进入地下水，最终汇入河流，造成流域水环境污染。基于非点源污染物的双重含义，可以通过对冻融过程中污染物的迁移进行模拟，从而指导春播施肥及灌溉，也可为流域水环境问题防控提供依据，是建设生态农业，维持具有良好生态功能水环境的理论基础。因此，冻融过程也是国内外环境领域的研究热点之一。地球上中高纬地区的大部分土壤都会发生季节性冻结，因为水分迁移引起的冻融现象，造成道路工程、房屋建筑、水利工程、地下输油管道工程等不同程度的破坏。因此对于冻胀机理较为关注，目前关于冻融模拟装置多数是用于混凝土试件检测，缺少成熟的实验设备和实验方法模拟污染物在土壤冻融过程中的迁移转化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置及方法，以针对当前农业大开发季节性冻融对农业生产及水环境的影响，提供一种合理的模拟装置和方法，为提出更为科学的农业生产和水环境管理理论奠定基础。

本发明是土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置及方法，主要是通过室内土柱土壤冻结和融化过程中水分和污染物的迁移及含量的动态变化，实现对冻土中污染物的行为模拟。该装置利用不锈钢、隔热抗冻玻璃和透明隔热抗冻塑料制作，实验跟踪观测土壤冻结和融化过程中土体温度和冻结深度的变化，解决中高纬地区农田季节性冻融期土壤中水分和非点源污染物的迁移转化的科学问题；该方法对土壤冻结的模拟由土体表面自上而下的方式实现，对土壤融化过程的模拟通过自上而下和从最大冻结深度向上两种方式实现。

本发明的具体技术方案为：

土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，具体包括四部分：冻融箱、加热装置、制冷装置、控制器。

冻融箱由箱体、冷风板组成。箱体由不锈钢制成，其两侧面设有玻璃窗，为泡沫玻璃构造，泡沫玻璃具有不透气性、隔热性和良好的抗冻性能，便于实时观测实验情况，箱体为夹层构造，填充发泡聚氨酯塑料隔热，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板，冷风板上均匀设有通气孔，使冷风在箱体内形成环流，确保箱体内温度均匀，箱体两对角线上等距布设温度传感器，监测箱体内部温度。箱体内均匀放置10～20个土柱桶，土柱桶由透明抗冻聚丙烯塑料(Borpact SG930MO)制成，塑料中填充有多孔玻璃微珠，可增强塑料制品的隔热性。在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计，精确度±0.1℃，并与控制器连接，通过显示屏和计算机显示输出温度变化情况。冻融箱内控制温度在±1℃，减少侧向扩散。土柱桶上方的顶板安装位移传感器，用于测定垂直方向上土体的变形。

加热装置设置于冻融箱底部，按实验需要通过控制器操作即可进行融化过程，控制好温度，确保土柱自上而下和自最大冻结深度向上双向融化，加热器可迅速升温至30℃，控制在±0.5℃，确保实验模拟精度。

制冷装置为压缩机，压缩机与一冷室相连，通过冷风管将冷室与冻融箱相连接，冷风管设有阀门，关闭阀门，可阻断冻融箱与冷室的热交换，避免加热融化过程中热气的流失。所选压缩机冷却效率高，可快速降温，提高实验效率。

控制器设于冻融箱外部，分别与冻融箱、加热装置、制冷装置、热敏电阻温度计和温度传感器相连，控制器上设有接口，可与计算机相连，显示并记录冻融实验设备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的温度变化，并将信息输出记录。

本发明一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟方法，具体包括如下步骤：

步骤一、实验前的准备工作

把自然状态的土壤样品缓慢装入土壤冻融过程中污染物迁移转化模拟装置的透明抗冻土柱桶内，在采集的土样中添加适量蒸馏水。冻融实验开始前，选取装好土壤的其中一个土柱桶，分别取土壤样品各层测定含水率、电导率、氮磷含量。

步骤二、模拟冻结和融化两个过程中土壤水分和污染物的迁移情况。

(1)冻结

启动压缩机，使冻融箱内温度降低至-20℃，待温度恒定后，继续冻结。冻结时，在土柱冷冻4h、8h、12h、16h、24h、48h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。冻结过程中每10min观测记录上、中、下层土壤温度。

