CN102507888A - 模拟地下水的非饱和供水装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟地下水的非饱和供水装置，其包括土壤存储器、储水器、水压调节器、压力差传感器、土壤水分传感器、数据处理单元。土壤存储器用于填入试验土柱；储水器用于向土壤存储器供水；水压调节器注水后用于调节储水器的供水压力；压力差传感器用于测定储水器上下两端的压力差；土壤水分传感器用于检测试验土柱的土壤含水量；数据处理单元用于根据设定的时间间隔自动采集、存储和显示试验土柱剖面含水量数据和供水量数据。本发明可以模拟实际地下水埋深并测定水分变化过程，试验过程所应用的试验土柱体积也较小，成本较低。

Description

模拟地下水的非饱和供水装置

技术领域

本发明涉及一种应用于模拟地下水埋深控制性试验的模拟地下水的供水装置，尤其涉及一种模拟地下水的非饱和供水装置，属于土壤物理学领域。

背景技术

农业面源污染、农田生态系统中潜水利用以及土壤盐渍化等日益受到世界各国的关注，许多学者都针对这些问题进行了大量研究。在地下水浅埋地区，潜水蒸发是农田生态系统水循环的重要组成部分，也是地下水的主要排泄方式之一；反过来，作物通过消耗地下水也影响着地下水埋深。地下水埋深对于农业面源污染和土壤盐渍化也起着非常重要的作用。因此，模拟地下水埋深的控制性试验得到了广泛应用。然而，在模拟不同地下水埋深情况的科研试验中，目前普遍采用的是饱和供水方式，这必然要求试验土柱高度必须大于最大地下水埋深，从而使实际应用的试验土柱高度较高，成本较大，操作不便；或者使埋深设置范围受到极大限制，尤其是在农田生态系统潜水蒸发利用的科学研究中，为了模拟地下水较大埋深情况，需要在野外开挖较深(4～5m)的地下室，但科研试验通常仅关心作物根区(1～2m)土壤水分分布及蒸散发情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟地下水的非饱和供水装置，用于解决目前在模拟不同地下水埋深情况的科研试验中，普遍采用的饱和供水方式存在的试验土柱高度较高或埋深设置范围受限的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的模拟地下水的非饱和供水装置包括土壤存储器、储水器、水压调节器、压力差传感器、土壤水分传感器、数据处理单元。土壤存储器用于填入试验土柱，所述土壤存储器的底部设有进水阀；储水器呈封闭结构，用于向所述土壤存储器供水，所述储水器的底部设有出水阀和底部进气阀，所述储水器的顶部设有顶部进气阀，所述出水阀通过管道连接于所述进水阀；水压调节器呈封闭结构，用于储水以调节所述储水器中的压力，所述水压调节器的顶部设有排气阀，所述水压调节器的侧面设有水压调节进气阀，所述排气阀管道连接于所述底部进气阀；压力差传感器用于测定所述储水器上下两端的压力差，所述压力差传感器的高压端连接于所述底部进气阀，所述压力差传感器的低压端连接于所述顶部进气阀；土壤水分传感器设于所述土壤存储器的侧壁且插入试验土柱中，用于检测试验土柱的水分；数据处理单元和所述压力差传感器和所述土壤水分传感器连接，用于根据设定的时间间隔自动采集、存储和显示试验土柱剖面含水量数据和供水量数据。

在上述模拟地下水的非饱和供水装置的一种优选实施方式中，所述土壤存储器的底层为用于填入颗粒物的缓冲区。

在上述模拟地下水的非饱和供水装置的一种优选实施方式中，所述水压调节器的侧面设有多个位于不同高度的水压调节进气阀。

在上述模拟地下水的非饱和供水装置的一种优选实施方式中，所述土壤水分传感器为多个，且所述多个土壤水分传感器分别设于所述土壤存储器的侧壁的不同高度。

本发明的土壤存储器填入试验土柱之后，可以在试验土柱底部或者其优选实施方式的缓冲区形成一个水势张力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不断从缓冲区进入土壤并向上传输，从而实现非饱和自动供水，模拟实际地下水埋深并测定水分变化过程，试验过程所应用的试验土柱体积也较小，成本较低。此外，本发明的数据处理单元可以自动记录土壤剖面水分变化过程，时间间隔可自由设定为不同间隔。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

