CN102323197A - 测定土壤水分运动与土壤结构的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定土壤水分运动与土壤结构的装置，供水部件包括供水槽、塞子、阀门和马氏瓶，水槽和马氏瓶之间通过管道相连通，马氏瓶的顶部开有第一通孔，塞子设置在所述第一通孔处，阀门设置在马氏瓶的下部；实验土柱包括上盖和本体，所述上盖顶部开有第二通孔，在第二通孔和阀门之间连接有管道，在本体内部设置有玻璃筛，在玻璃筛下部设置有滤纸，在本体的下部设置有出水口，在本体的侧壁开有第三通孔，第三通孔处设置有土壤水分传感器，土壤水分传感器通过导线连接到所述采集器；数据采集分析部件包括采集器、X光机和计算机，采集器和X光机的输出端连接到计算机的输入端口。本发明还公开了一种测定土壤水分运动与土壤结构的方法。

Description

测定土壤水分运动与土壤结构的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种测量技术，具体说，涉及一种测定土壤水分运动与土壤结构的装置及其方法。
背景技术
土壤作为一个非均质的复杂系统，由固相、液相和气相组成。其中，固相构成土壤的骨架，其结构通常是用固体颗粒的大小、形状以及其空间排列来表示的。由于构成土壤的颗粒和孔隙大小不同，形状各异，并且它们是以多种方式连接在一起。研究成果表明，土壤是具有自相似特征的复杂系统，即土壤具有明显的分形特征。定量描述土壤结构性状异常的复杂以及土壤水分运动和土壤结构的关系是极其重要的，因为土壤中水分运动在很大程度上决定于土壤结构中土壤颗粒和土壤孔隙的排列方式及其连通状况。
不同土壤结构对土壤中的水分和溶质迁移有很大影响，由于土壤结构可用不同的分形维数(参数包括颗粒分形维数、孔隙通道维数和谱维数等)表征，研究发现土壤水分扩散和大孔隙有很大关系，并且形成优势流，渗透到深层土壤中，含颜料的水分扩散在土壤各层分布也和分形维数有关。现有的实验技术中，都是对实验后的土壤进行图像采集，来分析土壤结构的状况，进而分析整个实验过程中土壤水分入渗量、入渗时间和土壤结构的关系。这种方法无法实现对整个过程的实施监测，将整个实验过程化也使得测量的精确性受到限制。
现有测定土壤水分运动与土壤结构的装置在测定土壤结构时，都是在试验结束后采用的数码相机照相技术对土壤样本进行拍照，既破坏了土壤原始结构，又受到了拍摄精度和拍摄人员主观性的影响。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种测定土壤水分运动与土壤结构的装置，可以广泛应用与土壤水分和溶质迁移过程与土壤结构的关系的试验装置中。
技术方案如下：
一种测定土壤水分运动与土壤结构的装置，包括供水部件、实验土柱和数据采集分析部件；其中，所述供水部件包括供水槽、塞子、阀门和马氏瓶，所述水槽和马氏瓶之间通过管道相连通，所述马氏瓶的顶部开有第一通孔，所述塞子设置在所述第一通孔处，所述阀门设置在所述马氏瓶的下部；所述实验土柱包括上盖和本体，所述上盖和本体螺接在一起，所述上盖顶部开有第二通孔，在所述第二通孔和所述阀门之间连接有管道，在所述本体内部设置有玻璃筛，在所述玻璃筛下部设置有滤纸，在所述本体的下部设置有出水口，在所述本体的侧壁开有第三通孔，所述第三通孔处设置有土壤水分传感器，所述土壤水分传感器通过导线连接到所述采集器；所述数据采集分析部件包括采集器、X光机和计算机，所述采集器和X光机的输出端连接到所述计算机的输入端口。
进一步：所述供水部件还包括升降器，所述升降器设置有升降旋钮，所述供水槽和马氏瓶放置在所述升降器上部。
进一步：所述出水口通过管道连接到烧杯。
进一步：所述本体的侧壁开有至少三个第三通孔，在每个第三通孔处设置有土壤水分传感器，每个土壤水分传感器通过导线连接到所述采集器。
进一步：所述第三通孔排列在垂直方向的不同高度上。
进一步：所述便携式X光机设置有高度调节装置。
本发明所解决的另一个技术问题是提供一种测定土壤水分运动与土壤结构的方法，可以广泛应用与土壤水分和溶质迁移过程与土壤结构的关系的试验装置中。
一种测定土壤水分运动与土壤结构的方法，包括：
连接管道和线路，打开实验土柱的上盖，向本体中放入测试土壤，在测试土壤上方依次放入滤纸和玻璃筛，然后将所述上盖和本体拧紧，关闭阀门，打开塞子；
打开计算机和采集器，设置采集器的采样时间间隔，使数据采集分析部件处于工作状态；
通过供水部件向供水槽中注入水，在供水槽水满时自动向马氏瓶中供水，待马氏瓶中水面高度和供水槽中的水面高度相同时，打开阀门给所述实验土柱供水；
