CN103454403B - 一种适用于喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置 - Google Patents
一种适用于喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，由收纳池、水泥板和承重基槽三部分构成。其中预制钢挡板分别与收纳池、水泥板相连，水泥板与收纳池的底部相连，第一排水管与第一不锈钢钢槽相连，第二排水管与第二不锈钢钢槽相连，第三排水管与第三不锈钢钢槽相连，承重基槽与水泥板下端相连，三个不锈钢钢槽位于承重基槽的槽洞中，第一不锈钢钢槽、第二不锈钢钢槽和第三不锈钢钢槽外侧底端和外侧中部分别预留不锈钢排水管和拉手。该装置结构简单，操作方便，模拟不同岩土裂隙环境下土壤溶质的运移情况，解决了喀斯特地区水土过程和水化学模拟研究中存在的复杂困难、难以调控等问题。
Description
技术领域
本发明涉及试验装置领域，更具体涉及一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，它适合于科研、教学和环保部门进行生态脆弱区土壤水分、营养元素和有机、无机污染物在土壤中的迁移转化模拟研究。
背景技术
土壤溶质运移研究的是溶质在土壤中的迁移过程、规律和机理。土壤溶质指溶解于土壤水溶液中的化学物质，包括养分元素（N、P、K等）、盐分（Cl-、CO3 2-、SO4 2-、Ca2+、Mg2+、Na+等）和有机无机污染物。目前，土壤溶质运移的研究已成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等相关学科的基础和前沿研究领域，尤其是近年来,随着化肥、农药、污水灌溉引起的地下水和土壤污染等问题日益严重，土壤溶质运移研究也越来越受到重视（Kutilek and Nielsen，1994；Selim and Sparks，2001；李保国等，2005）。
国际上利用土壤剖面元素变化、渗漏计、接水盘、陶瓷管、排水采集器等多种方法对土壤溶质淋失机理和过程开展了大量研究。大多数研究方法如剖面元素含量变化及陶土管（suction cup）等间接方法无法直接测定淋溶水量，难以获得准确的溶质淋失量，目前已较少应用（朱波等，2013）。而排水采集器（lysimeter）和渗漏计等方法因能够同时测定水通量和溶质浓度，大多数田间试验通常采用此方法。但排水采集器和渗漏计的应用也有局限。排水采集器和渗漏计覆盖面积较小（≤1m2），而且建设通常破坏土壤原来结构，很难考虑土壤中大孔隙产生的优势流对土壤溶质迁移的影响，因此利用排水采集器实测多孔裂隙土壤环境溶质淋失的报道并不多。优势流是土壤中普遍存在的现象，它的存在降低了水和养分的可利用性，同时，由于它同土壤基质接触的面积小，使得许多污染物来不及降解就开始向下运移，增加了地下水污染。
我国是世界上喀斯特面积最大、分布最广的国家，主要集中在西南部区域，其特殊的地质背景和强烈的岩溶作用，形成地表地下二元结构，土层浅薄，下伏基岩裂隙、管道发育，地表水渗漏强烈，其径流及土壤养分流失特征与非喀斯特地区有很大差异。由于土壤持水能力差，岩石裂隙、溶洞、管道等多重介质构成的裂隙水流、地下管道流等优势水流对流域产汇流起主导作用。部分降雨通过小的裂隙和毛孔以相对缓慢的速度入渗，另一部分则通过竖井、落水洞、漏斗、大的裂隙等迅速汇入地下，这不仅造成了土壤营养元素的流失，而且也增加了地下水和下游地区的污染风险（White，2002；Bonacci et al.，2009）。
因管道水、裂隙水以及毛孔水在运动过程中会发生相互作用（Dasgupta et al.,2006；Schwarz et al.，2009），所以水文地质结构对水分的运移路径及过程有较大影响，因而喀斯特地区土壤溶质的迁移过程也远较其他地区复杂，其地表和地下水污染治理难度也更大。已有研究虽然认识到了喀斯特地区水文过程与表层岩溶带的结构、岩层产状、地表土壤和植被覆盖情况、降雨性质等因素有关（White，2002；Perrin et al.，2003；Williams，2008；Bonacciet al.，2009；袁道先等，1997；蒋忠诚等，2001），但由于没有考虑土壤-岩石构型对入渗过程的影响，目前对多石裂隙环境下土壤溶质的迁移规律、影响因素缺乏充分认识（Gabrielliet al.