CN103743660B - 检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置，包括两个半环、位于半环直径延长线上的四片连接板、入土打击装置，所述入土打击装置包括二个铁锤导管、铁锤；所述四片连接板上设置有两两相对的螺孔，所述铁锤导管上部设置有定位部件，所述铁锤的直径小于铁锤导管的直径。本发明还提供通过所述装置检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的方法。应用所述环式入渗仪测量初始入渗率结果的检验方法。本发明针对环式入渗仪测量初始土壤入渗率偏高的问题，提出一种能用试验数据定量计算测得初始入渗率偏高的量值。本发明装置结构简单，工作可靠，为环式入渗仪测量的初始土壤入渗率评估提供方法。

Description

检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的装置和方法

技术领域

本发明属于土壤入渗特性测量领域，具体涉及检验环式入渗仪测量土壤初始入渗率效果的试验装置和方法。

背景技术

土壤的入渗性能对研究水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀、土壤水分与溶质运移等方面密切相关。因此对土壤入渗过程进行定量描述具有重要意义。土壤入渗率的测量是定量研究土壤入渗性能的基础，长期以来受国内众多学者的广泛关注。目前，土壤入渗率测量方法较多，如环刀法、圆盘入渗仪、模拟降雨法、降雨入流-产流-出流法和双环法；其中双环法，由于计算模型简单，设备成本较低，是目前应用非常普遍也是经典的土壤入渗性能测量方法。环式入渗仪包括双环入渗仪和单环入渗仪。

但是国内外大量研究结果表明，环式入渗仪测量结果是人工降雨法测量结果的2-10倍。蒙宽宏（《土壤水分入渗测定方法及影响因素》，东北林业大学2006年硕士论文）的研究结果表明，在坡度为0°、5°、10°和20°的土地上，双环入渗仪的测量结果分别是人工降雨法的2.6、2.8、6.4和3倍；环式入渗仪测量结果是环刀法测量结果的2-4倍；JM（JM,AlvesJúniorJ,S,etal.Double-ringandtensioninfiltrometermeasurementsofhydraulicconductivityandmobilesoilregions[J].PesquisaAgropecuáriaTropical,2011,41(3):336-347.）对比双环和张力入渗仪测定土壤饱和导水率，结果显示对同一块土地双环法测得的结果（341.25mm/h，）是张力入渗仪测得结果（55.83mm/h）的6.1倍，而对另一块土地环式入渗仪的测定结果是张力入渗仪的12.8倍。丁文峰等（丁文峰,张平仓,任洪玉,等.秦巴山区小流域水土保持综合治理对土壤入渗的影响[J].水土保持通报,2007,27(1):11～14.）用双环入渗仪测量了秦巴山区小流域水土保持综合治理影响下的土壤入渗率，结果为：鹦鹉洲农地稳定入渗率最大为156mm/h、最小12mm/h，相差13倍；林地最大266mm/h、最小144mm/h，相差约2倍。西沟流域农地和荒地的最大与最小稳定入渗率分别相差约11倍和6倍。上述现象说明环式入渗仪测量过程中存在较大的测量误差。

本发明提供的新型环式入渗仪组装快速，使用方便，能够分析环内土壤水分入渗状况、准确估测环式入渗仪测量初始入渗率偏大倍数，更可以大大提高土壤入渗能力研究的力度。

发明内容

针对现有环式入渗仪测量土壤入渗率偏高的问题，本发明的目的是提供一种检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的装置和方法，可观测入渗水分在土壤剖面分布的环式入渗仪及其应用环式入渗仪评估初始入渗率的方法。

本发明的另一目的是提出所述环式入渗仪的应用。

实现本发明上述目的的具体技术方案为：

一种可观测入渗水分在土壤剖面分布的环式入渗仪，包括两个半环、位于半环直径延长线上的四片连接板、入土打击装置，所述入土打击装置包括二个铁锤导管、铁锤；

所述四片连接板上设置有两两相对的螺孔，所述铁锤导管上部设置有定位部件，所述铁锤的直径小于铁锤导管的直径。

组装时将所述两个半环相对的连接板用螺栓固定为入渗环，优选在相对的连接片之间垫有防止渗水的垫片。垫片可以为橡胶、硅胶、橡皮等常见材质。

所述铁锤导管用于引导铁锤的下落，避免人工操作带来的系统误差。铁锤导管可以采用PVC材质，或其他塑料材质。所述铁锤导管长度优选为1.0-1.2m，直径70-90mm，在铁锤导管底部开有与所述入渗环适配的卡槽。