启动采集器和X光机，在所述采集器设定的采样时间间隔下采集测试土壤的含水量和土壤图像数据；
计算机记录测试土壤的含水量变化和土壤数字图像情况，将土壤数字图像输入Image J图像处理系统进行图像处理，并得到分形维数。
优选的：向所述供水槽中注入含有染色示踪剂的水。
优选的：所述供水部件设置有升降器，所述升降器设置有升降旋钮，调节升降旋钮将供水槽和马氏瓶调整到合适高度。
优选的：所述本体的侧壁开有至少三个第三通孔，在每个第三通孔处设置有土壤水分传感器，每个土壤水分传感器通过导线连接到所述采集器。
本发明技术方案具有以下优点：
(1)本发明提供了一种能够测定土壤水分运动和土壤结构关系的试验装置及其方法，对于土壤水分运动的理论研究具有一定的指导意义，可以广泛应用与土壤水分和溶质迁移过程与土壤结构的关系的试验装置中。
(2)本发明土体上方采用以多孔网状有机树脂材质的有机玻璃筛，保证了土壤水分的均匀入渗。
(3)本发明通过土壤水分传感器自动采集土壤水分运动过程中的剖面土壤含水量试验数据，实现了试验的实时自动化监测。
(4)本发明采用便携式X光机对试验过程中的土壤剖面进行图像的采集，提高了土壤图像的采集精度。
(5)本发明的土壤水分采集和土壤图像的采集均连接计算机，实现了试验数据和图像的实施传输。
附图说明
图1是本发明中测定土壤水分运动与土壤结构的装置的结构原理图；
图2是本发明中采用Image J软件进行测试得到的土壤数字图像。
具体实施方式
本发明不仅能够实时跟踪监测土壤水分运动与土壤结构变化，而且可以实现非破坏性的高精度监测。本发明可用于土壤水分和溶质迁移转化的实验研究，并且可为建立符合实际的土壤水分和溶质迁移模型奠定基础，为土壤溶质运移的理论研究提供技术支撑。
下面参考附图和优选实施例，对本发明技术方案作详细描述。
如图1所示，是本发明中测定土壤水分运动与土壤结构的装置的结构原理图。本发明中，测定土壤水分运动与土壤结构的装置从整体上包括：供水部件、实验土柱和数据采集分析部件。
其中，供水部件包括：供水槽11、管道12、塞子13、阀门14、马氏瓶15、升降器16和升降旋钮17，水槽11和马氏瓶15之间通过管道12相连通，以保持相同水位，管道12可以选用PVC管子；马氏瓶15的顶部开有通孔，塞子13设置在通孔处，阀门14设置在马氏瓶15的下部，通过阀门14控制水的流速。供水槽11和马氏瓶15放置到升降器16上部，升降器16通过升降旋钮17调节位置的高低。供水系统为一可升降装置，其作用是为实验土柱供水。供水槽11采用自来水供水，升降器16通过升降旋钮17调节升降，实现调节马氏瓶15和供水槽11的上升和下降，实现不同供水压力的恒定水头。
实验土柱用于放置测试土壤，其结构包括上盖21和本体22，上盖21和本体22螺接在一起；上盖21顶部开有通孔，在该通孔和阀门14之间连接有管道18；在本体22内部设置有玻璃筛26，在玻璃筛26下部设置有滤纸，滤纸可以保证水均匀入渗，测试用土壤放到滤纸下部；在本体22的下部设置有出水口23，出水口23通过管道24连接到烧杯25，出水口23用来排出多余水分。在本体22的侧壁上垂直开有三个通孔，每个通孔处都设置有一个土壤水分传感器27，土壤水分传感器27用于探测实验过程中测试土壤的含水量，三个土壤水分传感器27通过导线连接到采集器31的输入端上。土壤水分传感器27中产生高频电信号，测量电容特性，从而计算出土壤含水量。
数据采集分析部件包括：采集器31、便携式X光机32和计算机33，采集器31和X光机32的输出端连接到计算机33的输入端口。便携式X光机32设置有高度调节装置，通过高度调节装置可以调节便携式X光机32的高度，使便携式X光机32在使用时正对试验土柱；便携式X光机32可以发射与接受X射线，便携式X光机32在试验过程中对试验土柱进行X光扫描，获取土壤剖面数字图像。土壤水分传感器27将采集到的土壤水分数据和便携式X光机32采集到的土壤剖面图像发送给采集器31，采集器31将收集到的上述信息发送给计算机33，保证了数据的实时传输和储存。土壤水分传感器27、采集器31、便携式X光机32和计算机33之间通过USB端口相连接。
在本发明中，计算机33记录土壤水分数据和土壤数字图像，通过升降装置改变和调整水头差来实现不同压力下的土壤水分运动试验。本发明装置的运行原理是，通过供水部件对实验土柱供水(含有示踪染色剂)，测量时，土壤水分传感器27产生高频电磁波，电磁波沿传输线进行传播，在末端经过周围有土壤介质的探针的反射在传输线上形成驻波，驻波的电压随着探针和周围土壤介质阻抗的变化而变化，通过测量传输线两端的电压差即可测出土壤的表现介电常数，从而测出土壤含水量，设定土壤水分传感器的测量时间间隔；在测定土壤含水量的同时，使便携式X光机32对土壤不同的剖面高度进行图像采集。根据不同时段土壤含水量的大小和土壤图像分形维数的计算，得到土壤水分运动和土壤结构的关系。
