CN102680352A - 一种冻土导气率瞬态测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻土导气率瞬态测量系统及测量方法，其特点是测量系统由测筒（1）、供气源（3）和气压测量计（5）连接而成；利用本发明的测量系统测定冻土的导气特征参数S，将导气特征参数S代入本发明给出的计算公式即可计算出冻土的导气率，本发明简化了冻土导气率的测量过程，节省了测量时间和成本。本发明不仅在技术上能够实现，而且设备价格大大降低，易于推广应用。

Description

一种冻土导气率瞬态测量系统及测量方法

技术领域：

本发明涉及土壤物理领域，具体地讲是一种冻土导气率瞬态测量系统及测量方法。

背景技术：

导气率是土壤重要的特性参数之一，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、土壤呼吸、植被根系生长等因素之间存在密切的关系。从供气情况看，测量土壤导气率的方法可分为两大类，一类为稳态气流测量方法，一类为瞬态气流测量方法；从测量边界条件看，测量土壤导气率的方法可分为一维测量方法和三维测量方式，一维主要用于室内的测量，三维可用于原位的导气率测量。目前导气率的测量主要针对于融土，而有关冻土的导气率测量尚未涉及。冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤，由土颗粒、未冻水、冰及气体组成的，是典型的多相体材料。冻土是由固体矿物颗粒、冰包裹体、液相水（未冻水和强结合水）和气态包裹体（水汽和空气）组成的复合介质，冻土与融土的本质区别在于冻土中冰的存在。土冻结后强度将提高很多倍，其中主要依赖于冻土黏聚力的大幅度提高。冻土强度的大幅度提高导致用于测量融土导气率的装置很难应用，主要因为测量筒难于打入或者打入时对土壤造成较大的扰动。

发明内容：

本发明的目的是克服已有技术的不足，而提供一种冻土导气率瞬态测量系统。

本发明的另一目的是提供一种冻土导气率瞬态测量方法。

本发明主要解决主要解决现有的用于测量融土导气率的装置不适合于冻土、很难应用和冻土强度的大幅度提高导致，主要因为测量筒难于打入或者打入时对土壤造成较大的扰动等问题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种测量冻土导气率系统，其特殊之处在于，包括：

测筒，插入土壤一定深度，并用来提供一定的气体存储空间；

供气源，用来向测筒提供气体；

气压测量计，用来测量测筒内的气体压力；

所述测筒上端用橡皮塞密封，两根连接管一端分别经橡皮塞和测筒内部连通连接，另一端分别和气压测量计及供气源相连接，与供气源相连接的连接管上设置一阀门，用以关闭或打开连接管的通气状态；测筒下端开通不封闭。

进一步的，所述测筒材质为硬塑料或者金属，材质强度应确保在试验过程中筒体不变形。

采用上述测量系统进行冻土导气率瞬态的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

（1）利用土钻在待测位置钻取一定深度L的钻孔，钻孔直径和测筒直径D一致，在测筒外部涂抹凡士林，防止测筒外壁与钻孔之间漏气；

（2）利用供气源向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内压力到达预定值P(0)时停止供气，并关闭阀门；

（3）停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒压力的变化，按照先疏后密的原则记录测筒压力P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒内的压力接近大气压时，停止观测；

（4）以时间t为因变量，测筒的相对压力（测筒压力减去大气压力即P(t)-P_atm）的自然对数值ln（P(t)-P_atm)为自变量,确定二者的数量关系，并以二者确定的直线斜率的绝对值作为被测土壤的空气传导特征参数S;

