CN102323180A - 一种瞬态三维土壤导气率测算方法及测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种瞬态三维土壤导气率测算方法及测试装置，其特点是装置包括供气部分、测管部分和气压计部分，测管部分包括圆柱形测管（8）上设橡皮塞（7），橡皮塞（7）上设导气管（6），导气管（6）与三通（5）连接；供气部分通过软管与测管部分的三通（5）的一个支管连接，气压计部分通过软管与测管部分的三通（5）的另一个支管连接，各连接部分密封不漏气；其测算方法是在对土壤稳态一维和三维及瞬态一维导气率测算边界条件和计算模型分析的基础上，基于等效深度原理建立了一种瞬态三维土壤导气率测算方法，利用该方法可以在瞬态和三维条件下对土壤导气率进行测量，简化了野外土壤导气率原位测量的测算过程并提高了测量效率。

Description

一种瞬态三维土壤导气率测算方法及测试装置
技术领域
本发明涉及土壤物理学领域，特别涉及一种瞬态三维土壤导气率测算方法及测试装置。
背景技术
导气率是所有土壤气流模拟中最重要的参数之一，早在一百多年前导气率就被看作是土壤重要的特征指标，导气率状况在土壤结构及结构稳定性研究中非常重要，并且土壤导气率与土壤饱和导水率之间存在密切的关系，往往作为土壤饱和导水率的替代指标。从供气情况看，测量多孔介质（土壤、沥青、混凝土等）导气率的方法可分为两大类，一类为稳态气流测量方法（以下简称为稳态法），一类为瞬态气流测量方法（以下简称为瞬态法）。其中稳态法的出现较早，理论上也更为完善，研究人员已给出在一维和三维边界条件下多孔介质导气率的稳态计算模型。稳态法因为要维持稳定的供气压力△P及稳定的气体通量                                                ，一般需要空气压缩机或者气泵等供气装备提供稳定可控的气流和供气压力，同时需要精确的气体流量计来观测气体流量，因而导致稳定法测量装置结构复杂、价格高昂，并且在野外应用时往往因缺少电源而非常不便。
与稳态法相比，瞬态法出现较晚。然而，瞬态法具有稳态法无法比拟的巨大优势，主要体现在以下两点：①设备构造简单、价格低廉。测量导气率时，瞬态法不需要稳定的供气压力△P及稳定的气体通量
Figure 937376DEST_PATH_IMAGE001
，仅仅需要测量瞬时供气压力△P（t）的动态过程，无需对气体通量进行观测，因此不需要空气压缩机或者气泵等供气装备，用普通打气筒即可满足供气要求；②不需电源，适合野外观测。瞬态法观测设备易于携带和运输，不需要电源供电，因此特别适合于偏远野外的土壤导气率现场测量。由于瞬态法出现较晚，其理论基础发展并不完善，目前仅给出了一维边界条件下导气率的计算模型，缺乏野外原位观测对应的三维边界下的测算方法。尽管可以通过取原状土的方法，在一维条件下进行瞬态法测量，但取土时带来的人为扰动，影响其测量精度和可靠性。  
发明内容
本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种瞬态三维土壤导气率测算方法。
本发明的另一目的是提供一种瞬态三维土壤导气率测试装置。
本发明主要解决现有的一维条件下进行瞬态法测量，其取土时带来的人为扰动，影响其测量精度和可靠性等问题。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其特殊之处在于它包括供气部分、测管部分和气压计部分，测管部分包括圆柱形测管上设橡皮塞，橡皮塞上设导气管，导气管上通过第一连接软管与三通连接；供气部分通过第二连接软管与测管部分的三通的一个支管连接，气压计部分通过第三连接软管与测管部分的三通的另一个支管连接，各连接部分密封不漏气。
本发明的一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其所述的气压计部分为压力表或U型管测压计；当气压计部分为U型管测压计，U型管测压计的一端通过第三连接软管与测管部分的三通的另一个支管密封连接。
本发明的一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其所述的供气部分为打气筒、供气泵、真空泵或人工吹吸气；当供气部分为打气筒，打气筒上带开关阀门和气门嘴，气门嘴通过第二连接软管与测管部分的三通的一个支管密封连接。
采用上述测试装置的瞬态三维土壤导气率测算方法，其特殊之处在于包括以下步骤：
a选定一待测点，把一直径为D高为H的圆柱形测管垂直打入地下一定深度h处，测管的一部分(H-h)在地面以上，一般为10-20cm；
b检查各连接处密封不漏气，由供气部分连续向测管供气，直到测管内封闭的气体压力到达预定值停止供气，保持测管内的气体不会流出；
c从测管内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测管内封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录；以
Figure 787783DEST_PATH_IMAGE002
为因变量，时间t为自变量，分析~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE003
即可计算出所测位置土壤的导气率。
本发明所述的一种瞬态三维土壤导气率测算方法及测试装置与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1、土壤导气率的测量在野外原位进行，对土壤扰动性极小，所测结果真实反映了土壤的实际导气状况； 2、系统结构简单、易于操作，成本远远低于目前常用的测量设备，且使用和管理维修方便。
附图说明：
图1为本发明的构造连接示意图；
图2为一维边界土壤导气率测量工况；
图3为三维边界土壤导气率测量工况。
具体实施方式：
为了更好地理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本发明。
实施例1，参见图1，以供气部分为打气筒，气压计部分为U型管测压计为例，根据设计需要选择一打气筒1，打气筒1上带开关阀门3和气门嘴2；采用不锈钢材料制成设计规格圆柱形测管8，在圆柱形测管8上密封安装橡皮塞7，橡皮塞7上带导气管6，导气管6上通过第一连接软管4与三通5连接；将打气筒上的气门嘴2通过第二连接软管11与测管上的三通5的一个支管连接，再将U型气压测量计9的一端通过第三连接软管12与测管上的三通5的另一个支管连接，各连接部分密封不漏气，形成本发明的一种瞬态三维土壤导气率测试装置。