本发明的具体操作步骤如下：
1、首先，将本发明装置中所有的管道和线路连接好，打开实验土柱的上盖21，向本体22中放入测试土壤，在测试土壤上方依次放入滤纸和玻璃筛26，然后将上盖21和本体22拧紧，关闭阀门14，打开塞子13；
2、打开计算机33和采集器31，设置采样时间间隔10分钟，使数据采集分析部件处于工作状态；
3、向供水槽11中注入含有染色示踪剂的水，在供水槽11水满时自动向马氏瓶15中供水，调节升降旋钮17将供水槽11和马氏瓶15调整到合适高度，调节马氏瓶15和供水槽的上升和下降可以实现不同供水压力的恒定水头；
4、待马氏瓶15中水面高度和供水槽11中的水面高度相同时，打开阀门14给实验土柱供水；
5、启动采集器31和便携式X光机14，在设定的采样时间间隔下，采集土壤含水量和土壤图像数据；
6、计算机33将土壤的含水量变化和土壤数字图像情况记录下来；
7、将土壤数字图像输入Image J图像处理系统进行图像处理，并计算分形维数。
如图2所示，是本发明中采用Image J图像软件进行测试得到的土壤数字图像。土壤数字图像采集后采用Image J软件进行土壤数字图像的处理和土壤分形维数的计算。

Claims (10)

1.一种测定土壤水分运动与土壤结构的装置，其特征在于：包括供水部件、实验土柱和数据采集分析部件；其中，所述供水部件包括供水槽、塞子、阀门和马氏瓶，所述水槽和马氏瓶之间通过管道相连通，所述马氏瓶的顶部开有第一通孔，所述塞子设置在所述第一通孔处，所述阀门设置在所述马氏瓶的下部；所述实验土柱包括上盖和本体，所述上盖和本体螺接在一起，所述上盖顶部开有第二通孔，在所述第二通孔和所述阀门之间连接有管道，在所述本体内部设置有玻璃筛，在所述玻璃筛下部设置有滤纸，在所述本体的下部设置有出水口，在所述本体的侧壁开有第三通孔，所述第三通孔处设置有土壤水分传感器，所述土壤水分传感器通过导线连接到所述采集器；所述数据采集分析部件包括采集器、X光机和计算机，所述采集器和X光机的输出端连接到所述计算机的输入端口。
2.如权利要求1所述的测定土壤水分运动与土壤结构的装置，其特征在于：所述供水部件还包括升降器，所述升降器设置有升降旋钮，所述供水槽和马氏瓶放置在所述升降器上部。
3.如权利要求1所述的测定土壤水分运动与土壤结构的装置，其特征在于：所述出水口通过管道连接到烧杯。
4.如权利要求1所述的测定土壤水分运动与土壤结构的装置，其特征在于：所述本体的侧壁开有至少三个第三通孔，在每个第三通孔处设置有土壤水分传感器，每个土壤水分传感器通过导线连接到所述采集器。
5.如权利要求4所述的测定土壤水分运动与土壤结构的装置，其特征在于：所述第三通孔排列在垂直方向的不同高度上。
6.如权利要求1所述的测定土壤水分运动与土壤结构的装置，其特征在于：所述便携式X光机设置有高度调节装置。
7.一种测定土壤水分运动与土壤结构的方法，包括：
连接管道和线路，打开实验土柱的上盖，向本体中放入测试土壤，在测试土壤上方依次放入滤纸和玻璃筛，然后将所述上盖和本体拧紧，关闭阀门，打开塞子；
打开计算机和采集器，设置采集器的采样时间间隔，使数据采集分析部件处于工作状态；
通过供水部件向供水槽中注入水，在供水槽水满时自动向马氏瓶中供水，待马氏瓶中水面高度和供水槽中的水面高度相同时，打开阀门给所述实验土柱供水；
启动采集器和X光机，在所述采集器设定的采样时间间隔下采集测试土壤的含水量和土壤图像数据；
计算机记录测试土壤的含水量变化和土壤数字图像情况，将土壤数字图像输入Image J图像处理系统进行图像处理，并得到分形维数。
8.如权利要求6所述的测定土壤水分运动与土壤结构的方法，其特征在于：向所述供水槽中注入含有染色示踪剂的水。
9.如权利要求6所述的测定土壤水分运动与土壤结构的方法，其特征在于：所述供水部件设置有升降器，所述升降器设置有升降旋钮，调节升降旋钮将供水槽和马氏瓶调整到合适高度。
10.如权利要求6所述的测定土壤水分运动与土壤结构的方法，其特征在于：所述本体的侧壁开有至少三个第三通孔，在每个第三通孔处设置有土壤水分传感器，每个土壤水分传感器通过导线连接到所述采集器。
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