CN104020097B - 一种非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪，至少包括底座以及覆盖安装于底座上的透明保温罩，透明保温罩内设置有包气带柱状模拟系统、测量系统以及温控干燥系统，所述的包气带柱状模拟系统包括圆柱管、隔板、法兰底座以及饱水阀，圆柱管固定在法兰底座上，隔板位于圆柱管的底部，所述圆柱管内填充有土柱；所述的测量系统至少包括电子负压计和电子秤，所述包气带柱状模拟系统整体放置于电子秤上；所述的温控干燥系统包括温度控制模块、湿度控制模块以及电源线，温度控制模块和湿度控制模块均安装在透明保温罩的内壁上。本申请提供的室内测定实验仪解决了现有技术中的不足，具有操作简便、测定周期短、耗费低、误差小的特点。

Description

一种非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪

技术领域

本发明提供了一种非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪，用于测定非饱和带土壤的水分特征曲线和水力传导度，属于水文地质领域。

背景技术

对于水文地质科学来说，随着包气带水研究的深入开展，势必推动水文地质学基础、地下水渗流理论等方面的延拓与发展，也将促进溶质运移理论的发展、研究降雨入渗下非饱和带中的水气运动在土壤的节水灌溉、水土保持、岩土及水工的饱和一非饱和渗流及结构稳定研究中具有重要意义。

非饱和土的渗透系数是岩土工程、水利工程、农田灌溉工程和环境工程发展精准农业与生态农业需要的重要参数，测量非饱和土的渗透系数代价大。水力传导度的测定，常用方法可分为两大类，直接方法和间接方法。其中直接方法又可分为室内试验法和野外试验法，如稳定人渗法与稳定蒸发法，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。间接方法是利用直接方法求得的参数间接地计算水力传导度，如CD法，水分特征曲线法等。今年来，国内外许多学者一直在寻求一种操作简便、费用低、测定周期短、误差小的方法。

发明内容

本发明提供了一种用于非饱和土壤水力传导度室内测定的实验仪，解决了上述现有技术中的不足，具有操作简便、测定周期短、耗费低、误差小的特点。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪，至少包括底座以及覆盖安装于底座上的透明保温罩，透明保温罩内设置有包气带柱状模拟系统、测量系统以及温控干燥系统，所述的包气带柱状模拟系统至少包括圆柱管、隔板、法兰底座以及饱水阀，圆柱管固定在法兰底座上，隔板位于圆柱管的底部，所述圆柱管内填充有土柱，土柱位于隔板的上方，饱水阀位于圆柱管的底部上；所述的测量系统至少包括电子负压计和电子秤，所述包气带柱状模拟系统整体放置于电子秤上，圆柱管的侧壁上由上至下分布有安装孔，且安装孔分布于圆柱管的左右两侧，所述电子负压计通过固定管和固定盖安装于安装孔上，至少包括陶土头、连接管、负压传动三通管、电子数显负压表、橡皮塞、密封盖以及位于负压传动三通管内的液体负压传递介质，其中陶土头固定在连接管的一端，连接管的另一端与负压传动三通管连接，所述的陶土头和连接管由安装孔处伸入于土柱中，电子数显负压表安装于负压传动三通管的测管上，用于测量负压值，橡皮塞安装于负压传动三通管的顶部，并采用密封盖密封；所述的温控干燥系统包括温度控制模块、湿度控制模块以及电源线，温度控制模块和湿度控制模块均安装在透明保温罩的内壁上，电源线位于保温罩的最下方，与外界相连，为温控干燥系统提供电力。

所述的底座包括一个边长60cm的正方形不锈钢架以及一块厚度为8mm的亚克力底板，底板通过螺丝固定在不锈钢架上，底座的下方设置有四个可制动滑轮。

所述的包气带柱状模拟系统中，隔板上铺有一层厚10mm、直径为3mm的砾石，砾石的表面上铺有一层纱布，土柱位于纱布上，圆柱管的侧壁上开设有5个安装孔，隔板的下方安装有一个用于饱水过程中的排气的排气阀，所述法兰底座的下方设置有两个竖直的用于支撑整个包气带柱状模拟系统的支撑板。

所述的温度控制模块包括四盏加热灯以及温度监测器，湿度控制模块包括干燥剂以及湿度监测器，其中干燥剂分布于透明保温罩的顶部以及上部，干燥剂以颗粒的形式填充于透明保温罩内部的孔隙中，用于吸收土柱中挥发出来的水蒸气，降低保温罩内部的湿度；所述加热灯位于干燥剂的下方，加热灯通过螺丝固定在透明保温罩的内壁上，用于提高罩内的温度，加快蒸发速率。

本发明作为教学实验仪器有助于学生更好的理解非饱和土壤水的渗透实验的实验原理和达西定律以及达西定律在非饱和渗流中的理论推广与应用。学生可以通过自己设计不同的实验方案来研究不同条件的土样渗透系数，锻炼学生们的动手实践能力和思考、分析、解决问题的能力；在生产中可以用于测定农田土壤的渗透系数、测定岩土工程中非饱和岩土的渗透系数、为研究污染物在包气带土壤中运移提供参数、为分析降雨土坡稳定性提供理论依据等。总之本发明提供的装置具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪的整体结构示意图；

图2为包气带柱状模拟系统的结构示意图；

图3为电子负压计的结构示意图；

图中：1-包气带柱状模拟系统，2-支撑板，3-饱水阀，4-法兰底座，5-排气阀，6-固定管，7-固定盖，8-土柱，9-安装孔，10-砾石，11-隔板，12-电子负压计，13-液体负压传递介质，14-负压传动三通管，15-电子数显负压表，16-负压表按键，17-负压显示屏，18-密封盖，19-橡皮塞，20-连接管，21-陶土头，22-电子秤，23-可制动滑轮，24-底座，25-电源控制器，26-干燥剂，27-透明保温罩，28-温湿度监测显示器，30-通风口，31-加热灯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本发明提供的非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪的整体结构如图1所示，包括底座24以及覆盖安装于底座24上的透明保温罩27，所述的底座24包括一个边长60cm的正方形不锈钢架以及一块厚度为8mm的亚克力底板，底板通过螺丝固定在不锈钢架上，实验仪器放置于底板上，底座24的下方设置有四个可制动滑轮23，四个可制动滑轮23可以方便移动。

透明保温罩27内设置有包气带柱状模拟系统1、测量系统以及温控干燥系统，透明保温罩27的顶部还设有通风口30。所述的温控干燥系统包括温度控制模块、湿度控制模块以及电源线，温度控制模块和湿度控制模块均安装在透明保温罩27的内壁上，电源线位于保温罩的最下方且与外界相连，透明保温罩内设置有与电源线连接的电源控制器25，为温控干燥系统提供电力。所述的温度控制模块包括四盏加热灯31以及温度监测器，湿度控制模块包括干燥剂26以及湿度监测器，其中干燥剂26分布于透明保温罩27的顶部以及上部，干燥剂26以颗粒的形式填充于透明保温罩内部的孔隙中，用于吸收土柱中挥发出来的水蒸气，降低保温罩内部的湿度，加快蒸发速度；所述加热灯31位于干燥剂的下方，加热灯31通过螺丝固定在透明保温罩的内壁上，用于提高罩内的温度，加快蒸发速率。在本实施例中，湿度监测器以及温度监测器集成在同一部件上，为-温湿度监测显示器28。上述温控干燥系统，可以人工对土柱周围的温湿度进行控制，避免了外界环境变化所引起的误差，并可将内部环境的情况直观反映在温湿监测显示器上，便于人们的观察和操作。

所述的包气带柱状模拟系统的结构如图2所示，包括圆柱管、隔板11、法兰底座4以及饱水阀3，圆柱管固定在法兰底座4上，隔板11位于圆柱管的底部，所述圆柱管内填充有土柱8，土柱8位于隔板11的上方，饱水阀3位于圆柱管的底部上；所述的包气带柱状模拟系统中，隔板11上铺有一层厚10mm、直径为3mm的砾石10，为了防止饱水时水流对土样的直接冲刷而破坏土样填充的密实程度，砾石的表面上铺有一层纱布，土柱8位于纱布上，圆柱管的侧壁上开设有5个安装孔9，隔板11的下方安装有一个用于饱水过程中的排气的排气阀5，所述法兰底座的下方设置有两个竖直的用于支撑整个包气带柱状模拟系统的支撑板2。