(2)融化

关闭制冷装置中冷风管阀门，防止加热融化过程中热气通过冷风板散失，同时启动加热装置，升温至25℃，控制温度恒定并持续供热24h，在土柱融化2h、4h、8h、12h、16h、20h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。

步骤三、模拟冻结和融化反复循环过程中水分和污染物的迁移情况

通过控制器，启动或关闭制冷装置/加热装置，控制冻融箱对角线最上方处温度传感器测定温度在-15℃和15℃间循环变化，循环周期为每隔3小时变化一次温度，在实验进行3h、6h、9h、12h、15h、18h、21h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。

本发明具有以下效果和优点：

(1)土壤自上而下形成一维温度场，能够自上而下冻结，以及自上而下和自最深冻结处向上双向融化。

(2)土柱冻结和融化过程冻结深度和温度变化能够实时监测，且冻融状态可通过隔热玻璃、透明抗冻塑料制成的土柱桶观测，可以充分掌握整个冻融过程的土柱动态变化。

(3)可为中高纬农田土壤冻融期水分和非点源物质的迁移提供研究手段及科学依据，有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明土柱冻融模拟装置设计方案示意图；

图2为本发明装置剖面图。

1冻融箱    2加热装置    3制冷装置      4控制器

5压缩机    6土柱桶      7位移传感器    8冷风板

9通气孔    10热敏电阻温度计      11温度传感器

12玻璃窗

具体实施方式

以下结合技术方案详细说明本发明的工作原理和实施方式。

如模拟水分和氮磷非点源污染物在土壤冻融过程中的迁移动态，使用实验装置和采用的实验方法，

本发明的装置如附图2所示，

具体包括四部分：冻融箱1、加热装置2、制冷装置3、控制器4。

冻融箱由箱体、冷风板8组成。箱体由不锈钢制成，其两侧面设有玻璃窗12，为泡沫玻璃构造，泡沫玻璃具有不透气性、隔热性和良好的抗冻性能，便于实时观测实验情况，箱体为夹层构造，填充发泡聚氨酯塑料隔热，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板8，冷风板上均匀设有通气孔9，使冷风在箱体内形成环流，确保箱体内温度均匀，箱体两对角线上等距布设温度传感器11，监测箱体内部温度。箱体内均匀放置10～20个土柱桶6，土柱桶6由透明抗冻聚丙烯塑料(Borpact SG930MO)制成，塑料中填充有多孔玻璃微珠，可增强塑料制品的隔热性。在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计10，精确度在±0.1℃，并与控制器连接，通过显示屏和计算机显示输出温度变化情况。冻融箱内温度控制在±1℃，减少侧向扩散。土柱桶上方的顶板安装位移传感器7，用于测定垂直方向上土体的变形。

加热装置2设置于冻融箱1底部，按实验需要通过控制器操作即可进行融化过程，控制好温度，确保土柱自上而下和自最大冻结深度向上双向融化，加热器可迅速升温至30℃，控制在±0.5℃，确保实验模拟精度。

制冷装置3为压缩机5，压缩机5与一冷室相连，通过冷风管将冷室与冻融箱相连接，冷风管设有阀门，关闭阀门，可阻断冻融箱与冷室的热交换，避免加热融化过程中热气的流失。所选压缩机冷却效率高，可快速降温，提高实验效率。

控制器4设于冻融箱外部，分别与冻融箱1、加热装置2、制冷装置3、热敏电阻温度计10和温度传感器11相连，控制器上设有接口，可与计算机相连，显示并记录冻融实验设备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的温度变化，并将信息输出记录。

其中，冻融箱1和位移传感器7、热敏电阻温度计10、温度传感器11通过信号线、电源线与控制器4连接。

其中，加热装置2通过信号线、电源线与控制器4连接；

其中，制冷装置3通过冷风管与冻融箱1连接，通过信号线、电源线与控制器4连接。

本发明一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟方法，具体包括如下步骤：

步骤一、实验前的准备工作

把自然状态的土壤样品缓慢装入土壤冻融过程中污染物迁移转化模拟装置的透明抗冻土柱桶6内，在采集的土样中添加适量蒸馏水。冻融实验开始前，选取装好土壤的其中一个土柱桶，分别取土壤样品各层测定含水率、电导率、氮磷含量。