，2012），使得该地区土壤养分保蓄和水体污染治理等问题的解决缺乏科学支撑。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种适用于土层浅薄、基岩出露、地下裂隙广泛发育的喀斯特地表环境的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，该土壤溶质运移模拟装置结构简单，操作方便，收纳池底部的多孔结构、可抽拉式钢槽和环氧树脂涂抹的设计，可以模拟不同岩-土裂隙环境下土壤溶质的运移情况，解决了喀斯特地区水土过程和水化学模拟研究中存在的复杂困难、难以调控等问题，特别适合于土石结构复杂地区水土过程模拟研究。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，它包括收纳池、预制钢挡板、设备安置孔、水泥板、第一排水管、第二排水管、第三排水管、承重基槽、第一不锈钢钢槽、第二不锈钢钢槽、第三不锈钢钢槽、第一不锈钢管、第二不锈钢管、第三不锈钢管、第一拉手、第二拉手、第三拉手。其连接关系是：预制钢挡板分别与收纳池、水泥板相连，用于封闭收纳池的外侧开口。按照实验需要在预制钢挡板上开孔，作为设备安置孔安放土壤水分抽提装置和观察壤中流，开孔位置分别在距离上端10cm、20cm、30cm、50cm、70cm、100cm的位置，孔径大小为5cm。水泥板与收纳池的底部相连，用于封闭收纳池的底部开口。水泥板上带有三排直径为10cm的排水管，分别为第一排水管、第二排水管、第三排水管，用于导出收纳池中排出的土壤淋溶水和土壤颗粒。该三排排水管为带网筛的PVC管，每排排水管由10根PVC管组成，均匀排列在一条直线上，其中第一排水管与第一不锈钢钢槽相连，第二排水管与第二不锈钢钢槽相连，第三排水管与第三不锈钢钢槽相连。承重基槽与水泥板下端相连，用于承重。第一不锈钢钢槽、第二不锈钢钢槽和第三不锈钢钢槽位于承重基槽的三个槽洞中。不锈钢钢槽底部略向外倾斜，便于淋溶水和土壤颗粒的流出，第一不锈钢钢槽、第二不锈钢钢槽和第三不锈钢钢槽外侧底端预留内径10cm的不锈钢排水管，用于收集钢槽内流出的水和土壤颗粒，其中第一不锈钢管与第一不锈钢钢槽连接，第二不锈钢管与第二不锈钢钢槽连接，第三不锈钢管与第三不锈钢钢槽连接。第一不锈钢钢槽、第二不锈钢钢槽和第三不锈钢钢槽外侧中部焊接第一拉手、第二拉手、第三拉手，便于拉出第一不锈钢钢槽、第二不锈钢钢槽和第三不锈钢钢槽清理钢槽底部残留的土壤颗粒，其中第一拉手与第一不锈钢钢槽连接，第二拉手与第二不锈钢钢槽连接，第三拉手与第三不锈钢钢槽连接。
在土壤溶质运移模拟装置的收纳池中装填岩石和土壤，并通过控制岩石形状和体积，设置不同裂隙产状和裂隙度。利用天然降雨或模拟降雨，配合热脉冲TDR，研究土壤水分和溶质在多石裂隙环境的运移规律，流失通量和影响因素。其步骤是：
A、在土壤侵蚀与养分迁移模拟装置的收纳池中装填岩石和土壤，先装填岩石，再装填土壤。岩石和土壤的装填方法为：①将纯度较高的石灰岩块切割成长方体、平行六面体和棱台三种形状的岩块，每种形状的岩块按照固定规格切割若干块；②根据研究目的，将上述固定规格的岩块按比例搭配，堆砌成不同裂隙度和不同裂隙产状的岩体；③按照石灰土土壤剖面发育特点，分层填充土壤，其中C层和B层土壤适当压实，A层原状覆盖。
B、在钢挡板上不同层次的设备安置孔内安放土壤温度监测探针、热脉冲TDR和土壤溶液抽提装置，用于动态监测土壤剖面温度和水分变化情况以及土壤溶质运移特征。在钢槽排水孔安装水量表，用于动态监测土壤淋溶水的变化情况。
C、利用自然降雨或结合模拟降雨，记录单次降雨事件、季节和多年降雨条件下土壤剖面温度、水分的动态变化，收集土壤淋溶水溶液和泥沙，测定水溶液和泥沙中不同形态元素含量，分析不同岩石裂隙度和裂隙产状下土壤水分和溶质的运移规律，流失通量和影响因素。
用于实现本发明的组件包括：