实施例2，采用上述实施例1的装置，不同之处是气压计部分采用压力表，选定某一待测点10，把一直径为D高为H的圆柱形测管垂直打入地下一定深度h处，测管的一部分(H-h)在地面以上，一般为10-20cm,打入过程尽量保持土壤不受扰动；把橡皮塞上的三通的一个支管与压力表相通连接并确保连接处密封不漏气；利用打气筒连续向不锈钢测管供气，直到不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值停止供气，同时将该导气软管折叠，或采取其他形式，以保持测管内的气体不会通过该导气软管流出；从不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测管内封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录；以
Figure 988489DEST_PATH_IMAGE002
为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析
Figure 27114DEST_PATH_IMAGE002
~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 182677DEST_PATH_IMAGE003
即可计算出所测位置土壤的导气率。
实施例3，采用上述实施例1的装置，选定某一待测点10，把一直径为D高为H的圆柱形测管垂直打入地下一定深度h处，测管的一部分(H-h)在地面以上，一般为10-20cm,打入过程尽量保持土壤不受扰动；向U形管测压计内注入一定量的水，检查各连接处密封不漏气，利用打气筒连续向不锈钢测管供气，直到不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值停止供气，同时关闭阀门，同时将该导气软管折叠，或采取其他形式，以保持测管内的气体不会通过该导气软管流出；从不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测管内封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录。以
Figure 865724DEST_PATH_IMAGE002
为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析
Figure 681496DEST_PATH_IMAGE002
~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 705952DEST_PATH_IMAGE003
即可计算出所测位置土壤的导气率。
实施例4，采用上述实施例1的装置，不同之处是气压计部分为压力表，供气部分为供气泵；选定某一待测点10，把一直径为D高为H的圆柱形测管垂直打入地下一定深度h处，测管的一部分(H-h)在地面以上，一般为10-20cm,打入过程尽量保持土壤不受扰动；把三通的一个管与压力表相通连接并确保连接处密封不漏气，把三通的另一个支管与供气泵相通连接并确保连接处密封不漏气；利用供气泵连续向不锈钢测管供气，直到不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值停止供气，同时将该导气软管折叠，或采取其他形式，以保持测管内的气体不会通过该导气软管流出；从不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测管内封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录。以
Figure 773528DEST_PATH_IMAGE002
为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 189432DEST_PATH_IMAGE003
即可计算出所测位置土壤的导气率。
实施例5，采用上述实施例1的装置，不同之处是气压计部分为压力表，供气部分为真空泵；选定某一待测点10，把一直径为D高为H的圆柱形测管垂直打入地下一定深度h处，测管的一部分(H-h)在地面以上，一般为10-20cm,打入过程尽量保持土壤不受扰动；把三通的一个运管与压力表相通连接并确保连接处密封不漏气，把三通的另一个支管与真空泵相通连接并确保连接处密封不漏气；利用真空泵连续对不锈钢测管吸气，直到不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值停止吸气，同时将该导气软管折叠，或采取其他形式，以保持外界的气体不会通过该导气软管流入测管；从不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测管内封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录。以
Figure 101454DEST_PATH_IMAGE002
为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析
Figure 97354DEST_PATH_IMAGE002
~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 237217DEST_PATH_IMAGE003
即可计算出所测位置土壤的导气率。
实施例6，采用上述实施例1的装置，不同之处是气压计部分为压力表，供气部分为嘴吹气；选定某一待测点10，把一直径为D高为H的圆柱形测管垂直打入地下一定深度h处，测管的一部分(H-h)在地面以上，一般为10-20cm，打入过程尽量保持土壤不受扰动；把三通的一个支管与压力表相通连接并确保连接处密封不漏气，用嘴巴含住三通的另一个支管连接的软管的端头，并连续对不锈钢测管吸气，直到不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值停止吸气，同时将该导气软管折叠，或采取其他形式，以保持外界的气体不会通过该导气软管流入测管；从不锈钢测管内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测管内封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录。以为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析
Figure 396770DEST_PATH_IMAGE002
~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 71727DEST_PATH_IMAGE003
即可计算出所测位置土壤的导气率。
公式
Figure 207042DEST_PATH_IMAGE003
的导出：
1、瞬态三维土壤导气率计算模型
一维边界条件下土壤导气率的测量工况如图2所示，稳态法对应的计算公式为：
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE005
        （1）
