CN102680374A - 一种非饱和土壤渗透系数测定的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，至少包括底座、土柱系统、补排系统以及测量系统，土柱系统至少包括柱状直管、连接管以及透水石，柱状直管内部盛放有土样，柱状直管的侧壁上均匀分布有通孔，连接管设有两个且分别固定于柱状直管的两端，透水石位于两连接管内；补排系统包括进水部件和溢水部件，其中进水部件包括升降架以及安装在升降架上的进水箱，溢水部件包括升降架以及安装在升降架上的溢水箱；测量系统包括土壤水势测量仪以及渗透流量测量仪，其中土壤水势测量仪为张力计，渗透流量测量仪包括量筒以及连接于量筒和溢水箱之间的溢水管。本发明提供的实验装置解决了现有技术中的不足，其测定方便，费用低，误差小。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内测量非饱和土壤渗透系数的实验装置，属于水文地质领域。
背景技术
在土壤物理、水利工程和水文长流计算等许多应用和研究领域中都需要知道非饱和土壤水分的运动规律，对土壤水分运动规律进行研究也是发展精确农业、生态农业的必要因素。非饱和土壤的渗透系数直接影响和控制着水及化学物质在土壤和地下水中的分布和运移速度，因此它是研究及描述水和化学物质在土壤和地下水中运移的关键资料。如果没有足够可靠的土壤水力传导度的资料，无论使用什么方法或模型，对于水和溶质在土壤和地下水中运动的预测都是值得怀疑的。因此，研究非饱和土壤的渗透系数测定方法具有重要的现实意义及理论价值。科学的分析和描述土壤水、溶质运移规律，调节、改变当前的农业用水方式可以效地缓解水资源短缺问题，提高农业水资源利用率；在这些理论地指导下，可以加快精准农业和生态农业地发展，可以促使水土和水与环境之间地平衡。
传统的非饱和土壤渗透系数的测定方法分为直接法和间接法：直接法有稳定入渗法、稳定蒸发法、非稳定流瞬时剖面法、压力板或压力膜出流法、零通量面法、野外瞬时剖面法等；间接方法有CD法，水分特征曲线法等，这些方法存在的缺点总结如下：1、实验观测和数据处理较为繁琐，不仅浪费时间，而且因观测值过多，计算结果误差较大；2、受到技术含量、实验条件的限制，达不到预期的效果；3、费用高，有的实验不能实施或者中途停止实施，造成了资金的浪费。近年来，各领域一直在寻求一种操作简便，费用低，误差小的测定方法。
发明内容
本发明提供了一种非饱和土壤渗透系数的室内测定的实验装置，解决了上述现有技术中的不足，其测定方便，费用低，误差小。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，至少包括底座、土柱系统、补排系统以及测量系统，土柱系统至少包括柱状直管、连接管以及透水石，柱状直管内部盛放有土样，柱状直管的侧壁上均匀分布有通孔，连接管设有两个且分别固定于柱状直管的两端，两连接管的一端与柱状直管连通，两连接管的另一端均连接有水管，透水石位于两连接管内；补排系统包括进水部件和溢水部件，其中进水部件包括升降架以及安装在升降架上的进水箱，进水箱通过水管与柱状直管一端的连接管连通；溢水部件包括升降架以及安装在升降架上的溢水箱，溢水箱通过水管与柱状直管另一端的连接管连通；测量系统包括土壤水势测量仪以及渗透流量测量仪，其中土壤水势测量仪为张力计，张力计上通过塑料管连接有陶土头，陶土头位于柱状直管上的通孔内，柱状直管上的其他通孔内均设有透气帽；渗透流量测量仪包括量筒以及连接于量筒和溢水箱之间的溢水管柱状直管为带孔有机玻璃管，连接管为有机玻璃管，两者之间通过固结板和螺杆紧密连接。两水管以及溢水管均为硅胶管，且两水管均通过橡胶塞安装于连接管上。
底座上固定有土柱支架，土柱系统固定于土柱支架上，补排系统和测量系统均安装于底座上。
进水箱内设有隔板A和隔板B，两隔板将进水箱从左至右分成顶部连通的三个腔室，且三个腔室的底部依次设有进水口、补水口和出水口，进水口、补水口和出水口的下方均设有接头，其中补水口通过接头和水管与连接管连通，进水口和出水口上通过接头连接有进水管和出水管。隔板B的高度大于隔板A。
