CN102721799B - 一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其包括透明柱体、若干法兰盘、活动板、不锈钢丝纱网、底盘、支架以及地下水位模拟组件，底盘固定于柱体的一端，支架与底盘连接，柱体为多段结构由若干段子柱体组成，相邻两个子柱体之间由一个该法兰盘固定连接，活动板与不锈钢丝纱网均收容在靠近该底端的法兰盘的凹槽内，地下水位模拟组件连接于底盘的底部。本发明的优点在于：能成毛管水上升、模拟大气降水条件下土壤水盐运移、模拟蒸发条件下土壤水盐运移、控制地下水位变化条件下水盐运移等实验，利用该套装置能实现矿区粉煤灰充填复垦地土壤-粉煤灰基质中的水盐运移状态的动态观测，探寻出最适宜于作物生长的复垦模式。<!--1-->

Description

一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种煤矿区域用的模拟实验装置，尤其是涉及一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置。

背景技术

土地复垦技术是指对生产建设过程造成的挖损、塌陷、压占等土地破坏采取的修复性生态工程措施，使其生态功能部分或全部恢复或修复的行动或过程，如对已开采矿区的排土场、尾矿库、城市采石场以改善土地肥力，提高生物生产力为目的的土地复垦。目前复垦后土地存在着作物产量低、复垦土壤质量低等问题。提高土地整治的综合利用效益，处理好土地整治与煤炭企业生产的关系，是关系到矿区可持续发展的关键。研究复垦土壤条件下的土壤理化生物学性状及其水分和溶质运移情况，即从不同厚度的复垦土地、土壤-复垦基质结构的土壤本身理化生物学特征和水盐运移的特征规律着手，探寻土壤-复垦基质充填复垦结构的最适宜覆土范围、最优土壤肥力质量状况，适用于不同土地复垦模式下的土壤水盐运移研究。实验结果可以为复垦工程的有效实施提供有力的参考依据。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能实现矿区复垦地土壤-基质中的水盐运移状态的动态观测，探寻出最适宜于作物生长的复垦模式的针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置。

本发明是这样实现的，一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其包括透明柱体、若干法兰盘、活动板、不锈钢丝纱网、底盘、支架以及地下水位模拟组件，该底盘封闭固定于该柱体的一端作为该柱体的底端，该支架与该底盘固定连接支撑该柱体，该柱体的侧壁上沿平行于该柱体的中心线方向上设置有一排水势传感器安装孔、一排盐分传感器安装孔、一排温度传感器安装孔、两排排气孔以及一排取样孔，从垂直于该柱体的中心线方向上看，三排传感器安装孔呈多层平面间隔均匀排列，每层平面包括一个水势传感器安装孔与一个盐分传感器安装孔，相邻两层平面之间包括至少一个温度传感器安装孔，该两排排气孔中的其中一排与该排取样孔相邻，该两排排气孔中的另一排与该排水势传感器安装孔相邻，每排上的孔均匀分布，每个水势传感器安装孔安装有水势传感器，每个盐分传感器安装孔安装有盐分传感器，每个温度传感器安装孔安装有温度传感器，该柱体上靠近该底端的侧壁开设有通气孔，该柱体为多段结构由若干段子柱体组成，相邻两个子柱体之间由一个该法兰盘固定连接，该活动板与该不锈钢丝纱网均收容在靠近该底端的法兰盘的凹槽内，且该不锈钢丝纱网位于该活动板上，该纱网的孔径小于该活动板的每个通孔的孔径，该地下水位模拟组件连接于该底盘的底部进行地下水位的模拟。

作为上述方案的进一步改进，每个水势传感器安装孔的孔壁沿该柱体的侧壁向外延伸，且其孔壁倾斜于该柱体的侧壁。

作为上述方案的进一步改进，每个水势传感器安装孔的孔壁与该柱体的侧壁之间的夹角满足以下条件：tana=r/(H/n)，其中，H指当该柱体盛有复垦土壤时，从靠近该底端的法兰盘到该柱体的顶端之间的距离减去该柱体的顶端至该复垦土壤之间的距离，n是水势传感器数，r是该柱体的内径。