步骤二、模拟冻结和融化两个过程中土壤水分和污染物的迁移情况

(1)冻结

启动压缩机，使冻融箱内温度降低至-20℃，待温度恒定后，继续冻结。冻结时，在土柱冷冻4h、8h、12h、16h、24h、48h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。冻结过程中每10min观测记录上、中、下层土壤温度。

(2)融化

关闭制冷装置中冷风管阀门，防止加热融化过程中热气通过冷风板散失，同时启动加热装置，升温至25℃，控制温度恒定并持续供热24h，在土柱融化2h、4h、8h、12h、16h、20h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。

步骤三、模拟冻结和融化反复循环过程中水分和污染物的迁移情况

通过控制器，启动或关闭制冷装置/加热装置，控制冻融箱对角线最上方处温度传感器测定温度在-15℃和15℃间循环变化，循环周期为每隔3小时变化一次温度，在实验进行3h、6h、9h、12h、15h、18h、21h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样(例如0～5cm、5～10cm、10～15cm各层)，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。

整个实验过程中，通过隔热玻璃窗12可实时观测土柱冻融情况。

Claims (4)

1.一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，其特征在于：该装置具体包括四部分：冻融箱、加热装置、制冷装置、控制器；

冻融箱由箱体、冷风板组成；箱体的两侧面设有玻璃窗，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板，冷风板上均匀设有通气孔；箱体两对角线上等距布设温度传感器；箱体内均匀放置复数个土柱桶；在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计，并与控制器连接，通过显示屏和计算机显示输出温度变化情况；在每个土柱桶上方的顶板安装位移传感器，用于测定垂直方向上土体的变形；

加热装置设置于冻融箱底部；

制冷装置与一冷室相连，通过冷风管将冷室与冻融箱相连接，冷风管设有阀门，

控制器设于冻融箱外部，分别与冻融箱、加热装置、制冷装置、热敏电阻温度计和温度传感器相连，控制器上设有接口，与计算机相连，显示并记录冻融实验设备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的温度变化，并将信息输出记录。

2.根据权利要求1所述的土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，其特征在于：所述的箱体为夹层构造，夹层内填充发泡聚氨酯塑料隔热。

3.根据权利要求1所述的土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，其特征在于：所述的土柱桶由透明抗冻聚丙烯塑料制成，塑料中填充有多孔玻璃微珠。

4.一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤一、实验前的准备工作

把自然状态的土壤样品缓慢装入土壤冻融过程中污染物迁移转化模拟装置的透明抗冻土柱桶内，在采集的土样中添加蒸馏水；冻融实验开始前，选取装好土壤的其中一个土柱桶，分别取土壤样品各层测定含水率、电导率和氮磷含量；

步骤二、模拟冻结和融化两个过程中土壤水分和污染物的迁移情况

（1）冻结

启动压缩机，使冻融箱内温度降低至-20℃，待温度恒定后，继续冻结；冻结时，在土柱冷冻4h、8h、12h、16h、24h、48h后，分别取一个土柱桶，分层采集土样，测定各层含水率、电导率和氮磷含量；冻结过程中每10min观测记录上、中、下层土壤温度；

（2）融化

关闭制冷装置中冷风管阀门，防止加热融化过程中热气通过冷风板散失，同时启动加热装置，升温至25℃，控制温度恒定并持续供热24h，在土柱融化2h、4h、8h、12h、16h、20h、24h后，分别取一个土柱桶，分层采集土样，测定各层含水率、电导率和氮磷含量；

步骤三、模拟冻结和融化反复循环过程中水分和污染物的迁移情况

通过控制器，启动或关闭制冷装置/加热装置，控制冻融箱对角线最上方处温度传感器测定温度在-15℃和15℃间循环变化，循环周期为每隔3小时变化一次温度，在实验进行3h、6h、9h、12h、15h、18h、21h、24h后，分别取一个土柱桶，分层采集土样，测定各层含水率、电导率和氮磷含量。

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