溢水箱内设有隔板C，隔板C将溢水箱分成顶部连通的两个腔室，且两个腔室的底部分别设有排水口和溢水口，排水口和溢水口的下方均设有接头，排水口通过接头和水管与连接管连通，溢水口通过接头和溢水管与量筒连通。
进水箱和溢水箱的背部均设有滑动轴承及安装有螺母的螺母套件；升降杆包括水箱支架、导轨以及螺纹导轨，水箱支架呈方框状且竖直固定于底座上，导轨和螺纹导轨均安装于水箱支架上且两者均朝向竖直方向，螺纹导轨的高度高于水箱支架且能够在支架内旋转，螺纹导轨的顶端设有把手；滑动轴承套在导轨上，螺母套件套在螺纹导轨上，通过旋转螺纹导轨能够使进水箱和溢水箱在升降杆上升降。
所述的张力计包括塑料管、陶土头、标有刻度的玻璃管、张力计支架、塑料瓶和盛放于塑料瓶内的水银，玻璃管设有三根且均竖直固定于张力计支架上，玻璃管的底端与塑料瓶连通，玻璃管的顶端与塑料管连接，三根玻璃管分别通过塑料管对应连接三个陶土头。三个陶土头分别位于柱状直管的两端及中部，且三者位于同一直线上。
本发明通过将土样装入带孔有机玻璃管中，通过螺杆与两节固定有透水石的有机玻璃管固定在一起，固结板可以起固定和密封的作用，透水石可以固定住土样，透气帽可以透气和防止土壤流失。进水箱和溢水箱通过水管分别和带孔有机玻璃管两端的有机玻璃管相连，通过使溢水箱的高度低于进水箱的高度，可以在土柱两端形成水头差，从而可以使水在土柱中定向渗流，溢水箱通过溢水管和量筒相连，量筒可以测量一定时间内溢出水的体积，张力计可以测量土柱中的负压。渗流稳定后，测量溢水箱中溢出水的流量，并记录土柱中各点处的负压值，从而可以通过达西定律算出对应水头差下土样的渗透系数，再通过调节进水箱和溢水箱的高度，在形成的不同水头差下实验，从而可以研究非饱和土壤渗透系数的特征。
本发明作为教学仪器有助于学生更好理解非饱和土壤水的渗透实验的实验原理和达西定律及达西定律在非饱和渗流中的推广应用等理论，在试验过程中通过改变实验条件可以锻炼学生的发现、分析和解决问题的能力，提高学生的动手能力；在生产中，可以用来测定农田的土壤的渗透系数，为研究农田土壤改良提供参数，也可以测定受污染的土壤的渗透系数，为研究污染物在非饱和土壤中的运移提供参数；在研究中可以深入研究非饱和土壤渗透系数与土壤的含水量、土壤颗粒的直径和土壤的物理化学性质的关系，还可以用于毛细格栅和包气带中溶质运移等研究中的相关参数的测定，总之，本发明提供的装置具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的实验装置的整体结构示意图；
图2为土柱系统的结构示意图；
图3为张力计的结构示意图；
图4为进水箱的结构示意图；
图5为图4的剖视图；
图6为溢水箱的结构示意图；
图7为图6的剖视图；
图中：1-底座，2-土柱系统，3-土柱支架，4-张力计，5-塑料管，6-柱状直管，7-连接管，8-橡胶塞，9-固结板，10-陶土头，11-透气帽，12-螺杆，13-溢水管，14-水管，15-出水管，16-进水管，17-接头，18-进水箱，19-溢水箱，20-水箱支架，21-导轨，22-螺纹导轨，23-把手，24-量筒，25-玻璃管，26-张力计支架，27-塑料瓶，28-水银，29-隔板C，30-隔板A，31-隔板B，32-滑动轴承，33-螺母套件，34-螺母，35-进水口，36-补水口，37-出水口，38-排水口，39-溢水口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细具体的说明。
本发明提供的实验装置的整体结构如图1所示，包括底座1、土柱系统2、补排系统以及测量系统。底座1上固定有土柱支架3，土柱系统2固定于土柱支架3上，补排系统和测量系统均安装于底座1上。