作为上述方案的进一步改进，该通气孔设置有排气阀。

作为上述方案的进一步改进，该土柱模拟实验装置还包括蒸发模拟器，该蒸发模拟器为悬设于该第一柱体的端口之上的红外线灯或白炽灯。

作为上述方案的进一步改进，该土柱模拟实验装置还包括大气降水模拟器，该大气降水模拟器包括悬设于该第一柱体的端口之上的喷水器和水流量计，该喷水器与该水流量计连接。作为上述方案的进一步改进，该地下水位模拟组件包括收容有液态水的马氏瓶、大气连通管以及水管，该大气连通管的一端浸入在该液态水中，其另一端延伸在该马氏瓶外而暴露于空气中，该水管的一端通过该底盘延伸于该柱体内，其另一端通过该马氏瓶的底部延伸于该马氏瓶内。

作为上述方案的进一步改进，该底盘与该马氏瓶的底部均设置有水龙头，该水管的两端分别与该两个水龙头连接。

作为上述方案的进一步改进，该大气连通管与该马氏瓶上端接口处采用紧密的垫圈-有机玻璃圆环-塑料螺栓组合。

作为上述方案的进一步改进，该支架的底部设置有多个轮子，至少两个轮子安装有轮子制闸。

本发明提供的针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置的优点在于：可完成毛管水上升、模拟大气降水条件下土壤水盐运移、模拟蒸发条件下土壤水盐运移、控制地下水位变化条件下水盐运移等实验，利用该套装置可以实现矿区粉煤灰充填复垦地土壤-粉煤灰基质中的水盐运移状态的动态观测，探寻出最适宜于作物生长的复垦模式，结果相对精确。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置的局部结构示意图。

图2为图1中不锈钢丝网的俯视图。

图3为本发明较佳实施方式提供的针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置的支架的俯视图。

主要符号说明：第一法兰盘1，第二法兰盘2，底盘3，活动板4，通气孔5，碎石6，螺丝8，水龙头9，水管10，模拟蒸发器11，马氏瓶12，大气连通管13，进水孔14，水17，土壤18，复垦基质19，不锈钢丝网20，螺丝孔22，轮子23，轮子制闸24，水势传感器34，盐分传感器35，第一子柱体31，第二子柱体32，第三子柱体33，支架27，通道29。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1、图2以及图3，其为本发明较佳实施方式提供的针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置的结构示意图。土柱模拟实验装置用于研究复垦土壤条件下的土壤理化生物学性状及其水分和溶质运移情况，即从不同厚度的复垦土地、土壤-复垦基质结构的土壤本身理化生物学特征和水盐运移的特征规律着手，探寻土壤-复垦基质充填复垦结构的最适宜覆土范围、最优土壤肥力质量状况，适用于不同土地复垦模式下的土壤水盐运移研究。实验结果可以为复垦工程的有效实施提供有力的参考依据。土柱模拟实验装置包括透明柱体、第一法兰盘1、第二法兰盘2、活动板4、底盘3、地下水位模拟组件、支架27、不锈钢丝纱网20、蒸发模拟器11。透明柱体内收容有土壤18、复垦基质19（如粉煤灰等）、碎石6。

底盘3封闭固定于该柱体的一端作为该柱体的底端，支架27与底盘3固定连接支撑该柱体。该柱体的侧壁上沿平行于该柱体的中心线方向上设置有一排水势传感器安装孔34（安装有水势传感器）、一排盐分传感器安装孔35（安装有盐分传感器）、一排温度传感器安装孔（图未示，安装有温度传感器）、两排排气孔（图未示）以及一排取样孔（图未示），从垂直于该柱体的中心线方向上看，三排传感器安装孔呈多层平面间隔均匀排列，每层平面包括一个水势传感器安装孔34与一个盐分传感器安装孔35，相邻两层平面之间包括至少一个温度传感器安装孔，该两排排气孔中的其中一排与该排取样孔相邻，该两排排气孔中的另一排与该排水势传感器安装孔34相邻，每排上的孔均匀分布，该柱体上靠近该底端的侧壁开设有通气孔5，可以理解，该通气孔5可以设置排气阀（图未示）便于控制通气的时间。三排传感器安装孔横向呈多层平面间隔均匀排列是要保证传感器测的数据的有效性，三排传感器安装孔纵向呈直线式开孔是考虑到监测数据的不重复性与代表性，分别从两种角度的考虑，兼顾后测得数据才能有用。

每个水势传感器安装孔34的孔壁沿该柱体的侧壁向外延伸，且其孔壁倾斜于该柱体的侧壁。每个水势传感器安装孔34的孔壁与该柱体的侧壁之间的夹角满足以下条件：tana=r/(H/n)，其中，H指当该柱体盛有复垦土壤时，从靠近该底端的法兰盘到该柱体的顶端之间的距离减去该柱体的顶端至该复垦土壤之间的距离，n是水势传感器数，r是该柱体的内径。这样，保证在柱体内水势传感器同一个高度处的盐分传感器在柱体的同心圆内。

该柱体为多段结构由若干段子柱体组成，相邻两个子柱体之间由一个该法兰盘固定连接。在本实施方式中，柱体包括均呈透明且两端开口筒状的第一子柱体31、第二子柱体32、第三子柱体33，三个子柱体31、32、33由两个法兰盘1、2固定连接。

土壤18收容在该柱体的顶部形成土壤层；复垦基质19收容在该柱体内形成复垦基质层，该复垦基质层与土壤层相邻并位于土壤层的底部；碎石6收容在该柱体内形成反滤层，该反滤层与复垦基质层相邻并位于复垦基质的底部。活动板4开设有呈均匀分布的多个通孔（图未示），活动板4与不锈钢丝纱网20均收容在靠近该底端的法兰盘（即第二法兰盘2）的凹槽内，且不锈钢丝纱网20位于该活动板4上，不锈钢丝纱网20的孔径小于活动板4的每个通孔的孔径。

地下水位模拟组件连接于该底盘3的底部用于对该柱体进行地下水位的模拟。地下水位模拟组件包括收容有液态水17的马氏瓶12、大气连通管13以及水管10。该大气连通管13的一端浸入在该液态水17中，其另一端延伸在该马氏瓶12外而暴露于空气中。该底盘3与该马氏瓶12的底部均设置有水龙头9，该水管10的两端分别与该两个水龙头9连接。

在本实施方式中，土柱（即柱体组件）整体高度160公分，内径30公分，下端有与马氏瓶12相连通的水阀（即水龙头9），整体采用双层法兰盘设置，该项创新有利于具体的实验操作。第一法兰盘1位置在土柱中间75公分处（即第一子柱体31与第二子柱体32之间），此处设置便于分层填装土柱以及实验完成后的土柱清洗工作；第二法兰盘2位置在土柱150公分处（即第二子柱体32与第三子柱体33之间），位于土柱底端的反滤层上，该反滤层10公分，充满碎石6，此处设置便于安装多孔活动板4，方便了多孔活动板4的拆卸清洗工作。另外，本套装置中的第一、第二法兰盘1、2与土柱连成一体，均由亚克力板制成。具体地，每个法兰盘外径41cm，以两个法兰盘为界分为三层，上层75cm，中层75cm，下层10cm。分层处连接的法兰盘在于柱子本身连为一体，法兰盘处用8个螺栓固定，其间垫有橡皮圈，以便拧紧后密封不漏水。底部的反滤层填满10cm碎石6，碎石6上方放置多孔活动板4。

在反滤层的上方柱壁紧贴着多孔活动板4下方，设有一个可控制开关的排气孔，在实验过程中，该项创新能使土柱在供水时及时的将反滤层中的封闭气体排出，也可通过此孔来随时调节控制马氏瓶12上大气连通管13的液面在下端口处。另外在土柱壁上，分别在水势传感器孔34侧和取样孔（图未示，通过取样孔可以对土柱内的成分取样）测按照一定的间隔分别设计了6个排气孔，该类孔在蒸发实验时打开，加速蒸发实验速率，有效地加快实验进程，在本实施方式中，采用蒸发模拟器11进行蒸发试验，蒸发模拟器11为悬设于第一子柱体31的端口之上的红外线灯或白炽灯。在需要做大气降水模拟实验时，采用大气降水模拟器，该大气降水模拟器包括悬设于该第一子柱体31的端口之上的喷水器和水流量计，该喷水器与该水流量计连接，因此在做蒸发试验或大气降水模拟实验时，需要更换悬设于该第一子柱体31的端口之上的相应器件。

土柱上开的孔有：前面均匀分布有8个盐分传感器孔35，内径0.75cm，间距17.5cm，第一个盐分传感器孔距土柱顶端17.5cm。后面均匀分布4个温度传感器孔34，内径0.5cm，间距35cm，第一个温度传感器孔距土柱顶端17.5cm。左侧分布均匀分布8个取样孔和6个排气孔，取样孔内径1.25cm，间距17.5cm，第一个取样孔距土柱顶端17.5cm。排气孔内径0.2cm，间距17.5cm，第一个排气孔距土柱顶端26.25cm。右侧分别均匀分布8个水势传感器34和6个排气孔，排气孔分布和左侧排气孔的分布相同，水势传感器孔34内径1.25cm，间距17.5cm，倾角20°，延伸出的孔径嘴长5cm，第一个水势传感器孔距土柱顶端12.04cm。

另外，在反滤层上方紧贴活动板设有排气孔，内径1.5cm。多孔活动板4位于土柱上第二法兰盘2处，主要作用是防止土壤18的土粒进入碎石同时并不影响地下水供给，厚度1cm。多孔活动板4上覆盖一层内径29cm的不锈钢丝纱网20（请参阅图2），钢丝网孔径1mm；以多孔活动板4中心为圆心，直径在25cm的范围内，均匀分布小孔21，小孔内径0.1cm，小孔间距0.5cm。

马氏瓶12整体高度80公分，内径30公分，下端有与土柱相连通的水阀，上端在中心位置安装了大气连通管13，长85公分，内径1.8公分。本部分的创新处在于大气连通管13与马氏瓶12上端接口处采用紧密的垫圈-有机玻璃圆环-塑料螺栓组合，可以很方便地通过控制大气连通管13下端口在液面下的位置来模拟控制地下水位，解决了大气连通管13的可控制移动与密封同步的问题。具体地，马氏瓶12全称为马利奥特瓶，由有机玻璃制成的封闭玻璃柱，高80.0cm，内径30cm，外径32cm。马氏瓶12底部开有连通土柱的水龙头9，内径15mm，高8cm。上部开有内径3.0cm的进水孔14，在上部圆心处开有内径1.5cm的安置大气连通管13的孔。

大气连通管13：高85cm，内径1.8cm，外径2.5cm，与外部大气连通，橡皮圈-亚克力圆环-塑料螺栓可控制大气连通管活动，同时可以保证马氏瓶12内部的密封性。塑料螺栓高3.5cm，内径2.5cm，外径6cm；橡皮圈内径2.5cm，外径6cm；亚克力圆环内径2.5cm，外径6cm，厚度0.2cm。

如图3所示，支架27四脚分别安装有轮子23，前面两个轮子23设置有轮子制闸24可以制动以阻止土柱装置移动，当然也可以在四个轮子23上均设置轮子制闸24，支架27四脚，长51cm，宽51cm，高35cm，整体钢板喷漆。支架27的顶部开设有若干螺丝孔22，是为了通过螺丝与底盘3螺合固定，固定时水龙头9透过支架27的通道29显露，从而方便实验者操作。