在详细描述本发明之前，简单说明一下“饱和”和“非饱和”的概念，二者为土壤物理学术语，土壤中所有孔隙都充满水即为“饱和”。土壤中部分孔隙有水为“非饱和”。现有底部供水装置的出水端的水为自由水，因此接触供水端的土壤先达到饱和后，土壤中水分再向上扩散。本发明的出水端水压小于大气压(也称负压)，接触供水端土壤未达到饱和(非饱和)，依靠土壤的吸力将水吸入土壤中，然后再向上扩散。

图1示意性的示出了本发明优选实施例的结构，如其所示，本发明优选实施例包括水压调节器1、压力差传感器2、储水器3、土壤存储器4、土壤水分传感器5、数据处理单元6。需要补充说明的是，为了简化附图，图1未示出连接压力差传感器2和数据处理单元6的信号传输线路。

土壤存储器4用于填入试验土柱41以及在其底部填入颗粒物，例如颗粒直径达5mm、厚度达6cm的砾石层，以形成缓冲区42，储水器3中的水分通过管道进入由粗砂填充的缓冲区42，可以快速扩散充满整个缓冲区，这样可以保证试验土柱41整个下底面完全与水面接触，达到均匀供水。在本优选实施例中，土壤存储器4可以由长为130cm、内径为20cm的有机玻璃管和一直径达25cm的有机玻璃圆底组成，有机玻璃圆底和有机玻璃管的结合处外围均匀涂抹凡士林后用螺丝紧固，以防止漏水。土壤存储器4的底部设有进水阀43，顶部呈开放结构。进水阀43的高度对应于缓冲区42，水流经由进水阀43进入缓冲区42之后，在缓冲区42形成一个水势张力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不断从缓冲区42进入试验土柱41并向上传输，从而本优选实施例实现非饱和自动供水，模拟实际地下水埋深并借助多个设于土壤存储器4侧壁的土壤水分传感器5测定水分变化过程。

储水器3呈封闭结构，优选柱状结构，用于向土壤存储器4的缓冲区42供水，其主体结构也可以由透明的有机玻璃管制成，该有机玻璃管的上下端部都密封，在侧壁或顶部打穿透孔设置相关部件，以作进水、出水、进气、排气之用。储水器3的底部设有出水阀33和底部进气阀32，储水器3的顶部设有顶部进气阀31，出水阀33通过管道连接于土壤存储器4的进水阀43。

水压调节器1也呈封闭结构，优选柱状结构，可以由透明的有机玻璃制成，用于在注水之后调节储水器3向缓冲区42供水的压力，水压调节器1的顶部设有排气阀12，水压调节器1的侧面设有多个位于不同高度的水压调节进气阀11，排气阀12管道连接于储水器3的底部进气阀32，连接排气阀12和底部进气阀32的管道可以为橡胶软管，橡胶软管以空气作为传递压力的介质。

在本优选实施例的电器件中，压力差传感器2用于实现储水器3供水水量的自动测定，并将检测的数据发送至数据采集单元6以进行记录、显示或存储。压力差传感器2是通过测定储水器3上下两端的压力差获取其供水水量。压力差传感器2的高压端22连接于储水器3的底部进气阀32，压力差传感器2的低压端21连接于储水器3的顶部进气阀31。多个土壤水分传感器5分别设于土壤存储器4侧壁的不同高度，用于检测试验土柱41在不同高度的水分。数据处理单元6包括用于显示其数据处理结果或运行参数的显示单元61、用于输入控制指令的输入单元62，数据处理单元6与压力差传感器2、多个土壤水分传感器5分别连接，用于按照设定时间间隔自动采集试验土柱41的剖面含水量数据(由土壤水分传感器5测得)和储水器3的水位变化数据(由压力差传感器2测得)。本发明的数据采集单元可以为通用集成电路，也可以为专用集成电路，例如其可以选用CR200数据采集器。