土柱系统2的结构如图2所示，由柱状直管6、连接管7以及透水石组成。柱状直管6的内部盛装有土样，柱状直管6的侧壁上均匀分布有通孔，在本实施例中柱状直管6为带孔有机玻璃管。连接管7固定于柱状直管6的两端，两连接管7的一端均与柱状直管6连通，两连接管7的另一端均通过橡胶塞8连接有水管14，所述的水管14选用硅胶管。透水石位于两连接管7内，所述的透水石呈圆柱状，其内部有细小空隙，因此其透水性较好。在本实施例中，连接管7为有机玻璃管，且柱状直管6和连接管7之间通过固结板9和螺杆12紧密连接，为了保证连接的密封性，固结板9之间涂抹有凡士林。
补排系统包括进水部件和溢水部件，其中进水部件包括升降架以及安装在升降架上的进水箱18；溢水部件包括升降架以及安装在升降架上的溢水箱19。
进水箱18的结构如图4和图5所示，进水箱18内设有隔板A30和隔板B31，隔板B31的高度大于隔板A30。两隔板将进水箱18从左至右分成顶部连通的三个腔室，且三个腔室的底部依次设有进水口35、补水口36和出水口37，进水口35、补水口36和出水口37的下方均设有接头17，其中补水口36通过接头17和水管14与连接管7连通，进水口35和出水口37上通过接头17连接有进水管16和出水管15。。
溢水箱19的结构如图6和图7所示，溢水箱19内设有隔板C29，隔板C29将溢水箱19分成顶部连通的两个腔室，且两个腔室的底部分别设有排水口38和溢水口39，排水口38和溢水口39的下方均设有接头17，排水口38通过接头17和水管14与连接管7连通，溢水口39通过接头17和溢水管13与量筒24连通。
如图4及图6所示，进水箱18和溢水箱19的背部均设有滑动轴承32及安装有螺母34的螺母套件33；升降杆包括水箱支架20、导轨21以及螺纹导轨22，水箱支架20呈方框状且竖直固定于底座1上，导轨21和螺纹导轨22均安装于水箱支架20上且两者均朝向竖直方向，螺纹导轨22的高度高于水箱支架20且能够在支架内旋转，螺纹导轨22的顶端设有把手23；滑动轴承32套在导轨21上，螺母套件33套在螺纹导轨22上。由于螺母34与螺纹导轨22相匹配，因此当旋转螺纹导轨22时，螺母套件33能够带动进水箱18和溢水箱19在升降杆上升降，以此调节水头高度。
测量系统包括土壤水势测量仪以及渗透流量测量仪，其中土壤水势测量仪为张力计4，张力计4的结构如图3所示，包括塑料管5、陶土头10、标有刻度的玻璃管25、张力计支架26、塑料瓶27和盛放于塑料瓶27内的水银28，玻璃管25设有三根且均竖直固定于张力计支架26上，玻璃管25的底端与塑料瓶27连通，玻璃管25的顶端与塑料管5连接，三根玻璃管25分别通过塑料管5对应连接三个陶土头10。陶土头10位于柱状直管6上的通孔内，在本实施例中，三个陶土头10分别位于柱状直管6的两端及中部，且三者位于同一直线上。柱状直管6上的其他通孔内均设有透气帽11，所述的透气帽11为纱布或细密滤网。渗透流量测量仪包括量筒24以及连接于量筒24和溢水箱19之间的溢水管13，溢水管13为硅胶管，溢水管13的顶端通过接头17与溢水口39连接。
本发明提供的实验装置的使用方法如下：
（1）准备土样
实验土样来自野外，将采集到的粉土去除杂质后在通风处风干。
（2）装样
将土样装入带孔有机玻璃管中后，并将粉土压实，装样时应尽量避免扰动陶土头，装样完毕后，利用螺杆将对应的固结板固定在一起。为了防止漏水和漏气，在固结板间涂上凡士林。
（3）形成定向渗流
调节进水箱的高度，使其高于土柱，给进水箱供水，直至土柱中充满水。调节两个水箱的高度，使进水箱低于土柱，溢水箱低于进水箱，使土柱中形成定向渗流。
（4）在不同水头差下进行试验
通过调节进水箱和溢水箱的高度，使土柱在不同水头差下形成稳定渗流，通过量筒测量溢水箱中溢出水的流量，通过张力计测量土柱中的负压，得到的实验结果。
Claims (10)