所述的测量系统至少包括电子负压计12和电子秤22，所述包气带柱状模拟系统整体放置于电子秤22上，圆柱管的侧壁上由上至下分布有5个安装孔9，且安装孔9分布于圆柱管的左右两侧，所述电子负压计12通过固定管6和固定盖7安装于安装孔上，其结构如图3所示，至少包括陶土头21、连接管20、负压传动三通管14、电子数显负压表15、橡皮塞19、密封盖18以及位于负压传动三通管的液体负压传递介质13，其中陶土头21固定在连接管20的一端，连接管20的另一端与负压传动三通管14连接，所述的陶土头21和连接管20由安装孔处伸入于土柱8中，电子数显负压表15安装于负压传动三通管14的测管上，用于测量负压值，橡皮塞19安装于负压传动三通管14的顶部，并采用密封盖18密封。在使用时，陶土头21通过连接管20与负压传动三通管14连接，负压传动三通管里面的负压传递介质把土样中产生的负压传递到电子数显负压表15，通过负压显示屏17显示出测量结果，电子数显负压表15上还设置有负压表按键16。负压计整体都是绝对密封，液体负压传递介质通过三通管顶端口注入，然后用橡皮塞扎紧密封，在用密封盖拧紧保证三通管内的绝对密封。负压计的饱水是在土柱饱水的同时进行的，在安装好土样与负压计之后，装置饱水至三通管中有水进入时在通过三通管口注入水介质达到饱水完全的状态，在通过橡皮塞和密封盖进行密封。

本发明提供的非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪的使用方法如下：

1)、制备与装填土样

将取回的土样自然风干后捣碎然后进行筛分，取实验方案设计的粒径级下的土样，均匀等质的填入土柱中并压实。

2)、安装电子负压计

按预留孔位装设电子负压计，压实土样保证负压计与土样紧密接触，固定负压计。

3)、饱水

通过马氏瓶定水头供水给土柱底部的饱水阀利用橡胶软管进行稳定饱水，同时在负压计三通管内部出现水的同时给负压计饱水并密封。

4)、进行稳定蒸发实验

调整电子负压计处于正常工作状态后，把包气带柱状模拟系统放入温控干燥罩里面的电子秤上，设定蒸发温度，开始稳定蒸发实验，每日定时观测并记录电子负压计土壤负压读数，以及电子秤质量读数。得到实验数据数据记入表中。

Claims (4)

1.一种非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪，其特征在于：至少包括底座以及覆盖安装于底座上的透明保温罩，透明保温罩内设置有包气带柱状模拟系统、测量系统以及温控干燥系统，所述的包气带柱状模拟系统至少包括圆柱管、隔板、法兰底座以及饱水阀，圆柱管固定在法兰底座上，隔板位于圆柱管的底部，所述圆柱管内填充有土柱，土柱位于隔板的上方，饱水阀位于圆柱管的底部上；所述的测量系统至少包括电子负压计和电子秤，所述包气带柱状模拟系统整体放置于电子秤上，圆柱管的侧壁上由上至下分布有安装孔，且安装孔分布于圆柱管的左右两侧，所述电子负压计通过固定管和固定盖安装于安装孔上，至少包括陶土头、连接管、负压传动三通管、电子数显负压表、橡皮塞、密封盖以及位于负压传动三通管内的液体负压传递介质，其中陶土头固定在连接管的一端，连接管的另一端与负压传动三通管连接，所述的陶土头和连接管由安装孔处伸入于土柱中，电子数显负压表安装于负压传动三通管的测管上，用于测量负压值，橡皮塞安装于负压传动三通管的顶部，并采用密封盖密封；所述的温控干燥系统包括温度控制模块、湿度控制模块以及电源线，温度控制模块和湿度控制模块均安装在透明保温罩的内壁上，电源线位于保温罩的最下方，与外界相连，为温控干燥系统提供电力。

2.根据权利要求1所述的非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪，其特征在于：所述的底座包括一个边长60cm的正方形不锈钢架以及一块厚度为8mm的亚克力底板，底板通过螺丝固定在不锈钢架上，底座的下方设置有四个可制动滑轮。

3.根据权利要求1所述的非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪，其特征在于：所述的包气带柱状模拟系统中，隔板上铺有一层厚10mm、直径为3mm的砾石，砾石的表面上铺有一层纱布，土柱位于纱布上，圆柱管的侧壁上开设有5个安装孔，隔板的下方安装有一个用于饱水过程中的排气的排气阀，所述法兰底座的下方设置有两个竖直的用于支撑整个包气带柱状模拟系统的支撑板。

4.根据权利要求1所述的非饱和土壤水力传导度的室内测定实验仪，其特征在于：所述的温度控制模块包括四盏加热灯以及温度监测器，湿度控制模块包括干燥剂以及湿度监测器，其中干燥剂分布于透明保温罩的顶部以及上部，干燥剂以颗粒的形式填充于透明保温罩内部的孔隙中，用于吸收土柱中挥发出来的水蒸气，降低保温罩内部的湿度；所述加热灯位于干燥剂的下方，加热灯通过螺丝固定在透明保温罩的内壁上，用于提高罩内的温度，加快蒸发速率。