本优选实施例调节供水压力的根据为压力平衡和传递原理：相互连通的水体在同一水平面的水压处处相等，与大气接触的自由水面处水压与大气压力相等。该装置正常工作状态下，水压调节器1在某个高度的进气阀11打开，该进气阀11高度处水压等于大气压力，并且整个装置系统压力保持平衡。当缓冲区42水分由于土壤张力被吸入土壤并向上传输后，缓冲区42水压降低，导致整个装置系统压力失衡，外界大气经进气阀11进入水压调节器1中，继而经进气阀32进入储水器3中。进入储水器3中的气泡上升到储水器3上部后，储水器3上部密闭空气压力增大，则储水器3中的水分经出水阀33补充进入缓冲区42中，系统压力重新达到平衡。这一过程持续、动态进行，直到土壤中水势达到平衡。供水过程中进入土壤的水的压力小于大气压力，因此为非饱和供水。通过打开或关闭水压调节器1的不同高度的进气阀11，可以实现不同负压(小于大气压)情况下的非饱和自动供水。

在应用本优选实施例时，将试验土壤风干后过1mm土壤筛，按照一定的容重10cm一层分层装填入土壤存储器4形成试验土柱41，将进水阀43通过橡胶软管连接到储水器3的出水阀33，将土壤水分传感器5插入试验土柱41，并打开数据处理单元6，将水压调节器1的排气阀12通过橡胶软管连接到储水器3的底部进气阀32，调节水压调节器1中的水位设定好供水水压。打开储水器3的出水阀33，初始阶段打开顶部进气阀31，待试验土柱41的缓冲区42内完全充满水后，关闭顶部进气阀31，打开水压调节器1的进气阀11，开始非饱和供水。供水过程持续时间根据储水器3中水量和试验具体要求设定。数据处理单元6自动采集试验土柱41的土壤剖面含水量数据并存储，或者根据需要进行显示。

综上所述，本发明通过在试验土柱底部缓冲区形成一个水势张力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不断从缓冲区进入土壤并向上传输，实现非饱和自动供水，模拟实际地下水埋深并测定水分变化过程；并且利用了水压可调的供水系统，在缩减试验土柱体积的同时，实现了模拟地下水不同埋深自动为试验土柱供水以及自动记录土壤剖面水分变化过程的有益效果。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.一种模拟地下水的非饱和供水装置，其特征在于，包括：

土壤存储器，用于填入试验土柱，所述土壤存储器的底部设有进水阀；

储水器，呈封闭结构，用于向所述土壤存储器供水，所述储水器的底部设有出水阀和底部进气阀，所述储水器的顶部设有顶部进气阀，所述出水阀通过管道连接于所述进水阀；

水压调节器，呈封闭结构，用于注水后调节所述储水器的供水压力，所述水压调节器的顶部设有排气阀，所述水压调节器的侧面设有水压调节进气阀，所述排气阀管道连接于所述底部进气阀；

压力差传感器，用于测定所述储水器上下两端的压力差，所述压力差传感器的高压端连接于所述底部进气阀，所述压力差传感器的低压端连接于所述顶部进气阀；

土壤水分传感器，设于所述土壤存储器的侧壁且插入试验土柱中，用于检测试验土柱的土壤含水量；

数据处理单元，和所述压力差传感器和所述土壤水分传感器连接，用于根据设定的时间间隔自动采集、存储和显示试验土柱剖面含水量数据和供水量数据。

2.根据权利要求1所述的模拟地下水的非饱和供水装置，其特征在于，所述土壤存储器的底层为用于填入颗粒物的缓冲区。

3.根据权利要求1所述的模拟地下水的非饱和供水装置，其特征在于，所述水压调节器的侧面设有多个位于不同高度的水压调节进气阀。

4.根据权利要求1所述的模拟地下水的非饱和供水装置，其特征在于，所述土壤水分传感器为多个，且所述多个土壤水分传感器分别设于所述土壤存储器侧壁的不同高度。

Images