本套实验装置可以解决的主要问题有以下几点：

1）本套装置主体由亚克力板（机玻璃）制成，强度高，实验装置加工制作简单、经济、可行，能承受较大的压力，并且管壁透明，便于实验过程中观察记录；

2）在相对应的配套装置上有很大的创新，完善了的大气联通管的控制移动与保证马氏瓶密封性同步的问题；

3）本套装置提出了新的排气措施，和以往装置比较更加提高了实验效率；

4）本套装置的双层法兰盘设置，方便分层填装土柱、拆卸、清洗，更加利于实验操作。

本实验装置的优点在于：可完成毛管水上升、模拟大气降水条件下土壤水盐运移、模拟蒸发条件下土壤水盐运移、控制地下水位变化条件下水盐运移等实验，利用该套装置可以实现矿区粉煤灰充填复垦地土壤-粉煤灰基质中的水盐运移状态的动态观测，探寻出最适宜于作物生长的复垦模式，结果相对精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，其包括透明柱体、若干法兰盘、活动板、不锈钢丝纱网、底盘、支架以及地下水位模拟组件，该底盘封闭固定于该柱体的一端作为该柱体的底端，该支架与该底盘固定连接支撑该柱体，该柱体的侧壁上沿平行于该柱体的中心线方向上设置有一排水势传感器安装孔、一排盐分传感器安装孔、一排温度传感器安装孔、两排排气孔以及一排取样孔，从垂直于该柱体的中心线方向上看，三排传感器安装孔呈多层平面间隔均匀排列，每层平面包括一个水势传感器安装孔与一个盐分传感器安装孔，相邻两层平面之间包括至少一个温度传感器安装孔，该两排排气孔中的其中一排与该排取样孔相邻，该两排排气孔中的另一排与该排水势传感器安装孔相邻，每排上的孔均匀分布，每个水势传感器安装孔安装有水势传感器，每个盐分传感器安装孔安装有盐分传感器，每个温度传感器安装孔安装有温度传感器，该柱体上靠近该底端的侧壁开设有通气孔，该柱体为多段结构由若干段子柱体组成，相邻两个子柱体之间由一个该法兰盘固定连接，该活动板与该不锈钢丝纱网均收容在靠近该底端的法兰盘的凹槽内，且该不锈钢丝纱网位于该活动板上，该纱网的孔径小于该活动板的每个通孔的孔径，该地下水位模拟组件连接于该底盘的底部进行地下水位的模拟；

每个水势传感器安装孔的孔壁沿该柱体的侧壁向外延伸，且其孔壁倾斜于该柱体的侧壁；

每个水势传感器安装孔的孔壁与该柱体的侧壁之间的夹角满足以下条件：tana＝r/(H/n)，其中，H指当该柱体盛有复垦土壤时，从靠近该底端的法兰盘到该柱体的顶端之间的距离减去该柱体的顶端至该复垦土壤之间的距离，n是水势传感器数，r是该柱体的内径。

2.如权利要求1所述的一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，该通气孔设置有排气阀。

3.如权利要求1所述的一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，该土柱模拟实验装置还包括蒸发模拟器，该蒸发模拟器为悬设于该第一柱体的端口之上的红外线灯或白炽灯。

4.如权利要求1所述的一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，该土柱模拟实验装置还包括大气降水模拟器，该大气降水模拟器包括悬设于该第一柱体的端口之上的喷水器和水流量计，该喷水器与该水流量计连接。

5.如权利要求1所述的一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，该地下水位模拟组件包括收容有液态水的马氏瓶、大气连通管以及水管，该大气连通管的一端浸入在该液态水中，其另一端延伸在该马氏瓶外而暴露于空气中，该水管的一端通过该底盘延伸于该柱体内，其另一端通过该马氏瓶的底部延伸于该马氏瓶内。

6.如权利要求5所述的一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，该底盘与该马氏瓶的底部均设置有水龙头，该水管的两端分别与该两个水龙头连接。

7.如权利要求5所述的一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，该大气连通管与该马氏瓶上端接口处采用紧密的垫圈-有机玻璃圆环-塑料螺栓组合。

8.如权利要求1所述的一种针对矿区复垦土壤与粉煤灰基质的土柱模拟实验装置，其特征在于，该支架的底部设置有多个轮子，至少两个轮子安装有轮子制闸。