所述定位部件用于给铁锤定位。可以为任何常用的定位装置，例如铰链、夹持器件等，也可以在铁锤导管上部设置插槽和铁锤止动板，铁锤止动板插在插槽里，托住铁锤，取出铁锤止动板，铁锤落下。

其中，所述铁锤成对使用，每对铁锤质量相等，铁锤的质量（一个铁锤的质量）为0.8-1.1kg、2.0-2.5kg和3.5-4.5kg中的一种或多种。

使用本发明所述的检验装置检验环式入渗仪测量的初始入渗率的方法，包括步骤：

S1、通过螺栓将两个半环固定连接为一个完整的入渗环，将入渗环放在选定的土地上轻压，使得地面显现连接板所处的位置，然后移走入渗环；

S2、在连接板处取土打孔，然后将入渗环放在土壤上，使连接板处在打孔的位置；可使用土钻按照连接板的位置打孔；

S3、将两个铁锤导管沿直径对称位置铅直放在入渗环上，铁锤止动板插入插槽，从铁锤导管上部放入铁锤，置于铁锤止动板上，同时抽出铁锤止动板，使两个铁锤从相同高度自由落体打击入渗环。重复以上操作，直到入渗环入土深度达到10-20cm；

S4、在环内表层铺上纱布（铺在土壤表面上），用电子秤量取1-3kg的水，一次性加入环内，记录所加水量全部完成入渗所需时间；通常采用秒表记录；

S5、入渗完成后，剖开入渗环外侧土壤，然后拧开连接螺栓，取出入渗环，铅直剖切环内的土壤，观测入渗水分分布；

进一步地，步骤S5还包括记录剖面的铅直入渗深度z和水平径向入渗宽度w，由测量结果计算湿润体体积，进而计算铅直入渗水量和总的入渗水量，由总的入渗水量和铅直入渗水量计算环式入渗仪测量土壤初始入渗率的误差。

其中，所述剖切可位于环状土壤的1/4，1/2或3/4体积处。

其中，所述湿润体体积V由铅直入渗圆台和水平径向入渗圆环两部分组成，所述铅直入渗圆台和水平径向入渗环圆环接触面为斜面。

入渗湿润体的体积由图4中的V₁和V₂构成，总的湿润体体积为V=V₁+V₂。

V₁形状为倒立圆台，圆台高度为z，两底面直径分别为D和D-2w，其体积计算公式为：

$V_1=\frac{[{\mathrm{\πD}}^2+\mathrm{\π}{(D-2w)}^2]}{4}\×z\×\frac{1}{2}---\left(1\right)$

V₂为侧壁湿润体体积，由V₂’和V₃构成。V₂’由高度为z直径为D的圆柱体体积减去圆台体积V₁计算得到，其公式为：

$V_2^{,}=\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^{2}z-V_1---\left(2\right)$

V₃为L（L表示未湿润土体等高的环状平面）以下所形成的圆环形湿润体体积，由L下部整个土柱体积减去未湿润体积计算得到，其公式为：

$V_3=\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^2(h-z)-\frac{1}{4}\mathrm{\π}{(D-2w)}^2(h-z)---\left(3\right)$

$V_2=V_3+V_2^{,}---\left(4\right)$

由（1）～（4）即可求得湿润体体积V，

由Green-Ampt模型计算湿润体V₁和V₂的入渗水量，

Q₁=（θ_s-θ_i)V₁（5）

Q₂=（θ_s-θ_i)V₂（6）

式中，θ_s为土壤饱和体积含水率cm³/cm³；θ_i为初始土壤含水率，即未湿润土壤体积含水率cm³/cm³。

本发明的有益效果在于：

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明主要针对现有的环式入渗仪测量土壤入渗率偏高的问题，提出一种能用试验现象直观地解释环式入渗仪测量土壤初始入渗率偏高的原因，试验数据计算测得初始入渗率偏高的倍数。

2、本发明环式入渗仪的砸入装置，可以保证一次试验中，每次打击入渗环的能量相同；由于单次打击入渗环的能量不同，产生不同的震动模态，会对土壤和环壁之间缝隙的大小产生不同程度的影响；该砸入装置能消除不同能量对入渗环震动模态的影响，保证每次打击入渗环产生的震动模态相同；且该砸入装置可以选用不同质量的铁锤，以选取一次试验中单次打击入渗环的能量。本发明装置结构简单，工作可靠，为环式入渗仪测量结果的评估提供方法。