一个内部长、宽、高为200cm、200cm、160cm的钢筋混凝土结构收纳池，一个宽160cm、高150cm的预制钢档板，六个直径5cm的设备安置孔，一个现浇水泥板，三排带网塞的的PVC排水管（其中每排有10个直径为10cm的PVC管组成），一个钢筋混凝土结构的承重基槽，三个可抽拉的不锈钢钢槽，三个不锈钢排水管，三个拉手，以及环氧树脂、软管、橡胶垫等组成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1.模拟装置上部收纳池外侧的可拆卸钢挡板结构设计便于岩石和土壤的装填和移出，使得模拟装置可以重复利用，实现了只需建造少量模拟装置，即可分批次进行多种岩-土裂隙环境、降雨强度、种植管理制度、人为干扰方式等条件下土壤水分和溶质运移的模拟研究。
2.将石灰岩切割成长方体、平行六面体和棱台三种形状的岩块，每种形状的岩块按固定规格切割若干块，可根据研究目的，将岩块按比例搭配即可堆砌成不同裂隙度和裂隙产状的岩体，便于模拟复杂多变的喀斯特岩-土裂隙环境。
3.模拟装置上部的收纳池为钢筋混凝土结构，结实耐用，相较于钢制结构的收纳池成本低，建造过程简单，使用方便。
4.模拟装置所有混凝土构造的内表面均涂抹环氧树脂，一方面用于防水，另一方面用于消除水化学实验时水泥表面对渗出水水化学性质的影响。
5.钢挡板上的设备安置孔可以安放土壤温度监测探针、热脉冲TDR和土壤溶液抽提管等装置，便于动态监测土壤剖面温度变化、土壤水分和土壤溶质运移特征。
6.模拟装置下端的钢槽排水孔可以安装水量表，有利于动态监测土壤淋溶水的变化。
7.适用性广，适合于科研、教学和环保部门进行土壤水分、营养元素和有机、无机污染物在土壤中的迁移转化模拟研究。
附图说明
图1为一种土壤侵蚀与养分迁移模拟装置结构示意图。
图2为一种土壤侵蚀与养分迁移模拟装置的收纳池示意图。
图3为一种土壤侵蚀与养分迁移模拟装置的水泥底板示意图。
图4为一种土壤侵蚀与养分迁移模拟装置的基槽示意图。
其中：收纳池1、预制钢挡板1-1、设备安置孔1-2、水泥板2、第一排水管2-1、第二排水管2-2、第三排水管2-3、承重基槽3、第一不锈钢钢槽3-1、第二不锈钢钢槽3-2、第三不锈钢钢槽3-3、第一不锈钢管3-4、第二不锈钢管3-5、第三不锈钢管3-6、第一拉手3-7、第二拉手3-8、第三拉手3-9。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，它包括收纳池1、预制钢挡板1-1、设备安置孔1-2、水泥板2、第一排水管2-1、第二排水管2-2、第三排水管2-3、承重基槽3、第一不锈钢钢槽3-1、第二不锈钢钢槽3-2、第三不锈钢钢槽3-3、第一不锈钢管3-4、第二不锈钢管3-5、第三不锈钢管3-6、第一拉手3-7、第二拉手3-8、第三拉手3-9。其连接关系是：预制钢挡板1-1分别与收纳池1、水泥板2相连，用于封闭收纳池1的外侧开口。按照实验需要在预制钢挡板1-1上开孔，作为设备安置孔1-2安放土壤水分抽提装置和观察壤中流，开孔位置分别在距离上端10cm、20cm、30cm、50cm、70cm、100cm的位置，孔径大小为5cm。水泥板2与收纳池1的底部相连，用于封闭收纳池的底部开口。水泥板2上带有三排直径为10cm的排水管，分别为第一排水管2-1、第二排水管2-2、第三排水管2-3，用于导出收纳池1中排出的土壤淋溶水和土壤颗粒。该三排排水管为带网筛的PVC管，每排排水管由十根PVC管组成，均匀排列在一条直线上，其中第一排水管2-1与第一不锈钢钢槽3-1相连，第二排水管2-2与第二不锈钢钢槽3-2相连，第三排水管2-3与第三不锈钢钢槽3-3相连。承重基槽3与水泥板2下端相连，用于承重。第一不锈钢钢槽3-1、第二不锈钢钢槽3-2和第三不锈钢钢槽3-3位于承重基槽的三个槽洞中。第一不锈钢钢槽3-1、第二不锈钢钢槽3-2和第三不锈钢钢槽3-3底部略向外倾斜，便于淋溶水和土壤颗粒的流出，第一不锈钢钢槽3-1、第二不锈钢钢槽3-2和第三不锈钢钢槽3-3外侧底端预留内径10cm的不锈钢排水管，用于收集钢槽内流出的水和土壤颗粒，其中第一不锈钢管3-4与第一不锈钢钢槽3-1连接，第二不锈钢管3-5与第二不锈钢钢槽3-2连接，第三不锈钢管3-6与第三不锈钢钢槽3-3连接。第一不锈钢钢槽3-1、第二不锈钢钢槽3-2和第三不锈钢钢槽3-3外侧中部焊接第一拉手3-7、第二拉手3-8、第三拉手3-9，便于拉出第一不锈钢钢槽3-1、第二不锈钢钢槽3-2和第三不锈钢钢槽3-3清理钢槽底部残留的土壤颗粒，其中第一拉手3-7与第一不锈钢钢槽3-1连接，第二拉手3-8与第二不锈钢钢槽3-2连接，第三拉手3-9与第三不锈钢钢槽3-3连接。