上式中：L为被测土柱的长度（m）；
Figure 274060DEST_PATH_IMAGE006
为空气粘滞系数，与所处环境温度有关，
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 715888DEST_PATH_IMAGE001
为稳定气体通量，
Figure 207175DEST_PATH_IMAGE008
；A为被测土柱的横截面积（m2）; 
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE009
为与稳定气体通量
Figure 96764DEST_PATH_IMAGE001
对应的被测土柱承受压力与周围大气压力间的气压差，
Figure 181657DEST_PATH_IMAGE010
。
一维边界条件下瞬态法对应的计算公式为：
          （2）
上式中L、A和
Figure 60401DEST_PATH_IMAGE006
含义同前，
Figure 671774DEST_PATH_IMAGE012
代表周围的大气压力，；S是与时间t之间线性关系的斜率，s-1 ；
Figure 953990DEST_PATH_IMAGE002
中P(t)表示瞬态压力，
Figure 758129DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 224008DEST_PATH_IMAGE014
，P(0)为初始压力与大气压力的压力差，
Figure 81499DEST_PATH_IMAGE013
；V代表被测土体上方封闭空间的体积，
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE015
。
三维边界条件下土壤导气率
Figure 127602DEST_PATH_IMAGE004
的测量工况如图3所示，稳态法对应的计算公式为：
Figure 610798DEST_PATH_IMAGE016
         （3）
上式中
Figure 429718DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 707378DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 230722DEST_PATH_IMAGE009
含义同前，D表示所测土柱的直径，m；G为与有关的形状系数,，L表示测管插入土壤的的深度，m。
考虑到一维和三维的差别，三维边界条件下气体通过的范围可以分解成两部分，从土壤表面到测管末端之间的部分可考虑为一维状态，设其长度为L，测管以外气体经过部分的土体为另一部分，其范围很难精确判断，出流过程为典型的三维问题。为了使问题简化，将这一部分土体抽象为横截面积为A而长度为
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE019
的一维土柱，其对通过气流的影响与作用与测管以外气体经过部分的土体等效。在上述假设条件下，则可利用一维公式计算土壤的导气率：
Figure 305217DEST_PATH_IMAGE020
      （4） 
上式中：
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE021
       （5）
把
Figure 396189DEST_PATH_IMAGE022
称作土壤等效长度。
假设土壤为均质、各向同性的多孔介质，则三维条件下导气率测量值应与一维条件下测算值相等，即：
Figure 2011102301599100002DEST_PATH_IMAGE023
   （6）
由上式可得：
Figure 666152DEST_PATH_IMAGE024
      （7）
式（7）即为三维边界条件下被测土壤的等效长度表达式，将式（7）代入式（2）可得到瞬态三维条件下土壤导气率的计算模型：
Figure 389954DEST_PATH_IMAGE003
    (8)

Claims (6)

1.一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其特征在于它包括供气部分、测管部分和气压计部分，测管部分包括圆柱形测管（8）上设橡皮塞（7），橡皮塞（7）上设导气管（6），导气管（6）上通过第一连接软管（4）与三通（5）连接；供气部分通过第二连接软管（11）与测管部分的三通（5）的一个支管连接，气压计部分通过第三连接软管（12）与测管部分的三通（5）的另一个支管连接，各连接部分密封不漏气。
2.根据权利要求1所述的一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其特征在于所述的气压计部分为压力表或U型管测压计。
3.根据权利要求2所述的一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其特征在于所述的气压计部分为U型管测压计（9），U型管测压计（9）的一端通过第三连接软管（12）与测管部分的三通（5）的另一个支管密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其特征在于所述的供气部分为打气筒、供气泵、真空泵或人工吹吸气。
5.根据权利要求4所述的一种瞬态三维土壤导气率测试装置，其特征在于所述的供气部分为打气筒（1），打气筒（1）上带开关阀门（3）和气门嘴（2），气门嘴（2）通过第二连接软管（11）与测管部分的三通（5）的一个支管密封连接。
6.采用权利要求1-5的任一测试装置的瞬态三维土壤导气率测算方法，其特征在于包括以下步骤：
a选定一待测点（10），把一直径为D高为H的圆柱形测管（8）垂直打入地下一定深度h处，测管的一部分(H-h)保持在地面以上；
b检查各连接处密封不漏气，由供气部分连续向测管（8）供气，直到测管（8）内封闭的气体压力到达预定值停止供气，保持测管（8）内的气体不会流出；
c从测管（8）内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测管内封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录；以                                                为因变量，时间t为自变量，分析
Figure 649330DEST_PATH_IMAGE001
~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 930532DEST_PATH_IMAGE002
即可计算出所测位置土壤的导气率。
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