（5）将得到的空气传导特征参数S代入以下公式中来计算土壤的导气率ka：                                                

；式中L为测筒插入土壤以下的长度（m），

为空气粘滞系数，与所处环境温度有关，

，A为测筒的横截面积（m2），D为测筒的直径（m），G为与

有关的形状系数,，V为测筒内部空间的体积（m3）。

进一步的，所述预定值P(0)为20-100cmH₂O的压力，即1.96kPa-9.81kPa。

本发明所述的一种冻土导气率瞬态测量系统及测量方法和已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1、测量在野外原位进行，对冻土扰动性极小，并给出了该测量边界条件下对应的导气率计算公式，所测结果真实反映了冻土的导气状况； 2、利用瞬态土壤导气原理测量冻土导气率，测量过程简单、耗时少，效率高；3、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为本发明的构造示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1，参见图1，采用硬塑料或者金属材质的测筒1，材质强度应确保在试验过程中筒体不变形，将测筒1插入土壤一定深度，并用来提供一定的气体存储空间，再将测筒1上端用橡皮塞2密封，将两根连接管4一端分别经橡皮塞2和测筒1内部相通连接，另一端分别和气压测量计5及供气源3相连接，与供气源3相连接的连接管4上设置一阀门6，测筒1下端开通不封闭；供气源3用来向测筒1提供气体，气压测量计5用来测量测筒1内的气体压力；形成本发明的一种冻土导气率瞬态测量系统。

实施例2，采用实施例1的测量系统进行冻土导气率瞬态的测量方法，步骤以下：利用土钻在待测位置钻取一定深度L的钻孔，要求钻孔直径和测筒直径D一致，在测筒外部涂抹一定量的凡士林，防止测筒外壁与钻孔之间漏气；利用供气源向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内压力到达预定值P(0)时停止供气，并关闭阀门，预定值P(0)为20-100cmH₂O的压力，即1.96kPa-9.81kPa；停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒压力的变化，按照先疏后密的原则记录测筒压力P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒内的压力接近大气压时，停止观测；以时间t为因变量，测筒的相对压力（测筒压力减去大气压力即P(t)-P_atm）的自然对数值ln（P(t)-P_atm)为自变量,确定二者的数量关系，并以二者确定的直线斜率的绝对值作为被测土壤的空气传导特征参数S; 将得到的空气传导特征参数S代入以下公式中来计算土壤的导气率k_a：

；

式中L为测筒插入土壤以下的长度（m），

为空气粘滞系数，与所处环境温度有关，

，A为测筒的横截面积（m2），D为测筒的直径（m），G为与有关的形状系数,

，V为测筒内部空间的体积（m3）。

Claims (4)

1.一种冻土导气率瞬态测量系统，其特征在于，包括：

测筒（1），插入土壤，并用来提供一定的气体存储空间；

供气源（3），用来向测筒（1）提供气体；

气压测量计（5），用来测量测筒（1）内的气体压力；

所述测筒（1）上端用橡皮塞（2）密封，两根连接管（4）一端分别经橡皮塞（2）和测筒（1）内部连通连接，另一端分别和气压测量计（5）及供气源（3）相连接，与供气源（3）相连接的连接管（4）上设置一阀门（6），测筒（1）下端开通不封闭。

2.根据权利要求1所述的一种冻土导气率瞬态测量系统，其特征在于，所述测筒（1）材质为硬塑料或者金属。

3.采用权利要求1或2所述的任一测量系统进行冻土导气率瞬态的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）利用土钻在待测位置钻取一定深度L的钻孔，钻孔直径和测筒直径D一致，在测筒外部涂抹凡士林，防止测筒外壁与钻孔之间漏气；

（2）利用供气源向测筒供气，当气压测量计测定的测筒内压力到达预定值P(0)时停止供气，并关闭阀门；

（3）停止供气同时开始计时，并观测气压测量计所测测筒压力的变化，按照先疏后密的原则记录测筒压力P(t)变化过程对应的累积时间t，当测筒内的压力接近大气压时，停止观测；

（4）以时间t为因变量，测筒的相对压力（测筒压力减去大气压力即P(t)-P_atm）的自然对数值ln（P(t)-P_atm)为自变量,确定二者的数量关系，并以二者确定的直线斜率的绝对值作为被测土壤的空气传导特征参数S;

（5）将得到的空气传导特征参数S代入以下公式中来计算土壤的导气率ka：                                                

；式中L为测筒插入土壤以下的长度（m），

为空气粘滞系数，与所处环境温度有关，

，A为测筒的横截面积（m2），D为测筒的直径（m），G为与

有关的形状系数,

，V为测筒内部空间的体积（m3）。

4.根据权利要求3所述的一种冻土导气率瞬态的测量方法，其特征在于，所述预定值P(0)为20-100cmH₂O的压力，即1.96kPa-9.81kPa。

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