附图说明

图1为本发明检验装置中，由两个半环组成的入渗环立体图。

图2为本发明检验装置中，由两个半环组成的入渗环俯视图。

图3为本发明检验装置中的入土打击装置。

图4为环状土壤剖切后的剖面图。

图5是试验获得的铅直入渗深度和水平径向入渗宽度之间的关系图；横坐标表示水平径向入渗宽度，单位是cm，纵坐标是铅直入渗深度，单位是cm；二者的关系为y=1.001x，铅直入渗深度是水平径向入渗宽度的1.001倍，决定系数R²=0.8411；

图6是由铅直入渗深度和水平径向入渗宽度计算得到的总的湿润体体积和铅直湿润体体积之间的关系图；横坐标表示铅直湿润体体积cm³，纵坐标表示总的湿润体体积cm³；二者的关系为y=2.5779x，总的湿润体体积是铅直湿润体积的2.5779倍，决定系数R²=0.6102；

图7是湿润体体积计算得到总的入渗水量和铅直入渗水量之间的关系图；横坐标表示铅直入渗水量，单位是cm³，纵坐标表示总的入渗水量，单位是cm³；二者的关系为y=2.5783x，总的入渗水量是铅直入渗水量的2.5783倍，决定系数R²=0.9553。

图中，1为半环，2为连接板，3为螺栓，4为垫片，5为铁锤导管，6为插槽，7为卡槽，8为1kg铁锤，9为2kg铁锤，10为4kg铁锤，11为铁锤止动板。

具体实施方式

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：

环式入渗仪测量入渗率假定环内水分为铅直一维入渗，入渗率计算公式为

$i_t=\frac{Q}{\mathrm{S\Δt}}\×600---\left(7\right)$

式中，i_t为Δt时段时刻末入渗率，mm/h；Q为Δt时段入渗水量，ml；S为入渗面积，cm²；Δt为入渗时段，min。但大量研究文献表明，环式入渗仪测量结果远大于人工降雨法测量结果，因此设想环内水分不是铅直一维入渗，而是由铅直入渗和沿环壁向内的径向入渗共同构成。在入渗结束后，可以使用本发明通过拧开螺栓取出半环，剖切土体观察环内土壤水分分布，以确定环内土壤水分的入渗过程。

如图1、2所示，本发明的新型环式入渗仪包括有两个半环1、四个连接板2、两个橡皮垫片4和六个螺栓3；其中螺栓规格为10mm并通过连接板2将两个半环1连接为一个整环。铁锤导管用PVC制成，直径74mm，起引导铁锤运动的作用，管壁厚3mm，高105cm。在离顶部5cm处开有插口，用于放入铁锤止动板。铁锤止动板为厚5mm的铁板，头部做成半圆，直径略小于铁锤导管，为67mm，后部矩形，宽60mm，长74mm。试验时，将铁锤止动板插入插口，铁锤放到铁锤止动板上，当抽出铁锤止动板时，铁锤下落，从而保证每次铁锤都从相同的高度自由落体打击入渗环，即每次砸到入渗环的能量相同。铁锤直径均是60mm，质量分别为1、2、4kg。

如图3所示，本发明的砸入装置包括两个1kg铁锤8、两个2kg铁锤9、两个4kg铁锤10、两个铁锤导管4；其中铁锤导管上部距顶部50mm处开有宽2mm深30mm的插槽6、底部铅直的方向开有宽2.5mm高10mm的卡槽7。将入渗环装好放在被测土地上后，将铁锤导管4的卡槽7卡在入渗环上，将铁锤止动板11插入插槽6，从铁锤导管上部放选定质量的铁锤到铁锤止动板11上，以保证铁锤每次从相同的高度下落打击入渗环，直至入渗环入土所需深度。

采用上述的检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的试验装置，进行一次试验的方法包括以下步骤：

1）试验前，在选定的试验土地上，轻压组装好的入渗环，然后移走入渗环。用土钻在连接板标记的位置处取土打孔。将入渗环放在试验的土地上，使连接板处于打孔位置处。选定一定质量的铁锤，用打击装置将入渗环打入土中所需深度。

2）试验时，在环内土壤表面上铺上纱布，用电子秤称取2000ml水，一次性加入环内，用秒表记录所加水量完成入渗所需时间。入渗完成后，剖开环外土壤，立即拧开螺栓，取出入渗环；由切刀依次剖切1/4，1/2，3/4的土壤，并用皮尺量取各个剖面的铅直入渗深度和侧壁入渗宽度（图4，图4阴影部分表示有入渗）。

下面进一步说明检验环式入渗仪测量土壤初始入渗率效果试验装置的适用性及检测效果。

供试土壤为粉壤土（粘粒15%，粉粒50.2%，砂粒34.8%）。在2×0.75×0.5m的土槽内，装土容重控制在1.2，1.3，1.4g/cm³，每5cm为一层分层装入。土样放入土槽后用靶子整平，再压实到5cm划线处。并在装入下一层土壤之前，先将前次装入的土层用工具打毛，以避免上下土层之间出现结构和水动力学特性突变等内边界。整个土槽的装土深度为35cm，初始含水率为11%左右。各组试验进行两次重复。

三种不同容重的土壤在不同打击能量下的铅直入渗深度和径向入渗宽度如表1所示。

表1不同条件下铅直入渗深度和径向入渗宽度测量结果

表1中第一行“(1)、(2)”表示两次重复试验。

从表1的统计可以看出入渗试验所得到铅直入渗深度和径向入渗宽度。表中的数据表明，所有试验工况，由于土壤处于初始入渗阶段，具有较大的入渗性能，重力对铅直入渗的贡献不明显，入渗主要由土壤基质势控制。如图5所示，为平均铅直入渗深度与水平入渗宽度的关系；也表明二者具有很好的一致性。铅直入渗是水平入渗的1.001倍。

由铅直入渗深度和水平径向入渗宽度计算总的湿润体体积和铅直湿润体体积，进而计算总的入渗水量和铅直入渗水量（计算公式为式（1）～(6)），结果如图6、7所示。图6显示总的湿润体体积V=V₁+V₂是铅直湿润体体积V₁的2.58倍；图7表明总的入渗水量Q₂是铅直入渗水量Q₁的2.58倍。图5揭示了环式入渗仪测量土壤初始入渗率偏大的原因是环壁与土壤间的缝隙产生的优先流造成的。图6、图7表明环式入渗仪测得的土壤初始入渗率偏高2.58倍。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置，其特征在于，包括两个半环、位于半环直径延长线上的四片连接板、入土打击装置，所述入土打击装置包括铁锤、二个铁锤导管；

所述四片连接板上设置有两两相对的螺孔，所述铁锤导管上部设置有定位部件，所述铁锤的直径小于铁锤导管的直径；所述定位部件为设置在铁锤导管上部的插槽和铁锤止动板；

组装所述检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置时，将所述两个半环相对的连接板用螺栓固定为入渗环，所述相对的连接板之间垫有防止渗水的垫片。

2.根据权利要求1所述的检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置，其特征在于，所述二个铁锤导管的长度和直径相等，所述铁锤导管底部开有与所述入渗环适配的卡槽。

3.根据权利要求1或2所述的检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置，其特征在于，所述铁锤成对使用，每对铁锤质量相等。

4.应用权利要求1-3任一所述的检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的方法，包括步骤：

S1、通过螺栓将两个半环固定连接为一个完整的入渗环，将入渗环放在选定的土壤表面上轻压，使得地面显现连接板所处的位置，然后移走入渗环；

S2、用取土钻在连接板所处位置打孔取土，达到入渗环预计安装深度，然后将入渗环放在土壤表面，使连接板分别均处在打孔的位置；

S3、将两个铁锤导管沿入渗环直径对称位置铅直放在入渗环上，从铁锤导管上部放入铁锤，置于铁锤止动板上，而后同时抽出铁锤止动板，使铁锤从给定相同高度同时自由落体打击入渗环，重复以上操作，直到入渗环入土深度达到预计安装深度；

S4、用电子秤或量筒量取所需水量，一次性加入渗环内，记录所加水量全部入渗进入土壤所需时间；

S5、入渗完成后，挖开入渗环外侧土壤，然后拧开连接螺栓，取出入渗环后，铅直剖切环内土壤，达到入渗环的入土深度，观测入渗水分在土壤剖面的分布。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S5还包括记录水在剖面的铅直入渗深度z和水平径向入渗宽度w，再由测量结果计算湿润体体积，进而分别计算水平和铅直入渗水量及总的入渗水量，由总的入渗水量和铅直入渗水量计算环式入渗仪测量土壤初始入渗率的误差。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述剖面位于环内部分土体。

7.根据权利要求4-6任一所述的方法，其特征在于，所述初始入渗湿润体体积由铅直入渗和水平径向入渗两部分组成；总的入渗体积和入渗水量分别是铅直入渗体积和水量的倍数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，初始入渗体体积由铅直入渗圆台体积计算，水平入渗体积由入渗圆环体积计算，用于计算初始入渗率偏高的量值。