为了使模拟装置内的岩-土结构尽可能接近自然构造特征，同时又能实现岩石裂隙度和裂隙产状的人为调控，首先要对装填入收纳池的岩石和土壤进行预处理。步骤为，将纯度较高的石灰岩块切割成27种固定规格的岩块，其中长方体、平行六面体和棱台三种形状的岩块各9种规格，每种规格岩块的数量根据预设裂隙度和裂隙产状计算得出；根据研究目的，将上述固定规格的岩块按比例搭配，堆砌成不同裂隙度的岩体；根据土壤发生层次，分层采集土壤，将同一层次土壤风干，混匀；按照土壤剖面发育特点，分层填充土壤，先填充C层土壤，其次为B层，最后填充A层，其中C层和B层土壤适当压实，A层原状覆盖。
在土壤填充过程中，可根据研究需要分层埋设土壤水分、温度自动监测探针，也可在钢挡板上不同层次的设备安置孔内安放土壤温度监测探针、热脉冲TDR和土壤溶液抽提装置，用于动态监测土壤剖面温度、土壤水分变化和土壤溶质运移特征。在钢槽排水孔安装水量表，用于监测土壤淋溶水的动态变化。水量表的出口利用软管与淋溶水收集桶连接，用于采集水分和泥沙样品。
利用自然降雨或结合模拟降雨，记录单次降雨事件、季节和多年降雨条件下土壤剖面温度、水分的动态变化，收集土壤淋溶水溶液和泥沙，测定水溶液和泥沙中不同形态元素含量，分析不同岩石裂隙度和裂隙产状下土壤水分和溶质的运移规律，流失通量和影响因素。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，它包括收纳池（1）、预制钢挡板（1-1）、设备安置孔（1-2）、水泥板（2）、第一排水管（2-1）、第二排水管（2-2）、第三排水管（2-3）、承重基槽（3）、第一不锈钢钢槽（3-1）、第二不锈钢钢槽（3-2）、第三不锈钢钢槽（3-3）、第一不锈钢管（3-4）、第二不锈钢管（3-5）、第三不锈钢管（3-6）、第一拉手（3-7）、第二拉手（3-8）、第三拉手（3-9），其特征在于：预制钢挡板（1-1）分别与收纳池（1）、水泥板（2）相连，水泥板（2）与收纳池（1）的底部相连，水泥板（2）上带有三排直径为10 cm的排水管，分别为第一排水管（2-1）、第二排水管（2-2）、第三排水管（2-3），三排排水管为带网筛的PVC管，每排排水管由十根PVC管组成，均匀排列在一条直线上，其中第一排水管（2-1）与第一不锈钢钢槽（3-1）相连，第二排水管（2-2）与第二不锈钢钢槽（3-2）相连，第三排水管（2-3）与第三不锈钢钢槽（3-3）相连，承重基槽（3）与水泥板（2）下端相连，第一不锈钢钢槽（3-1）、第二不锈钢钢槽（3-2）和第三不锈钢钢槽（3-3）位于承重基槽的3个槽洞中，第一不锈钢钢槽（3-1）、第二不锈钢钢槽（3-2）和第三不锈钢钢槽（3-3）外侧底端预留内径10 cm的不锈钢排水管，第一不锈钢钢槽（3-1）外侧中部焊接第一拉手（3-7），第二不锈钢钢槽（3-2）外侧中部焊接第二拉手（3-8），第三不锈钢钢槽（3-3）外侧中部焊接第三拉手（3-9）。
2.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，其特征在于：所述的预制钢挡板（1-1）上开圆形设备安置孔（1-2），设备安置孔（1-2）安放土壤水分抽提装置，开孔位置分别在距离预制钢挡板上端10 cm、20 cm、30 cm、50 cm、70 cm、100 cm的位置，孔径大小为5 cm。
3.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，其特征在于：所述的第一拉手（3-7）与第一不锈钢钢槽（3-1）连接，第二拉手（3-8）与第二不锈钢钢槽（3-2）连接，第三拉手（3-9）与第三不锈钢钢槽（3-3）连接。
4.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区的土壤侵蚀与养分迁移模拟装置，其特征在于：所述的水泥板（2）上带有三排直径为10 cm的排水管，分别为第一排水管（2-1）、第二排水管（2-2）、第三排水管（2-3），三排排水管为带网筛的PVC管，每排排水管由十根PVC管组成，均匀排列在一条直线上。
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