1.一种非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：至少包括底座、土柱系统、补排系统以及测量系统，土柱系统至少包括柱状直管、连接管以及透水石，柱状直管内部盛放有土样，柱状直管的侧壁上均匀分布有通孔，连接管设有两个且分别固定于柱状直管的两端，两连接管的一端与柱状直管连通，两连接管的另一端均连接有水管，透水石位于两连接管内；补排系统包括进水部件和溢水部件，其中进水部件包括升降架以及安装在升降架上的进水箱，进水箱通过水管与柱状直管一端的连接管连通；溢水部件包括升降架以及安装在升降架上的溢水箱，溢水箱通过水管与柱状直管另一端的连接管连通；测量系统包括土壤水势测量仪以及渗透流量测量仪，其中土壤水势测量仪为张力计，张力计上通过塑料管连接有陶土头，陶土头位于柱状直管上的通孔内，柱状直管上的其他通孔内均设有透气帽；渗透流量测量仪包括量筒以及连接于量筒和溢水箱之间的溢水管。
2.根据权利要求1所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：柱状直管为带孔有机玻璃管，连接管为有机玻璃管，两者之间通过固结板和螺杆紧密连接。
3.根据权利要求1所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：两水管以及溢水管均为硅胶管，且两水管均通过橡胶塞安装于连接管上。
4.根据权利要求1所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：底座上固定有土柱支架，土柱系统固定于土柱支架上，补排系统和测量系统均安装于底座上。
5.根据权利要求1所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：进水箱内设有隔板A和隔板B，两隔板将进水箱从左至右分成顶部连通的三个腔室，且三个腔室的底部依次设有进水口、补水口和出水口，进水口、补水口和出水口的下方均设有接头，其中补水口通过接头和水管与连接管连通，进水口和出水口上通过接头连接有进水管和出水管。
6.根据权利要求5所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：隔板B的高度大于隔板A。
7.根据权利要求1所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：溢水箱内设有隔板C，隔板C将溢水箱分成顶部连通的两个腔室，且两个腔室的底部分别设有排水口和溢水口，排水口和溢水口的下方均设有接头，排水口通过接头和水管与连接管连通，溢水口通过接头和溢水管与量筒连通。
8.根据权利要求5或7所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：进水箱和溢水箱的背部均设有滑动轴承及安装有螺母的螺母套件；升降杆包括水箱支架、导轨以及螺纹导轨，水箱支架呈方框状且竖直固定于底座上，导轨和螺纹导轨均安装于水箱支架上且两者均朝向竖直方向，螺纹导轨的高度高于水箱支架且能够在支架内旋转，螺纹导轨的顶端设有把手；滑动轴承套在导轨上，螺母套件套在螺纹导轨上，通过旋转螺纹导轨能够使进水箱和溢水箱在升降杆上升降。
9.根据权利要求1所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：所述的张力计包括塑料管、陶土头、标有刻度的玻璃管、张力计支架、塑料瓶和盛放于塑料瓶内的水银，玻璃管设有三根且均竖直固定于张力计支架上，玻璃管的底端与塑料瓶连通，玻璃管的顶端与塑料管连接，三根玻璃管分别通过塑料管对应连接三个陶土头。
10.根据权利要求9所述的非饱和土壤渗透系数测定的实验装置，其特征在于：三个陶土头分别位于柱状直管的两端及中部，且三者位于同一直线上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131211 Termination date: 20150525 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |